Наш старый сайт

Математика "зеленой" энергетики: хорошо, но мало

Математика "зеленой" энергетики: хорошо, но мало

№1-2 (1245-1246) от 11.01.202217.01.2022

ВИЭ еще не скоро смогут удовлетворить потребности человечества в энергии

В сфере "зеленой" энергетики с избытком пропаганды и красивых рассуждений о спасении планеты, но при этом порой очень не хватает расчетов и трезвых прогнозов. И когда они появляются, то оказывается, что ВИЭ еще крайне не скоро смогут удовлетворить потребности человечества в энергии. Если вообще смогут, конечно. С другой стороны, все же не все так плохо.

Был ли прав Петр Капица?

Эксперты, которые прямо или косвенно финансируются крупными энергокомпаниями (прежде всего российскими — "Газпром", "Росатом"), все чаще заявляют о бесперспективности альтернативной энергетики в том виде, в котором ее сейчас продвигают — солнце, ветряки и водород. Они ссылаются в том числе на знаменитый доклад Петра Капицы. 8 октября 1975 г. на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР, академик Петр Леонидович Капица, удостоенный тремя годами позже Нобелевской премии по физике, сделал концептуальный доклад, в котором, исходя из базовых физических принципов, по существу, похоронил все виды "альтернативной энергии", за исключением управляемого термоядерного синтеза.

Доклад этот можно найти, а его краткая суть такова: да, повседневную жизнь человека ВИЭ обеспечить могут. Например, 40-50 кв м солнечных панелей хватит, чтобы обеспечивать стандартное домохозяйство. Но ВИЭ не хватит для производственной мощности. Точнее, получится обеспечить максимум 20% нынешней промышленности, остальные же 80% основных потребителей энергии — металлургия, нефтехимия, производство цемента, железные дороги и т.п. — нужно или закрывать, или снабжать из традиционных источников.

Но это, напомним, расчеты 1975 г. П. Капица заявлял, что: какой бы источник энергии ни рассматривался, его можно охарактеризовать двумя параметрами: плотностью энергии, то есть ее количеством в единице объема, и скоростью ее передачи (распространения). Произведение этих величин есть максимальная мощность, которую можно получить с единицы поверхности, используя энергию данного вида.

Например, в отношении водородной энергетики П. Капица писал: "Здесь плотность энергии велика, высока и эффективность такого преобразования, достигает 70% и более. Зато крайне мала скорость ее передачи, ограниченная очень низкой скоростью диффузии ионов в электролитах. В результате плотность потока энергии оказывается примерно такой же, как и для солнечной энергии. С квадратного метра электрода можно снимать только 200 Вт. Для 100 МВт мощности рабочая площадь электродов достигает квадратного километра, и нет надежды, что капитальные затраты на построение такой электростанции оправдаются генерируемой ею энергией".

П. Капица писал, что для обеспечения роста энергии у человечества есть только один выход — термоядерная энергетика на основе гелия и дейтерия: "Лучшим выходом из создавшегося положения нужно считать получение энергии путем термоядерного синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития. Известно, что этот процесс осуществляется в водородной бомбе, но для мирного использования он должен быть замедлен до стационарного состояния. Когда это будет сделано, то все указанные трудности, которые возникают при использовании урана, будут отсутствовать, потому что термоядерный процесс не дает в ощутимых количествах радиоактивных шлаков, не представляет большой опасности при аварии и не может быть использован для бомбы как взрывчатое вещество. И наконец, запас дейтерия в природе, в океанах еще больше, чем запас урана".

Если согласиться с тезисом о том, что ВИЭ могут обеспечить только около 20% энергобаланса, остается нарисовать картинку сельской идиллии. Этакий пример идеального поселения в глуши на 30 домов. Пусть это будут горожане, переселившиеся в пустоши. Дома не слишком большие, по 100-120 кв м. Все ведут какое-то небольшое производственное хозяйство (овощи, плоды, птица, скот, обработка дерева). Все очень скооперированы, обладают коллективным общим сознанием (уже почти кибуц у нас получился). Рядом есть речка.

