Многие тысячелетия человек довольствовался весьма скромным источником энергии — собственной мускульной силой, расходуя примерно 2 тыс. ккал/сут. Затем на помощь пришли крупные животные, несколько облегчившие труд человека. По мере развития цивилизации потребность в энергии, и особенно механической, возрастала. Начали создаваться простейшие устройства, способные использовать естественные источники механической энергии, такие, как ветер, небольшие реки и ручьи. Однако еще в XVII в. домашние животные давали больше механической энергии. В XVIII в. человеческая мысль шагнула вперед — реки стали перегораживать плотинами и над кораблями поднялись паруса.
Новой вехой стало освоение тепла сжигаемых природных топлив для обогрева, приготовления пищи, обжига гончарных изделий, выплавки руды.
Следующий этап — использование тепла, выделяющегося при сжигании топлива в паросиловых установках. Это обеспечивало крупномасштабное по тем временам производство механической энергии в любом месте, куда можно было подвезти топливо (до этого фабрики и заводы строили рядом с плотинами). Именно создание паросиловых установок и других тепловых двигателей гарантировало успех промышленной революции XVIII в. Появление легкого и компактного двигателя внутреннего сгорания позволило сконструировать тракторы, комбайны, автомобили, самолеты.
Открытие электричества в XIX в. значительно увеличило энерговооруженность человечества. Теперь каждое здание фабрики имело свою котельную и паровую машину. Электрическая энергия, легко передаваемая по проводам и трансформируемая в любой другой вид энергии, сделала возможным переход к индивидуальному приводу каждого станка от своего мотора. Источник энергии мог находиться сколь угодно далеко от места потребления. К концу первой четверти XX в. появились системы централизованного энергоснабжения. Электроэнергетика все шире использовалась в быту, промышленности, сельском хозяйстве.
Поиск новых форм энергии всегда был и остается одной из важнейших задач человечества. Энергии никогда не было в избытке. Ведь получать устойчивые урожаи, строить заводы, благоустраивать деревни и города, осваивать космос -все это требует энергии. Современный, как говорят «технологический», человек расходует 250 тыс. ккал/сут. В XX в. на службу человечеству была поставлена мощная энергия атомного ядра, высвобождающаяся в ходе цепных реакций деления тяжелых элементов, таких, как уран и плутоний. Осваивается энергия, выделяющаяся в ходе реакции синтеза легких ядер при очень высоких температурах, — термоядерная. Например, реакция синтеза гелия из водорода, по современным представлениям, происходит внутри Солнца при температуре около 20 млн °C.
К мощным источникам энергии относится и процесс аннигиляции вещества и антивещества, в ходе которого выделяется максимально возможное количество энергии. Астрофизики полагают, что именно аннигиляция обеспечивает гигантскую энергию сравнительно недавно открытых квазизвездных объектов - квазаров. Представить себе мощность ядерной энергии и процесса аннигиляции поможет следующий пример.
Известно, что 1 г дерева при сгорании дает энергию, в принципе достаточную для того, чтобы обыкновенная электрическая лампочка мощностью 100 Вт горела в течение 1 мин. На работу двух таких лампочек уйдет 1 г угля. Сгорая в атомном реакторе на медленных нейтронах, 1 г урана дает примерно в 10 млн раз больше энергии. Этой энергии хватило бы, чтобы осветить в течение 1 ч 20 тыс. квартир, т. е. небольшой город. Совершенно новые возможности открываются с созданием ядерных реакторов на быстрых нейтронах, а также с осуществлением управляемой термоядерной реакции.
В процессе термоядерной реакции 1 г дейтерия (тяжелый изотоп водорода) способен выделить энергию, которой хватило бы для освещения всех квартир крупного современного города почти в течение 1 ч. Поистине фантастические перспективы производства энергии открывает процесс аннигиляции: 1 г вещества и антивещества выделяет 3 тыс. тут (тонна условного топлива1). Этого количества энергии достаточно, чтобы осветить квартиры многих миллионов жителей.
