2. Энергетические ресурсы.

Между биосферой и техносферой нет конкуренции за ресурсы недр. Экологические проблемы создаются скорее их избыточной эмиссией. Вмешательство техногенеза в вещественно-энергетиче­ский баланс планеты постоянно нарастает и достигло угрожаю­щего уровня. Это обусловлено:

1) воздействием на раститель­ность (массу и эффективность) главного преобразователя солнеч­ной энергии и двигателя биотического круговорота на Земле;

2) тепловым загрязнением атмосферы;

3) химическим загрязнением среды и изменением спектральной прозрачности атмосферы.

Главным источником указанных угроз является использование не­возобновимых топливных ресурсов недр.

Разведанные запасы ископаемого топлива, т.е. количества, которые могут быть добыты из недр при совре­менных технологиях, почти на два порядка меньше геологической оценки их суммарного содержания в земной коре. Преобладающая масса содержится в рассеянных месторождениях горючих сланцев, где концентрация углеводородов ниже 3%. Реальные эксплуатаци­онные запасы в два-три раза меньше разведанных. Доступные за­пасы нефти и газа примерно на два порядка превышают их совре­менное годовое извлечение, запасы угля — на три порядка. Соот­ношение энергии используемых угля, нефти и газа в настоящее время близко к 35 : 43 : 22. Решающее влияние на объем добычи топлива оказывает пока еще не конечность запасов, а растущий спрос и политика цен.

Месторождения ископаемых топлив расположены неравно­мерно. Но 1/3 потенциальных мировых запасов угля и газа и более 20% нефти находятся в России. Почти 35% нефти и около 17% газа сосредоточено на Среднем Востоке. Большими по­тенциалами угля, газа и нефти богата Северная Америка. Эти три региона располагают почти 70% разведанных мировых запасов ис­копаемого топлива. Еще не полностью оцененные большие поля месторождений нефти и газа расположены в районах континен­тального шельфа и континентального подножия морей Северного полушария.

Добыча топлива сопровождается извлечением и перемещением большой массы пустой породы, подземных вод, использованием значительных объемов воды и вспомогательных материалов при бурении скважин, сжиганием больших объемов попутного газа и т.п. На 1 т шахтного угля приходится обычно от 50 до 100 т пус­той породы, а при открытых разработках может быть еще в не­сколько раз больше.

Кроме ископаемого топлива в странах Азии, Африки и Южной Америки продолжается использование довольно большого количе­ства растительного топлива, в основном древесины. Хотя этот вид топлива, строго говоря, не относится к невозобновимым ресурсам, в ситуации сокращения площади лесов он должен быть причислен скорее именно к ним. По данным Энергетической Комиссии ООН (1988), эти преимущественно некоммерческие источники вместе с таким топливом, как биогаз, составляют не менее 9% всей топливной энергетики мира. Таким образом, суммарное ко­личество энергии, получаемое за счет ископаемых и современных биогенных энергоресурсов, составляет около 12,6 млрд. т у. т. в год (370 ЭДж/год); общая их мощность 11,7 ТВт.

Весь потенциал ископаемых топлив, отраженный в итоге пер­вого столбца табл. 6.7, конечно, колоссален по масштабам челове­ческой энергетики, но его реальная доступность даже в будущем вряд ли превысит доли процента. А по масштабам земного бюдже­та солнечной энергии (2,5 млн. ЭДж/год) этот потенциал не так уж велик: он немного превышает четырехлетний приток. Следует, однако, помнить, что земные запасы угля, нефти и газа сложились за несравненно большее время, минимум за 200—250 млн. лет. По­этому топливо, на образование которого в палеозое уходило не­сколько тысяч лет, мы сегодня сжигаем за год.

На втором месте по значению в энергоресурсах техносферы стоит ядерное топливо, главный источник которого — ископаемый уран. Большая часть урана в литосфере сильно рассеяна. По дан­ным Мировой энергетической конференции (МИРЭК), общие геологические рудные запасы урана составляют 20,4 млн. т, в том числе разведанные — 3,3 млн. т. Содержание урана .в породах большинства месторождений, имеющих перспективное коммерче­ское значение, колеблется от 0,001 до 0,03%. Поэтому приходится производить значительное рудное обогащение. Природный уран на 99,3% состоит из изотопа U-238 и содержит только 0,7% изотопа U-235, в котором возможна самопроизвольная цепная реакция. Для промышленных целей производят изотопное обогащение ура­на с доведением содержания U-235 до 3%. Такой уран (в основ­ном в виде UO₂) используется в большинстве современных реак­торов.

