La 8 octombrie 1975, la o sesiune științifică dedicată celei de-a 250-a aniversări a Academiei de Științe a URSS, academicianul Pyotr Leonidovich Kapitsa, care a primit Premiul Nobel pentru Fizică trei ani mai târziu, a realizat un raport conceptual în care, pe baza principiilor fizice de bază, a îngropat în esență toate tipurile „Energie alternativă”, cu excepția fuziunii termonucleare controlate.
Pentru a rezuma considerațiile academicianului Kapitsa, acestea se rezumă la următoarele:
Principalul argument pe care l-a folosit Kapitsa în raportul său cu privire la posibilitățile energiei alternative nu a fost în niciun caz o abordare economică, ci considerente fizice. Obiecția sa principală față de fascinația nestăvilită față de moda chiar și atunci, în urmă cu patruzeci de ani, conceptele de „energie alternativă liberă și ecologică” era o limitare evidentă, care nu este permisă până în prezent: niciuna dintre sursele alternative de energie, fie că este vorba de panouri solare, parcuri eoliene sau cu toate acestea, celulele de combustibil cu hidrogen nu au atins niciodată densitățile de energie și putere furnizate de combustibilii fosili precum cărbunele, petrolul și gazul sau energia nucleară.
Din păcate, acest tip de restricție nu are caracter politic, ci tocmai de natură fizică - indiferent de sistemul de stat sau de ideologia aleasă în țară, orice economie trebuie să se bazeze într-un grad sau altul pe legile fizice ale lumii din jurul nostru. Eforturile oamenilor de știință sau ingineri ne pot apropia suficient de mult de limita fizică teoretică a unei anumite tehnologii, dar, din păcate, este absolut inutil să încercăm să sărim peste un astfel de limitator.
Deci, de exemplu, constanta limitativă pentru energia solară este așa-numita „constantă solară”, care este de 1367 W pe metru pătrat pe orbita Pământului nostru. Din păcate, acest „kilowat orbital” este complet inaccesibil pentru noi care trăim la suprafața pământului. Cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața Pământului este afectată de o mulțime de factori: vremea, transparența generală a atmosferei, norii și ceața, înălțimea Soarelui deasupra orizontului.
Dar cel mai important este rotația planetei noastre în jurul axei sale, care reduce imediat energia disponibilă a constantei solare cu aproape jumătate: noaptea Soarele este sub orizont. Drept urmare, noi, locuitorii Pământului, trebuie să ne mulțumim cu maximum o zecime din constanta solară orbitală.
Indiferent de sursa de energie considerată, aceasta poate fi caracterizată prin doi parametri: densitatea energiei - adică cantitatea sa pe unitate de volum - și viteza de transmitere (propagare). Produsul acestor cantități este puterea maximă care poate fi obținută de la o suprafață unitară utilizând acest tip de energie.
Video promotional:
Să spunem că energia solară. Densitatea sa este neglijabilă. Dar se răspândește cu mare viteză - viteza luminii. Ca urmare, fluxul de energie solară care vine pe Pământ și dă viață tuturor nu este deloc mic - mai mult de un kilowat pe metru pătrat. Din păcate, acest flux este suficient pentru viața de pe planetă, dar ca sursă principală de energie pentru umanitate este extrem de ineficientă. După cum a remarcat P. Kapitsa, la nivelul mării, luând în considerare pierderile din atmosferă, o persoană poate folosi de fapt un flux de 100-200 wați pe metru pătrat. Chiar și astăzi, eficiența dispozitivelor care convertesc energia solară în electricitate este de 15%. Pentru a acoperi doar nevoile gospodăriei unei gospodării moderne, este necesar un convertor cu o suprafață de cel puțin 40-50 metri pătrați. Și pentru a înlocui sursele de combustibil fosil cu energie solară,este necesar să se construiască o bandă continuă de baterii solare late de 50-60 de kilometri de-a lungul întregii părți terestre a ecuatorului. Este destul de evident că un astfel de proiect în viitorul previzibil nu poate fi implementat nici din motive tehnice, financiare sau politice.
Exemplul opus este celulele de combustibil, unde există o conversie directă a energiei chimice a oxidării hidrogenului în electricitate.
Petr Kapitsa a scris: „În practică, densitatea fluxului de energie este foarte mică și doar 200 de wați pot fi îndepărtați de pe un metru pătrat de electrod. Pentru 100 de megawați de putere, zona de lucru a electrozilor ajunge la un kilometru pătrat și nu există nicio speranță că costul capital al construirii unei astfel de centrale va fi justificat de energia pe care o generează. Aceasta înseamnă că pilele de combustibil pot fi utilizate numai acolo unde nu este necesară o putere mare. Dar sunt inutile pentru macroenergie.
