5.10. Энергетические ресурсы. Реальна пи угрозаэнергетического голода?

Солнечное излучение является источником почти всей энергии, используемой и биосферой, и цивилизацией. Только около 1 %'используемой человеком энергии поступает от других источ-

ников — за счёт добычи и сжигания угля, нефти, природного газа и урана.

Потребление ископаемых энергетических ресурсов в таких гигантских объёмах ставит перед человечеством ряд насущных и трудных вопросов: На какое время хватит этих ресурсов и каковы последст вия их истощения? Можно ли их заменить и чем? Как экономить энергию? Как решить проблемы загрязнения окружающей среды?

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 не- определённостью в оценках запасов, неточностью данных о потреблении и, самое главное, в разбросе 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 умерен ных затратах.

—Нет, — отвечает пессимист, — ничего особо нового здесь придумать нельзя, и коэффициент извлечения будет только

Таблица 5.2. Сроки обеспеченности ископаемыми энергетическими ресурсами (годы)

уменьшаться по мере того, как мы будем вынуждены осваивать месторождения с всё худшими геологическими условиями.

Примерно такая же ситуация и в оценках запасов энерго- ресурсов, 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.

Таким образом, вопрос об эффективной замене тепловой углеводородной энергетики — одна из главных и неотложных проблем, стоящих перед человечеством. При рассмотрении этой проблемы необходимо учитывать, что в настоящее время только четверть ресурсов, показанных на рис. 5.22, идут 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. 5.23).

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

Рис. 5.22. 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 пр.; 1 ЭДж (Эксаджоуль) = 1018 Дж

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 че рез стены и окна, что привело к снижению расхода тепла на отопление; модернизация теплоэлектростанций привела к росту коэф фициента полезного действия паротурбинных и газотур бинных 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 продук ции) в энергоёмких отраслях промышленности; ламповая электроника (усилители, измерительная аппара тура, телевизоры, телефонная и радиоаппаратура) полно стью заменилась полупроводниковой и интегральными схемами, что привело к сокращению удельного расхода энергии более чем в 100 раз; началось массовое применение экономичных светильни ков 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.

Рис. 5.23. Распределение энергоресурсов по основным потребителям

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- испо льзует 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 полу чения высокотемпературного тепла и водонагреватели для отопления и бытовых нужд, а также прямое преобразова ние солнечного излучения в электрический ток с помо щью полупроводниковых солнечных батарей; переработка растительной биомассы в органическое топ

ЛИБО.

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.

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-ч, 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.

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.

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 (U235). Этот изотоп урана составляет только 0,7 % природного урана, остальное — практически полностью уран-238 (U238), в котором цепная реакция деления не развивается и который ядерным топливом служить не может. При делении ядер U233 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. 5.24).

Вероятность захвата нейтрона возрастает, если скорость нейтрона мала. Между тем нейтроны, вылетающие из делящегося ядра U235, имеют очень большую скорость (более 10б м/с) — это быстрые нейтроны. Поэтому природный уран подвергают обогащению, увеличивая концентрацию U235 примерно до 2,5—3 %, а сами тепловыделяющие элементы помещают в среду-замедли-

Рис 5 24 Процессы в ядерных реакторах. Вверху - в реакторе на тепловых нейтронах (с замедлителем): коэффициент размножения нейтронов = 2,07; на каждые 10 распадов атомов урана U235 только 7 атомов урана U238 превращаются в атомы плутония Ри239. Внизу - в реакторе на быстрых нейтронах: коэффициент размножения нейтронов = 2,5; на каждые 10 распадов атомов плутония 13 атомов lj23s „г л.ццаются в плутоний Ри239. Буквой п обозначены нейтроны, буквой е — электроны, вылетающие при бета-распаде ядер U238

тель 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-23 9 (Ри239). Реакторы на тепловых нейтронах требуют для своей работы минимального обогащения урана и поэтому нашли широкое применение.

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

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 кг плутония из U238 на каждый кг израсходованного плутония (рис. 5.24). 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 получения энергии 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 по-

I

лучения 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. 5.23). Точно та же ситуация возникнет, если удастся изобрести лёгкие и сверхёмкие 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. 5.22). 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.

8 -7841 Гальперин

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 2/3 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.