Энергетическая проблема.

Энергетическая проблема остается одной из наиболее острых. Это объясняется, во-первых, растущим разрывом между высокими темпами развития энергоемких производств развитых (а в ближайшей перспективе и развивающихся) стран и запасами невозобновимых энергоресурсов (нефть, газ, уголь); во-вторых, негативными экологическими последствиями разви­тия энергетики при сохранении традиционной структуры топ­ливно-энергетического баланса (ТЭБ), при резком преоблада­нии загрязняющих видов топлива (около 85% ТЭБ). Оба эти аспекта тесно взаимосвязаны, так как применение возобнови­мых (альтернативных) источников энергии могло бы значи­тельно облегчить и ресурсную и экологическую напряжен­ность в мире.

Бурно развивающаяся экономика на рубеже XX—XXI сто­летий требует все больших энергетических затрат. Наука предупреждает, что при современных объемах энерго­потребления разведанных запасов органического топлива на Земле хватит примерно на 150 лет, в том числе нефти — на 35, газа — на 50 и угля — на 425 лет (точка отсчета — 1990 г.). Иногда эти прогнозы, высказываемые различными учеными, несколько не совпадают, однако лишь несколько, что, естественно, не придает человечеству дополнительного оптимизма. Таким образом, ограниченность природных запа­сов углеводородного сырья составляют сегодня главный стер­жень глобальной энергетической проблемы.

Конечно, по мере расширения поисковых работ достовер­ные запасы нефти, газа, угля, сланцев возрастают, но это сла­бое утешение. Во всем мире переходят к разработке месторож­дений сырья, менее продуктивных или расположенных в труднодоступных районах со сложными природными усло­виями, что сильно удорожает добычу. Так, эксплуатация нефти с буровых платформ на шельфе Мирового океана обхо­дится гораздо дороже, чем на богатейших месторождениях Ближнего Востока. Во многих странах массовое бурение на нефть и газ ведется уже на глубинах 5—6 км. Истощение ресурсов заставляет вырабатывать ресурсосберегающую поли­тику, широко использовать вторичное сырье.

Впервые об энергетической проблеме заговорили в середине 70-х годов, когда на Западе разразился экономический кри­зис. В течение многих лет нефть оставалась самым дешевым и доступным видом топлива. Благодаря ее дешевизне стоимость энергии долго не изменялась, хотя ее потребление нарастало очень быстро. Арабские нефтедобывающие страны воспользо­вались продажей нефти как «политическим оружием» в борь­бе за свои права и резко повысили на нее цены. Таким обра­зом, основу энергетического кризиса составляли причины не только экономические, но и политические, социальные. Кри­зис знаменовал собой конец эпохи дешевых источников энер­гии. Было поставлено под сомнение использование нефти и газа в качестве энергетических ресурсов будущего. Напо­мним, что эти ресурсы — ценнейшее сырье для химической промышленности.

Итак, сегодня энергетика мира базируется на невозоб­новляемых источниках энергии — горючих органических и минеральных ископаемых, а также на энергии рек и атома. В качестве главных энергоносителей выступают нефть, газ и уголь. Ближайшие перспективы развития энер­гетики связаны с поисками лучшего соотношения энергоно­сителей с попытками уменьшить долю жидкого топлива.

Основным видом энергоресурсов пока еще остается мине­ральное топливо — нефть, газ, уголь. Правда, доля этих источни­ков должна снижаться за счет развития атомной энергетики, основанной на использовании «тяжелого» ядерного топлива — расщепляющихся изотопов урана и тория. Но и эти ресурсы не­возобновимы: по некоторым данным, урана хватит всего лишь на несколько десятилетий.

Естественно, внимание наше обращается к возобновимым ис­точникам энергии. Среди них сейчас наибольшее практическое значение имеет «белый уголь» — энергия водных потоков. Одна­ко ее место в современном энергетическом балансе очень скром­ное: гидроэлектростанции дают менее 6% общемировой выра­ботки энергии. Полное использование гидроэнергоресурсов мира могло бы обеспечить только половину современных потребностей в электроэнергии. Но далеко не везде сооружение ГЭС техниче­ски осуществимо и экономически целесообразно. Во многих стра­нах гидроэнергетический потенциал уже почти полностью исчерпан.

Пути решения энергетической проблемы.

1. Экономия энергии. Она может осуществляться несколькими путями. Прежде всего — это изменения в структуре промышленности. По мере того как люди становятся богаче, технологические процессы, кото­рые требуют большого количества энергии (напри­мер, превращение сырья в цемент, сталь, алюминий и т. д.), занимают все меньшую долю в расходах по­требителей. Наиболее энергозатратные отрасли про­мышленности просто закрываются или переводятся в более бедные страны. Доля промышленности в ВВП индустриально развитых стран уже сократилась с 37% в 1974 г. до 30% в 2000 г.