Aici densitatea energetică este mare, iar eficiența unei astfel de conversii este, de asemenea, ridicată, ajungând la 70% sau mai mult. Dar rata de transfer a acestuia este extrem de redusă, limitată de rata foarte redusă de difuzie a ionilor în electroliți. Drept urmare, densitatea fluxului de energie este aproximativ aceeași ca și pentru energia solară. Petr Kapitsa a scris: „În practică, densitatea fluxului de energie este foarte mică și doar 200 de wați pot fi îndepărtați de pe un metru pătrat de electrod. Pentru 100 de megawați de putere, zona de lucru a electrozilor ajunge la un kilometru pătrat și nu există nicio speranță că costul capital al construirii unei astfel de centrale va fi justificat de energia pe care o generează.” Aceasta înseamnă că pilele de combustibil pot fi utilizate numai acolo unde nu este necesară o putere mare. Dar sunt inutile pentru macroenergie.
Astfel, evaluând în mod consecvent energia eoliană, energia geotermală, energia valurilor, hidroenergia, Kapitsa a susținut că toate acestea, în opinia unui amator, sunt destul de promițătoare, sursele nu pot concura niciodată serios cu combustibilii fosili: densitatea energiei eoliene și energia valurilor mării sunt scăzute; conductivitatea termică scăzută a rocilor limitează stațiile geotermale la o scară modestă; toată lumea este bună cu energia hidroenergetică, dar pentru ca aceasta să fie eficientă, sunt necesare fie râuri de munte - când nivelul apei poate fi ridicat la o înălțime mare și, prin urmare, oferă o densitate ridicată a energiei gravitaționale a apei - dar sunt puține, sau este necesar să se asigure zone imense de rezervoare și să distrugă fertile teren.
Atomul pașnic nu se grăbește
În raportul său, Petr Leonidovich Kapitsa a abordat în mod special energia nucleară și a remarcat trei probleme principale cu privire la modul de formare a acesteia ca sursă principală de energie pentru omenire: problema eliminării deșeurilor radioactive, pericolul critic al dezastrelor la centralele nucleare și problema proliferării necontrolate a plutoniului și a tehnologiilor nucleare. Zece ani mai târziu, la Cernobîl, lumea a reușit să se asigure că companiile de asigurări și academicianul Kapitsa au avut mai mult decât dreptate în evaluarea pericolului energiei nucleare. Deci, până acum nu se vorbește despre transferul energiei mondiale la combustibilul nuclear, deși se poate aștepta o creștere a ponderii sale în producția industrială de electricitate.
Pyotr Kapitsa și-a pus cele mai mari speranțe în energia termonucleară. Cu toate acestea, în ultimii treizeci de ani, în ciuda eforturilor uriașe ale oamenilor de știință din diferite țări, problema fuziunii termonucleare controlate nu numai că nu a fost rezolvată, dar de-a lungul timpului, înțelegerea complexității problemei a crescut doar.
În noiembrie 2006, Rusia, Uniunea Europeană, China, India, Japonia, Coreea de Sud și Statele Unite au convenit să înceapă construcția reactorului termonuclear experimental ITER bazat pe principiul confinării magnetice a plasmei la temperatură înaltă, care ar trebui să furnizeze 500 megawatt de energie termică timp de 400 de secunde. Pentru a evalua ritmul de dezvoltare, pot spune că în 1977-1978. autorul a luat parte la analiza posibilității de „hrănire” a ITER prin arderea unei tablete solide de hidrogen în plasmă. Ideea de fuziune cu laser, bazată pe compresia rapidă a unei ținte de hidrogen folosind radiații laser, nu este, de asemenea, în cea mai bună stare.
Foarte scump science fiction …
Dar ce se întâmplă cu energia hidrogenului și cu notorii biocombustibili, care sunt promovate cel mai activ astăzi? De ce nu le-a acordat deloc atenție Kapitsa? La urma urmei, omenirea folosește biocombustibil sub formă de lemne de foc de secole, iar astăzi energia hidrogenului pare atât de promițătoare, încât aproape în fiecare zi există rapoarte că cele mai mari companii de automobile demonstrează conceptul de combustibil pe hidrogen! Chiar era academicianul atât de miop? Din păcate … Nu poate exista hidrogen sau chiar bioenergie în sensul literal al cuvântului.
