Доклад капицы об альтернативных источниках энергии
Обновлено: 16.05.2024
Не обсуждал он, впрочем, перспективы водородной энергетики и производство биотоплива. Не потому, что он о них не знал, а по причине, которую мы обсудим ниже.
Если кратко изложить соображения академика Капицы, они сводятся к следующему: какой бы источник энергии ни рассматривать, его можно охарактеризовать двумя параметрами: плотностью энергии — то есть ее количеством в единице объема, — и скоростью ее передачи (распространения). Произведение этих величин есть максимальная мощность, которую можно получить с единицы поверхности, используя энергию данного вида.
Вот, скажем, солнечная энергия. Ее плотность ничтожна. Зато она распространяется с огромной скоростью — скоростью света. В результате поток солнечной энергии, приходящий на Землю и дающий жизнь всему, оказывается совсем не мал — больше киловатта на квадратный метр. Увы, этот поток достаточен для жизни на планете, но как основной источник энергии для человечества крайне неэффективен. Как отмечал П. Капица, на уровне моря, с учетом потерь в атмосфере, реально человек может использовать поток в 100—200 ватт на квадратный метр. Даже сегодня КПД устройств, преобразующих солнечную энергию в электричество, составляет 15%. Чтобы покрыть только бытовые потребности одного современного домохозяйства, нужен преобразователь площадью не менее 40—50 квадратных метров. А для того, чтобы заменить солнечной энергией источники ископаемого топлива, нужно построить вдоль всей сухопутной части экватора сплошную полосу солнечных батарей шириной 50—60 километров. Совершенно очевидно, что подобный проект в обозримом будущем не может быть реализован ни по техническим, ни по финансовым, ни по политическим причинам.
Так, последовательно оценивая ветровую энергетику, геотермальную энергетику, волновую энергетику, гидроэнергетику, Капица доказывал, что все эти, на взгляд дилетанта вполне перспективные, источники никогда не смогут составить серьезную конкуренцию ископаемому топливу: низка плотность ветровой энергии и энергии морских волн; низкая теплопроводность пород ограничивает скромными масштабами геотермальные станции; всем хороша гидроэнергетика, однако для того, чтобы она была эффективной, либо нужны горные реки — когда уровень воды можно поднять на большую высоту и обеспечить тем самым высокую плотность гравитационной энергии воды, — но их мало, либо необходимо обеспечивать огромные площади водохранилищ и губить плодородные земли.
Мирный атом не торопится
В своем докладе Петр Леонидович Капица особо коснулся атомной энергетики и отметил три главные проблемы на пути ее становления в качестве главного источника энергии для человечества: проблему захоронения радиоактивных отходов, критическую опасность катастроф на атомных станциях и проблему неконтролируемого распространения плутония и ядерных технологий. Через десять лет, в Чернобыле, мир смог убедиться, что страховые компании и академик Капица были более чем правы в оценке опасности ядерной энергетики. Так что пока речи о переводе мировой энергетики на ядерное топливо нет, хотя можно ожидать увеличения ее доли в промышленном производстве электроэнергии.
Наибольшие надежды Петр Капица связывал с термоядерной энергетикой. Однако за прошедшие тридцать с лишним лет, несмотря на гигантские усилия ученых разных стран, проблема управляемого термояда не только не была решена, но со временем понимание сложности проблемы, скорее, только выросло.
Очень дорогая фантастика.
Соображения академика Капицы, они сводятся к следующему: какой бы источник энергии ни рассматривать, его можно охарактеризовать двумя параметрами: плотностью энергии — то есть ее количеством в единице объема, — и скоростью ее передачи (распространения). Произведение этих величин есть максимальная мощность, которую можно получить с единицы поверхности, используя энергию данного вида.
О бесперспективности альтернативной энергетики
Соображения академика Капицы, они сводятся к следующему:
какой бы источник энергии ни рассматривать, его можно охарактеризовать двумя параметрами: плотностью энергии — то есть ее количеством в единице объема, — и скоростью ее передачи (распространения).
