Федоров С.А. Экология энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

На единицу внешней поверхности атмосферы поступает поток

солнечной радиации в среднем около 1 350 Вт/м

(солнечная посто-

янная), из которых около 1/3 отражается в мировое пространство.

Облака отражают примерно 17% радиации, 8% рассеивается

молекулами атмосферы и 6 % отражает поверхность Земли. Таким

образом, общее отражение Земли составляет 31 % (альбедо).

Остальные 69% проникшего излучения распределяются сле-

дующим образом: в высших слоях атмосферы (стратосфере) водны-

ми парами, озоном и пылью поглощается 19 %, 4 % поглощаются

облаками в тропосфере, оставшиеся 46 % попадают на поверхность

Земли. Как видно из рис. 2.1, эти 46 % передаются или переизлуча-

ются земной поверхностью обратно. В такой модели не учитывают-

ся накопление энергии в органических материалах и тепловой поток

через земную кору: ими можно пренебречь как малыми величинами.

Среднесуточная мощность падающего на поверхность Земли

потока — 164 Вт/м

. Для 8-часового летнего дня на широте 40°

средняя мощность потока — 600 Вт/м

В год от Солнца на Землю поступает 6,6 • 10

Дж энергии, что

соответствует мощности 2,1 • 10

Вт.

Существование естественной биоты обеспечивается одной ты-

сячной частью (или 0,1 %) потока солнечной энергии. Биота во мно-

гом обеспечивает регуляцию и устойчивость климата, формируя ат-

мосферу планеты. Изменение этой части энергии может привести к

разбалансировке климата Земли и принципиальной невозможности

поддержания его в пригодном для жизни состоянии.

Деятельность человека меняет ареал распространения и количе-

ственный состав биоты. Кроме того, человек производит энергию,

интенсивно используя ранее накопленные запасы, внося свой вклад

в естественные потоки энергии. Насколько безопасной является по-

добная деятельность? Существует ли верхний безопасный предел

производимой человеком энергии?

Производство энергии. Энергоресурсы

Источники энергии, вырабатываемой человеком, можно разде-

лить на добавляющие и недобавляющие.

В добавляющих используется ранее накопленная энергия. Это

источники:

— тепловые (сжигание органического топлива),

— атомные (энергия радиоактивного распада).

Интенсивное использование этих источников способно вызвать

тепловой перегрев окружающей среды с вытекающими отсюда от-

рицательными глобальными экологическими последствиями.

Недобавляющая энергетика использует существующие в приро-

де потоки энергии. Ее источники:

— энергия Солнца (тепловой нагрев от Солнца или преобразо-

вание излучения в электрический ток),

— гидроэнергия (течение рек, океанические течения, приливы,

волны),

— энергия ветра (использование энергии движения воздушных

масс),

— геотермальная энергия (использование тепла внутренних

слоев земли),

— энергия биотоплива (сжигание растущей органической мас-

сы).

Использование недобавляющих источников не приводит к до-

полнительному нагреванию планеты, но происходит перераспреде-

ление существующих энергетических потоков.

Расчеты показали, что при выработке добавляющими источни-

ками более 0,1 % падающей на Землю солнечной энергии (т. е. при

вырабатываемой мощности порядка 10

Вт или 7 • 10

Дж в год)

может произойти значительное повышение температуры планеты,

что,

в свою очередь, может привести к смещению климатических

зон,

изменению объема фотосинтеза, и, следовательно, к неблаго-

приятным изменениям во всей биосфере.

Вклад недобавляющих источников энергии также не должен^

существенно превышать 0,1 % поступающей энергии Солнца.

Таким образом, можно заключить, что предел энергопроизвод-i

ства на Земле по экологическим условиям ограничен независимо от!

характера используемой энергии и не должен существенно

превы-1

шать 10

Вт по каждому виду энергии — добавляющей и недобав4

ляющей. I

Величину порядка (2—3)

•

Вт, или 10

Дж в год, можно оп-

ределить как тепловой барьер или максимальную мощность произ-

водства энергии на Земле.

