Стремительное насыщение промышленности энергетическими машинами, начатое в XIX веке, продолжается в наше время. Воздвигнуты десятки тысяч электростанций, питающих миллиарды электродвигателей. Добыча нефти и производство бензина открыли дорогу сотням миллионов автомобилей и тепловозов. В небо взлетают тысячи самолетов, стартуют космические ракеты Наконец, заработали атомные электростанции.
Человечество прошло бесконечно длинный путь в своем развитии. И каждый очередной этап сопровождался увеличением потребляемой человеком энергии.
В 1860 году ее расход на каждого человека в пересчете на условный уголь (килограмм которого дает 7000 килокалорий тепла) составлял полтонны. В 1940 году они переросли в полторы тонны А в 1980 году две с половиной три тонны Таковы средние цифры.
В технически же развитых государствах в 1980 году расход составил 6-15 тонн, а в развивающихся странах всего 0,5-1 тонну, то есть в десять раз меньше!
Что же это означает? Значит, целые государства могут существовать и при очень малом потреблении энергии по сравнению с потреблением ее в технически развитых странах? Конечно, могут. Вопрос в том, как развиты в этих государствах промышленность и сельское хозяйство, как устроен быт.
Когда данные по величине валового национального продукта в различных странах были проанализированы, то оказалось, что эта величина прямо пропорциональна энерговооруженности человека в этой стране. Если она в одном государстве в пять раз больше, чем в другом, то и количество валового национального продукта в нем оказывается в пять раз больше, чем в другом. Конечно, это усредненные данные. В отдельных случаях такая пропорциональность не наблюдается. Отклонения объясняются разнообразием путей исторического развития, различными природными условиями. Но в среднем приведенная закономерность справедлива.
Значит, для дальнейшего повышения материального благосостояния людей необходимо повышать их энерговооруженность. К сожалению, в будущем рост энерговооруженности не будет приводить к прямо пропорциональному увеличению валового национального продукта.
Значительную часть энергии люди вынуждены отдавать на другие нужды. Вот примеры из разных областей.
Постоянно ухудшающееся плодородие почвы требует все большего количества удобрений, на производство которых затрачивается дополнительная энергия. Освоение одного гектара орошаемой земли также связано с энергетическими затратами, равными примерно тонне условного топлива.
Дороже становится и добыча рыбы. Улов и переработка одной тонны ее требуют затраты энергии, эквивалентной полутора тоннам условного топлива.
При нынешних темпах добычи запасы некоторых руд, богатых металлом, иссякнут уже через несколько десятилетий. В этой связи начнут осваиваться даже такие месторождения, которые не разрабатывались из-за низкого их качества. Значит, затраты энергии на получение того же количества металла заметно возрастут.
Огромное внимание, которое уделяется утилизации не используемых ныне всевозможных промышленных и прочих отходов, организации замкнутых циклов, созданию безотходной технологии, также связано с повышенным потреблением энергии.
Запасы воды истощаются. Постоянно растет доля безвозвратного водопотребления. Сейчас на земном шаре есть места, где стремятся потратить с пользой каждую каплю воды. Возможно, что в отдаленной перспективе огромную роль сыграет опреснение морской воды.
Академик М. Стырикович приводит такой пример, характеризующий возможный объем потребления энергии для опреснения морской воды. Для выращивания урожая ценностью в 2500 килокалорий в день на одного человека требуется одна тонна воды. Но чтобы ее получить, необходимо израсходовать 6-7 килограммов условного топлива. А это 2-2,5 тонны условного топлива в год на одного человека! В пять раз больше, чем приходится на все нужды на человека многих стран.
Примеры можно множить и множить. Но я думаю, что все и так уже ясно. Человеку необходимо все больше и больше энергии. И уже можно перечислять статьи будущих ее расходов и оценивать, сколько же потребуется ее для каждой статьи расхода. Можно эти статьи складывать и планировать будущие потребности в энергии.
Прогнозы, прогнозы...
До сих пор мы рассуждали лишь качественно. Обсуждали и доказывали, что человек нуждается в энергии.
Но ведь важна и количественная сторона, то есть надо знать, сколько ее понадобится каждому человеку и всему человечеству в целом через год, через десять, сто, тысячу лет. Так мы попадаем в область прогностики - науки о прогнозировании, назначение которой - обобщение научной информации, имеющейся у общества, и на ее основе надежное предсказывание будущих событий. Разработка долгосрочных прогнозов в энергетике особенно важна потому, что цикл подготовки - освоение новых первичных энергоресурсов, создание средств для их транспортировки, преобразования и использования, продолжается десятки лет. Высокая капиталоемкость, широкая взаимозаменяемость энергоресурсов и видов энергии делают особенно важным заблаговременную разработку оптимальной структуры энергохозяйства. Долгосрочный прогноз должен оказывать ускоряющее влияние на темпы научно-технического прогресса. Установление принципиальной возможности создания новых эффективных энергетических источников и их роли в будущей энергетике содействует формированию благоприятного климата для научно-технических исследований и стимулирует их.
Прогнозы многое могут, многое должны, но, к сожалению, не всегда это делают. Разброс в прогнозах о развитии энергетики очень велик. Одни говорят о сверхбыстром развитии энергетики, другие о ее нулевом росте. Этому есть, конечно, свои причины. Для долгосрочных энергетических прогнозов характерна достаточно большая неопределенность, зависящая от неполноты исходной информации, то есть от наших знаний закономерностей развития, а также параметров и возможностей различных процессов и энергетических систем.
Разные подходы к развитию энергетики и разные оценки ее теперешнего и будущего состояния проистекают также и из разных принципиальных взглядов на развитие больших систем энергетики. Так, одна из концепций исходит из того, что в основе развития природы и общества лежит неопределенность и случайность - ничего, мол, определенного нельзя сказать заранее. Сторонники таких взглядов рассматривают большие системы энергетики как чисто вероятностные - "го ли будет, то ли нет", ибо, с их точки зрения, человек не может активно воздействовать на развитие таких систем в прогрессивных направлениях. Его удел лишь пассивно прогнозировать. Именно такой философией вооружены упоминавшиеся ранее фаталисты, экзистенциалисты и многие футурологи.