Термоядерная энергетика дает ключ к решению проблемы обеспечения человечества практически неисчерпаемым источником энергии. Ведь термоядерным топливом может быть вода, как пресная, так и соленая! Из 1 л воды, точнее, из тяжелого водорода, который в ней содержится, выделяется столько же энергии, сколько из 300 л бензина.
Потребление энергии
В мире много расходуется энергии. Потребление ее па душу населения в 1950 г. выросло по сравнению с началом века в 2 раза. Следующее удвоение произошло уже к 1975 г. При этом суммарное энергопотребление удваивалось каждые 20 лет, а потребление нефти и электроэнергии — за 10 — 12 лет. Такой рост объяснялся резким увеличением численности населения земного шара — почти на 75%. (По некоторым оптимистическим оценкам, при таких темпах уже через 100 лет энергопотребление возрастет в 150 раз.) Свыше 90% суммарного потребления энергоресурсов приходилось на невозобновляемое ископаемое органическое топливо (нефть, газ, уголь) и лишь 10—15% — на возобновляемые ресурсы — гидроэнергию. Другой возобновляемый энергоресурс — биомасса (дрова, отходы сельского хозяйства и т. п.) сохранила преобладающую роль только в энергетике ряда развивающихся стран.
Если существующие темпы роста потребления топлива сохранятся, то к XXII столетию окажутся полностью израсходованными не только разведанные запасы всех ископаемых органических топлив, по и прогнозные ресурсы, хотя последние и оцениваются значительной величиной — 10—15 трлн тут.
До середины 70-х годов быстрое развитие мировой энергетики было обусловлено дешевизной и несложной техникой добычи ископаемого органического топлива, в первую очередь нефти. Важную роль сыграло открытие новых громадных ее месторождений в районе Персидского залива.
1 За условное принимается топливо, дающее при полном сгорании 7000 ккал/кг, что примерно соответствует очень хорошему каменному углю — антрациту.
Они отличаются очень благоприятными условиями залегания: одна скважина может дать до 500—1000 т/сут нефти (отсюда и исключительно низкая стоимость добычи).
Транспортировка нефти как в танкерах, так и но трубопроводам стоит сравнительно недорого. Поэтому нефть, добываемая даже далеко от потребителя, обходилась дешево в любой точке земного шара. В этих условиях добыча нефти начала стремительно расти, удваиваясь каждое десятилетие, и нефть, а позднее и природный газ стали вытеснять с мирового рынка все остальные виды топлива. К 1970 г. доля нефти и газа достигла 60% мирового потребления топлива, а доля угля с 50% в 1950 г. упала до 25%.
При этом было выгодно вести неглубокую переработку нефти, получая из нее только наиболее легкие фракции для моторного топлива (бензин, дизельное топливо) и нефтехимического сырья, а остающийся мазут использовать как котельно-печное топливо. Дешевизна делала нерентабельными мероприятия и по экономному его потреблению. Например, предпочитали строить дома облегченного типа и расходовать больше топлива на отопление, нежели применять более совершенную теплоизоляцию зданий.
В начале 1970-х годов специалисты показали, что запасы органического топлива, и особенно нефти и газа конечны. Стало ясно, что надо экономить нефть, шире использовать газ, а также решать проблему переработки угля в жидкое и газообразное топливо.
