Реальные перспективы альтернативной энергетики
Мировое сообщество уже давно обсуждает тему использования альтернативных источников энергии. Однако, хотя их известны десятки, проходят годы, а массового перехода на них не наблюдается. В то же время некоторые эксперты, подсчитав расходы на нефть и газ, в самом ближайшем будущем обещают кардинальные перемены в этом направлении. Согласно оптимистическим прогнозам, к 2020 г. «альтернативная» доля в энергобалансе достигнет 12,9%.
Лидеры ведущих государств пока не слишком рассчитывают, что скоро откроется неиссякаемый источник дешевой энергии. Но политики поняли важность темы, и вопрос о международной энергетической безопасности уже был поставлен в рамках мероприятий Большой восьмерки. Российской стороной озвучено мнение, исходя из которого углеводороды могут активно потребляться еще полвека. За это время должна быть создана альтернативная энергетика.
По данным Международного энергетического агентства и Организации стран — экспортеров нефти (ОПЕК), в настоящее время большая часть электроэнергии в мире производится из углеводородного сырья. При этом нефть и газ растут в цене по мере исчерпания доступных месторождений. Уголь (залежи которого довольно велики), как энергоноситель, не удовлетворяет современным экологическим требованиям. Активно разрабатываются «чистые» способы его использования (к 2020 г. технологи обещают создать угольную ТЭС с почти нулевым выбросом СО2), однако это снова ведет к удорожанию получаемой энергии.
Определенную долю мирового электричества вырабатывают гидроэлектростанции. Этот ресурс, видимо, удержит свои позиции — даже несмотря на то, что с экологической точки зрения он далеко небезупречен (запруживание рек плотинами ГЭС серьезно нарушает экосистему). В первую очередь это касается стран с преобладанием равнинного ландшафта, к которым можно отнести и Беларусь (перепад высот между Дзержинским холмом под Минском и долиной Немана составляет менее 250 м).
Остальные возобновляемые источники — солнце, ветер, биомасса — дают пока менее 5% мировой энергии (хотя в Западной Европе и ряде государств Восточной Азии данный показатель приближается к 10%). Основная причина слабого роста этой доли кроется в том, что по мере увеличения стоимости обычных энергоносителей поднимается и цена изготовления альтернативных устройств.
Не так давно видными учеными, в том числе нобелевским лауреатом Жоресом Алферовым, была высказана интересная идея введения новой валюты, которая не будет подвержена инфляции, — энергорубля. Он должен быть увязан с некоторым количеством энергии. Если мы применим такой «рублевый баланс» к АЭВИ (альтернативной энергетике на возобновляемых источниках), исключив промышленные ГЭС, результат будет не очень обнадеживающим.
Так, солнечную энергию невозможно получать на поверхности Земли круглосуточно в любое время года (особенно в умеренных широтах). Достаточной силы ветра для ветрогенератора также может долго не быть. Предполагается, что в этом случае будут использованы аккумуляторы. Определим их число для обогрева обычного дома площадью 100 м2. Согласно нормам, при температуре наружного воздуха -20°С для этого необходима мощность 16,6 кВт. Значит, за сутки мы израсходуем 398,4 кВт/ч электроэнергии. Автомобильный аккумулятор в 60 А/ч с напряжением 12 В после полной зарядки способен отдать 0,72 кВт/ч. Получаем 553 аккумулятора, или около 10 т аккумуляторов на сутки! А для полного энергоснабжения их надо в несколько раз больше, и к тому же придется заменять их каждые несколько лет. Говорят, что энергоемкость серийных аккумуляторов мала, но хорошие тоже стоят немало. Причем именно потому, что на них затрачено много труда, а значит — энергии. К примеру, литий-ионный аккумулятор сотового телефона за срок своей службы способен отдать электроэнергии на сумму во много раз меньшую, чем его цена.
Итак, первый тезис: суммарные затраты на производство энергии с помощью альтернативных возобновляемых источников нередко превышают количество полученной от них энергии. Новые технологии позволяют существенно уменьшить расходы на использование альтернативных установок, но экономического прорыва они все еще не обеспечили.
