Поиск возобновляемых источников энергии уже давно занимает ученые умы. Ежегодно выдвигаются десятки проектов, направленных на замену привычной для нас нефти, природного газа и угля энергией Солнца, ветра, гроз или приливов. Некоторые из этих разработок уже даже воплощены в жизнь. Но все ли так радужно и не придется ли нашим потомкам искать альтернативу «альтернативе»?
Причин, по которым человечеству лучше отказаться от традиционных источников энергии, множество. Но среди них можно выделить несколько наиболее актуальных. Таких, которые уже породили определенные проблемы планетарного масштаба. Самая очевидная причина, по которой стоит развивать альтернативную энергетику, кроется в классификации энергоносителей. Традиционные нефть, газ и уголь – исчерпаемые источники энергии! Это значит, что их количество в недрах земли ограничено и конечно. Кроме того, на добычу ископаемых влияет фактор рентабельности. Компании-добытчики не станут тратить время на месторождения, разработка которых не окупит извлечение и переработку сырья. Кроме того, не до всех ископаемых возможно добраться при нынешнем уровне технического развития – слишком глубоко они залегают, слишком сложны условия. Так что «конечность» ресурсов обусловлена еще и дополнительными факторами. По подсчетам аналитиков, запасов углеводородов, которые может добыть человек, хватит менее чем на 100 лет. Причем сначала, лет через 50–60, закончится нефть, а следом за ней и природный газ. В связи с этим альтернативная энергетика выступает едва ли не единственным спасительным вариантом. В отличие от исчерпаемых ресурсов, солнечная энергия, которая доходит до Земли в виде тепла и света, не исчезнет еще очень-очень долго. По человеческим меркам – никогда. То же самое можно сказать об энергии приливов, движения рек и воздушных масс и других естественных процессах, которые можно использовать.
Желтый карлик как неисчерпаемый запас энергии
Центр нашей системы – карлик желтого спектра по имени Солнце. Эта звезда, излучая тепло и свет, является критически важной для поддержания жизни на Земле. И она же таит в себе безграничный энергетический потенциал. Солнце сформировалось около 4,5 млрд. лет назад и будет светить еще примерно столько же, если не больше. По человеческим меркам, это практически вечность. Звездное излучение естественно, неисчерпаемо, нетоксично – необходимо только научиться его использовать.
Согласно подсчетам аналитиков, всего 0,0125% поступающей солнечной энергии на Землю хватило бы для удовлетворения всех нужд современного человека. А с развитием и модернизацией солнечной энергетики как отрасли откроются поистине безграничные перспективы. Получение энергии из солнечного света стало возможно благодаря разработке метода фотовольтаики. Солнечная батарея состоит из нескольких чувствительных фотоэлементов, улавливающих энергию звезды, и преобразует ее в электричество.
Плюсы от использования фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) быстро распробовали не только крупные компании, но и частные потребители. Во многих городах дома оборудованы фотоэлементами, питающими электросеть и вносящими вклад в энергетическую независимость жителей.
Тень Солнца
Однако у таких привлекательных перспектив есть и теневая сторона. Интенсивность солнечной энергии, разумеется, зависит от времени суток. Днем Солнце светит, ночью нет. В то время как потребность планеты в электричестве является круглосуточной, а пиковые периоды приходятся как раз на темное время суток. Для предприятий, чьи работники трудятся в ночные смены, солнечная энергетика – совсем не лучший выбор. Да и в светлое время суток поглощению солнечной энергии могут мешать облака. Как следствие – уровень производительности ФЭП непостоянен и не может служить константой для каких-либо расчетов.
Казалось бы, можно использовать цепь аккумуляторов. Но самые эффективные из них – свинцово-кислотные – настолько вредны для экологии, что сводят на нет весь «зеленый» эффект от использования солнечных батарей. Непростая ситуация складывается и с производством фотоэлементов. Для создания основы солнечных элементов используются ценные материалы. Среди них основной – кремний, при создании 1 кг которого образуются 4 кг токсичных фторосодержащих отходов. А для создания энергоемких солнечных станций требуется огромное количество кремния.
Кроме того, планета прогревается неравномерно: области, близкие к экватору, получают больше тепла и света, чем более северные или южные. Да и места для установки солнечных электростанций требуется много – ведь чем больше площадь ФЭП, тем больше энергии мы получаем. Казалось бы, решение лежит на поверхности: самые жаркие и солнечные территории Земли давно превратились в пустыни, там никто не живет и эта земля особо никому не нужна. Но при установке фотоэлементов в песках возникает еще одна проблема – очистка поглощающих поверхностей от запыления. Самый простой и распространенный способ – промывка водой. А как раз ее в пустыне нет.