Существует и другое крайнее и тоже неправильное восприятие действительности. Его апологеты в технике и энергетике считают, что в мире существуют лишь однозначно определенные связи - все известно заранее, в плановом хозяйстве случайные тенденции отсутствуют или их влияние ограниченно, поэтому, мол, можно на 20-30 лет вперед без ошибок определять развитие всех звеньев промышленности и энергетики.
Наши специалисты в области экономики, техники и энергетики в своих прогнозах и планировании руководствуются объективными законами развития производительных сил, определяющими основные направления развития энергетики. В то же время они признают существование многих неопределенных факторов, которые могут ускорять или замедлять прогрессивные тенденции.
Важным фактором, свидетельствующим об устойчивости долгосрочных экономических и энергетических прогнозов, является наличие генеральной цели развития нашего общества. Важнейшие социально-экономические задачи, решаемые во имя этой цели, имеют детерминированный характер. И все же определенность, надежность прогноза сильно зависит от степени научной разработанности и сходной для него технико-экономической информации, и главное - от срока, на который ведется прогнозирование.
Так, скажем, прогноз по всей энергетике на 1990 год допускает ошибку в 10-15 процентов, а по отдельным видам энергии в 20-30 процентов. На 2000 год ошибка прогноза может дойти и до 20-40 процентов.
Если же заглянуть в 2030-2050 годы, то можно ошибиться и в два раза. Поэтому, как правило, при прогнозировании на длительные сроки рассматривают несколько возможных вариантов развития.
Прогнозов о развитии энергетики сейчас очень много. Это и не удивительно, энергетика сегодня - больное место. Но мы начнем со старого, сделанного замечательным русским физиком Н. Умовым. В 1912 году он опубликовал статью "Задачи техники в связи с истощением запасов энергии на Земле". Это серьезный труд, в котором действительно разработаны все факторы, которые можно было учесть тогда, почти 70 лет назад. Выводы, сделанные его автором, интересны нам потому, что на этом примере отчетливо видно, где и как можно ошибиться в прогнозировании.
Приняв темп роста потребностей в энергии 6 процентов годовых и известные тогда запасы угля, нефги и гидроэнергии, Н. Умов счел необходимым принять в расчет и другие источники энергии: солнце, приливы в океане. Как мы увидим далее, ныне для дальнейших прогнозов принимается величина темпа не 6 процентов, а около 3. В балансе потребляемой энергии Н. Умов отвел слишком малую роль электроэнергии - всего 3 процента. При расчете КПД двигателей он ориентировался на паровые машины, КПД которых 25 процентов. Сейчас поршневые машины почти повсеместно вытеснены турбинами и двигателями внутреннего сгорания. В прогнозе Н. Умова незначительная роль была отведена нефти и газу, что же касается внутриядерной энергии, то о ней, конечно, не было и речи.
Этот экскурс в прошлое, по-моему, убедительно показывает, что, несмотря на улучшившуюся методику прогнозирования, специалисты, занимающиеся прогнозами, не застрахованы от просчетов, допущенных Н. Умовым, и не имеют достаточных оснований говорить о большой точности своих прогнозов для такого временного интервала, каким являются 40-50 лет. Что говорят современные прогнозы?
Наша отправная точка - энергопотребление в мире сегодня. Мы уже говорили: в среднем в 1980 году на каждого жителя Земли расходовалось 2,5-3 тонны условного топлива. Значит, четырех с половиной миллиардное население Земли потребляло только 11 миллиардов тонн условного топлива. Из чего они складывались? Из 2,5 миллиарда тонн угля, 4,1 - нефти, 2,9 природного газа, 0,6 - гидроэнергии (так же, как и атомная, она пересчитана на условное топливо), 0,3 - атомной энергии и 0,6 миллиарда тонн - прочие энергетические ресурсы.
Много это или мало по сравнению с существующими на Земле ресурсами, мы увидим далее, а сейчас сравним энергию, производимую человеком, с солнечной энергией, достигающей поверхности Земли. Поскольку речь пойдет об очень больших величинах, будем пользоваться энергетической единицей, введенной индийским физиком Хоми Баба (она обозначается символом Q), равной 37 миллиардам тонн условного топлива.
Итак, в 1980 году на Земле было потреблено примерно 0,3 Q. Ежегодно на поверхность Земли солнечные лучи приносят 1500 Q, то есть почти впять тысяч раз больше. По-различному подходят к оценке потребностей в будущем. В одном из подходов оценивается величина энергии, которую нужно потратить на каждого жителя Земли с учетом многочисленных факторов (увеличение валового национального продукта, опреснение воды, затрудненная добыча сырья и т д.), о которых шла речь выше. Считается, что в 2040-2050 годах в технически развитых странах каждый человек будет ежегодно потреблять 15-20 тонн условного топлива, а в среднем в мире 5-10 тонн.
Сейчас население Земли растет со скоростью 3 человека в секунду. Демографы полагают, что в дальнейшем рост населения несколько замедлится и к 2050 году достигнет лишь 12--14 миллиардов. В этом случае человечество будет потреблять около 2-3 Q.
При другом подходе прогнозисты-энергетики исходят из темпов развития экономики. Например, в материалах Мирового энергетического конгресса, состоявшегося в сентябре 1977 года в Стамбуле, приведены следующие величины в единицах Q:
______________________________________________________________ .
Энергия\ Годы ____ 1990 _________ 2000 ______ 2020 ____ 2050 _ .
Всего энергии ___ 0,4-0,45 ____ 0,5-0,75 ____ 0-1,5 ____ 2-3 _ .
Атомная энергия _0,01-0,015 _ 0,035-0,04 _ 0,15-0,25 _ 0,3-0,7 .
______________________________________________________________ .
Видно, что с течением времени в энергетическом балансе мира доля атомной энергетики возрастает. Если в 2000 году ее вклад составит всего 5-7 процентов, то уже в 2020 году можно ожидать увеличения до 15- 20 процентов, а для технически развитых стран эта доля может доходить и до 40-50 процентов.
Итак, в 2050 году, то есть через 70 лет, общее ежегодное количество потребляемой энергии может достичь 2 3 Q, то есть 0,1-0,2 процента от солнечной энергии, падающей на Землю.
