Об энергетике по существу

№42 (578) 21 - 27 октября 2011 г. 19 Октября 2011 5

Рост цен на традиционные углеводородные энергоносители, их дефицит в современном мире, а также очевидные экологические проблемы, связанные с их использованием, естественно, провоцируют поиск альтернатив. Только ленивый сегодня не рассуждает об альтернативной энергетике, возобновляемых источниках, достижении энергетической независимости в странах, импортирующих углеводородное топливо. Но насколько реальны все эти «альтернативы»?

Ведь что характерно, развитием альтернативной энергетики занимаются почти исключительно богатые страны (Евросоюз в первую очередь), а не относительно бедные, по которым рост цен и дефицит традиционных энергоносителей бьет гораздо сильнее. Разгадка этого «феномена» проста — относимые к альтернативным источники энергии экономически себя не оправдывают, заниматься ими предпринимателей стимулируют правительства налоговыми льготами, прямыми дотациями и закупкой производимой ими электроэнергии по специальному «зеленому» тарифу, который куда выше, чем для поставщиков электроэнергии, производимой традиционными способами.

Причем «качество» альтернативной электроэнергии (с использованием энергии ветра и солнца) крайне низкое. Дело в том, что электричество — такой продукт, который хранить а масштабах, необходимых для энергосистемы целой страны, невозможно. Его нужно потреблять сразу же после «изготовления». И это создает для энергетиков огромные сложности, поскольку потребность в электроэнергии ощутимо колеблется в зависимости от времени суток и дня недели, а существующие энергоустановки весьма инерционны.

Чтобы «вывести на режим» блок тепловой электростанции, требуется насколько часов и столько же на его остановку, а на запуск реактора АЭС уходит несколько суток. Поэтому-то энергетики стимулируют потребителей переходить на дифференцированные тарифы, в которых стоимость потребленной электроэнергии в разы отличается в зависимости от времени суток.

Между тем выработка электроэнергии ветряками по понятным причинам никакому планированию не поддается — она целиком зависит от наличия и силы ветра, управлять которым человечество пока не научилось. Поэтому «в комплекте» к ветроэлектростанциям должны идти источники на традиционных энергоносителях, но и с малой инерционностью (т.е. с коротким периодом запуска и остановки), чтобы оперативно включаться в сеть при маловетреной погоде. Такими являются газовые турбины, но их стоимость гораздо выше, а КПД ниже, чем у традиционных котловых установок, чем еще раз нивелируется эффект использования возобновляемых источников.

Больше потратишь, чем получишь

Не в самом оптимальном для энергетиков временном режиме работают, естественно, и солнечные батареи. Ведь пиковые нагрузки на сеть — утром и вечером, когда освещенность невелика, а в середине дня у энергетиков нередко возникает проблема «лишних» мощностей. Впрочем, даже в штатное время работы их производительность значительно зависит от погодных условий (облачность).

Главный же их недостаток — огромная стоимость. Цена солнечной панели начинается от $3—4 за ватт мощности и это не считая сопутствующих устройств — аккумуляторов, контролера заряда и инверторов. Меньше, чем в $5 тыс. за киловатт мощности солнечная энергоустановка не обойдется. Причем речь идет о максимальной мощности, которую батарея может выдать при максимальном уровне солнечного излучения (если на небе ни дымки, ни облачка) и оптимальном угле падения солнечных лучей, т.е. — не более 2—3 часов в сутки. Снабдить солнечные батареи поворотными устройствами (как на спутниках) также проблематично и накладно, ведь панели мощностью 1 кВт будут иметь площадь не менее 20 м2 и вес около 300 кг. Поэтому на Земле такие устройства практически не применяются.

Несложно прикинуть, что для полного обеспечения средней величины дома, если обитающая в нем семья потребляет примерно 10 кВт/ч в сутки, потребуется солнечная энергоустановка мощностью не менее 10 кВт (а скорее всего, гораздо больше — ведь и большую часть светлого времени суток она не будет давать максимальной выработки), ценой не менее $50 тыс. и требующей площади 200 м2. Подсчитаем «экономию» и увидим, что в нынешних украинских реалиях срок окупаемости проекта — около 80 лет!

В Европе экономические обоснования чуть оптимистичней для апологетов солнечной энергетики, там средняя стоимость 1 кВт.ч — 22 цента, а самая большая в Германии и Дании — $0,35 и $0,39/кВт.ч соответственно. Но с солнечными деньками в этих странах большая «напряженка», да и 15 лет окупаемости выглядят лишающими идею всякого смысла. А ведь эксплуатация системы также требует немалых издержек — за 15 лет наверняка выйдут из строя многие сопутствующие устройства, ведь любые аккумуляторы и не рассчитаны более чем на 500 циклов зарядки-разрядки, т.е. менять их придется максимум через 2 года, а они недешевы.