Произведение этих величин есть максимальная мощность, которую можно получить с единицы поверхности, используя энергию данного вида.
Вот, скажем, солнечная энергия . Ее плотность ничтожна. Зато она распространяется с огромной скоростью — скоростью света. В результате поток солнечной энергии, приходящий на Землю и дающий жизнь всему, оказывается совсем не мал — больше киловатта на квадратный метр.
Увы, этот поток достаточен для жизни на планете, но как основной источник энергии для человечества крайне неэффективен. Как отмечал П. Капица, на уровне моря, с учетом потерь в атмосфере, реально человек может использовать поток в 100—200 ватт на квадратный метр.
Даже сегодня КПД устройств, преобразующих солнечную энергию в электричество, составляет 15%. Чтобы покрыть только бытовые потребности одного современного домохозяйства, нужен преобразователь площадью не менее 40—50 квадратных метров.
А для того, чтобы заменить солнечной энергией источники ископаемого топлива, нужно построить вдоль всей сухопутной части экватора сплошную полосу солнечных батарей шириной 50—60 километров. Совершенно очевидно, что подобный проект в обозримом будущем не может быть реализован ни по техническим, ни по финансовым, ни по политическим причинам.
Сейчас также идет обсуждение вопроса использования геотермальной энергии . Как известно, в некоторых местах мира на земной поверхности, где имеется вулканическая деятельность, это успешно осуществляется, правда, в небольших масштабах.
Преимущество этого метода для энергетики больших мощностей, несомненно, очень велико, энергетические запасы здесь неистощимы, и, в отличие от солнечной энергии, которая имеет колебания не только суточные, но и в зависимости от времен года и от погоды, геотермальная энергия может генерироваться непрерывно.
Еще в начале этого века гениальным изобретателем современной паровой турбины Ч. Парсонсом разрабатывался конкретный проект использования этой энергии. Конечно, он не мог предвидеть тех масштабов, которых достигнет энергетика теперь, и его проект имеет только исторический интерес.
Современный подход к этой проблеме основывается на том, что в любом месте земной коры на глубине в 10-15 км достигается температура в несколько сот градусов, достаточная для получения пара и генерирования энергии с хорошим КПД.
При осуществлении этого проекта на практике мы опять наталкиваемся на ограничения, связанные с плотностью потока энергии. Как известно, теплопроводность горных пород очень мала. Поэтому при существующих внутри Земли градиентах температур для подвода необходимого тепла нужны очень большие площади, что весьма трудно выполнимо на глубине в 10-15 км. Вот почему возможность нагрева необходимого количества воды сомнительна.
Кроме солнечной и геотермальной энергий, не истощающих запасы, есть еще гидроэнергия , получаемая при запруживании рек и при использовании морских приливов. Накопленную таким образом гравитационную энергию воды можно весьма эффективно превращать в механическую.
Сейчас в энергетическом балансе использование гидроэнергии составляет не более 5%, и, к сожалению, дальнейшего увеличения не приходится ждать. Это связано с тем, что запруживание рек оказывается рентабельным только в горных местах, когда на единицу площади водохранилища имеется большая потенциальная энергия.
Запруживание рек с подъемом воды на небольшую высоту обычно экономически не оправдывает себя, в особенности когда это связано с затоплением плодородной земли, так как приносимый ею урожай оказывается значительно более ценным, чем получаемая энергия. Опять тот же недостаток плотности потока энергии.
Использование ветра, также из-за недостаточной плотности энергетического потока, оказывается экономически неоправданным. Конечно, использование солнечной энергии, малых водяных потоков, ветряков часто может быть полезным для бытовых нужд в небольших масштабах.
Противоположный пример — топливные элементы, где происходит прямое превращение химической энергии окисления водорода в электроэнергию. Здесь плотность энергии велика, высока и эффективность такого преобразования, достигающая 70 и более процентов. Зато крайне мала скорость ее передачи, ограниченная очень низкой скоростью диффузии ионов в электролитах.
