1.2.Природные ресурсы, загрязнение и деградация окружающей среды

Природные ресурсы - это объекты и явления окружающей природной среды, которые используются или будут использованы человеком для удовлетворения своих физиологических, хозяйственно-производственных, научных потребностей, для морально-эстетического удовлетворения, а также для поддержания и восстановления здоровья. Ресурсы могут быть клас­сифицированы как вечные (фактически неисчерпаемые, такие, как энергия ветра и Солнца), невозобновимые (исчерпаемые ресурсы, такие, как ископаемое топливо, (которое не может быть использовано повторно) и потенциально - возобновимые (леса, луга, животные, вода, воздух и плодородные почвы), которые регенерируются природными процессами.

Невозобновимые ресурсы существуют в ограниченных количествах и могут быть быстро истощены (например, доступные ресурсы нефти уже к 2059 г.). Наиболее высокая скорость использования потенциально возобновимых ресурсов как в мировом масштабе, так и на конкретной территории ограничивается скоростью их естествен­ного возобновления, или уровнем устойчивого потребления. В случае превышения этого уровня сокращается базовый уровень поступления этих ресурсов, т.е. возникает процесс, известный как деградация окружающей среды. Использование неисчерпаемых ресурсов в нашей стране пока не получило широкого развития.

В качестве побочных продуктов или отходов при добыче, переработке и использовании ресурсов образуются загрязнители.

Загрязнителями называют любые изменения воздуха, вод, почв или пищевых продуктов, оказывающие нежелательное воздействие на здоровье, выживаемость или деятельность человека. Загрязнение может принимать также форму нежелательных выбросов энергии, например избыточного тепла, шума или радиации.

Количественную оценку общих мировых масштабов потребления ресурсов и "производства" отходов за год в 1960-е гг. дал Эренсверд. Исходя из того, что масса веществ, извлекаемых из природных ресурсов, составляет около 9 млрд. т, он показал, что ежегодно во всем мире появляется 8 млрд. т отходов. По данным академика В.А.Кириллина наблюдается экспоненциальный рост потребления сырья и образования загрязнения с временем удвоения около 10 лет. По уравнению, описывающему экспоненциальную зависимость, можно вычислить среднегодовой процент роста потребления ресурсов (индекс использования природных ресурсов).

70 / 10 = 7% .

Зная мировые и региональные запасы ресурсов, можно рассчитать время истощения этих ресурсов, учитывая, что они считаются экономически истощенными при выработке 80% их оцененных запасов.

1.3. Энергоэффективность и чистая полезная энергия

Энергия - это способность производить работу или теплообмен между двумя объектами, обладающими разной температурой. Все, что происходит внутри и вокруг нас основано на работе, в процессе которой, один вид энергии переходит в другой или другие ви­ды энергии. Более 85% невозобновимых ресурсов планеты (нефть, газ, уголь и др.) используются для получения энергии. Энергия различается по качеству, или способности производить работу. Качество энергии - это мера ее эффективности.

Энергия высокого качества характеризуется большой степенью упорядоченности, или концентрации, а значит, высокой способностью производить полезную работу и обладает низкой энтропией. В качестве примеров носителей таких форм можно привести электричество, каменный уголь, бензин, концентрированную солнечную энергию, ядра урана-235, а также высокотемпературное тепло.

Энергии низкого качества свойственны неупорядоченность и малая способность производить полезную работу. Она обладает высокой энтропией. Пример носителя такой энергий - низкотемпературное тепло в воздухе или в реке, озере, океане.

Измеряя энергию, переходящую из одного вида в другой, ученые не смогли обнаружить возникновения или исчезновения энергии ни при физических процессах, ни при химических реакциях, а только ее превращение из одной формы в другую. В результате был сформулирован закон сохранения энергии, известный также как первый закон термодинамики: в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено - выход энергии всегда равен ее затратам.

В процессе любого превращения энергии из одного вида в другой всегда происходит снижение качества энергии. Все, что мы наблюдаем в природе, сформулировано во втором законе термодинамики: при любом превращении энергии из одного вида в другой некоторое количество первично полученной энергии переходит в менее качественную, менее полезную энергию, которая обычно рассеивается в окружающей среде в виде низкотемпературного тепла.

Это означает, что высококачественная энергия (низкая энтропия) в отличие от вещества не может быть восстановлена или использована повторно.

Оба закона термодинамики помогают понять, как, оценивая получаемую из различных источников энергию, можно сократить потери путем повышения ее эффективности. Например, лишь 16% всей производимой энергии, которая поддерживает экономику США, используеться для выполнения полезной работы или расходуется в процессе производства продуктов нефтехимии, из которых в свою очередь получают пластмассы, лекарства и многое другое. Это означает, что в США теряется 84% производимой энергии. Около 41% этой энергии теряется необратимо при рассеянии тепла, согласно второму закону термодинамики. Но потерь 43% энергии можно было бы избежать.

Устройства и процессы, в которых происходит превращение энергии, различаются по энергетической эффректвности, то есть доле затраченной анергии, которая выполняет полезную работу.

Если мы используем более экономичные двигатели и приборы и не пользуемся высококачественной энергией там, где можно обойтись низкокачественной, мы можем сократить потери энергий. Мы можем также уменьшить неизбежные потери низкока­чественного тепла в окружающую среду, если будем строить изолированные, герметичные здания, использовать тепловые отходы, образующиеся при сжигании ископаемого топлива для производства электроэнергии (принцип когенерации энергии ).

Чистая полезная энергия - это количество полезной энергии, полученной из исходных энергетических ресурсов, за вычетом затраченной на ее получение полезной энергии. Часто этот показатель выражается практическим коэффициентом полезного действия.

Таблица 1.1 Коэффициент полезного действия некоторых уст­ройств, трансформирующих энергию

Название устройств	Коэффициент полезного действия, %
Двигатель внутреннего сгорания	10
Паровая турбина	45
Топливный элемент	60
Лампа накаливания	5
Люминесцентная лампа	22
Абсолютно герметичный дом	98
Прямое солнечное излучение	90
Высокоэффективное газовое теплоснабжение	83
Обычное газовое теплоснабжение	70
Нефтяное отопление	53
Теплоснабжение за счет электроэнергии,
вырабатываемой на:
АЭС	14
угольной электростанции	25
Обычная дровяная печь	26

При выполнении конкретных задач различные виды энергетических ресурсов характеризуются разной величиной полезного действия (коэффициентом рентабельности). Это очень важно учитывать при принятии решений о том, какие энергетические ресурсы следует использовать в каждом конкретном случае.

Таблица 1.2 Практический коэффициент полезного действия раз­личных энергетических систем

Энергетические системы	Коэффициент рентабельности
1. Отопление помещений:
Прямая солнечная энергия	5,8
Природный газ	4,9
Нефть	4,5
Активная солнечная энергия	1,9
Газификация угля	1,5
Теплоснабжение за счет электрического сопро- тивления (угольная станция и на природном газе) Теплоснабжение за счет электрического сопро-
	0,4
тивления (АЗС)	0,3
2.Высокотемпературное промышленное тепло:
Уголь, добытый открытым способом	28,2
Уголь, добытый закрытым способом	25,8
Природный газ	4,9
Нефть	4,7
Газификация угля	1,5
Сконцентрированная солнечная энергия	0,9
3. Транспортировка:
Природный газ	4,9
Бензин	4,1
Биотопливо (этиловый спирт)	1,9
Нефтяной сланец	1,2