Альтернативная энергетика

Эта статья — обзор различных видов источников энергии — существующих и перспективных в будущем.

Итак, что есть сейчас. Сейчас мировое годовое производство электроэнергии — примерно 20000000000000 квт-час.
Этой энергии хватило бы, чтобы удалить Луну от Земли примерно на 35 см.
Энергия колоссальная, но в 10 раз меньшая той, что Земля получает от Солнца за одну секунду!
Почти вся энергия вырабатывается из невосполняемых ресурсов – нефти, природного газа, каменного угля и ядерной энергии. И примерно десятая часть – из альтернативных источников энергии.
Естественно, такая ситуация пугает многих, поэтому ее всячески пытаются решить, а как — читайте под катом.
Оговорюсь — объем произведенной электроэнергии в четыре раза меньше всей потребляемой энергии. В основном это обусловлено тем, что КПД тепловых электростанций довольно небольшой — где-то порядка 30%, также весомый вклад в потребление вносит транспорт и отопление. Но так как основная статья дополнительных расходов — это просто энергетические потери, то будем считать, что обеспечить человечество электроэнергией — есть решение всей энергетической проблемы.

Альтернативный источник энергии – биотопливо.
Начинаю с него, так как, на мой взгляд, этот самая расточительная замена нефти. Расточительная потому, что – КПД преобразования энергии солнца в растениях – примерно 1%. Добавляем КПД 30% двигателя внутреннего сгорания и еще некий коэффициент уменьшающий КПД за счет потерь во время выработки спирта из целлюлозы. Итого – КПД намного меньший процента!

Биотопливо – это очень низкий КПД, удар по экологии (сомнительно, что экология сможет выдержать мировую потребность) и этически неопрятный ход ввиду многолетней продовольственной проблемы. Капиталисты будут жечь пшеницу центнерами в своих машинах, в то время, как миллионы страдают от голода. Зато это эффективно и не требует кардинальных технических решений (в любую обычную машину можно лить спирт с примесью бензина 8/1).

Биотопливо производят по всему миру. В частности, в Европе и в России. Но лидерами являются США и Бразилия, которые производят примерно по 45% мирового объема каждые. Такие объемы обусловлены тем, что они производят в основном не из биологических отходов, как это делается в Европе, а из специально выращенной кукурузы (в Бразилии – сахарного тростника).

Следующий источник энергии – энергия ветра. Активно используется сейчас, но доля этой энергии довольно мала. К недостаткам можно отнести относительно низкую мощность (да, впрочем, как и у всех альтернативных источников), что требует больших территорий, а также подходящий для этого ландшафт, шумовое загрязнение и сезонность.

Ветроэнергетика хороша тем, что в промышленном масштабе изготовляется оборудование, при чем как большой (масштаба электростанций), так и малой (на один дом) мощности.

Гидроэлектростанции. Один из самых удобных восполняемых источников энергии – практически отсутствует сезонность, экологичен, если не считать смены микроклимата в пределах водохранилища. Описывать особо нечего, так как преимущества очевидны.

Недостатком является то, что не так уж много мест, где их можно построить. К тому же строительство ГЭС – очень дорогостоящее мероприятие, часто требующая переноса целых населенных пунктов, но овчина выделки стоит. В России доля гидроэнергии — 19%, что является хорошим показателем.

Энергия приливов. Собственно, по способу работы очень напоминает обычную ГЭС, только отток воды цикличен, дважды в сутки. Энергию можно получать как на приливе, так и отливе. Недостаток в том, что большие приливы и отливы происходят только на низких широтах и внутри крупных полузамкнутых бухт.

Энергия волн. Относительно новый источник энергии, сводится к тому, что энергию получают от хаотического колебания волн. Волнение почти никогда не прекращается в океане и это дает почти неограниченный ресурс. Энергии волн вполне хватило бы на то, чтобы покрыть мировое ее потребление.

Геотермальная энергия. Сейчас используют только верхушку этого гигантского айсберга. В основном использование сводится к тому, что электростанция (или паровое отопление) напрямую подключаются к геотермальным источникам.

Однако, не все так просто. Все знают, что если копать вниз, то внизу Земля будет очень и очень горячая. Но мало кто задумывается, насколько быстро это произойдет. Температура растет на 10-30 градусов на километр глубины (градиент может сильно отличатся от местности, а также глубины, причины до сих пор слабо изучены).

В Испании работает экспериментальная электростанция на такой термальной энергии, где гейзеры, казалось бы, не выходят на поверхность, глубина скважины — 3 км, температура пара — 150 градусов.

Ядерная энергия. Хотя это и невосполняемый источник энергии, запас ядерного топлива намного больший, чем запас нефти. На данный момент это очень развитая отрасль. Доля ядерной энергетики особенно велика в развитых странах, особенно бедных топливными ресурсами.

Лидером производства является США, Россия – на четвертом месте. По доле выработанной энергии – Франция, у нее доля ядерной энергии составляет аж 74%, она же занимает второе место по абсолютной выработке.

По процентной доле ядерной энергии Украина находится аж на 4-м месте. Четыре ядерных электростанции вырабатывают почти половину всей электроэнергии страны.

Долгие годы идут дебаты о безопасности ядерной энергии. Ведь по сути ядерная реакция – это баланс на острие ножа. С другой стороны — реакторы постоянно совершенствуются, но если подключить статистику, то результат на лицо — за какие-то 50 лет на земном шаре появилось несколько точек на несколько сотен лет загрязненные радиацией.

