Чайник на острове

АрхивНаука

В прошлом году на Земле обитало 6,4 миллиарда человек. Прикинем, сколько и какой энергии приходится на каждого. Это будет нагляднее, чем упоминаемые в СМИ миллиарды тонн и триллионы киловатт.

По оценкам ООН, в прошлом году на Земле обитало  6,4 миллиарда человек. Казалось бы, очень много. Но если поверхность планеты честно поделить поровну, то каждому достанется примерно по 2,3 гектара суши (почти три футбольных поля) и по 5,6 гектара моря. Вроде тоже немало - до друзей и родственников не докричишься, если вдруг захочется поговорить. Прикинем, сколько и какой энергии приходится на каждого. Это будет нагляднее, чем упоминаемые в СМИ миллиарды тонн и триллионы киловатт.

По официальным данным администрации США, ежегодно в мире производится около 1,2*1014 кВт/час (4,3*1020 Дж) энергии всех видов. Практически вся эта энергия в конце концов превращается в тепло. Получается, что в среднем каждый человек постоянно расходует 2,1 кВт. То есть всего-то круглосуточно кипятит приличный чайник - сидя один на острове в три футбольных поля и окруженный персональной частью мирового океана, которая еще в два с половиной раза больше. Так о чем, собственно, речь?..

Сравним эти показатели с природными источниками тепла. Энергия просачивается к нам из горячих недр Земли, перекачивается от небесных тел с помощью гравитации, вызывающей приливные явления, но основной ее источник - излучение Солнца.

С тепловым потоком из недр приходит около четырех киловатт на каждого из нас. Согласно последним оценкам, из-за вязкого трения приливных волн и течений выделяется еще около шестисот ватт на человека. Так что чайник чайником, а энергетические расходы человечества уже приблизились к половине суммарной тепловой мощи земных недр и небесных тел.

Однако это сущие крохи по сравнению с падающей на Землю энергией излучения Солнца - по 27 МВт на одного, большая Московская ТЭЦ - на пятьдесят человек. Земной поверхности достигает около половины солнечного света. Нагретая в среднем до 15 °С, поверхность излучает в очень холодное космическое пространство. Но лишь 20% инфракрасного излучения проходит сквозь атмосферу и сразу улетает в космос. Оставшаяся часть сложным образом поглощается и переизлучается, а в результате "средняя" температура нашей планеты, видимая из космоса, уже не +15 °С, а –24 °С.

Это и есть парниковый эффект: атмосфера, играющая роль всеобщего одеяла, "поднимает" температуру поверхности Земли на 39 °С. Почти вся энергия от Солнца, Луны и земных недр расходуется на отопление нашей планеты.

Опасность изменения теплового баланса и экологического загрязнения и является основным аргументом тех, кто ратует за переход на нетрадиционные источники энергии. Мы уже подсчитали, что тепловыделение от человеческой деятельности хоть и сравнимо с вкладом недр и гравитации, составляет менее одной сотой процента баланса излучения. Его пока никто из специалистов всерьез не принимает. Другое дело - выбросы углекислого газа от сжигания ископаемого органического топлива. Увеличение концентрации CO2, в принципе, способно затруднить охлаждение планеты, препятствуя инфракрасному излучению. Но физические процессы в атмосфере, почве и биосфере настолько многообразны и сложно взаимосвязаны, что, боюсь, никто сегодня толком не сможет сказать, к каким последствиям приведут эти выбросы. То есть говорят-то много и не стесняясь, но эти прогнозы не достовернее прогноза погоды на полгода вперед.

Конечно, если не ясно, каков будет результат, то лучше попытаться свести к минимуму любое воздействие на природу, способное что-то изменить. Но альтернативная энергетика, как правило, значительно дороже традиционной. И на самом ли деле альтернативные источники энергии улучшают экологическую ситуацию? Это совсем не очевидно.

По данным вышеупомянутого источника, 85% энергии в мире получают путем сжигания ископаемого топлива - 37% из нефти и по 24% из угля и газа. По 7% дают атомные и гидроэлектростанции. И лишь 1% - это альтернативная энергетика (итого на возобновляемые источники приходится 8%).

Ископаемое органическое топливо сравнительно легко добывать, транспортировать, запасать и затем использовать где и когда необходимо. У большинства альтернативных источников есть два общих недостатка. Во-первых, малая плотность поступающей энергии в расчете на единицу площади; во-вторых, как правило, произвольное и непостоянное поступление энергии во времени и пространстве. Необходимость как-то собирать и запасать энергию (или дублировать ее источник) и делает нетрадиционную энергетику относительно дорогой.

