07/10/2011
0Рост 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 практически 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 электоэнергии, производимой «традиционными» способами.
Причем «качество» альтернативной электроэнергии (с использованием энергии ветра и солнца) крайне низкое. Дело в том, что электричество такой «продукт», который хранить в масштабах необходимых для энергосистемы целой страны невозможно. Он должен быть потреблен сразу же после «изготовления». И это создает для энергетиков огромные сложности, поскольку потребность в электроэнергии очень сильно 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 сильно (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 включатся в сеть при маловетреной погоде. Таковыми являются газовые турбины, но их стоимость гораздо выше, а КПД ощутимо 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 имеют место 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 сильно зависит от погодных условий (облачность).
Главный же их недостаток – огромная стоимость. Цена солнечной панели начинается от 3-4 долл. за ватт мощности и это не считая сопутствующих устройств – аккумуляторов, контролера заряда и инверторов. Меньше, чем в 5 тыс. долл. за киловатт мощности солнечная энергетическая установка не обойдется. Причем речь идет о максимальной мощности, которую батарея может выдать при максимальном же 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 сборка панелей мощностью 1 кВт будет площадью не менее 20 м2 и весом 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.долл. и требующей площадь 200 м2. Подсчитаем «экономию» и увидим, что в нынешних украинских реалиях срок окупаемости проекта – порядка 80 лет!
В Европе экономические обоснования чуть оптимистичней для апологетов солнечной энергетики, там средняя стоимость 1кВт/ч – 22 цента, а самая большая в Германии и Дании 0,35 и 0,39 $/ кВт /ч соответственно, но и с солнечными деньками в этих странах большая «напряженка», но и 15 лет окупаемости выглядит лишающим идею всякого смысла. А ведь эксплуатация системы также требует немалых издержек – за 15 лет наверняка выйдут из строя многие из сопутствующих устройств, а любые аккумуляторы и не рассчитаны более чем на 500 циклов зарядки-разрядки, т.е. менять их придется максимум через 2 года, а стоят они недешево.
Да и по сроку службы самих солнечных элементов есть вопросы. Один из украинских поставщиков дает гарантию10 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 выйдет устройство. Скорей всего и у современных солнечных батарей, заложенный проектантами ресурс закончится примерно через двадцать 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. В случае таких форс-мажоров производитель, естественно, никаких обязательств 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», «2000» №39 (575) 30 сентября – 6 октября 2011), более оптимистичен: «В зависимости от стоимости оборудования период полной окупаемости от 8 до 10 лет», но это с учетом того, что « унас действует «зеленый» тариф, один из самых высоких в Европе» (пециальный 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 прямо из кармана потребителей электроэнергии, поскольку «зеленый тариф» закладывается в общую стоимость электроэнергии для потребителей.
Но стоит ли «считать копейки», наверняка возразят мне апологеты альтернативной энергетики, когда речь идет о таких «глобальных» вещах, как энергетическая безопасность всего 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 банального песка. Его цена составляет порядка 100$ и львиную долю этой цены составляют именно энергетические издержки. А ведь чтобы изготовить самый простой полупроводниковый прибор, кристалл кремния нужно нагреть до температуры 1000 -1200 С0 5-6 раз.
И к экологически чистым производствам изготовление п/п приборов никак не отнесешь. Широта «ассортимента» химических веществ, которых требует технология, наверняка повергнет в ступор любого экологиста (кислоты, сильнейшие органические растворители, ядовитые газы и многое другое). Можно смело утверждать, что количество энергии, которое необходимо затратить на производство элементов солнечных батарей соизмеримо, если не превышает, то количество, которое он произведет за весь период своей 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, являющейся основной частью любого электронного прибора очень невелик – пластинка площадью от 2-3 квадратных миллиметров до 2-3 квадратных сантиметров 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 станет, как надеются её сторонники, серьезным фактором энергетического баланса, то её «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 саму 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, которая, учитывая её себестоимость, ресурсообеспеченость и отсутствие негативного воздействия на окружающую среду при штатной эксплуатации была бы идеальным источником энергии, если бы не риск аварий с тяжкими 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», а атомный реактор под капотом, видимо, навсегда останется уделом фантастики. Добываемая сегодня нефть практически не используется в качестве топочного топлива, а вся (кроме сырья для химической промышленности) идет на изготовление транспортных топлив (топочный мазут – это фактически отходы после 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» идет вокруг так называемой водородной энергетики. На «общедоступном» уровне внушается мысль, что водород – это светлое энергетическое будущее всего человечества, поскольку, водород наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (т.е. абсолютна 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 очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 %).
Между тем, с точки зрения химии само горение – это процесс химического соединения того или иного вещества с кислородом с выделением энергии. Соответственно, практически весь наличествующий на Земле водород уже сгорел и в соответствии с законом сохранения энергии, чтобы «вернуть» его в химически чистое состояние (разделить воду на её 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).
Поэтому 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 мы показали выше, тут также нет, «топочные» источники также в дефиците. Скорей 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 достаточно 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), также, как и затем хранить в топливных баллонах, в газообразном же состоянии он требует емкостей большого объема, соизмеримого с размерами самого транспортного средства. Самое же главное – водород крайне взрывоопасное вещество (куда опасней того же 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, насколько на «Вы» нужно обращаться с этим веществом, просто жутко 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 практически на бытовом уровне, увы, неизбежны.
Остается последнее преимущество водорода перед природным газом, в отличии от последнего, его запасы практически неисчерпаемы. Но, в чем ведь парадокс, практически 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. Так зачем тогда, спросим мы снова, «огород городить»?
На электромобили всех не пересадишь
Принципиальные проблемы стоят и на пути развития еще одного считающегося перспективным экологически чистого вида транспорта – электрического. Как известно, еще 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 достигнуть параметров традиционных машин, притом, что очень дороги и имеют ограниченный срок эксплуатации.
Но главная проблема 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, и на и ныне 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 хороший 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, все вышесказанное имеет прямое отношение и к нашей, не самой богатой стране.