Ну а что будет после 2050-го? Есть ли пределы развития энергетики? Если рост энергетики будет продолжаться со скоростью всего 2 процента, через 100- 150 лет искусственное энерговыделение на Земле составит 30 Q, то есть 2 процента от солнечной. При темпе роста 0;7 процента в год через 1000 лет величина энергии, добываемой человеком, сравняется с энергией, приносимой Солнцем. Предел ли это? Нужна ли человечеству еще большая энергия?
Некоторые ученые дают утвердительный ответ. Членкорреспондент АН СССР Н. Кардашев делит цивилизации на три типа. Первый - это цивилизация, обладающая энергией, близкой к той, что сейчас потребляет человечество, 0,1 Q. Второй тип обладает энергией, близкой к излучаемой близлежащей к ней звездой.
В этом случае энергопотребление примерно равно 10^13 Q.
Третий тип цивилизации должен обладать энергией в масштабах своей галактики. Это 10^24 Q.
Как можно овладеть энергией масштаба солнечной?
Идеи, предложенные еще К. Циолковским, развиты в наше время Дайсоном, профессором Принстонского университета. Для использования энергии Солнца им предлагается соорудить вокруг нашего светила сферу радиусом около 150 миллионов километров с обитаемой оболочкой, для строительства которой нужно переработать всю массу одной из планет Солнечной системы. Население этой оболочки сможет использовать всю энергию, излучаемую Солнцем.
Конечно, эти проекты и масштабы потребления энергии относятся к области далекой фантастики. Ну а как быть с предполагаемой величиной, необходимой энергии на 2050 год, равной 2-3Q, или, скажем, с величиной в десять раз больше - 30 Q? Достижимы ли они, и если да, то насколько легко или трудно этот прогноз осуществить?
Достичь такой выработки энергии нелегко, но возможно. Сейчас весь вопрос в темпах развития. Для человечества наступают трудные времена. Энергия дорожает, и энергетику невозможно развивать такими темпами, как это было ранее. Даже атомная энергетика не может помочь в этом случае. Она не так дорога, как энергетика на органическом топливе, но все же дорогая.
Очень много трудовых и материальных затрат требует сооружение установок, вырабатывающих энергию, и других предприятий топливного цикла, обеспечивающих их работу.
Означает ли замедление темпов фактический отказ от интенсивного развития энергетики?
Нет, и еще раз нет! Ясно одно: человек всегда будет стремиться обладать возможно большим количеством энергии, расширяющим его власть над природой и обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получать энергию во всевозрастающих объемах. Иногда периоды "застоя" - замедленного поступательного движения - могут возникать и длиться долго, может быть, десятки лет. Но обязательно будут появляться новые открытия и изобретения, которые помогут человечеству сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям еще более быстрыми шагами.
Дело не в голоде
Прогнозисты считают, что количество энергии, которую должен будет потреблять человек в предстоящее столетие, равно: 0,5-OJ5Q уже в 2000 году и 2- 3Q в 2050 году. Много ли это по сравнению с ресурсами, которыми обладает Земля? Давайте к ним и обратимся.
Все они делятся на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относятся солнечная энергия, тепло Земли, приливы океанов. Они не прекратят существования, пока будут Солнце и Земля. Невозобновляемые ресурсы не восполняются природой или восполняются очень медленно, гораздо медленнее, чем их расходуют люди. Скорость образования новых горючих ископаемых в недрах Земли определить довольно трудно. В связи с этим оценки специалистов резко различны: от 0,00001Q до 0,0005Q в год. Если даже принять самое большое это число, то все равно скорость накопления топлива в недpax Земли в тысячу раз меньше скорости его потребления. Поэтому такие ресурсы и называют невозобновляемыми. С них мы и начнем, для удобства сведя все данные в таблицу, в которой для сравнения приведем ожидаемое потребление в 2000 году. Все величины приведены в единицах Q.
Виды ________________Потребление_.
топлива __ Ресурсы __в 2000 году_.
Уголь ___ 200-400 ____ 0,1-0,15 _.
Нефть ____ 15-20 _____ 0,2-0,25 _.
Газ ______ 12-18 ______ 01-0.15 _.
Что же вытекает из этих данных? Во-первых, запасы органического топлива при уровне потребления двухтысячного года в 0,5-0,6Q могут быть исчерпаны через 400-800 лет. Но это может случиться и раньше! В таблице приведены потенциальные ресурсы. При теперешних методах добычи из них можно извлечь около половины, а другую половину просто "не угрызешь". Кроме того, и энергопотребление не останется на уровне 2000 года, а будет расти. Поэтому, если принять ежегодное энергопотребление равным 2Q, запасов хватит на 120-160 лет.
Большую тревогу вызывает намечающееся истощение нефти и газа. Через несколько десятков лет известные залежи их могут оказаться исчерпанными. Так что же, кризис? Да. Но только не всеобщий энергетический, а нефтяной и газовый. Однако тут нужно быть осмотрительным. Подобные оценки по нефти, сделанные в 1952 году, показывали, что запасов "черного золота" хватит всего на 25 лет. Но уже в 1966 году разведанные запасы возросли настолько, что срок обеспеченности нефтью возрос до 33 лет. Сейчас мы говорим уже о 40- 60 годах.
Существует также битуминозная нефть. Ее столько же, сколько и обычной, но ее добыча пока считается неэкономичной. А ведь, кроме освоенных и разведанных нефтегазовых месторождений, возможно открытие и освоение совершенно новых глубинных ресурсов. Так, по мнению американского ученого Т. Гоулда, в нижних слоях земной коры, возможно, находятся громадные запасы метана, энергетический эквивалент которых даст около 1000Q!
Как бы то ни было, но сейчас мы должны ориентироваться на выявленные фактические ресурсы органического топлива, так как стратегия развития энергетики должна быть беспроигрышной. Да и не только энергетики. Нефть и газ - ценнейшее химическое сырье.
Из нефти научились делать кормовые белки для живот-- ных. Газ нужен металлургической промышленности. Надо беречь эти дары природы, нельзя истратить все их запасы только на энергетику.
