I. ВИДЫ И ЗАПАСЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ НА ЗЕМЛЕ
1.Краткая классификация видов энергии
Энергетические ресурсы Земли — это продукт непрерывной деятельности Солнца — могут быть разделены на две основные группы: аккумулированные природой, в большинстве случаев невозобновляемые и неаккумулированные, но постоянно самовозобновляющиеся. К первой группе относятся запасы горючих ископаемых (нефть, каменные и бурые угли, сланцы, торф, подземные газы), термоядерная и ядерная энергия; ко второй — бурные потоки рек, морские волны и приливы, солнечное излучение, тепловая энергия Земли, морей и океанов, ветер, растительный и животный мир. Запасы аккумулированных ресурсов в земных недрах ограничены; неаккумулированные, постоянно возобновляющиеся — практически неисчерпаемы.
Из всех видов энергии в значительных масштабах используется только энергия органических видов топлива и энергия текущей воды рек. В то же время ежегодный приток энергии солнечных лучей, достигающих земной поверхности, примерно в десять раз превышает все потенциальные запасы энергии органических горючих и примерно равны потенциальным запасам ядерной энергии. В последнее время интенсивно осваивается ядерная энергия и работают над проблемой управляемого термоядерного синтеза. Однако в ближайшем будущем создание большого числа управляемых термоядерных реакторов является проблематичным.
С течением времени запасы невозобновляемых источников энергии будут уменьшаться, и это неизбежно приведет к увеличению удельного веса возобновляемых источников энергии в общем энергетическом балансе нашей планеты.
Прав был К. А. Тимирязев, говоря, что каждый луч Солнца, не уловленный, а бесплодно отразившийся назад в мировое пространство, — кусок хлеба, вырванный изо рта отдаленного потомка.
Таково общее положение в области запасов энергии.
Невозобновляемые источники энергии
Современная энергетика в качестве топлива использует в основном горючие ископаемые, по сути дела, аккумулированную солнечную энергию. Главное их преимущество состоит в высокой концентрации энергии в единице вещества. Концентрация энергии в химическом органическом топливе составляет до 10 4 Вт-ч на 1 кг массы. За счет сжигания топлива вырабатывается электрическая и тепловая энергия при сравнительно небольших капиталовложениях. Органическое топливо могло бы служить основой энергетики и в будущем, если бы его запасы не были ограничены.
Однако, исходя из разведанных запасов топлива, при таких же темпах его добычи в будущем, можно установить, что приблизительно через 80 лет все природные топливные ресурсы мира будут исчерпаны. Так как число разведанных месторождений ежегодно возрастает, этот срок может быть увеличен до 140—150 лет. Любые пессимистические и оптимистические прогнозы сводятся к тому, что запасы горючих ископаемых будут исчерпаны в обозримое время.
К. Э. Циолковский писал, что только наше невежество заставляет нас пользоваться ископаемым топливом. Действительно, сжигаются запасы ценнейшего сырья, которое следовало бы оставить будущим поколениям для производства синтетических материалов, химических препаратов, органических материалов и веществ, моющих средств и т. д.
Необходимость перехода на новые виды энергии диктуется и тем, что современные заводы, электростанции и двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в атмосферу в результате сжигания топлива огромное количество углекислоты, сернистого ангидрида, сажи, золы и других вредных веществ.
Можно ожидать, что потребление электростанциями нефти и газа будет ограничиваться вследствие их использования в качестве сырья для химической промышленности. На ближайшие годы основным топливом для тепловых электростанций останется уголь, хотя при его использовании уже сегодня возникают некоторые трудности. Они объясняются, в частности, тем, что основные бассейны по добыче топлива находятся от электростанций на определенном расстоянии. В связи с дефицитом топлива в европейской части СССР возникает необходимость транспортировки угля из восточных районов страны, что увеличивает загрузку транспорта.
