Источники энергии: сегодня и завтра

16.07.14 08:44

Энергия повсюду

Мы окружены энергией. Достаточно сказать, что материя — сама энергия, соотношение между ними прописано великим Альбертом Эйнштейном: E=mc².

Эта формула позволяет понять, что количество энергии, сжатое в материи, столь велико, что, превратив немного материи в энергию, человечество обеспечит себя ею на долгие годы. Почему же энергия в дефиците?

Строго говоря, превращение материи в энергию происходит при любом выделении энергии, будь это сжигание бензина в двигателе внутреннего сгорания, угля и газа на электростанции, не говоря уже о выработке электричества на атомной станции. Закон неумолим: при любом выделении энергии происходит снижение массы рабочего тела. Это называется «дефект массы». Он столь мал, что при простых процессах горения уловить и измерить его невозможно, а снижение массы топлива на огромных атомных электростанциях за долгие годы исчисляется в граммах. 

Но как же, скажет внимательный читатель, — а куда же деваются миллионы тонн сжигаемого каменного угля, нефти и газа? Ответ прост — при сгорании органического топлива вся сгораемая масса без ничтожно малой величины превращается в воду и углекислый газ, выбрасываемые в атмосферу.

Откуда человечество берет энергию для жизни? Источником энергии служит Солнце, непрерывно посылающее свои лучи, несущие энергию, на Землю. Исключением является атомная энергия — радиоактивные элементы, служащие топливом для АЭС имеют не солнечную природу, а получены Землей из космических глубин.

 

Вся энергия — из Космоса

Источники энергии, получаемой Землей от Солнца, делятся условно на постоянные, возобновляемые и невозобновляемые. 

К постоянным источникам энергии относят солнечное тепло, используемое непосредственно, либо для получения электроэнергии посредством солнечных батарей. Еще один постоянный источник энергии — вызванное солнечным теплом и вращением планеты перемещение масс воздуха, используемое непосредственно (парус), либо для получения электроэнергии на ветроэлектростанциях. 

Влияние Солнца вызывает и круговорот воды в природе, используемый человеком непосредственно (сплав по рекам, мельница), либо для получения электроэнергии на гидроэлектростанциях. Приливная деятельность морей также вызвана действием солнца и луны и может быть использована для получения электроэнергии на приливных электростанциях.

К возобновляемым источникам энергии относят накопленную зелеными растениями «живую» энергию, используемую непосредственно (продукты питания людей и животных, получение тепла при сжигании растительности), либо для получения электроэнергии на электростанциях, работающих на дровах, растительном масле и биомассе. 

К невозобновляемым источникам энергии относят накопленные за миллиарды лет продукты жизнедеятельности биосферы Земли (каменный уголь, нефть, природный газ, частично, торф, так как скорость его накопления в природе отстает от скорости его потребления и простого выгорания торфяных болот). Также к невозобновляемым источникам энергии относятся радиоактивные ископаемые элементы, полученные Землей из космоса, чья энергия непрерывно убывает в процессе распада. 

 

Дефицит невосполнимого

Наиболее интенсивно человечество использует сегодня невозобновляемые источники энергии. Надолго ли их хватит?

Для ответа на этот вопрос оглянемся на недавнее прошлое. Вспомним, как недалеко от нас время, когда человечество грелось у костров и на солнышке, совершенно не используя невозобновляемые источники энергии.

Атомная энергетика возникла после Второй мировой войны и постоянно развивается. Можно сказать, что она моложе живущих сегодня людей, а катастрофы в этой области наиболее чувствительны для человечества. Среднее время жизни атомной электростанции — 40 лет, после чего она становится могильником самой себе, а человечество вынуждено строить новую. Мечты человечества о «чистой» термоядерной энергетике как альтернативе «грязной» атомной, далеки от осуществления, если вообще осуществимы. «Обедненное» атомное топливо должно проходить процесс обогащения и очистки на «грязных» производствах, использоваться повторно, затем отправляться в хранилище радиоактивных отходов на многие века.

