Нефть XXI

А как же с энергией солнечного излучения, которое является единственным первичным источником внешней энергии, поступающей на Землю? Верхней границы атмосферы Земли за год достигает колоссальный поток солнечной энергии – ~5,6*10²⁴ Дж. Эта величина примерно в 50 000 раз превышает ежегодную потребность человечества в энергии. Правда, примерно 35 % этой энергии атмосфера Земли отражает обратно в космос. Остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности, испарительно-осадочный цикл в атмосфере, образование волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра, а также процессы фотосинтеза. В ходе всех этих процессов высокопотенциальная энергия солнечной радиации ультрафиолетового и видимого диапазона превращается в низкопотенциальную энергию нагретой поверхности Земли (средняя температура земной поверхности примерно 20°С), испускаемую нашей планетой в виде инфракрасного излучения обратно в космическое пространство. Так может быть этот источник позволит решить проблемы мировой энергетики? К сожалению, тоже нет. И вот почему.

4.2. Плотность потока энергии

Когда энтузиасты начинают сравнивать поток падающего на Землю солнечного излучения, энергию, переносимую в атмосфере нашей планеты воздушными потоками (ветром), энергию приливов в Мировом океане или объем биомассы, производимый ежегодно биосферой, с современным потреблением энергии мировой экономикой, то от открывающихся перспектив использования этих колоссальных ресурсов захватывает дух. Но «черт сидит в деталях». Далеко не всякую и далеко не всю энергию можно использовать практически. И одним из наиболее важных параметров, определяющих практическую применимость различных источников энергии, является плотность потока переносимой ими энергии.

Количество энергии, рассеянной в окружающем нас пространстве, действительно огромно. Но попробуйте ее извлечь. История физики хранит огромное множество хитроумных проектов получения энергии «из ничего», разбившихся о гранит Закона сохранения энергии и Второго закона термодинамики. Альтернативные источники энергии не нарушают эти законы. Но, как правило, используемая ими энергия относится к категории «низкопотенциальной энергии», т. е. энергии, имеющей небольшой энергетический потенциал или низкую удельную плотность энергии в единице используемого энергоносителя (источника энергии). Для того чтобы представить себе, как отличаются низкопотенциальная энергия, в изобилии рассеянная в окружающем нас пространстве, и высокопотенциальная энергия, используемая в традиционной энергетике, достаточно сопоставить поток энергии, переносимый дуновением ветерка, или тепла, переносимого ласковыми солнечными лучами, с концентрированной энергией в камере сгорания газовой турбины или в атомном реакторе.

Именно проблема сбора и использования низкопотенциальной или, как минимум, не очень концентрированной энергии, которой оперируют все без исключения альтернативные источники, и является главным препятствием на пути к их промышленному использованию. Рассмотрим это на примере солнечной энергетики, безусловно, крупнейшего и важнейшего из альтернативных источников энергии.

Солнечное излучение характеризуется плотностью потока энергии излучения, т. е. потоком энергии, падающим за единицу времени на единицу поверхности. Общая мощность потока энергии солнечного излучения, падающего на Землю, примерно 1,74 10¹⁷ Вт. Через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на входе в атмосферу Земли, проходит поток солнечного излучения, равный 1367 Вт/м². Эта величина называется солнечной постоянной. Из-за поглощения при прохождении атмосферы Земли максимальный поток солнечного излучения на уровне моря на экваторе примерно 1000 Вт/м². Однако среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом как минимум в три раза меньше. В умеренных широтах зимой это значение еще в два раза меньше. Таким образом, даже на экваторе с площади в 1 кв. км с использованием крайне сложного и дорогостоящего оборудования при практически предельном для современных условий КПД преобразования солнечной энергии в 30 % можно получить мощность всего лишь в 90 МВт. Это соответствует небольшой районной электростанции и в 20 раз ниже мощности типовой промышленной ТЭЦ. Мы уже не говорим о суточном и годовом непостоянстве производимой энергии и, соответственно, необходимости дорогостоящих систем соответствующей мощности для ее аккумуляции.

Точно так же главным препятствием, ограничивающим возможный вклад биоэнергетики в мировую экономику, является крайне низкая плотность потока энергии, получаемой при сельскохозяйственном производстве биотоплива (табл. Х).

Таблица Х. Плотность потока тепловой энергии, получаемой в среднем за год с единицы площади для различных источников биотоплива (de Castro et al., 2013)