А что же уголь? Ведь его одного хватило бы на 100-150 лет! С углем свои проблемы. Во-первых, его транспортировка - дело весьма трудоемкое. В нашей стране, как уже говорилось, основные запасы угля сосредоточены на востоке, а основное потребление - в европейской части. Во-вторых, широкое использование угля связано с серьезным загрязнением атмосферы, засорением поверхности земли и ухудшением почвы.
Но даже, если можно было бы пренебречь отрицательными последствиями сжигания угля, к сожалению, его нельзя использовать во многих отраслях промышленности ,и народного хозяйства. Чтобы расширить область применения, разрабатываются методы переработки его в газообразное и жидкое топливо. Однако еще нет экономичных для этого способов.
В разных странах все перечисленные проблемы выглядят различно, но решение их почти везде одно - всемерное внедрение атомной энергетики. Какими же запасами топлива она обладает?
В атомной энергетике их величина в большой мере зависит от эффективности его использования. Реакторы существующих типов потребляют около 1,5 процента природного урана. Если ориентироваться только на такие установки, то мировые запасы ядерного топлива эквивалентны всего 2-3Q. На уровне потребления 2000 года его хватит лишь на 50-70 лет, а 2020 года и того меньше - лет на 8-10.
Если применять тепловые реакторы усовершенствованного типа, то энергоемкость существующих запасов топлива возрастет до 8-12Q. Для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах видится уже 50-100Q.
В случае их развития положение изменится коренным образом, ибо в таких реакторах-размножителях ядерное топливо используется в 25-35 раз более эффективно, чем в реакторах и тепловых нейтронах. Тогда можно пойти и на добычу урана из морской воды, где запасы урана практически безграничны (50-100 тысяч Q).
Такими же возможностями обладает и разрабатываемая термоядерная энергетика.
Так почему же люди заговорили об энергетическом кризисе, если запасов только органического топлива хватит на сотни лет? А в резерве еще ядерное!
Запасов топлива на планете еще вполне достаточно для жизни многих поколений. Весь вопрос в том, сколько оно стоит. И именно с этой стороны нужно рассматривать сейчас энергетическую проблему. Нефти, газа в недрах земли еще много, но их добыча стоит все дороже и дороже, так как эту энергию приходится добывать из более бедных и глубоко залегающих пластов, из небогатых месторождений, открытых в необжитых, труднодоступных районах. Гораздо больше приходится и придется вкладывать средств для того, чтобы свести к минимуму экологические последствия использования органического топлива. Так что суть проблемы во все увеличивающихся затратах на производство энергии.
Атомная энергия внедряется сейчас не потому, что она обеспечена топливом на столетия и тысячелетия, а из-за ее дешевизны по сравнению с энергетикой на органическом топливе. Атомная энергетика должна расширяться для экономии и сохранения на будущее нефти и газа.
В условиях удорожания топлива особую остроту приобретает проблема повышения эффективности его использования. Ныне в среднем это только 10-15 процентов. Скажем, коэффициент полезного использования топлива в легковом автомобиле всего 10 процентов, а при обогреве помещений и того меньше - не превышает 6-8 процентов. Резервы здесь громадные, и успехи могут быть достигнуты немалые. Именно поэтому эффективности использования энергии, ее экономии и в нашей стране и за рубежом уделяется все большее внимание.
Сэкономить в большом и малом - в настоящее время задача не менее важная, нежели открыть новое месторождение или добыть лишнюю тонну топлива. Правда, борьба за экономию принимает за рубежом порой анекдотичную форму. Так, в Англии, сообщает лондонский еженедельник "Фармез уикли", владельцы молочных ферм, уплатив 300-500 фунтов стерлингов, могут приобрести оборудование для утилизации тепла, содержащегося в парном молоке. При охлаждении литра такого молока с 30 до 4 градусов выделяется около 0,03 киловатт-часа энергии. Добытое тепло передается газообразному теплоносителю, температура которого повышается до 55 градусов при прохождении через компрессор. Это тепло используется для нагревания воды или обогрева в зимнее время.
Не заманчив этот способ. Им не погасить надвигающийся энергетический кризис. Не о таком удешевлении энергии идет речь. В поисках более дешевой энергии в последнее время специалисты все чаще обращают свой взгляд на возобновляемые источники: Солнце, тепло Земли, энергию приливов океана.
Многие считают, что будущее принадлежит дарам Солнца. Действительно, ежегодное количество солнечной энергии, падающей на верхние слои атмосферы, эквивалентно 10000Q. Этого громадного количества, несомненно, хватило бы на тысячи лет. Важно только уметь пользоваться этой энергией. Хотя до поверхности Земли доходит ее небольшая часть - 1500Q, а все равно ее очень много. Основное препятствие к экономичному использованию солнечной энергии - ее малая концентрация - всего 150-200 ватт на квадратный метр поверхности. Скажем для сравнения: плотность энергии, поступающей в домашний чайник, когда он стоит на газовой плите, больше в тысячу раз. Поэтому главные усилия в освоении солнечной энергии направляются на методы ее концентрации. Другой путь использования солнечной энергии- Преобразование ее в один из видов, более удобных для использования.
Обратите внимание на табличку, в которой приведена энергоемкость различных возобновляемых источников в единицах Q.
.___________________________________________.
.Солнце на поверхности Земли ______ 1500____.
.в том числе: ______________________________.
.- гидроэнергия ___________________ 0,1 ___.
.- ветер с плотностью, большей ____________.
.500 киловатт_______________________________.
.на квадратный километр площади ___ 1-2 ____.
.- фотосинтез, ____________________ 3 _____.
.в том числе дрова: ________________ 0,5 ___.
.Термальная энергия, _______________ 1,0 ___.
.в том числе термальные воды _______ 0,003 _.
.Приливы в океанах _________________ 0,1 ___.
.___________________________________________.
Как видно из этой таблички, запасы гидроэнергии относительно невелики. Но она не что иное, как концентрированная солнечная энергия, которая успешно используется человеком. В СССР и США уже приносят пользу 20-30 процентов всех гидроэнергоресурсов.
Около двух процентов солнечной энергии переходит в энергию движения воздушных масс. Это в год около 30Q. К сожалению, на поверхности Земли плотность энергии ветра невелика. Существенным недостатком является и непостоянство его силы. Даже при плотности энергии ветра, равной 500 киловаттам на квадратный километр, ветряные установки очень громоздки. Диаметр ротора ветряного электрогенератора мощностью всего 1000 киловатт должен быть около 50-60 метров.
