19.2 Энергетика. Современные проблемы

Известно, что энергия может быть преобразована из одной формы в другую. Превращение энергии присутствует в самых разных процессах, происходящих во вселенной, будь то процесс газового обмена и роста растений, промышленное производство или взрывы звезд. Энергия может существовать в нескольких формах. Так, движущиеся объекты, например автомобиль, обладают кинетической энергией, величина которой зависит от скорости и массы объекта. Энергия может быть также термальной или тепловой; основой для определения величины этого типа энергии является температура теплонесущего тела. Энергия может сохраняться в течение бесконечно долгого промежутка времени, т. е. она может «запасаться». Пища, древесина и нефть являются примерами материи, способной сохранять энергию в течение долгого времени до того момента, когда произойдет ее превращение, например, в тепло. Другой пример запасов энергии – вода в водохранилищах при гидроэлектростанциях. Некоторые из таких форм запасов энергии называются источниками энергии.

Природные источники энергии подразделены на две группы: относительно неисчерпаемые и исчерпаемые. В первую включены: ядерная реакция, солнечная энергия, энергия ветра и рек, морских приливов. Запасы их практически неисчерпаемы. Вторую группу составляют: минеральные топливные ресурсы (уголь, нефть, газ, сланцы, торф, уран). Мировой энергетический баланс складывается главным образом из источников энергии второй группы. Общие запасы минеральных (горючих) источников энергии по мере использования уменьшаются, а создание их в недрах Земли происходит чрезвычайно медленно, несопоставимо с темпами добычи и продолжительностью человеческой жизни.

Современные энергосистемы являются неотъемлемым компонентом инфраструктуры общества, в особенности в промышленно-развитых странах. Классификация использования энергии потребителями имеет общий характер. Традиционно рассматривается использование энергии в отдельных экономических секторах общества: в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в частном, коммерческом и других секторах (банках, офисах, больницах, учебных и культурных заведениях). В развитых странах соотношение между разными потребителями энергии составляет: на транспорте и в промышленности примерно по 32%. Доля других потребителей энергии равна около 35%. В развивающихся странах соотношение имеет другой вид. На протяжении десятков лет наблюдается рост потребления электроэнергии. Причины этого разнообразные: в связи с ростом промышленности, сельскохозяйственного производства, развитием транспорта. Некоторые другие причины были изложены в лекции академика П. Л. Капицы «Глобальные проблемы и энергия», прочитанной в 1976 г. в Стокгольмском университете. Им отмечено, что рост потребления энергии связан с ростом материального уровня жизни людей в развитых странах, а также благодаря необходимости поднять уровень жизни в развивающихся странах. Истощение запасов минерального сырья, необходимого для промышленности, главным образом металлов, таких, как серебро, олово, медь, приводит к необходимости их извлечения из более бедных по содержанию руд. Уже сейчас оказывается необходимым добывать некоторые металлы (как, например магний), растворенные в морской воде. Это требует на единицу веса больших энергозатрат. Потребление энергии возрастает при борьбе с загрязнением окружающей среды, которое происходит в глобальном масштабе и принимает угрожающие размеры. Известно, что технологические процессы, при которых отсутствуют вредные выбросы (в таких производственных процессах, как, например, бумажное), ведут к увеличению потребления энергии. Дальнейшее повышение эффективности сельского хозяйства требует производства минеральных удобрений, что также приводит к росту энергетических затрат. В общем, большая роль энергетики в развитии материальной культуры человечества и объясняет, почему мировое потребление энергии растет.

