ращают на себя внимание исследователей своей “конечностью” и возмож ностью уже относительно быстрого истощения. Эти обстоятельства вынуж дают произвести оценку энергетических ресурсов земного шара и, прежде всего, запасов горючих ископаемых.
Годовая добыча трех видов топлива (нефть, газ, уголь) в 1970 г. состав ляла 6 млрд т у. т., т.е. около 0,15% от всей экономически целесообразной выработки их мировых запасов. Если принять далее, что каждые 20 лет про исходит удвоение темпов добычи топлив, то можно подсчитать, через какое количество лет из недр Земли будут извлечены все доступные разработке запасы топливных ресурсов. Подсчет показывает, что через 75 лет, т.е. к 2050 г., практически все экономически рентабельные запасы горючих иско паемых будут исчерпаны. Если же допустить, что дальнейшая геологиче ская разведка и повышение коэффициента извлечения приведут к увеличе нию доступных запасов, например в 8 раз, то в таком случае эти запасы ис сякнут не в 2050 г., а в 2110, т.е. не через 75 лет, а через 140 лет.
По данным американских ученых экономически рентабельные запасы топлива в США будут истощены через 75-100 лет, а общие потенциальные запасы через 150-200 лет.
Конечно, все эти прогнозы связаны с различными предположениями и могут колебаться в достаточно широких пределах. Одно только совершен но ясно. При всех условиях “топливные кладовые” Земли будут опустоше ны в обозримое время. Таким образом, перед человечеством нависает ката строфа исчерпания запасов горючих ископаемых, являющихся одновремен но и ценнейшим химическим сырьем. Особенно острым это положение представляется в отношении нефти и природного газа, доля которых в еже годно сжигаемых количествах энергетического топлива все время возраста ет и составляет в последнее время 70%. А если учесть, что горючие ископа емые составляют основу современных энергоресурсов, то складывающееся положение с природным газом, нефтью и углем нельзя не рассматривать как надвигающийся “энергетический голод”.
Необходимость перехода человечества на новые виды энергии, не свя занные с сжиганием топлива, диктуется, таким образом, следующими при чинами:
-возможностью исчерпания запасов углеводородного топлива, и преж де всего природного газа и нефти, в обозримое время;
-потребностью в Нефти, природном газе и угле как ценнейших базовых сырьевых материалах Для химической индустрии;
-опасностью загрязнения окружающей среды, прежде всего, из-за вы бросов в нее огромных количеств углекислого газа и других соединений, об разующихся в результате сжигания углеводородных топлив;
-все увеличивающейся потребностью в энергии и ростом обществен
ных затрат для ее производства.
Рассмотрим энергетические системы, использование которых осуществ ляется или потенциально может осуществляться человеком. Условно эти си стемы можно разделите на основанные на непрерывных или возобновляемых источниках энергии (1-3 из рассмотренных ниже систем) и основанные на не возобновляемых источниках энергии (4— из рассмотренных ниже систем).
К первой энергетической системе следует отнести энергию, возникаю щую в результате действия гравитационных сил, вращения Земли, молеку
лярного движения (разница температур между атмосферой, литосферой и гидросферой), движения приливов и волн, движения воздуха (ветер), а так же геотермальную энергию. Эта энергетическая система издавна использо
валась и используется человеком.
Например, энергия ветра приводит в движение парусные суда, вращает жернова мельниц, качает воду в пустынях; поставленные на пути воздушно го потока ветровые электростанции неприхотливы и надежны в работе. Си ла тяжести масс воды в реках, зарегулированных плотинами, используется в гидравлических турбинах, соединенных генераторами тока. Гравитационные силы также находят применение в приливных гидроэлектростанциях.
Существенное преимущество первой энергетической системы заключается в том, что источники энергии являются практически бесконечными по времени своего действия. Кроме того, использование человеком этой систе мы не влечет за собой каких-либо серьезных экологических последствии; исключение составляют гидроэнергетические проекты, реализация кото рых, как известно, вызывает определенные нарушения в окружающей среде (затопление территорий, изменение гидрометеоусловий и др.).
К числу наиболее существенных недостатков энергоисточников этой си стемы, кроме геотермальной энергии, относятся: неравномерность распре деления на поверхности земного шара; неритмичность действия во времени, отчего возникает нежелательная периодичность в получении расчетных ко личеств энергии от этих источников; известная ограниченность запасов этих видов энергоресурсов на нашей планете. Запасы гидравлической, при ливной, волновой и ветровой энергии хотя и велики по современным поня тиям, но совершенно недостаточны в свете потребностей в энергии, скажем, на 2010 г. По некоторым оценкам ресурсы первой системы смогут удовле творить энергетические потребности мира в 2010 г. лишь на 6-10%. Поэто му надо считать малоперспективным развитие этой системы в качестве главного направления решения мирового энергетического кризиса в буду щем. Наряду с этим, однако, не следует пренебрегать вероятностью приме нения названных видов энергии в определенных районах земного шара и при определенных условиях.