При расходовании 1 кг урана в активной зоне реактора выде­ляется в зависимости от физических условий до 65 ТДж теплоты. Это соответствует сжиганию 2300 т угля. Если в качестве перспек­тивного ресурса принять разведанные запасы, то общее количест­во энергии, которое можно получить в реакторах на тепловых нейтронах, составит около 1000 ЭДж. Для реакторов-размножите­лей на быстрых нейтронах, использующих реакцию деления U-238 и нарабатывающих плутоний, этот потенциал может возрасти до 140000 ЭДж и в 2,5 раза превысит сумму разведанных запасов ор­ганических топлив. К несчастью, заметная часть этого ресурса уже переведена в оружейный плутоний и вместе с массами отработан­ных радионуклидов превратилась в потенциал колоссального эко­логического риска. Кумулятивное потребление урана всеми стра­нами за 50 лет приблизилось к 1,5 млн. т. Для этого понадобилось переработать не менее 10 млрд. т горной массы.

В настоящее время в мире работает более 400 реакторов АЭС с суммарной тепловой мощностью около 1200 ГВт. Они потребляют за год около 60 тыс. т урана, а их доля в общем техногенном выде­лении теплоты от использования невозобновимых энергоресурсов составляет 10%. Техника термоядерного синтеза пока еще не обра­зует реального ресурса техносферы.

Хотя использование невозобно­вимых энергоресурсов ископаемых топлив создает самые серьез­ные экономические и экологические проблемы, человек намного меньше использует возобновимые энергоресурсы природы. Не пото­му, что они меньше (они намного больше), а потому, что их ко­лоссальная энергия непостоянна, распределена на больших про­странствах, мало концентрирована и плохо поддается контролю. Сознавая мощь стихий, человек предпочитает бензобак, ружье, электропровод или лазерный луч, где энергия сжата, канализована и находится в его полной власти.

Еще в 1978 г. резолюцией Генеральной Ассамблеи ООН было введено понятие «новые и возобновляемые источники энергии» (НВИЭ), включавшее гидроэнергию, солнечную, геотермальную, ветровую, энергию морских волн, приливов и океана, энергию биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, бутуминозных песчаников.

Геофизические ресурсы энергии очень велики. Только близкие к поверхности суши и океана перемещения воздушных и вод­ных масс имеют мощность порядка 25 ПВт, что в 2000 раз больше топливной мощности техносферы. Принципиальное от­личие этих ресурсов от топливных заключается в том, что их использование само по себе не сопровождается загрязнением среды и не может повлиять на суммарный тепловой баланс планеты. Однако это совсем не означает их экологической ней­тральности: эти ресурсы не могут быть ощутимо затронуты без того, чтобы не наступили трудно предсказуемые изменения климата и географической среды.

Гидроэнергия стоит на первом месте среди возобновимых ресур­сов техносферы. По существу она представляет собой часть кине­тической энергии массы осадков. Теоретический потенциал мате­рикового стока близок к 6 ТВт (190 ЭДж/год). Реальный гидро­энергетический потенциал всех рек мира оценивается в 2,9 ТВт. Фактически в настоящее время для выработки гидроэлектроэнер­гии используется менее 1 ТВт. В мире работают десятки тысяч ГЭС с общей электрической мощностью 660 ГВт. Для их работы на реках созданы водохранилища, часто целые каскады водохра­нилищ. Поскольку возраст большинства гидроэнергетических уз­лов насчитывает несколько десятилетий, а срок их амортизации колеблется от 50 до 200 лет, можно предвидеть немало проблем, связанных с реконструкцией гидроузлов. На рост использования гидропотенциала уже сейчас накладывается ряд экономических и экологических ограничений. Они же являются и препятствием для сколь-нибудь значимого использования энергии поверхностных океанских течений, которая в глобальном масштабе еще не оцене­на, и энергии приливов, равной гидропотенциалу рек.

Суммарная оценка мощности устойчивых ветров в нижних слоях атмосферы имеет порядок 5 ТВт. Технически возможный объем ветроэнергетики мал по сравнению с этой величиной (максимальная оценка для 2020 г. равна 288 ГВт — «Энергетика мира») и вряд ли составит более 1% всей энергетики техносферы, хотя в отдельных странах эта доля может быть намного больше.

Так, в Дании ветросиловые установки обеспечивают уже более 3,7% выработки электроэнергии. Общая установленная электриче­ская мощность ветроэнергетических установок промышленного типа в мире сейчас достигла 11 ГВт и, вероятно, будет увеличи­ваться.

Геотермальная энергия Земли, обусловленная радиоактивным распадом в недрах, в целом оценивается мощностью около 32 ТВт. Если бы ее выход к поверхности земли был равномерным (т.е. со­ставлял 0,063 Вт/м²), то она была бы непригодна для использования. Однако значительные ее выходы локализованы в районах вулканической активности, где концентрация подземного тепла во мнoro раз больше. По результатам обследования таких районов геотермальные ресурсы мира, в принципе доступные для использования, оценены в 140 ГВт. При этом, имеются в виду только геотермальные выходы, а не нагретые скальные породы. Освоены эти ресурсы пока еще мало. Общая установленная мощность геоТЭС в мире (США, Италия, Новая Зеландия, Мексика, Япония, Исландия, Россия и др.) не превышает 1,5 ГВт (в пересчете на электроэнергию).

