hippy_end (hippy_end) wrote,
hippy_end
hippy_end

Categories:

Ресурсы – 21 – Об альтернативной энергетике – 3

Продолжение, начало в двадцати предыдущих постах

В этом посте заканчивается выборочное цитирование доклада академика Петра Капицы и продолжается рассмотрение реальных возможностей так называемой «альтернативной» энергетики заменить энергетику, основанную на использовании ископаемого топлива. Заменить в тех «промышленных масштабах», которые необходимы для поддержания нынешнего уровня мирового хозяйства…

из книги Марка Лотарёва «точка отсчета –2017. Исходники. 1. Ресурсы»

(с) Марк Лотарёв, 2012

 «Следует признать, однако, что лучшим выходом из создавшегося положения нужно считать получение энергии путем термоядерного синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития. <…>

            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. <…>


            Хорошо известно, что для полезного получения термоядерной энергии ионы в плазме должны иметь очень высокую температуру – более 108 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 кулоновском взаимодействии теоретически были надежно описаны еще в 30-х годах. Л. Д. Ландау [2] дал выражение для этого взаимодействия, которое до сих пор остается справедливым.

            Мощность Рa, передаваемая электронами с температурой Te ионам с температурой Тi в объеме V, равна [3]

Рa = Vnk((Te – Тi) / teq)                 (5)

где k – постоянная Больцмана, n – плотность плазмы. Время релаксации teq вычисляется по формуле Ландау, основанной на учете кулоновских взаимодействий. Согласно этой формуле при тех высоких ионных температурах Тi = 108–109 К, при которых термоядерная реакция может давать полезную мощность, поток энергии, переданный от электронов к ионам, очень мал.
            <…>
            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 [3]. Оказывается, за это время большая часть энергии электронов уйдет в тормозное излучение. Поэтому сейчас изыскиваются более эффективные способы подвода энергии к ионам [4]. Это может быть или высокочастотный нагрев, или инжекция быстрых нейтральных атомов дейтерия, или диссипация магнитоакустических волн [5]. Все эти методы нагрева ионов, конечно, значительно усложняют конструкцию реакторов типа Токамак.

            Из выражения для Рa видно, что 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 [3] 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.
            <…>
            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 [6] 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…»

            (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. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/KAPITZA/KAP_10.HTM)

            Чтобы наглядно проиллюстрировать реальные возможности «альтернативной» энергетики, обратимся еще раз к эссе Мэтта Савинара. Невзирая на то, что оно написано обычным адвокатом, в нем, на мой взгляд, есть достаточно того здравого смысла, который может понадобиться людям в эпоху больших перемен. Наберитесь терпения, цитата снова будет большая.
      
            «Рассматривая роль нефти в продуктах современных технологий, помните о том, что большинство альтернативных энергосистем, включая солнечные батареи, солнечные нанотехнологии, ветряки, водородные топливные элементы, фабрики по производству биотоплива, ядерные электростанции и т.п., основано на изощренных технологиях и энергоемких видах металлургии.

            Фактически, во всех электрических приборах используются серебро, медь, алюминий и платина, а их поиск, добыча и обработка ведутся с помощью оборудования, работающего на нефтепродуктах или природном газе. Например, в своей книге «Скудные годы: политика дефицита», писатель Ричард. Дж. Барнет (Richard J. Barnet) пишет:

            «На тонну меди требуется 112 млн. BTU или эквивалент 17,8 баррелей нефти. Энергетическая составляющая себестоимости производства алюминия – в 20 раз больше».

            /BTU – Британская тепловая единица – примечание автора/.

            Джоэл Гарро, в той же главе его книги «Девять стран Северной Америки», что была процитирована выше, объясняет, насколько энергоемка алюминиевая промышленность:

            «В качестве своего наиболее важного сырья, производство алюминия требует недорогого топлива. Для создания фунта алюминия нужно затратить в 12 раз больше энергии, чем для получения фунта железа. Приличных размеров алюминиевый завод потребляет энергии столько же, сколько 175-тысячный город»
            <…>
            Большая часть промышленного сырья (соевые бобы, кукуруза) для производства биотоплива, такого как биодизель и этанол, выращивается с применением высокотехнологичных, нефтезависимых индустриальных методов ведения сельского хозяйства... <…>

