Энергетические проблемы человечества

•Сформулируйте закон сохранения энергии.

•Сформулируйте второй закон термодинамики.

•Приведите пример экзотермических реакций.

•Приведите пример энергозатратных процессов, которые использует человек.

Из второго закона термодинамики следует, что: а) на упорядочение (т. е. снижение энтропии) определённой системы нужно затратить энергию; б) в результате энтропия внешней среды возрастет ещё больше. Поэтому деятельность любых живых организмов требует затрат энергии и так или иначе загрязняет окружающую среду. Первое требование приводит к возникновению энергетических проблем — откуда взять энергию. Второе требование приводит к возникновению экологических проблем — куда девать отходы. Можно даже сказать жёстче: любые принципиально решаемые проблемы в конечном итоге сводятся к энергетическим и экологическим. В этом параграфе мы будем говорить об энергетических проблемах.

На протяжении всех миллиардов лет существования жизни на Земле она использовала два источника энергии: гидротермальную (энергию недр Земли, запасённую во время её образования из протопланетного облака)

иэнергию Солнца. Современные теории происхождения жизни предполагают, что первые организмы могли возникнуть в вулканических гидротермальных источниках или вокруг так называемых «чёрных курильщиков» на дне океана, и получать энергию за счёт реакций компонентов геотермальных вод.

Вгорячих вулканических источниках могут происходить химические реакции, в результате которых из неорганических соединений, таких как угарный газ (CO)

ицианистый водород (HCN), образуются разнообразные органические молекулы, в том числе аминокислоты и простейшие липиды. Катализатором этих реакций служат присутствующие в гидротермальных водах твёрдые частицы, содержащие железо и никель. Реакции особенно хорошо идут при температуре 80—120 °С. Та-

кие условия (включая все компоненты реакционной смеси) вполне могли существовать в гидротермальных источниках на ранних этапах развития Земли.

В2016 г. были опубликованы исследования, согласно которым последний общий предок всех живых организмов (Last Common Universal Ancestor, LUCA), су-

ществовавший примерно 3,8 млрд лет назад, мог быть жителем именно гидротермального источника. LUCA представлял собой анаэробный (живущий в отсутствии кислорода), хемолитоавтотрофный (получающий органические вещества из неор-

104

ганических), термофильный (предпочитающий сравнительно высокую температуру среды) организм.

Однако чёрных курильщиков мало, а солнечный свет доступен по всей поверхности Земли (в среднем 1 кВт/м2). Поэтому, как только возник фотосинтез — процесс, в котором энергия солнца запасается в виде энергии химических связей молекул глюкозы и кислорода, именно фотосинтезирующие организмы стали доминировать в глобальной экосистеме.

На 1 м2 земной поверхности в среднем падает 1 кВт (1 кДж/c) солнеч-

ного света. При фотосинтезе усваивается около 3 % этой энергии. Че-

ловек средней массы потребляет от 80 Вт (в покое) до 400 Вт (при ин-

тенсивных нагрузках).

Человек неспособен напрямую усваивать энергию Солнца. Но он употребляет в пищу фотосинтезирующие организмы (растения), а также животных, которые питались фотосинтетиками, и тем самым опосредованно потребляет энергию Солнца. Когда человек научился разводить огонь, он начал сжигать растительное сырьё, т. е. тоже опосредованно использовал энергию Солнца.

На совершение механической работы тренированный человек средней массы может тратить до 400 Вт. С учётом невысокого КПД мышц его полезная механическая мощность редко превышает 80 Вт. Если же человеку нужна бо´льшая мощность, он может использовать только внешние источ-

ники энергии. Сначала это были разные животные (лошади, быки, волы и т. п.), способные развивать примерно

в 5 раз бо´льшую мощность, чем человек.

Таким образом, с одним волом человек получал пять «энергетических рабов». С началом промышленной революции (XVIII в.) человек научился превращать в работу энергию, которую получал при сжигании дров, угля, а чуть позже — нефти. Всё это так или иначе запасённая энергия Солнца, причём в случае нефти и угля она была запасена сотни миллионов лет назад, когда росли растения, превратившиеся потом в залежи этих ископаемых. В конце XIX в. люди начали строить гидроэлектростанции, превращающие энергию падающей воды в электрическую энергию. Однако энергия падающей воды — это тоже энергия Солнца, которая

105

пошла на испарение воды из океанов и перенос её с ветром. Единственным не связанным с Солнцем источником энергии была гидротермальная энергия, но её использование было крайне ограничено из-за малой доступности гидротермальных источников. Только в 1950-х гг. был разработан мощный способ получения энергии, не связанный с Солнцем: ядерные реакции.

