Энергетические ресурсы

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ  РЕСУРСЫ

 
На протяжении тысячелетий основными  видами используемой человеком энергии  были химическая энергия древесины, потенциальная энергия воды на плотинах, кинетическая энергия ветра и  лучистая энергия солнечного света. Но в 19 в. главными источниками энергии  стали ископаемые топлива: каменный уголь, нефть и природный газ. В связи с быстрым ростом потребления  энергии возникли многочисленные проблемы и встал вопрос о будущих источниках энергии. Достигнуты успехи в области  энергосбережения. В последнее время  ведутся поиски более чистых видов  энергии, таких, как солнечная, геотермальная, энергия ветра и энергия термоядерного  синтеза. Потребление энергии всегда было прямо связано с состоянием экономики. Увеличение валового национального  продукта (ВНП) сопровождалось увеличением  потребления энергии. Однако энергоемкость  ВНП (отношение использованной энергии  к ВНП) в промышленно развитых странах постоянно снижается, а  в развивающихся - возрастает. 
ИСКОПАЕМЫЕ ТОПЛИВА 
Существуют три основных вида ископаемых энергоносителей: уголь, нефть и природный газ. Примерные значения теплоты сгорания этих видов топлива, а также разведанные и промышленные (т.е. допускающие экономически рентабельную разработку при данном уровне техники) запасы нефти представлены в табл. 1 и 2. 
 
Запасы нефти и природного газа. Трудно точно рассчитать, на сколько лет еще хватит запасов нефти. Если существующие тенденции сохранятся, то годовое потребление нефти в мире к 2018 достигнет 3 млрд. т. Даже допуская, что промышленные запасы существенно возрастут, геологи приходят к выводу, что к 2030 будет исчерпано 80% разведанных мировых запасов нефти.

 
ПАРОТУРБИННАЯ ТЭС

 
Запасы угля. Запасы угля оценить  легче (см. табл. 3). Три четверти мировых  его запасов, составляющих по приближенной оценке 10 трлн. т, приходятся на страны бывшего СССР, США и КНР. 
Хотя угля на Земле гораздо больше, чем нефти и природного газа, его запасы не безграничны. В 1990-х годах мировое потребление угля составляло более 2,3 млрд. т в год. В отличие от потребления нефти, потребление угля существенно увеличилось не только в развивающихся, но и в промышленно развитых странах. По существующим прогнозам, запасов угля должно хватить еще на 420 лет. Но если потребление будет расти нынешними темпами, то его запасов не хватит и на 200 лет. 
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ 
Запасы урана. В 1995 более или менее достоверные мировые запасы урана оценивались в 1,5 млн. т. Дополнительные ресурсы оценивались в 0,9 млн. т. Крупнейшие из известных источников урана находятся в Северной Америке, Австралии, Бразилии и Южной Африке. Считается, что большими количествами урана обладают страны бывшего Советского Союза. В 1995 число действующих ядерных реакторов во всем мире достигло 400 (в 1970 - только 66) и их полная мощность составила около 300 000 МВт. В США планируется и ведется строительство лишь 55 новых АЭС, а проекты 113 других аннулированы. 
Реактор-размножитель. Ядерный реактор-размножитель обладает чудесной способностью, вырабатывая энергию, в то же время производить еще и новое ядерное топливо. К тому же он работает на более распространенном изотопе урана 238U (преобразуя его в делящийся материал плутоний). Считается, что при использовании реакторов-размножителей запасов урана хватит не менее чем на 6000 лет. По-видимому, это ценная альтернатива ядерным реакторам нынешнего поколения. 
