| Прямое использование солнечной теплоты и солнечного света должно быть предме- том дальнейших усовершенствований энер- гетического хозяйства. П. А. Флоренский |
Уровень экономического развития страны, совершенство применяемых технологий, производительность труда в различных отраслях хозяйства в значительной мере определяются количеством производимой и потребляемой энергии, в особенности электроэнергии. Энергия для человека — своеобразная валюта, которой он расплачивается за свою жизнедеятельность, удовлетворяя потребности в пище, одежде, во всех благах цивилизации. Энергетическое хозяйство представляет собой становой хребет материальной культуры. Технологические процессы всех без исключения промышленных производств могут рассматриваться как совокупность отдельных этапов потребления и преобразования энергии. В течение длительного периода между экономическим ростом и развитием энергетики существовала жесткая связь: для увеличения национального продукта на 1% требовалось обеспечить такой же прирост энергопотребления. В 90-х годах соотношение между ростом экономики и энергетики, по мнению экспертов, будет уже иным. В передовых странах мира увеличение потребления первичных энергоресурсов будет несколько меньше роста валового национального продукта. Это означает, что, несмотря на энергосберегательную политику и экономию ископаемых энергоресурсов, их потребление будет возрастать, а нагрузка на ресурсный потенциал планеты увеличиваться.
Мир в целом остается весьма энергорасточительным. В котлах тепловых электростанций, двигателях внутреннего сгорания, нагревательных установках сегодня сгорает ценное органическое топливо — продукты переработки нефти, газ, уголь. И до середины XXI века углеводородные топлива сохранят свое доминирующее положение в топливно-энергетическом балансе. При этом доля углей в мировом энергобалансе будет возрастать, что соответствует соотношению разведанных энергоресурсов — запасы угля на планете огромны и могут обеспечить нужды мировой энергетики на 200 лет и более.
Но на пути бесконтрольного роста энергетики встают экологические ограничения — прогрессирующее загрязнение окружающей среды и ухудшение условий жизни людей. Ежегодно в атмосферу поступает 200 млрд. т углекислого газа, в результате чего его содержание в атмосфере заметно увеличилось и на 20% превысило уровень 40-х годов. Происходит также тепловое загрязнение атмосферы. По оценкам специалистов, земная цивилизация в настоящее время производит 1013 Вт энергии различного вида, которая в результате преобразования рассеивается в атмосфере. Величина в 1014 Вт, которая может быть достигнута к середине XXI века, составит 0,1% от падающей на Землю солнечной энергии и приведет к увеличению средней температуры Земли на 0,1°. Это уже критическая величина. Известно, что изменения светимости Солнца на эту же величину вызывали существенные изменения установившихся на планете погодно-климатических условий. Повышение средней температуры поверхности и атмосферы Земли может быть связано с парниковым эффектом, вызванным повышением содержания углекислого газа в воздушной оболочке планеты. По некоторым оценкам, из-за сильного поглощения инфракрасного излучения вследствие парникового эффекта повышение средней температуры к 2050 г. может достигнуть значений 0,5—1,0° С, что означало бы катастрофу апокалипсического характера.
Чтобы спасти биосферу Земли от крайне негативных воздействий энергетического хозяйства промышленно развитых стран мира, нужен комплекс мер, охватывающих разнообразные пути и способы альтернативного энергообеспечения. Это могут быть эффективная энергосберегающая политика, использование возобновляемых источников энергии (энергии Солнца, ветра, приливов, геотермальной энергии), ввод в действие термоядерных электростанций, изменение жизни людей, связанное с разумным самоограничением расходования ресурсов.
Все указанные новые способы энергообеспечения в настоящее время тщательно изучаются инженерами и учеными, ведутся интенсивные научно-исследовательские работы, проводятся натурные эксперименты, создаются экспериментальные и демонстрационные установки. Успехи здесь не блестящи. Термоядерные исследования, например, переживают период некоторого застоя. Появление первых коммерческих термоядерных электростанций ожидается только в 20—30-е годы следующего столетия. Предстоит разрешить сложные технические и технологические проблемы.
Много надежд связывается с крупномасштабной утилизацией падающей на Землю солнечной энергии. Энергия нашего светила огромна по своим масштабам, экологически чиста. При ее преобразовании и использовании на Земле не производятся вредные выбросы, не загрязняется среда, не происходит дополнительный нагрев планеты. Весь объем электроэнергии, выработанной в СССР в 1990 г., мог бы быть получен с наземных солнечных электростанций общей площадью около 10 тыс. км2. Это означает, что примерно половина падающей на степной Крым в течение года солнечной энергии, преобразованной в электрическую, сможет обеспечить текущую потребность всей страны в электроэнергии.
