Без горючего

С точки зрения законов сохранения энергии человек вместе со всей его цивилизацией – штука довольно ограниченная: ни создать, ни уничтожить энергию он не может. Ему остается только встать на пути ее превращений. Ядерные реакторы звезд, сияющие в космической пустоте, это сегодняшняя Вселенная; однородное распределение энергии в пространстве – это тепловая смерть. Поэтому человек, становясь на пути энергии, продлевает существование Вселенной. Посмотрим, как он это делает сейчас, и попробуем понять, как он будет делать это послезав тра. Но сначала разберемся...

Почему это важно

Данный раздел состоит из одних тривиальностей. Но без них нельзя. Итак, современная энергетика держится в основном на нефти и газе – как источниках химической энергии, ТЭС – как методе преобразования химической энергии в электрическую и электротехнике – как комплексе методов передачи, преобразования и использования этой самой электрической энергии. Важное исключение – автомобиль. Ему для движения электричество не нужно, особенно если за водить "ручкой".

По данным разных авторов, запасов нефти и газа человечеству хватит на 40 и 60 лет соответственно. Наверное, этот срок окажется немного больше – методы разведки и добычи совершенствуются, но принципиально ситуация не изменится. Запасов угля на Земле может хватить более чем на сто лет – так или иначе, на срок, на который психологически трудно загадывать. Человека, пытающегося размышлять о таких периодах, преследует мысль: кто знает, что еще придумают, а может, СПИД и вовсе избавит человечество от проблем с энергией.

Иногда говорят, что сжигать запасы угля и нефти нельзя, потому что мы обкрадываем потомков, обворовываем будущее и тому подобное. Но живые современники ничуть не хуже нерожденных потомков, а уж прав-то на уголь у них никак не меньше. Другое дело, что доставшиеся нам ресурсы надо использовать разумно, и если есть основания полагать, что сегодня мы их разумно использовать не можем, то не лучше ли их "прикопать"? Человек, бегущий с получкой в магазин, чтобы ее немедленно потратить, не вызывает симпатий даже у таких же дурачков, как он сам.

Важно еще и то, что стоимость горючего растет с течением времени, потому что сначала вырабатываются те месторождения, где добыча дешевле. Вдобавок сжигание угля создает большие проблемы в смысле загрязнения среды, причем дело не только в выделении СО, и парниковом эффекте, опасность коего вообще не доказана. Конечно, сжигать без кислотных дождей и терриконов золы можно, но это еще дороже – так что человечество начинает задумываться об альтернативах. Оно вообще немного туповато и начинает думать, только когда дело доходит до кошелька. Так что делать что-то надо, и в какой-то момент альтернативой казалась атомная энергия.

Умные французы поняли это давно: потихонечку закрыли свои шахты, обеспечив и переучив своих шах еров, так что им было не до забастовок, построили АЭС, от ближневосточной нефти не зависят и не плохо живут. Причем строят они надежно, персонал экспериментами не занимается, и народ АЭС не боится. Но все равно это не решение. Во-первых, работа с радиоактивными материалами – это так или иначе работа с излучением. А насчет влияния малых доз по-прежнему не понятно, и хоть есть вполне компетентные ученые, считающие, что от малых доз облучения – одна польза, но есть и придерживающиеся прямо противоположной точки зрения. Забавно, однако, что сторонники малых доз пишут (зачастую в одной статье!) и что они безопасны, и что, может быть, полезны, и что "проблема является принципиально неразрешимой". Их оппоненты из Института биохимической физики им.Н.М.Эману ля не только приводят экспериментальные данные, но и высказывают правдоподобную гипотезу о механизме эффекта.

Но дело не только в малых дозах. Техника не бывает абсолютно надежной хотя бы потому, что не бывает абсолютно надежен человек-оператор и абсолютно компетентен человек-создатель. А тогда возникает вопрос: что нам страшнее – авария с небольшими последствиями и высокой вероятностью или с большими последствиями и малой вероятностью? Что мы предпочтем – тянуть один билет из тысячи, на котором написано "отдай 1000 рублей", или один из десяти, на котором написано "отдай 10 рублей"? Человечество, похоже, не хочет глобальных аварий даже при малой их вероятности. А что такое авария на АЭС по своим последствиям, мы уже знаем. А еще проблема отходов... Против атомной энергетики, впрочем, как и против всей традиционной энер гетики, есть и еще один аргумент.