Точки роста
Не всегда учитываются потери при преобразованиях энергии. Они делают выгодным применение альтернативных установок, непосредственно использующих механическую энергию (насосы, мельницы и т.д.). Кроме того, хотя малая энергетика, как правило, выдает более дорогую энергию, чем большая, но близость к по¬требителям частично окупает издержки. Скажем, для отопления небольшого дома площадью 50—60 м2 и приготовления пищи требуется 3,5—5 м3 биогаза в час. Из 1 т биомассы его можно получить 80—100 м3. В итоге нужно 8—10 т сырья в неделю. Так что в ограниченных масштабах непосредственно на фермах и предприятиях по переработке сельхозпродукции, с учетом стоимости традиционных энергоресурсов и их транспортировки, использование биогаза вполне рационально.
С удорожанием жидких и газообразных углеводородов планируется широкое применение малорентабельных пока горючих сланцев или торфа, запасы которого в Беларуси значительны, а также «возобновляемой» древесины. Возможное получение жидкого топлива синтина из них пока не более выгодно, чем из угля. Поэтому остается сжигать их в адаптированных для этого энергоустановках, мирясь с повышенным загрязнением окружающей среды. Однако, если учесть стоимость переделки имеющихся котлов с газа и жидкого сырья на твердое топливо (пусть даже адаптированное, типа топливных гранул из древесины), а также более низкий КПД комбинированных энергоустановок по сравнению с газовыми, то снова имеем недостаточный «баланс в энергорублях». Комбинированные котлы целесообразно использовать для отопления индивидуальных домов, но не для масштабного получения электроэнергии.
Про воспроизводство древесины стоит сказать отдельно. Конечно, ее применение увеличится, в том числе как сырья для химической промышленности. Но беда в том, что дерево в наших широтах растет медленно (в России — примерно 4 м3 в год на человека). Может быть, поможет обещаемое потепление климата?
Упомянем еще один метод преобразования солнечной энергии — парогенераторы с зеркалами. В СССР была подобная электростанция на 5 МВт. Увы, солнечные ЭС с концентраторами в разы проигрывали угольным по экономическим параметрам.
Несколько «равномернее» солнечных батарей и обычных ветряков работают ветровые циклонные электростанции. Но их недостатки те же: сравнительно небольшая мощность и высокая стоимость монтажа.
Геотермальная энергетика известна давно. Однако ее доля в мировых масштабах остается малой — далеко не везде можно сравнительно недорого и легко (как в Исландии) наладить добычу подземного тепла.
Электростанции на энергии приливов и отливов, как и морских течений, из-за ненадежности громоздкого оборудования и сложности работы в зимний период пока возможны лишь в качестве экспериментальных. Генераторы промышленных масштабов здесь должны быть огромных размеров по причине низких скоростей воды. При этом они будут функционировать в агрессивной морской среде, что увеличит стоимость эксплуатации.
Сформулируем второй тезис: по мере исчерпания традиционных энергоносителей и роста стоимости их добычи рентабельность полученной из них энергии неизбежно будет падать. А переделка обычных энергоустановок под менее эффективное топливо (как и применение новых технологий для увеличения КПД) лишь отсрочит грядущий кризис.
Посмотрим через призму энергорублевого баланса на водородные и ядерные источники энергии. Получение водорода требует немалых энергозатрат, а смесь его с кислородом взрывоопасна. В СССР были освоены водородные технологии для ракетных и самолетных двигателей. Но спустимся с небес на землю. Львиную долю энергии потребляет промышленность, и особенно наземный транспорт. На него в США тратится более 70% ввозимой нефти. А для автомобилей водород как топливо значительно уступает простому бензину. Именно из экономических соображений пока широко не выпускаются обещанные модели водородных двигателей, цель которых — снижение выброса «парниковых» газов. Но лаборатория проблем энергетики и окружающей среды Массачусетского технологического института доказывает: хотя такие двигатели сравнительно «чистые», выбросы заводов, которые будут производить их и водородное топливо для них, «компенсируют» всю экологическую выгоду. По мнению специалистов, двигатели на водороде оказываются не лучше гибридных силовых установок (дизель + электромотор). В ряде источников высказывается мнение, что водород — лишь возможный аккумулятор энергии, причем не самый удачный. Более перспективен синтез аналогов синтина или спирта. Тем не менее правительство США ассигновало миллиард долларов на разработку водородных источников энергии, а крупнейшие автомобильные корпорации продолжают работы по применению водорода в электрохимических генераторах (топливных элементах) для электропривода машин. В этом случае КПД оказывается выше, но опять же не учитываются энергозатраты для получения водородных топливных элементов (надсистемные по отношению к транспорту).
