Полная версия

Главная arrow Экология arrow Общая экология

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Энергетические ресурсы.

Реальна ли угроза энергетического голода?

Солнечное излучение является источником почти всей энергии, используемой и биосферой, и цивилизацией. Только около 1 % используемой человеком энергии поступает от других источников — за счёт добычи и сжигания угля, нефти, природного газа и урана. При этом месторождения угля, нефти и газа — это тоже солнечная энергия, когда-то аккумулированная растениями. До сих пор развитие цивилизации основывалось на освоении всё новых источников энергии и характеризовалось непрерывным ростом её потребления как удельным (на душу населения — см. рис. 5.6), так и в абсолютных цифрах. До середины XX века дрова и уголь были основными источниками энергии. Начиная с этого времени, в мировом энергетическом балансе всё большую роль играют нефть, газ, а в конце XX века и атомная энергия (рис. 5.27).

Потребление ископаемых энергетических ресурсов в таких гигантских объёмах ставит перед человечеством ряд насущных и трудных вопросов:

• На какое время хватит этих ресурсов, и каковы последствия их истощения?

' 'ЭДж /год

Первичные источники электроэнергии

Атомная энергия

Нефть

  • 350
  • 250
  • 150
  • 50
  • 0

Природный

газ

Дрова

1900 1920 1940 1960 1980 2000

Годы

Рис. 5.27. Мировой энергетический баланс в XX веке. Первичные источники энергии включают гидроэлектростанции, ветровые, гелиоэлектрические, геотермальные станции и т. д. К категории дров отнесены все виды биомассы, используемые в качестве топлива — сами дрова, хворост, солома, кизяк, торф и т. д.

1 ЭДж (Эксаджоуль) = 1018 Дж

I г

  • • Можно ли их заменить и чем?
  • • Как экономить энергию?
  • • Как решить проблемы загрязнения окружающей среды?

Таблица 5.2. Сроки обеспеченности ископаемыми энергетическими ресурсами (годы)

Полезные ископаемые

По известным мировым запасам

По оценке извлекаемых запасов

Нефть

20-50

100-500

Уголь

100-250

*500

Природный газ

40-60

400-600

Уран (реакторы на тепловых нейтронах)

50-300

500-2000

Уран (реакторы-размножители на быстрых нейтронах)

* 500 тыс. лет

Миллионы лет

Это комплекс взаимосвязанных проблем, требующих системного подхода, но, к сожалению, до сих пор слишком часто решаемых порознь.

В табл. 5.2 приведены сроки обеспеченности основными энергетическими ресурсами для мира в целом. Оценки этих сроков имеют значительный разброс в зависимости от оптимизма конкретного эксперта или экспертной группы.

Это связано с неопределённостью в оценках запасов, неточностью данных о потреблении и, самое главное, с разбросом оценок коэффициента извлечения. Дело в том, что по мере истощения месторождения стоимость добычи растёт. Истратив очень много ресурсов, можно, например, извлечь из Земли и 99 % нефти, но нефть эта окажется дороже золота. При современных технологиях для нефтяных месторождений коэффициент извлечения редко превышает 50—60 %.

  • — Однако, — говорит оптимист, — в будущем будут созданы новые технологии, и почти вся нефть будет добыта при умеренных затратах.
  • — Нет, — отвечает пессимист, — ничего особо нового здесь придумать нельзя, и коэффициент извлечения будет только уменьшаться по мере того, как мы будем вынуждены осваивать месторождения с всё худшими геологическими условиями.

Примерно такая же ситуация и в оценках запасов энергоресурсов, в особенности нефти и газа на континентальном шельфе.

Кто бы ни был прав, но из данных табл. 5.2 видно, что ресурсов углеводородного сырья, то есть нефти, природного газа и угля человечеству хватит ненадолго. К этому добавляется ещё ряд немаловажных обстоятельств. Во-первых, сжигание огромных количеств угля и нефти ведёт к нарушению геохимического и теплового балансов биосферы с последствиями в виде катастрофического роста парникового эффекта, возможного роста озоновых дыр в стратосфере, кислотного загрязнения почв, гибели лесов и т. д. (см. гл. 4). Во-вторых, углеводородное сырьё, особенно нефть, нефтяные попутные газы (бутан, пропан) и природный газ есть ценнейшее и, вместе с тем, дешёвое сырьё для производства огромного количества синтетических материалов, без которых человечество просто не сможет обойтись. С этой точки зрения сжигать нефтепродукты — это, по меткому выражению Дмитрия Ивановича Менделеева, всё равно, что топить печи ассигнациями. В-третьих, массовый выход нефтераз-работок на континентальный шельф и мелководные моря может привести к полной деградации пищевых ресурсов Мирового океана и морей, и без того переживающих далеко не лучшие времена (см. п. 5.9).