Технически возможно намного более экономное ис­пользование энергии. Большинство стран могли бы сократить потребление энергии на 10—20% только путем применения наиболее эффективных техноло­гий, которые уже сейчас имеются на рынке. Крупные эксперты США в данной области полагают, что их страна могла бы сократить потребление электроэнер­гии на три четверти (!), если бы она использовала наи­более эффективные осветительные приборы, моторы, бытовую электротехнику и изоляционные матери­алы, которые имеются сейчас на рынке.

Особенно велики резервы для экономии энергии в таких странах и регионах мира, как СНГ, Восточная Европа, Индия. Некоторые ученые считают, что по­вышенная энергоемкость производств в бедных стра­нах — следствие низких цен на большинство энерго­носителей. Специалисты Международного банка ре­конструкции и развития (МБРР), который является самым крупным инвестором в производство электро­энергии в развивающихся странах, указывают, что тарифы на электроэнергию в развивающихся странах наполовину ниже, чем в индустриально развитых. Так, в Индии эти цены составляют около 40% сред­них мировых цен, а в других странах — еще меньше. Низкие цены на энергоносители неизбежно увеличи­вают потребление энергии.

2. Альтернативные источники энергии. Сторон­ники ускоренного развития нетрадиционных источни­ков энергии обычно ссылаются на их экологическую чистоту. Утверждения эти не всегда убедительны. Еще никто не представляет экологических последствий широкомасштабного использования солнечной, ветро­вой, геотермальной энергии. Однако многие их пре­имущества очевидны.

Энергия ветра все более приближается по стоимос­ти к энергии, получаемой в результате сжигания ис­копаемого топлива. За последние 30 лет ее стоимость упала с 30 до 4—5 центов за кВт • ч на лучших ветро­вых электростанциях. По имеющимся прогнозам, уже в 2060 г. ветер и солнце будут покрывать полови­ну мирового спроса на электроэнергию. Негативные стороны ветровой энергетики — мощный гул, изда­ваемый ветроэнергетическими установками, гибель птиц, попадающих в них, а также непостоянство вет­ровых потоков (нет ветра — нет энергии). Кроме того, при широкомасштабном применении: ветровой энер­гии будет происходить нарушение теплового баланса вследствие изменения условий переноса тепла вдоль земной поверхности.

Энергия солнца, безусловно, может сыграть очень важную роль в решении энергетических проблем некоторых пустынных районов и, возможно, даже не­которых южных стран в целом. Но решить энерге­тическую проблему она не в состоянии: сказываются рассеянность солнечной энергии и необходимость со­оружения колоссальных по площади и расходу мате­риалов энергетических установок. Кстати, широко бытующее утверждение об экологической чистоте солнечной энергетики не совсем верно. В процессе до­бычи огромного количества сырья для создания энер­гетических установок, его последующего обогащения и получения энергии будет происходить существен­ное загрязнение окружающей среды токсичными со­единениями.

Роль энергии приливов и геотермальной энергии в отдаленном будущем недостаточно ясна. Высокие за­траты на сооружение приливных и геотермальных электростанций, их жесткая географическая привя­занность не оставляют больших надежд на повыше­ние их доли в суммарном производстве электроэнер­гии в мире.

3. Топливо будущего — водород? Проанализируем преимущества этого энергоносителя. Некоторые уче­ные пришли к выводу, что «изжившие себя традици­онные углеводородные топлива» должны быть заме­нены водородом. Это экологически чистое топливо может найти непосредственное применение для ото­пления городов, производства электроэнергии для бытовых нужд, черной металлургии, химической и других отраслей промышленности. Так, применение жидкого водорода позволяет создать гиперзвуковые пассажирские самолеты, способные лететь со ско­ростью порядка 10—12 тыс. км/ч. Испытания по­казали, что даже при 5—10% -ной добавке водорода к основному топливу двигатель устойчиво работает на всех режимах, токсичность выхлопных газов резко снижается за счет увеличения полноты сгорания сме­си, КПД двигателя увеличивается, а экономия горю­чего доходит до 40%.

Авторы идеи предлагают отказаться от передачи электроэнергии на дальние расстояния. Электричест­во, утверждают они, нельзя аккумулировать в боль­ших количествах, в то время как водород можно на­капливать, в частности, в огромных подземных хра­нилищах. Приводимые в специальной литературе расчеты свидетельствуют, что использование «водородопроводов» в 10—15 раз дешевле передачи того же количества энергии по линиям электропередачи.