Из приведенного анализа следует, что нужно искать новые источники энергии для энергетики больших мощностей взамен истощающихся в природе запасов химической энергии. Очевидно, можно и следует более бережно относиться к использованию энергетических ресурсов.
Конечно, желательно, например, не тратить их на военные нужды. Однако все это только отсрочит истощение топливных ресурсов, но не предотвратит кризиса. Как это уже становится общепризнанным, вся надежда на решение глобального энергетического кризиса - в использовании ядерной энергии. Физика дает полное основание считать, что эта надежда обоснованна.
на фото: А.Ф. Иоффе, П.Л.Капица и А.Н.Крылов в 1919 году с крыльца у физико-механического факультета Политехнического университета наблюдают за надуванием пузырей ВИЭ в 21 веке.
Наибольшие надежды Петр Капица связывал с термоядерной энергетикой.
Как известно, ядерная физика дает два направления для решения энергетической проблемы. Первое уже хорошо разработано и основывается на получении цепной реакции в уране, происходящей при распаде его ядер с выделением нейтронов. Это тот же процесс, который происходит в атомной бомбе, но замедленный до стационарного состояния.
Подсчеты показали, что при правильном использовании урана его запасы достаточны, чтобы не бояться их истощения в ближайшие тысячелетия. Электростанции на уране уже сейчас функционируют и дают рентабельную электроэнергию.
Но также хорошо известно, что на пути их дальнейшего широкого развития и перевода всей энергетики страны на атомную энергию лежит необходимость преодоления трех основных трудностей:
1. Шлаки от распада урана являются сильно радиоактивными, и их надежное захоронение представляет большие технические трудности, которые еще не имеют общепризнанного решения. Самое лучшее было бы отправлять их на ракетах в космическое пространство, но пока что это считается недостаточно надежным.
2. Крупная атомная станция на миллионы киловатт представляет большую опасность для окружающей природы и в особенности для человека. В случае аварии или саботажа вырвавшаяся наружу радиоактивность может на площади многих квадратных километров погубить все живое, как атомная бомба в Хиросиме. Опасность сейчас расценивается настолько большой, что ни одна страховая компания не берет на себя риск таких масштабов.
3. Широкое использование атомной электроэнергии приведет также к широкому распространению плутония, являющегося необходимым участником ядерной реакции. Такое распространение плутония по всем странам земного шара сделает более трудным контроль над распространением атомного оружия. Это может привести к тому, что атомная бомба станет орудием шантажа, доступным даже для предприимчивой группы гангстеров.
По-видимому, под угрозой энергетического кризиса люди найдут пути преодоления этих трудностей. Например, две последние трудности можно было бы преодолеть, располагая атомные электростанции на небольших необитаемых островах в океане, далеко от густонаселенных мест. Эти станции находились бы под тщательным контролем, и в случае аварии ее последствия не представляли бы большой опасности для людей.
Энергией, вырабатываемой электростанцией, можно было бы, например, разлагать воду и полученный водород в жидком виде транспортировать и использовать как топливо, которое при сгорании не загрязняет атмосферу.
Следует признать, однако, что лучшим выходом из создавшегося положения нужно считать получение энергии путем термоядерного синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития. Известно, что этот процесс осуществляется в водородной бомбе, но для мирного использования он должен быть замедлен до стационарного состояния.
Когда это будет сделано, то все указанные трудности, которые возникают при использовании урана, будут отсутствовать, потому что термоядерный процесс не дает в ощутимых количествах радиоактивных шлаков, не представляет большой опасности при аварии и не может быть использован для бомбы как взрывчатое вещество. И наконец, запас дейтерия в природе, в океанах, еще больше, чем запас урана.
Но трудности осуществления управляемой термоядерной реакции пока еще не преодолены. Я буду говорить о них в своем докладе, потому что, как теперь оказывается, эти трудности в основном также связаны с созданием в плазме энергетических потоков достаточной мощности. На этом я останавливаюсь несколько подробнее.
Хорошо известно, что для полезного получения термоядерной энергии ионы в плазме должны иметь очень высокую температуру - более 10 8 К. Главная трудность нагрева ионов связана с тем, что нагрев плазмы происходит в результате воздействия на нее электрического поля, и при этом практически вся энергия воспринимается электронами, которые благодаря их малой массе при соударениях плохо передают ее ионам.