Тепловая энергетика на базе сжигания каменного угля, нефти, природного газа, незначительно «старше» атомной. Начало ее отстоит от нас чуть больше, чем на 100 лет, а переход в глобальную энергетику практически осуществился опять-таки после Второй мировой войны. Среднее время эксплуатации тепловой электростанции также 40 лет, но, в отличие от АЭС, на ней можно заменять отслужившее оборудование и работать еще продолжительное время, а по окончании эксплуатации утилизировать агрегаты как вторичное сырье.

Органическое топливо на тепловых электростанциях сгорает безвозвратно, а добывать его становится все сложнее и дороже. Наиболее пессимистические прогнозы говорят об истощении источников органического топлива в течение 50–70 лет, более оптимистические увеличивают этот период вдвое. Уже сегодня страны, ведущие добычу органического топлива, в первую очередь нефти и природного газа, диктуют условия на рынках. К тому же добыча ископаемого топлива сопровождается экологическими и гуманитарными катастрофами — в шахтах гибнут люди, происходят разливы нефти при добыче, особенно на морском шельфе, аварии танкеров при транспортировке и т.п.

 

Дрова и паруса в запасе

Наименее интенсивно человечество использует возобновляемые источники энергии, уходя от сжигания древесной массы к использованию природного газа и электроэнергии. Особенно это видно из окна пригородного подмосковного поезда. Скорбный вид подмосковного леса с завалами поваленных и сухих деревьев наводит на грустные мысли. Вместо сжигания этого леса шахтеры спускаются в шахты рубить каменный уголь. Может показаться, что картина несколько утрирована, но в мировой энергетике уже есть примеры электростанций, работающих на дешевом рапсовом и пальмовом масле вместо дорогого мазута.

А как обстоят дела с использованием постоянных источников энергии? Непосредственное их использование ничтожно, такие предметы, как парус или водяная мельница ушли в прошлое, кажется, безвозвратно. Существуют большие проблемы в использовании этих источников для производства электроэнергии.

Электростанции на солнечных батареях кажутся заманчивой перспективой для регионов, где много солнца. Проблема в том, что солнечные электростанции работают только тогда, когда светит солнце – пасмурная погода или загрязнение батарей резко снижает их эффективность. Цена элементов солнечных батарей высока, а срок службы невелик; экономический аспект препятствует их широкому распространению.

Ветроэлектростанции активно строятся в регионах, где дуют постоянные ветра. Здесь тоже есть свои сложности - влияние шума от вращения лопастей ветряков на животных, птиц и растения оценивается, как пока малоизученное, но скорее негативное. Скорость ветра никогда не бывает постоянной и периоды штиля полностью останавливают выработку электроэнергии, а периоды штормов заставляют закладывать в конструкцию большие запасы прочности.

Гидроэлектростанции — самые старые из электростанций, использующих постоянные источники энергии, и самые экономически выгодные. Строительство ГЭС ведется непрерывно, их мощности возрастают. Но ресурсы гидроэнергетики наиболее населенных областей ограничены и практически полностью исчерпаны. Развитию гидроэлектростанций на крупных реках малонаселенных областей (например, на реках Сибири) препятствует невозможность передачи электроэнергии на дальние расстояния. И здесь, как и с другими видами постоянных источников энергии, есть проблема периодичности — в маловодный период производство электроэнергии на ГЭС падает, а в периоды паводка воду приходится сбрасывать минуя ГЭС.

К тому же плотины очень сильно влияют на экологию, делая реки из проточных от истока до устья каскадом изолированных водоемов. Ихтиофауна при этом страдает больше всего. Характерный пример — река Волга, по которой осетры ходили до самого истока, будучи зарегулированной многочисленными плотинами, лишилась этого рыбного богатства навсегда.