Таким образом, вопрос об эффективной замене тепловой уг

леводородной энергетики — одна из главных и неотложных проблем, стоящих перед человечеством. При рассмотрении этой

Распределение энергоресурсов по основным потребителям

Рис. 5.28. Распределение энергоресурсов по основным потребителям

проблемы необходимо учитывать, что в настоящее время только четверть ресурсов, показанных на рис. 5.27, идёт на производство электроэнергии. Остальные используются непосредственно для производства высокотемпературного тепла в промышленности, отопления и приготовления пищи в быту и коммунальном секторе, в качестве горючего на транспорте и в сельском хозяйстве (рис. 5.28).

Существуют два взаимодополняющих способа решения проблемы исчерпания ископаемых ресурсов: снижение потребления энергии (уменьшение энергоёмкости производства и быта) и отыскание альтернативных источников получения энергии.

На пути радикального снижения энергоёмкости развитые страны стоят уже более трёх десятилетий. За это время

  • • разработаны технологии строительства «тёплых домов», в которых удалось в несколько раз снизить потери тепла через стены и окна, что привело к снижению расхода тепла на отопление;
  • • модернизация теплоэлектростанций привела к росту коэффициента полезного действия паротурбинных и газотурбинных установок в среднем с 35 % до 42 %;
  • • у автомобилей и сельскохозяйственной техники в среднем на 25 % снизился расход горючего;
  • • сократился удельный расход энергии (на единицу продукции) в энергоёмких отраслях промышленности;
  • • ламповая электроника (усилители, измерительная аппаратура, телевизоры, телефонная и радиоаппаратура) полностью заменилась полупроводниковой и интегральными схемами, что привело к сокращению удельного расхода энергии более чем в 100 раз;
  • • началось массовое применение экономичных светильников с увеличенным в 10 раз сроком службы и 5-кратным увеличением светоотдачи на 1 Вт потребляемой мощности по сравнению с обычными лампами накаливания.

К сожалению, большинство из перечисленных новшеств пока получило распространение только в наиболее богатых и развитых странах.

Однако, несмотря на меры по энергосбережению, общий объём потребления углеводородных ресурсов не снижается, а продолжает расти. Совершенно ясно, что только мерами по экономии энергии проблему исчерпания ресурсов решить невозможно, и необходим переход к другим источникам энергии.

В качестве альтернативных способов получения энергии можно рассматривать

  • солнечную энергетику, которая прямо или косвенно использует солнечную энергию, поступающую на поверхность Земли;
  • атомную энергетику.

Первый путь, безусловно, предпочтительнее с точки зрения безопасности и минимизации загрязнения природной среды. Он может реализоваться на основе нескольких технологий:

  • гидроэнергетика, использующая энергию падающей воды;
  • ветроэнергетические установки;
  • гелиоэнергетика, использующая солнечные печи для получения высокотемпературного тепла и водонагреватели для отопления и бытовых нужд, а также прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых солнечных батарей;
  • • переработка растительной биомассы в органическое топливо.

Гидроэнергетика уже сейчас занимает заметное место в производстве электроэнергии (до 25 %). Она обеспечивает 100 % потребления энергии в Норвегии и около 75 % в Швейцарии, Австрии и Канаде. Гидроэлектростанции надёжны и имеют большой срок службы. Они не загрязняют атмосферу и позволяют накапливать паводковые воды для орошения. Во многих странах значительная часть гидроэнергетических ресурсов уже освоена, и подходящих створов для плотин осталось мало. Тем не менее, «запас» гидроэнергетических ресурсов ещё далеко не исчерпан, особенно на равнинных реках. Вместе с тем опыт показывает, что расширение использования равнинных рек для строительства гидроэлектростанций не всегда оправдано, так как при этом под водохранилища уходят большие площади ценных сельскохозяйственных угодий, на не меньших площадях происходит нежелательное перераспределение грунтовых вод, водохранилища могут быстро заиливаться, и ценные породы рыб лишаются нерестилищ. Приливные гидроэлектростанции, использующие морские приливы и отливы для выработки энергии, не могут сыграть существенной роли, так как на всей Земле существует только около двух десятков подходящих для их строительства мест.

Энергия ветра используется человеком с незапамятных времён. В настоящее время во многих странах разрабатываются и используются современные ветровые турбины, которые могут эффективно работать при скоростях ветра от 6 до 10 м/с. Поэтому турбины приходится устанавливать на мачтах высотой несколько десятков метров, чтобы поднять над приземным инерционным слоем атмосферы. Ветроэнергетические установки оправдывают себя только в районах с достаточно устойчивыми ветрами, поэтому их выгодно размещать на горных перевалах и на морских берегах. Мощность отдельных установок колеблется в пределах от 10 до 1000 кВт. Слишком большие турбины ненадёжны и не могут работать при слабых ветрах. Для получения значительной мощности турбины группируют в ветряные электростанции или фермы. Они не требуют чрезмерных капиталовложений, но их основной недостаток — нестабильность работы, вызываемая колебаниями скорости ветра. Будучи очень эффективными в отдалённых районах со стабильными ветрами, ветряные электростанции в целом вряд ли могут внести существенный вклад в мировой энергетический баланс.

Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в тепло или электрический ток. Земная поверхность получает от Солнца в среднем 165 Вт/м2. Если в одно- или двухэтажном жилом доме площадью в 100 м2 установлено оборудование, способное утилизировать хотя бы 30 % солнечной энергии, падающей на крышу дома, то за сутки будет получено примерно 120 кВт-часов, то есть энергия, более чем достаточная для полного обеспечения комфортной жизни в доме. Это оборудование должно включать водяной солнечный коллектор для накопления тепла и солнечные батареи для получения электроэнергии. Следовательно, проблема заключается в реализации соответствующих технологий с приемлемыми затратами. Современные солнечные батареи способны отдавать мощность до 60 Вт/м2 при инсоляции »200 Вт/м2, но стоимость их пока достаточно высока — 500—1000 долларов США за 1 м2. Полученная энергия должна аккумулироваться, так как максимальная необходимость в её использовании возникает тогда и там, где в данный момент инсоляции нет или она недостаточна. Тепло может накапливаться в баках с водой, а электроэнергия — в аккумуляторных батареях.

Наряду с бытовыми гелиоэнергетическими системами, получившими уже значительное распространение в богатых регионах с солнечным и жарким климатом, в этих регионах уже построен целый ряд промышленных предприятий, работающих на солнечной энергии.

Основной принципиальный недостаток гелиоэнергетики — зависимость от уровня инсоляции, которая распределяется по поверхности Земли весьма неравномерно. Поэтому в регионах, лежащих выше 45—50° широты, а также в регионах с большой облачностью она оказывается практически малоприменимой.

Трезво оценивая совокупные возможности гидроэнергетики, гелиоэнергетики и ветровых электростанций, нельзя не заметить, что они способны покрыть в самом лучшем случае не более половины потребностей человечества в тепле и электроэнергии. Использование горючих ископаемых для производства энергии должно сокращаться, так как эти ценные ресурсы весьма ограничены, а их сжигание ведёт к экологической и климатической глобальной катастрофе.

Процессы в ядерных реакторах. Вверху — в реакторе на тепловых нейтронах (с замедлителем)

Рис. 5.29. Процессы в ядерных реакторах. Вверху — в реакторе на тепловых нейтронах (с замедлителем): коэффициент размножения нейтронов «2,07; на каждые 10 распадов атомов урана и235 только 7 атомов урана и238 превращаются в атомы плутония Ри239. Внизу — в реакторе на быстрых нейтронах: коэффициент размножения нейтронов «2,5; на каждые 10 распадов атомов плутония 13 атомов и238 превращаются в плутоний Ри239. Буквой п обозначены нейтроны, буквой е — электроны, вылетающие при бета-распаде ядер и238

Следовательно, у человечества нет альтернативы использованию атомной энергии для покрытия возникающего энергетического дефицита. Современная атомная энергетика, за малыми исключениями, использует реакторы, в которых топливом служит уран-235 (и235). Этот изотоп урана составляет только 0,7 % природного урана, остальное — практически полностью уран-238 (и238), в котором цепная реакция деления не развивается и который ядерным топливом служить не может. При делении ядер и233 высвобождается много энергии, превращающейся в высокотемпературное тепло. Чтобы цепная реакция пошла, необходимо, чтобы хотя бы один нейтрон, вылетевший при делении ядра U235, попал в такое же ядро и был этим ядром захвачен (рис. 5.29).

Вероятность захвата нейтрона возрастает, если скорость нейтрона мала. Между тем, нейтроны, вылетающие из делящегося ядра U235, имеют очень большую скорость (более 106 м/с) — это быстрые нейтроны. Поэтому природный уран подвергают обогащению, увеличивая концентрацию U233 примерно до 2,5—4,5 %, а сами тепловыделяющие элементы помещают в среду — замедлитель нейтронов, в качестве которой используют воду или графит. Такой реактор называют реактором на тепловых нейтронах, так как замедленные нейтроны движутся со скоростями теплового движения молекул (порядка 103 м/с). Часть нейтронов захватывается ядрами атомов U238, которые после двух бета-распадов превращаются в атомы плутония-239 (Ри239). Реакторы на тепловых нейтронах требуют для своей работы минимального обогащения урана и поэтому нашли широкое применение.

