8 października 1975 r., Na sesji naukowej poświęconej 250. rocznicy powstania Akademii Nauk ZSRR, akademik Piotr Leonidowicz Kapica, który trzy lata później otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, przedstawił raport koncepcyjny, w którym, opierając się na podstawowych zasadach fizycznych, zasadniczo pochował wszystkie typy „Energia alternatywna”, z wyjątkiem kontrolowanej syntezy termojądrowej.
Podsumowując rozważania Academician Kapitsa, sprowadzają się do następujących:
Głównym argumentem, którego użył Kapitsa w swoim raporcie o możliwościach alternatywnych źródeł energii, nie było bynajmniej podejście ekonomiczne, ale względy fizyczne. Jego główny zarzut wobec nieokiełznanej fascynacji modnymi nawet wtedy, czterdzieści lat temu, koncepcjami „darmowej i przyjaznej środowisku alternatywnej energii” był oczywistym ograniczeniem, na które do dziś nie wolno: żadne z alternatywnych źródeł energii, czy to panele słoneczne, farmy wiatrowe czy Jednak wodorowe ogniwa paliwowe nigdy nie osiągnęły takiej gęstości energii i mocy, jaką zapewniają paliwa kopalne, takie jak węgiel, ropa i gaz czy energia jądrowa.
Niestety tego rodzaju ograniczenie nie ma charakteru politycznego, a dokładnie fizycznego - niezależnie od systemu państwowego czy ideologii obranej w kraju, każda gospodarka musi w pewnym stopniu opierać się na prawach fizyki otaczającego nas świata. Wysiłki naukowców lub inżynierów mogą zbliżyć nas wystarczająco blisko do teoretycznych fizycznych granic konkretnej technologii, ale niestety próba przeskoczenia tego rodzaju ogranicznika jest absolutnie bezużyteczna.
Na przykład stałą graniczną dla energii słonecznej jest tak zwana „stała słoneczna”, która na orbicie naszej Ziemi wynosi 1367 W na metr kwadratowy. Niestety, ten „orbitalny kilowat” jest dla nas, żyjących na powierzchni Ziemi, całkowicie niedostępny. Na ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi wpływa wiele czynników: pogoda, ogólna przejrzystość atmosfery, chmury i mgła, wysokość Słońca nad horyzontem.
Ale najważniejszy jest obrót naszej planety wokół własnej osi, co natychmiastowo zmniejsza dostępną energię stałej słonecznej o prawie połowę: w nocy Słońce znajduje się poniżej horyzontu. W rezultacie my, mieszkańcy Ziemi, musimy zadowolić się maksymalnie jedną dziesiątą stałej orbitalnej słonecznej.
Niezależnie od rozważanego źródła energii można je scharakteryzować dwoma parametrami: gęstością energii - czyli jej ilością na jednostkę objętości - oraz prędkością jej przesyłu (propagacji). Iloczyn tych wielkości to maksymalna moc, jaką można uzyskać z jednostki powierzchni wykorzystującej ten rodzaj energii.
Film promocyjny:
Powiedzmy, że energia słoneczna. Jego gęstość jest znikoma. Ale rozprzestrzenia się z niesamowitą prędkością - prędkością światła. W efekcie przepływ energii słonecznej docierającej na Ziemię i ożywiającej wszystko wcale nie jest mały - przekracza kilowat na metr kwadratowy. Niestety, ten przepływ wystarcza do życia na planecie, ale jako główne źródło energii dla ludzkości jest niezwykle nieefektywny. Jak zauważył P. Kapitsa, na poziomie morza, biorąc pod uwagę straty w atmosferze, osoba może w rzeczywistości wykorzystać strumień 100-200 watów na metr kwadratowy. Nawet dzisiaj sprawność urządzeń przetwarzających energię słoneczną na energię elektryczną wynosi 15%. Aby pokryć tylko domowe potrzeby jednego nowoczesnego gospodarstwa domowego, potrzebny jest konwerter o powierzchni co najmniej 40-50 metrów kwadratowych. Aby zastąpić źródła paliw kopalnych energią słoneczną,konieczne jest zbudowanie ciągłego pasa baterii słonecznych o szerokości 50-60 kilometrów wzdłuż całej lądowej części równika. Jest całkiem oczywiste, że taki projekt w dającej się przewidzieć przyszłości nie może zostać zrealizowany ani z powodów technicznych, ani finansowych ani politycznych.