Приливные электростанции существуют на сегодня в проектах, реализации мешают те же силы, которые предполагается использовать для их работы. Бурный, непредсказуемый характер морей, наряду со сравнительно небольшим подъемом воды во время прилива, краткие периоды приливов и отливов практически сводят на нет возможности этой энергии.

 

Нефть и газ идут к концу — что дальше?

Последние десятилетия были периодом бурного роста электроэнергетики во всех направлениях. Непосвященным кажется, что возможности этого роста безграничны. Однако это не так. Рост, основанный на безудержном использовании невозобновляемых источников энергии, практически исчерпал себя. Энергоресурсы в дальнейшем будут стремительно дорожать.

Прежде всего это ударит по автотранспорту. Представьте себе, что всего 100 лет назад, в 1905 г. нефтяники Бакинских промыслов назначили приз в миллион золотых рублей для того, кто решит проблему легкой утилизации бензина. Нефтедобыча строилась на производстве безопасного керосина, битума, масел, а взрывоопасный бензин был отходом переработки нефти, девать который 100 лет назад было просто некуда, а хранить опасно. Сегодня из нефти производят в основном бензин путем глубокой переработки, а мощность автомобильных двигателей на порядок превышает мощность электростанций планеты. Что же будет через 100 лет?

Нефте- и газодобыча будут постоянно снижаться, постепенно уходя в прошлое. Дольше продержится добыча и использование каменного угля, который можно перерабатывать и получать автомобильное топливо. Он же останется основным топливом для тепловых электростанций. При этом проблемы очистки дымовых газов и утилизации золы и шлаков будут только нарастать.

АЭС займут свою нишу, оставаясь постоянной головной болью человечества. Увеличение количества отслуживших АЭС, рост хранилищ радиоактивных отходов, растущее противодействие населения, не позволит им расширяться неограниченно. Да и запасы радиоактивного топлива на Земле конечны, а проекты поиска и добычи его на других планетах попросту утопичны. [Постепенный переход атомной энергетики на технологию «быстрых нейтронов» снимает все технологические проблемы. – Прим. ред.]

Солнечные батареи придут в каждый дом, сокращая внешнее энергопотребление. Разработка эффективных и недорогих солнечных батарей — дело ближайшего будущего, и это наиболее достойный выход из положения.

Ветроэнергетика — сегодня наиболее динамично развивающийся сектор энергетики в приморских регионах Земли. Возможности ее поистине неисчерпаемы. Главное препятствие — самые сильные ветра дуют в наименее населенных районах Земли, а проблема передачи электроэнергии на большие расстояния неразрешима. Скорее люди будут переселяться в места с доступной электроэнергией. Экологические проблемы ветроэнергетики никуда при этом не уйдут, но человечеству будет не до экологии.

Гидроэнергетика продолжит активно развиваться везде, где только возможно. Аспекты и проблемы ее развития аналогичны аспектам развития ветроэнергетики. Использование энергии приливов останется на низком уровне, в связи с малой эффективностью.

 

Спасай, соломинка! 

Человечество в прямом смысле этого слова будет «хвататься за соломинку». В массовое производство пойдут небольшие электростанции, работающие на дровах, растительном масле, спирте, соломе, и т.п. Будет использоваться все возобновляемое растительное богатство планеты. Неизбежной расплатой за это будет оскудение зеленого покрова Земли и жесткая регламентация его использования.

В начале 20 века население планеты Земля составляло 1,5 млрд человек, и философы говорили о перенаселенности Земли. В настоящее время население Земли перешагнуло рубеж 7 млрд человек. Не будет преувеличением сказать, что весь этот прирост «спонсировало» расширение потребления невозобновляемых энергетических ресурсов Земли, однако сейчас смотреть в будущее с оптимизмом человечеству уже не приходится.

 

Аркадий Казанский, начальник ПТО ООО «ИНТРЭК-Монтаж»

Фото Олега Никитина

Читайте также: