В. Арутюнов - Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики Страница 17

На что же реально мы можем делать ставку, какие источники необходимо развивать в первую очередь, куда, прежде всего, нужно направить усилия и достаточно ограниченные ресурсы человечества, чтобы не только мы, но и наши потомки были обеспечены энергией в необходимом объеме? Попробуем сопоставить существующие источники энергии по таким важнейшим параметрам, как общий объем доступных ресурсов и возможность их технологически эффективного и экономически выгодного использования в энергетике.

4.1. Общий объем ресурсов

Согласно последним оценкам (BP Statistical Review of World Energy, 2015), при нынешних темпах потребления мир располагает запасами традиционных ресурсов нефти и газа еще на несколько десятков лет, а угля – не менее чем на 100 лет (рис. 57). Этот прогноз получен простым делением доказанных запасов соответствующего ресурса на его текущую годовую добычу. Поскольку учитываются только доказанные запасы, этот прогноз не учитывает огромные нетрадиционные ресурсы газа, о которых мы говорили выше и практическая разработка которых уже началась. Но, с другой стороны, он не учитывает и постоянный рост потребления энергоресурсов, а это очень существенный фактор. Даже при том, что до конца века эффективность использования энергоресурсов в мировой энергетике должна возрасти на 75 %, ожидаемое мировое потребление энергии к 2100 году должно увеличиться минимум на 57 % по сравнению с уровнем 1990 годом. Это потребует соответствующего увеличения годового потребления ресурсов и, следовательно, приведет к сокращению прогнозируемых сроков их исчерпания.

Рис. 57. Отношение запасов ископаемых топлив к их годовой добыче для различных регионов (Источник: BP Statistical Review of World Energy, 2015)

Достижения последних лет в области добычи нетрадиционных ресурсов углеводородов, значительно расширивших ресурсную базу мировой энергетики, мы уже обсуждали. С учетом перспектив создания технологий для освоения новых видов нетрадиционных ресурсов, прежде всего природного газа, вполне можно рассчитывать на то, что ископаемые источники смогут обеспечить потребности мировой энергетики на протяжении всего текущего столетия и без привлечения альтернативных источников. А если бы удалось освоить добычу природного газа из газовых гидратов, что технически выглядит вполне реальным, то этих ресурсов хватило бы человечеству еще на сотни лет.

Но почему мы так беспокоимся об остающемся в нашем распоряжении объеме ископаемых ресурсов? Ведь согласно громким декларациям энтузиастов альтернативной энергетики, у человечества есть «вечные» возобновляемые источники энергии, такие как постоянно воспроизводимая биомасса и непрерывно падающий на поверхность нашей планеты поток солнечного излучения. Давайте оценим реальный объем этих ресурсов.

Даже по самым скромным оценкам ежегодно на Земле образуется более 200 млрд т сухой зеленой массы растений (ежегодная первичная продукция биосферы). Это в 20 раз превышает общий объем потребляемых человечеством ископаемых топлив. При сжигании этой биомассы можно получить до 5001021 Дж энергии. А полное количество биомассы на нашей планете на порядок выше – до 2•1012 т в пересчете на сухое вещество.

Однако гигантский объем зеленой массы, производимой биосферой, не означает реальную возможность ее использования в производственной деятельности человечества. Стабильность условий в биосфере нашей планеты, поддерживающей на протяжении более 2 млрд лет, после образования кислородной атмосферы, практически постоянными все основные параметры, обусловлена высокой интенсивностью биосферных процессов, в которых потоки вещества и энергии внутри системы на несколько порядков превышают потоки на входе и выходе из нее. Согласно оценкам (Горшков, 1995), человечество не нарушает равновесие биосферы до тех пор, пока оно поглощает менее 1 % первичной продукции биоты. Однако уже сейчас потребление чистой первичной продукции биосферы, произведенной на суше, непосредственно в виде пищи, корма для животных и топлива, превысило 10 % и продолжает увеличиваться. Так как КПД преобразования солнечной энергии зелеными растениями составляет в среднем немногим более 1 %, то даже использование практически всей доступной продукции биосферы, с учетом реальных потерь, не сможет покрыть ближайших энергетических потребностей человечества. А попытка реализации такого проекта приведет к гибели естественных экосистем и потере равновесия глобальных биосферных процессов.