Да и с «зеленым» эффектом не все так просто. Воздух над фотоэлементами прогревается гораздо сильнее, а изменение температурного режима влияет еще и на баланс влажности. А при создании обширных сетей солнечных электростанций у Земли может измениться характер отражающей способности (альбедо), что неизбежно повлияет на климат планеты.
На крыльях ветра
Энергия ветра – такой же неисчерпаемый источник, как и энергия Солнца. К слову, сами ветра напрямую зависят от Солнца. Тепло от нашей звезды в каждый момент времени получает только половина планеты, в то время как вторая половина, где в это время ночь, постепенно остывает. Разница температур порождает разность давления, и воздушные массы из зон с высоким давлением перемещаются в зоны с низким. Этот процесс так же естественен, как и бесконечен.
Ветер – одна из первых прирученных человеком стихий. Энергию перемещения воздушных масс люди еще в глубокой древности поставили себе на службу, поймав парусом попутный бриз. А чуть позже с помощью ветра научились молоть зерно в больших мельницах. В настоящее время использование этой энергии в промышленных целях вышло на качественно новый уровень. В современных ветряках вместо жерновов стоят электрогенераторы, преобразующие энергию ветра в электричество.
Подобные электростанции – очень простой и изящный источник энергии. Сейчас разработаны несколько видов ветроэлектрических установок (ВЭУ), которые эффективно используют воздушные потоки. Самые простые и распространенные – крыльчатые. Размах их огромных пропеллеров может варьироваться от двух до десятков метров. Кроме них еще существуют карусельные и лопастные ветрогенераторы. Схема работы ВЭУ чрезвычайно проста. Турбина приводится в действие силой ветра и передает механическую энергию на ротор, который соединен с электрогенератором. Генератор вырабатывает электричество, которое поступает на аккумулятор и инвертор, а после – в электросеть.
Чем выше установлена турбина, тем больше скорость ветра, потому их, как правило, монтируют на вершинах холмов и гор. Да еще и закрепляют на мачте, высотой от 40 м, повышая эффективность и производительность ветряка. Бригада профессиональных монтажников может собрать и запустить ветрогенератор меньше, чем за неделю!
Разумеется, в промышленных масштабах один ветряк – мелочь, поэтому их устанавливают группами с собственной распределительной сетью. Как и в случае с фотоэлементами, ветрогенераторы активно используют и крупные предприятия, и частные лица – для того, чтобы обеспечить энергетическую независимость собственных домов. В этом случае установки, конечно, имеют более скромные размеры, чем промышленные варианты.
Доля выработки мировой электроэнергии от ветрогенераторов пока невелика, но неуклонно растет с каждым годом – во многом благодаря принятию национальных программ развития. Так, один из самых серьезных членов ЕС – Германия – планирует к 2020 году производить до 20% электроэнергии за счет ВЭУ. А Дания к тому же 2020-му и вовсе нацелилась на получение от ветроэнергетики половины всего необходимого стране электричества. Сегодня повсеместно реализуются футуристические проекты интегрирования ВЭУ в фасады небоскребов. Эта концепция энергоэффективности и автономности чрезвычайно популярна в развитых странах. Ярким примером такого подхода могут служить высотки в Дубаи. Простота, энергоэффективность и, самое главное, абсолютная экологичность ВЭУ привлекает в эту сферу все больше разработчиков и инвесторов.
Ветер пустошей
Использование ветра в качестве альтернативного источника энергии сегодня очень популярно. Но вместе с тем недолгая история уже действующих ВЭУ поставила перед учеными и энергетиками ряд не самых приятных вопросов, которые обычно опускают при обсуждении темы ветряных электростанций.
Какой бы простой и сверхэффективной ни была ВЭУ, это все же многосоставный технический агрегат. Из-за неправильного подбора материалов лопасти часто обмерзают и выходят из строя. Тормозные системы порой не справляются с сильными порывами ветра и ломаются. Неверно рассчитанная площадка под ветряк может привести к падению ВЭУ. И как апофеоз, мачты ветрогенераторов – очень привлекательные объекты для молний, несмотря на все системы защиты.
Но это все локальные трудности. В глобальном масштабе безобидные, казалось бы, ветряки несут угрозу для перелетных птиц. Скопления высоких мачт с движущимися пропеллерами способны нарушить сложившиеся миграционные потоки пернатых. Для того, чтобы расчистить им путь, в сезоны перелетов ветряки приходится отключать, что, разумеется, не вызывает восторгов у потребителей.