Да и по сроку службы солнечных элементов есть вопросы. Один из украинских поставщиков дает гарантию 10 лет на обеспечиваемую мощность 90%, 20 лет на обеспечиваемую мощность 80%, но что дальше? Ведь увеличение частоты отказов в зависимости от срока службы носит не линейный, а экспоненциальный характер, т.е. начиная с некоего момента частота отказов резко возрастает, делая дальнейшую эксплуатацию нецелесообразной. Примерный ресурс любого устройства закладывается при проектировании и очевидно, что чем больше ресурс, тем дороже устройство. Скорее всего, и у современных солнечных батарей заложенный проектантами ресурс закончится примерно через 20 лет работы. Наконец, за двадцать и более лет службы на открытом воздухе у таких достаточно чувствительных устройств, как солнечные батареи, есть большой шанс попасть под воздействие серьезной стихии — крупный град, ураган. При возникновении таких форс-мажоров производитель, естественно, никаких гарантий не дает. Т.е. окупаемость солнечных батарей в общем случае (всегда есть частные случаи-исключения) — нулевая.

Правда, президент Ассоциации участников рынка альтернативных видов топлива и энергии Украины, директор ООО «Фюел Альтернатив» Виталий Давий, интервью с которым наш еженедельник опубликовал в № 39 («Мода на альтернативу»), более оптимистичен: «В зависимости от стоимости оборудования период полной окупаемости от 8 до 10 лет», но это с учетом того, что «у нас действует «зеленый» тариф, один из самых высоких в Европе» (Специальный тариф, по которому госкомпания «Энергорынок» закупает электричество у предприятий альтернативной энергетики. Рассчитывается для каждого производителя отдельно, но в целом он примерно в два раза выше, чем для традиционных электростанций).

Иными словами, «окупаемость» достигается за счет прямого и весьма масштабного (до 50%) дотирования со стороны государства или из кармана потребителей, поскольку «зеленый» тариф закладывается в общую стоимость электроэнергии.

Но стоит ли считать копейки, наверняка возразят мне апологеты альтернативной энергетики, когда речь идет о таких глобальных вещах, как энергетическая безопасность человечества, сбережение невозобновляемых ресурсов, защита окружающей среды (ведь альтернативная энергетика априори считается экологически чистой)? Увы, сторонники такой точки зрения забывают о том, что денежная стоимость любого изделия — это оцифрованные реальные материальные затраты на его производство, включая, естественно, и расход энергии.

Мне не удалось найти расчет того, сколько электроэнергии нужно потратить, чтобы изготовить панель солнечной батареи мощностью, скажем, 1 кВт, но автор 10 лет проработал на производстве полупроводниковых приборов (к ним относятся и солнечные электроэлементы) и может засвидетельствовать — это производство чрезвычайно энергозатратное на всех этапах, начиная от получения основного материала, из которого производятся п/п приборы — монокристаллического кремния, который получают из песка. Его цена порядка $100, и львиную долю ее составляют именно энергетические издержки. А ведь чтобы изготовить самый простой полупроводниковый прибор, кристалл кремния нужно нагреть до 1000—1200°С 5—6 раз.

Да и к экологически чистым производствам изготовление п/п приборов никак не отнесешь. Широта «ассортимента» химических веществ, которых требует технология, наверняка повергнет в ступор любого эколога (кислоты, сильнейшие органические растворители, ядовитые газы и многое др.). Можно смело утверждать, что количество энергии, необходимое на производство элементов солнечных батарей, соизмеримо, если не превышает, то количество, которое он произведет за весь период эксплуатации (напомним, что весьма сомнительная экономическая рентабельность существующих электростанций обеспечивается «зеленым» тарифом на их продукцию), а экологический ущерб при изготовлении наверняка выше, чем при использовании эквивалентного его производительности количества традиционного органического топлива.

То, что предприятия по производству полупроводниковых приборов пока не стали предметом пристального внимания экологов, объясняется тем, что на общем фоне объемы их энергопотребления и загрязнения окружающей среды относительно невелики. Ведь кремневый кристалл, являющийся основной частью любого электронного прибора, очень невелик — пластинка площадью от 2—3 мм2 до 2—3 см2 в самых мощных процессорах. Но для солнечных батарей нужны многие метры! Напомним, 20 м2 солнечных батарей дают максимум 1 кВт мощности в идеальных условиях. И если солнечная энергетика из дорогостоящей игрушки превратится, как надеются ее сторонники, в серьезный фактор энергетического баланса, то ее «издержки производства» (во всех отношениях — экономическом, энергетическом и экологическом) станут совершенно очевидными и лишь усугубят существующие проблемы. Так зачем тогда огород городить?