Odwrotnym przykładem są ogniwa paliwowe, w których następuje bezpośrednia konwersja energii chemicznej utleniania wodoru na energię elektryczną.
Petr Kapitsa napisał: „W praktyce gęstość strumienia energii jest bardzo mała i tylko 200 watów można usunąć z metra kwadratowego elektrody. Przy mocy 100 megawatów obszar roboczy elektrod sięga kilometra kwadratowego i nie ma nadziei, że koszt inwestycyjny budowy takiej elektrowni będzie uzasadniony energią, którą ona wytwarza. Oznacza to, że ogniwa paliwowe mogą być używane tylko tam, gdzie nie jest potrzebna duża moc. Ale są bezużyteczne dla makroenergii”.
Tutaj gęstość energii jest wysoka, a wydajność takiej konwersji jest również wysoka, sięgająca 70 procent lub więcej. Jednak szybkość jego przenoszenia jest niezwykle niska, ograniczona bardzo małą szybkością dyfuzji jonów w elektrolitach. W rezultacie gęstość strumienia energii jest w przybliżeniu taka sama jak w przypadku energii słonecznej. Petr Kapitsa napisał: „W praktyce gęstość strumienia energii jest bardzo niska i tylko 200 watów można usunąć z metra kwadratowego elektrody. Przy mocy 100 megawatów obszar roboczy elektrod sięga kilometra kwadratowego i nie ma nadziei, że koszt inwestycyjny budowy takiej elektrowni będzie uzasadniony energią, którą ona wytwarza”. Oznacza to, że ogniwa paliwowe mogą być używane tylko tam, gdzie nie jest potrzebna duża moc. Ale są bezużyteczne dla makroenergii.
Tak więc konsekwentnie oceniając energię wiatru, energię geotermalną, energię fal, energię wodną, Kapitsa przekonywał, że wszystko to zdaniem amatora są dość obiecujące, źródła nigdy nie będą w stanie poważnie konkurować z paliwami kopalnymi: gęstość energii wiatru i fal morskich jest niska; niska przewodność cieplna skał ogranicza stacje geotermalne do niewielkiej skali; każdy jest dobry z energią wodną, ale aby była efektywna, potrzebne są albo rzeki górskie - kiedy poziom wody można podnieść na dużą wysokość i tym samym zapewnić dużą gęstość energii grawitacyjnej wody - ale jest ich niewiele, albo trzeba zapewnić ogromne obszary zbiorników i niszczyć żyzne wylądować.
Pokojowy atom się nie spieszy
W swoim raporcie Petr Leonidovich Kapitsa szczególnie poruszył kwestię energetyki jądrowej i zwrócił uwagę na trzy główne problemy na drodze jej powstawania jako głównego źródła energii dla ludzkości: problem składowania odpadów promieniotwórczych, krytyczne zagrożenie katastrofami w elektrowniach jądrowych oraz problem niekontrolowanego rozprzestrzeniania plutonu i technologii jądrowych. Dziesięć lat później, w Czarnobylu, świat był w stanie upewnić się, że firmy ubezpieczeniowe i akademik Kapica byli więcej niż poprawni w ocenie niebezpieczeństwa związanego z energią jądrową. Na razie nie mówi się więc o przenoszeniu światowej energii na paliwo jądrowe, choć można się spodziewać wzrostu jego udziału w przemysłowej produkcji energii elektrycznej.
Piotr Kapitsa swoje największe nadzieje wiązał z energią termojądrową. Jednak w ciągu ostatnich trzydziestu lat, pomimo ogromnych wysiłków naukowców z różnych krajów, problem kontrolowanej syntezy termojądrowej nie tylko nie został rozwiązany, ale z czasem zrozumienie złożoności problemu tylko wzrosło.
W listopadzie 2006 roku Rosja, Unia Europejska, Chiny, Indie, Japonia, Korea Południowa i Stany Zjednoczone zgodziły się rozpocząć budowę eksperymentalnego reaktora termojądrowego ITER opartego na zasadzie magnetycznego uwięzienia plazmy wysokotemperaturowej, która powinna zapewnić 500 megawatów mocy cieplnej przez 400 sekund. Oceniając tempo rozwoju, mogę powiedzieć, że w latach 1977-1978. autor wziął udział w analizie możliwości „zasilenia” ITER-a poprzez wypalenie tabletki wodoru w stanie stałym do plazmy. Idea fuzji laserowej, polegająca na szybkiej kompresji celu wodorowego za pomocą promieniowania laserowego, również nie jest w najlepszym stanie.
Bardzo droga science fiction …
Ale co z energią wodorową i niesławnym biopaliwem, które są dziś najaktywniej promowane? Dlaczego Kapitsa w ogóle nie zwrócił na nie uwagi? W końcu ludzkość od wieków używa biopaliwa w postaci drewna opałowego, a energia wodorowa wydaje się dziś tak obiecująca, że prawie codziennie pojawiają się doniesienia, że największe koncerny samochodowe demonstrują samochody koncepcyjne napędzane paliwem wodorowym! Czy akademik naprawdę był tak krótkowzroczny? Niestety … Nie może istnieć wodór ani nawet bioenergia w dosłownym tego słowa znaczeniu.
Jeśli chodzi o energię wodoru, ponieważ na Ziemi nie ma naturalnych złóż wodoru, jej zwolennicy próbują wynaleźć maszynę perpetuum mobile na skalę planetarną, ni mniej, ni więcej. Istnieją dwa sposoby uzyskania wodoru na skalę przemysłową: albo przez elektrolizę w celu rozłożenia wody na wodór i tlen, ale wymaga to energii, oczywiście wyższej niż ta, która jest następnie uwalniana, gdy wodór jest spalany i ponownie przekształcany w wodę, lub … z gazu ziemnego przy użyciu katalizatorów i znowu zużycie energii - którą trzeba uzyskać … znowu, spalając naturalne paliwa kopalne! To prawda, że w tym drugim przypadku nadal nie jest to „perpetuum mobile”: podczas spalania otrzymanego w ten sposób wodoru nadal generowana jest dodatkowa energia. Ale będzie znacznie mniej niż to, co uzyskano by przez bezpośrednie spalanie gazu ziemnego,omijając jego przemianę w wodór. Oznacza to, że „wodór elektrolityczny” w ogóle nie jest paliwem, jest po prostu „akumulatorem” energii pozyskiwanej z innego źródła… którego po prostu nie ma. Zastosowanie wodoru otrzymywanego z gazu ziemnego prawdopodobnie ograniczy w pewnym stopniu emisję dwutlenku węgla do atmosfery, ponieważ emisje te będą związane tylko z wytwarzaniem energii potrzebnej do uzyskania wodoru. Ale z drugiej strony, w wyniku tego procesu, całkowite zużycie nieodnawialnych paliw kopalnych tylko wzrośnie!ponieważ emisje te będą związane tylko z wytwarzaniem energii potrzebnej do produkcji wodoru. Ale z drugiej strony, w wyniku tego procesu, całkowite zużycie nieodnawialnych paliw kopalnych tylko wzrośnie!ponieważ emisje te będą związane jedynie z wytwarzaniem energii potrzebnej do produkcji wodoru. Ale z drugiej strony, w wyniku tego procesu, całkowite zużycie nieodnawialnych paliw kopalnych tylko wzrośnie!
Sytuacja z „bioenergią” nie jest lepsza. W tym przypadku mówimy albo o ożywieniu dawnego pomysłu wykorzystania tłuszczów roślinnych i zwierzęcych do napędzania silników spalinowych (pierwszy "diesel" Diesel był zasilany olejem arachidowym), albo o zastosowaniu alkoholu etylowego otrzymywanego w wyniku fermentacji naturalnych - zboża, kukurydzy, ryżu, trzciny itp. - lub poddane hydrolizie (czyli rozkładowi błonnika na cukry) - produkty rolne.