Кроме того, ветрогенераторы во время работы производят высоко- и низкочастотные колебания, что негативно сказывается на всех живых организмах в радиусе до 300 м (в зависимости от мощности генератора). В окрестностях ВЭУ перестают появляться животные, а люди, долгое время работающие в непосредственной близости от ветряков, отмечают ухудшение самочувствия.
Из-за всех этих ограничений ВЭУ сильно теряют в эффективности и окупаемости. Вкупе с непостоянным характером работы установок и зависимостью производительности от времени суток, сезона и скорости ветра, эта отрасль выступает такой же нестабильной альтернативой, как и энергетика на основе солнечных батарей.
Основной причиной отказа от углеводородных энергоносителей выступает высокая степень загрязнения окружающей среды в результате их использования. Продукты горения нефти, газа и угля устремляются в небо 24 часа в сутки 7 дней в неделю, внося существенный дисбаланс в нормальный химический состав биосферы. Усиление парникового эффекта, выпадение кислотных дождей, технологические туманы и непроглядный смог – все это последствия выбросов в атмосферу, безостановочно изливающихся из миллиардов выхлопных труб разного калибра. А загрязненный воздух – основная причина появления и развития онкологических заболеваний у человека. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) прямо заявляет о росте процента раковых опухолей у населения в экологически неблагоприятных регионах. Чем активнее работает местное производство, использующее углеводороды, чем дольше оно не модернизируется, тем выше риск развития онкологии в районе.
Биотопливо – перспектива будущего
Очень перспективным направлением в альтернативной энергетике выступают проекты использования биотоплива. Этот энергетический ресурс в том или ином виде известен человечеству давно – хотя бы на уровне элементарных дров для костра. В развитии этой отрасли энергетика делает ставку на то, что ресурсы-энергоносители хоть и исчерпаемы, но все же без значительных финансово-временных затрат могут быть восстановлены.
Сегодня многие тепловые электростанции работают на твердом биотопливе – брикетах или пеллетах (гранулах) торфа, опилок и сельскохозяйственных отходов. Но гораздо перспективнее жидкое биотопливо – более энергоемкое и практичное. Из растительного сырья с высоким содержанием крахмала, сахара и растительных жиров получают этанол. Основные и самые подходящие культуры для этого – сахарный тростник и кукуруза. Лидерами по производству различных видов жидкого биотоплива являются США и Бразилия – именно здесь производится 95% мирового объема этанола.
Такое топливо уже сегодня широко используется, скажем, в автомобилях. В 2007 году в США принят закон «Об энергетической независимости и безопасности». Согласно ему, к 2022 году Штаты должны будут производить 36 млрд. галлонов этанола и за счет этого сократят потребление традиционного бензина на 20%. С подобными программами выступает и ряд других стран. Так, в Евросоюзе к 2020 году планируют использовать такое горючее в 10% всех автомобилей.
Производство, переработка и использование биотоплива влияют на биосферу во много раз меньше, чем переработка и использование традиционных углеводородов. Недра Земли не истощаются, источники легко возобновимы. Словом, весьма перспективная отрасль, если бы не одно но…
Человеческая жизнь в топливном баке
Биотопливо на сегодняшний день является, пожалуй, самым развитым вариантом альтернативной возобновляемой энергетики. И весьма перспективным. Но создав себе технически сложных помощников, люди стали кормить их своей же пищей. И вместе с этим получили огромную армию вечно голодных ртов.
Развитие биотопливных программ значительно усугубляет и без того сложную мировую проблему – голод. Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН утверждает, что количество голодающих в настоящее время превышает 925 млн. человек. А экономисты Университета Миннесоты заявляют, что из-за расширения биотопливных программ эта цифра в ближайшее время превысит 1,2 млрд. Стоит только вдуматься в эти цифры – свыше миллиарда человек будут голодать, в то время как сельскохозяйственная продукция пойдет на переработку в биотопливо, а не на избавление их от страданий!
Ведь культурам, из которых производятся этанол, биодизель и другие виды топлива, тоже необходимо где-то расти. Принимая имеющиеся земельные ресурсы как константу, аграрный комплекс решает задачу распределения земель под посевы в пользу развития биотопливных программ, а не выращивания дополнительных объемов продовольствия. Для производства одного галлона (около 4 л) высококачественного этанола требуется чуть более 200 кг кукурузы. А для заправки среднего автомобиля требуется в среднем от 10 до 20 галлонов топлива. При средней суточной потребности в 2000 ккал, 4 т кукурузы, из которых выжмут 20 галлонов этанола, в состоянии кормить одного человека в течение полугода! К тому же из-за конкуренции за посевные площади повышаются цены на продовольственные товары.
