В. Арутюнов - Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики

Правда, в прессе и даже в научных изданиях регулярно публикуются утверждения, что «Россия обладает крупнейшими в мире возобновляемыми запасами биомассы, пригодной для использования в энергетических целях, доступные запасы которой эквивалентны 300 млрд кВтч электроэнергии». К сожалению, эти публикации никогда не сопровождаются экономическим анализом тех затрат, которые необходимы для того, чтобы собрать эту биомассу с необъятных российских просторов, транспортировать за сотни километров к пунктам переработки и превратить в биотопливо или непосредственно энергию.

Что же в итоге? Мы приходим к вполне определенному выводу, что фундаментальные характеристики известных нам возобновляемых источников энергии: их общий энергетический потенциал, характерная плотность потока энергии, отношение получаемой энергии к энергозатратам на ее получение и себестоимость получаемой энергии не позволяют в обозримой перспективе рассчитывать на глобальную роль этих источников в мировой энергетике.

Несколько веков назад человечество начинало свою промышленную революцию, целиком полагаясь на «экологически чистые» возобновляемые источники энергии – биотопливо (дрова), энергию воды и ветра. Реалии технологического развития еще два века назад убедительно показали, что интенсивное промышленное производство не может базироваться на этих источниках из-за низкой плотности потока производимой ими энергии. И тем более этот путь, уже давно показавший свою экономическую и технологическую несостоятельность, не может стать панацеей для многократно выросшего и более энерговооруженного человечества.

Одним из главных аргументов в пользу более широкого использования альтернативных источников энергии является утверждение о значительно меньшем негативном влиянии на окружающую среду и, главное, климат нашей планеты. Но прежде чем обсуждать влияние современной энергетики на климат, необходимо кратко рассмотреть факторы, определяющие его основные параметры. В наибольшей степени климат, т. е. условия на земной поверхности, определяются атмосферой и гидросферой Земли. В свою очередь, формирование атмосферы и гидросферы тесно связано с процессом дегазации земных недр, который продолжается и в настоящее время, хотя и намного менее интенсивно, чем в предыдущие геологические эпохи. Дегазация является следствием дифференциации под действием силы тяжести земного вещества и выделением гравитационной энергии в недрах планеты. Интенсивность этого процесса достигла максимума примерно 3 млрд лет назад и с тех пор непрерывно снижается. Первичная атмосфера Земли состояла в основном из паров воды, СО 2, а также таких газов, как H 2S, CO, H 2, N 2, CH 4, NH 3, HF, HCl, Ar, то есть была по своему химическому составу восстановительной.

После появления первичной базальтовой коры и последующего остывания поверхности ниже температуры кипения воды образовалась гидросфера планеты, а основным компонентом атмосферы стал углекислый газ. Оценки показывают, что парциальное давление углекислого газа в древнейшем геологическом периоде развития земли – архее – превышало его современное значение на четыре порядка и достигало от 4 до 4,5 атм. В результате деятельности биосферы Земли основная масса выделившегося углекислого газа была преобразована в твердые карбонатные породы и органический углерод. Сейчас в виде карбонатов в земной коре связано около 3,91 10 23г СО 2. Кроме того, в коре содержится еще около 1,95 10 22г органического углерода. С этим углеродом было связано приблизительно 5,2 10 22г О 2, поэтому можно полагать, что всего из мантии было дегазировано примерно 4,6 10 23г СО 2. Сейчас в атмосфере содержится около 2,45 10 18г СО 2, а 1,4 10 20г углекислого газа растворено в океане.

Выделяющийся из диоксида углерода в результате деятельности живых организмов свободный кислород не мог накапливаться в больших количествах в атмосфере, пока на земной поверхности имелись в огромном количестве неокисленные породы. При накоплении в коре органического углерода, первоначально входившего в состав дегазированного СО 2, было выделено приблизительно 5,2 10 22г О 2. На начальном этапе почти весь освобождающийся кислород связывался преимущественно с железом и серой. Сейчас в земной коре содержится примерно 6,9 10 23г Fe 2О 3и 2,83 10 22г SO 3. Это значит, что на окисление двухвалентного железа до трехвалентного ушло около 6,9 10 22г О 2, а на окисление сульфатной серы потребовалось 1,7 10 22г О 2. В современной атмосфере содержится 1,2 10 21г кислорода, поэтому общая масса О 2в земной коре и атмосфере – приблизительно 8,7 10 22г. Разница в 3,5 10 22г могла поступить за счет диссоциации воды жестким солнечным УФ излучением и других химических реакций.

В настоящее время Земля обладает атмосферой, общая масса которой равна 5,15 10 21г, т. е. составляет одну миллионную часть ее общей массы. Среднее давление атмосферы на уровне моря 1,0132 бар (760 мм рт. ст.), плотность ~1,3 10 -3г/см 3, состав сухого воздуха, % об.: азот – 78,08, кислород – 20,95, Ar – 0,93 %, СО 2– 0,03 %. Находящийся в атмосфере 40Ar образовался в основном в результате радиоактивного распада 40К.

Средняя температура на поверхности, являющаяся наиболее важным климатическим параметром, определяется тепловым балансом нашей планеты, который складывается из баланса поступающей на поверхность энергии солнечного излучения и энергии, отдаваемой нагретой поверхностью Земли в космос в виде инфракрасного (теплового) излучения. Поскольку средняя температура поверхности Земли на протяжении длительного периода остается практически постоянной, это свидетельствует о тепловом балансе, при котором потоки поступающей на земную поверхность энергии и энергии, отдаваемой ею в космическое пространство, с высокой точностью одинаковы.

В свою очередь эти потоки определяются свойствами атмосферы нашей планеты. Составляющие земную атмосферу газы легко пропускают основную часть солнечного излучения, спектральная температура которого совпадает с температурой поверхности Солнца (~6000 К) и лежит в видимом диапазоне длин волн. Примерно 30 % солнечного излучения отражается обратно в космос самой атмосферой Земли, что в значительной степени определяет коэффициент отражения солнечного излучения (альбедо) нашей планеты как небесного тела, на 83 % определяемое отражением самой атмосферы и лишь на 17 % отражением поверхности Земли. Излучение, прошедшее сквозь атмосферу, частично поглощается земной поверхностью, в т. ч. зелеными растениями, и приводит к ее нагреву (рис. 64).

Рис. 64. Распределение потоков поглощаемой и излучаемой энергии в атмосфере и на поверхности Земли. Черные стрелки – поток солнечного излучения, белые – теплового излучения Земли (Горшков, 1995)