Обычно к альтернативным источникам энергии относят небольшие реки, ветер, излучение Солнца, биомассу и всевозможные отходы, геотермальные воды, морские приливы и пр. В принципе, получать энергию можно всюду, где есть разность температур, "концентраций чего-либо" или "поток чего-нибудь". Вопрос только в стоимости.

Солнце, ветер и вода

Вода. Малые ГЭС (до 10 МВт) и микро-ГЭС (от 3 до 100 кВт) - "самые традиционные" из нетрадиционных энергоисточников. В 50–60-е годы в России работало несколько тысяч малых ГЭС, сегодня - несколько сотен. Однако рост цен на электроэнергию и топливо возрождает интерес к малым ГЭС. К тому же гидроагрегаты надежны, полностью автоматизированы, и даже микро-ГЭС может обеспечить энергией отдельный хутор, небольшое производство или дачный поселок, если туда невыгодно тянуть линию электропередач. А в нашей стране 70% территории, где проживает 22% населения, не охвачено централизованным энергоснабжением. Отметим, что для равнинных ГЭС в среднем получают 2,2 кВт с гектара водохранилища (то есть "усредненному человеку на острове" придется свою территорию наполовину затопить, что неприемлемо). Зато в горных районах эффективность ГЭС несравненно выше.

Энергия воды морей и океанов освоена гораздо хуже. Получать электричество из энергии волн пытались в разных странах. Чаще всего использовались пневматические преобразователи: периодическое изменение волной уровня воды в сосуде порождало поток воздуха, вращающий турбину. Небольшие устройства этого типа применяются для электропитания морских буев и маяков. Проектировались и испытывались разнообразные поплавковые системы и другие конструкции. Но такой способ добычи энергии оказался слишком дорогим и непостоянным во времени.

Гораздо более предсказуемы морские приливы. Считается, что если колебания уровня воды превышают четыре метра, то можно строить приливную электростанцию. Размах приливных колебаний в рекордном случае залива Фанди на Атлантическом побережье Канады достигает 18 м, в Пенжинской губе на Охотском море - 13 м, а в Мезенском заливе Белого моря - 10 м. Первая приливная электростанция с пиковой мощностью 240 МВт была введена в строй еще в 1966 году во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м.

Приливная электростанция очень похожа на обычную ГЭС. Устье реки или залив перегораживают дамбой, в которой размещают гидротурбины с электрогенераторами, способные работать при потоке воды в обоих направлениях, а также в качестве насосов. При такой конструкции и правильном полусуточном цикле приливов станция может вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение четырех-пяти часов с перерывами в один-два часа четырежды за сутки. Более сложные схемы, требующие строительства нескольких дамб, могут сгладить пульсации, но полностью их исключить невозможно. Кроме того, строительство приливной станции обходится дороже возведения ГЭС той же мощности. Поэтому дальше исследований, рекламы проектов гигантских приливных электростанций и опытной эксплуатации нескольких небольших установок дело пока не пошло. Есть такая электростанция и у нас, на побережье Баренцева моря в Кислой губе. Сейчас она реконструируется.

Не все гладко у приливных станций и с экологией. Дамба мешает естественной миграции рыб, а также сильно изменяет приливную зону и характер приливов на огромной территории. Ряд фирм разрабатывают проекты и эксплуатируют небольшие опытные образцы приливных станций, которые не требуют строительства дамб, а просто используют энергию быстрого течения воды.

Ветер. Среди ветродвигателей преобладают скоростные машины с двумя-тремя лопастями и горизонтальным расположением вала, способные использовать около половины энергии воздушного потока. Гораздо реже применяют модели с вертикальным валом, которым не нужно следить за направлением ветра (расплачиваясь за это меньшей эффективностью).

В 1995 году появились ветряные станции мощностью 600 кВт, а сегодня несколько фирм серийно выпускают агрегаты на 3–5 мВт. Это гигантские сооружения со стометровым винтом из углепластика и стометровой же опорой, общая высота которых достигает половины Эйфелевой башни. Несколько десятков таких агрегатов объединяют в ветряные фермы и подключают к энергосети. Крупные установки обычно ставят на морском шельфе. По стоимости энергии они уже могут конкурировать с тепловыми электростанциями.