Вторая энергетическая система связана с жизнедеятельностью жи вых организмов. Она включает в себя использование солнечной энергии в процессе фотосинтеза растений, а также энергию жизнедеятельности ми кроорганизмов. Солнечный свет, солнечное тепло и, возможно, космиче ские лучи являются первоисточниками энергетических процессов, проис ходящих в живой материи. Использование человеком этой энергетической системы проявляется в форме применения мускульной силы как человека, так и животных, в процессах ферментации и микробиологического воздей ствия в промышленном и сельскохозяйственном производстве, а также в
форме получения тепла при сжигании топлива растительного и животно го происхождения.
Как и первая, эта энергетическая система является практически неогра ниченной, самовосстанавливаемой и возобновляемой. В этом заключается ее главное преимущество. Энергия пищи превращается в мышечную энер гию путем идущего в организме процесса медленного беспламенного окис ления. В принципе живой организм позволяет производить мгновенное пре- о разование энергии из одной формы в другую с достаточно высоким коэф
фициентом полезного действия. Однако в реальных системах живых орга низмам как источникам энергии свойствен целый ряд недостатков. К числу их, прежде всего, относятся большие потери тепловой энергии в процессе метаболизма, т.е. в процессе обмена веществ в самом организме и организ
ма со средой.
Вторая энергетическая система, как и первая, представляет собой про цесс не прямого, а косвенного использования солнечной энергии. В ней пре образование энергии осуществляется через живые организмы, т.е. через биомассу, в которой идет процесс химического превращения солнечной энергии в энергию роста, движения, мускульного действия.
До последнего времени живое вещество как средство преобразования энергии из одной формы в другую, как источник энергии на Земле всерь ез исследователями-энергетиками не рассматривалось. Это объяснялось простой причиной - наличием большого количества не прошедших стадии окисления остатков живого вещества в форме нефти, природного газа и угля. Однако сегодня живое вещество все чаще и настойчивее привлекает внимание исследователя как возможный в далекой перспективе преобра зователь энергии, как аккумулятор энергии, способный, вероятно, полно стью и абсолютно решить проблему энергии и энергетических ресурсов на земном шаре.
Общая годовая мировая продукция фотосинтеза на нашей планете оце нивается сугубо ориентировочно в 80 млрд т, что примерно в 10 раз превы шает количество добываемого ежегодно топлива. Вопрос заключается в следующем: возможно ли осуществление процесса фотосинтеза вне рамок живого организма, возможно ли создание искусственного механизма преоб разования солнечной энергии в химическую с достаточно высоким коэффи циентом полезного действия? Многие видные ученые приходят к выводу, что в принципе такой путь получения энергии возможен. В частности, ака демик Н.Н. Семенов в свое время высказал предположение о том, что в по добном механизме можно повысить КПД использования солнечной энергии до 20%, т.е. сделать его вдвое больше “биологического” КПД процесса фо тосинтеза в растениях.
Под третьей энергетической системой мы понимаем прямое использо вание солнечной энергии в фотоэлектрических и термоэлектрических про цессах. В рамках этой системы человек может получать тепловую или элек трическую энергию с помощью электрохимических реакций и оптической концентрации световых лучей солнца.
Преимущество третьей энергетической системы заключается в том, что в ней осуществляется прямое преобразование солнечной энергии непосред ственно в тепловую или электрическую. К ее положительным сторонам от носится также возможность в сравнительно небольших масштабах аккуму лировать энергию биохимическим или электрохимическим способами. Не достатком является невозможность ее применения в больших масштабах.
Указанная энергетическая система издавна привлекает внимание иссле дователей своей кажущейся простотой, однако все попытки создать эффек тивные солнечные батареи наталкивались на трудности, связанные с огром ными размерами этих батарей или с высокой стоимостью их преобразова тельных элементов. Надо полагать, что непосредственное превращение солнечного излучения в другие виды энергии будет и в перспективе иметь
лишь ограниченный характер. Правда, уже созданы и эффективно работа ют солнечные плиты для приготовления пищи, небольшие паровые котлы, насосные установки и т.п. Вряд ли есть серьезные основания ожидать сколь ко-нибудь крупного прорыва в исследованиях в области прямого примене ния энергии солнечных лучей как в обозримом, так и далеком будущем.
Четвертая энергетическая система основана на невозобновляемых энергоисточниках. В рамках этой системы тепловую и электрическую энергию получают путем сжигания углеводородных топлив, таких, как уголь, нефть, природный газ, горючие сланцы и т.п. На сегодня этот метод произ водства энергии является наиболее известным и достаточно эффективным средством для удовлетворения энергетических потребностей общества.
Важное преимущество четвертой энергетической системы —возмож ность удобно хранить, перевозить и управлять энергоисточниками. Ее глав ные недостатки! большие тепловые и эксплуатационные расходы, загрязне ние окружающей среды продуктами сгорания, а также наметившийся дефи цит в запасах горючих ископаемых и необходимость их сохранения в каче стве металлургического и химического сырья.
Углеводородное топливо сейчас обеспечивает практически все нужды человечества в энергии. Несмотря на симптомы зарождения энергетическо го кризиса, четвертой энергетической системе будет по-прежнему уделять ся огромное внимание. При этом будут решаться задачи достижения наивы сшей эффективности и экономичности энергоустановок, работающих на уг леводородном топливе. Задача состоит также в изыскании путей экономии энергии за счет снижения энергоемкости производства, энерговооруженно сти предприятий и транспортных средств.
Наметившийся дефицит горючих ископаемых, с одной стороны, и огром ные преимущества использования этого вида топлива, особенно для транс портных средств - с другой, вынуждают исследователей во всех странах ми ра обеспечивать дальнейшее совершенствование существующих и поиск но вых видов тепловых двигателей, работающих в рамках четвертой энергети ческой системы. Модернизация классических двигателей внутреннего сго рания (карбюраторных и дизельных) сопровождается поиском новых конст рукций роторных двигателей и дальнейшим усовершенствованием паротур бинных и газотурбинных установок. Однако ни газотурбинные установки, ни новые роторные двигатели не решают главного вопроса - увеличения коэффициента полезного действия. И даже, наоборот, в ряде случаев они привели к его уменьшению. В различных странах мира ведутся разработки новых направлений более эффективной утилизации углеводородного топ лива в целях получения тепловой, механической и электрической энергии. Можно полагать, что работы по улучшению конструкции двигателя внут реннего сгорания будут продолжаться и дадут некоторые позитивные ре зультаты. Главным критерием для оценки успехов этих работ будет дости жение более высокой экономичности двигателя в отношении расхода жид кого топлива, запасы которого на Земле с каждым годом уменьшаются.
Пятая энергетическая система включает в себя методы получения энергии путем использования внутриядерных процессов. Тепловая и элект рическая энергия в рамках этой системы могут быть получены как в резуль тате процессов расщепления атомного ядра, так и в результате термоядерной реакции (реакции синтеза атомных ядер). Главным преимуществом пя
той энергетической системы является возможность поместить энергоуста новку в любом районе земного шара, снабдив ее на длительное время необ ходимым количеством специально приготовленного ядерного топлива.
Недостатки установок на ядерном горючем: высокая стоимость их из готовления и производства топлива для них; необходимость принятия до рогостоящих мер по защите окружающей среды от радиоактивности; тру дности избавления от радиоактивных отходов. Наиболее серьезной проб лемой является проблема ядерного горючего. Применяемые в настоящее время оксид урана и другие виды ядерного топлива являются весьма дефи цитными материалами. Кроме того, стоимость урана с каждым годом по вышается вследствие роста спроса на него и уменьшения его запасов. К не достаткам пятой системы следует также отнести и тот факт, что сегодня она практически непригодна для применения в транспортных средствах, особенно в автомобильном, железнодорожном и авиационном транспорте. Ядерная энергия пока что может использоваться главным образом лишь для получения тепла и электроэнергии. К сожалению, еще не созданы до статочно емкие и надежные аккумуляторы, которыми можно было бы оборудовать все транспортные средства. Более того, сегодня все еще нель зя считать целесообразным широкий переход на атомные двигатели и в морском транспорте из-за высокой стоимости атомных установок и труд ностей, связанных с их эксплуатацией.
Дальнейшее развитие пятой энергетической системы сопряжено со зна чительными трудностями. Предстоит проделать большой объем фундамен тальных и прикладных научно-исследовательских работ, выбрав приоритет ное стратегическое направление разработок, так как фронт исследований настолько широк, что не позволяет вести работы по всем возможным на правлениям.
Не менее трудны для решения и такие вопросы, как надежность самих реакторов, транспортировка ядерного топлива (главным образом, плуто ния), избавление от радиоактивных отходов, уничтожение старых реакто ров и ремонт реакторов, борьба с тепловым загрязнением, отходами добы вающей уран промышленности и др.
Кроме технических проблем, развитие атомной энергетики в случае, если она будет единственной формой получения энергии на Земле, встре тит очень серьезные проблемы, связанные с нехваткой воды и возможным изменением климата. Огромные количества тепла, выделяемые в процес се работы реакторов, значительно увеличат тепловое загрязнение водо емов и атмосферы и вызовут потепление поверхности планеты, что неми нуемо скажется на ее климате. Следовательно, проблемы развития атом ной энергетики будут тесно связаны с решением уже достаточно острой проблемы водных ресурсов и ограничениями климатического и экологи
ческого характера.
Шестая энергетическая система также относится к группе систем, ос нованных на использовании невозобновляемых энергоресурсов. Это систе ма биогеохимического преобразования. Тепловая энергия в рамках этой си стемы есть результат химических реакций с участием нитратов и фосфатов и других, сходных с ними веществ.
Эти соединения, как известно, используются в растениеводстве в качест ве удобрений. Энергетическое действие нитратов и фосфатов в этом случае