Сказанное выше в значительной мере относится и к ветроэнергетике. И здесь низкая экономическая эффективность, требующая государственных дотаций, при даровом энергоносителе (ветре) обусловлена высокой стоимостью самих ветроустановок, в которых самый затратный элемент — алюминиевые лопасти. В свою очередь в себестоимости алюминия именно электроэнергия составляет порядка 50%, не случайно все алюминиеплавильные заводы размещают вблизи источников дешевой энергии (ГЭС) невзирая на транспортные затраты.

Наконец, ресурсы алюминия, которыми располагает человечество, не безграничны. В последнее время, помимо авиации, он находит все более широкое применение в автомобилестроении, где использование алюминиевых деталей позволяет снизить вес машин, а значит — и потребление топлива. Глобальное развитие ветроэнергетики потребует огромных объемов алюминия, что приведет, естественно, к росту его цены (значит, экономическая эффективность ветростанций еще снизится), главное же — снизит его применение в автомобилестроении, а значит, и топливную экономичность новых автомобилей.

Водород уже сгорел

Подойдя к теме энергосбережения и альтернативных источников на транспорте, отметим, что энергетическую проблему следует разделить на собственно тепловую и транспортную. В первом случае для получения непосредственно тепловой (для отопления или приготовления пищи) или электрической энергии можно использовать с различной степенью «удобства» в буквальном смысле все, что горит — уголь, природный газ, мазут, дрова, а также атомную энергию. Последняя, учитывая ее себестоимость, ресурсообеспеченность и отсутствие негативного воздействия на окружающую среду при штатной эксплуатации, была бы идеальным источником энергии, если бы не риск аварий с тяжелыми последствиями.

А вот для транспортных нужд сегодня годятся лишь нефтепродукты (кроме находящего ограниченное применение природного газа и контактного электротранспорта) — на угле и паре нынче далеко не уедешь, атомный же реактор под капотом, видимо, навсегда останется фантастикой. Добываемая сегодня нефть практически не используется в качестве топочного топлива, а вся (кроме сырья для химпромышленности) идет на изготовление транспортных топлив (топочный мазут — это фактически отходы получения из сырой нефти бензина, керосина, дизтоплива и других нефтепродуктов). Поэтому нефть считается наиболее дефицитным и «критичным» энергоносителем и, естественно, поиск альтернатив ведется и здесь.

Самое заметное «движение» — вокруг так называемой водородной энергетики. На общедоступном уровне внушается мысль, что водород — светлое энергетическое будущее человечества, поскольку это самый распространенный элемент на поверхности земли и в космосе. Теплота сгорания водорода наиболее высокая, а продуктом сгорания в кислороде является вода (т. е. абсолютная экологическая чистота). Однако практически весь водород на Земле находится в виде соединений (самое распространенное из которых его оксид (соединение с кислородом) — обыкновенная вода); лишь в весьма незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005%).

Между тем с точки зрения химии горение — это процесс химического соединения того или иного вещества с кислородом и выделением энергии. Соответственно почти весь имеющийся на Земле водород уже сгорел и в соответствии с законом сохранения энергии, чтобы «вернуть» его в химически чистое состояние (разделить воду на составные части — кислород и водород) нужно потратить не меньше, а с учетом неизбежных потерь — и больше энергии, чем будет получено при его повторном сгорании. Поэтому говорить о водороде как об источнике энергии абсолютно некорректно (и это очень мягко сказано).

Можно говорить лишь об использовании водорода в качестве средства для аккумулирования и транспортировки энергии. В популярном виде схема его использования выглядит так: на стационарной установке с использованием значительных объемов электроэнергии получается химически чистый водород, а затем «заливается» в бак автомобиля. Следовательно, массовая «водородизация» автотранспорта потребует и значительного (по оценкам специалистов, до 30%) увеличения производства электроэнергии. А где взять для этого энергоносители? «Абсолютного» решения, как показано выше, тут также нет, топочные источники также в дефиците. Скорее всего, придется использовать в качестве топочного топлива электростанций ту самую нефть, которая высвободится при переводе транспорта на водород. Т. е. чудовищные затраты на реконструкцию целой отрасли (строительство новых электростанций, установок регенерации водорода и водородозаправочных станций), а на «выходе» — лишь снижение экономической и топливной эффективности.

Правда, в пользу такого решения приводятся и экологические аргументы — дескать, получать электроэнергию можно на станциях, расположенных вдалеке от густонаселенных районов, а внутри городов автотранспорт будет выбрасывать лишь безвредный водяной пар. Однако в плане экологии водороду очень мало уступает природный газ (точнее, выделяемый из него пропан), внедрение которого в транспорте происходит довольно медленно ввиду известных технологических сложностей. Для водорода же эти же сложности возрастают на порядок!