Таким образом, низкая плотность потока первичной энергии (солнечной радиации на земной поверхности) и низкий КПД преобразования этой энергии зелеными растениями перечеркивают все надежды на глобальную роль возобновляемой «зеленой» энергетики. Как показали результаты моделирования глобальных процессов развития цивилизации, при современном уровне энергопотребления развитых стран за счет возобновляемых источников энергии на Земле может существовать не более 500 млн человек (Моисеев, 1997), что в десять раз ниже уже достигнутой численности населения нашей планеты.

А как же с энергией солнечного излучения, которое является единственным первичным источником внешней энергии, поступающей на Землю? Верхней границы атмосферы Земли за год достигает колоссальный поток солнечной энергии – ~5,6*1024 Дж. Эта величина примерно в 50 000 раз превышает ежегодную потребность человечества в энергии. Правда, примерно 35 % этой энергии атмосфера Земли отражает обратно в космос. Остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности, испарительно-осадочный цикл в атмосфере, образование волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра, а также процессы фотосинтеза. В ходе всех этих процессов высокопотенциальная энергия солнечной радиации ультрафиолетового и видимого диапазона превращается в низкопотенциальную энергию нагретой поверхности Земли (средняя температура земной поверхности примерно 20°С), испускаемую нашей планетой в виде инфракрасного излучения обратно в космическое пространство. Так может быть этот источник позволит решить проблемы мировой энергетики? К сожалению, тоже нет. И вот почему.

4.2. Плотность потока энергии

Когда энтузиасты начинают сравнивать поток падающего на Землю солнечного излучения, энергию, переносимую в атмосфере нашей планеты воздушными потоками (ветром), энергию приливов в Мировом океане или объем биомассы, производимый ежегодно биосферой, с современным потреблением энергии мировой экономикой, то от открывающихся перспектив использования этих колоссальных ресурсов захватывает дух. Но «черт сидит в деталях». Далеко не всякую и далеко не всю энергию можно использовать практически. И одним из наиболее важных параметров, определяющих практическую применимость различных источников энергии, является плотность потока переносимой ими энергии.

Количество энергии, рассеянной в окружающем нас пространстве, действительно огромно. Но попробуйте ее извлечь. История физики хранит огромное множество хитроумных проектов получения энергии «из ничего», разбившихся о гранит Закона сохранения энергии и Второго закона термодинамики. Альтернативные источники энергии не нарушают эти законы. Но, как правило, используемая ими энергия относится к категории «низкопотенциальной энергии», т. е. энергии, имеющей небольшой энергетический потенциал или низкую удельную плотность энергии в единице используемого энергоносителя (источника энергии). Для того чтобы представить себе, как отличаются низкопотенциальная энергия, в изобилии рассеянная в окружающем нас пространстве, и высокопотенциальная энергия, используемая в традиционной энергетике, достаточно сопоставить поток энергии, переносимый дуновением ветерка, или тепла, переносимого ласковыми солнечными лучами, с концентрированной энергией в камере сгорания газовой турбины или в атомном реакторе.

Именно проблема сбора и использования низкопотенциальной или, как минимум, не очень концентрированной энергии, которой оперируют все без исключения альтернативные источники, и является главным препятствием на пути к их промышленному использованию. Рассмотрим это на примере солнечной энергетики, безусловно, крупнейшего и важнейшего из альтернативных источников энергии.

Солнечное излучение характеризуется плотностью потока энергии излучения, т. е. потоком энергии, падающим за единицу времени на единицу поверхности. Общая мощность потока энергии солнечного излучения, падающего на Землю, примерно 1,74 1017 Вт. Через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно потоку излучения на входе в атмосферу Земли, проходит поток солнечного излучения, равный 1367 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной. Из-за поглощения при прохождении атмосферы Земли максимальный поток солнечного излучения на уровне моря на экваторе примерно 1000 Вт/м2. Однако среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом как минимум в три раза меньше. В умеренных широтах зимой это значение еще в два раза меньше. Таким образом, даже на экваторе с площади в 1 кв. км с использованием крайне сложного и дорогостоящего оборудования при практически предельном для современных условий КПД преобразования солнечной энергии в 30 % можно получить мощность всего лишь в 90 МВт. Это соответствует небольшой районной электростанции и в 20 раз ниже мощности типовой промышленной ТЭЦ. Мы уже не говорим о суточном и годовом непостоянстве производимой энергии и, соответственно, необходимости дорогостоящих систем соответствующей мощности для ее аккумуляции.