В многочисленных спорах о возможности или невозможности создания "зелёной" мировой энергетики тонет общая картина того, как она, эта зелёная энергетика, вообще должна выглядеть. Похоже, целостного представления и вовсе ещё нет: уж очень противоречивы требования к ней. А ведь энергетика - основа цивилизации: неудачные изменения в ней чреваты очень большими проблемами.
С одной стороны, проекты "зелёных", отвергающих одновременно органическое топливо, атомную энергию и чуть ли не ГЭС, выглядят вполне безумно. С другой стороны, в самом деле: если бы не существовало на Земле, скажем, органического топлива по каким-то причинам - неужели технологическое развитие человечества стало бы в принципе невозможным?
"Мега-Марс", или Безуглеродный научно-технический прогресс
Ну вот, условно, допустим, что мы с современным уровнем технологий оказались на условном "мега-Марсе": планете, где нет ни нефти и газа, ни угля, ни даже торфа. Урана и тория - за компанию - тоже нет. Воды - и, соответственно, гидроэнергетического потенциала на обитаемой планете не быть не может, так что возможность создания ГЭС "отменить" не удастся. Впрочем, рассмотрим также и вариант, когда у нас доминируют равнины, а гор почти нет (тогда и гидроэнергетический потенциал невелик).
Спрашивается: как тогда строилась бы энергетика в этом мире? На основе "ветра и солнца"?
Вероятно, да: солнечная и ветровая энергия, наряду с гидро-, стали бы энергетической основой цивилизации, больше ничего не остаётся. Правда, выглядели бы солнечные и ветровые электростанции, возможно, существенно иначе, нежели у нас.
Ветровые станции в нашем понимании - это огромные поля ветряков. Но если подсчитать прямой и косвенный расход энергии на производство, ремонт и утилизацию этих не столь уж маленьких и не таких долговечных конструкций, то получится, что стоимость генерации весьма велика. Скорее всего, цивилизация, не имеющая другого выбора, сосредоточилась бы на отдельных регионах, феноменально богатых ветровой энергией. Вот там ставились бы мощные ветровые электростанции, а в других же местах этим видом генерации не занимались бы.
Солнечные электростанции также размещались бы в основном в особенно благоприятных регионах - с большим количеством солнечных дней. При этом акцент делался бы не на фотоэлементах, а на солнечно-тепловых электростанциях, в которых солнечное тепло, фактически, выполняет ту же функцию, что тепло от сжигания органического топлива на обычных ТЭЦ (так КПД оказывается выше, да и утилизировать приходится потом в основном лишь битое стекло...).
То есть сама по себе задача выработки достаточного количества энергии с помощью подобных технологий, в общем, не особенно и сложна. Но для того, чтобы вся система энергетики работала только на "свете и ветре" пришлось бы разрешить несколько серьёзных проблем.
Одна из них - неравномерность генерации. Солнце светит только днём, да ещё и от погоды многое зависит. Ветер тоже может дуть по-разному.
Но даже если бы генерация у нас была идеально "ровной", это проблемы бы не решило. Дальше потребовалось бы решить вопрос неравномерности энергопотребления.
На протяжении суток энергопотребление меняется: выше всего оно в утренние и вечерние часы. В это время энергии требуется больше, чем ночью, когда все спят, и больше, чем днём, когда солнце светит ярко и освещение не нужно. На пике зимних холодов и летней жары тоже энергопотребление растёт. И так далее, и тому подобное: значительные перепады в спросе на энергию случаются по самым разным причинам.
То есть нужно обеспечить манёвр энергогенерирующими мощностями. И как это сделать, если солнце светит, а ветер - дует не по нашему заказу?
Нужно найти способы как-то надёжно аккумулировать энергию. Электроаккумуляция в такой ситуации - учитывая масштаб - выглядит вариантом совершенно бесперспективным. Произвести свинцово-литиевые аккумуляторы в нужном количестве будет слишком дорого. А утилизация этого количества после выработки срока службы действительно создаст немалое давление на экосистему.
Наличие подобных проблем не значит, что человечество не решило бы их. Конечно, решило бы! Сделать это можно по-разному.
Вариант 1: ГЭС и ГАЭС
Сбалансировать генерацию могли бы помочь ГЭС, обладающие высокой способностью к "манёвру": реки текут в стабильном режиме, при этом вода течь может "вхолостую", спускать её можно с разной скоростью... Но возможности любых ГЭС на естественных водоёмах ограничены объективными природными условиями.
Первое, что приходит в голову в такой ситуации, это создание сети гидроаккумуляторных электростанций. ГАЭС - это два резервуара с водой, верхний и нижний. Энергия, подводимая извне (то есть в нашем случае - энергия ветра и солнца) тратится на то, чтобы откачать воду из нижнего резервуара в верхний. Потом, когда нужно выработать энергию, идёт обратный процесс: вода стекает из верхнего резервуара в нижний, крутя турбину, которая генерирует электричество.