Куда все девается

Процессы преобразования тепловой энергии в механическую, а на АЭС этот процесс происходит в турбине, протекают не со 100%-ным КПД. Часть энергии утекает "налево" в виде тепла, вызывая "тепловое загрязнение" окружающей среды. Впрочем, это происходит и в ТЭС, "мирный атом" здесь ни при чем. Конечно, можно предаться мечтаниям о так называемых методах прямого преобразования тепловой и химической энергий в электрическую. Мы все с этими методами знакомы: тепло в электричество без турбин и котлов преобразует электронный термометр, а химическую в электрическую – электрический угорь и сом. Но даже если мы добьемся КПД 100% (что невозможно), проблема теплового загрязнения никуда не денется, потому что вся используемая человеком энергия в итоге возвращается в природу в форме тепла. Конечно, кое-что накапливается в виде химической энергии (например, книги с точки зрения энергетики – просто запасенная химическая энергия), но эта часть невелика. Если бы вся энергия выделялась равномерно по всей Земле, то больших проблем не возникло бы. Человечество использует и в итоге выделяет сегодня около 2*10¹² Вт, а от Солнца и распада ⁴⁰К в недрах Земли планета получает в сто тысяч раз больше. Таким образом, относительный вклад человека составляет одну тысячную процента.

На температуре планеты это сказывается в четыре раза слабее – излучение пропорционально четвертой степени абсолютной температуры, и в итоге Земля теплеет на (1/4) 10^-5* 300К = 10^-3К. Это величина совершенно не ощутимая, но, как отметил доктор наук В.П.Фотин, "люди предпочитают гнездиться в городах", а их площадь составляет около 10^-4 площади суши. В городах человечество выделяет уже достаточно для заметного локального изменения климата, нас в этом убеждать не надо – мы это видим сами.

Польза от мозгов и польза для мозгов

Посмотрите в окно – сколько стекол пронзает ваш взгляд? Как правило, два. Приложите руку к наружной стене – холодная? Из щели сифонит? Правильно. Россия – страна большая и богатая, энергию нам девать некуда, вот и отапливаем бескрайние просторы. Наверное, единственный способ вызвать поумнение людей – это поднять цены на энергоносители, как это ни жутко звучит. Мигом возникнут фирмы и фирмочки, утепляющие дома, производящие тепловые насосы и реализующие те десятки энергосберегающих решений и технологий, которые давно уже внедрены в нищих Японии и Европе. Например, в той же Японии потребление энергии на душу населения в год составляет 4 МВт ч – ниже, чем в Европе и США, качество жизни одно из самых высоких в мире, а продолжительность жизни вообще самая высокая. В России, по оценкам разных авторов, можно сберечь 35 – 40% энергопотребления. Причем энергосбережение не требует, в отличие от строительства промышленных гигантов, больших инвестиций. Оно требует мозгов.

Но оно же приносит им пользу. Сжигать нефть и уголь можно по старинке, хотя и это лучше делать с применением новых технологий. Но бе ечь тепло без применения головы нельзя – если это не делалось вчера, то сегодня надо придумать, как это делать. При этом развиваются наука и инженерия. Заметим, что люди вообще хорошо живут в странах, сделавших ставку на высокие технологии.
И уж если заботиться о потомках, то возможность стать умными, наверное, важнее запасов угля.

Невидимая рука экономики

Действиями большинства людей управляет экономический интерес. Человек отапливает коттедж тем, чем удобнее, фирма производит то, что дает большую прибыль. Какие ни патриоты американцы, а ездят они на японских машинах. И это правильно. Потому что уговорить или заставить человека действовать в ущерб себе из идейных соображений можно, но такая политика имеет последствия в виде алкоголизма, курения, нелеченых болезней, абортов и малой продолжительности жизни.Впрочем, некоторые из тех, кто ставил "борьбу за мир во всем мире" выше хлеба с маслом, действительно верили, что светлое завтра достижимо на этом пути. Но они ошиблись.

Следует ли из этого, что надо отдать все на откуп "невидимой руке рынка"? Нет, и вот почему. Если все вопросы будут решаться строго локально, то плохие последствия тоже возникнут. Например, полное вытеснение американских автомобилей японскими с рынка США обернется безработицей. Конечно, заводы можно переориентировать, рабочих – переучить, но это деньги, время, силы и т.д. Полностью закрыть рынок для импорта тоже нельзя: уменьшение конкуренции вызовет в итоге ухудшение качества национальной продукции.
Для решения этих вопросов, уста новления баланса между сегодняш ними интересами и будущим благосостоянием, между интересами людей и их групп и существует цивилизованное государство.