Серийно выпускается и широкий спектр малых установок (от 1 кВт). В комбинации, например, с дизель-генераторами они могут обеспечивать электроэнергией дачи или фермерские хозяйства (однако в данном случае стоимость энергии заметно возрастает).

Главная проблема ветряных электростанций - непостоянство скорости ветра. Мощность, которую можно получить с квадратного метра ветрового потока, пропорциональна кубу скорости ветра. Для типичных в средней полосе 4 м/с она составит всего 33 Вт/м2, но при скорости ветра 10 м/с - уже 520 Вт/м2. Крупные установки проектируют на скорость ветра 12–15 м/с. При значительно меньшей или большей скорости агрегат останавливают. Место расположения ветряной электростанции считается удачным, если ей удается работать в среднем более трети года. Таких мест на Земле не так много, и большинство уже занято.

При скорости ветра 5–6 м/с ветряная ферма снимает с гектара поверхности большую мощность, чем равнинная ГЭС. Сейчас проектируются крупные ветроагрегаты на расчетную скорость ветра 6–7 м/с. При той же мощности диаметр их роторов должен быть почти втрое больше. Однако разработчики надеются, что возросшую стоимость установок удастся скомпенсировать за счет близости к потребителям. Ведь мест с такой скоростью ветра на Земле гораздо больше. Кроме того, скорость ветра увеличивается с высотой, поэтому использование более высоких конструкций перспективно.

Считается, что использование энергии ветра не причиняет вреда окружающей среде. Например, в богатой демократическими традициями Великобритании против строительства ветряных электростанций на морском шельфе в нескольких милях от побережья Уэльса и в других районах почти никто не возражал - за исключением военных и орнитологов, опасавшихся, что ветровые колеса будут мешать радарам и птицам. Однако исследования показывают, что крупные ветряные станции могут существенно изменить розу ветров и температуру воздуха в нижних слоях атмосферы. Правда, надежного способа оценки экологических последствий строительства ветряных ферм пока нет.

Солнце. Самая первая шкура, которую древний человек высушил с помощью прямого использования солнечной энергии, к сожалению, не сохранилась. А собственные шкуры грели на солнышке даже наши предки обезьяны, не говоря уже о крокодилах.

Легко использовать солнце для отопления и горячего водоснабжения. Впрочем, популярная в России "солнечная установка" - бочка с водой для душа на садовых участках - малоэффективна. Хорошие нагреватели состоят из смотрящего на юг плоского наклонного коллектора солнечных лучей и размещенного над ним бака с водой. Коллектор и бак теплоизолируют. КПД этого простого сооружения достигает 40–50%, и оно способно летом нагреть воду до 50–70 °С. Вода как аккумулятор тепла сглаживает непостоянство поступления энергии от нашего светила. Такие водонагреватели получили широкое распространение в солнечных местах Земли. Например, тот, кто отдыхал в Турции, мог видеть их на крышах многих домов.

В последнее время стали популярны воздушные коллекторы, встроенные в фасады зданий как элемент архитектуры. Оптимальный наклон коллектора примерно равен широте местности. В Европе, к примеру, на вертикальную стенку в год падает солнечной энергии примерно на 30% меньше, чем на поверхность, расположенную под углом 45° к горизонту. Такой коллектор выполняет двойную роль - нагревает теплоноситель и уменьшает тепловые потери здания.

Когда кремниевые фотоэлементы были очень дороги и использовались только в космосе, много надежд возлагалось на солнечные тепловые электростанции. Это башня с парогенератором, на который поле поворотных зеркал фокусирует солнечный свет. Пар крутит турбину, как на обычной тепловой электростанции. Потенциальная эффективность этой схемы выше, чем у лучших полупроводников, однако она не работает при рассеянном свете. В ряде стран были построены опытные установки мощностью до 10 мВт, но их эксплуатация показала, что, казалось бы, дармовая энергия обходится в несколько раз дороже, чем выработанная тепловыми станциями. Например, стирать пыль с целого поля зеркал - сущее наказание.

Сегодня больше внимания уделяется прямому преобразованию солнечной энергии с помощью полупроводниковых фотоэлементов. В основном это плоские кремниевые фотоэлементы, способные преобразовывать как прямой, так и рассеянный свет. Их стоимость за последние десять лет снизилась в несколько раз, но цена такой энергии все еще слишком высока. В небольших автономных установках фотоэлемент сочетают с аккумуляторной батареей и широко используют для освещения, питания устройств связи и других целей. В арабских странах фотоэлементы зачастую используют для питания холодильников.