Солнечная энергия по сравнению с другими видами энергии обладает исключительными свойствами: практически неисчерпаема, экологически чистая, управляема, а по величине в тысячи раз превосходит всю энергию других источников, которые сможет использовать человечество. Потенциал эксплуатационного ресурса солнечной энергии оценивается по мощности от 100 до 500 ТВт. Из-за малой плотности этой энергии техносфера потребляет ничтожную ее часть. Некоторое количество используется в пассивной форме - для создания благоприятного теплового режима в системах закрытого грунта. Эта форма использования, а также совершенствование технических средств теплового аккумулирования солнечной энергии и тепловых насосов имеют очень большую перспективу. Однако гелиоэнергетиков больше интересуют способы концентрирования солнечной энергии и ее прямое преобразование в электроэнергию. При этом решающее значение имеют такие факторы, как энергетическая освещенность, площадь улавливания, КПД преобразования и эффективность аккумулирования. Технический потенциал использования солнечной энергии оценивается в 500 ГВт. Общая мощность систем прямого преобразования солнечной энергии в настоящее время достигала 4 ГВт, в том числе наземных фотоэлектрических преобразователей — 100 МВт.

Общая структура использования энергоресурсов такова, что относительный вклад различ­ных энергоносителей в общее использование энергии характери­зуется такими средними величинами: уголь — 27%, нефть - 34%, газ - 17%, гидроэнергия — 6%, ядерная энергия — 8,5%, прочие источники — 7,5%. Из 14 ТВт валовой мощности всех первичных источников небольшая часть (1,6%) используется не на энергети­ческие нужды, а как сырье для оргсинтеза. Электроэнергетика за­нимает в настоящее время более 25% энергобаланса техносферы: 3520 ГВт идут на выработку электроэнергии и попутного тепла, причем более 55% теряется в процессе преобразования, а вырабо­танные 1580 ГВт распределяются между электроэнергией и полез­ным теплом в соотношении 2:1. Вклад главных источников в про­изводство электроэнергии таков: уголь — 42%, нефть — 10%, газ — 16%, гидроэнергия — 19%, ядерная энергия — 12%. Доля электро­энергии в конечном потреблении составляет 9,7%.

Остальная суммарная мощность сжигания топлив в различных процессах превышает 9,2 ТВт. Почти половина этой мощности обеспечивается нефтью и нефтепродуктами. На втором месте уголь (24%), затем — газ (18%) и некоммерческое растительное то­пливо (10%). В конечном потреблении эксплуатационной мощно­сти первое место занимает производство (46%), второе — комму­нальное хозяйство вместе со сферами обслуживания, управления и коммерции (37%) и третье — транспорт (17%). Суммарный КПД энергетики техносферы равен 30%. Энергетическая мощность со­временной техносферы по величине приблизительно равна 6% продукционной мощности экосферы (по энергии первичной брутто-продукции) и обладает таким же КПД, но использует во много раз более концентрированные и «грязные» источники.

Усредненная глобальная картина складывается из очень раз­личных энергетик разных стран и регионов. Диапазон различий плотности энергетических потоков (относительно площади или населения разных территорий, стран) очень велик: почти от 0 до 2 МВт/км² (Бельгия) и от 0,5 до 18000 кВт на человека (США). Обеспеченность энергией тесно коррелирует с уровнем жизни на­селения разных стран. Резко различается и качественная структура энергетик: от преобладания растительного сырья в топ­ливном балансе до 65%-ной доли в балансе электроэнергии, полу­чаемой в основном на ГЭС (Норвегия).

В XX в. технический прогресс сопровождался стремительным: ростом энергоемкости различных нужд человека и в настоящее время в развитых странах, несмотря на идеологию и практику энергосбережения люди буквально купаются в энергии. За 100 лет удельные затраты энергии на кондиционирование среды и приготовление пищи увеличились в 8—10 раз, на перемещение (1 человеко- или тонно-километр) — в 15—20 раз, на производство 1 т пшеницы — в 100 раз.

Известно, к каким глубоким изменениям в мировой экономике привел энергетический кризис 70-х годов и повышение цен на нефть. Резко изменилось отношение темпов прироста потребления энергии и валовых национальных продуктов (ВНП). С 1970 по 1985 гг. энергоемкость ВНП США снизилась на 71%, Франции - на 70%, Великобритании - на 72%, Японии - на 78%. Это, однако, не означало снижения потребления энергии. Оно продолжало расти.

В отраженной выше исторической ситуации экономика России оказалась менее эластичной: энергоемкость национального дохода СССР за тот же период снизилась только на 15%. В результате в середине 80-х гг. на единицу национального дохода мы тратили топливных ресурсов в 4,5 раза больше, чем США, и в 6 раз боль­ше, чем Япония. Правда, значительная часть этой разницы неиз­бежна и обусловлена климатическими условиями России — самой холодной из обитаемых стран. Жесткость климата эффективной территории Финляндии, Норвегии, Исландии и Канады заметно меньше, чем в России.