Чайник на острове

По оценкам ООН, в прошлом году на Земле обитало 6,4 миллиарда человек. Казалось бы, очень много. Но если поверхность планеты честно поделить поровну, то каждому достанется примерно по 2,3 гектара суши (почти три футбольных поля) и по 5,6 гектара моря. Вроде тоже немало – до друзей и родственников не докричишься, если вдруг захочется поговорить. Прикинем, сколько и какой энергии приходится на каждого. Это будет нагляднее, чем упоминаемые в СМИ миллиарды тонн и триллионы киловатт.

По официальным данным администрации США, ежегодно в мире производится около 1,2*1014 кВт/час (4,3*1020 Дж) энергии всех видов. Практически вся эта энергия в конце концов превращается в тепло. Получается, что в среднем каждый человек постоянно расходует 2,1 кВт. То есть всего‑то круглосуточно кипятит приличный чайник – сидя один на острове в три футбольных поля и окруженный персональной частью Мирового океана, которая еще в два с половиной раза больше. Так о чем, собственно, речь?..

Сравним эти показатели с природными источниками тепла. Энергия просачивается к нам из горячих недр Земли, перекачивается от небесных тел с помощью гравитации, вызывающей приливные явления, но основной ее источник – излучение Солнца.

С тепловым потоком из недр приходит около четырех киловатт на каждого из нас. Согласно последним оценкам, из‑за вязкого трения приливных волн и течений выделяется еще около шестисот ватт на человека. Так что чайник чайником, а энергетические расходы человечества уже приблизились к половине суммарной тепловой мощи земных недр и небесных тел.

Однако это сущие крохи по сравнению с падающей на Землю энергией излучения Солнца – по 27 МВт на одного, большая московская ТЭЦ – на пятьдесят человек. Земной поверхности достигает около половины солнечного света. Нагретая в среднем до 15 °С, поверхность излучает в очень холодное космическое пространство. Но лишь 20% инфракрасного излучения проходит сквозь атмосферу и сразу улетает в космос. Оставшаяся часть сложным образом поглощается и переизлучается, а в результате «средняя» температура нашей планеты, видимая из космоса, уже не +15 °С, а – 24 °С.

Это и есть парниковый эффект: атмосфера, играющая роль всеобщего одеяла, «поднимает» температуру поверхности Земли на 39 °С. Почти вся энергия от Солнца, Луны и земных недр расходуется на отопление нашей планеты.

Опасность изменения теплового баланса и экологического загрязнения и является основным аргументом тех, кто ратует за переход на нетрадиционные источники энергии. Мы уже подсчитали, что тепловыделение от человеческой деятельности, хоть и сравнимо с вкладом недр и гравитации, составляет менее одной сотой процента баланса излучения. Его пока никто из специалистов всерьез не принимает. Другое дело – выбросы углекислого газа от сжигания ископаемого органического топлива. Увеличение концентрации CO2, в принципе, способно затруднить охлаждение планеты, препятствуя инфракрасному излучению. Но физические процессы в атмосфере, почве и биосфере настолько многообразны и сложно взаимосвязаны, что, боюсь, никто сегодня толком не сможет сказать, к каким последствиям приведут эти выбросы. То есть говорят‑то много и не стесняясь, но эти прогнозы не достовернее прогноза погоды на полгода вперед.

По данным вышеупомянутого источника, 85% энергии в мире получают путем сжигания ископаемого топлива – 37% из нефти и по 24% из угля и газа. По 7% дают атомные и гидроэлектростанции. И лишь 1% – это альтернативная энергетика (итого на возобновляемые источники приходится 8%).

Солнце, ветер и вода

Вода. Малые ГЭС (до 10 МВт) и микро-ГЭС (от 3 до 100 кВт) – «самые традиционные» из нетрадиционных энергоисточников. В 50‑60‑е годы в России работало несколько тысяч малых ГЭС, сегодня – несколько сотен. Однако рост цен на электроэнергию и топливо возрождает интерес к малым ГЭС. К тому же гидроагрегаты надежны, полностью автоматизированы, и даже микро-ГЭС может обеспечить энергией отдельный хутор, небольшое производство или дачный поселок, если туда невыгодно тянуть линию электропередач. А в нашей стране 70% территории, где проживает 22% населения, не охвачено централизованным энергоснабжением. Отметим, что для равнинных ГЭС в среднем получают 2,2 кВт с гектара водохранилища (то есть «усредненному человеку на острове» придется свою территорию наполовину затопить, что неприемлемо). Зато в горных районах эффективность ГЭС несравненно выше.

Энергия воды морей и океанов освоена гораздо хуже. Получать электричество из энергии волн пытались в разных странах. Чаще всего использовались пневматические преобразователи: периодическое изменение волной уровня воды в сосуде порождало поток воздуха, вращающий турбину. Небольшие устройства этого типа применяются для электропитания морских буев и маяков. Проектировались и испытывались разнообразные поплавковые системы и другие конструкции. Но такой способ добычи энергии оказался слишком дорогим и непостоянным во времени.

Гораздо более предсказуемы морские приливы. Считается, что если колебания уровня воды превышают четыре метра, то можно строить приливную электростанцию. Размах приливных колебаний в рекордном случае залива Фанди на Атлантическом побережье Канады достигает 18 м, в Пенжинской губе на Охотском море – 13 м, а в Мезенском заливе Белого моря – 10 м. Первая приливная электростанция с пиковой мощностью 240 МВт была введена в строй еще в 1966 году во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м.