С ростом температуры эта передача становится еще менее эффективной. Расчеты передачи энергии в плазме от электронов к ионам при их ку-лоновском взаимодействии теоретически были надежно описаны еще в 30-х годах Л.Д. Ландау.
В плазме при 1 атм и температуре электронов Te = 10 9 К в объеме кубического метра передаваемая электронами ионам мощность будет около 400 Вт. Это небольшая величина, так как нетрудно подсчитать, что для того, чтобы нагреть кубометр плазмы до 6x10 8 К при подводе такой мощности, потребуется около 300 секунд.
Малость величины передаваемой ионам энергии в особенности проявляется при осуществлении наиболее широко разрабатываемых теперь термоядерных установок Токамак. В них ионы удерживаются в ограниченном объеме сильным магнитным полем и процесс нагрева производится электронами, которые вначале коротким импульсом тока нагреваются до очень высоких температур, потом путем кулоновских столкновений передают свою энергию ионам.
В условиях, принимаемых в современных проектах Токамака, время, за которое электроны передадут свою энергию ионам, достигает 20-30 с. Оказывается, за это время большая часть энергии электронов уйдет в тормозное излучение.
Поэтому сейчас изыскиваются более эффективные способы подвода энергии к ионам. Это может быть или высокочастотный нагрев, или инжекция быстрых нейтральных атомов дейтерия, или диссипация магнитоакустических волн. Все эти методы нагрева ионов, конечно, значительно усложняют конструкцию реакторов типа Токамак.
Эффективность энергетической передачи между электронами и ионами растет с плотностью. Поэтому предположим, что при нагреве лазерным импульсом твердого конденсированного трития или дейтерия начальная плотность будет очень велика (на несколько порядков выше, чем в Токамаке) и импульсами удается нагреть ионы в короткий промежуток времени. Но подсчеты показали, что, хотя время нагрева и сокращается до 10 -8 с, все же оно недостаточно, так как за это время ничем не удерживаемый плазменный сгусток уже разлетится на значительное расстояние.
Как известно, теперь для лазерного "термояда" ищут методы коллективного взаимодействия электронов с ионами, например, создание ударных волн, которые адиабатическим сжатием подымут температуру ионов более быстро, чем при кулоновском взаимодействии.
Главное препятствие в данное время лежит в том, что еще недостаточно глубоко изучены физические процессы в плазме. Теория, которая здесь хорошо разработана, относится только к нетурбулентному состоянию плазмы.
Наши опыты над свободно парящим плазменным шнуром, полученным в высокочастотном поле, показывают, что горячая плазма, в которой электроны имеют температуру в несколько миллионов градусов, находится в магнитном поле в турбулентном состоянии.
Как известно, даже в обычной гидродинамике турбулентные процессы не имеют полного количественного описания и в основном все расчеты основаны на теории подобия. В плазме, несомненно, гидродинамические процессы значительно сложнее, поэтому придется идти тем же путем.
Пока нет оснований считать, что трудности нагрева ионов в плазме не удастся преодолеть, и мне думается, что термоядерная проблема получения больших мощностей будет со временем решена.
Основная задача, стоящая перед физикой, - это более глубоко экспериментально изучить гидродинамику горячей плазмы, как это нужно для осуществления термоядерной реакции при высоких давлениях и в сильных магнитных полях. Это большая, трудная и интересная задача современной физики. Она тесно связана с решением энергетической проблемы, которая становится для нашей эпохи проблемой физики № 1.
Очень дорогая фантастика.
Что касается водородной энергетики, то, поскольку природные месторождения водорода на Земле отсутствуют, ее адепты пытаются изобрести вечный двигатель планетарного масштаба, не более и не менее того.