Jeśli chodzi o produkcję olejów, jest to produkcja wyjątkowo mało wydajna, zgodnie z „kryteriami Kapitsa”. Na przykład plon orzeszków ziemnych wynosi co najwyżej 50 c / ha. Nawet przy trzech zbiorach rocznie plon orzechów nie przekroczy 2 kg rocznie na metr kwadratowy. Z tej liczby orzechów wyjdzie co najwyżej 1 kg ropy: uzyskana energia wynosi nieco ponad 1 wat na metr kwadratowy, czyli dwa rzędy wielkości mniej niż energia słoneczna dostępna z tego samego metra kwadratowego. Jednocześnie nie braliśmy pod uwagę faktu, że uzyskanie takich plonów wymaga intensywnego stosowania nawozów energochłonnych, energochłonności uprawy gleby i nawadniania. Oznacza to, że aby zaspokoić dzisiejsze potrzeby ludzkości, należałoby całkowicie zasiać kilka światów orzeszkami ziemnymi. Wykonując podobne obliczenia dla energii „alkoholu”, łatwo jest się upewnićże jego wydajność jest nawet niższa niż w przypadku cyklu rolniczego „diesel”.
… Ale jest to bardzo korzystne dla gospodarki „bańki mydlanej”.
Jesteśmy nasi, zbudujemy nowy świat
Rezultatem ograniczenia energii słonecznej była wiedza, która była dobrze dostępna w 1975 roku: w rzeczywistości z jednego metra powierzchni Ziemi można zebrać nie więcej niż 100-200 watów średniej dziennej mocy energii słonecznej. Innymi słowy, aby sprostać nawet obecnym potrzebom ludzkości, powierzchnia elektrowni słonecznych zlokalizowanych na powierzchni Ziemi byłaby po prostu ogromna.
Ponadto pas powierzchni ziemi wzdłuż równika - lub w pustynnych regionach tropikalnych, podczas gdy większość konsumentów energii słonecznej znajduje się w strefie umiarkowanej na półkuli północnej - byłby najbardziej odpowiedni do umieszczenia paneli słonecznych. W rezultacie abstrakcyjne „kwadraty” paneli słonecznych na Saharze, które tak lubią przyciągać apologetów nieograniczonej energii słonecznej, okazują się niczym więcej niż wirtualnym założeniem.
Ale to bynajmniej nie powstrzymało tych, którzy nie w pełni opanowali szkolny kurs fizyki. Projekty rozwoju słonecznego Sahary pojawiły się i pojawiają się z godną pozazdroszczenia regularnością.
Na przykład europejska firma Desertec, założona w 2003 r., Próbowała zrealizować megaprojekt budowy elektrowni słonecznych w Tunezji, Libii i Egipcie w celu dostarczenia energii słonecznej do Europy Zachodniej, mimo udziału w projekcie tak dużych korporacji i banków jak Siemens, Bosch, ABB i Deutche Bank, dziesięć lat później, w 2013 roku, po cichu zbankrutował. Okazało się, że koszt budowy i utrzymania elektrowni na Saharze oraz koszt transportu prądu na tysiące kilometrów, nawet przy „darmowej” stałej słonecznej na Saharze, nie zaciemnionej chmurami czy mgłami, był po prostu wygórowany.
Sytuacja nie wygląda już bardziej optymistycznie w samej branży energii słonecznej w Europie Zachodniej, w której przez drugą dekadę z rzędu różne kraje i fundusze przeznaczyły biliony dolarów na rozwój energetyki słonecznej i wiatrowej. Pomimo „złotego deszczu”, który obficie oblewał sektor OZE i wszechstronne poparcie polityczne dla energetyki odnawialnej (nawet w związku z przymusowym zamykaniem elektrowni jądrowych i węglowych), „finisz pośredni” dla OZE na 2016 rok nie był bynajmniej tak imponujące.