Термоядерная энергия. По сути – это невосполняемый источник энергии, однако с учетом ресурсов – источник этот практически неисчерпаемый.

Суть термоядерного синтеза довольно проста – тритий + дейтерий = гелий + нейтрон + энергия.
Дейтерий (атом водорода с дополнительным нейтроном) всегда содержится в каком-то количестве воды, а тритий (водород с двумя нейтронами) можно получить из лития.

Чтобы реакция пошла, нужно столкнуть атомы на расстояния, близкие к размерам самого ядра. Сталкивать атомы можно, просто их нагревая. Для термоядерной реакции температура нужна… в 100 млн градусов. Очевидно, что ни один термоматериал не выдержит такой температуры, поэтому используют удержание плазмы магнитным полем. Хотя термоядерная реакция была получена еще в 60-х годах, но она не была устойчивой, а также затраты энергии были выше, чем полученные в ходе реакции.

На данный момент термоядерный синтез является лакомым куском для любой страны. Интерес к ней, на мой взгляд, обусловлен тем, что наращивать мощности производства электроэнергии можно будет практически неограниченно. К тому же, за счет сложности производства, можно будет долгое время оставаться монополистом в сфере.

Холодный термояд. Учитывая сложности тепловой схемы термоядерной реакции, параллельно делаются попытки провести синтез другим способом. Схем было предложено несколько, но на данный момент все они попахивают алхимией.

Мне, как лазерщику по образованию, кажется сомнительным провести ядерный синтез в рамках химической реакции, т.к. химическая реакция – это физика атомных оболочек. Спектры их низкоэнергетичны и размазаны, в то время, как ядерный синтез требует взаимодействия на ядерном уровне, а это совсем другие уровни энергии.

А теперь перейдем к солнечной энергетике. Как я уже писал выше – количество этой энергии колоссально, но плотность солнечной энергии не так уж и высока – на земной орбите 1.4 кВт/кв. м, а на экваторе у поверхности земли – 1 кВт/кв.м.

Для практических рассчетов возьмем небольшую страну прямо в вакууме центра Европы. Имеется ввиду не Украинский центр Европы в Карпатах, и не Латвия, и даже не Польша, а, если уже догадались, речь идет о Белоруссии.

Со времен СССР здесь остался сборочный цех тяжелой промышленности. И хотя такие секретные точки, как Житковичский Моторостроительный Завод, больше не выпускает комплектующие для российских истребителей, а перепрофилировались на производство санок и масляных насосов, но большинство заводов успешно сохранилось – МАЗы, Белазы и прочие азы, химзаводы и БМЗ, калийный комбинат и прочее и прочее, все это требует больших энергоресурсов. В это же время, собственного нефтяного месторождения под Мозырем явно недостаточно, чтобы покрыть все потребности.

Но в Беларуси нет не только нефти – резвый муссон здесь не свищет, обдувая Полесские болота, в земле не спрятан уран, а до ближайшего прилива нужно ехать в Украину. Реки здесь есть, и достаточно полноводные, но для электростанции нет достаточного перепада высот, в Беларуси вообще нет перепадов высот. Но все мы живем под Солнцем, а значит у всех есть доступ к его энергии.

Для Беларуси среднегодовая плотность, с учетом погодных условий и изменения угла наклона в течении суток, – 200-300 Вт/кв.м. Однако КПД солнечных батарей где-то порядка 10%, т.е. получаем 20-30 Вт/кв.м
При потребности страны в 3 500 000 кВт энергии, получим площадь полей в 170 кв. километров. Пусть на всевозможные неучтенные потери мы увеличим необходимую площадь в 5 раз. Получаем поле размером 30x30 км. Да это в 2.5 раза меньше, чем зона загрязнения после Чернобыльской аварии (я имею ввиду только территорию Припятского радиологического заповедника)!

Потенциал есть, но что с реализацией? Реализация пока туманна – стандартная проблема с аккумулированием, что на сегодняшний день решается гидроаккумулирующими электростанциями или производством водорода. Но главное — цена – стоимость солнечной электроэнергии сейчас просто дороже, чем если ее покупать у страны экспортера. Однако, год назад появилась новость, что солнечная энергия сравнялась со стоимостью ядерной. Но это только полуправда, так подразумевались установки дополнительной подпитки, устанавливаемых на зданиях. Полноценная система с промежуточным аккумулированием по прежнему будет дороже.

Тем не менее, основной вклад в стоимость вносит сама солнечная батарея. Высокая стоимость солнечных батарей обусловлена тем, что их производят примерно по тому же техпроцессу, что и другие полупроводниковые приборы, когда получают зонными плавками кристалл глубокой очистки, а уже из него изготавливают солнечные элементы.

На данный момент уже существуют экспериментальные солнечные элементы, полученные методом вакуумного напыления. Их КПД будет ниже, но зато стоить они будут намного меньше. И совсем экзотика – алмазное напыление в качестве полупроводника.

Резюме статьи такое – на данный момент существует большое количество альтернатив классическим источникам энергии, эти источники энергии в перспективе могут покрыть все потребности человечества, но так как их использование экономически менее выгодно, то их доля остается небольшой. Тем не менее страны, хотя и вяло, но все же развивают и совершенствуют эти отрасли, чтобы к моменту исчерпания источников нефти и газа, встретить его во всеоружии.

P.S. Численные данные были взяты частично — из википедии, частично — из лекций на кафедре энергофизики БГУ, по памяти. Сравнительные вычисления проводились автором на основании этих данных.