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)

На самом деле даже эти оценки завышены, и средней оптимистичной оценкой является значение всего 0,073 Вт/м². Эта энергия в десять тысяч раз меньше энергии падающего на эту же площадь потока солнечного излучения. Для сравнения, преобразование солнечной энергии фотовольтаическими солнечными электростанциями в Испании соответствует получению энергии с плотностью потока около 4,8 Вт/м², что примерно в 40 раз выше.

Но и создание искусственных фотопреобразующих систем с мощностью, необходимой для промышленной энергетики, столь же нереально. И дело не только в необходимости изъятия из хозяйственной деятельности и естественных экосистем огромных площадей в сотни тысяч квадратных километров, что соответствует площади крупнейших западноевропейских государств. И даже не в фантастических объемах капитальных затрат на их оснащение сложным инженерным оборудованием. Для реализации подобных грандиозных проектов в распоряжении человечества нет необходимого количества даже самых дешевых конструкционных материалов. Например, запасы алюминия в земной коре меньше, чем необходимо для создания самых простейших нагревательных устройств мощности, необходимой для обеспечения современных энергетических потребностей человечества. Отечественные специалисты обратили на это внимание еще тридцать лет назад (Легасов, Кузьмин, 1981), но, к сожалению, энтузиасты «глобальной роли» альтернативной энергетики продолжают игнорировать даже столь очевидные факты.

Если же сравнивать биоэнергетику и солнечную энергетику с точки зрения плотности потока преобразуемого солнечного излучения, то КПД реальных фотохимических преобразователей (около 25 %) не принципиально отличается от КПД преобразования солнечной энергии некоторыми сельскохозяйственными культурами, достигающего 5–7 % (например, кукурузой). Но при этом сельскохозяйственное производство требует значительно меньших капитальных затрат, хотя именно из-за низкой плотности усваиваемого потока первичной энергии оно в большинстве районов мира остается дотационной сферой экономики. А реальная солнечная энергетика является одним из самых дорогих источников энергии, и, несмотря на многолетние декларативные усилия в этой области, занимает незначительное место в энергобалансе даже наиболее развитых стран мира. Достаточно отметить, что только что введенная в строй крупнейшая в мире солнечная электростанция (рис. 47) по мощности в два раза уступает всего одной типовой газовой турбине, которых только в США сейчас устанавливается примерно 100 в год.

Таким образом, возможности всех альтернативных источников энергии, включая солнечную, ветровую и биоэнергетику, вклад которых даже в энергетику наиболее технологически развитых стран, несмотря на многолетние усилия и многомиллиардные затраты, не превышает 2—3-х процентов, принципиально ограничены прежде всего из-за крайне низкой плотности потока преобразуемой ими энергии. Низкая плотность потока первичной энергии (солнечной радиации на земной поверхности) и низкий КПД преобразования этой энергии зелеными растениями перечеркивают все надежды на глобальную роль возобновляемой «зеленой» энергетики. Именно из-за низкой плотности потока первичной энергии (солнечной радиации на земной поверхности) и низкого КПД ее преобразования зелеными растениями сельскохозяйственное производство даже в наиболее развитых странах относится к наименее рентабельной (а точнее, просто убыточной) области человеческой деятельности, поддерживаемой за счет дотаций из других источников.