Возможности осуществлять "манёвр" такие же, как у ГЭС, а неравномерность закачки воды в верхний резервуар для конечных потребителей не имеет значения. Так же, как пользователям гидроэнергии в Средней полосе России всё равно, что зимой водохранилища не пополняются (вода не стекает в реки, а снегом ложится по всей поверхности земли до весны).
Ну вот, таким образом, если всю или почти всю вырабатываемую энергию прогонять через ГАЭС, то проблема у нас, в принципе, решается. Разумеется, это требует огромных дополнительных вложений. Фактически происходит удвоение затраченных усилий: мало того, чтобы построить генерирующие мощности, нужно ещё и аккумулирующие мощности к ним добавить. Да, частично можно сэкономить, строя ГАЭС на основе ГЭС, то есть тех же самых естественных водоёмов (то есть в определённые моменты реки начинают "течь вспять" за счёт работы насосов), но не факт, что их одних хватит.
Конечно, даже если нам хватает перепада высот для того, чтобы построить достаточно ГАЭС для "амортизации" неравномерности выработки и потребления энергии в масштабе всего мира, у такой глобальной гидроаккумуляторной энергетики возникнут дополнительные проблемы. Скажем, зимой в холодных регионах перекачка воды между резервуарами ГАЭС может быть затруднена, а в особо жарких вода из верхнего резервуара, с такими затратами туда закачаная, будет активно теряться за счёт испарения. Это наверняка всё можно учесть, но определённых дополнительных усилий решение этих вопросов потребует.
Метки: #экология , #энергетика , #технологии , #"зелёные" , #глобальное потепление , #безуглеродная энергетика , #ГЭС , #ГАЭС , #ПЭС , #ТАЭС
Это один из вариантов решения проблемы "манёвра". Но существуют и другие варианты.
Вариант 2: ПЭС и ГАЭС
С точки зрения чистой экономики наиболее перспективная часть "зелёных" источников энергии - это в любом случае разнообразные варианты ГЭС (если не считать и их злом из-за затопления обширных территорий). Из ГЭС наименьшей популярностью пользуются приливные электростанции - ПЭС.
А напрасно, приливные станции очень даже заслуживают внимания:
...в мире довольно мало мест, где строительство крупномасштабных приливных станций было бы целесообразным. Но зато потенциальная мощность этих немногих ПЭС оказывается воистину титанической. В частности, проект Пенжинской ПЭС предполагает строительство электростанции в Пенжинской губе (в северо-восточной части залива Шелихова Охотского моря), он разрабатывался в 1970-х (да и сейчас не забыт). Мощность станции по нему должна составить 87 гигаватт, а годовая генерация — что-то около 200 млрд кВт⋅ч... это примерно пятая часть от всей российской электрогенерации (по состоянию на 2016 год), то есть чуть больше, чем дают все АЭС страны, и заметно больше суммарной генерации всех ГЭС. Но… единственным проектом крупной ПЭС, который более-менее серьёзно прорабатывается, остаётся проект Мезенской ПЭС на Белом море... Эта станция мощностью в 8 ГВт более чем на порядок уступает Пенжинской. Но и эта «малышка» по электрогенерации будет примерно равна всему Волжско-Камскому каскаду ГЭС...
Мы не знаем, насколько на нашем мега-Марсе сильны приливы, но они в любом случае есть (хотя бы солнечные). Значит, можно наверняка найти на побережье места, где они особенно сильны. Там построить приливные станции - и там же можно и ГАЭС организовать: там, где наиболее высокие приливы, наверняка и перепад высот впечатляет. Кроме того, ветра на морском побережье дуют примерно всегда (из-за неравномерности нагрева суши и моря), а во многих регионах и солнечных дней вполне достаточно.
То есть там, в этих регионах с самыми высокими приливами и должны располагаться комплексы из ПЭС, СЭС, ветровой электростанции и ГАЭС.
В данном случае, по сути, "солнце" и "ветер" должны рассматриваться как вспомогательные мощности к ГЭС/ПЭС/ГАЭС.
Вариант 3: твердотельная аккумуляция
Ну, а если гидроэнергии у нас слишком мало - из-за совсем уж слабого перепада высот? Понятно, что совсем их не быть не может, но их вполне может быть недостаточно для того, чтобы с помощью ГЭС / ГАЭС удалось бы достичь баланса генерации и потребления электроэнергии.
Ну, тогда придётся строить не ГАЭС, а ТАЭС - твердотельные аккумуляторные станции. В них тоже запасается гравитационная энергия, только вверх поднимается не вода, а некий большой груз.