Эффективность серийных кремниевых модулей составляет 13–14%; отдельного фотоэлемента - 17–18%, а у трехслойных панелей на гетеропереходах на основе галлия индия фосфида, арсенида галлия и германия она превышает 28%. В лабораторных условиях удается получить образцы с эффективностью более 35%. Такие фотоэлементы разумно использовать вместе с концентраторами излучения на основе зеркал или плоских линз Френеля. Лучшие концентраторы позволяют в ясный день получить поток излучения, достигающий примерно половины потока на поверхности Солнца. Правда, концентрировать излучение можно лишь в 100–1000 раз, иначе возникают большие проблемы с охлаждением фотоэлементов. К сожалению, при рассеянном свете концентраторы бесполезны.

Ученые пытаются максимально снизить стоимость более простых солнечных элементов. В европейском проекте H-Alpha Solar созданы гибкие солнечные элементы на основе тонкой пленки аморфного кремния на пластике, эффективность которых около семи процентов. В планах - повышение эффективности до 10% и массовое производство рулонов дешевой "солнечной пленки".

"Человеку на острове", чтобы кипятить свой чайник, потребуется порядка ста квадратных метров кремниевых солнечных батарей и очень большой аккумулятор. Это, конечно, лучше, чем гектар водохранилища, но пока неприемлемо дорого.

Земля

Внутреннее тепло. Температура Земли обычно достигает ста градусов на глубине 2–3 км. В районах вулканической активности термальные воды имеют высокую температуру и расположены гораздо ближе к поверхности, иногда выделяясь в виде перегретого пара, который можно использовать в турбине с электрогенератором. Считается, что при температуре выше ста градусов месторождение пригодно для строительства геотермальной электростанции, при более низкой температуре - для теплоснабжения. По использованию геотермальных электростанций в мире лидируют США, Филиппины и Мексика, а по использованию геотермального тепла - Китай, США и Исландия. В балансе производства электроэнергии и тепла из возобновляемых источников геотермальная энергия занимает 6–7%.

В отличие от энергии солнца и ветра геотермальную энергию можно использовать круглый год и по мере надобности. Обходится она, как правило, дешевле энергии от сжигания органического топлива. Однако высокотемпературных геотермальных ресурсов немного. В России они есть только на юге Камчатки, Курильских островах и Чукотке. К сожалению, использование геотермальной энергии осложняется экологическими проблемами. Вода с больших глубин часто содержит фенолы и ядовитые окислы металлов. Такую воду после использования ее тепла приходится закачивать обратно в пласт, что требует дополнительных затрат. Экологические проблемы надеются решить с помощью полностью замкнутых систем с подземным теплообменником, в которых циркулирует легкокипящая жидкость.

Эффективны схемы отопления, использующие теплую (около 20 °С) термальную воду в сочетании с тепловыми насосами. Впрочем, тепловой насос иногда выгодно применять для отопления и в обычной местности, используя, например, тепло грунта, температура которого на глубине уже нескольких метров равна среднегодовой температуре на поверхности.

Самый популярный тепловой насос - обыкновенный холодильник. Он перекачивает тепло от холодной морозилки в теплую кухню, тратя на это электроэнергию. Если разобрать холодильник и закопать морозилку или просто выставить ее на улицу, а горячий задний радиатор оставить в доме, то им, в принципе, можно обогревать помещение. При определенных условиях на приведение в действие компрессора холодильника потребуется в несколько раз меньше электроэнергии, чем если бы мы просто отапливали помещение электрическим нагревателем. Недостающее тепло насос возьмет от грунта, лишь бы температура грунта была выше, чем у морозилки.

Разумеется, обычный холодильник здесь непригоден. Но для той же цели серийно выпускаются схожие по сути устройства, которые тем эффективнее, чем меньше перепад температур между обогреваемым помещением и грунтом или другим источником тепла (водоемом, сточными водами, сбросами теплой воды или воздуха промышленных предприятий). Тепловые насосы - одна из перспективных энергосберегающих технологий, которая выгодна при наличии подходящих источников тепла, а также в районах, где обычное теплоснабжение затруднено или имеется избыток электроэнергии.