Рост потребления энергии связан с необходимостью решения ряда возникающих глобальных проблем. Процессы превращения энергии, имеющие место в обществе, связаны не только с потерями в виде непригодной к использованию энергии, но также и с эмиссией веществ, вредных для окружающей среды. Для большинства операций, осуществляемых с помощью энергетики, используют энергию невозобновимых источников, как ископаемое топливо. Так как основным источником энергии является главным образом нефть и уголь, то сегодня продолжает оставаться актуальным загрязнение среды. При сгорании топлива в атмосферу выбрасываются такие вредные вещества, как оксиды азота, серы, улеводороды и твердые частицы (сажа). Эти вещества являются причиной таких процессов, как закисление почвы и воды, евтрофирование. Увеличение содержания в атмосфере отдельных веществ, к примеру, диоксида углерода, служит одной из причин возникновения парникового эффекта – экологической проблемы глобального характера. Более того, использование в качестве источников энергии прежде всего невозобновимых источников, темпы возобновления которых во много раз ниже темпов их добычи, показывает на несбалансированность современных энергетических систем. Необходимо коренное преобразование энергосистем.

Существенное значение в разрешении энергетических проблем имеет использование возобновимых источников энергии. Ими являются: энергия ветра, гидроэнергия, солнечная, термальная, фотоэлектрическая энергия (последняя используется в электронных приборах, наручных часах, калькуляторах, на маяках, в горных регионах). Некоторые технологии использования нетрадиционных видов энергии уже являются конкурентно-способными. Так, общая устойчивая мощность ветровых установок за период 1994–1995 гг. увеличилась вдвое (с 2000 до 4000 МВТ). Особенно широко они применяются в Калифорнии, Дании, Нидерландах, Индии, Германии. Этанол, вырабатываемый из сахарного тростника, с успехом используется в качестве моторного топлива в Бразилии.

Перспективной технологией является прямое преобразование солнечной энергии в тепловую или электрическую. При увеличении отдачи и уменьшении затрат использование солнечной энергии существенно растет. Основными факторами, которые должны учитываться при использовании различных источников энергии, и которые в конечном итоге определяют будущее развитие энергетики, являются следующие: это потребности в том или ином виде энергии (механическая, электрическая, тепловая, химическая и т. д.); энергетические ресурсы, их степень универсальности для использования, воздействие на окружающую среду; годовая мощность источников энергии и плотность потока, ими создаваемая; энергоотдача, т. е. отношение количества энергии, полученного от преобразователя за срок службы, к количеству энергии, затраченной на создание данного преобразователя и его эксплуатацию. Совершенно очевидно, что данная величина должна быть больше единицы и она является важнейшим экономическим параметром.

Разнообразие условий, оказывающих влияние на развитие энергетики, неравномерность их распределения по земному шару, показывает сложность проблемы прогнозирования потребностей в энергетических ресурсах на дальнюю перспективу. Перечислим факторы, которые положены в основу прогнозов, сделанных в конце 70-х годов. Они наиболее четко изложены в геометрической прогрессии и за последнее пятнадцатилетие прирост составляет 5% в год. Это наиболее высокий показатель роста в мировом народном хозяйстве, и всюду капиталовложения в энергетику являются доминирующими. Однако последующие годы привели к изменению этой точки зрения. Основной урок, который может быть сделан из анализа процессов, характерных для предыдущих десятилетий, – это расточительность, с которой ведет человечество свое энергетическое хозяйство, и ему следует с большим уважением относиться к «эволюционному опыту» природы.

Таким образом, энергосистемы ассоциируются с целым рядом проблем, такими как уменьшение запасов ресурсов, загрязнение окружающей среды. Для того, чтобы выполнить международные соглашения по устойчивому развитию (Повестка на XXI век) и охране окружающей среды, необходимо, чтобы энергетические проблемы стали более сбалансированными. Главным условием этого является увеличение эффективности использования энергии во всех секторах общества. Сегодня существует много технических и организационных возможностей, реализовав которые, можно обеспечить основные и неосновные потребности, используя значительно меньшее по сравнению с настоящим количество энергии. Необходимо использовать нетрадиционные источники энергии.

Проблемы энергетики служат предметом обсуждений на международном уровне. Имеются международные организации: МАЭ – Международное агентство по энергии, ВСЭ – Всемирный совет по энергии.