            Одним словом, так называемые «альтернативы» нефти на самом деле – ее «производные». Аналитик Джон Майкл Гриер предлагает следующее, вполне вразумительное объяснение этой, зачастую не замечаемой взаимосвязи:

            «… любой другой источник энергии, ныне используемый в современном обществе, получает существенную «энергетическую субсидию» от нефти. Энергия, используемая для добычи урана и постройки реакторов, к примеру, берется из дизельного топлива, а не из ядерного, точно так же как солнечные батареи не делают из солнечного света». <…>

            Требуется огромное количество нефти и других дефицитных ресурсов, чтобы обнаружить и извлечь сырье (серебро, медь, платину, уран и т.д.), необходимое для постройки солнечных батарей и ветряков или работы атомных электростанций. Нефть нужна также для разработки альтернативных энергоустановок, их распределения, поддержки и адаптации к ним ныне существующей инфраструктуры.
            <…>
            Мало кто осознает, сколько энергии сконцентрировано даже в малом объеме нефти или природного газа. Баррель нефти содержит энергетический эквивалент почти 25 тыс. часов человеческого труда. А всего один галлон бензина – эквивалент 200–500 человеко-часов.

            Многим кажется ошеломляющим это открытие, даже после того, как они перепроверят цифры самостоятельно. Но если немного подумать над этим, все встает на свои места: нужен всего галлон бензина, чтобы трехтонный спортивный автомобиль проехал 10 миль за 10 минут со скоростью 60 миль в час. А сколько времени потребуется вам, чтобы, толкая перед собой автомобиль, преодолеть ту же дистанцию?

В то время как люди имеют тенденцию радикально преуменьшать плотность энергии, присущую нефти и природному газу, они столь же радикально преувеличивают плотность энергии (а, следовательно, и масштабируемость) альтернативных энергоносителей. Несколько примеров помогут проиллюстрировать эту мысль:

            1. Энергия ветра и природный газ.

            Потребовались бы все до единой 13 тыс. калифорнийских ветротурбин, выдающих 100% своей пиковой мощности (а обычно они выдают не более 30%),  чтобы получить столько же электроэнергии, сколько ее вырабатывает одна 555-мегаваттная электростанция, работающая на природном газе.

            2. Энергия ветра и уголь.

            В 2004-м году общая мощность действующих ветровых электростанций в Соединенных Штатах составляла 6361 МВт. Это значит, что если бы все ветротурбины одновременно выдавали свою пиковую мощность, по совокупной выработке электроэнергии они были бы эквивалентны шести обычным ТЭС, работающим на угле. Как было отмечено выше, ветряки обычно выдают не более 30% своей номинальной мощности, поэтому на самом деле их совокупная производительность ниже производительности даже двух ТЭС.

            3. Солнечная энергия и уголь.

            Для солнечной энергии соответствующие показатели еще хуже. Например, Пол Робертс (Paul Roberts) в книге «Нефтяной тупик: на пороге опасного нового мира» пишет:

            «… даже суммарная производительность всех действующих фотогальванических элементов в мире – около 2000 МВт – едва дотягивает до мощности пары ТЭС, работающих на угле».

            Расчеты Робертса также основаны на том, что солнечные батареи выдают 100% номинальной мощности. В реальном мире, они, в среднем, выдают лишь 20% своей пиковой мощности, потому что Солнце светит не всюду одновременно. Разумеется, это означает, что и совокупная выработка электроэнергии впятеро ниже номинального уровня.

            К 2008-му году общая мощность солнечных батарей в мире достигла чуть более 5000 МВт. С учетом 20%-й эффективности, общая реальная выработка электроэнергии ими теперь эквивалентна производительности одной ТЭС.

            4. Энергия ветра/солнечная энергия и нефть.

            Чтобы возместить всего 10%-е сокращение потребления нефти в США, общая мощность солнечных и ветряных электростанций там должна возрасти на 2200%. /Выделено автором/.

            5. Солнечная энергия и бензин.

            Количество энергии, перераспределяемое за день на одной бензоколонке, равно количеству энергии, которое вырабатывалось бы кластером солнечных батарей, занимающим площадь четырех манхэттенских кварталов (почти 90 тыс. кв. м – прим. переводчика). При этом в одних только Соединенных Штатах – 170 тыс. бензоколонок.

