Про альтернативну енергетику по суті

Зростання цін на традиційні вуглеводневі енергоносії, їхній дефіцит у сучасному світі, а також очевидні екологічні проблеми, пов'язані з їх використанням, природно, «провокують» пошук альтернатив. Лише лінивий сьогодні не розмірковує про «альтернативну» енергетику, відновлювані джерела, досягнення «енергетичної незалежності» в країнах, що імпортують вуглеводневе паливо. Але наскільки реальні всі ці «альтернативи»?

Адже що характерно, розвитком альтернативної енергетики займаються практично виключно багаті країни (Євросоюз насамперед), а не відносно бідні, по яких зростання цін і дефіцит традиційних енергоносіїв б'є набагато сильніше. Розгадка цього «феномена» проста – віднесені до «альтернативних» джерела енергії економічно себе не виправдовують, займатися ними підприємців стимулюють уряди податковими пільгами, прямими дотаціями та закупівлею вироблюваної ними електроенергії за спеціальним «зеленим тарифом», який набагато вищий, ніж для постачальників електроенергії, що виробляється «традиційними» способами.

До того ж «якість» альтернативної електроенергії (з використанням енергії вітру й сонця) вкрай низька. Річ у тім, що електрика — такий «продукт», який зберігати в масштабах, необхідних для енергосистеми цілої країни, неможливо. Він має бути спожитий одразу після «виготовлення». І це створює для енергетиків величезні складнощі, оскільки потреба в електроенергії дуже сильно коливається залежно від пори доби та дня тижня, а наявні енергоустановки досить інерційні.

Щоб «вивести на режим» блок теплової електростанції, потрібно кілька годин і стільки ж на його зупинення, а на запуск реактора АЕС іде кілька діб. Саме тому енергетики стимулюють споживачів переходити на диференційовані тарифи, у яких вартість спожитої електроенергії сильно (у рази) відрізняється залежно від пори доби.

Тим часом вироблення електроенергії вітряками з очевидних причин жодному плануванню не піддається – воно цілком залежить від наявності й сили вітру, керувати яким людство поки не навчилося. Тому «в комплекті» до вітроелектростанцій мають іти джерела на традиційних енергоносіях, але й з малою інерційністю (тобто з коротким періодом запуску та зупинення), щоб оперативно вмикатися в мережу за малов'тряної погоди. Такими є газові турбіни, але їхня вартість набагато вища, а ККД відчутно нижчий, ніж у традиційних котлових установок, чим іще раз «нівелюється» ефект використання відновлюваних джерел.
Більше витратиш, ніж отримаєш

Не в найоптимальнішому для енергетиків часовому режимі працюють, природно, і сонячні батареї. Адже пікові навантаження на мережу мають місце вранці та ввечері, коли освітленість невелика, а в середині дня в енергетиків нерідко виникає проблема «зайвих» потужностей. Утім, навіть у «штатний» час роботи їхня продуктивність сильно залежить від погодних умов (хмарність).

Головний же їхній недолік – величезна вартість. Ціна сонячної панелі починається від 3-4 дол. за ват потужності, і це не враховуючи супутніх пристроїв – акумуляторів, контролера заряду та інверторів. Менше ніж у 5 тис. дол. за кіловат потужності сонячна енергетична установка не обійдеться. До того ж ідеться про максимальну потужність, яку батарея може видати за максимального ж рівня сонячного випромінювання (якщо на небі ні серпанку, ні хмаринки) і оптимального кута падіння сонячних променів, тобто – не більше 2-3 годин на добу. Забезпечити сонячні батареї поворотними пристроями (як на супутниках) також проблематично й накладно, адже збірка панелей потужністю 1 кВт матиме площу не менше 20 м2 і вагу близько 300 кг. Тому на Землі такі пристрої практично не застосовуються.

Нескладно прикинути, що для повного забезпечення середнього за розміром будинку, якщо родина, яка мешкає в ньому, споживає приблизно 10 кВт/год на добу, знадобиться сонячна енергоустановка потужністю не менше 10 кВт (а швидше за все, набагато більше – адже й більшу частину світлого часу доби вона не даватиме максимального вироблення), вартістю не менше 50 тис. дол. і такою, що потребує площі 200 м2. Підрахуймо «економію» і побачимо, що в нинішніх українських реаліях термін окупності проєкту – близько 80 років!