Температура кипения пропана при атмосферном давлении -42,1°С; критическая температура +95,7°С; для водорода же — температура кипения -253°С; критическая температура -240°С., т. е. привести водород в сжиженное состояние очень сложно и энергозатратно (опять-таки), так же, как и затем хранить в топливных баллонах, в газообразном состоянии он требует емкостей большого объема, соизмеримого с размерами самого транспортного средства. Самое же главное — водород крайне взрывоопасное вещество (куда опаснее пропана), при контакте с воздухом мгновенно испаряется (если он в сжиженном состоянии) и создает знаменитую «гремучую смесь».

Автору, семь лет проработавшему на участке, где использовался водород и знающему, как осторожно нужно обращаться с этим веществом, просто невозможно представить последствия использования водорода на сотнях тысяч автозаправок и неизбежных аварий водородных авто. Рискну даже дать прогноз: все реализуемые во многих странах программы внедрения водородного транспорта — как говорится, до первой крупной катастрофы. А они при массовом применении водорода на бытовом уровне, увы, неизбежны.

Остается последнее преимущество водорода перед природным газом: в отличие от последнего, его запасы практически неисчерпаемы. Но в чем ведь парадокс — по сути весь чистый водород, ныне вырабатываемый для производственных и прочих нужд (включая и транспорт), получают из природного газа (метана), а не из воды. Эта технология также весьма энергозатратна, но куда экономичней электролиза воды.

На электромобили всех не пересадишь

Принципиальные проблемы есть и на пути развития еще одного считающегося перспективным экологически чистого вида транспорта — электрического. Как известно, на заре автомобилизма электромобили проиграли соревнование машинам с двигателями внутреннего сгорания из-за того, что тогдашние аккумуляторы не смогли обеспечить равных с ДВС эксплуатационных характеристик — скорости и, главное, дальности пробега. Современные аккумуляторы отчасти улучшили ситуацию, хотя и они не позволили достичь параметров традиционных машин, притом что очень дороги и имеют ограниченный срок эксплуатации.

Но главная трудность в другом — для их изготовления нужны достаточно редкие химические элементы — литий и кадмий. Ныне, когда основная сфера применения высокоемкостных аккумуляторов — мобильники и ноутбуки, ресурса этих металлов хватает для обеспечения потребностей человечества. Но массовое внедрение электротранспорта не просто приведет к резкому росту цены на них (а также на никель) и соответственно на и сегодня недешевые аккумуляторы, этих металлов физически не хватит, чтобы обеспечить в разы выросшую потребность. Так что и на массовое распространение электромобилей рассчитывать не приходится.

Подытоживая, скажу, что автор, естественно, не против прогресса, внедрения новых технологий, тем более ресурсосберегающих и экологически безопасных. Но любое дело нужно делать с трезвой головой, заботясь о «содержании», конкретных результатах, а не о «форме», внешней показухе, рассчитанной на малокомпетентного обывателя.

Увы, психология чиновников везде одинакова, а забота о развитии альтернативной энергетики — не только беспроигрышный пиар-ход для любого политика, но и неплохой бизнес. Ведь выделяемые государством на столь благое дело средства кто-то «осваивает», и в отличие от многих других государственных трат, расходы на альтернативную энергетику не вызывают никаких вопросов у общественности. Естественно, вышесказанное имеет прямое отношение и к нашей, не самой богатой стране.

Уважаемые читатели, PDF-версию статьи можно скачать здесь...

Кража без взлома

В Украине ежегодно защищают в среднем 6 тыс. диссертаций, при этом количество...

«Дніпровська політехніка» — на міжнародній орбіті

Виконання наукових робіт може бути стабільним джерелом фінансової підтримки...

«Сталинский» и «соросовский» профстандарт школьного...

Суть реформы образования отражает спонсорские интересы западных грантодателей,...

Запрет цифрового коммунизма

Ученик Виктора Глушкова Владимир Ивличев разработал консолидированный...

Выносной мозжечок украинского правительства

Нацсовет по развитию науки и технологий предоставляет иностранным структурам рычаги...

Одна бджола меду не наносить

Науковій спільноті треба перейти від аналізу, роздумів про долю української науки до...

«Дело Лилии живет и процветает»

Новый вариант Порядка присуждения научных степеней ограничивает право граждан на...

Как повысить эффективность украинской науки

НАН Украины следует выйти за двери своих учреждений, перестать фокусироваться только...

Хакери проти соціології

У цьому знущанні над вітчизняною наукою не обійшлося без доморощених штрейкбрехерів і...

Интегрировать интеллектуальный потенциал страны

Нынешняя ситуация должна переориентировать нас на базовые ценности

Про вчених і тільки про вчених

Через 5—7 років ми вже не зможемо забезпечити науковими фахівцями навіть нашу вищу...

Ученый — центральная фигура в науке

Научное творчество базируется на свободе научной мысли

Комментарии 0
Войдите, чтобы оставить комментарий
Пока пусто
Авторские колонки

Блоги

Ошибка