            Причина такой разницы уже описана выше: нефть – невероятно концентрированный источник энергии, в то время как энергия солнечного излучения – наоборот, очень рассеянная.

            6. Зачаточное состояние промышленной солнечной энергетики.

            Чтобы перевести всю мировую экономику на солнечную энергию, потребуется около 220 тыс. кв. км солнечных панелей. Это может показаться более или менее достижимой целью, пока вы не осознаете, что общая площадь, покрытая солнечными батареями в настоящее время, составляет всего каких-нибудь 10 кв. км. <…>

            8. Электрические аккумуляторы вместо бензиновых ДВС для автомобилей.

            Др. Уолтер Янгквист пишет:

            «… галлон бензина весом примерно в 8 фунтов содержит такое же количестве энергии, как тонна обычных свинцово-кислотных аккумуляторов. Соответственно, в объеме бензобака автомобиля заключен энергетический эквивалент 15 тонн таких аккумуляторов. Даже если будут разработаны существенно улучшенные батареи, по плотности энергии они все равно не смогут конкурировать с бензином или дизельным топливом. Также, аккумуляторные батареи становятся практически бесполезными при очень холодной погоде, их емкость ограничена, и каждые несколько лет им требуется дорогостоящая замена.

            Нет аккумуляторов, которые могли бы эффективно приводить в движение тяжелую сельхозтехнику на  полях протяженностью в целые мили. И ни один из них даже и близко не способен 14 часов без перерыва поддерживать в воздухе Боинг 747 на скорости 600 миль в час».

            Некоторые скажут, что проблему свинцово-кислотных аккумуляторов, подмеченную др. Янгквистом, можно решить, перейдя на литий-ионные. К сожалению, запасы лития в мире настолько малы, что производители электромобилей уже предвидят проблемы с поиском его поставщиков, хотя сейчас лишь незначительная часть жителей западных стран водит электромобили. <…>

            9. Неравномерность выработки энергии и нехватка аккумулирующих технологий.

            В отличие от насосов, которые выкачивают нефть днем и ночью почти при любых погодных условиях, или от угольных/газовых ТЭС, которые также могут функционировать 24 часа в сутки, ветряки и солнечные батареи вырабатывают энергию лишь при определенных условиях либо в определенное время суток. Это может быть не столь важным, если вы всего лишь хотите обеспечить питанием свои домашние бытовые приборы или мелкомасштабное децентрализованное хозяйство. Но если вы хотите привести в движение индустриальную экономику с ее опорой на аэропорты, самолеты, 18-колесные грузовики, миллионы миль шоссейных дорог, гигантские небоскребы и круглосуточную доступность топлива, то нерегулируемых источников энергии будет недостаточно.

            Хотя ведутся многообещающие работы по нейтрализации неравномерности ветряной и солнечной энергетики, большая часть этих проектов находится на стадии разработки. Рентабельными и пригодными для широкого внедрения они станут, самое раннее, через несколько десятилетий. <…>

            Без рентабельной технологии хранения (аккумулирования) энергии для использования ее в периоды отсутствия ветра или солнечного света, крупные солнечные или ветровые электростанции должны быть подстрахованы угольными/газовыми ТЭС либо добычей нефти. По этой причине распространение альтернативной энергетики в действительности требует роста использования ископаемого топлива. Журналист Майкл Кейн (Michael Kane) объясняет:

            «Европейская ветроэнергетика на целые световые годы обогнала американскую. Германия – мировой лидер в этой области. Но германские показатели рисуют безрадостную картину с точки зрения перспектив. В собственности компании E.ON Netz – одного из крупнейших частных поставщиков электроэнергии в мире – находится 40% от общей мощности используемых в Германии ветротурбин. В отчете, опубликованном этой компанией и озаглавленном «Ветер–2004», говорится, что ветроэнергетика требует наличия «спутников» – резервных традиционных электростанций для страховки на случай неподходящей погоды. Утверждается, что нужен резерв в размере 60–80% от совокупной мощности ветровых электростанций! Так что, по мере ввода в эксплуатацию новых ветряков почти наверняка потребуется и увеличение резервной мощности, использующей углеводороды. Это лишний раз демонстрирует, каким образом возобновляемые источники энергии используются для наращивания сверхпотребления».