Довольно сложно оценить общее производство энергии в мире,;

так как надежной оценке поддается только так называемое коммер-

ческое производство энергии, связанное финансово-производствен-

ными отношениями. Однако в странах третьего мира значительное

место занимает индивидуальное отопление растительным топливом.

Общее производство коммерческой энергии в мире и его про-

гноз представлены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Производство энергии в мире 10 Дж/год

Энергоносители принято делить на невозобновляемые и возоб-

новляемые.

К невозобновляемым относятся использующиеся в добавляю-

щих источниках энергии: каменный уголь, торф, горючий сланец,

нефть, газ, ядерное топливо.

К возобновляемым относятся использующиеся в недобавляю-

щих источниках энергии: солнечная энергия, энергия ветра, гидро-

энергия, геотермальная энергия, биомасса.

Около 80 % мирового производства энергии обеспечивается в

настоящее время за счет сжигания ископаемого топлива (группа не-

возобновляемых энергоресурсов).

На рис. 2.3 представлено распределение производимой в мире

энергии по типам источников. Пояснение к рисунку: в США и

Великобритании используется британская единица измерения энер-

гии

BTU = 1,055 • 10

Дж.

Как видно из рис. 2.3, преобладающим топливом в настоящее

время является нефть. По прогнозам, на 2-е место в ближайшем де-

сятилетии выйдет газ.

Рис. 2.3. Структура производимой в мире энергии

по типу энергоисточника

На рис. 2.4 в качестве примера приведена более детальная!

структура производства энергии в США за 1998 г. Можно отметить,

что наибольший вклад в производство энергии на основе возобнов-

ляемых источников дают два компонента — гидроэнергия рек и ис-

пользование биомассы. Однако общий вклад возобновляемых источ-

ников составляет пока 8 %.

Рис. 2.4. Структура выработки энергии в США

по типам потребляемых энергоресурсов

(1998

г.)

Интенсивное использование ресурсов не будет продолжаться

вечно. В табл. 2.1 приведено оценочное время выработки минераль-

ных ресурсов при существующих темпах добычи.

Таблица 2.1

Оценочное время выработки энергоресурсов

Материал Время выработки, лет

Нефть 48

Природный газ

Каменный уголь 102

Бурый уголь

173

Как уже упоминалось выше, основным источником энергии в те-

кущее и ближайшее время является органическое топливо. Во многом

это связано с такой важной характеристикой топлива, как плотность

запасенной энергии, величина которой для данной группы энергоре-

сурсов значительно выше, чем у возобновляемых источников. В

табл. 2.2 приведена теплота сгорания основных видов топлива.

Таблица 2.2

Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива

Материал Теплота сгорания, Дж/кг

Условное топливо

2,926

•

Каменный уголь

(1,67—2,926)- 10

Нефть-сырец

3,89

•

Природный газ

3,8

•

Метан

Водород 1,2

•

В прогностических исследованиях часто используется единица

IQ = 1,05 • 10

Дж. Такой энергии достаточно, чтобы нагреть до ки-

пения всю воду в Аральском море, такая энергия выделяется при

сжигании 3,6

•

т условного топлива (тут). Потребление энергии

в мире за 1975 год составляло 0,250 (что соответствует мощности

8,32-10

Вт).

Важными характеристиками развития общества являются:

удельное энергопотребление на душу населения е, дающее одновре-

менно представление о степени экономического развития общества,

динамика изменения численности населения, в некоторой степени

отражающая социальное благополучие нации. В настоящее время в

наиболее развитых странах (США, Канада, Норвегия) е - 10—14

тут/чел.

- год, в развивающихся странах, таких как Бангладеш, Мали,

Чад, е = 0,3—0,4 тут/чел. • год.

С другой стороны, показатель е далеко не однозначно характе-

ризует уровень развития страны. Так, в Румынии потребление энер-

гии на душу населения на 20 % выше, а валовой доход в 7 раз ниже,

чем в Испании.