Газ в перспективе может использоваться и в качестве добавок к бензину для частичной замены нефтепродуктов. Газоконденсатные месторождения содержат не только конденсат — природный бензин, но и этан — основу производства полиэтилена, и пропан-бутановую фракцию, которая при умеренном давлении остается жидкой даже при летних температурах. Баллонный сжиженный газ — идеальное топливо для мелких потребителей, не присоединенных к газовой сети. Он также может очень просто заменять бензин па автомобилях. В ряде стран уже широко используются автомашины, имеющие наряду с бензобаком сменные баллоны с жидким пропан-бутаном, причем переключение с одного топлива на другое происходит быстро. К сожалению, ресурсы пропан-бутана ограниченны, а основная часть газа — метан при атмосферном давлении переходит в жидкое состояние только при —165° С. Пока метан используют на грузовых автомобилях в виде газа, сжатого до 200 ат. Однако тяжелые баллоны высокого давления отнимают заметную часть полезной грузоподъемности машин; кроме того, для их перезарядки нужна сеть дорогих заправочных станций.
Значительно труднее заменять жидкие топлива углем у мелких, особенно подвижных автономных потребителей. Делались попытки перевести автомобили на водородное топливо. Однако исследования и разработки последних лет показали, что здесь трудностей еще больше. Работать над этим продолжают, но в ближайшей перспективе массовая замена нефтепродуктов на автотранспорте вряд ли окажется целесообразной.
По-видимому, более перспективен другой, технически давно опробованный путь — превращение угля в жидкое топливо. В середине 70-х годов широко развернулись исследования, направленные на удешевление производства синтетического жидкого топлива из угля. Были достигнуты некоторые успехи, и ожидалось, что при удвоении современных цен па нефть производство синтетического жидкого топлива даже из относительно дорогих углей станет рентабельным. Сейчас цены на нефть несколько снизились. Специалисты утверждают, что в связи с медленным ростом спроса па нефть и успехами в замене нефтепродуктов ядерным топливом, углем и газом цена на нефть в 2000 г. вряд ли превысит современную более чем в 1,5 раза. А при этих условиях в ближайшие годы рентабельным будет производство синтетических жидких топлив только из дешевых углей.
Атомная энергетика
В условиях дороговизны нефти и относительной стабильности стоимости ядерной энергии возрастающую роль начинает играть атомная энергетика. Со времени пуска первой в мире АЭС Советский Союз осуществляет планомерное развитие ядерной энергетики. Создается атомное энергетическое машиностроение, строятся предприятия по добыче урана и производству ядерного горючего.
В нашей стране ведутся работы по использованию ядерной энергии не только для производства электроэнергии, но и в других сферах народного хозяйства: в первую очередь для отопления городов, создания атомных электроцентралей (АТЭЦ), на которых тепло будет вырабатываться с электроэнергией, и атомных станций теплоснабжения (ACT), обеспечивающих потребителя только низкопотенциальным теплом. В дальнейшем ядерная энергетика может стать поставщиком энергии также в черной металлургии, химии, в производстве синтетического топлива и других отраслях народного хозяйства.
Современное развитие ядерной энергетики в СССР основано на строительстве и эксплуатации главным образом реакторов на тепловых нейтронах. Советский Союз считается пионером в разработке и строительстве таких реакторов. В 1969 г. в городе Дмитровграде была пущена первая опытная АЭС с реактором па быстрых нейтронах мощностью 12 МВт. В 1973 г. в городе Шевченко на берегу Каспийского моря сдана в эксплуатацию опытно-промышленная АЭС с реактором БН-350. Станция мощностью 150 МВт вырабатывает электроэнергию и производит пар для установок, опресняющих 120 т/сут морской воды. В 1980 г. на Белоярской АЭС начал действовать крупнейший промышленный реактор на быстрых нейтронах БН-600 электрической мощностью 600 МВт.
По данным Международного агентства по атомной энергии, к 1984 г. в мире эксплуатировалось 317 ядерных энергетических реакторов общей электрической мощностью 191 ГВт. В 1983 г. на АЭС было выработано 1000 ТВт-ч, что составило 12% всей электроэнергии, произведенной в мире.