            А главная загвоздка состоит в том, что эти электростанции-спутники, ввиду их грандиозных размеров, нельзя быстро запускать или останавливать, когда вздумается. Для того чтобы они были готовы вырабатывать электроэнергию в любой момент, когда нет ветра или солнечного света, требуется постоянный расход угля или природного газа.

            Другими словами, сколь бы контр-интуитивно это ни звучало поначалу, перевод промышленности или коммунальных служб на альтернативные источники энергоснабжения не означает, что традиционные источники можно временно или насовсем отключить. Наоборот, необходимо еще большее количество угольных или газовых ТЭС для предотвращения перебоев в подаче электроэнергии, связанных с неравномерностью ветряной и солнечной энергетики.
            <…>

            12. Непригодность в качестве топлива для транспорта.

            На транспортные нужды расходуется приблизительно 2/3 добываемой нефти. Более 90% топлива получают из нефти (бензин, дизельное и реактивное топливо). Поэтому даже если не принимать во внимание перечисленные выше трудности, все равно проблематично использовать электричество, вырабатываемое солнечными батареями или ветротурбинами, чтобы приводить в движение грузовые автомобили, самолеты, океанские лайнеры и т.д.

            К сожалению, электроэнергия не может служить топливом для перевозок в промышленных масштабах, если только не использовать ее для получения водорода из воды при помощи электролиза. Водород, добываемый таким путем, отлично подходит для нужд небольших городков или экспериментальных проектов. Но для того, чтобы перевести значительную часть мировой индустриальной экономики на водород, потребуются:

            – сотни триллионов долларов на создание парка автомобилей, грузовиков, кораблей и самолетов, оснащенных водородными двигателями;

            – сотни, если не тысячи, потребляющих нефть заводов для производства нового транспорта;

            – создание абсурдно дорогостоящей заправочной и обслуживающей сети;

            – ошеломляющее количество платины, серебра, меди и других материалов, для которых уже наступила эпоха перманентного дефицита.

            13. Крайне низкий стартовый уровень.

            Наконец, большинство новичков в данном вопросе радикально переоценивает количество энергии, которое возможно будет получить из альтернативных источников в ближайшие 5–25 лет. Если приведенные выше примеры не убедили вас в том, что солнечная и ветровая энергетика не способна заменить нефть и природный газ (за исключением мелких и вспомогательных нужд), примите во внимание следующие легко проверяемые факты:

            – в 2003-м году потребление энергии в США составило 98 квадриллионов BTU;

            – доля солнечной и ветровой энергетики вместе взятых составляла 0,179 квадриллиона BTU.

            Простой подсчет показывает, что лишь 0,18% нашего «энергетического аппетита» удовлетворялось за счет этих источников (0,42% в 2007-м году, согласно той же таблице – прим. переводчика). Следовательно, чтобы получать из них всего 2–3% необходимой нам энергии, потребовалось бы четыре раза удвоить совокупную мощность солнечных и ветровых электростанций.
            <…>
            По сходным причинам и остальные «зеленые» источники, такие как энергия приливов и геотермальная энергия, лишь отчасти способны заменить потребление нефти. Они не сравнимы с нефтью по плотности энергии и не пригодны в качестве топлива для транспорта. К тому же, у них есть географические ограничения. Приливная энергетика технически реализуема только в прибрежных районах, а геотермальная – только в некоторых странах, таких как Исландия, где есть достаточное количество геотермальных источников.

            Это ни в коем случае не повод сворачивать инвестиции и прекращать поиски. Просто мы должны трезво оценивать возможности и ограничения альтернативных энергоресурсов. Капиталовложения в них, безусловно, оправданы, но ждать, что они обеспечат сколько-нибудь существенную долю потребностей мировой индустриальной экономики (оцениваемой в 45 триллионов долларов и все еще растущей), просто нереалистично».

            (Мэтт Савинар. Пик нефти: жизнь после нефтяного краха. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ecocrisis.wordpress.com/economia/peakoil/

Продолжение следует

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

  • 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 

  • 4 comments