У Європі економічні обґрунтування трохи оптимістичніші для апологетів сонячної енергетики, там середня вартість 1 кВт/год – 22 центи, а найбільша в Німеччині та Данії 0,35 і 0,39 $/кВт/год відповідно, але й із сонячними днями в цих країнах велика «напруженість», та й 15 років окупності виглядає таким, що позбавляє ідею будь-якого сенсу. А експлуатація системи також потребує чималих витрат – за 15 років напевно вийдуть з ладу багато із супутніх пристроїв, а будь-які акумулятори й не розраховані більш ніж на 500 циклів заряджання-розряджання, тобто міняти їх доведеться максимум через 2 роки, а коштують вони недешево.

Та й щодо терміну служби самих сонячних елементів є питання. Один з українських постачальників дає гарантію 10 років на забезпечувану потужність – 90%, 20 років на забезпечувану потужність – 80%, але що далі? Адже збільшення частоти відмов залежно від терміну служби має не лінійний, а експоненціальний характер, тобто починаючи з певного моменту частота відмов різко зростає, роблячи подальшу експлуатацію недоцільною. Приблизний ресурс будь-якого пристрою закладається під час проєктування, і очевидно, що чим більший ресурс, тим дорожчим вийде пристрій. Швидше за все й у сучасних сонячних батарей закладений проєктувальниками ресурс закінчиться приблизно через двадцять років роботи. Нарешті, за двадцять і більше років служби просто неба в таких досить чутливих пристроїв, як сонячні батареї, є великий шанс потрапити під дію серйозної стихії – великий град, ураган. У разі таких форс-мажорів виробник, природно, жодних зобов'язань не дає. Тобто окупність сонячних батарей у «загальному випадку» (завжди є окремі випадки-винятки) – нульова.

Щоправда, президент Асоціації учасників ринку альтернативних видів палива та енергії України, директор ТОВ «Фюел Альтернатив» Віталій Давій, інтерв'ю з яким наш тижневик опублікував у № 39 («Мода на альтернативу», «2000» №39 (575) 30 вересня - 6 жовтня 2011), більш оптимістичний: «Залежно від вартості обладнання період повної окупності від 8 до 10 років», але це з урахуванням того, що « у нас діє «зелений» тариф, один з найвищих у Європі» (спеціальний тариф, за яким держкомпанія «Енергоринок» закуповує електрику в підприємств альтернативної енергетики. Розраховується для кожного виробника окремо, але загалом він приблизно вдвічі вищий, ніж для традиційних електростанцій).

Іншими словами, «окупність» досягається за рахунок прямого й вельми масштабного (до 50%) дотування з боку держави або прямо з кишені споживачів електроенергії, оскільки «зелений тариф» закладається в загальну вартість електроенергії для споживачів.

Але чи варто «рахувати копійки», напевно заперечать мені апологети альтернативної енергетики, коли йдеться про такі «глобальні» речі, як енергетична безпека всього людства, збереження невідновлюваних ресурсів, захист довкілля (адже «альтернативна енергетика» апріорі вважається екологічно чистою)? На жаль, прихильники такої точки зору забувають про те, що грошова вартість будь-якого виробу – це «оцифровані» реальні матеріальні витрати на його виробництво, включно, природно, і з витратою енергії.

Мені не вдалося знайти розрахунок того, скільки електроенергії потрібно витратити, щоб виготовити панель сонячної батареї потужністю, скажімо, 1 кВт, але автор 10 років пропрацював на виробництві напівпровідникових приладів (до них належать і сонячні електроелементи) і може засвідчити – це виробництво надзвичайно енерговитратне на всіх етапах, починаючи від отримання основного матеріалу, з якого виробляються п/п прилади, – монокристалічного кремнію, який отримують зі звичайного піску. Його ціна становить близько 100$, і левову частку цієї ціни становлять саме енергетичні витрати. А адже щоб виготовити найпростіший напівпровідниковий прилад, кристал кремнію потрібно нагріти до температури 1000 -1200 С0 5-6 разів.

І до екологічно чистих виробництв виготовлення п/п приладів аж ніяк не віднесеш. Широта «асортименту» хімічних речовин, яких потребує технологія, напевно повергне в ступор будь-якого екологіста (кислоти, найсильніші органічні розчинники, отруйні гази та багато іншого). Можна сміливо стверджувати, що кількість енергії, яку необхідно витратити на виробництво елементів сонячних батарей, співмірна, якщо не перевищує, з кількістю, яку він виробить за весь період своєї експлуатації (нагадаємо, що вельми сумнівна економічна рентабельність наявних електростанцій забезпечується «зеленим тарифом» на їхню продукцію), а екологічна шкода під час виготовлення напевно вища, ніж під час використання еквівалентної його продуктивності кількості «традиційного» органічного палива.