Экономия энергии
Решению многих энергетических проблем способствует проведение активной энергосберегающей политики во всех отраслях народного хозяйства. Это направление обусловливается в первую очередь экономическими факторами. Специалисты считают, что капитальные затраты па мероприятия по экономии топлива и энергии в потребляющих отраслях народного хозяйства примерно в 2—3 раза меньше по сравнению с капитальными затратами, необходимыми для выработки эквивалентного дополнительного количества энергии.
В СССР энергосберегающая политика осуществляется на основе долгосрочной Энергетической программы. Экономия топливно-энергетических ресурсов особенно важна в отраслях, которые являются наиболее крупными потребителями энергоресурсов. Например, промышленность, включая энергетику, расходует до 65% всех используемых энергоресурсов. Около 47% всех топливно-энергетических ресурсов в промышленности приходится на три ее энергоемкие отрасли: металлургическую, химическую и алюминиевую. Жилищно-коммунальный сектор расходует около 19% потребления энергоресурсов страны. Из общего объема потребления топливно-энергетических ресурсов в этом секторе около 70% идет на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение жилых и общественных зданий, примерно 17% расходуется в виде электроэнергии на широко развитый в СССР городской транспорт, подачу воды и на наружное и внутреннее освещение. Железнодорожный, автомобильный и водный транспорт потребляет до 13% всех топливно-энергетических ресурсов, сельское хозяйство — 5—6% и строительство — 2—3%.
О возможностях экономии топливно-энергетических ресурсов свидетельствует также теплофикация — комбинированное производство электрической и тепловой энергии. Теплофикация существенно экономнее раздельного метода теплоснабжения, когда электрическая энергия вырабатывается на конденсационных тепловых электростанциях, а тепло — в котельных. Теплофикация, являясь одним из основных способов удовлетворения непрерывно возрастающих тепловых нагрузок промышленности и жилищно-коммунального хозяйства, обеспечивает существенную экономию топливно-энергетических ресурсов, материальных и трудовых затрат в системах теплоснабжения. В СССР работает более 1000 теплоэлектроцентралей, снабжающих теплом свыше 800 городов и промышленных районов.
Экономические преимущества комбинированного производства электрической и тепловой энергии состоят в том, что часть энергии пара, проходящего через турбину, отбирается для подогрева воды, идущей на теплоснабжение. При этом эффективность процесса использования энергии па конденсационных электростанциях повышается с 38—40 до 60—70% за счет сокращения примерно в 2 раза потерь теплоты с охлаждающей водой, проходящей через конденсатор.
Теплофикация наряду с экономней топлива позволяет путем централизации производства тепла обеспечить высокую очистку продуктов сгорания от вредных примесей, сохранить чистым воздух, уменьшить тепловое загрязнение водоемов.
Высокий экономический эффект дает использование вторичных ресурсов — низкопотенциального тепла с температурой 100 °C и ниже (вентиляционные выбросы, сточные воды и сбросы промышленных предприятий, городов, тепловых электростанций и пр.). Резервы низкопотенциального тепла в нашей стране, по оценкам специалистов, составляют несколько десятков миллионов тонн условного топлива. Его можно использовать для обогрева новых типов теплиц с усиленной системой подпочвенного и надпочвенного обогрева, а также для выращивания шампиньонов.
Экономическая выгода от теплиц новых типов по сравнению с традиционными достигается за счет снижения капитальных затрат и уменьшения эксплуатационных расходов на их обогрев. В теплицах традиционных конструкций на сооружение трубопроводной системы обогрева и котельной уходит 40% затрат на строительство тепличных комбинатов, а все расходы на обогрев составляют 50% себестоимости тепличной продукции. Сбросные теплые воды тепловых электростанций используются для разведения в прудах-охладителях рыбы, особенно быстро растущего карпа; успешно разводят и такие ценные породы рыб, как стерлядь, форель.