Какой набор источников энергии в таком случае нужен, если не пользоваться магистральным газом и общими электросетями? Можно поставить солнечную ферму на несколько сотен квадратных метров, два-три ветряка, проточную мини-ГЭС на речке, небольшой биореактор получения газа из навоза и прочей органики.

Зимой все это энергетическое хозяйство будет работать плохо. Солнечная ферма давала бы минимум энергии (короткий световой день, снег и иней на панелях), ветряки еле бы шевелились, биореактор в морозец выдает минимум энергии (бактерии плохо работают в холод). Подо льдом только речка немного работает. И нам на этом минимуме надо обогреть 30 домов, да чтобы люди зарядили электромобили и прочее электрооборудование (тракторы, рабочие инструменты). Плюс электроприборы дома.

В общем, для тепла в любом случае пришлось бы топить печку дровами. Или же в таком поселении ставить еще котельную на древесине (тоже ВИЭ). В итоге, чтобы не замерзнуть и не сидеть кружком вокруг энергосберегающей лампочки, люди плюнули бы и завели дизель-станцию. Увы, или, скорее, подключились к централизованному энергоснабжению.

С другой стороны, весной-летом-осенью подобному небольшому набору домохозяйств без большого производства (максимум — пара деревообрабатывающих станков и доильные аппараты) вполне хватало бы собственной энергии, да еще и с избытком, учитывая быстро растущий КПД современных ВИЭ.

Однако надо заметить, что при всем уважении к П. Капице, практика уже опровергает его расчеты. В первую очередь — благодаря стремительному технологическому прогрессу в секторе ВИЭ.

Так, в США "зеленые" электростанции стали вторым по популярности источником энергии уже в 2020 г. Тогда возобновляемые источники энергии дали рекордные 834 млрд кВтч электроэнергии, или около 21% всей э/э, произведенной в Соединенных Штатах. ВИЭ впервые превысили атомную и угольную генерацию. Такой результат в 2020 г. был связан в основном со значительно меньшим использованием угля в производстве электроэнергии в США и постоянным увеличением использования ветра и солнца. В 2020 г. производство электроэнергии в США из угля во всех секторах сократилось на 20% по сравнению с 2019 г., тогда как возобновляемые источники энергии, включая солнечную энергию, выросли на 9%.

Производство солнечной энергии в коммунальных предприятиях выросло на 26%, а покрытие мелкомасштабными солнечными электростанциями, такими как крышные солнечные панели, увеличилось на 19%. Генерация электроэнергии на угле в США достигла пика в 2016 г., и с тех пор большая часть этой мощности была заменена или переведена на генерацию на природном газе. Уголь был крупнейшим источником электроэнергии в Соединенных Штатах до 2016 г., а 2020 г. стал первым годом, когда ВИЭ и ядерная энергетика производили больше электроэнергии, чем уголь.

В свою очередь, Германия до 2030 г. намерена производить 80% электроэнергии из возобновляемых источников. Новое правительство ФРГ в составе социал-демократов, "Зеленых" и "Свободных демократов" закрепило цель отказа Германии от угольной генерации до 2030 г. Это на 8 лет раньше, чем планировалось.

Вместе с тем, как отмечается, Германия до 2030 г. намерена удовлетворять 80% потребностей электроэнергии за счет возобновляемых источников. Ранее целевой показатель к концу десятилетия составлял 65%. В частности, мощности солнечных электростанций планируется довести до 200 ГВт, оффшорных ветроэлектростанций — до 30 ГВт, тогда как мощности электролизеров для производства "зеленого" водорода должны составлять 10 ГВт к 2030 г. Кроме того, новое правительство ФРГ нацелено "иметь на дорогах страны 15 млн электромобилей" до конца 2030 г.

И Германия действительно движется в этом направлении. По предварительным результатам Германской ассоциации солнечной промышленности, в прошлом году в Германии было установлено 5300 МВт солнечных энергетических систем. Новые цифры показывают, что около 240 000 новых солнечных модулей было подключено к сети в 2021 г., что на 10% больше по сравнению с предыдущим годом.