Есть два способа получить водород в промышленных масштабах: либо путем электролиза разложить воду на водород и кислород, но это требует энергии, заведомо превосходящей ту, что потом выделится при сжигании водорода и превращении его опять в воду, либо. из природного газа с помощью катализаторов и опять-таки затрат энергии — которую нужно получить. опять-таки сжигая природные горючие ископаемые!
Связь между ценой и полезностью в материальном смысле — полезность вещи как пищи, одежды, жилья, средства передвижения или услуги как средства удовлетворения какой-то реальной потребности, — уходит в небытие точно так же, как некогда ушла в небытие связь между номиналом монеты и массой заключенного в ней драгоценного металла.
П.Л. Капица ЭНЕРГИЯ И ФИЗИКА Доклад на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР, Москва, 8 октября 1975 г. См.: Вестник АН СССР. 1976. № 1. С. 34-43.
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Спустя практически полвека, ситуация всё-таки изменилась. Хотя на долю альтернативной энергетики по-прежнему приходится недостаточно выработки электричества, развитие и рост данного направления очевидны. По данным нефтегазовой компании British Petroleum, в 2019 году выработка альтернативных возобновляемых источников энергии (без учета крупных ГЭС), достигла 10,4 процента в общемировой генерации электричества. Впервые альтернативная энергетика обошла по этому показателю атомную энергетику.
О чем говорил академик Пётр Капица
Альтернативная энергетика представляет собой большую совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии (очень часто речь идёт о возобновляемых источниках). Основной интерес такой вид энергетики представляет за счёт выгодности использования и низкого риска причинения вреда окружающей среде.
Соображения известного ученого и академика базировались на том, что какой бы источник энергии мы не рассматривали, его всегда можно было бы охарактеризовать при помощи двух основных параметров: скорости передачи энергии (распространения) и плотности энергии – то есть её количества в единице объема. Произведение двух обозначенных величин давало бы на выходе ту максимальную мощность, которую можно было бы получить с единицы поверхности при использовании энергии того или иного вида.
Пётр Капица говорил, что плотность солнечной энергии ничтожна. При этом она распространяется с огромной скоростью – скоростью света. Именно поэтому приходящий на Землю солнечный поток совсем не мал, он обеспечивает жизнь всему живому на нашей планете. Однако ученый считал, что солнечная энергия в качестве основного источника энергии для всего человечества очень неэффективна.
Пётр Леонидович Капица в 1930-е годы
Как говорил академик Капица, на уровне моря, принимая во внимание потери в атмосфере Земли, человек в конечном итоге может использовать поток в 100–200 Вт на один квадратный метр. На тот момент КПД устройств, которые преобразовывали солнечную энергию в электричество, доходил до 15 процентов.
Для того чтобы покрыть только бытовые потребности одного домохозяйства потребовались бы панели площадью 40-50 квадратных метров. Для того чтобы заменить солнечной энергетикой все источники существующего на Земле ископаемого топлива потребовалось бы построить электростанцию, которая занимала бы всю сухопутную часть экватора, при этом ширина солнечных батарей достигала бы 50–60 км. Такой проект академик считал нереализуемым ни по техническим, ни по финансовым, ни тем более по политическим причинам.
Спустя почти полвека цифры практически остались неизменными. Большинство солнечных панелей в обычных условиях имеют КПД на уровне 15–20 процентов (при этом экспериментально разработаны и испытаны образцы с 25–30 и даже 45 процентами эффективности). А вот потребление электричества современными приборами существенно сократилось. Тренд на энергоэффективность задан и выдерживается во всём мире.
Правда, солнечная энергетика действительно по-прежнему не хватает звёзд с неба, хотя и получила огромный импульс в развитии. Но, как и ранее, она одна не в состоянии заменить всех потребностей жителей Земли, правда, пока такая задача перед человечеством и не стоит.
Геотермальную энергетику Капица забраковал по вполне очевидным географическим причинам. Её можно эффективно развивать только в местах с вулканической активностью. Такие примеры действительно успешны, но в ограниченных масштабах. При этом у такой энергетики были свои плюсы: она не зависит от погоды, времени года, генерация геотермальной энергии может осуществляться непрерывно, а её запасы, по сути, неистощимы.