Ближе к звездам
Как видим, на Земле пока не получается добывать АЭВИ без ущерба для окружающей среды. Может быть, выйти в космос? В третий раз повернемся к Солнцу. По некоторым оценкам, из альтернативных источников только наше светило теоретически способно покрыть все потребности человечества. Однако люди еще не научились по-настоящему эффективно «снимать» солнечную энергию. При благоприятном развитии технологий возможно использование космических солнечных батарей и отражателей с передачей энергии на Землю концентрированным лучом с длиной волны 10—12 см. Учитывая опыты Николы Теслы по беспроводной передаче энергии, это не настолько уж и фантастично. Нобелевский лауреат Николай Семенов говорил о том, что именно на Луне заработает первая внеземная электростанция, которая закроет солнечными батареями лик нашего спутника. С тех пор КПД полупроводников существенно вырос, и уже не требуются панели в десятки миллионов квадратных километров. По предварительным расчетам, современные антенны для приема «энергосигнала» с Луны в Техасе могут иметь форму эллипса 8 х 10 км.
Однако обеспечивать растущие аппетиты человечества надо прямо сейчас. И, как уже говорилось, для массовой энергетики необходимо, чтобы выход энергии хотя бы в несколько раз, а не на проценты, превышал затраты. В результате мы неизбежно приходим к атомной тематике. Доля АЭС в мировой энергетической корзине составляет сейчас порядка нескольких процентов. В то же время в промышленно развитых странах (ФРГ, Франции и др.) она значительно выше. Россия также исходит из того, что единственной реальной заменой углеводородам является атом. По распространенному мнению, ядерное топливо — наиболее экологически чистое (если исключить вероятность терактов и техногенных катастроф типа чернобыльской).
Какие еще перспективы проглядывают в будущем? Оптимизм внушают альтернативы в рамках самой ядерной энергетики. Они связаны с новыми технологиями и видами топлива для АЭС. Речь идет об освоении термоядерного синтеза и об «идеальном термоядерном топливе» гелии-3, найденном на Луне.
Впервые идея термоядерного ТОКАМАКа была высказана в СССР еще в середине 1950-х. Сейчас считается, что именно термояд вырвет цивилизацию из лап энергетического голода. А лучшее топливо для него — гелий-3. На Земле его практически нет, поэтому и приходится работать с «неудобным» дейтерием. А на Луне гелий можно разрабатывать буквально с поверхности. «Быть может, самый перспективный путь решения глобальной энергетической проблемы связан с использованием гелия-3 в термоядерном синтезе, с его добычей и доставкой с Луны, — говорил директор Института геохимии и аналитической химии РАН Эрик Галимов. — Уже сегодня этот способ был бы экономически более выгодным, чем использование горючих ископаемых или урана, если бы была готова технология термоядерного синтеза и соответствующая инфраструктура».
Над установкой для термояда ученые бьются давно. Международный проект ИТЭР подошел к стадии определения площадки для строительства. Правда, запуск системы обещают только к 2030 г., и это вряд ли будет прибор для промышленной генерации энергии. Но США, самый мощный участник, вышли из проекта ИТЭР. Похоже, они считают, что построят свой реактор быстрее — за 15—20 лет. Кстати, этот же срок фигурирует в американском проекте «Возвращение на Луну», оцениваемом в огромную сумму — 98 млрд долл.
При этом Соединенные Штаты пошли ва-банк не только из-за угрозы энергетического кризиса. До 2020 г. на Луну кроме них собрались ЕС, Япония, Россия и Китай (одной из главных задач лунных миссий также будет исследование гелия-3). К «космической гонке» подключаются все новые игроки, и ее новый виток, похоже, неизбежен.