В энергетике это приводит к тому, что бестопливными или, как говорят, возобновляемыми источниками энергии занимается в большой мере именно государство. Слишком уж многие фундаментальные стороны жизни общества затрагивает энергетика. Например, сжигание угля загрязняет среду, это проявляется в увеличении заболеваемости и, стало быть, бюджетных расходов на медицину. Участвует в игре и политика: обеспечение бесперебойных поставок нефти вынуждает Америку тратить немалые средства на поддержание мира на Ближнем Востоке и, более того, "поступаться принципами" – ограничивать давление на тоталитарные режимы, мириться с нарушениями прав человека. А живи американцы и европейцы за счет солнечной энергии, могли бы себя вести иначе. С дру гой стороны, для России развитие альтернативной энергетики в Европе нежелательно – будут падать цены на нефть. И так далее... Глобальная энергетика неотделима от политики настолько, что ею занимается даже Всемирный банк реконструкции и развития. Например, он финансировал электрификацию десятков тысяч домов в Кении, поставив на крышах солнечные батареи. Вот с Солнца и начнем.

Свет мой, Солнышко...

Когда вы поедете на японском автомобиле по американской автостраде, обратите внимание на столбы, на верхушках которых расположены сиреневые наклонные панели. Это фотоэлементы, от которых питаются телефоны для вызова техпомощи. Видимо, сделать такую штуку оказалось дешевле, чем тянуть кабель. Но решить проблемы глобальной энергетики фотоэлементы пока не могут: КПД мал, а вырабатываемая энергия дорога. Разумеется, идея получения электричества прямо из солнечного света столь соблазнительна, что оставить ее просто так невозможно.

Обычные кремниевые фотоэлементы имеют КПД 12-14%. Созданы фотоэлементы на гетероструктурах Al, Ga, As с КПД около 25%. И хоть для их использования солнечное излучение надо концентрировать параболическими зеркалами, в итоге установка той же мощности получается существенно дешевле. Однако фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии – не единственное решение. Солнечным излучением можно просто что-то нагреть.

Погреемся?

Когда вы посетите Иерусалим, обратите внимание на крыши. То, что на них установлено, напоминает издалека панели фотоэлементов, но рядом с каждой есть цилиндрический бак. И панели эти не из фотоэлементов, хотя они тоже предназначены для использования энергии Солнца. В них нагревается вода – а в баке она хранится. В Израиле сегодня эксплуатируется около миллиона подобных устройств. И в сезон они полностью покрывают потребность в горячей воде. Примерно столько же имеется в США, немало – в Греции, Турции, на Кипре. Эксплуатируют их даже в скандинавских странах. Нагреть воду так, чтобы пар вращал турбину, эти устройства не могут. Но раз для использования высокоэффективных фотоэлементов солнечное излучение концентрируют, то можно и в этом случае поступить так же. Дальнейшая цепочка известна: турбина, генератор, и при мощности более 100 МВт система оказывается конкурентоспособной. Однако и сама природа использует солнечное излучение, например для создания ветра. На это идет примерно 2% энергии, а ветер можем использовать мы.

Ветер, ветер, ты могуч...

Но к сожалению, не очень и не везде. Ветроэлектростанции становятся экономически эффективны только при скорости ветра более 4-6 м/с. Это означает, что строить их надо либо на морских побережьях, либо в горах, что существенно дороже, либо располагать на платформах в море. Недостаток ветроэлектростанций в том, что ветер дует не все время. Надо включать ветроэлектростанцию в единую сеть, а часто экономически эффективнее использовать энергию на месте. Но тогда надо как-то аккумулировать энергию, чтобы не сидеть без тепла и света, когда ветер утихнет. Кроме того, энергию ветра почти невозможно концентрировать (в отличие от солнечной), поэтому ветроэлектростанции занимают в 100 раз большую площадь, чем традиционная ТЭС такой же мощности. А кому хочется уродовать прелестное морское побережье башнями с лопастями? В идеале энергетика должна быть чистой, тихой и незаметной.

Дровишки под котлом

Если ад существует, то черти явно работают в три смены – судя по стабильности температуры в недрах Земли. Поскольку гейзеры и вулканы человек наблюдал всю жизнь, то он, естественно, пришел к идее использования тепла Земли. И эта идея давно и успешно реализована. Горячую воду из глубин Земли применяют для отопления жилья и в сельском хозяйстве, перегретый пар успешно вращает турбины. И все было бы хорошо, но на Земле мало регионов, где горячие воды и пар достаются легко. Влажный пар вызывает коррозию, горячая вода, содержащая много солей... сами понимаете, во что превращаются трубы.

Впрочем, можно перевернуть проблему с ног на голову: не тепло из недр добывать, а отправиться туда греться. Фантасты, впрочем, этот сюжет использовали: атомная война, люди прячутся под землю и так далее. Но почему бы не перенести под землю сельское хозяйство (в интенсивном варианте)? Тепло там есть, свет можно делать на месте из того же тепла.
Все перечисленные методы так или иначе используют то, что в природе есть, было и будет, причем независимо от человека. Как известно, главный результат деятельности человека – мусор. Существенная его часть – это биологические отходы, или "биомасса". Их создают сельское хозяйство, деревообрабатывающая и целлюлозно бумажная промышленность и просто человеческий быт.

Польза от биомасоы

Проще всего ее сжигать – собственно, люди давно жгли дровишки, а там, где их нет, на отопление шли и верб люжьи лепешки – все органика. Но биомассу можно переработать и биохимическими методами, превратив в спирт или биогаз. Спирт можно заливать в бензобак, биогаз (65% СН₄, 30% СО₂, SН₂, N_2, Н₂) использовать непосредственно как горючее (70% сельских семей в Китае) либо по обычной схеме: газовая турбина, электрогенератор и так далее. Собственно, в качестве исходного сырья для биохимической переработки можно использовать не только мусор. Например, в Бразилии из сахарного тростника успешно изготавливают этанол, который добавляют к бензину. Воздух в Рио-де-Жанейро, по крайней мере, стал намного чище. В этом направлении имеют возможность внести свой вклад в энергетическую проблему и биологи. Что, если они выведут, например, генно-инженерными методами бактерию, которая перерабатывает органику на водород?

Взглянем на ситуацию в целом. Сегодня человечество получает 1/7 часть энергии от возобновляемых источников, и эта доля с годами растет. Такие источники энергии удобны тем, что требуют в среднем меньших капиталовложений. Кроме того, они удобны для снабжения большого числа мелких территориально разобщенных потребителей (в России 70% территории не имеет централизованного энергоснабжения). Разработка возобновляемых источников – поле приложения высоких технологий. По этим двум причинам развитые страны поддерживают дея ельность соответствующих частных фирм – например, предоставляя налоговые льготы. Государство не навязывает решения, но стимулирует важную деятельность – в том числе и умственную.

Что касается цен на энергию – а именно это и определит в итоге глобальный переход на нетрадиционные источники энергии, то ветростанции и геотермостанции уже стали рентабельными. Станции на биомассе и солнечные тепловые станции дают в полтора-два раза более дорогую энергию. Солнечные фотоэлектрические станции пока, увы, уступают им еще в два-три раза. Но внедрение тех или иных источников энергии определяется не только стоимостью их продукции. Энергию надо еще доставить потребителю.

А еще надо возить и хранить

Энергию мало добыть – ее еще надо доставить туда, где она потребуется. Испокон веку человек перемещает энергию в основном в виде электричества или в виде горючего. Сжигание горючего загрязняет атмосферу, но и с электроэнергией не все гладко. Потреблять-то ее очень удобно, однако вырабатывать – не очень. Солнечные элементы, ее производящие, имеют пока низкий КПД, а если мы хотим преобразовать в электроэнергию, например, геотермальную – то мы теряем на преобразовании.

Или, скажем, метан, который бактерии добывают из биомассы. Опять сжигать, греть теплоноситель, вращать турбину, терять часть энергии? Жалко.

Энергию можно перемещать не только в виде электрического тока и бензина. Можно, например, в виде метанола или водорода.Метанол заливают в бензобак, автомобильный двигатель на водороде тоже можно сделать. Но чтобы преобразовать электроэнергию, вырабатываемую солнечными элементами, в водород, надо строить электролизеры. А здесь – свои немалые проблемы. И так всегда.

Поэтому проблемы производства, перемещения и потребления энергии должны решаться в комплексе. Например, если удастся найти или создать бактерии, которые питаются биомассой и выделяют водород, то именно в этом случае может оказаться эффективным автомобильный двигатель на водороде.

Кроме проблемы перемещения есть еще и проблема хранения энергии. Ее решение тем важнее, чем нестабильнее источник – раз мы умеем хранить, то можем сделать буферное хранилище. Стало быть, при использовании солнечного излучения или энергии ветра надо думать и о сглаживании колебаний мощности источника.

Энергию можно хранить в виде химической (в аккумуляторе), в виде тепловой (нагрев то или иное вещество), в виде потенциальной энергии (закачивая воду в бак на крыше или в высокогорное озеро), в виде кинетической (быстровращающиеся роторы). Вы сами можете сообразить, чем хорош и плох каждый метод, но проблема не в перечне факторов, а в их значимости. Причем роль тех или иных факторов может зависеть от других факторов... "все простые задачи решили наши деды".

Так что единственный путь к решению энергетической проблемы – это думать головой. И стремиться решать не локальные проблемы, а рассматривать полные цепочки. Включающие добычу, перемещение, аккумуляцию и потребление.

Только так человечеству удастся встать на пути энергии, изливающейся из звезд в космическое пространство. Чтобы обеспечить себе тепло и уют, а Вселенной – существование.

Л.Намер