Человечество прошло бесконечно длинный путь в своем развитии. И каждый очередной этап сопровождался увеличением потребляемой человеком энергии.
В 1860 году ее расход на каждого человека в пересчете на условный уголь (килограмм которого дает 7000 килокалорий тепла) составлял полтонны. В 1940 году они переросли в полторы тонны А в 1980 году две с половиной три тонны Таковы средние цифры.
В технически же развитых государствах в 1980 году расход составил 6-15 тонн, а в развивающихся странах всего 0,5-1 тонну, то есть в десять раз меньше!
Что же это означает? Значит, целые государства могут существовать и при очень малом потреблении энергии по сравнению с потреблением ее в технически развитых странах? Конечно, могут. Вопрос в том, как развиты в этих государствах промышленность и сельское хозяйство, как устроен быт.
Когда данные по величине валового национального продукта в различных странах были проанализированы, то оказалось, что эта величина прямо пропорциональна энерговооруженности человека в этой стране. Если она в одном государстве в пять раз больше, чем в другом, то и количество валового национального продукта в нем оказывается в пять раз больше, чем в другом. Конечно, это усредненные данные. В отдельных случаях такая пропорциональность не наблюдается. Отклонения объясняются разнообразием путей исторического развития, различными природными условиями. Но в среднем приведенная закономерность справедлива.
Значит, для дальнейшего повышения материального благосостояния людей необходимо повышать их энерговооруженность. К сожалению, в будущем рост энерговооруженности не будет приводить к прямо пропорциональному увеличению валового национального продукта.
Значительную часть энергии люди вынуждены отдавать на другие нужды. Вот примеры из разных областей.
Постоянно ухудшающееся плодородие почвы требует все большего количества удобрений, на производство которых затрачивается дополнительная энергия. Освоение одного гектара орошаемой земли также связано с энергетическими затратами, равными примерно тонне условного топлива.
Дороже становится и добыча рыбы. Улов и переработка одной тонны ее требуют затраты энергии, эквивалентной полутора тоннам условного топлива.
При нынешних темпах добычи запасы некоторых руд, богатых металлом, иссякнут уже через несколько десятилетий. В этой связи начнут осваиваться даже такие месторождения, которые не разрабатывались из-за низкого их качества. Значит, затраты энергии на получение того же количества металла заметно возрастут.
Огромное внимание, которое уделяется утилизации не используемых ныне всевозможных промышленных и прочих отходов, организации замкнутых циклов, созданию безотходной технологии, также связано с повышенным потреблением энергии.
Запасы воды истощаются. Постоянно растет доля безвозвратного водопотребления. Сейчас на земном шаре есть места, где стремятся потратить с пользой каждую каплю воды. Возможно, что в отдаленной перспективе огромную роль сыграет опреснение морской воды.
Академик М. Стырикович приводит такой пример, характеризующий возможный объем потребления энергии для опреснения морской воды. Для выращивания урожая ценностью в 2500 килокалорий в день на одного человека требуется одна тонна воды. Но чтобы ее получить, необходимо израсходовать 6-7 килограммов условного топлива. А это 2-2,5 тонны условного топлива в год на одного человека! В пять раз больше, чем приходится на все нужды на человека многих стран.
Примеры можно множить и множить. Но я думаю, что все и так уже ясно. Человеку необходимо все больше и больше энергии. И уже можно перечислять статьи будущих ее расходов и оценивать, сколько же потребуется ее для каждой статьи расхода. Можно эти статьи складывать и планировать будущие потребности в энергии.
Прогнозы, прогнозы...
До сих пор мы рассуждали лишь качественно. Обсуждали и доказывали, что человек нуждается в энергии.
Но ведь важна и количественная сторона, то есть надо знать, сколько ее понадобится каждому человеку и всему человечеству в целом через год, через десять, сто, тысячу лет. Так мы попадаем в область прогностики - науки о прогнозировании, назначение которой - обобщение научной информации, имеющейся у общества, и на ее основе надежное предсказывание будущих событий. Разработка долгосрочных прогнозов в энергетике особенно важна потому, что цикл подготовки - освоение новых первичных энергоресурсов, создание средств для их транспортировки, преобразования и использования, продолжается десятки лет. Высокая капиталоемкость, широкая взаимозаменяемость энергоресурсов и видов энергии делают особенно важным заблаговременную разработку оптимальной структуры энергохозяйства. Долгосрочный прогноз должен оказывать ускоряющее влияние на темпы научно-технического прогресса. Установление принципиальной возможности создания новых эффективных энергетических источников и их роли в будущей энергетике содействует формированию благоприятного климата для научно-технических исследований и стимулирует их.
Прогнозы многое могут, многое должны, но, к сожалению, не всегда это делают. Разброс в прогнозах о развитии энергетики очень велик. Одни говорят о сверхбыстром развитии энергетики, другие о ее нулевом росте. Этому есть, конечно, свои причины. Для долгосрочных энергетических прогнозов характерна достаточно большая неопределенность, зависящая от неполноты исходной информации, то есть от наших знаний закономерностей развития, а также параметров и возможностей различных процессов и энергетических систем.
Разные подходы к развитию энергетики и разные оценки ее теперешнего и будущего состояния проистекают также и из разных принципиальных взглядов на развитие больших систем энергетики. Так, одна из концепций исходит из того, что в основе развития природы и общества лежит неопределенность и случайность - ничего, мол, определенного нельзя сказать заранее. Сторонники таких взглядов рассматривают большие системы энергетики как чисто вероятностные - "го ли будет, то ли нет", ибо, с их точки зрения, человек не может активно воздействовать на развитие таких систем в прогрессивных направлениях. Его удел лишь пассивно прогнозировать. Именно такой философией вооружены упоминавшиеся ранее фаталисты, экзистенциалисты и многие футурологи.
Существует и другое крайнее и тоже неправильное восприятие действительности. Его апологеты в технике и энергетике считают, что в мире существуют лишь однозначно определенные связи - все известно заранее, в плановом хозяйстве случайные тенденции отсутствуют или их влияние ограниченно, поэтому, мол, можно на 20-30 лет вперед без ошибок определять развитие всех звеньев промышленности и энергетики.