Итак, сформулируем третий тезис: кардинальные решения энергетической проблемы требуют выхода за пределы Земли. В результате «замершее» было в конце XX в. освоение космоса вновь получает мощный импульс к развитию. Это все же лучше, чем тратить миллионы долларов в день на войны типа иракской за нефтеносные регионы планеты…
Кравцов Юрий
Номер 5(63) 2008
Энергетический вызов современности
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии
Мировое сообщество уже давно обсуждает тему использования альтернативных источников энергии. Однако, хотя их известны десятки, проходят годы, а массового перехода на них не наблюдается. В то же время некоторые эксперты, подсчитав расходы на нефть и газ, в самом ближайшем будущем обещают кардинальные перемены в этом направлении. Согласно оптимистическим прогнозам, к 2020 г. «альтернативная» доля в энергобалансе достигнет 12,9%.
Лидеры ведущих государств пока не слишком рассчитывают, что скоро откроется неиссякаемый источник дешевой энергии. Но политики поняли важность темы, и вопрос о международной энергетической безопасности уже был поставлен в рамках мероприятий Большой восьмерки. Российской стороной озвучено мнение, исходя из которого углеводороды могут активно потребляться еще полвека. За это время должна быть создана альтернативная энергетика.
По данным Международного энергетического агентства и Организации стран — экспортеров нефти (ОПЕК), в настоящее время большая часть электроэнергии в мире производится из углеводородного сырья. При этом нефть и газ растут в цене по мере исчерпания доступных месторождений. Уголь (залежи которого довольно велики), как энергоноситель, не удовлетворяет современным экологическим требованиям. Активно разрабатываются «чистые» способы его использования (к 2020 г. технологи обещают создать угольную ТЭС с почти нулевым выбросом СО2), однако это снова ведет к удорожанию получаемой энергии.
Определенную долю мирового электричества вырабатывают гидроэлектростанции. Этот ресурс, видимо, удержит свои позиции — даже несмотря на то, что с экологической точки зрения он далеко небезупречен (запруживание рек плотинами ГЭС серьезно нарушает экосистему). В первую очередь это касается стран с преобладанием равнинного ландшафта, к которым можно отнести и Беларусь (перепад высот между Дзержинским холмом под Минском и долиной Немана составляет менее 250 м).
Остальные возобновляемые источники — солнце, ветер, биомасса — дают пока менее 5% мировой энергии (хотя в Западной Европе и ряде государств Восточной Азии данный показатель приближается к 10%). Основная причина слабого роста этой доли кроется в том, что по мере увеличения стоимости обычных энергоносителей поднимается и цена изготовления альтернативных устройств.
Не так давно видными учеными, в том числе нобелевским лауреатом Жоресом Алферовым, была высказана интересная идея введения новой валюты, которая не будет подвержена инфляции, — энергорубля. Он должен быть увязан с некоторым количеством энергии. Если мы применим такой «рублевый баланс» к АЭВИ (альтернативной энергетике на возобновляемых источниках), исключив промышленные ГЭС, результат будет не очень обнадеживающим.
Так, солнечную энергию невозможно получать на поверхности Земли круглосуточно в любое время года (особенно в умеренных широтах). Достаточной силы ветра для ветрогенератора также может долго не быть. Предполагается, что в этом случае будут использованы аккумуляторы. Определим их число для обогрева обычного дома площадью 100 м2. Согласно нормам, при температуре наружного воздуха -20°С для этого необходима мощность 16,6 кВт. Значит, за сутки мы израсходуем 398,4 кВт/ч электроэнергии. Автомобильный аккумулятор в 60 А/ч с напряжением 12 В после полной зарядки способен отдать 0,72 кВт/ч. Получаем 553 аккумулятора, или около 10 т аккумуляторов на сутки! А для полного энергоснабжения их надо в несколько раз больше, и к тому же придется заменять их каждые несколько лет. Говорят, что энергоемкость серийных аккумуляторов мала, но хорошие тоже стоят немало. Причем именно потому, что на них затрачено много труда, а значит — энергии. К примеру, литий-ионный аккумулятор сотового телефона за срок своей службы способен отдать электроэнергии на сумму во много раз меньшую, чем его цена.
Итак, первый тезис: суммарные затраты на производство энергии с помощью альтернативных возобновляемых источников нередко превышают количество полученной от них энергии. Новые технологии позволяют существенно уменьшить расходы на использование альтернативных установок, но экономического прорыва они все еще не обеспечили.