Это значит, что уже около 10% внутреннего потребления электроэнергии в Германии сейчас покрывается солнечными фотоэлектрическими системами. В то же время с прошлогодним ростом спроса на солнечные энергосистемы в домашнем секторе и наземные солнечные электростанции, солнечные мощности в коммерческой сфере в некоторых случаях значительно упали. На этот фактор влияет ежемесячное понижение рыночных надбавок и большое количество непропорциональных бюрократических требований.

"Зеленая" энергия — меньше от технологий, больше от природы

Во-первых, надо понимать, что наряду с ростом объемов и КПД возобновляемых источников, в мире растет и энергоэффективность, как в промышленности, так и в быту. То есть для достижения тех же экономических показателей требуется все меньше энергии.

Во-вторых, производство "зеленой" энергии растет там, где его меньше всего ожидали, — в сельском хозяйстве. Солнечные панели не справляются с переработкой, и на помощь приходит природа, которая занимается тем же уже 5 млрд лет.

В США уже сейчас 10% потребляемого моторного топлива — это биоэтанол и биодизель. Его добавляют в обычные бензин и солярку (в соотношении 90:10). В планах администрации США довести это соотношение до 85:15. Один миллион баррелей в сутки — именно на такой объем производства вышла сейчас в Америке отрасль этанола.

Биоэтанол вырабатывают из кукурузы, а биодизель — из сои. Заводы по производству биоэтанола в США получают двойную прибыль. Кроме продажи топлива, они реализуют кукурузные отходы брожения на корм скоту.

Согласно последним статистическим данным, опубликованным Минсельхозом США, 35%, или 5.25 млрд бушелей (примерно 180 млн т) из 15.06 млрд бушелей кукурузы, собранной в 2021 г., будут переработаны на этанол. То есть треть всей кукурузы в США сейчас идет на биотопливо. Эта отрасль создала уже 300 тыс новых рабочих мест, причем преимущественно в самых депрессивных районах Среднего Запада, типа Айовы и Небраски.

На подходе в США сейчас и технология производства биоэтанола из растительных остатков кукурузы и вообще соломы от зерновых. Далее — и из отходов древесины. Пока такого этанола получают 10 млн галлонов в год (около 40 тыс т).

Впрочем, и эти углеродно-нейтральные технологии возмутили местных "зеленых". Они отказывают биоэтанолу в существовании на том основании, что это зерно на мировом рынке вынуждены замещать другие страны (типа Бразилии), вырубая леса под новые поля.

Но в целом сельское хозяйство славится тем, что это одна из самых быстрорастущих в плане эффективности отраслей мира. За последние 40 лет средняя урожайность в мире выросла в 2.5 раза (в том числе и в Украине). В 2 раза выросла продуктивность скота (надои и привесы). И резервы роста тут не исчерпаны — например, по новым сортам растений. В тех же США сейчас идут опыты по созданию многолетней пшеницы.

Есть огромный резерв по удобрениям, особенно органике. Канализационные массы больших городов и раньше перерабатывали в органику, но без использования на полях, так как не была решена проблема патогенных микробов в субстрате. Теперь эта проблема решается. Так что городские канализационные стоки получается сперва перерабатывать с получением энергии, а потом за счет удобрений достигать огромный рост урожайности на таком фекальном компосте (прежде всего, по американскому опыту, у подсолнечника и бахчевых).

Тут еще надо заметить, что "зеленые" любят алармизм в отношении сельского хозяйства. По мнению многих из них, спасение планеты состоит в том, чтобы отказаться от мяса (метан от животных создает парниковый эффект, а на корм животным надо много всего выращивать), а также сокращать "лишнее" население, которое якобы нельзя прокормить.

Но продуктивность всех направлений в сельском хозяйстве продолжает расти. И будет расти. И это еще не задействована даже треть резервов, которые могут дать аквакультура — то же выращивание ракушечных (мидий, устриц и др.). Да и наука не стоит на месте. Благодаря селекции, вес бройлеров за последние семьдесят лет увеличился раз в десять. Более того, на 1 кг привеса нынешняя курица потребляет на 7% меньше корма, чем полвека назад, и на 20% меньше, чем век назад. Падеж цыплят уменьшился в 4.5 раза (а это означает "пустой корм" — вы потратили зерно на цыпленка, а он умер). А среди индеек нынешние кроссы весят уже до 25 кг среди самцов. И это еще не все новации в птицеводстве и животноводстве.