В результате к 2013 г. потребление энергии человечеством (не считая пищи) выросло до 5,7 Ч 1020 Дж, что соответствует средней мощности 1,8 Ч 1013 Вт. При населении Земли 7 Ч 109 человек это составляет примерно

2600 Вт на человека. Таким образом, в среднем у одного человека имеется 32 «энергетических раба». Но распределено это потребление энергии крайне неравномерно. Так, житель США имеет в среднем 115 «энергетических рабов», житель России — 82, а житель Эфиопии — всего 6.

Чуть меньше половины полученной энергии используется в промышленности. Это придание формы изделиям и производство разных веществ и материалов, в первую очередь стали, алюминия (3 % мировой выработки электроэнергии), хлора (ещё 3 %) и т. д. Примерно одинаковое количество энергии используется в транспорте и жилищно-коммунальном хозяйстве. Небольшая часть используется в сельском хозяйстве.

Растущие потребности в энергии ставят вопрос о её источниках. В последние 100 лет основным источником было сжигание горючих ископаемых — угля и нефти. Их залежи, будучи исчерпанными, уже не возобновятся, т. е. это невозобновляемые источники энергии. С исчерпанием доступных месторождений их добыча требует всё больших энергетических затрат. Так, в США на добычу нефти тратится четверть энергии, получаемой с этой нефтью. Рано или поздно добыча нефти станет энергетически невыгодной. Сжигание топлива приводит к росту концентрации углекислого газа, что ведёт к закислению океанов и глобальному изменению климата. Наряду с углекислым газом в атмосферу попадают продукты сгорания примесей (в первую очередь диоксид серы), зола и продукты неполного сгорания. Они загрязняют атмосферу. Транспортировка нефти связана с её постоянными разливами, что ведёт к гибели живых организмов в океанах и на их побережьях.

Ядерная энергия изначально казалась решением энергетической проблемы. Однако, если получать её в результате деления урана или плутония, приходится затрачивать значительную часть полученной энергии на разделение изотопов урана. В результате работы ядерных реакторов образуются радиоактивные отходы. Их нужно как-то захоранивать (причём не на несколько лет, а на десятки и сотни тысячелетий). Кроме того, аварии на атомных электростанциях в Чернобыле (1986) и Фукусиме (2011), сопровождающиеся радиоактивным загрязнением огромных территорий и облучением большого количества людей, поставили вопрос о приемлемости ри-

106

сков, связанных с атомной энергетикой. Более энергетически эффективным

ирадиационно чистым можно считать термоядерный синтез. Однако для его запуска требуются такие температуры, что, несмотря на полувековую работу в этом направлении, провести термоядерный синтез в сколько-ни- будь контролируемых до сих пор условиях не удалось.

Исчерпание ископаемого топлива и риски ядерной энергетики заставляют людей обращать внимание на возобновляемые источники энергии. Наиболее масштабный из них — энергия текущей воды, которая при помощи гидроэлектростанций преобразуется в электрическую энергию. Однако у этого источника тоже есть недостатки: вода в нужных количествах

ис нужным перепадом высот есть далеко не везде, водохранилища затапливают огромные территории, КПД электростанций не превышает 40 %. В прибрежных районах активно используют ветровые генераторы, однако их КПД также невелик и очень сильно зависит от силы ветра. Путь получения биотоплива из растительной массы тоже не лишён недостатков: сырьё содержит много воды, от которой нужно избавляться; эффективность фотосинтеза невелика, из-за чего сырьём для биотоплива приходится засевать огромные площади, которых и так не хватает; переработка биотоплива в жидкое горючее для автомобилей требует дополнительных затрат. В результате затраты энергии на производство биотоплива (включая распашку земель) в некоторых случаях оказываются больше, чем энергия, которую можно получить при его сжигании. В то же время использование биогаза, полученного при гниении растительных остатков (например, соломы), в отдалённых хозяйствах часто вполне рентабельно.