Безопасность ядерных реакторов. Даже самые строгие критики атомной энергетики не могут не признать, что в легководных ядерных реакторах ядерный взрыв невозможен. Однако существуют другие четыре проблемы: возможность (взрывного или приводящего к утечке) разрушения защитной оболочки реактора, радиоактивные выбросы (низкого уровня) в атмосферу, транспортировка радиоактивных материалов и длительное хранение радиоактивных отходов. Если активную зону реактора оставить без охлаждающей воды, то она быстро расплавится. Это может привести к взрыву пара и выбросу в атмосферу радиоактивных "осколков" ядерного деления. Правда, разработана система аварийного охлаждения активной зоны реактора, которая предотвращает расплавление, заливая активную зону водой в случае аварии в первом контуре реактора. Однако действие такой системы исследовалось в основном путем компьютерного моделирования. Обстоятельная проверка некоторых результатов моделирования проводилась на небольших опытных реакторах в Японии, Германии и США. Самым слабым местом используемых компьютерных программ являются, по-видимому, предположения о том, что отказать может не более одного узла сразу и что ситуацию не усложнит ошибка оператора. Оба эти предположения оказались неверными в самой серьезной из аварий, происшедших на АЭС в США. 28 мая 1979 в Три-Майл-Айленде близ Гаррисберга (шт. Пенсильвания) отказ оборудования и ошибка оператора привели к выходу из строя реактора с частичным расплавлением его активной зоны. Небольшое количество радиоактивных веществ было выброшено в атмосферу. Через семь лет после аварии Министерству энергетики США удалось извлечь разрушенную сборку активной зоны для обследования. Ущерб, нанесенный жизням людей и их собственности за пределами территории АЭС, был незначителен, но из-за этой аварии у общественности сложилось неблагоприятное мнение о безопасности реактора. В апреле 1986 произошла гораздо более серьезная авария на Чернобыльской АЭС в Советском Союзе. Во время плановой остановки одного из четырех графитовых кипящих реакторов неожиданно резко повысилась выходная мощность и в реакторе образовался газообразный водород. Взрыв водорода разрушил здание реактора. Частично расплавилась активная зона, загорелся графитовый замедлитель, и произошел выброс огромных количеств радиоактивных веществ в атмосферу. Два работника погибли при взрыве, не менее 30 других вскоре умерли от лучевой болезни. До 1000 человек были госпитализированы из-за облучения. Около 100 000 человек в Киевской, Гомельской и Черниговской областях получили большие дозы излучения. Оказались сильно загрязненными почва и вода в регионе, в том числе огромное Киевское водохранилище. После того как пожар был погашен, поврежденный реактор был закрыт "саркофагом" из бетона, свинца и песка. Радиоактивность, связанная с этой аварией, была зарегистрирована даже в Канаде и Японии. Уровень радиоактивности, измеренный в Париже, был, как утверждают, сравним с радиоактивным фоном в 1963, до подписания Соединенными Штатами и Советским Союзом договора о прекращении испытаний ядерного оружия в атмосфере. Деление ядер - не идеальное решение проблемы энергоресурсов. Более перспективной в экологическом плане представляется энергия термоядерного синтеза. 
