О долгосрочном экологическом равновесии при использовании солнечных батарей

В современной научной, научно-популярной литературе, в средствах массовой информации достаточно интенсивно обсуждается вопрос о целесообразности использования тех или иных источников электроэнергии и о степени их воздействия на биосферу.

При домысливании долгосрочных последствий той или иной организации экономической системы значимы два уровня:

• а)    этическая сторона — самоприменимость целей экономической деятельности для воспроизводства семейных ценностей;

• б)    собственно экономическая (техническая) сторона — поддержание систем долгосрочного жизнеобеспечения (т. е. промышленности) при условии сохранения экологического (биосферного) равновесия в неограниченно продолжающемся времени.

Ранее, основываясь на пункте б, нами [Чечулин, 2007] был выполнен качественный анализ основной технической составляющей системы долгосрочного жизнеобеспечения — энергетической промышленности. Сравнение способов добычи энергии может быть представлено следующим образом:

Таким образом, даже при использовании современных, не очень совершенных солнечных батарей (п. 7), учитывая долгосрочные перспективы [Постановление…, 2006; Фортов, Фаворский, 2006], экологическое равновесие при получении энергии сохранимо (являясь по пункту а, естественно, самоприменимым). Создание единой глобальной энергетической системы использования солнечной энергии осознанно делает вооружённый ядерный конфликт практически невозможным ввиду желания самосохранения обеих сторон, зависящих от получения энергии солнца, так как математические модели 70-х гг. XX в. указывают на наступление долгосрочной непрозрачности атмосферы в случае ядерного конфликта и, следовательно, крах солнечного энергообеспечения в глобальном масштабе [The night after, 1985].

Однако случаи использования солнечной энергии (п. 7) и биотоплива (п. 1) подлежат более подробному сравнению.

По данным, приведённым К.П. Ивановым [2008], средний КПД фотосинтеза в благоприятных условиях составляет 0.5% (в среднем по биосфере и того менее — 0.1%). Принимая завышенную благоприятную величину имеем, с учётом КПД преобразования растительной массы в биотопливо <1 и КПД преобразования энергии топлива в двигателях и энергоустановках <0.5 (даже при возможно завышенной оценке), общий КПД использования энергии солнца в этом случае (п. 1) составляет меньше 0.2% (меньше 0.002).

С другой стороны, КПД использования энергии солнца в солнечных батареях больше 16% [Зеегер, 1977, с. 194]. Теоретический верхний предел различных неорганических полупроводниковых солнечных батарей составляет 20–25% [Маделунг, 1967, с. 351).

С учётом условий переменной освещённости (1/2 — неэффективность использования площади, 1/2 — облачность) общий КПД солнечных батарей — 4% (0.04) (по площади). Следует учесть, что коэффициент полезного использования электрической энергии (в отличие от тепловой) достаточно близок к 1.

В итоге КПД солнечных батарей превышает КПД биотоплива минимум в 20 ра з2, что позволяет при одинаковой занимаемой площади иметь энергоресурсы для в 20 раз большего количества населения планеты, чем в случае использования только биотоплива. Учитывая, что солнечные батареи подлежат размещению на землях, которые не являются сельхозугодиями, итоговый выигрыш в снабжении населения как едой, так и энергией ещё больше.

Другая сторона неэффективности применения биотоплива связана с выведением из гумусооб-разования растительной массы, что влечёт истощение почв через несколько десятков лет. В более подробном описании процесс сохранения плодородия почв выглядит следующим образом.

Отмершие органические остатки растений поступают в почву (часть из них минерализуется до образования углекислоты и воды), однако другая их часть «(10–30%) минерализуется не сразу, превращаясь в относительно устойчивые гумусовые вещества» [Муха и др., 2003, с. 62]. «Гумусовые вещества составляют 80–90% общего органического вещества почв» [Ягодин и др., 2002, с. 126]. Подвижные питательные элементы гумуса медленно разлагаясь создают для процесса питания растений очень благоприятную среду. «Обогащение почвы органическим веществом снижает потери питательных элементов удобрений из неё в результате миграционных процессов и, следовательно, загрязнение сопряжённых сред» [Ягодин и др., 2002, с. 126, 127]. «Гумусовые вещества … всё же постепенно разлагаются»; в почвах длительного сельскохозяйственного использования за 30–50 лет эксплуатации содержание гумуса может снизиться на 20–25 и даже на 50% [Ягодин и др., 2002, с. 126]. Поэтому для сохранения плодородия почв требуется внесение в них переработанных (измельчённых) органических остатков растений, остающихся после использования полезной части, идущей на питание человека.

Если же органические части растений использовать на биотопливо, то это, кроме низкого КПД использования солнечной энергии, ведёт к постепенному снижению содержания органического вещества (в т. ч. гумуса) в почве, а значит её истощению. Кроме недостатка энергии это влечёт за собой и недостаток пищи, а значит и частичное вымирание человечества; поэтому необходимо использовать преобразователи солнечной энергии более эффективные, чем фотосинтез, сохраняя при этом в долгосрочном плане (неограниченно продолжающемся времени) плодородие почв.

Расчетный поток электроэнергии при использовании солнечных батарей на одного человека E1 составляет где E1 — поток энергии солнца в среднем на 1 м2 суши, S — площадь суши, k — доля суши отведённая под солнечные батареи, ^ — общий КПД преобразования, N — население.

Для населения в 10¹⁰ = 10 000 000 000 человек и указанных выше условиях (^=0.04), максимально возможной доле суши, занятой под солнечные батареи в 10% от общей площади суши, средний поток электроэнергии в текущем времени на одного человека составит E 1 = Вт = 64 кВт, что превышает современное энергопотребление в развитых странах.

Таким образом, освоение технологий массового промышленного производства и использование солнечных батарей являются практически единственной возможностью в неограниченно продолжающемся времени сохранить биосферное равновесие при ещё возможном некотором повышении энергопотребления на душу населения, и сохраняющейся на современном уровне численности населения.