Те, що підприємства з виробництва напівпровідникових приладів поки не стали предметом пильної уваги екологів, пояснюється тим, що на загальному тлі обсяги їхнього енергоспоживання та забруднення довкілля відносно невеликі. Адже кремнієвий кристал, що є основною частиною будь-якого електронного приладу, дуже невеликий – пластинка площею від 2-3 квадратних міліметрів до 2-3 квадратних сантиметрів у наймогутніших процесорах. Але для сонячних батарей потрібні багато метрів! Нагадаємо, 20 м2 сонячних батарей дають максимум 1 кВт потужності в ідеальних умовах. І якщо сонячна енергетика з дорогої іграшки стане, як сподіваються її прибічники, серйозним чинником енергетичного балансу, то її «витрати виробництва» (в усіх відношеннях – економічному, енергетичному й екологічному) стануть цілком очевидними й лише поглибать наявні проблеми. То навіщо тоді «город городити»?

Сказане вище значною мірою стосується і вітроенергетики. І тут низька економічна ефективність, що потребує державних дотацій, за дармового енергоносія (вітру) зумовлена високою вартістю самих вітроустановок, у яких найбільш «витратний» елемент – алюмінієві лопаті. У свою чергу, в собівартості алюмінію саме електроенергія становить близько 50%, невипадково всі алюмінієплавильні заводи розміщують поблизу джерел дешевої енергії (ГЕС), попри транспортні витрати.

Нарешті, ресурси алюмінію, якими володіє людство, не безмежні. Останнім часом, окрім авіації, він знаходить дедалі ширше застосування в автомобілебудуванні, де використання алюмінієвих деталей дає змогу знизити вагу машин, а отже – і споживання палива. Глобальний розвиток вітроенергетики потребуватиме величезних обсягів алюмінію, що призведе, природно, до зростання його ціни (отже, економічна ефективність вітрових станцій ще знизиться), головне ж – знизить його застосування в автомобілебудуванні, а отже, і паливну економічність нових автомобілів.
Водень уже згорів

Підійшовши до теми енергозбереження та «альтернативних джерел» на транспорті, зазначимо, що саму енергетичну проблему слід поділити на власне теплову й транспортну. У першому випадку для отримання безпосередньо теплової (для опалення чи приготування їжі) або електричної енергії можна використовувати, з різним ступенем «зручності», буквально «все, що горить» – вугілля, природний газ, мазут, дрова, а також атомну енергію, яка, зважаючи на її собівартість, ресурсозабезпеченість та відсутність негативного впливу на довкілля за штатної експлуатації, була б ідеальним джерелом енергії, якби не ризик аварій із тяжкими наслідками.

А от для транспортних потреб сьогодні годяться лише нафтопродукти (крім природного газу та контактного електротранспорту, що знаходять обмежене застосування) – на вугіллі й парі нині «далеко не заїдеш», а атомний реактор під капотом, мабуть, назавжди залишиться долею фантастики. Видобувана сьогодні нафта практично не використовується як топкове паливо, а вся (крім сировини для хімічної промисловості) йде на виготовлення транспортних палив (топковий мазут – це фактично відходи після отримання із сирої нафти бензину, гасу, дизпалива та інших нафтопродуктів). Тому нафта вважається найбільш дефіцитним і «критичним» енергоносієм і, природно, пошук альтернатив ведеться і тут.

Найпомітніший «рух» іде навколо так званої водневої енергетики. На «загальнодоступному» рівні навіюється думка, що водень – це світле енергетичне майбутнє всього людства, оскільки водень найпоширеніший елемент на поверхні землі та в космосі, теплота згоряння водню найвища, а продуктом згоряння в кисні є вода (тобто абсолютна екологічна чистота). Однак практично весь водень на Землі перебуває у вигляді сполук (найпоширенішою з яких є його оксид (сполука з киснем) – звичайна вода); лише в дуже незначній кількості водень у вигляді простої речовини міститься в атмосфері (0,00005 %).

Тим часом, з погляду хімії саме горіння – це процес хімічного сполучення тієї чи іншої речовини з киснем із виділенням енергії. Відповідно, практично весь наявний на Землі водень уже згорів і відповідно до закону збереження енергії, щоб «повернути» його в хімічно чистий стан (розділити воду на її складові частини – кисень і водень), потрібно витратити не менше, а з урахуванням неминучих втрат – і більше енергії, ніж буде отримано під час його повторного згоряння. Тому говорити про водень як про джерело енергії абсолютно некоректно (і це дуже м'яко сказано).