Точки роста
Не всегда учитываются потери при преобразованиях энергии. Они делают выгодным применение альтернативных установок, непосредственно использующих механическую энергию (насосы, мельницы и т.д.). Кроме того, хотя малая энергетика, как правило, выдает более дорогую энергию, чем большая, но близость к по¬требителям частично окупает издержки. Скажем, для отопления небольшого дома площадью 50—60 м2 и приготовления пищи требуется 3,5—5 м3 биогаза в час. Из 1 т биомассы его можно получить 80—100 м3. В итоге нужно 8—10 т сырья в неделю. Так что в ограниченных масштабах непосредственно на фермах и предприятиях по переработке сельхозпродукции, с учетом стоимости традиционных энергоресурсов и их транспортировки, использование биогаза вполне рационально.
С удорожанием жидких и газообразных углеводородов планируется широкое применение малорентабельных пока горючих сланцев или торфа, запасы которого в Беларуси значительны, а также «возобновляемой» древесины. Возможное получение жидкого топлива синтина из них пока не более выгодно, чем из угля. Поэтому остается сжигать их в адаптированных для этого энергоустановках, мирясь с повышенным загрязнением окружающей среды. Однако, если учесть стоимость переделки имеющихся котлов с газа и жидкого сырья на твердое топливо (пусть даже адаптированное, типа топливных гранул из древесины), а также более низкий КПД комбинированных энергоустановок по сравнению с газовыми, то снова имеем недостаточный «баланс в энергорублях». Комбинированные котлы целесообразно использовать для отопления индивидуальных домов, но не для масштабного получения электроэнергии.
Про воспроизводство древесины стоит сказать отдельно. Конечно, ее применение увеличится, в том числе как сырья для химической промышленности. Но беда в том, что дерево в наших широтах растет медленно (в России — примерно 4 м3 в год на человека). Может быть, поможет обещаемое потепление климата?
Упомянем еще один метод преобразования солнечной энергии — парогенераторы с зеркалами. В СССР была подобная электростанция на 5 МВт. Увы, солнечные ЭС с концентраторами в разы проигрывали угольным по экономическим параметрам.
Несколько «равномернее» солнечных батарей и обычных ветряков работают ветровые циклонные электростанции. Но их недостатки те же: сравнительно небольшая мощность и высокая стоимость монтажа.
Геотермальная энергетика известна давно. Однако ее доля в мировых масштабах остается малой — далеко не везде можно сравнительно недорого и легко (как в Исландии) наладить добычу подземного тепла.
Электростанции на энергии приливов и отливов, как и морских течений, из-за ненадежности громоздкого оборудования и сложности работы в зимний период пока возможны лишь в качестве экспериментальных. Генераторы промышленных масштабов здесь должны быть огромных размеров по причине низких скоростей воды. При этом они будут функционировать в агрессивной морской среде, что увеличит стоимость эксплуатации.
Сформулируем второй тезис: по мере исчерпания традиционных энергоносителей и роста стоимости их добычи рентабельность полученной из них энергии неизбежно будет падать. А переделка обычных энергоустановок под менее эффективное топливо (как и применение новых технологий для увеличения КПД) лишь отсрочит грядущий кризис.
Посмотрим через призму энергорублевого баланса на водородные и ядерные источники энергии. Получение водорода требует немалых энергозатрат, а смесь его с кислородом взрывоопасна. В СССР были освоены водородные технологии для ракетных и самолетных двигателей. Но спустимся с небес на землю. Львиную долю энергии потребляет промышленность, и особенно наземный транспорт. На него в США тратится более 70% ввозимой нефти. А для автомобилей водород как топливо значительно уступает простому бензину. Именно из экономических соображений пока широко не выпускаются обещанные модели водородных двигателей, цель которых — снижение выброса «парниковых» газов. Но лаборатория проблем энергетики и окружающей среды Массачусетского технологического института доказывает: хотя такие двигатели сравнительно «чистые», выбросы заводов, которые будут производить их и водородное топливо для них, «компенсируют» всю экологическую выгоду. По мнению специалистов, двигатели на водороде оказываются не лучше гибридных силовых установок (дизель + электромотор). В ряде источников высказывается мнение, что водород — лишь возможный аккумулятор энергии, причем не самый удачный. Более перспективен синтез аналогов синтина или спирта. Тем не менее правительство США ассигновало миллиард долларов на разработку водородных источников энергии, а крупнейшие автомобильные корпорации продолжают работы по применению водорода в электрохимических генераторах (топливных элементах) для электропривода машин. В этом случае КПД оказывается выше, но опять же не учитываются энергозатраты для получения водородных топливных элементов (надсистемные по отношению к транспорту).