В ограниченных масштабах солнечная энергия уже используется в нашей стране для нужд народного хозяйства: для обогрева и освещения жилищ, подъема воды из колодцев, энергопитания автономных информационных систем — маяков, буев, сигнально-контрольных устройств. В Северной Осетии, например, разработана установка электрической изгороди для крупного рогатого скота, которая работает от солнечной энергоустановки, она полностью исключает тяжелый труд пастуха. Эта установка характеризуется исключительно низким потреблением энергии. В Каракумах функционирует большой гелиокомплекс, который дает тепло, электроэнергию. Комплекс прост в обращении, не загрязняет окружающую среду, затраты на его строительство и эксплуатацию невелики и окупаются через 2—3 года.
В Крыму опробована первая солнечная электростанция полезной мощностью 5 МВт, под Ташкентом сооружена и пущена в эксплуатацию первая в стране солнечная металлургическая печь по выплавке сверхчистых металлов.
Действующие во многих странах солнечные электростанции используют термодинамический способ преобразования энергии. Этот способ повторяет принцип работы обычной тепловой электростанции: рабочее тело, например вода, нагревается в специальных приемниках сконцентрированного солнечного излучения — котлах. Образующийся пар направляется на турбину, которая вращает соединенный с ней электрический генератор. Котел получает энергию от многочисленных зеркал — гелиостатов, автоматически следующих за Солнцем. Коммерческая стоимость электроэнергии, вырабатываемой отечественными опытными солнечными электростанциями башенного типа, превышает стоимость энергии, вырабатываемой тепловыми и атомными электростанциями. Но на ряде наземных солнечных электростанций уже достигнуты высокие технико-экономические показатели. В США в пустыне Мохаве пущена в эксплуатацию первая коммерческая электростанция на солнечной энергии. За счет введения технологических и конструктивных новинок разработчикам системы удалось довести стоимость электроэнергии до 8 цент/кВт-ч, что соответствует стоимости электроэнергии, вырабатываемой атомными электростанциями. Возможности солнечных электростанций только начинают раскрываться, впереди у них большое будущее. Наступает время использования солнечной энергии в коммерческих масштабах. Выдающиеся умы человечества мечтали о широкомасштабном использовании энергии Солнца на Земле. Великий русский физиолог К. А. Тимирязев обращал внимание научной общественности на неумелое пользование главным богатством — солнечным светом. В своей известной работе «Солнце, жизнь и хлорофилл» он писал: «...каждый луч солнца, не уловленный нами, а бесследно отразившийся назад в мировое пространство, — кусок хлеба, вырванный изо рта отдаленного потомка». Выдающийся русский философ П. А. Флоренский, рассматривая запасы мировой энергии, пришел к выводу о необходимости широкого использования солнечной энергии (статья «Запасы мировой энергии» в журнале «Электрификация», № 1, 1925 г.). Лауреат Нобелевской премии Фредерик Жолио-Кюри, выступая на заседании Экономического совета по использованию атомной энергии в мае 1956 г., говорил: «...уже сейчас надо серьезно заняться проблемами использования солнечной энергии. Только опыты в крупном масштабе могут существенно улучшить методы использования энергии солнечного излучения. Я повторяю, что это весьма важная задача...»
Настало время, о котором мечтали ученые-подвижники. Наземные солнечные электростанции становятся конкурентоспособными по сравнению с атомными. Однако, по мнению специалистов, наземная солнечная энергетика на текущем этапе не сможет заменить нынешнюю. Было бы большим достижением, если бы через 50 лет за счет наземной солнечной энергетики удалось обеспечить 10% глобального энергопотребления. Она еще долго останется вспомогательной энергосистемой. Причина этого — низкий уровень потока энергии солнечной радиации на поверхности Земли, прерывность процесса производства электроэнергии, большие капитальные затраты. Кроме того, для изготовления необходимого оборудования требуется большое количество разнообразного сырья, его последующее обогащение, производство конечного продукта, а это сопровождается существенным загрязнением окружающей среды. Экологические ограничения заставляют разрабатывать новые безотходные технологии, что, в свою очередь, потребует дополнительных капиталовложений и неизбежно снизит темпы ввода в эксплуатацию крупномасштабных наземных солнечных электростанций. Не исключено, что в ближайшем будущем будут разработаны новые эффективные, дешевые, легко развертываемые и просто обслуживаемые наземные солнечные установки. Пока же революционных достижений здесь нет.
Еще и еще пытливая человеческая мысль обращается к проблеме повышения эффективности утилизации и преобразования солнечной энергии на Земле. Разрабатываются оригинальные солнечные концентрирующие системы, позволяющие получать высокие температуры при нагреве рабочего тела, повышается коэффициент полезного действия термодинамического и фотоэлектрического способов преобразования солнечной энергии в электрическую, снижаются капитальные и эксплуатационные затраты. Но все это протекает не так быстро, как хотелось бы энтузиастам солнечной энергетики.
У наземной солнечной энергетики появился конкурент. Он находится еще в младенческом возрасте — достигнутый уровень полезной мощности у энергоустановок нового типа невелик, всего около 10 кВт. Но конкурент обещает вырасти в опасного соперника, он быстро наращивает мускулы и впереди у него целая жизнь. Это космическая гелиоэнергетика, о которой пойдет разговор в следующих разделах.