Энергия термоядерного синтеза. Такую энергию можно получать за счет образования тяжелых ядер из более легких. Этот процесс называется реакцией ядерного синтеза. Как и при делении ядер, небольшая доля массы преобразуется в большое количество энергии. Энергия, излучаемая Солнцем, возникает в результате образования ядер гелия из сливающихся ядер водорода. На Земле ученые ищут способ осуществления управляемого ядерного синтеза с использованием небольших, поддающихся контролю масс ядерного материала. Дейтерием D и тритием T называются тяжелые изотопы водорода 2H и 3H. Атомы дейтерия и трития необходимо нагреть до температуры, при которой они полностью диссоциировались бы на электроны и "голые" ядра. Такая смесь несвязанных электронов и ядер называется плазмой. Для того чтобы создать реактор термоядерного синтеза, нужно выполнить три условия. Во-первых, плазма должна быть достаточно сильно нагрета, чтобы ядра могли сблизиться на расстояние, необходимое для взаимодействия. Для дейтерий-тритиевого синтеза необходимы очень высокие температуры. Во-вторых, плазма должна быть достаточно плотной, чтобы в одну секунду происходило много реакций. И в-третьих, плазма должна достаточно долго удерживаться от разлетания, чтобы могло выделиться значительное количество энергии. Исследования в области управляемого термоядерного синтеза ведутся в двух основных направлениях. Одно из них - удержание плазмы магнитным полем, как бы в магнитной бутылке. Второе (метод инерционного удержания плазмы) - очень быстрое нагревание лучом мощного лазера (см. ЛАЗЕР) дейтерий-тритиевой крупинки (таблетки), вызывающее реакцию термоядерного синтеза в форме управляемого взрыва. Энергия ядер дейтерия, содержащихся в 1 м3 воды, равна примерно 3ґ1012 Дж. Иначе говоря, 1 м3 морской воды в принципе может дать столько же энергии, как и 200 т нефти-сырца. Таким образом, мировой океан представляет собой практически неограниченный источник энергии. В настоящее время ни методом магнитного, ни методом инерционного удержания плазмы еще не удалось создать условия, необходимые для термоядерного синтеза. Хотя наука неуклонно движется по пути все более глубокого понимания основных принципов реализации обоих методов, пока нет оснований полагать, что термоядерный синтез начнет давать реальный вклад в энергетику ранее 2010. 
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ 
В последнее время исследуется ряд альтернативных источников энергии. Наиболее перспективным из них представляется солнечная энергия. 
Солнечная энергия. У солнечной энергии два основных преимущества. Во-первых, ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам: длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд. лет. Во-вторых, ее использование не влечет за собой нежелательных экологических последствий. Однако использованию солнечной энергии мешает ряд трудностей. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: солнце не всегда светит. Даже в пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью. Следовательно, необходимы накопители солнечной энергии. И наконец, многие виды применения солнечной энергии еще как следует не апробированы, и их экономическая рентабельность не доказана. Можно указать три основных направления использования солнечной энергии: для отопления (в том числе горячего водоснабжения) и кондиционирования воздуха, для прямого преобразования в электроэнергию посредством солнечных фотоэлектрических преобразователей и для крупномасштабного производства электроэнергии на основе теплового цикла. 
Геотермальная энергия. Геотермальная энергия, т.е. теплота недр Земли, уже используется в ряде стран, например в Исландии, России, Италии и Новой Зеландии. Земная кора толщиной 32-35 км значительно тоньше лежащего под ней слоя - мантии, простирающейся примерно на 2900 км к горячему жидкому ядру. Мантия является источником богатых газами огненно-жидких пород (магмы), которые извергаются действующими вулканами. Тепло выделяется в основном вследствие радиоактивного распада веществ в земном ядре. Температура и количество этого тепла столь велики, что оно вызывает плавление пород мантии. Горячие породы могут создавать тепловые "мешки" под поверхностью, в контакте с которыми вода нагревается и даже превращается в пар. Поскольку такие "мешки" обычно герметичны, горячая вода и пар часто оказываются под большим давлением, а температура этих сред превышает точку кипения воды на поверхности земли. Наибольшие геотермальные ресурсы сосредоточены в вулканических зонах по границам корковых плит. Основным недостатком геотермальной энергии является то, что ее ресурсы локализованы и ограничены, если изыскания не показывают наличия значительных залежей горячей породы или возможности бурения скважин до мантии. Существенного вклада этого ресурса в энергетику можно ожидать только в локальных географических зонах. 
