Капица ошибся, оценивая перспективы альтернативной энергетики

8 октября 1975 года академик Пётр Леонидович Капица выступил на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук страны. Академик, который спустя три года будет удостоен Нобелевской премии по физике, прочитал концептуальный доклад, в котором, основываясь на базовых физических принципах, похоронил практически все виды «альтернативной энергетики». Исключение ученый сделал только для управляемого термоядерного синтеза.

Спустя практически полвека, ситуация всё-таки изменилась. Хотя на долю альтернативной энергетики по-прежнему приходится недостаточно выработки электричества, развитие и рост данного направления очевидны. По данным нефтегазовой компании British Petroleum, в 2019 году выработка альтернативных возобновляемых источников энергии (без учета крупных ГЭС), достигла 10,4 процента в общемировой генерации электричества. Впервые альтернативная энергетика обошла по этому показателю атомную энергетику.
 

О чем говорил академик Пётр Капица

Альтернативная энергетика представляет собой большую совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии (очень часто речь идёт о возобновляемых источниках). Основной интерес такой вид энергетики представляет за счёт выгодности использования и низкого риска причинения вреда окружающей среде.

Соображения известного ученого и академика базировались на том, что какой бы источник энергии мы не рассматривали, его всегда можно было бы охарактеризовать при помощи двух основных параметров: скорости передачи энергии (распространения) и плотности энергии – то есть её количества в единице объема. Произведение двух обозначенных величин давало бы на выходе ту максимальную мощность, которую можно было бы получить с единицы поверхности при использовании энергии того или иного вида.

Пётр Капица говорил, что плотность солнечной энергии ничтожна. При этом она распространяется с огромной скоростью – скоростью света. Именно поэтому приходящий на Землю солнечный поток совсем не мал, он обеспечивает жизнь всему живому на нашей планете. Однако ученый считал, что солнечная энергия в качестве основного источника энергии для всего человечества очень неэффективна.
 

Как говорил академик Капица, на уровне моря, принимая во внимание потери в атмосфере Земли, человек в конечном итоге может использовать поток в 100–200 Вт на один квадратный метр. На тот момент КПД устройств, которые преобразовывали солнечную энергию в электричество, доходил до 15 процентов.

Для того чтобы покрыть только бытовые потребности одного домохозяйства потребовались бы панели площадью 40-50 квадратных метров. Для того чтобы заменить солнечной энергетикой все источники существующего на Земле ископаемого топлива потребовалось бы построить электростанцию, которая занимала бы всю сухопутную часть экватора, при этом ширина солнечных батарей достигала бы 50–60 км. Такой проект академик считал нереализуемым ни по техническим, ни по финансовым, ни тем более по политическим причинам.

Спустя почти полвека цифры практически остались неизменными. Большинство солнечных панелей в обычных условиях имеют КПД на уровне 15–20 процентов (при этом экспериментально разработаны и испытаны образцы с 25–30 и даже 45 процентами эффективности). А вот потребление электричества современными приборами существенно сократилось. Тренд на энергоэффективность задан и выдерживается во всём мире.

Правда, солнечная энергетика действительно по-прежнему не хватает звёзд с неба, хотя и получила огромный импульс в развитии. Но, как и ранее, она одна не в состоянии заменить всех потребностей жителей Земли, правда, пока такая задача перед человечеством и не стоит.

Геотермальную энергетику Капица забраковал по вполне очевидным географическим причинам. Её можно эффективно развивать только в местах с вулканической активностью. Такие примеры действительно успешны, но в ограниченных масштабах. При этом у такой энергетики были свои плюсы: она не зависит от погоды, времени года, генерация геотермальной энергии может осуществляться непрерывно, а её запасы, по сути, неистощимы.
 

Неисчерпаемыми, помимо солнечной и геотермальной энергии, являются также запасы воды. Гидроэнергия, получаемая при запруживании рек и во время морских приливов, может эффективно использоваться в экономике. На середину 1970-х годов на гидроэнергетику приходилось 5 процентов в энергетическом балансе. Капица считал, что увеличить эту долю будет крайне сложно, так как для строительства мощных ГЭС подходили только определенные реки, желательно в горной местности.

Использование ветровой энергии академик считал недостаточно экономически оправданным по причине низкой плотности энергетического потока. При этом Капица считал, что использование альтернативных источников энергии может оказаться востребованным в бытовых нуждах, но масштабы такого использования он считал небольшими.

Спустя почти полвека можно констатировать, что некоторые страны достигли успехов в использовании альтернативных источников энергии благодаря географическому положению и низкой численности населения, как, например, Исландия. Вся электроэнергия данной страны вырабатывается на основе возобновляемых источников (70 процентов – ГЭС, 30 процентов – геотермальная энергетика). А вот успехи ветровой энергетики, наверно, удивили бы Петра Леонидовича больше всего. Сегодня на долю ветряков в ряде стран Европы приходится огромная доля выработки электричества, и это уже далеко не бытовое потребление домохозяйств.
 

Перспективы альтернативной энергетики сегодня

Сегодня перспективы альтернативной энергетики выглядят гораздо предпочтительнее, чем всего полвека назад. Во многом это связано с развитием технологий, науки и техники. В развитых государствах доля альтернативной энергетики постепенно растет, в первую очередь именно в выработке электроэнергии. К примеру, в США вклад альтернативной энергетики в выработку электричества по итогам 2017 года оценивался в 17,1 процента (с учетом работы больших гидроэлектростанций). И это не выдающийся результат.