Теперь рассмотрим недостатки водорода как энер­гоносителя. Хотя водород — самый легкий газ (он в 14 раз легче воздуха, а жидкий водород в 13 раз легче авиационных топлив) и очень калорийное топливо (при его сгорании энергии выделяется в 3 раза боль­ше, чем при сгорании лучших сортов бензина), в жид­ком состоянии он находится при крайне низких тем­пературах — порядка -253 "С. Бак с жидким водоро­дом будет быстро нагреваться, а водород испаряться. Для предотвращения испарения водорода стенки бака должны быть покрыты специальной многослойной изоляцией, которая подобна обычному термосу с большим числом отражающих экранов. Это приводит к увеличению объема водородных баков и необходи­мости конструирования новых емкостей.

Существенным тормозом для широкого использо­вания водородного топлива является его дороговизна по сравнению с ископаемым углеводородным сырьем. Конечно, по мере истощения последнего рентабель­ность производства водорода будет повышаться, но се­годня это плохое утешение. Не до конца ясны источ­ники получения водорода, поскольку Мировой океан может служить таким источником лишь гипотетиче­ски, а перерабатывать ископаемое углеводородное сырье в водород вряд ли целесообразно.

Наконец, существует психологический барьер на пути использования водорода в качестве горючего из-за боязни взрывов. Можно, конечно, преодолеть это предубеждение, как преодолели боязнь взрывов бензина в баке автомобиля, существовавшую на заре ав­томобилестроения, однако при авариях автомобилей с водородным топливом последствия могут быть дей­ствительно тяжелыми.

4. Использование реакторов на быстрых нейтро­нах. Научные поиски в области получения ядерной энергии в какой-то мере связаны с попытками совер­шенствования реакторов на быстрых нейтронах. Из­вестно, что запасы природного урана не бесконечны, и если в дальнейшем будут использоваться реакторы современного типа, то урана хватит на 20—30 лет. Если же перейти на реакторы на быстрых нейтронах, то выход энергии увеличится в 40—60 раз благодаря выработке нового ядерного топлива — плутония. (Это равносильно увеличению во столько же раз срока ис­черпания ресурсов урана.)

Однако реакторы, работающие на плутонии, отли­чаются большой реактивностью, быстрым измене­нием количества выделяемой энергии, что на много порядков увеличивает возможность взрыва. Следует помнить, что именно плутоний используется для со­здания ядерного оружия и распространение АЭС на быстрых нейтронах создает благоприятные условия для ядерного терроризма. США еще в 1977 г. отказа­лись от использования «быстрых* реакторов и пре­кратили ассигнования на разработку и строительство первой американской АЭС подобного типа. В услови­ях нестабильной России сооружение подобных АЭС также вряд ли окажется разумным — так полагают отдельные ученые.

5. Использование термоядерной энергии. Часть ученых настойчиво отстаивает идею получения энер­гии при помощи реакции термоядерного синтеза. Если при распаде 1 г урана-234 выделяется столько же энергии, сколько получается при сгорании 3 т уг­ля, то в результате синтеза 1 г дейтерия (продукт тер­моядерного синтеза) выделяется столько же энергии, сколько получается при сгорании 100 т угля. Как известно, термоядерные реакции происходят на Солнце, в результате чего в пространство выделяется огром­ное количество света и тепла. Но одно дело звезда, и совсем иное — планета. На Земле главный вопрос — это в чем содержать вещество, нагретое до температу­ры в миллионы градусов, поскольку ни один реактор, сделанный из любого известного вещества, не выдер­жит подобных условий.

Академик А. Д. Сахаров в свое время предложил гениальную идею: раскаленное до миллионных тем­ператур вещество (плазму) можно удерживать «на ве­су» с помощью магнитного поля. Однако на практике долго и надежно удерживать плазму удается не все­гда, хотя необходимая для термоядерной реакции температура при экспериментах была превышена в десятки раз (в советских установках для получения горячей плазмы — токамаках — удалось достичь ре­кордной температуры в 400 млн градусов Цельсия). В мире существует проект создания Интернациональ­ного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), в котором приняли участие страны ЕС, Япо­ния и Россия. Предполагалось, что в 2003 г. будет по­строена первая термоядерная электростанция. Одна­ко вопросов здесь больше, чем ответов. Возникает и проблема утилизации радиоактивных отходов, и про­блема дефицита на Земле необходимого для осуществ­ления термоядерного синтеза гелия-3 и т. д. Таким образом, в ближайшем будущем идея использования в энергетике реакции термоядерного синтеза имеет скорее фантастические, чем реальные контуры.