Однако можно вспомнить, что и энергия ветра, и энергия падающей воды, и энергия растительного сырья — это преобразованная солнечная энергия, причём преобразованная с весьма низким КПД. Почему бы в

таком случае не преобразовывать солнечную энергию напрямую? В 2013 г. человечество потребляло в среднем 1,8 Ч 1013 Вт энергии, что эквивалентно энергии солнечного света, падающего на 1,8 Ч 1010 м2. Это одна стотысячная

от всей земной поверхности! Получается, что если сконструировать преобразователи солнечной энергии в электрическую, и эти преобразователи будут иметь достаточный КПД, то энергетическую проблему можно решить с меньшими затратами, чем во всех других случаях. И такие преобразователи уже разработаны: например, в России производятся солнечные батареи с КПД 20 %, что вполне приемлемо. Такие батареи уже вполне рентабельны для автономного энергоснабжения отдалённых хозяйств в районах с хорошим освещением, и в ближайшее время их стоимость будет снижаться. Однако для перевода транспорта на солнечную энергию потребуется кардинальная перестройка всей транспортной инфраструктуры, что очень затратно. Использование солнечной энергии в промышленности затруднено тем, что энергозатратные производственные процессы требуют

107

более концентрированной и стабильной энергии, чем могут дать солнечные электростанции.

Поскольку возобновляемые источники энергии нестабильны, нужно не только вырабатывать энергию, но и запасать её. Для этого активно разрабатываются аккумуляторы, и за последние двадцать лет в этом направлении совершён серьёзный прорыв: запасы энергии в расчёте на единицу массы увеличились почти на порядок, а сроки службы — в несколько раз. Однако классические аккумуляторы имеют ряд технических ограничений, поэтому приходится придумывать более хитрые системы.

Рассмотрим в этом контексте так называемую «водородную энергетику». В рамках водородной энергетики предполагается, что источником энергии будет сжигание водорода. Однако сторонники этой концепции умалчивают, что водорода в окружающей среде нет. Его можно получить из воды, но это требует затрат энергии, которую нужно где-то взять. (Таким образом, водородная энергетика никак не может быть магистральным путём решения экологических проблем.) Однако в некоторых случаях получение водорода с использованием солнечной энергии в солнечных районах (например, на побережье Северной Африки) и его транспортировка в северные районы могут оказаться оправданными. Для повышения КПД его сжигания можно использовать топливные элементы — системы, преобразующие энергию окислительно-восстановительной реакции с кислородом непосредственно в электричество (см. § 41).

При всех проблемах «где взять энергию» её использование остаётся катастрофически неэффективным. Например, если человек перемещается из пункта А в пункт Б на автомобиле, он использует двигатель с КПД в лучшем случае 50 %. За счёт трения в механизмах общий КПД автомобиля снижается ещё примерно в 2—3 раза. А с учётом того, что для перевозки человека массой 100 кг используется автомобиль массой 1 т (и вся эта масса тоже перемещается из пункта А в пункт Б), оказывается, что на перемещение человека затрачивается в десятки раз больше энергии, чем необходимо. При обработке металлов и дерева резанием образуется стружка с огромной поверхностью, на образование которой тоже требуется энергия. Если резать металл только в тех местах, где это нужно для придания ему формы, то энергозатраты уменьшатся в десятки раз. Замена ламп накаливания на светодиодные лампы приводит к десятикратному уменьшению энергозатрат на освещение. Таким образом, повышение энергетической эффективности деятельности человека больше способствует решению энергетических проблем, чем разработка новых источников энергии. Однако решение этой задачи требует глубоких научных знаний и инженерной смекалки.

Невозобновляемые и возобновляемые источники энергии

108

1.Перечислите возобновляемые и невозобновляемые источники энергии.

2.Воспользовавшись счётчиками электроэнергии, посчитайте её суммарное потребление у вас в квартире или доме и среднюю мощность потребляемой электроэнергии.

3.Скольким «энергетическим рабам» соответствует автомобиль? бензопила? электрический рубанок? Мощность этих изделий узнайте самостоятельно.

4.Найдите в Интернете данные о доле разных первичных источников для получения электроэнергии.

5.Попробуйте в течение одного дня записывать, на что вы тратите энергию (включая энергию из внешних источников).

6.Подготовьте доклад о типах биотоплива, их достоинствах и недостатках.

7.Предложите комплекс мер, необходимых для перевода транспорта на солнечную энергию.

Оцените тепловую мощность, которую потребляет ваша квартира или дом во время отопительного сезона.

Я могу объяснить причины возникновения и возможные пути решения энер-

гетических проблем стоящих перед человечеством

109