Что касается метана, то тут надо не печалиться, а радоваться. У человечества появился новый вид ВИЭ — биогаз. Тут даже ничего расписывать специально не надо — есть не просто отдельные примеры, но уже выстроена отрасль биогаза. Например, в Дании, которая является мировым чемпионом по относительному числу свиней на душу населения страны, уже более 20% всего потребляемого газа — это тот самый биогаз из навоза. И эта цифра растет каждый год. Вот недавний пример — две мегаустановки на фермах Дании, каждая из которых ежегодно будет производить более 40 млн куб м биогаза. Это даст Дании около 470 ГВтч "зеленой" электроэнергии, что эквивалентно обеспечению топливом 45 тыс автомобилей в год.

У рачительных хозяев в развитых странах почти весь навоз от стойловых животных и с птицефабрик направляется в биореактор. Как минимум, ферма на этом биогазе обеспечивает себя полностью электричеством и теплом, как максимум — остается и для поставок газа или электричества в общие сети.

В частности, одна голова КРС в стойле (без выпаса) дает 300-500 куб м биогаза в год, 10000 голов птицы — 12 тыс куб м биогаза в год. Калорийность биогаза составляет примерно 70% от природного газа.

Например, 1 куб м биогаза эквивалентен 1.5-2.2 кВтч электроэнергии или 1 л дизельного топлива. Несложно подсчитать, что одна курица за год даст эквивалент 1.2 литра солярки. Одна корова — до 500 литров солярки (или до 1 тыс кВтч энергии).

Да, еще на выходе из биореактора мы получаем отличное органическое удобрение, которое может быть заменой минеральным удобрениям (а на их производство и транспортировку на дальние расстояния уходит масса энергии).

А при выпасном животноводстве навоз возвращается в природу в виде питательных веществ, что увеличивает продуктивность растений, а значит и аккумуляцию ими СО2.

Да, а еще домашняя птица дает пух-перо, а домашние животные — кожу. И эти натуральные продукты — замена синтетики в одежде. А синтетика у нас зачастую (если это не целлюлоза) получается из углеводородов. То есть классический веган, отказывающийся от кожаных изделий в пользу синтетики, ратует за продолжение добычи газа и нефти.

Так что сельское хозяйство — это еще и высокоадаптивная отрасль. Она легко приспосабливается к нашему быстро меняющемуся миру.

Ограничить себя все равно придется

Как видим, с выработкой "зеленой" энергии дела обстоят лучше, чем предсказывали пессимисты, но все же хуже, чем надеялись экологические оптимисты. Это означает, что для достижения глобальных целей устойчивого развития человечеству, скорее всего, постараются навязать снижение уровня потребления — ради сокращения потребления энергии и ресурсов прожорливой современной промышленностью.

Это, конечно, не полноценный degrowth (то есть отказ от экономического роста и сознательное снижение экономических показателей), но уже достаточно близко к этому.

Эксперты крупнейшего швейцарского банка Credit Suisse подсчитали, как примерно должен будет жить средний европеец при развитой "зеленой" повестке, чтобы уложиться в выброс на одного человека 2.9 т СО2 в год (норма, установленная Парижским соглашением).

Гигиена и питание:

  • душ три раза в неделю по 8 минут;
  • машинная стирка два раза в неделю по 1 часу;
  • курятина два раза в неделю по 100 грамм (10.4 кг в год);
  • сыр один раз в неделю 25 грамм (1.3 кг в год);
  • кофе запрещён.

Спорт и развлечения:

  • занятия на беговой дорожке в спортзале – три раза в неделю по 30 минут;
  • просмотр ТВ или интернет-пользование – ежедневно по два часа;
  • компьютерные/видео игры запрещены.

Покупка одежды:

  • 2 пары джинсов и 3 рубашки ежегодно.

Путешествия:

  • 1 авиаперелет ежегодно эконом-классом;
  • 5000 км ежегодного проезда на электрическом транспорте.