Наши специалисты в области экономики, техники и энергетики в своих прогнозах и планировании руководствуются объективными законами развития производительных сил, определяющими основные направления развития энергетики. В то же время они признают существование многих неопределенных факторов, которые могут ускорять или замедлять прогрессивные тенденции.
Важным фактором, свидетельствующим об устойчивости долгосрочных экономических и энергетических прогнозов, является наличие генеральной цели развития нашего общества. Важнейшие социально-экономические задачи, решаемые во имя этой цели, имеют детерминированный характер. И все же определенность, надежность прогноза сильно зависит от степени научной разработанности и сходной для него технико-экономической информации, и главное - от срока, на который ведется прогнозирование.
Так, скажем, прогноз по всей энергетике на 1990 год допускает ошибку в 10-15 процентов, а по отдельным видам энергии в 20-30 процентов. На 2000 год ошибка прогноза может дойти и до 20-40 процентов.
Если же заглянуть в 2030-2050 годы, то можно ошибиться и в два раза. Поэтому, как правило, при прогнозировании на длительные сроки рассматривают несколько возможных вариантов развития.
Прогнозов о развитии энергетики сейчас очень много. Это и не удивительно, энергетика сегодня - больное место. Но мы начнем со старого, сделанного замечательным русским физиком Н. Умовым. В 1912 году он опубликовал статью "Задачи техники в связи с истощением запасов энергии на Земле". Это серьезный труд, в котором действительно разработаны все факторы, которые можно было учесть тогда, почти 70 лет назад. Выводы, сделанные его автором, интересны нам потому, что на этом примере отчетливо видно, где и как можно ошибиться в прогнозировании.
Приняв темп роста потребностей в энергии 6 процентов годовых и известные тогда запасы угля, нефги и гидроэнергии, Н. Умов счел необходимым принять в расчет и другие источники энергии: солнце, приливы в океане. Как мы увидим далее, ныне для дальнейших прогнозов принимается величина темпа не 6 процентов, а около 3. В балансе потребляемой энергии Н. Умов отвел слишком малую роль электроэнергии - всего 3 процента. При расчете КПД двигателей он ориентировался на паровые машины, КПД которых 25 процентов. Сейчас поршневые машины почти повсеместно вытеснены турбинами и двигателями внутреннего сгорания. В прогнозе Н. Умова незначительная роль была отведена нефти и газу, что же касается внутриядерной энергии, то о ней, конечно, не было и речи.
Этот экскурс в прошлое, по-моему, убедительно показывает, что, несмотря на улучшившуюся методику прогнозирования, специалисты, занимающиеся прогнозами, не застрахованы от просчетов, допущенных Н. Умовым, и не имеют достаточных оснований говорить о большой точности своих прогнозов для такого временного интервала, каким являются 40-50 лет. Что говорят современные прогнозы?
Наша отправная точка - энергопотребление в мире сегодня. Мы уже говорили: в среднем в 1980 году на каждого жителя Земли расходовалось 2,5-3 тонны условного топлива. Значит, четырех с половиной миллиардное население Земли потребляло только 11 миллиардов тонн условного топлива. Из чего они складывались? Из 2,5 миллиарда тонн угля, 4,1 - нефти, 2,9 природного газа, 0,6 - гидроэнергии (так же, как и атомная, она пересчитана на условное топливо), 0,3 - атомной энергии и 0,6 миллиарда тонн - прочие энергетические ресурсы.
Много это или мало по сравнению с существующими на Земле ресурсами, мы увидим далее, а сейчас сравним энергию, производимую человеком, с солнечной энергией, достигающей поверхности Земли. Поскольку речь пойдет об очень больших величинах, будем пользоваться энергетической единицей, введенной индийским физиком Хоми Баба (она обозначается символом Q), равной 37 миллиардам тонн условного топлива.
Итак, в 1980 году на Земле было потреблено примерно 0,3 Q. Ежегодно на поверхность Земли солнечные лучи приносят 1500 Q, то есть почти впять тысяч раз больше. По-различному подходят к оценке потребностей в будущем. В одном из подходов оценивается величина энергии, которую нужно потратить на каждого жителя Земли с учетом многочисленных факторов (увеличение валового национального продукта, опреснение воды, затрудненная добыча сырья и т д.), о которых шла речь выше. Считается, что в 2040-2050 годах в технически развитых странах каждый человек будет ежегодно потреблять 15-20 тонн условного топлива, а в среднем в мире 5-10 тонн.
Сейчас население Земли растет со скоростью 3 человека в секунду. Демографы полагают, что в дальнейшем рост населения несколько замедлится и к 2050 году достигнет лишь 12--14 миллиардов. В этом случае человечество будет потреблять около 2-3 Q.
При другом подходе прогнозисты-энергетики исходят из темпов развития экономики. Например, в материалах Мирового энергетического конгресса, состоявшегося в сентябре 1977 года в Стамбуле, приведены следующие величины в единицах Q:
______________________________________________________________ .
Энергия\ Годы ____ 1990 _________ 2000 ______ 2020 ____ 2050 _ .
Всего энергии ___ 0,4-0,45 ____ 0,5-0,75 ____ 0-1,5 ____ 2-3 _ .
Атомная энергия _0,01-0,015 _ 0,035-0,04 _ 0,15-0,25 _ 0,3-0,7 .
______________________________________________________________ .
Видно, что с течением времени в энергетическом балансе мира доля атомной энергетики возрастает. Если в 2000 году ее вклад составит всего 5-7 процентов, то уже в 2020 году можно ожидать увеличения до 15- 20 процентов, а для технически развитых стран эта доля может доходить и до 40-50 процентов.
Итак, в 2050 году, то есть через 70 лет, общее ежегодное количество потребляемой энергии может достичь 2 3 Q, то есть 0,1-0,2 процента от солнечной энергии, падающей на Землю.
