1.8 Потребление энергии: тенденции и перспективы

Самое высокое среднесуточное потребление энергии на душу населения в мире приходится на и США составляет около 1,3∙10⁶ кДж. Это количество энергии приблизительно в 100 раз превышает наши энергетические потребности в пище. Потребление энергии с каждым годом растет, что показано на рис. 1.6. В настоящее время почти 30 % ежегодно произ-

Рис. 1.6. Ежегодное потребление энергии в США (1 Btu = 1,05 кДж).

водимой в мире энергии потребляется в США. Относительная роль различных источников энергии со временем изменяется. До середины XIX века около 90 % потребляемой энергии получали из древесины. Постепенно повышалась роль угля, который к 1910 г. давал уже 75 % потребляемой энергии. В настоящее время на долю природного газа приходится 31 %, на долю нефти 46 %, на долю угля 19 % потребляемой энергии; около 2 % энергии дают

гидроэлектростанции и несколько больше 2 % - атомные электростанции. Самая большая проблема, связанная с использованием горючих ископаемых, заключается в том, что, в конце концов, мы полностью истощим их. При этом нам придется пользоваться все более дорогостоящими источниками этих видов топлива.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ БУДУЩЕГО

Согласно некоторым оценкам, к концу XX века существующие запасы нефти и природного газа должны полностью истощиться, если не появятся другие источники энергии или не уменьшится ее потребление в расчете на душу населения. Этим определяется значительный интерес к созданию новых источников энергии. В настоящее время много усилий сосредоточено на исследовании возможностей использования ядерной и солнечной энергии и на разработке способов более эффективного использования угля. Проявляется также интерес к использованию геотермальной энергии (тепловой энергии, поступающей из недр земли), энергии ветра и морских приливов. Эксперты предсказывают, что каждый из этих трех источников энергии может внести небольшой, но важный вклад в общий баланс энергии, но в целом они не окажут решающего влияния на обозримое будущее, и поэтому мы не обсуждаем их подробнее. Здесь мы лишь кратко остановимся на проблемах использования энергии угля и солнечной энергии.

Запасы угля превышают запасы всех остальных горючих ископаемых; на его долю приходится 80 % запасов горючих ископаемых в США и 90 % во всем мире. Однако использование угля сталкивается с целым рядом проблем. Из всех видов топлив уголь вызывает максимальное загрязнение атмосферы. Его добыча нередко бывает дорогой и небезопасной. Месторождения угля могут находиться далеко от районов его потребления; так, в США большая часть неиспользованных богатых залежей угля находится в западной части страны, а потребители энергии сосредоточены большей частью вдоль восточного побережья; транспортировка угля на большие расстояния еще больше повышает его стоимость. Некоторые специалисты утверждают, что уголь можно было бы использовать более эффективно, если превратить его в газ, который называют синтетическим газом («сингаз»). В процессе превращения из угля можно удалить серу, что должно уменьшить загрязнение воздуха при последующем сжигании синтетического газа. Синтетический газ легко транспортировать по трубам, и он может восполнить наши уменьшающиеся запасы природного газа. Газификация угля требует добавления к нему водорода. Для этого уголь измельчают в пыль, которую обрабатывают перегретым паром. Продукт содержит смесь СО, Н₂ и СН₄, и все эти вещества можно использовать в качестве топлив. Однако условия процесса подбирают таким образом, чтобы получить максимальный выход СН₄. Упрощенная схема важнейших реакций, протекающих в этом процессе, показана на рис. 1.7.

Солнечная энергия является самым большим источником энергии в мире. Солнечная энергия, падающая только на 0,1 % сухопутной территории США, эквивалентна всей энергии, потребляемой в США в настоящее время. Трудность использования солнечной энергии заключается в том, что она очень рассеяна, непостоянна во времени и зависит от погодных условий. Устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую, в настоящее время еще недостаточно эффективны. Один из возможных способов использования солнечной энергии заключается в создании «плантаций энергии». На таких плантациях можно быстро выращивать большие урожаи различных растений, сжигая затем эти растения для получения энергии. Солнечная энергия в настоящее время может служить как вспомогательное средство для обогрева жилищ совместно с традиционными; использование солнечных водонагревательных устройств и продуманное расположение стен и окон домов помогает создавать и поддерживать в жилищах необходимую температуру.

Рис. 1.7. Важнейшие стадии процесса газификации угля для получения синтетического газа. Катализатор представляет собой вещество, способное повысить скорость реакции, но не расходуемое в ней.

В заключение обсуждения отметим, что наше основное внимание было сосредоточено на предотвращении энергетического кризиса путем создания новых источников энергии.

Однако к решению этой проблемы можно подойти и с другой стороны - снижая уровень потребления энергии на душу населения и непроизводительные затраты энергии. Такой путь экономии энергии, возможно, представляет собой наиболее разумный выход из положения.

МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

Важнейшие понятия и термины

К важнейшим понятиям и выражениям, впервые использованным в данной главе, относятся следующие:

Джоуль, Дж - единица энергии в системе СИ, равная 1 кг∙м²/с².

Калория, 1 кал = 4,184 Дж, 1 ккал = 1 Кал = 1000 кал.

Закон аддитивности теплот реакций Гесса - теплота, выделяемая в каком-либо процессе, может быть представлена в виде суммы теплот нескольких процессов, суммирование которых дает рассматриваемый процесс.

Кинетическая энергия - энергия, которой обладает тело вследствие своего движения относительно других тел.

Окружающая среда - часть Вселенной, остающаяся после выделения из нее системы, в наблюдении которой мы заинтересованы.

Первый закон термодинамики - при любом процессе полная энергия Вселенной остается постоянной. Этот закон известен также под названием закон сохранения энергии.

Потенциальная энергия - энергия, которой обладает тело вследствие своего положения относительно других тел или вследствие своего строения. Химическая энергия - одна из форм потенциальной энергии.

Система - та часть Вселенной, которую мы выделили для изучения. Следует точно определять, что именно относится к системе, и какой обмен энергии возможен между ней и окружающей средой.

Теплоемкость тела - определяется как количество теплоты, необходимое, чтобы повысить его температуру на 1 ⁰С.

Удельная теплоемкость вещества - теплоемкость, приходящаяся на 1 г массы этого вещества; например, удельная теплоемкость графита при 20 ⁰С равна 0,740 Дж/(⁰С∙г). Молярная теплоемкость вещества - его теплоемкость, приходящаяся на моль данного вещества. Относительная теплоемкость - отношение удельной теплоемкости вещества к удельной теплоемкости воды.

Теплота образования вещества - количество теплоты, выделяемое при образовании вещества из элементов.

Термодинамика - наука об энергии и ее превращениях.

Функция состояния - любое свойство системы, которое определяется заданным состоянием системы.

Эндотермический процесс - процесс, при котором система получает теплоту от окружающей среды.

Энергия - способность выполнять работу или переносить теплоту.

Экзотермический процесс - процесс, при котором система теряет теплоту в окружающую среду.

Энтальпия - теплосодержание системы.

Изменение энтальпии - это теплота, поглощаемая или выделяемая в реакции, происходящей при постоянном давлении.