În ceea ce privește energia hidrogenului, deoarece nu există depozite naturale de hidrogen pe Pământ, adepții săi încearcă să inventeze o mașină de mișcare perpetuă la scară planetară, nici mai mult, nici mai puțin. Există două modalități de a obține hidrogen la scară industrială: fie prin electroliză pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen, dar aceasta necesită energie, evident superioară celei care este eliberată atunci când hidrogenul este ars și transformat înapoi în apă, sau … din gazul natural folosind catalizatori și din nou, consumul de energie - care trebuie obținut … din nou, prin arderea combustibililor fosili naturali! Este adevărat, în acest din urmă caz, încă nu este o „mașină de mișcare perpetuă”: o anumită energie suplimentară este încă generată în timpul arderii hidrogenului obținute în acest mod. Dar va fi mult mai puțin decât ceea ce s-ar obține prin arderea directă a gazelor naturale,ocolind conversia sa în hidrogen. Aceasta înseamnă că „hidrogenul electrolitic” nu este deloc un combustibil, este doar un „acumulator” de energie obținut dintr-o altă sursă … care nu este acolo. Utilizarea hidrogenului obținut din gazele naturale va reduce, într-o oarecare măsură, emisiile de dioxid de carbon în atmosferă, deoarece aceste emisii vor fi asociate doar cu generarea de energie necesară pentru a obține hidrogen. Dar apoi, ca urmare a procesului, consumul total de combustibili fosili neregenerabili va crește doar!deoarece aceste emisii vor fi asociate doar cu generarea de energie necesară pentru a produce hidrogen. Dar apoi, ca urmare a procesului, consumul total de combustibili fosili neregenerabili va crește doar!deoarece aceste emisii vor fi asociate doar cu generarea de energie necesară pentru a produce hidrogen. Dar, pe de altă parte, ca urmare a procesului, consumul total de combustibili fosili neregenerabili va crește doar!
Situația cu „bioenergia” nu este mai bună. În acest caz, vorbim fie despre reanimarea vechii idei de utilizare a grăsimilor vegetale și animale pentru alimentarea motoarelor cu ardere internă (primul „diesel” diesel funcționează cu ulei de arahide), fie despre utilizarea alcoolului etilic obținut prin fermentarea celor naturale - cereale, porumb, orez, trestie etc. - sau supuse hidrolizei (adică descompunerea fibrelor în zaharuri) - produse agricole.
În ceea ce privește producția de uleiuri, aceasta este o producție extrem de redusă, conform „criteriilor Kapitsa”. De exemplu, producția de arahide este cel mult 50 c / ha. Chiar și cu trei recolte pe an, randamentul nucilor va depăși cu greu 2 kg pe an pe metru pătrat. Din acest număr de nuci, în cel mai bun caz, se va obține 1 kg de ulei: puterea de energie este puțin mai mare de 1 watt pe metru pătrat - adică cu două ordine de mărime mai mică decât energia solară disponibilă din același metru pătrat. În același timp, nu am luat în considerare faptul că obținerea unor astfel de culturi necesită utilizarea intensivă a îngrășămintelor cu consum intensiv de energie, consumul de energie pentru cultivarea solului și irigare. Adică, pentru a acoperi nevoile actuale ale omenirii, ar fi necesar să semănăm complet câteva lumi cu arahide. Efectuând un calcul similar pentru energia „alcoolică”, este ușor să vă asigurațică eficiența sa este chiar mai mică decât cea a agro-ciclului „diesel”.
… Dar foarte benefic pentru economia „balonului de săpun”.
Suntem ai noștri, vom construi o lume nouă
Rezultatul limitatorilor de energie solară a fost o cunoaștere care era bine disponibilă în 1975: de fapt, de la un metru de suprafață a Pământului, nu pot fi colectate mai mult de 100-200 wați de energie solară medie zilnică. Cu alte cuvinte, pentru a satisface chiar și nevoile actuale ale omenirii, aria centralelor solare situate la suprafața Pământului ar fi pur și simplu enormă.
În plus, o bandă de suprafață a pământului de-a lungul ecuatorului pământului - sau în regiunile tropicale deșertice, în timp ce majoritatea consumatorilor de energie solară se află în zona temperată a emisferei nordice - ar fi cea mai potrivită pentru amplasarea panourilor solare. Drept urmare, „pătratele” abstracte ale panourilor solare din Sahara, care sunt atât de pasionate de atragerea apologeților cu energie solară nelimitată, se dovedesc a fi doar o presupunere virtuală.
Dar acest lucru nu i-a oprit în niciun caz pe cei care nu stăpâniseră pe deplin cursul de fizică școlară. Au apărut proiecte pentru dezvoltarea solară a Saharei și se dezvoltă cu o regularitate de invidiat.
De exemplu, compania europeană Desertec, fondată în 2003, a încercat să implementeze un megaproiect pentru construcția de centrale solare în Tunisia, Libia și Egipt pentru a furniza energie electrică solară Europei de Vest, în ciuda participării la proiectul unor corporații și bănci mari precum Siemens, Bosch, ABB și Deutche Bank, zece ani mai târziu, în 2013, a dat faliment în liniște. S-a dovedit că costul construirii și întreținerii centralelor electrice în Sahara și costul transportului de energie electrică pe mii de kilometri, chiar și cu o constantă solară „gratuită” în Sahara, nu întunecată de nori sau ceați, a fost pur și simplu prohibitivă.