Ну а что будет после 2050-го? Есть ли пределы развития энергетики? Если рост энергетики будет продолжаться со скоростью всего 2 процента, через 100- 150 лет искусственное энерговыделение на Земле составит 30 Q, то есть 2 процента от солнечной. При темпе роста 0;7 процента в год через 1000 лет величина энергии, добываемой человеком, сравняется с энергией, приносимой Солнцем. Предел ли это? Нужна ли человечеству еще большая энергия?
Некоторые ученые дают утвердительный ответ. Членкорреспондент АН СССР Н. Кардашев делит цивилизации на три типа. Первый - это цивилизация, обладающая энергией, близкой к той, что сейчас потребляет человечество, 0,1 Q. Второй тип обладает энергией, близкой к излучаемой близлежащей к ней звездой.
В этом случае энергопотребление примерно равно 10^13 Q.
Третий тип цивилизации должен обладать энергией в масштабах своей галактики. Это 10^24 Q.
Как можно овладеть энергией масштаба солнечной?
Идеи, предложенные еще К. Циолковским, развиты в наше время Дайсоном, профессором Принстонского университета. Для использования энергии Солнца им предлагается соорудить вокруг нашего светила сферу радиусом около 150 миллионов километров с обитаемой оболочкой, для строительства которой нужно переработать всю массу одной из планет Солнечной системы. Население этой оболочки сможет использовать всю энергию, излучаемую Солнцем.
Конечно, эти проекты и масштабы потребления энергии относятся к области далекой фантастики. Ну а как быть с предполагаемой величиной, необходимой энергии на 2050 год, равной 2-3Q, или, скажем, с величиной в десять раз больше - 30 Q? Достижимы ли они, и если да, то насколько легко или трудно этот прогноз осуществить?
Достичь такой выработки энергии нелегко, но возможно. Сейчас весь вопрос в темпах развития. Для человечества наступают трудные времена. Энергия дорожает, и энергетику невозможно развивать такими темпами, как это было ранее. Даже атомная энергетика не может помочь в этом случае. Она не так дорога, как энергетика на органическом топливе, но все же дорогая.
Очень много трудовых и материальных затрат требует сооружение установок, вырабатывающих энергию, и других предприятий топливного цикла, обеспечивающих их работу.
Означает ли замедление темпов фактический отказ от интенсивного развития энергетики?
Нет, и еще раз нет! Ясно одно: человек всегда будет стремиться обладать возможно большим количеством энергии, расширяющим его власть над природой и обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получать энергию во всевозрастающих объемах. Иногда периоды "застоя" - замедленного поступательного движения - могут возникать и длиться долго, может быть, десятки лет. Но обязательно будут появляться новые открытия и изобретения, которые помогут человечеству сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям еще более быстрыми шагами.
Дело не в голоде
Прогнозисты считают, что количество энергии, которую должен будет потреблять человек в предстоящее столетие, равно: 0,5-OJ5Q уже в 2000 году и 2- 3Q в 2050 году. Много ли это по сравнению с ресурсами, которыми обладает Земля? Давайте к ним и обратимся.
Все они делятся на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относятся солнечная энергия, тепло Земли, приливы океанов. Они не прекратят существования, пока будут Солнце и Земля. Невозобновляемые ресурсы не восполняются природой или восполняются очень медленно, гораздо медленнее, чем их расходуют люди. Скорость образования новых горючих ископаемых в недрах Земли определить довольно трудно. В связи с этим оценки специалистов резко различны: от 0,00001Q до 0,0005Q в год. Если даже принять самое большое это число, то все равно скорость накопления топлива в недpax Земли в тысячу раз меньше скорости его потребления. Поэтому такие ресурсы и называют невозобновляемыми. С них мы и начнем, для удобства сведя все данные в таблицу, в которой для сравнения приведем ожидаемое потребление в 2000 году. Все величины приведены в единицах Q.
Виды ________________Потребление_.
топлива __ Ресурсы __в 2000 году_.
Уголь ___ 200-400 ____ 0,1-0,15 _.
Нефть ____ 15-20 _____ 0,2-0,25 _.
Газ ______ 12-18 ______ 01-0.15 _.
Что же вытекает из этих данных? Во-первых, запасы органического топлива при уровне потребления двухтысячного года в 0,5-0,6Q могут быть исчерпаны через 400-800 лет. Но это может случиться и раньше! В таблице приведены потенциальные ресурсы. При теперешних методах добычи из них можно извлечь около половины, а другую половину просто "не угрызешь". Кроме того, и энергопотребление не останется на уровне 2000 года, а будет расти. Поэтому, если принять ежегодное энергопотребление равным 2Q, запасов хватит на 120-160 лет.
Большую тревогу вызывает намечающееся истощение нефти и газа. Через несколько десятков лет известные залежи их могут оказаться исчерпанными. Так что же, кризис? Да. Но только не всеобщий энергетический, а нефтяной и газовый. Однако тут нужно быть осмотрительным. Подобные оценки по нефти, сделанные в 1952 году, показывали, что запасов "черного золота" хватит всего на 25 лет. Но уже в 1966 году разведанные запасы возросли настолько, что срок обеспеченности нефтью возрос до 33 лет. Сейчас мы говорим уже о 40- 60 годах.
Существует также битуминозная нефть. Ее столько же, сколько и обычной, но ее добыча пока считается неэкономичной. А ведь, кроме освоенных и разведанных нефтегазовых месторождений, возможно открытие и освоение совершенно новых глубинных ресурсов. Так, по мнению американского ученого Т. Гоулда, в нижних слоях земной коры, возможно, находятся громадные запасы метана, энергетический эквивалент которых даст около 1000Q!
Как бы то ни было, но сейчас мы должны ориентироваться на выявленные фактические ресурсы органического топлива, так как стратегия развития энергетики должна быть беспроигрышной. Да и не только энергетики. Нефть и газ - ценнейшее химическое сырье.
Из нефти научились делать кормовые белки для живот-- ных. Газ нужен металлургической промышленности. Надо беречь эти дары природы, нельзя истратить все их запасы только на энергетику.
А что же уголь? Ведь его одного хватило бы на 100-150 лет! С углем свои проблемы. Во-первых, его транспортировка - дело весьма трудоемкое. В нашей стране, как уже говорилось, основные запасы угля сосредоточены на востоке, а основное потребление - в европейской части. Во-вторых, широкое использование угля связано с серьезным загрязнением атмосферы, засорением поверхности земли и ухудшением почвы.