ГеоТЭС Несаветлир в Исландии
Неисчерпаемыми, помимо солнечной и геотермальной энергии, являются также запасы воды. Гидроэнергия, получаемая при запруживании рек и во время морских приливов, может эффективно использоваться в экономике. На середину 1970-х годов на гидроэнергетику приходилось 5 процентов в энергетическом балансе. Капица считал, что увеличить эту долю будет крайне сложно, так как для строительства мощных ГЭС подходили только определенные реки, желательно в горной местности.
Использование ветровой энергии академик считал недостаточно экономически оправданным по причине низкой плотности энергетического потока. При этом Капица считал, что использование альтернативных источников энергии может оказаться востребованным в бытовых нуждах, но масштабы такого использования он считал небольшими.
Спустя почти полвека можно констатировать, что некоторые страны достигли успехов в использовании альтернативных источников энергии благодаря географическому положению и низкой численности населения, как, например, Исландия. Вся электроэнергия данной страны вырабатывается на основе возобновляемых источников (70 процентов – ГЭС, 30 процентов – геотермальная энергетика). А вот успехи ветровой энергетики, наверно, удивили бы Петра Леонидовича больше всего. Сегодня на долю ветряков в ряде стран Европы приходится огромная доля выработки электричества, и это уже далеко не бытовое потребление домохозяйств.
Перспективы альтернативной энергетики сегодня
Сегодня перспективы альтернативной энергетики выглядят гораздо предпочтительнее, чем всего полвека назад. Во многом это связано с развитием технологий, науки и техники. В развитых государствах доля альтернативной энергетики постепенно растет, в первую очередь именно в выработке электроэнергии. К примеру, в США вклад альтернативной энергетики в выработку электричества по итогам 2017 года оценивался в 17,1 процента (с учетом работы больших гидроэлектростанций). И это не выдающийся результат.
В Европе в ряде стран показатели гораздо выше. К примеру, за первую половину 2020 года в Германии на возобновляемые источники энергии пришлось 56 процентов выработки электричества. При этом в этой европейской стране только 4 процента пришлось на классические ГЭС, 52 процента – это альтернативные источники, из которых на солнечную энергию пришлось 11,4 процента, на ветер – 30,6 процента выработки электроэнергии.
В некоторых европейских странах выработка электроэнергии возобновляемыми источниками энергии ещё выше. Лидерами являются скандинавские страны. К примеру, Швеция ставит перед собой амбициозную задачу – к 2040 году полностью отказаться от использования углеродного топлива.
Самая южная из скандинавских стран Дания также ставит амбициозные задачи – к 2030 году снизить выбросы CO2 на 70 процентов относительно показателей 1990 года. Здесь также реализуется масштабная программа развития ветряной энергетики. По итогам 2019 года доля ветроэнергетики в производстве электричества в Дании достигла 55,2 процента, что уже является отличным результатом.
Очень амбициозные планы по развитию альтернативной энергетики декларирует сегодня и Китай, который до сих пор является главным потребителем угля в мире. При этом уголь является одним из самых грязных видов ископаемого топлива для экологии планеты. Хотя здесь тоже стоит сделать поправку на время. Большинство современных китайских ТЭС имеют отличные фильтры очистки и максимально снижают ущерб для экосистемы.
По оценкам китайских специалистов, к 2050 году страна должна уменьшить выработку энергии на электростанциях, работающих на угле, до 30–50 процентов от общего потребления энергии. Оставшиеся 50–70 процентов планируется обеспечить использованием природного газа, нефти, а также возобновляемых источников энергии, включая ядерную энергию, гидроэнергетику, энергию ветра и солнечную энергетику.
На протяжении всех последних лет Китай уже является мировым лидером по установленной мощности в секторах гидроэнергетики, ветроэнергетики и секторе по генерации фотоэлектрической энергии. По словам главы Государственного управления КНР по делам энергетики Чжан Цзяньхуа, в 2020 году генерация электроэнергии в Китае с помощью возобновляемых источников энергии достигла 2,2 триллиона кВт/ч, составив в общей сложности 29,5 процента от общего потребления электроэнергии в стране. Это на 9,5 процента больше, чем страна могла генерировать с помощью ВИЭ в 2012 году.