Tak więc do 2015 roku Niemcy i Dania, które zainstalowały maksymalną liczbę turbin wiatrowych i paneli słonecznych, również miały najwyższe ceny energii elektrycznej - 29,5 eurocentów i 30,4 eurocentów za kWh. Jednocześnie Bułgaria i Węgry, „zacofane” pod względem instalacji odnawialnych źródeł energii, gdzie w czasach radzieckich budowano potężne elektrownie jądrowe, mogły pochwalić się zupełnie innymi cenami energii elektrycznej - odpowiednio 9,6 i 11,5 eurocenta za kWh.
Dziś mówimy o tym, że przyjęty przez Unię Europejską ambitny program „2020” dotyczący odnawialnych źródeł energii, zgodnie z którym do 2020 roku 20% energii elektrycznej w UE powinno być wytwarzane ze źródeł odnawialnych, spoczął na barkach europejskich podatników, którzy zostali podpisani do płacenia specjalnie zawyżonej taryfy. na energię elektryczną. Dość powiedzieć, że w rosyjskich realiach Niemcy i Duńczycy płacą 20–21 rubli za każdą zużytą kilowatogodzinę).
W związku z tym okazuje się, że obecne sukcesy odnawialnych źródeł energii nie są związane z realiami ekonomicznymi ich rentowności, a nawet z imponującym postępem w poprawie efektywności czy obniżaniu kosztów ich produkcji i utrzymania, ale przede wszystkim z protekcjonistyczną polityką krajów UE w odniesieniu do odnawialnych źródeł energii i eliminacją jakiejkolwiek konkurencji. ze strony energetyki cieplnej czy jądrowej, która podlega dodatkowym naciskom podatkowym (opłaty za emisję dwutlenku węgla), a nawet wręcz zakazowi (jak atom w Niemczech).
Cóż, amerykańscy naukowcy nie znają tych liczb i perspektyw? Oczywiście, że tak. Richard Heinberg w swojej uznanej książce PowerDown: opcje i działania dla świata post-carbon (najdokładniejszym tłumaczeniem znaczenia jest „The End of the World: Opportunities and Actions in the Post-Carbon World”) powtarza analizę Kapitzy w najbardziej szczegółowy sposób i pokazuje, że żadna bioenergia świat nie zbawi.
Więc co się dzieje? Oto co: tylko bardzo naiwna osoba uważa, że dzisiejsza gospodarka, podobnie jak 150 lat temu, działa zgodnie z marksistowską zasadą: „pieniądz - towar - pieniądz”. Nowa formuła pieniądze-pieniądze jest krótsza i bardziej wydajna. Uciążliwe ogniwo w postaci produkcji dóbr realnych, które mają realną użyteczność dla ludzi w potocznym znaczeniu tego słowa, jest szybko wypierane z „wielkiej gospodarki”. Relacja między ceną a użytecznością w sensie materialnym - użyteczność rzeczy jako pożywienia, odzieży, mieszkania, środka transportu czy usługi jako środka zaspokojenia jakiejś realnej potrzeby - odchodzi w zapomnienie, tak jak zniknął związek między nominałem monety a masą. zamknięty w niej metal szlachetny. W ten sam sposób „rzeczy” nowej ery są oczyszczane z wszelkiej użyteczności. Jedyna konsumpcyjna zdolność tych „rzeczy”ich jedyną „użytecznością”, która zachowuje znaczenie w nowoczesnej gospodarce, jest ich zdolność do sprzedaży, a inflacja „baniek” staje się główną „produkcją” przynoszącą zysk. Powszechna wiara w możliwość sprzedaży powietrza w postaci akcji, opcji, kontraktów terminowych i wielu innych „instrumentów finansowych” staje się główną siłą napędową gospodarki i głównym źródłem kapitału dla kapłanów tej wiary.
Po kolejnych pękających bąbelkach „dot-com” i nieruchomości oraz „nanotechnologii”, rysujących bajeczne perspektywy, w przeważającej części nadal je rysuje bez zauważalnej materializacji, wydaje się, że amerykańscy finansiści poważnie zwrócili swoją uwagę na alternatywne źródła energii. Inwestując pieniądze w „zielone projekty” i płacąc za reklamę naukową mogą liczyć na to, że liczne Pinokio doskonale zapłodnią swoim złotem finansowe pole cudów.