Вот лишь один пример. В огромном и экономически успешном Китае стремительно сокращаются посевные площади под рис. Поднебесная все большие и больше закупает его из-за границы. Только в период 2011–2012 годов объем импорта риса в КНР увеличился более чем в 4 раза: с 560 тыс. тонн до 2345 тыс. тонн! А ведь это основная пища миллионов китайцев…
Потребность населения планеты в пропитании очевидна. Тем непонятнее биотопливная гонка и целый перечень программ развития биотопливной индустрии, принятых в США, Евросоюзе и других крупных странах.
Казалось бы, почему эта проблема отдельно взятых регионов так сильно должна заботить европейских или американских «ротшильдов», таких географически далеких от, например, умирающей от голода Сомали? Но не будем забывать: это социальное бедствие таит в себе общечеловеческую угрозу. В голодных регионах неизменно резко понижается уровень жизни, образования, начинаются эпидемии и вооруженные конфликты. Возрастает уровень недовольства, протестных настроений и неуправляемого человеческого гнева. Лучшей социальной базы для терроризма и бандитизма, чем голод, просто не найти. Проблема голода отдельной страны становится головной болью не просто ее соседей, но и всего мира. Так что, помимо высокого общечеловеческого пафоса в решении продовольственного кризиса, есть вполне определенный и, что уж тут, более действенный мотив – желание обезопасить себя, свою страну и свой народ от ужасных последствий чужого голода.
Использование нефти, природного газа, угля, безусловно, наносит ощутимый вред экологии планеты. Однако традиционные источники энергии все еще остаются крайне важными для современной цивилизации, и отражается это на целом ряде сфер человеческой жизни. А значит, природные ресурсы сохраняют свою высокую стоимость на рынке.
Но вот что удивительно: наличие большого количества природных ресурсов в конкретной стране или регионе чаще всего оказывает негативное влияние на социальную, политическую и экономическую ситуацию. Это явление получило название «парадокс изобилия».
И заключается этот парадокс в том, что, зачастую, государства, на территории которых залегают значительные запасы природных ресурсов, находятся на заметно более низком уровне развития, чем те, где природных ресурсов мало или нет вовсе. При этом неразвитые страны, обладающие огромными природными богатствами, не используют этот потенциал для развития своих экономик и повышения уровня жизни населения. Конечно, есть целый ряд исключений, но тенденция вполне очевидна – небогатый на углеводороды развитой Запад вынужден закупать нефть в нестабильных и заметно отстающих в развитии от «золотого миллиарда» регионах Африки.
Кроме того, ориентация национальных экономик на продажу нефти и газа ведет к хаосу в прогнозировании динамики роста. Ведь рынок углеводородов чрезвычайно подвержен колебаниям и чутко реагирует на динамику спроса-предложения. Так, еще полтора столетия назад, в 1861 году, за баррель нефти просили в среднем 110 долларов. Спустя всего лишь 30 лет, в 1891-м, тот же баррель можно было купить меньше, чем за 20 долларов! Почти столетие цена на нефть в среднем составляла 25 долларов за баррель и всего лишь трижды подскакивала до круглой суммы в 40 долларов. А в период 70–80-х годов ХХ века резко повышалась в два раза – сначала до 50 долларов, а потом до 100. А спустя всего 5 лет баррель так же резко упал ниже отметки в 40 долларов! Начало же ХХI века снова ознаменовалось поднятием цены на нефть до уровня 80-х годов. Плаванье вокруг отметки в 100 долларов за баррель нефти – реальность сегодняшнего дня. Нетрудно представить тот эффект, который обвалы нефтяного рынка оказывают на страны с экономикой, завязанной на углеводороды. Без преувеличения можно сказать, что в результате каждого крупного падения котировок на энергоносители государство-экспортер лихорадит по всей вертикали социальных и политических институтов. Это самым пагубным образом сказывается на населении таких стран.
Углеводородов с каждым днем становится все меньше. Горизонт разведанных залежей, при котором затраты на добычу покрываются ископаемым топливом, вырабатывается все интенсивнее с каждым годом. Уже к 2050 году мы получим полностью истощенную планету и еще большие проблемы от парникового эффекта.
Человечеству остро необходим прорыв в энергетике и тотальный переход на возобновляемые источники. Но приходится признать, что существующие варианты – не самая эффективная модель замены углеводородов. У нас есть еще несколько десятилетий для энергетического прорыва. Будем надеяться, что они будут потрачены не зря.