Многие эксперты считают, что использование невозобновляемых источников энергии ограничено экологически. Предел производства, как известно, связан не только с загрязнением окружающей среды твердыми частицами. Перегрев поверхности Земли и атмосферы в результате выделения тепла в процессе потребления и производства энергии, в ядерных и термоядерных реакторах, при сжигании углеводородных топлив — важный лимитирующий фактор. Любой вид используемой нами энергии, будь то механическая или электрическая, в конце концов переходит в тепло. Это тепло является дополнительным источником нагрева поверхности Земли и атмосферы и в принципе может вызвать локальные и даже глобальные нарушения естественного теплового равновесия, изменение климата. Все зависит от количества вырабатываемой и потребляемой энергии, ее доли в балансе естественных потоков энергии через атмосферу. По оценкам некоторых специалистов, максимальное количество энергии, которое можно произвести на Земле, не вызывая катастрофических изменений климата, равно примерно 70 трлн тут/год. На сегодня это намного больше производимой в мире энергии. Непосредственной опасности глобального изменения климата, по-видимому, пока нет, но локальные нарушения, особенно вблизи крупнейших центров энергопроизводства и потребления, уже возможны.
Дальнейшее развитие мировой энергетики связано с более разумным и бережным расходованием энергии. Ряд специалистов считают первоочередной задачей освоение новых экологически чистых, возобновляемых источников энергии, и в первую очередь солнечной. Согласно другой точке зрения пройдет немало лет, прежде чем новые источники, в частности солнечная энергия, смогут в значительной мере удовлетворить энергетические нужды человечества. Достаточно вспомнить, что для перехода от одного вида топлива к другому — от дерева к углю, от угля к нефти, от нефти к газу — требовалось не менее 60 лет. Полагают, что это может служить ориентиром при оценке времени внедрения новых источников энергии, конечно, с поправками па ускорение Научно-технического прогресса.
Вот почему в ближайшие десятилетия энергетике еще не придется сбрасывать со счетов дерево, уголь, нефть, газ и одновременно вести работу по поиску и внедрению новых методов производства энергии. Привлекательность идеи нового метода, кажущаяся простота и безграничность источника (например, солнечной энергии) создают иллюзию возможности немедленного широкого ее использования. Однако история внедрения атомной энергии с момента первых опытных экспериментов насчитывает 35 лет, а ее удельный вес в масштабе всего мира до сих пор составляет менее 1 %.
Сегодня не вызывает сомнений, что будущее энергетики за практически неисчерпаемыми и возобновляемыми источниками, такими, как термоядерная и солнечная энергия.
Солнечная и геотермальная энергия, многочисленные потенциальные источники энергии океана, энергия ветра — далеко не полный перечень того, чем человечество располагает, но пока не умеет по-настоящему пользоваться. Ресурсы возобновляемых источников огромны. Достаточно сказать, что на поверхность площадью 20 тыс. км2 поступает столько солнечной энергии, что ею можно обеспечить население земного шара. В океанских волнах запасено почти в 3 раза больше энергии, чем весь мир потребляет ее в форме электричества, а сколько геотермальной и гидроэнергии!
Если абсолютная величина запасов возобновляемых источников невероятно велика, то нельзя того же сказать об их плотности. В этом, к сожалению, и состоит трудность их использования. Хорошо известно, что для энергетики огромных мощностей нужны источники с высокой плотностью потока энергии. Данным преимуществом обладают, например, ядерная и термоядерная энергия. В сравнительно небольшом по объему ядерном или термоядерном реакторе удается получить гигантские количества энергии.
Совсем иначе обстоит дело, когда нужно собрать рассеянную энергию волн или ветра, даже солнечную энергию. Расчет показывает, что с каждого квадратного метра поверхности Земли можно спять в среднем не более 160 Вт солнечной энергии. Ни один из существующих методов преобразования солнечной энергии пока не в состоянии сделать это экономически целесообразным для крупномасштабного производства энергии. В то же время использование возобновляемых источников для удовлетворения нужд мелкого, особенно изолированного от сети распределения, потребителя становится рентабельным.