Гидроэнергия. Гидроэнергетика дает почти треть электроэнергии, используемой во всем мире. Норвегия, где электроэнергии на душу населения больше, чем где-либо еще, живет почти исключительно гидроэнергией. На гидроэлектростанциях (ГЭС) и гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) используется потенциальная энергия воды, накапливаемой с помощью плотин. У основания плотины расположены гидротурбины, приводимые во вращение водой (которая подводится к ним под нормальным давлением) и вращающие роторы генераторов электрического тока. Существуют очень крупные ГЭС. Широко известны две большие ГЭС в России: Красноярская (6000 МВт) и Братская (4100 МВт). Самая крупная ГЭС в США - Грэнд-Кули полной мощностью 6480 МВт. В 1995 на гидроэнергетику приходилось около 7% электроэнергии, вырабатываемой в мире. Гидроэнергия - один из самых дешевых и самых чистых энергоресурсов. Он возобновляем в том смысле, что водохранилища пополняются приточной речной и дождевой водой. Остается под вопросом целесообразность строительства ГЭС на равнинах. 
Приливная энергетика. Существуют приливные электростанции, в которых используется перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины.

 
ПРИЛИВНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ на Рансе (Франция).

 
Приливные электростанции могут быть ценным энергетическим подспорьем местного характера, но на Земле не так много  подходящих мест для их строительства, чтобы они могли изменить общую  энергетическую ситуацию. 
Ветроэнергетика. Исследования, проведенные Национальной научной организацией США и НАСА, показали, что в США значительные количества ветроэнергии можно получать в районе Великих озер, на Восточном побережье и особенно на цепочке Алеутских островов. Максимальная расчетная мощность ветровых электростанций в этих областях может обеспечить 12% потребности США в электроэнергии в 2000. Крупнейшие ветроэлектростанции США расположены под Голдендейлом в штате Вашингтон, где каждый из трех генераторов (установленных на башнях высотой 60 м, с диаметром ветрового колеса, равным 90 м) дает 2,5 МВт электроэнергии. Проектируются системы на 4,0 МВт. 
Твердые отходы и биомасса. Примерно половину твердых отходов составляет вода. Легко собрать можно лишь 15% мусора. Самое большее, что могут дать твердые отходы, - это энергию, соответствующую примерно 3% потребляемой нефти и 6% природного газа. Следовательно, без радикальных улучшений в организации сбора твердых отходов они вряд ли дадут большой вклад в производство электроэнергии. На биомассу - древесину и органические отходы - приходится около 14% полного потребления энергии в мире. Биомасса - обычное бытовое топливо во многих развивающихся странах. Были предложения выращивать растения (в том числе и лес) как источник энергии. Быстрорастущие водяные растения способны давать до 190 т сухого продукта с гектара в год. Такие продукты можно сжигать в качестве топлива или пускать на перегонку для получения жидких или газообразных углеводородов. В Бразилии сахарный тростник был применен для производства спиртовых топлив, заменяющих бензин. Их стоимость ненамного превышает стоимость обычных ископаемых энергоносителей. При правильном ведении хозяйства такой энергоресурс может быть восполняемым. Необходимы дополнительные исследования, особенно быстрорастущих культур и их рентабельности с учетом затрат на сбор, транспортировку и размельчение. 
Топливные элементы. Топливные элементы как преобразователи химической энергии топлива в электроэнергию характеризуются более высоким КПД, нежели теплоэнергетические устройства, основанные на сжигании. Если КПД типичной электростанции, сжигающей топливо, не превышает примерно 40%, то КПД топливного элемента может достигать 85%. Правда, пока что топливные элементы относятся к дорогостоящим источникам электроэнергии. 
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ 
Хотя в мире пока еще не ощущается нехватки энергоресурсов, в предстоящие два-три десятилетия возможны серьезные трудности, если не появятся альтернативные источники энергии или не будет ограничен рост ее потребления. Очевидна необходимость более рационального использования энергии. Имеется ряд предложений по повышению эффективности аккумулирования и транспортирования энергии, а также по более эффективному ее использованию в различных отраслях промышленности, на транспорте и в быту. 