Плутоний Ри239, подобно U235, обеспечивает самоподдержи-вающуюся цепную реакцию, а потому может использоваться в качестве ядерного топлива. Таким образом, обеспечив превращение U238 в Ри239, можно использовать и U238 для получения энергии. Однако в реакторах на тепловых нейтронах количество образующегося Ри239 составляет только около 70 % от «сгоревшего» U235.

Следовательно, продолжение строительства атомных электростанций с реакторами на тепловых нейтронах — тупиковый путь, ведущий к относительно быстрому истощению запасов ядерного горючего, так как запасы урана-235 очень невелики (табл. 5.2). Но ядерная технология позволяет получать ядерное горючее с избытком, превращая уран-238 в плутоний путём его облучения интенсивным потоком нейтронов в реакторах на быстрых нейтронах. Такие реакторы требуют большей степени обогащения ядерного топлива, но обеспечивают наработку 1,3 кг плутония из U238 на каждый кг израсходованного плутония (рис. 5.29). Поэтому эти реакторы называются реакторами-размножителями (или бридерами от английского breeder — заводчик).

Таким образом, реальная возможность обеспечить себя практически неограниченными энергетическими ресурсами и при этом избежать экологического кризиса состоит в комбинации атомной энергетики, использующей реакторы-размножители, с гидро- и гелиоэнергетикой.

Рассмотренные методы позволяют получать энергию в виде электрического тока и тепла. Однако эти виды энергии не поддаются длительному хранению, а аккумуляторы, как термические, так и электрические, дороги и очень громоздки. Поэтому существует и до сих пор не решена проблема горючего для транспорта и сельскохозяйственной техники, альтернативного нефтепродуктам.

В качестве одного из вариантов решения этой проблемы предлагается применение в качестве топлива водорода, для получения которого путём электролиза воды должна использоваться электроэнергия. Водород сжигается в топливных элементах, непосредственно преобразующих химическую энергию в электрический ток, питающий электропривод транспортного средства. Помимо того, что водород чрезвычайно взрывоопасен, это означает, что человечеству потребуется, по меньшей мере, удвоение установленной мощности электростанций, так как энергопотребление транспорта равно производству электроэнергии для иных нужд (рис. 5.28). Точно та же ситуация возникнет, если удастся изобрести лёгкие и сверхъёмкие электрические аккумуляторы или использовать в качестве горючего для топливного элемента, например, магний или алюминий (сведения о подобных разработках появлялись в печати). Это означает гигантские дополнительные капиталовложения в энергетику и в создание целой новой отрасли промышленности для производства водорода или его заменителей. Кроме того, при этом принципиальной перестройке должна подвергнутся как сама автомобильная промышленность, так и вся сфера обслуживания автотранспорта.

Существует, однако, альтернатива столь разорительному пути. Нефть — это набор углеводородов, продукт химической трансформации когда-то существовавшей биомассы. Все необходимые компоненты присутствуют и в растительной биомассе сегодня, отсюда прямая возможность получения транспортного горючего из биомассы растений.

Растительная биомасса — самый древний вид топлива, до сих пор широко используемый во всём мире в виде дров, древесного угля, древесных отходов, хвороста, кизяка и обычной соломы (рис. 5.27). Значительные объёмы бытового мусора, сжигаемого на мусоросжигательных предприятиях, также входят в этот список. Ещё один вид превращения биомассы в высококачественное топливо получил последнее время широкое распространение в Китае и Индии. Растительные и другие органические остатки, в том числе нечистоты, собирают в замкнутые метантанки, где под действием бактерий идут процессы превращения биомассы в биогаз, состоящий в основном из метана. Твёрдые остатки от процесса используются как удобрение. Эта технология хороша в странах с тёплым и жарким климатом, так как при низких температурах она почти не работает.

Наиболее перспективное использование растительной биомассы для производства автомобильного горючего — это получение этилового и метилового спиртов (этанола и метанола) путём брожения и перегонки. Для этой цели могут использоваться древесные и сельскохозяйственные отходы, городские стоки и т. д. Полученные спирты обходятся дешевле бензина и могут применяться в современных автомобилях при минимальном переоборудовании, а в смесях с бензином — без всякого переоборудования. Первый опыт в этом направлении был осуществлён и накоплен в Бразилии, где 2/з автомобильного топлива — это этиловый спирт (этанол), и 90 % производимых автомобилей могут работать на чистом этаноле. Около 10 % высококачественного бензина в США содержат до 15 % этанола. Дизельные двигатели прекрасно работают на смеси метанола (метилового спирта) с обычным дизельным топливом.

Таким образом, человечество располагает достаточными ресурсами, чтобы избежать энергетического голода и одновременно отвести от себя угрозу экологической катастрофы, но для этого народы и правительства должны существенно пересмотреть свои взгляды и своевременно и целенаправленно строить новую энергетическую политику.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>