При этом, в отличие от скандинавских стран, у Китая есть лучшие перспективы в области развития солнечной энергии. В конце 2020 года в КНР была введена в эксплуатацию солнечная станция мощностью 2,2 ГВт. Объект энергетической инфраструктуры расположили в обширной по размерам пустыне провинции Цинхай. Помимо непосредственно фотоэлементов, станция оснащена и системами хранения энергии. С густонаселенными районами Поднебесной станцию соединили при помощи ЛЭП ультравысокого напряжения – 800 кВ.
Традиционно вопросам зеленой энергетики уделяется большое внимание и в США. Там это часто повестка президентских выборов. С программой по внедрению биотоплива выступал Джордж Буш. Новый американский президент Джо Байден также активно продвигает идеи зеленой энергетики. В перевод национальной энергетики на экологически чистые источники он готов был вложить два триллиона долларов, при этом полный переход планируется провести к 2035 году.
Вряд ли эти планы удастся реализовать в полной мере, но импульс вполне очевиден. Компании сектора зеленой энергетики отреагировали ростом акций на избрание Байдена. Весь вопрос в том, насколько удастся реализовать амбициозную программу, так как история с биотопливом, хотя и получила серьезное развитие в Штатах, но не достигла озвученных Бушем цифр.
Перспективы альтернативной энергетики в России
В России, как и во всём мире, понимают необходимость развития альтернативной энергетики и уменьшения негативного воздействия на окружающую среду. При этом серьезных успехов в этой области у России нет.
Одним из главных тормозов для развития этого направления традиционно называют наличие в стране больших запасов органического топлива. Из общего объема энергоресурсов России на 2012 год только 4 процента приходилось на возобновляемые источники, из которых 2/3 было выработано гидроэнергетикой.
В структуре выработки электроэнергии ситуация лучше за счёт ГЭС, которые на 2020 год вырабатывали около 20 процентов всего электричества, ещё 12 процентов приходится на АЭС, на солнечную энергию только 0,55 процента, ветроэнергию – 0,07 процента (в пределах погрешности). Большая часть электричества в России по-прежнему вырабатывается на теплоэлектростанциях – 67 процентов.
Исправлять эту ситуацию планируется за счет развития программ возобновляемой энергетики. К 2035 году объем только государственной поддержки проектов в этой области должен составить 360 миллиардов рублей. Об этом в начале июня 2021 года сообщает официальный сайт Правительства РФ. Это уже вторая программа развития ВИЭ в России, первая должна закончиться в 2024 году.
Как ранее сообщало Минэнерго, в 2023–2035 годах в России ожидается ввод в эксплуатацию примерно 2,4 ГВт солнечных мощностей, 4,1 ГВт – ветровых мощностей и 0,2 ГВт – на малых ГЭС. Всего к 2035 году в России планируют ввести примерно 6,7 ГВт мощности, генерируемых возобновляемыми источниками энергии, что в лучшем случае составит около 4 процентов в энергобалансе страны.
Для сравнения: в Китае к 2035 году эта доля должна превысить 25 процентов и уже сейчас составляет 15 процентов. На конец 2020 года суммарная мощность солнечной энергетики КНР составляла 253,4 ГВт, ветровой энергетики – 281,6 ГВт.
В октябре 1975 года на научной сессии в честь 250-летия Академии наук СССР академик Петр Капица, ставший тремя годами позже лауреатом Нобелевской премии по физике, сделал концептуальный доклад, в котором на основании базовых физических принципов доказал промышленную неэффективность всех видов альтернативной энергетики, за исключением управляемого термоядерного синтеза.
Что же было основным аргументом Петра Леонидовича в скептическом отношении к энергии ветра и солнца? И насколько изменилось наше представление об альтернативной энергетике за прошедшие сорок с лишним лет?