Аккумулирование энергии. Нагрузка электростанций изменяется на протяжении суток; происходят также ее сезонные изменения. Эффективность работы электростанций можно повысить, если в периоды провала графиков энергетической нагрузки затрачивать излишек мощности на перекачку воды в большой резервуар. Затем в периоды пиковой нагрузки можно выпускать воду, заставляя ее вырабатывать на ГАЭС дополнительную электроэнергию. Более широкое применение могло бы найти использование мощности базового режима электростанции для накачки сжатого воздуха в подземные полости. Турбины, работающие на сжатом воздухе, позволили бы экономить первичные энергоресурсы в периоды повышенной нагрузки. 
Передача электроэнергии. Большие энергетические потери связаны с передачей электроэнергии. Для их снижения расширяется использование линий передачи и распределительных сетей с повышенным уровнем напряжения. Альтернативное направление - сверхпроводящие линии электропередачи. Электросопротивление некоторых металлов падает до нуля при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. По сверхпроводящим кабелям можно было бы передавать мощности до 10 000 МВт, так что для обеспечения электроэнергией всего Нью-Йорка было бы достаточно одного кабеля диаметром 60 см. Установлено, что некоторые керамические материалы становятся сверхпроводящими при не очень низких температурах, достижимых с помощью обычной холодильной техники. Это удивительное открытие могло бы привести к важным новациям не только в области передачи электроэнергии, но и в области наземного транспорта, компьютерной техники и техники ядерных реакторов. См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ. 
Водород как теплоноситель. Водород - это легкий газ, но он превращается в жидкость при -253° C. Теплотворная способность жидкого водорода в 2,75 раза больше, чем природного газа. У водорода имеется и экологическое преимущество перед природным газом: при сжигании в воздухе он дает в основном лишь пары воды. Водород можно было бы без особых трудностей транспортировать по трубопроводам для природного газа. Можно также хранить его в жидком виде в криогенных резервуарах. Водород легко диффундирует в некоторые металлы, например титан. Его можно накапливать в таких металлах, а затем выделять, нагревая металл. 
Магнитогидродинамика (МГД). Это метод, позволяющий более эффективно использовать ископаемые энергоносители. Идея состоит в том, чтобы заменить медные токовые обмотки обычного машинного электрогенератора потоком ионизованного (проводящего) газа. Наибольший экономический эффект МГД-генераторы могут давать, вероятно, при сжигании угля. Поскольку в них нет движущихся механических частей, они могут работать при очень высоких температурах, а это обеспечивает высокий КПД. Теоретически КПД таких генераторов может достигать 50-60%, что означало бы до 20% экономии по сравнению с современными электростанциями на ископаемых энергоносителях. Кроме того, МГД-генераторы дают меньше сбросной теплоты. Дополнительное их преимущество состоит в том, что они в меньшей степени загрязняли бы атмосферу выбросами газообразных оксидов азота и соединений серы. Поэтому МГД-электростанции могли бы, не загрязняя окружающей среды, работать на углях с повышенным содержанием серы. Серьезные исследования в области МГД-преобразователей ведутся в Японии, Германии и особенно в России. Так, например, в России была запущена малая МГД-установка мощностью 70 МВт на природном газе, которая служила также опытной для создания электростанции на 500 МВт. В США разработки ведутся в меньших масштабах и в основном в направлении систем, работающих на угле. В течение 500 ч непрерывно проработал МГД-генератор мощностью 200 МВт, построенный фирмой "Авко Эверетт". 
Пределы потребления энергии. Непрерывный рост потребления энергии не только ведет к истощению запасов энергоресурсов и загрязнению среды обитания, но и в конце концов может вызвать значительные изменения температуры и климата на Земле. Энергия химических, ядерных и даже геотермальных источников в конечном счете превращается в тепло. Оно передается земной атмосфере и сдвигает равновесие в сторону более высокой температуры. При нынешних темпах роста численности населения и душевого потребления энергии к 2060 повышение температуры может составить 1° C. Это заметно скажется на климате. Еще раньше климат может измениться из-за повышения содержания в атмосфере углекислого газа, образующегося при сгорании ископаемых топлив.