Самовозобновляющиеся источники энергии
В настоящее время широко используется только энергия водного потока рек и водопадов. Использование других самовозобновляющихся источников энергии затруднено тем, что они изменяются во времени, их потенциал нередко зависит от смены дня и ночи, времени года, широты местности, погодных условий.
Практически все продукты питания и ископаемые запасы топлива своим происхождением обязаны миру растений. Растительный покров образуется за счет непрерывного поступления на Землю солнечной энергии и созданного природой аппарата фотосинтеза. Сегодня коэффициент полезного действия (к. п. д.) фотосинтеза, перехода солнечной энергии в химическую энергию пищи и кормов, при урожайности 30 ц/га, не превышает одного процента.
Повысить к. п. д. фотосинтеза можно прежде всего путем увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, независимо от погодных условий. Это чрезвычайно трудная задача, но частично она может быть решена за счет регулярного полива полей, создания закрытого и открытого тепличных хозяйств, систем для подсушки урожая, уменьшения эрозии почвы и других мероприятий.
Для их осуществления также необходима энергия. Например, для полива полей нужно примерно 0,5 кВт установленной мощности на 1 га, а для создания тепличного хозяйства — 0,5 кВт на один квадратный метр и т. д. Для удовлетворения потребностей в энергии в масштабах, например, Украины необходимо в два-три раза увеличить установленную мощность электростанций, построить десятки и сотни тысяч километров новых электрических сетей, а это значит — ускорить истощение природных горючих ископаемых, вызвать загрязнение окружающей среды, увеличить загрузку топливом и его отходами транспорт, нарушить тепловой баланс Земли.
Самовозобновляющиеся источники обладают низкой концентрацией энергии, но нет нужды в ее транспортировке.
В отличие от энергии, получаемой от сжигания органического и переработки атомного топлива, энергия самовозобновляющихся источников не сконцентрирована в определенных местах, а рассеяна на больших пространствах. Это является одной из причин незначительного пока ее использования. Чтобы получить положительный экономический эффект, необходимо создавать крупные накопители энергии. Но существует много потребителей, использующих низкие концентрации энергии, поэтому выработка большого количества энергии, сосредоточенной в определенном месте, не всегда полезна. Действительно, основные источники жизни, такие как земля, вода и кислород, сконцентрированы на больших пространствах. Поэтому для повышения к. п. д. фотосинтеза необходима энергия низкой концентрации, рассеянная на больших площадях. Такая энергия нужна и для поддержания жизнедеятельности растений, животных. Выработка энергии для таких потребителей в одном пункте подчас приводит к весьма нежелательным последствиям, вызванным строительством крупных электростанций, прокладкой железнодорожных путей для подвозки тяжелого оборудования и топлива, сооружением крупных магистральных тепловых и электрических линий и сетей с подстанциями для передачи и распределения энергии, больших резервуаров воды. А это приводит к сокращению площадей плодородных земель, большим капитальным затратам, огромным расходам металла, строительных материалов и т. д. Выработка энергии в одном пункте с последующим ее распределением по площади приводит и к увеличению потерь энергии в результате превращения энергии из одного вида в другой. При этом коэффициент использования всех видов энергетических ресурсов значительно снижается.
Самовозобновляющиеся источники энергии наиболее рационально могут быть использованы в непосредственной близости от потребителей, без передачи энергии на расстояние. Это обстоятельство должно сыграть решающую роль при проектировании систем энергоснабжения отдаленных аграрных районов нашей страны, создании парникового и тепличного хозяйств, опреснительных установок, при добыче материалов из Мирового океана.
Энергия солнечных лучей может быть непосредственно использована как тепловая. Это весьма важно, так как на долю тепловой приходится примерно 75 % всей потребляемой энергии. Однако при построении схем энергоснабжения от самовозобновляющихся источников энергии, в том числе солнечной, следует учитывать, что энергия солнечных лучей, ветра, морских волн переменна во времени и пространстве.