Груз сначала перемещается на значительную высоту с затратами энергии, а потом постепенно спускается, ту же энергию вырабатывая. Принцип гири в старинных часах с боем или с кукушкой, чтобы завести которые нужно поднять грузики на цепочках.
По сути, это просто высокая башня, то есть можно обойтись без тех специфических условий, которые нужны для создания ГАЭС. Все существующие и спроектированные на настоящий момент ТАЭС довольно маломощны, и существуют сомнения в возможности масштабирования этой технологии.
Но если нельзя создать одну большую аккумуляторную станцию, то ничего не мешает сделать много маленьких. Возможно, это выйдет дороже, чем строить большую, но всего одну ГАЭС на основе естественного водоёма, но, тем не менее, и такой вариант возможен.
А транспорт?
Особые сложности возникают с транспортом, потребляющим сейчас до четверти всей вырабатываемой человечеством энергии. Наверное, в основном он будет электрифицированным: железные дороги, трамваи-троллейбусы, электромобили. Второй вариант - биотопливо. Но тогда весьма значительная часть сельхозплощадей должна будет работать именно на нужды транспорта. В целом транспортировка грузов будет обходиться существенно дороже, чем в нашем мире.
А нельзя ли всю энергетику выстроить на основе сжигания биотоплива?
Нет, нельзя: КПД использования солнечной энергии растениями составляет где-то от 1 до 8% (теоретически возможный максимум - около 11%). Так что даже если мы полностью всю биомассу будем превращать в топливо, КПД даже самой неэффективной "солнечной батареи" существенно превзойдёт КПД биотоплива в расчёте на освещаемую поверхность. Это не говоря уже о существенно меньших затратах усилий.
Ну как-то так получается. То есть это сделать можно. Но дорого.
По какому пути идёт Европа?
Теперь прикинем, какие из перечисленных мер применимы в Западной Европе - мировом центре "зелёного безумия".
Ветровые электростанции кое-где там могут быть эффективными. ГЭС в основном, какие было можно, уже построены. Но побережье изрезанное, так что для ПЭС, в принципе, имеются неплохие перспективы. Перепад высот в пределах субконтинента - большой (Альпы, Пиренеи), так что для строительства ГАЭС также имеются замечательные возможности. Промышленность развита, опытных инженеров-архитекторов достаточно, то есть строить ТАЭС также ничего не мешает. Ну, и сельское хозяйство - на уровне, биотопливо произвести тоже возможность имеется. Разумеется, в сумме это всё ОЧЕНЬ дорого, но нет препятствий патриотам...
В общем, нечто общее есть. Но базовый момент - энергоаккумулирующие мощности, позволяющие осуществлять тактическое маневрирование в условиях скачков энергопотребления - в планах, похоже, отсутствуют почти полностью. Такое впечатление, что это вообще не заботит никого.
Пока фактически роль "балансира" выполняют традиционные электростанции на органическом топливе. Но для выхода в полный "ноль" по углероду - именно этого ведь требуют "зелёные"? - требуется либо полностью от них избавиться, либо сократить тепловую генерацию до такого уровня, когда она "балансиром" быть уже не сможет.
Предполагается вроде как, что когда-нибудь роль "аккумулятора" будет выполнять электролитический водород. Но вообще-то он несравнимо дороже, чем любые ГАЭС и ТАЭС. Применение водорода как топлива на транспорте - это одно дело.
Но превращение его в основной "балансир", по принципу "ветер и солнце => водород => сжигание / окисление водорода => электричество" - это уже из области технологического мазохизма. Ладно бы ещё планировалось использование высокой температуры солнечно-тепловых электростанций для производства водорода из воды через расщепление её по термохимическим циклам, но о том ведь и речи нет. Единственный способ производства водорода, о котором говорят "зелёные" - электролиз...
И каков же будет результат?
Попытка делать то, что они делают сейчас, приведёт европейцев только к разбалансировке энергосистемы из-за постепенного снижения возможности компенсировать пиковые нагрузки. Результат может быть весьма неблагоприятным - вплоть до "каскадного эффекта" в энергосистеме и "большого блэкаута". Как минимум - до "техасской зимы".
Одним словом, очень трудно поверить, что они там всерьёз собираются свои зелёные проекты реализовывать. Потому как если этот так, то это значит, что то ли они не слишком умные люди, то ли... - "и на этом мысль останавливается".
PS: Разумеется, это всё было бы актуально, если бы по каким-то причинам было бы невозможно использование атомной энергии. Но оно возможно.
PPS: Дальнейшее развитие энергетики нашего теоретического мега-Марса - на котором ни органического топлива, ни тяжёлых элементов нет - видимо, приводит к выходу цивилизации в космос и созданию орбитальных солнечных станций, которые потом перенаправляют энергию на поверхность пучком лазерного или мазерного излучения. Но, подозреваю, в наших условиях этот вариант "зелёные" бы тоже отклонили...
См. также