Что предсказал Капица
К сожалению, такого рода ограничение носит не политический, но именно физический характер — вне зависимости от государственного строя или выбранной в стране идеологии, любой экономике приходится в той или иной степени базироваться именно на физических законах окружающего нас мира. Усилия ученых или инженеров могут достаточно близко приблизить нас к теоретическому физическому пределу той или иной технологии, но, увы, абсолютно бесполезны в попытке перепрыгнуть через такого рода ограничитель.
Но что самое главное — вращение нашей планеты вокруг своей оси, которое сразу же уменьшает доступную энергию солнечной постоянной практически вдвое: ночью Солнце находится ниже линии горизонта. В итоге нам, жителям Земли, приходится довольствоваться максимум десятой частью орбитальной солнечной постоянной.
Те же проблемы преследуют и еще один краеугольный камень возобновляемой энергетики — технологию водородных топливных элементов. Они предполагались дешевой заменой тяжелым, экологически небезопасным и неэффективным химическим аккумуляторам.
Мы наш, мы новый мир построим!
Результатом ограничителей солнечной энергетики стало знание, хорошо доступное еще в 1975 году: реально с одного метра земной поверхности можно собрать не более 100–200 Ватт усредненной суточной мощности солнечной энергии. Иными словами, для удовлетворения даже текущих потребностей человечества площадь солнечных электростанций, размещенных на поверхности Земли, оказывалась бы просто громадной.
Но это отнюдь не остановило тех, кто недостаточно полно усвоил школьный курс физики. Проекты по солнечному освоению Сахары возникали и возникают с завидной регулярностью.
Поэтому и получается, что нынешние успехи ВИЭ связаны не с экономическими реалиями их выгодности и даже не с впечатляющим прогрессом в совершенствовании КПД или уменьшении их стоимости производства и обслуживания, но в первую очередь — с протекционистской политикой стран ЕС по отношению к ВИЭ и устранением любой конкуренции со стороны тепловой или атомной энергетики, подвергающейся дополнительному налоговому прессу (сборам за выбросы углекислого газа), а то и прямому запрету (как атомная энергетика в Германии).
Мнение эксперта
При этом под общим термином ВИЭ скрываются очень разные источники энергии, уточнил эксперт. С одной стороны, это давно и успешно эксплуатируемая крупная гидроэнергетика, с другой — относительно новые виды энергии, такие как солнце, ветер, биомасса, геотермальная энергетика. Доля гидроэнергетики в выработке электроэнергии в мире остается стабильной — она составила 18,1% в 1990 году, 16,4% в 2014 году и столько же — в прогнозе на 2030 год.
Есть ли глобальное будущее у ВИЭ?
Безусловно, сама по себе концепция ВИЭ является жизненной и своевременной — запасы дешевого органического топлива (нефти, газа, угля) и даже урана на планете Земля не беспредельны, в силу чего востребованность альтернативных источников энергии будет только расти. Традиционная энергетика рано или поздно столкнется и с дефицитом доступного, дешевого топлива, и с ростом себестоимости производства электроэнергии.
Кроме того, безусловно, никто не возражает против разумного использования солнечной и ветряной энергетики. Во многих местах мира она может стать незаменимым вариантом ухода от традиционной генерации. Так, весьма разумным представляется использование ветряной и солнечной энергии в прибрежных, особенно островных, тропических территориях, куда затруднительно обеспечивать транспортировку традиционных энергоносителей (нефти и газа), либо же их использование экологически опасно (уголь).
Однако надо учитывать, что нынешний вариант альтернативной энергетики, который ставит во главу угла лишь солнечную и ветряную энергию, будет всегда страдать от нерегулярности их производства, удаленности выгодных районов для размещения ветряных и солнечных электростанций от возможных потребителей и несоответствия масштабов солнечных и ветряных электростанций даже текущим запросам человечества на производство электроэнергии, не говоря уже обо всей первичной энергии.
Все это показывает очевидное — путь к новой энергетике не столь прост, как это представляется в рекламных проспектах Европейского союза. Впрочем, Петр Леонидович Капица говорил об этом еще 42 года тому назад.
Читайте также: