hippy_end (hippy_end) wrote,
hippy_end
hippy_end

Ресурсы – 20 – об «альтернативной» энергетике – 2

Продолжение, начало в девятнадцати предыдущих постах

На этот раз речь пойдет о собственно энергетической состоятельности «альтернативной» энергетики. Разумеется, в масштабах, сопоставимых с энергетическими нуждами современного мирового хозяйства. Ведь переход на нее означал бы реальное замещение хотя бы 20–30% вклада тех ископаемых энергоносителей (нефть, уголь, природный газ, уран), на энергии которых сейчас держится более 90% мирового хозяйства.

Возможно ли это? И вообще, совместимы ли так называемая «экологически чистая» энергетика и сохранение (не говоря уж о росте) того уровня потребления материальных благ, который УЖЕ достигнут нашей цивилизацией?

Имеет ли проблема разрушения природного мира – основы таких привычных и благоприятных для нас условий жизни на этой планете – технологическое решение?

ИЗ КНИГИ МАРКА ЛОТАРЁВА «ТОЧКА ОТСЧЕТА –2017. ИСХОДНИКИ. 1. РЕСУРСЫ»

(с) Марк Лотарёв, 2012

«По счастью, «альтернативная» энергетика несостоятельна и в чисто энергетическом плане. Потому что имеет дело с едва ли не самыми «распыленными» источниками энергии из всех, которые когда-либо использовал человек.

Как вы, наверное, помните, самыми эффективными «фабриками» по переработке и накоплению первичной солнечной энергии на Земле являются растения. Именно поэтому изначально рассеянная энергия Солнца в древесном топливе содержится в концентрированном виде.

Использование этой – сконцентрированной в древесине энергии стало основой роста и усложнения человечества на протяжении многих тысячелетий. От древнейших времен, когда люди впервые овладели огнем, до Промышленной революции XIX века.

В еще более концентрированном виде первичная солнечная энергия содержится в каменном угле. Уголь образовался из органических растительных останков, которые «уплотнялись» на протяжении миллионов лет. И соответственно «уплотнялась» накопленная в них энергия. Антрацит – это своего рода «сконцентрированные дрова».

Еще большую «плотность» изначально рассеянная энергия приобрела в природном газе и особенно – в нефти.

Бурный рост и стремительное усложнение человечества на протяжении двух последних столетий основаны на том, что люди использовали энергию во всё более «уплотненном» виде. Причем «концентрированные» энергоносители: уголь, нефть, газ – добывались в уже готовом виде. Первоначально рассеянная энергия была «уплотнена» в них с помощью «природных технологий». Задолго до того, как на Земле появился цивилизованный человек.

А в каком виде содержат энергию энергоносители, которые предлагает нам «возобновимая» энергетика?

Нетрудно догадаться, что в солнечном свете, в ветре, в морских приливах эта энергия содержится в гораздо более рассеянном виде, чем в ископаемых углеводородах и даже в обычных дровах. Поэтому, чтобы использовать такую энергию вместо энергии угля, нефти и газа, ее нужно сначала должным образом «уплотнить».

Как это сделать без помощи множества зеленых растений, геохимических процессов и быстрее, чем за миллионы лет?

А с помощью новых, «экологически чистых» технологий, – говорят сторонники «альтернативной» энергетики.

Вот только «наивно» упускают из виду, что для разработки, внедрения и эксплуатации этих новых, «экологически чистых» технологий понадобится использовать энергию УЖЕ сконцентрированную. И брать эту «плотную» и качественную энергию придется… из ископаемых углеводородов!

Причем, поскольку мы всё еще живем в Нефтяной цивилизации, основным источником энергии, с помощью которой будут «уплотнять» рассеянную энергию солнечного света, приливов и ветра, станет всё та же обычная, «легкая» НЕФТЬ!!!

Увы, но в противном случае энергетический переход от ископаемых углеводородов к солнечному свету, приливам и ветру будет означать откат человечества к тем, совсем уж далеким временам, когда люди даже огнем еще не владели. Откат от эффективных, высококонцентрированных энергоносителей: антрацита, газа и особенно нефти – к намного менее эффективным источникам энергии, чем даже простые дрова…

Но готовы ли современные цивилизованные люди вновь начать жить так, как живут другие животные? Все те наши собратья по планете, которые обходятся лишь текущими «энергопоставками» солнечного света, воды или ветра. А в концентрированном виде добывают энергию лишь в виде пищи: из растений, других животных или грибов.

Помнят ли сторонники «альтернативной» энергетики, что в те далекие времена на Земле жило не более 5–10 миллионов особей вида Homo Sapiens? И жили эти несколько миллионов человек в целиком природной, еще не затронутой цивилизацией и потому максимально благоприятной для их жизни среде. Потому что в ТОЙ природной среде, еще не узнавшей огня человека, первичная энергия Солнца концентрировалась в великом множестве растений и поедавших их животных, которые населяли всю поверхность планеты.

А какую жизненную среду унаследуют современные адепты «экологически чистых», «возобновимых» энергоресурсов?

Разросшиеся техногенные пустыни?

Обедненные растениями и животными, глубоко нарушенные остатки природных экосистем?

Боюсь, что в этих новых условиях численность человечества, которое решит жить за счет «возобновимых» источников энергии, вряд ли дотянет даже по первобытных нескольких миллионов человек.

Физические ограничения, связанные с использованием рассеянных источников энергии, еще в 1975 году разъяснил в своем докладе, сделанном на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР, Нобелевский лауреат, академик П. Л. Капица. Приведу некоторые выдержки из этого замечательного документа. Текст его достаточно понятен, в том числе и неспециалисту. Но если у вас возникнут трудности в той части, где используются математические расчеты (возможно также, что в этой части текста есть неточности, допущенные при публикации первоисточника), постарайтесь просто понять суть – о чем идет речь, – и двигайтесь дальше.

Итак, цитирую:

«Энергия, которой пользуются люди, делится теперь на две части. Первая – это так называемая бытовая энергия. /Выделено автором/. Она непосредственно обеспечивает культурный образ жизни. Эта энергия используется для освещения, для питания холодильников, телевизоров, электробритв, пылесосов и большого количества других приборов, которыми пользуются в повседневной жизни. Используемая в быту мощность исчисляется обычно киловаттами. Другой вид энергии – это промышленная энергия, энергия больших мощностей. /Выделено автором/. Ее используют в металлургии, на транспорте, в машиностроении, в механизации строительства и сельского хозяйства и ряде подобных областей. Эта энергия значительно больше бытовой, мощность ее исчисляется в мегаваттах, ее масштабы и стоимость определяют уровень валового продукта в народном хозяйстве страны. Конечно, предстоящий кризис будет вызван недостатком ресурсов энергии только в энергетике больших мощностей: обеспечение получения этой энергии в достаточном количестве и является основной проблемой, которая ставится перед наукой.

Я уже сказал, что предсказания предстоящего энергетического кризиса делаются на основе закона сохранения энергии. Как известно, большую роль в ограничении возможности использования энергетических ресурсов играет также закон, требующий во всех процессах преобразования энергии возрастания энтропии. Оба эти закона накладывают "вето" на преодоление кризиса путем создания "перпетуум-мобиле". Закон сохранения энергии накладывает "вето" на "перпетуум-мобиле" 1-го рода. Энтропия накладывает "вето" на так называемый "перпетуум-мобиле" 2-го рода. Интересно отметить, что этот второй род "перпетуум-мобиле" и по сей день продолжают предлагать изобретательные инженеры, и часто опровержение такого рода устройств связано с большими хлопотами. /Например, опровержение «совместимости» сохранения окружающей природной среды с сохранением привычного для нас материального уровня жизни путем дальнейшего научно-технического прогресса – примечание автора/. Эта область относится к термодинамике, она хорошо изучена, и я на ней останавливаться не буду.

Я ограничусь рассмотрением закономерностей, которые определяют развитие энергетики больших мощностей и связаны с существованием в природе ограничений для плотности потока энергии. /Выделено автором/. Как будет видно, часто эти ограничения не учитываются, что ведет к затратам на проекты, заведомо бесперспективные. Это и будет основной темой моего доклада.

Все интересующие нас энергетические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой, и это происходит согласно закону сохранения энергии. Наиболее употребительные виды энергии – электрическая, тепловая, химическая, механическая, а теперь и так называемая ядерная. Трансформацию энергии обычно можно рассматривать как происходящую в некотором объеме, в который через поверхность поступает один вид энергии, а выходит преобразованная энергия.

Плотность поступающей энергии ограничена физическими свойствами той среды, через которую она течет. В материальной среде плотность потока энергии U ограничивается следующим выражением:

U < vF, (1)

где v – скорость распространения деформации, обычно равная скорости звука, F – плотность энергии, которая может быть либо упругой, либо тепловой, U есть вектор. <…> Вектор U оказывается весьма удобным для изучения процессов преобразования энергии. Впервые он был предложен в 1874 г. русским физиком Н. А. Умовым. Десятью годами позже такой же вектор для описания энергетических процессов в электромагнитном поле был дан Дж. Пойнтингом. Поэтому у нас принято называть его вектором Умова–Пойнтинга.

Если выражение (1) применить для газовой среды, то оно приобретет следующий вид:

U = A T1/2p, (2)

где А – коэффициент, зависящий от молекулярного состава газа, Т – температура и р – давление газа.

Выражение такого вида определяет, например, ту предельную мощность, которую может передать горючая среда на единицу поверхности поршня мотора или лопаток турбины. Как видно, эта мощность падает с давлением; поэтому такое же выражение определяет ту предельную высоту, на которой может летать турбореактивный самолет.

Используя вектор Умова-Пойнтинга, можно описывать даже процессы, когда энергия передается ременной передачей. Тогда произведение скорости ремня на его упругое напряжение дает мощность трансмиссии.
<…>
Мне пришлось на практике встретиться с технической проблемой, когда недостаточная плотность потока электрической энергии ограничивала осуществление решения этой проблемы на практике. Это произошло при следующих поучительных обстоятельствах.

В 40-х годах мой учитель А. Ф. Иоффе занимался разработкой оригинального электростатического генератора, который питал небольшую рентгеновскую установку. Этот генератор был прост по своей конструкции и неплохо работал. Тогда у Иоффе возникла идея заменить в широком масштабе электромагнитные генераторы на электростатические и перевести на них всю большую электроэнергетику страны. Главным основанием было то, что электростатические генераторы не только проще по своей конструкции, но могут сразу давать высокое напряжение для линий передач. Мне пришлось тогда опровергать осуществимость этого проекта, исходя из оценки плотности потока электроэнергии при трансформации ее в механическую.

Определим, согласно выражению (1) для U, плотность потока энергии, которая в зазоре между ротором и статором генератора преобразуется из механической в электрическую или обратно. Тогда v будет равна окружной скорости ротора генератора. По конструктивным соображениям эта скорость обычно берется около 100 м/с. Тангенциальные силы взаимодействия между статором и ротором в электромагнитном генераторе определяются энергией магнитного поля, поэтому мы имеем для плотности потока энергии:

U = a(H2/4p)v (3)

Коэффициент a определяется конструкцией генератора и характеризуется косинусом угла, образованного силой F и скоростью v. Обычно a имеет величину, равную нескольким десятым долей единицы. Магнитное поле Н определяется насыщением железа и не превышает 2 x 10 [в четвертой степени] Э. При этом плотность потока электроэнергии (которая трансформируется в механическую или обратно) получается около 1 кВт на см². Таким образом, для генератора мощностью 100 МВт ротор будет иметь рабочую поверхность примерно около 10 м². Для электростатического генератора плотность потока энергии U будет равна

U = a(E2/4p)v , (4)

где электростатическое поле Е ограничивается электрической прочностью воздуха и не превышает 3 x 10 [в четвертой степени] В/см, или 100 э.-с.е. Поэтому, чтобы получить ту же мощность в 100 МВт потребуется ротор с поверхностью в (Н/Е)2 = 4 x 10 [в пятой степени] раз большей, т.е. равной 4 x 10 [в пятой степени] м², или примерно половине квадратного километра. /Выделено автором/. Таким образом, электростатический генератор больших мощностей получается практически неосуществимых размеров.

Аналогичный анализ показывает, что ограничение плотности потока энергии приводит к тому, что для энергетики больших мощностей приходится отказываться от ряда весьма эффективных процессов трансформирования энергии.
<…>
Сейчас главный интерес привлекают те методы генерирования энергии, которые не зависят от количества энергии, запасенной в прошлом в топливе различного вида. Здесь главным из них считается прямое превращение солнечной энергии в электрическую и механическую, конечно, в больших масштабах. Опять же осуществление на практике этого процесса для энергетики больших мощностей связано с ограниченной величиной плотности потока энергии. Оптимальный расчет сейчас показывает, что снимаемая с одного квадратного метра освещенной Солнцем поверхности мощность в среднем не будет превышать 100 Вт. Поэтому, чтобы генерировать 100 МВт, нужно снимать электроэнергию с площади в 1 км².

Ни один из предложенных до сих пор методов преобразования солнечной энергии не может этого осуществить так, чтобы капитальные затраты могли оправдаться полученной энергией. Чтобы это было рентабельно, надо понизить затраты на несколько порядков, и пока даже не видно пути, как это можно осуществить. Поэтому следует считать, что практическое прямое использование солнечной энергии в больших масштабах нереально. /Выделено автором/.
<…>
Сейчас также идет обсуждение вопроса использования геотермальной энергии. <…>
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.

Сейчас тут выдвигается ряд интересных предложений. Например, на этой глубине взрывать атомные бомбы и этим создавать либо большую каверну, либо большое количество глубоко проникающих трещин. Осуществление такого проекта будет стоить очень дорого; но, ввиду важности проблемы и больших преимуществ геотермального метода, я думаю, что, несмотря на эти расходы, следует, по-видимому, рискнуть осуществить этот проект.

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. /Выделено автором/.

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».

Продолжение следует (в том числе – продолжение доклада академика Капицы)

Полный текст первой части «Точки отсчета – 2017. Исходники 1. Ресурсы Вы можете найти по адресу:
http://www.mark-lotarev.narod.ru/knigao/isxod-r.html
Tags: Психологическая готовность
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 34 comments

Recent Posts from This Journal