Биомасса. Для получения одной молекулы кислорода из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза требуется восемь фотонов; эффективность этого процесса лишь около 5%. Но при образовании первичной биомассы в природе даже эта возможность реализуется далеко не полностью. Быстрорастущий бамбук в тропиках может дать до 40 тонн сухой биомассы с гектара в год, реализуя около 35% продуктивности фотосинтеза. Эвкалипт дает 20 тонн, наши северные леса - и вовсе только одну тонну.

Но дровишки или полученное из них жидкое топливо легко (в отличие от электричества) запасти на зиму. Поэтому в настоящий момент серьезно рассматривается возможность выращивания быстрорастущих растений в энергетических целях. Считается, что сжигание биомассы не приводит к накоплению в атмосфере углекислого газа - вновь посаженные растения поглотят его в таком же количестве, а значит, надлежащее использование биомассы является экологически чистой технологией. Среди возобновляемых источников энергии на долю биомассы приходится около 25%, а ее вклад в производство тепла превышает 85%.

Большинство отходов животноводства и птицеводства, а также жидкие стоки лучше не сжигать, а перерабатывать с помощью анаэробных бактерий. Этот процесс превращает навоз и куриный помет в биогаз и экологически очищенные удобрения. Биогаз в среднем содержит до 70% метана и 30% углекислого газа. Лидер в индустриальном производстве биогаза - Дания.

Значительное внимание анаэробной переработке отходов уделяют Китай и Индия.

Перспективно энергетическое использования биомассы, содержащей различные сахара, путем сбраживания с получением спирта (этанола). В Бразилии разработана программа использования этанола из тростника для замены до 22% бензина. Более 7% процентов продаваемого там бензина содержат 10-процентную добавку этанола.

В США тоже действует программа замены бензинового топлива этанолом, который получают путем переработки излишков кукурузы и других зерновых культур. На долю газохола (этанол-бензиновой смеси) уже приходится десятая часть топливного рынка страны. Причем если спирта в бензин добавлять не больше 8%, то даже не потребуется перенастраивать карбюраторы. Использование спирта в качестве топлива получило поддержку во Франции, в Швеции. Спирты можно "сжигать" в топливных элементах, которые обладают целым рядом преимуществ по сравнению с обычными тепловыми двигателями.

Помня старую поговорку, что "Сэкономленный пенни - это заработанный пенни", некоторые специалисты относят к альтернативной энергетике и всевозможные способы экономии энергии. Например, популярна концепция энергоэффективных зданий Sustainable Buildings, в которых на создание комфортных условий тратится примерно вдвое меньше энергии. Но и обходятся такие здания вдвое дороже.

Экономия энергии - отдельная обширная тема, как и широко разрекламированная концепция водородной энергетики. Отметим, что водород не служит источником энергии, а лишь играет роль эффективного химического аккумулятора. "Сжигая" водород в компактных топливных элементах, можно получать электроэнергию с лабораторной эффективностью до 80%, а практически уже до 65%. Это гораздо выше, чем при использовании органического топлива в тепловых машинах. Водород экологически чист, но его очень трудно хранить и неудобно транспортировать. Если эта проблема будет решена, водородная энергетика сможет сильно помочь альтернативной, смягчив непостоянство большинства возобновляемых источников.

Подведем итоги

К сожалению, ни одна из существующих "альтернативных" технологий не сможет обеспечить нынешние энергетические потребности человечества, если вдруг придется отказаться от использования ископаемого органического топлива. И в обозримом будущем механическая энергия воды и ветра, а также тепло Земли, по-видимому, будут играть лишь вспомогательную роль. Только прямое преобразование солнечной энергии в электрическую или использование энергии специально выращенной биомассы поможет создать полностью возобновляемую энергетику. Необходим эффективный способ прямого преобразования энергии солнца в химическую энергию экологически чистого, энергоемкого и удобного для транспортировки и хранения вещества. Думаю, многие предпочли бы, чтобы эту роль в будущем вместо водорода выполнял всем знакомый безвредный спирт.
Относительный вклад возобновляемых источников в производство электроэнергии постоянно растет, ищутся правовые и экономические механизмы, сближающие стоимость традиционных и возобновляемых источников энергии. Ширятся научные исследования. А значит, есть все основания полагать, что успехи современных технологий позволят решить все сегодняшние и будущие энергетические проблемы человечества.

- Из журнала "Компьютерра"