Но даже, если можно было бы пренебречь отрицательными последствиями сжигания угля, к сожалению, его нельзя использовать во многих отраслях промышленности ,и народного хозяйства. Чтобы расширить область применения, разрабатываются методы переработки его в газообразное и жидкое топливо. Однако еще нет экономичных для этого способов.
В разных странах все перечисленные проблемы выглядят различно, но решение их почти везде одно - всемерное внедрение атомной энергетики. Какими же запасами топлива она обладает?
В атомной энергетике их величина в большой мере зависит от эффективности его использования. Реакторы существующих типов потребляют около 1,5 процента природного урана. Если ориентироваться только на такие установки, то мировые запасы ядерного топлива эквивалентны всего 2-3Q. На уровне потребления 2000 года его хватит лишь на 50-70 лет, а 2020 года и того меньше - лет на 8-10.
Если применять тепловые реакторы усовершенствованного типа, то энергоемкость существующих запасов топлива возрастет до 8-12Q. Для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах видится уже 50-100Q.
В случае их развития положение изменится коренным образом, ибо в таких реакторах-размножителях ядерное топливо используется в 25-35 раз более эффективно, чем в реакторах и тепловых нейтронах. Тогда можно пойти и на добычу урана из морской воды, где запасы урана практически безграничны (50-100 тысяч Q).
Такими же возможностями обладает и разрабатываемая термоядерная энергетика.
Так почему же люди заговорили об энергетическом кризисе, если запасов только органического топлива хватит на сотни лет? А в резерве еще ядерное!
Запасов топлива на планете еще вполне достаточно для жизни многих поколений. Весь вопрос в том, сколько оно стоит. И именно с этой стороны нужно рассматривать сейчас энергетическую проблему. Нефти, газа в недрах земли еще много, но их добыча стоит все дороже и дороже, так как эту энергию приходится добывать из более бедных и глубоко залегающих пластов, из небогатых месторождений, открытых в необжитых, труднодоступных районах. Гораздо больше приходится и придется вкладывать средств для того, чтобы свести к минимуму экологические последствия использования органического топлива. Так что суть проблемы во все увеличивающихся затратах на производство энергии.
Атомная энергия внедряется сейчас не потому, что она обеспечена топливом на столетия и тысячелетия, а из-за ее дешевизны по сравнению с энергетикой на органическом топливе. Атомная энергетика должна расширяться для экономии и сохранения на будущее нефти и газа.
В условиях удорожания топлива особую остроту приобретает проблема повышения эффективности его использования. Ныне в среднем это только 10-15 процентов. Скажем, коэффициент полезного использования топлива в легковом автомобиле всего 10 процентов, а при обогреве помещений и того меньше - не превышает 6-8 процентов. Резервы здесь громадные, и успехи могут быть достигнуты немалые. Именно поэтому эффективности использования энергии, ее экономии и в нашей стране и за рубежом уделяется все большее внимание.
Сэкономить в большом и малом - в настоящее время задача не менее важная, нежели открыть новое месторождение или добыть лишнюю тонну топлива. Правда, борьба за экономию принимает за рубежом порой анекдотичную форму. Так, в Англии, сообщает лондонский еженедельник "Фармез уикли", владельцы молочных ферм, уплатив 300-500 фунтов стерлингов, могут приобрести оборудование для утилизации тепла, содержащегося в парном молоке. При охлаждении литра такого молока с 30 до 4 градусов выделяется около 0,03 киловатт-часа энергии. Добытое тепло передается газообразному теплоносителю, температура которого повышается до 55 градусов при прохождении через компрессор. Это тепло используется для нагревания воды или обогрева в зимнее время.
Не заманчив этот способ. Им не погасить надвигающийся энергетический кризис. Не о таком удешевлении энергии идет речь. В поисках более дешевой энергии в последнее время специалисты все чаще обращают свой взгляд на возобновляемые источники: Солнце, тепло Земли, энергию приливов океана.
Многие считают, что будущее принадлежит дарам Солнца. Действительно, ежегодное количество солнечной энергии, падающей на верхние слои атмосферы, эквивалентно 10000Q. Этого громадного количества, несомненно, хватило бы на тысячи лет. Важно только уметь пользоваться этой энергией. Хотя до поверхности Земли доходит ее небольшая часть - 1500Q, а все равно ее очень много. Основное препятствие к экономичному использованию солнечной энергии - ее малая концентрация - всего 150-200 ватт на квадратный метр поверхности. Скажем для сравнения: плотность энергии, поступающей в домашний чайник, когда он стоит на газовой плите, больше в тысячу раз. Поэтому главные усилия в освоении солнечной энергии направляются на методы ее концентрации. Другой путь использования солнечной энергии- Преобразование ее в один из видов, более удобных для использования.
Обратите внимание на табличку, в которой приведена энергоемкость различных возобновляемых источников в единицах Q.
.___________________________________________.
.Солнце на поверхности Земли ______ 1500____.
.в том числе: ______________________________.
.- гидроэнергия ___________________ 0,1 ___.
.- ветер с плотностью, большей ____________.
.500 киловатт_______________________________.
.на квадратный километр площади ___ 1-2 ____.
.- фотосинтез, ____________________ 3 _____.
.в том числе дрова: ________________ 0,5 ___.
.Термальная энергия, _______________ 1,0 ___.
.в том числе термальные воды _______ 0,003 _.
.Приливы в океанах _________________ 0,1 ___.
.___________________________________________.
Как видно из этой таблички, запасы гидроэнергии относительно невелики. Но она не что иное, как концентрированная солнечная энергия, которая успешно используется человеком. В СССР и США уже приносят пользу 20-30 процентов всех гидроэнергоресурсов.
Около двух процентов солнечной энергии переходит в энергию движения воздушных масс. Это в год около 30Q. К сожалению, на поверхности Земли плотность энергии ветра невелика. Существенным недостатком является и непостоянство его силы. Даже при плотности энергии ветра, равной 500 киловаттам на квадратный километр, ветряные установки очень громоздки. Диаметр ротора ветряного электрогенератора мощностью всего 1000 киловатт должен быть около 50-60 метров.