Situația nu mai este roz cu industria energiei solare din Europa de Vest, în care, pentru al doilea deceniu consecutiv, diferite țări și fonduri au alocat miliarde de dolari pentru dezvoltarea energiei solare și eoliene. În ciuda „ploii aurii” care s-a revărsat din belșug asupra sectorului energiei regenerabile (RES) și asupra sprijinului politic general pentru energia regenerabilă (chiar și din cauza închiderii forțate a centralelor nucleare și a TPP-urilor pe cărbune), „finisarea intermediară” pentru RES din 2016 nu a fost în niciun caz atat de impresionant.
Astfel, până în 2015, Germania și Danemarca, care au instalat numărul maxim de turbine eoliene și panouri solare, au avut, de asemenea, cele mai mari prețuri la electricitate - 29,5 eurocenți și 30,4 eurocenți pe kWh. În același timp, Bulgaria și Ungaria, „înapoi” în ceea ce privește instalarea surselor de energie regenerabile, în care s-au construit centrale nucleare puternice în epoca sovietică, s-ar putea lăuda cu prețuri complet diferite ale energiei electrice - 9,6 și respectiv 11,5 eurocenți pe kWh.
Astăzi vorbim despre faptul că ambițiosul program „2020” privind energia regenerabilă, adoptat de Uniunea Europeană și conform căruia până în 2020, 20% din energia electrică din UE ar trebui să fie produsă din surse regenerabile, a fost pus pe umerii contribuabililor europeni, care au fost semnați să plătească un tarif special umflat pentru electricitate. Este suficient să spunem că, în ceea ce privește realitățile rusești, germanii și danezii plătesc 20-21 ruble pentru fiecare kilowatt-oră consumat).
Prin urmare, se dovedește că succesele actuale ale surselor de energie regenerabile nu sunt asociate cu realitățile economice ale profitabilității lor și nici măcar cu progrese impresionante în îmbunătățirea eficienței sau reducerea costurilor de producție și întreținere, ci, în primul rând, cu politica protecționistă a țărilor UE în ceea ce privește sursele de energie regenerabile și eliminarea oricărei concurențe. din partea industriei energiei termice sau nucleare, care este supusă unor presiuni fiscale suplimentare (taxe pentru emisiile de dioxid de carbon), sau chiar a unei interdicții directe (cum ar fi energia nucleară din Germania).
Ei bine, oamenii de știință americani nu cunosc aceste cifre și perspective? Bineînțeles că da. Richard Heinberg, în senzaționala sa carte PowerDown: Options and Actions For A Post-Carbon World (cea mai exactă traducere a semnificației - „Sfârșitul lumii: Oportunități și acțiuni în lumea post-carbon”) în modul cel mai detaliat repetă analiza lui Kapitsa și arată că nu există bioenergie lumea nu va salva.
Deci ce se întâmplă? Iată ce: doar o persoană foarte naivă crede că economia de astăzi, ca acum 150 de ani, funcționează conform principiului marxist: „bani - marfă - bani”. Noua formulă bani-bani este mai scurtă și mai eficientă. Legătura problematică sub forma producției de bunuri reale, care au o utilitate reală pentru oameni în sensul obișnuit al cuvântului, este rapid eliminată din „marea economie”. Relația dintre preț și utilitate în sens material - utilitatea unui lucru ca hrană, îmbrăcăminte, locuință, mijloc de transport sau serviciu ca mijloc de satisfacere a unei nevoi reale - se estompează în uitare în același mod ca și relația dintre denumirea unei monede și masa odată dispărută. metalul prețios închis în el. În același mod, „lucrurile” noii ere sunt curățate de orice utilitate. Singura capacitate de consum a acestor „lucruri”singura lor „utilitate” care își păstrează sensul în economia timpurilor moderne este capacitatea lor de a fi vândute, iar inflația „bulelor” devine principala „producție” care face profit. Credința universală în capacitatea de a vinde aer sub formă de acțiuni, opțiuni, contracte futures și numeroase alte „instrumente financiare” devine principala forță motrice a economiei și principala sursă de capital pentru preoții acestei credințe.
După ce au izbucnit succesiv bule de „dot-com” și imobiliare, și de „nanotehnologie”, atrăgând perspective fabuloase, în cea mai mare parte continuă să le atragă fără materializarea vizibilă, se pare că finanțatorii americani și-au îndreptat serios atenția către sursele alternative de energie. Investind bani în „proiecte ecologice” și plătind pentru publicitate științifică, ei se pot baza pe faptul că numeroși Pinocchio vor fertiliza perfect câmpul financiar al miracolelor cu aurul lor.