Тому можна говорити лише про використання водню як засобу для акумулювання та транспортування енергії. У «популярному вигляді» схема його використання виглядає так: на стаціонарній установці з використанням значних обсягів електроенергії отримується хімічно чистий водень, а потім «заливається» в бак автомобіля. Отже, масова «воденізація» автотранспорту потребуватиме й значного (за оцінками фахівців до 30%) збільшення виробництва електроенергії. А де взяти для цього енергоносії? «Абсолютного» вирішення, як ми показали вище, тут також немає, «топкові» джерела також у дефіциті. Швидше за все, доведеться використовувати як топкове паливо електростанцій ту саму нафту, яка вивільниться під час переведення транспорту на водень. Тобто величезні витрати на реконструкцію цілої галузі (будівництво нових електростанцій, установок регенерації водню та водневих заправних станцій), а на «виході» – лише зниження економічної та паливної ефективності.

Щоправда, на користь такого рішення наводяться й екологічні аргументи – мовляв, отримувати електроенергію можна на станціях, розташованих далеко від густонаселених районів, а всередині міст автотранспорт викидатиме лише нешкідливу водяну пару. Однак у плані екології водню дуже мало поступається природний газ (точніше, пропан, що виділяється з нього), упровадження якого на транспорті відбувається досить повільно через відомі технологічні складнощі. Для водню ж ці самі складнощі зростають на порядок!

Температура кипіння пропану за атмосферного тиску -42,1 С; критична температура +95,7 С; для водню ж – температура кипіння -253 С; критична температура -240 С., тобто привести водень у зріджений стан дуже складно й енерговитратно (знову ж таки), так само як і потім зберігати в паливних балонах, у газоподібному ж стані він потребує ємностей великого об'єму, співмірного з розмірами самого транспортного засобу. Найголовніше ж – водень вкрай вибухонебезпечна речовина (набагато небезпечніша за той самий пропан), при контакті з повітрям миттєво випаровується (якщо він у зрідженому стані) і створює знамениту «гримучу суміш».

Авторові, який сім років пропрацював на дільниці, де використовувався водень, і знає, наскільки на «Ви» потрібно поводитися з цією речовиною, просто моторошно уявити наслідки використання водню на сотнях тисяч автозаправок і неминучих аварій водневих авто. Ризикну навіть дати прогноз: усі реалізовувані в багатьох країнах програми впровадження водневого транспорту – як кажуть, до першої великої катастрофи. А вони за масового застосування водню практично на побутовому рівні, на жаль, неминучі.

Залишається остання перевага водню перед природним газом: на відміну від останнього, його запаси практично невичерпні. Але в чому парадокс: практично весь чистий водень, що нині виробляється для виробничих та інших потреб (включно з транспортом), отримують із природного газу (метану), а не з води. Ця технологія також вельми енерговитратна, але набагато економічніша за електроліз води. То навіщо тоді, запитаємо ми знову, «город городити»?
На електромобілі всіх не пересадиш

Принципові проблеми стоять і на шляху розвитку ще одного виду транспорту, що вважається перспективним екологічно чистим, – електричного. Як відомо, ще на зорі автомобілізації електромобілі програли змагання машинам із двигунами внутрішнього згоряння через те, що тодішні акумулятори не змогли забезпечити рівних з ДВЗ експлуатаційних характеристик – швидкості та, головне, дальності пробігу. Сучасні акумулятори почасти поліпшили ситуацію, хоча й вони не дали змоги досягти параметрів традиційних машин, при тому що дуже дорогі й мають обмежений термін експлуатації.

Але головна проблема в іншому – для їх виготовлення потрібні досить рідкісні хімічні елементи – літій і кадмій. Нині, коли основна сфера застосування високоємних акумуляторів – мобільні телефони й ноутбуки, ресурсу цих металів вистачає для забезпечення потреб людства. Але масове впровадження електротранспорту не просто призведе до різкого зростання ціни на них (а також на нікель) і відповідно, і на нинішні недешеві акумулятори, цих металів фізично не вистачить, щоб забезпечити потребу, що зросла в рази. Тож і на масове поширення електромобілів розраховувати не доводиться.

Підсумовуючи, скажу, що автор, природно, не проти прогресу, впровадження нових технологій, тим більше ресурсозберігаючих і екологічно безпечних. Але будь-яку справу потрібно робити з тверезою головою, дбаючи про «зміст», конкретні результати, а не про «форму», зовнішню «показуху», розраховану на малокомпетентного обивателя.

На жаль, психологія чиновників скрізь однакова, а турбота про розвиток «альтернативної» енергетики – не лише беззаперечний піар-хід для будь-якого політика, а й хороший бізнес. Адже кошти, що виділяються державою на таку благу справу, хтось «освоює» і, на відміну від багатьох інших державних витрат, витрати на альтернативну енергетику не викликають жодних запитань у громадськості. Природно, усе сказане вище має пряме відношення й до нашої, не найбагатшої країни.