Очевидно, что величина е зависит от климатических условий.

Поэтому оценка реального развития страны, кроме энергетических

показателей, должна включать и количественную характеристику

природных условий.

Рис. 2.5. Динамика изменения удельного производства энергии

в развитых странах

В ряде научных работ показано, что вступление в постиндуст-

риальную фазу сопровождается стабилизацией удельного потребле-

ния энергии е (рис. 2.5), поскольку в таком обществе удовлетворя-

ются основные потребности человека: защита от холода, голода и

т. д. При этом уровень е зависит только от основных природных

факторов: климата, размера территории, ее рельефа. В частности,

оптимальная величина е линейно растет с убыванием среднегодовой

температуры воздуха. Действительно, в северных странах расход

энергии на отопление достигает 40—50 % общей величины энерго-

потребления. Величина удельного энергопотребления пропорцио-

нальна площади территории страны в случае, если последняя пре-

восходит некоторую критическую величину 500 тыс. км

(например,

франция имеет площадь 550 км

, Испания — 505 км

). Неэффектив-

ность большого государства можно продемонстрировать, в частно-

сти,

сопоставляя удельное потребление Японии— 4,5 тут/год и

США — 11 тут/год (средняя температура в обеих странах одинако-

ва).

Кроме стабилизации е для постиндустриального общества ха-

рактерна стабильность численности населения в стране. Однако об-

щая численность населения земли быстро растет в основном за счет

развивающихся стран (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Рост численности населения на Земле

Согласно демографическому прогнозу ООН, численность насе-

ления планеты стабилизируется на уровне 12 млрд. Что касается

промышленно развитых стран, то в США, Германии и Японии уро-

вень рождаемости не превышает уровень воспроизводства населе-

ния.

В России растущая смертность и падение уровня рождаемости

привели к тому, что население страны сократилось с 1990 г. на не-

сколько миллионов.

Структура потребления энергии

Выработанная энергия большей частью используется:

— на отопление,

— в промышленном производстве,

— на транспорте,

— для производства электроэнергии.

Значительная часть энергии теряется. Электроэнергия, в свой

очередь, сама используется в уже перечисленных отраслях (поэто^

ее можно назвать вторичным источником энергии).

На рис. 2.7 представлена структура потребления энергии

США в 1999 г. Уровень потребления оставался постоянным в щ

следние годы, при этом около 90 % выработки приходилось на Ш

пользование органического топлива.

Рис. 2.7. Структура потребления энергии в США

В России энергия органического топлива потребляется прибли-

зительно в следующих пропорциях: 25 % — на производство элек-

троэнергии, 25 % — на отопление, 25 % — на промышленные цели,

25 % — на транспорт.

Принципы производства и передачи электроэнергии (ТЭС,

ГЭС,

АЭС)

По существу, электроэнергия играет роль посредника при пере-

даче энергии к конечному потребителю, приводя, естественно, к удо-

рожанию. Преобразование различных форм энергии в электрическую

практикуется по разным причинам. В некоторых случаях просто не-

возможно иначе эффективно использовать энергию. Например, гид-

роэнергия не имела другого применения до тех пор, пока не был най-

ден способ преобразования ее в электричество. Аналогично, энергию

деления урана невозможно использовать в больших масштабах без

преобразования в электричество.

В зависимости от вида используемых энергоресурсов и особен-

ностей основного технологического процесса преобразования энер-

гии

электростанции подразделяют на тепловые (ТЭС), атомные

(АЭС),

гидростанции (ГЭС) и т. д.

В настоящее время на электростанциях вырабатывается боль-

шая часть энергии, причем основу составляют тепловые станции.

Получение электричества основано на явлении электромагнит-

ной индукции, впервые описанном Фарадеем. Если проволочная ка-

тушка движется в магнитном поле, то внутри ее контура индуциру-

ется электрическое поле, вызывающее в свою очередь ток (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Генератор электрического тока