В Европе в ряде стран показатели гораздо выше. К примеру, за первую половину 2020 года в Германии на возобновляемые источники энергии пришлось 56 процентов выработки электричества. При этом в этой европейской стране только 4 процента пришлось на классические ГЭС, 52 процента – это альтернативные источники, из которых на солнечную энергию пришлось 11,4 процента, на ветер – 30,6 процента выработки электроэнергии.
 

В некоторых европейских странах выработка электроэнергии возобновляемыми источниками энергии ещё выше. Лидерами являются скандинавские страны. К примеру, Швеция ставит перед собой амбициозную задачу – к 2040 году полностью отказаться от использования углеродного топлива.

Самая южная из скандинавских стран Дания также ставит амбициозные задачи – к 2030 году снизить выбросы CO2 на 70 процентов относительно показателей 1990 года. Здесь также реализуется масштабная программа развития ветряной энергетики. По итогам 2019 года доля ветроэнергетики в производстве электричества в Дании достигла 55,2 процента, что уже является отличным результатом.

Очень амбициозные планы по развитию альтернативной энергетики декларирует сегодня и Китай, который до сих пор является главным потребителем угля в мире. При этом уголь является одним из самых грязных видов ископаемого топлива для экологии планеты. Хотя здесь тоже стоит сделать поправку на время. Большинство современных китайских ТЭС имеют отличные фильтры очистки и максимально снижают ущерб для экосистемы.

По оценкам китайских специалистов, к 2050 году страна должна уменьшить выработку энергии на электростанциях, работающих на угле, до 30–50 процентов от общего потребления энергии. Оставшиеся 50–70 процентов планируется обеспечить использованием природного газа, нефти, а также возобновляемых источников энергии, включая ядерную энергию, гидроэнергетику, энергию ветра и солнечную энергетику.

На протяжении всех последних лет Китай уже является мировым лидером по установленной мощности в секторах гидроэнергетики, ветроэнергетики и секторе по генерации фотоэлектрической энергии. По словам главы Государственного управления КНР по делам энергетики Чжан Цзяньхуа, в 2020 году генерация электроэнергии в Китае с помощью возобновляемых источников энергии достигла 2,2 триллиона кВт/ч, составив в общей сложности 29,5 процента от общего потребления электроэнергии в стране. Это на 9,5 процента больше, чем страна могла генерировать с помощью ВИЭ в 2012 году.
 

При этом, в отличие от скандинавских стран, у Китая есть лучшие перспективы в области развития солнечной энергии. В конце 2020 года в КНР была введена в эксплуатацию солнечная станция мощностью 2,2 ГВт. Объект энергетической инфраструктуры расположили в обширной по размерам пустыне провинции Цинхай. Помимо непосредственно фотоэлементов, станция оснащена и системами хранения энергии. С густонаселенными районами Поднебесной станцию соединили при помощи ЛЭП ультравысокого напряжения – 800 кВ.

Традиционно вопросам зеленой энергетики уделяется большое внимание и в США. Там это часто повестка президентских выборов. С программой по внедрению биотоплива выступал Джордж Буш. Новый американский президент Джо Байден также активно продвигает идеи зеленой энергетики. В перевод национальной энергетики на экологически чистые источники он готов был вложить два триллиона долларов, при этом полный переход планируется провести к 2035 году.

Вряд ли эти планы удастся реализовать в полной мере, но импульс вполне очевиден. Компании сектора зеленой энергетики отреагировали ростом акций на избрание Байдена. Весь вопрос в том, насколько удастся реализовать амбициозную программу, так как история с биотопливом, хотя и получила серьезное развитие в Штатах, но не достигла озвученных Бушем цифр.
 

Перспективы альтернативной энергетики в России

В России, как и во всём мире, понимают необходимость развития альтернативной энергетики и уменьшения негативного воздействия на окружающую среду. При этом серьезных успехов в этой области у России нет.

Одним из главных тормозов для развития этого направления традиционно называют наличие в стране больших запасов органического топлива. Из общего объема энергоресурсов России на 2012 год только 4 процента приходилось на возобновляемые источники, из которых 2/3 было выработано гидроэнергетикой.

В структуре выработки электроэнергии ситуация лучше за счёт ГЭС, которые на 2020 год вырабатывали около 20 процентов всего электричества, ещё 12 процентов приходится на АЭС, на солнечную энергию только 0,55 процента, ветроэнергию – 0,07 процента (в пределах погрешности). Большая часть электричества в России по-прежнему вырабатывается на теплоэлектростанциях – 67 процентов.
 

Исправлять эту ситуацию планируется за счет развития программ возобновляемой энергетики. К 2035 году объем только государственной поддержки проектов в этой области должен составить 360 миллиардов рублей. Об этом в начале июня 2021 года сообщает официальный сайт Правительства РФ. Это уже вторая программа развития ВИЭ в России, первая должна закончиться в 2024 году.

Как ранее сообщало Минэнерго, в 2023–2035 годах в России ожидается ввод в эксплуатацию примерно 2,4 ГВт солнечных мощностей, 4,1 ГВт – ветровых мощностей и 0,2 ГВт – на малых ГЭС. Всего к 2035 году в России планируют ввести примерно 6,7 ГВт мощности, генерируемых возобновляемыми источниками энергии, что в лучшем случае составит около 4 процентов в энергобалансе страны.

Для сравнения: в Китае к 2035 году эта доля должна превысить 25 процентов и уже сейчас составляет 15 процентов. На конец 2020 года суммарная мощность солнечной энергетики КНР составляла 253,4 ГВт, ветровой энергетики – 281,6 ГВт.