Энергия: откуда взять?
Давайте немного порассуждаем об энергии. Уверяю, что это будет интересно — особенно, если вы хотите понимать, откуда берутся все блага нашей цивилизации.
Итак, начнем:
ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА — основной источник энергии на Земле. Его мощность характеризуется солнечной постоянной — количеством энергии, проходящей через площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам. На расстоянии в одну астрономическую единицу (то есть на орбите Земли) эта постоянная равна приблизительно 1,37 кВт/м². Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно 370 Вт/м², и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м². Это, по-прежнему, огромное количество энергии!
Но не будем рассуждать про экватор, давайте посмотрим, что происходит в Москве.
● Итак, средняя энергия солнца для Москвы (инсоляция) в год составляет 297 МДж на м кв. Максимальная в июне — 615, минимальная в декабре — 31 (в 20 раз меньше!)
● Средняя квадратичная скорость ветра — 2,5 м/с (метеоданные)
● Средняя квадратичная скорость вод рек — 1 м/с (данные по гидроресурсам)
Теперь с помощью известных формул переведем эти значения в электроэнергию.
, где 
— средняя энергия источника (солнце, вода, ветер), 
— КПД установки (солнечной панели, усредненного ветрогенератора и бесплотинной ГЭС соответственно).
Тогда получаем:
● СОЛНЦЕ– 44,55 МДж/м. кв./год (КПД прямого преобразования 15%*)
● ВЕТЕР — 0,07 МДж/м кв. /год (КПД преобразования порядка 35%*)
● ВОДА — 2,65 МДж/м кв. /год (КПД преобразования порядка 40%*)
*Данные КПД брались из разных источников по характеристикам представленного на рынке оборудования.
Значения кажутся вполне достойными, но, все же, сложно оцениваемыми. Давайте попробуем по другому.
Среднее потребление электроэнергии на взрослого человека для обеспечения его пищей, работой, жильем, комфортом и всем, что в него входит, составляет примерно 1940 кВт*ч электроэнергии в год (данные из статистики по мировому энергопотреблению). Не трудно подсчитать, что, чтобы нам жилось хорошо, нам потребуется:
● 13,9 м. кв. СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ (КПД — 15%, 2кВт — 160000р только на панели), но если вспомнить, что зимой инсоляция значительно меньше, то в Москве нам для этого понадобится 26,6 м.кв. солнечных панелей. И нельзя забывать про проблему аккумуляции энергии, которая тоже очень остра.
● Если говорить про ВОДУ, то это значение будет аналогично 2800 м.кв. сечения рек (без плотин)
● А про ВЕТЕР и рассуждать не хочется — 11,29 га площади ветряков!
Этот расчет является прикидочным, безусловно есть чуть более эффективные решения и чуть менее, но среднем борьба производителей установок идет за проценты КПД.
Не сложно представить, как трудно в центральной России перейти на использование только альтернативных источников энергии. Глядя на эти цифры начинаешь задумываться, а нужна ли вообще альтернативная энергетика?
Безусловно нужна! Но вот только только какая? Для этого нужно подробно разобраться, как распределяется энергия по земной поверхности, как мы ее используем и как ее аккумулируем.
Итак, давайте теперь посмотрим на энергию солнца немного с другой стороны.
На Землю падает колоссальное количество энергии. Распределяется она следующим образом:
1. Отражение от атмосферы и облаков
2. Нагрев земной поверхности
2.1. Нагрев суши
2.2. Нагрев вод
3. Рассеивание энергии в верхних слоях атмосферы.
Что же мы можем использовать:
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ПЕРВОГО ПОРЯДКА — прямое преобразование света в электроэнергию. Главный и очевидный минус — огромные площади солнечных панелей. Но давайте к цифрам:
● Средний атомный реактор вырабатывает порядка 1ГВт электроэнергии. Сколько нужно солнечных панелей, что бы выработать столько же энергии? Переведем мощность в энергию, чтобы было понятно. 1ГВт это 86400ГДж энергии в день или 31536000ГДж в год.
● Поставим панели в солнечной Чите (самом солнечном городе России), инсоляция в Чите суммарная за год -4363 МДж. Получается, что нужно установить (при КПД 20%) 36 квадратных километров панелей.
● Чтобы России отказаться от атомной энергетики понадобится порядка 1152 км кв. Солнечных панелей или порядка 11 триллионов рублей (только на панели). Согласитесь, многовато. Есть еще один момент —, а что будет с этими 1152 км кв площади? Каков экологический след подобного количества панелей. И не забывайте, что через 15 лет они потеряют 30% своей мощности.
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА — она используется повсеместно — это ГЭС.Т. е. солнце испаряет воду — далее реки — далее ГЭС. Здесь все понятно: чтобы сконцентрировать энергию до эффективного максимума строят высокие плотины, нарушающие водобаланс, затопляющие территории, нарушающие экосистемы.
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА — солнце нагревает поверхность планеты — поверхность передает тепло воздуху — воздух ветровым энергоустановкам (ВЭУ). Не сложно догадаться, что такое количество посредников размазывает энергию солнца еще больше. И не в многих местах Земли она сконцентрирована настолько, чтобы быть пойманной. А последствия использования ВЭУ всё те же — нарушение экосистем, инфразвук и пр.
Т.е. получается, что энергия в природе очень рассеяна. Вроде ее много (как например алюминия), но добыть ее не просто. А как только человек пытается сконцентрировать энергию — он нарушает естественное состояние природы, что приводит к эко-катастрофам.
Таким образом, даже применение альтернативных источников энергии приведет к нарушению локальных экосистем и, как следствие, к нарушению глобальных экосистем. Даже альтернативная энергетика противоестественна природе, так как она занимается тем же самым, что и другие виды энергетики, создает локальную концентрацию, а следовательно усиленную нагрузку на экосистему. Так что же делать? Возвращаться в каменный век?
Давайте попробуем разобраться, для чего нам энегрия.
Потребности у всех людей разные. Одни довольствуются малым, другие жаждут роскоши. Но человек, как биологический вид, в целом подчинен всем законам экологии. Разница лишь в том, что у нас планка выживаемости имеет огромный разброс. Этот разброс связан с тем, что мы умеем добывать и эксплуатировать энергию. Как энергия определяет нашу жизнь?
Давайте предположим, что уровень нашей энергетической потребности легко измеряем. И как ориентир возьмем российскую потребительскую корзину и переведем все, что в нее входит (тепло, электричество, питание, транспорт) в энергию. Обозначим это N. Так вот, если мы вдруг начнем питаться исключительно растительной пищей, которую вырастили сами, никуда не ездить, не использовать современные технологии и вообще жить жизнью русской деревни XVI века, мы потратим около 0,05N. А если решим питаться омарами, летать на самолете, жить в шикарном доме — это обойдется нам в 10–100N.
Все новое, что нас окружает, все развлечения и 8 часовой рабочий день — все это стало возможно только из-за обилия энергии. В природе существует универсальный закон: «если в замкнутую систему поставлять энергию, структура системы усложняется, а степень хаоса (энтропия) падает». Вся человеческая цивилизация тому подтверждение.
Правда, мы несколько извратили закон создав эквивалент энергии — деньги. И кто бы что не говорил о неподтвержденности денежных банкнот, на самом деле они подтверждаются энергией. Т. е. краеугольным камнем уровня жизни (обеспеченности) человечества является добыча и распределение энергии. Регулирование же энергетических потоков осуществляется за счет рынка — эквивалента энергосистемы цивилизации.
Именно поэтому индивидуальные источники энергии крайне невыгодны с политической точки зрения. Но потребность в них существует. Так как добыть энергию для себя?
Итак, на основании законов экологи и распространения энергии в экосистемах можно сделать следующие выводы:
1. Разнообразие видов и развитие экосистемы напрямую зависит от поступления энергии, но согласно закону минимума может не являться ограничивающим фактором развития экосистем. Т.е. экосистема способна взять столько энергии, на сколько ей позволяют это сделать другие условия. Хорошим примером является поле — для поля ограничением является наличие микроэлементов в почве, поэтому удобрения или правильный видовой состав значительно повышают биомассу.
2. Человек может извлечь часть энергии из экосистемы без вреда для нее.
3. Самым пагубным для экосистемы является уменьшение видового состава, так как это приводит к потере устойчивости.
Таким образом, задача человека одна — не навреди. Т.е. можно использовать только то, что не нарушает энергетического, информационного и вещественного баланса экосистем. Это очень общие выводы. Теперь вернемся теперь к энергетике.
Россияне потребляют около 5000 кг нефтяного эквивалента энергии. Если пересчитать на биомассу (среднее значение 10МДж против 41МДж у нефти) получится 20500 кг. Много это или мало? По статистике, в средней полосе собирают (если выращивать специально, например кустарник), порядка 5000–7000 кг/Га биомассы. Таким образом, на человека понадобится 3–4Га площади. Или (с учетом, что нас 143 млн.) нам понадобится 572 млн Га, или 5720000 Км.кв. Или 33% процента территории. Абсолютно ясно, что это не выход. Однако, если немного задуматься, то не всё так печально:
1. Энергопотери составляют 11,5%
2. 19% Энергии дают ГЭС
3. 15% Энергии дают АЭС
4. 20% Энергии тратится неэффективно (на обогрев зданий со слабой тепловой защитой, освещение и т.д.)
Т.е. это уже 15% площади. Но, все-таки, не будем уходить в крайности и оставим только то, что тратит человек (транспорт, пища, жилье) —, а это всего 20–25% общих энергозатрат. Т.е. 10%территории нам достаточно, что бы запасти энергию солнца в зеленой массе. При этом, абсолютно понятно, что глупо строить ТЭЦ, работающую на дровах. А что если сделать мини-установку, работающую на дровах и дающую тепло и свет?
К чему все это? Чтобы жить в гармонии с планетой нам надо:
1. Использовать только ту энергию, которая запасается каждый год в биомассе, а не расходовать ту, что была запасена миллионами лет (нефть, газ, уголь).
2. Использовать только ту биомассу, которую можно реализовать в рамках увеличения производительности экосистем (капельный полив в пустыне, применение зольных удобрений — сохранение баланса микроэлементов и т.д.).
3. Способствовать развитию экосистем для увеличения их производительности.
4. Использовать альтернативные источники энергии там, где это наиболее эффективно, но не вредит экосистемам.
5. Ждать, когда решат вопрос с термоядерным синтезом.
А если совсем практически: средняя производительность пшеницы по надземной биомассе: 13000 кг, Т.е. нам хватит двух гектар, чтобы себя обеспечить и теплом, и электричеством, только придется немного потрудится, что бы собрать это добро, а потом не забыть вернуть природе золу.
Безусловно, это не решение проблем всей энергетики в целом, но правильное отношение к биологической материи, как к универсальному аккумулятору и источнику энергии, дает возможность человеку не просто тратить то, что запасено годами, но и взращивать и укреплять то, что дается сейчас.