Ближе к звездам
Как видим, на Земле пока не получается добывать АЭВИ без ущерба для окружающей среды. Может быть, выйти в космос? В третий раз повернемся к Солнцу. По некоторым оценкам, из альтернативных источников только наше светило теоретически способно покрыть все потребности человечества. Однако люди еще не научились по-настоящему эффективно «снимать» солнечную энергию. При благоприятном развитии технологий возможно использование космических солнечных батарей и отражателей с передачей энергии на Землю концентрированным лучом с длиной волны 10—12 см. Учитывая опыты Николы Теслы по беспроводной передаче энергии, это не настолько уж и фантастично. Нобелевский лауреат Николай Семенов говорил о том, что именно на Луне заработает первая внеземная электростанция, которая закроет солнечными батареями лик нашего спутника. С тех пор КПД полупроводников существенно вырос, и уже не требуются панели в десятки миллионов квадратных километров. По предварительным расчетам, современные антенны для приема «энергосигнала» с Луны в Техасе могут иметь форму эллипса 8 х 10 км.
Однако обеспечивать растущие аппетиты человечества надо прямо сейчас. И, как уже говорилось, для массовой энергетики необходимо, чтобы выход энергии хотя бы в несколько раз, а не на проценты, превышал затраты. В результате мы неизбежно приходим к атомной тематике. Доля АЭС в мировой энергетической корзине составляет сейчас порядка нескольких процентов. В то же время в промышленно развитых странах (ФРГ, Франции и др.) она значительно выше. Россия также исходит из того, что единственной реальной заменой углеводородам является атом. По распространенному мнению, ядерное топливо — наиболее экологически чистое (если исключить вероятность терактов и техногенных катастроф типа чернобыльской).
Какие еще перспективы проглядывают в будущем? Оптимизм внушают альтернативы в рамках самой ядерной энергетики. Они связаны с новыми технологиями и видами топлива для АЭС. Речь идет об освоении термоядерного синтеза и об «идеальном термоядерном топливе» гелии-3, найденном на Луне.
Впервые идея термоядерного ТОКАМАКа была высказана в СССР еще в середине 1950-х. Сейчас считается, что именно термояд вырвет цивилизацию из лап энергетического голода. А лучшее топливо для него — гелий-3. На Земле его практически нет, поэтому и приходится работать с «неудобным» дейтерием. А на Луне гелий можно разрабатывать буквально с поверхности. «Быть может, самый перспективный путь решения глобальной энергетической проблемы связан с использованием гелия-3 в термоядерном синтезе, с его добычей и доставкой с Луны, — говорил директор Института геохимии и аналитической химии РАН Эрик Галимов. — Уже сегодня этот способ был бы экономически более выгодным, чем использование горючих ископаемых или урана, если бы была готова технология термоядерного синтеза и соответствующая инфраструктура».
Над установкой для термояда ученые бьются давно. Международный проект ИТЭР подошел к стадии определения площадки для строительства. Правда, запуск системы обещают только к 2030 г., и это вряд ли будет прибор для промышленной генерации энергии. Но США, самый мощный участник, вышли из проекта ИТЭР. Похоже, они считают, что построят свой реактор быстрее — за 15—20 лет. Кстати, этот же срок фигурирует в американском проекте «Возвращение на Луну», оцениваемом в огромную сумму — 98 млрд долл.
При этом Соединенные Штаты пошли ва-банк не только из-за угрозы энергетического кризиса. До 2020 г. на Луну кроме них собрались ЕС, Япония, Россия и Китай (одной из главных задач лунных миссий также будет исследование гелия-3). К «космической гонке» подключаются все новые игроки, и ее новый виток, похоже, неизбежен.
Итак, сформулируем третий тезис: кардинальные решения энергетической проблемы требуют выхода за пределы Земли. В результате «замершее» было в конце XX в. освоение космоса вновь получает мощный импульс к развитию. Это все же лучше, чем тратить миллионы долларов в день на войны типа иракской за нефтеносные регионы планеты…
Кравцов Юрий
Номер 5(63) 2008
Энергетический вызов современности
Наука и инновации