Ветер. Среди ветродвигателей преобладают скоростные машины с двумя-тремя лопастями и горизонтальным расположением вала, способные использовать около половины энергии воздушного потока. Гораздо реже применяют модели с вертикальным валом, которым не нужно следить за направлением ветра (расплачиваясь за это меньшей эффективностью).

В 1995 году появились ветряные станции мощностью 600 кВт, а сегодня несколько фирм серийно выпускают агрегаты на 3‑5 МВт. Это гигантские сооружения со стометровым винтом из углепластика и стометровой же опорой, общая высота которых достигает половины Эйфелевой башни. Несколько десятков таких агрегатов объединяют в ветряные фермы и подключают к энергосети. Крупные установки обычно ставят на морском шельфе. По стоимости энергии они уже могут конкурировать с тепловыми электростанциями.

Серийно выпускается и широкий спектр малых установок (от 1 кВт). В комбинации, например, с дизель-генераторами они могут обеспечивать электроэнергией дачи или фермерские хозяйства (однако в данном случае стоимость энергии заметно возрастает).

Главная проблема ветряных электростанций – непостоянство скорости ветра. Мощность, которую можно получить с квадратного метра ветрового потока, пропорциональна кубу скорости ветра. Для типичных в средней полосе 4 м/с она составит всего 33 Вт/м2, но при скорости ветра 10 м/с – уже 520 Вт/м2. Крупные установки проектируют на скорость ветра 12‑15 м/с. При значительно меньшей или большей скорости агрегат останавливают. Место расположения ветряной электростанции считается удачным, если ей удается работать в среднем более трети года. Таких мест на Земле не так много, и большинство уже занято.

При скорости ветра 5‑6 м/с ветряная ферма снимает с гектара поверхности большую мощность, чем равнинная ГЭС. Сейчас проектируются крупные ветроагрегаты на расчетную скорость ветра 6‑7 м/с. При той же мощности диаметр их роторов должен быть почти втрое больше. Однако разработчики надеются, что возросшую стоимость установок удастся скомпенсировать за счет близости к потребителям. Ведь мест с такой скоростью ветра на Земле гораздо больше. Кроме того, скорость ветра увеличивается с высотой, поэтому использование более высоких конструкций перспективно.

Солнце. Самая первая шкура, которую древний человек высушил с помощью прямого использования солнечной энергии, к сожалению, не сохранилась. А собственные шкуры грели на солнышке даже наши предки обезьяны, не говоря уже о крокодилах.

Легко использовать Солнце для отопления и горячего водоснабжения. Впрочем, популярная в России «солнечная установка» – бочка с водой для душа на садовых участках – малоэффективна. Хорошие нагреватели состоят из смотрящего на юг плоского наклонного коллектора солнечных лучей и размещенного над ним бака с водой. Коллектор и бак теплоизолируют. КПД этого простого сооружения достигает 40‑50%, и оно способно летом нагреть воду до 50‑70 °С. Вода как аккумулятор тепла сглаживает непостоянство поступления энергии от нашего светила. Такие водонагреватели получили широкое распространение в солнечных местах Земли.

В последнее время стали популярны воздушные коллекторы, встроенные в фасады зданий как элемент архитектуры. Оптимальный наклон коллектора примерно равен широте местности. В Европе, к примеру, на вертикальную стенку в год падает солнечной энергии примерно на 30% меньше, чем на поверхность, расположенную под углом 45° к горизонту. Такой коллектор выполняет двойную роль – нагревает теплоноситель и уменьшает тепловые потери здания.

Когда кремниевые фотоэлементы были очень дороги и использовались только в космосе, много надежд возлагалось на солнечные тепловые электростанции. Это башня с парогенератором, на который поле поворотных зеркал фокусирует солнечный свет. Пар крутит турбину, как на обычной тепловой электростанции. Потенциальная эффективность этой схемы выше, чем у лучших полупроводников, однако она не работает при рассеянном свете. В ряде стран были построены опытные установки мощностью до 10 МВт, но их эксплуатация показала, что, казалось бы, дармовая энергия обходится в несколько раз дороже, чем выработанная тепловыми станциями. Например, стирать пыль с целого поля зеркал – сущее наказание.

Сегодня больше внимания уделяется прямому преобразованию солнечной энергии с помощью полупроводниковых фотоэлементов. В основном это плоские кремниевые фотоэлементы, способные преобразовывать как прямой, так и рассеянный свет. Их стоимость за последние десять лет снизилась в несколько раз, но цена такой энергии все еще слишком высока. В небольших автономных установках фотоэлемент сочетают с аккумуляторной батареей и широко используют для освещения, питания устройств связи и других целей. В арабских странах фотоэлементы зачастую используют для питания холодильников.

Ученые пытаются максимально снизить стоимость более простых солнечных элементов. В европейском проекте H-Alpha Solar созданы гибкие солнечные элементы на основе тонкой пленки аморфного кремния на пластике, эффективность которых около семи процентов. В планах – повышение эффективности до 10% и массовое производство рулонов дешевой «солнечной пленки».

«Человеку на острове», чтобы кипятить свой чайник, потребуется порядка ста квадратных метров кремниевых солнечных батарей и очень большой аккумулятор. Это, конечно, лучше, чем гектар водохранилища, но пока неприемлемо дорого.

По материалам журнала «КОМПЬЮТЕРРА»
Галактион АНДРЕЕВ

Логин:
Пароль:
Запомнить меня
Регистрация
Забыли свой пароль?
Войти как пользователь: