В Лаврус - Источники энергии
Зачастую мы не можем в абсолютных единицах выразить ущерб, который всегда наносит любая тепло- или электростанция. Выбор вариантов развития энергетики разумен только в том случае, если сравниваются не только положительные, но и отрицательные факторы.
В кипении политических страстей частный вопрос об энергоснабжении страны отодвинулся на второй план. Многие считают, что этот вопрос их не касается. Но если представить реакцию населения замерзающего в темных квартирах -- энергетика опередит даже продовольственный вопрос.
Лозунг "Долой атомные электростанции" используют деятели всех мастей. "Зеленые" его применяют в прямом смысле. Противостоящие им апологеты (апологет -- тот, кто выступает с защитой какой-либо идеи) нынешних гигантских электростанций тоже любят этот лозунг, как пример очевидной некомпетентности и недальновидности "зеленых": "Посидят, дескать, в темноте -запоют иначе" [2].
Главные объекты дискуссий -- тепловые, гидравлические и атомные электростанции. Каждая из этих "фабрик электричества" имеет серьезные недостатки из которых на первое место выдвигается наносимый ими экологический ущерб.
Для понимания "что такое хорошо и что такое плохо" в энергетике необходимы критерии учитывающие необходимость продолжения хозяйственной деятельности человека и, наряду с этим, минимизирующие ущерб наносимый окружающей среде.
Основной вклад в загрязнение атмосферы углекислым газом вносят ТЭЦ, ГРЭС и автомобили. Атомные электростанции не выбрасывают углекислый газ, а потому "парниковый эффект" стал главным аргументом у сторонников атомной энергетики.
Достаточно большим энергетическим потенциалом обладают разведанные запасы газа. С экологической точки зрения у природного газа два недостатка: выбросы окислов азота и углекислого газа усиливающего парниковый эффект. При умелом сжигании газа, в парогазовых установках, окислов азота образуется немного (см. стр. 9), а выбросы углекислого газа примерно вдвое ниже, чем при использовании угля или нефти.
До того как мы научимся получать энергию в больших количествах из принципиально новых источников будут использоваться традиционные виды топлива. Поэтому разрабатываются новые месторождения и исследуются процессы, позволяющие эффективнее использовать энергию ископаемого топлива и уменьшить связанное с этим загрязнение окружающей среды.
В этой главе мы хотим показать, что нет оснований слепо верить тем, кто рисует наше будущее в мрачных тонах, кто постоянно твердит, что близится "конец света", что энергетический кризис и загрязнение окружающей среды в течение десятилетий угробят человечество.
Парниковый эффект
Опасность парникового эффекта человечество осознало сравнительно недавно [1]. Наряду с термическими процессами, происходящими внутри нашей планеты, большую часть энергии несет излучение солнца.
Температура излучающей поверхности Солнца около 6000oК. Падающая на Землю энергия переносится излучением с длиной волны от 0,2 до 2 мкм (кривая 1 на рис. p082). Излучаемая земной поверхностью, со средней температурой в 255oК, энергия распространяется в диапазоне длин волн от 2 до 100 мкм (кривая 2 на рис. p082).
Водяной пар атмосферы свободно пропускает прямое солнечное излучение и сравнительно слабо задерживает его отражение. Активное поглощение водой приходится на диапазон 4...7 мкм. На рис. p082 этот диапазон занимает узкий участок спектра (участок H2O кривой 2). Углекислый газ (СО2) поглощает излучение на частотах 13...19 мкм. Он задерживает отраженное тепло на участке кривой 2.
Таким образом, "углекислотное одеяло" повышает температуру планеты. Рост температуры коррелирует с ростом концентрации углекислого газа в атмосфере.
На рис. p083 показано изменение концентрации СО2, измеренное на Гавайских островах. Там нет промышленных центров, поэтому можно считать, что регистрировалась "общемировая" картина. Замеры за 25 лет показали, что с 1959 по 1984 год, количество углекислого газа в атмосфере возросло.
За десятилетие 1970...80 гг. повышение температуры земной поверхности составило 0,3oС. В последующие десятилетия прогнозировался рост температуры на несколько градусов. Реальное повышение температуры происходит несколько медленнее. Однако, в будущем потепление может стать причиной глобального экологического бедствия -- привести к таянию полярных льдов, повышению уровня и затоплению прибрежных территорий мирового океана. По предварительным оценкам таяние полярных "шапок" Земли приведет к повышению уровня мирового океана на 6 метров.
Топливные ресурсы Земли
После нефтяного кризиса 1973...74 годов в развитых странах серьезно задумались об экономии природного топлива. С той поры начался интенсивный поиск энергосберегающих технологий -конструирование экономичных двигателей, электростанций и пр.
В результате потребности в топливе а, соответственно и цены на него, не только стабилизировались, но даже снизились. Изменились, став более оптимистичными, прогнозы относительно природных топливных запасов.
К примеру, прогнозы не учитывают гигантские резервы газовых гидратов (газовые гидраты -- газы, связанные с водой в зонах вечной мерзлоты и на дне морей). Но даже если этот сырьевой источник не брать в расчет, то имеющихся ресурсов, при незначительном замещении нефти углем и газом, вполне достаточно, чтобы обеспечить уверенное энергетическое обеспечение человечества до конца следующего столетия. Так что в обозримом будущем природные ресурсы смогут успешно конкурировать как с еще только осваиваемым водородом, так и с синтетическими видами топлива. Цифры, приводимые на рис. p065, показывают в каком соотношении используется ископаемое топливо [3].
Имеющиеся в нашем распоряжении источники энергии мы используем в высшей степени нерационально. Человек вынужден неоднократно преобразовывать один вид энергии в другой пока окончательно ее не использует.
Каждое преобразование сопровождается потерями части энергии. На электростанциях из топлива получают тепловую энергию, используемую для производства пара. Пар, в свою очередь, приводит в движение турбины. Теперь уже механическая энергия, которая передается генераторам, преобразуется, в конечном счете, в электроэнергию. При использовании электронагревательных приборов полученная многократными преобразованиями и поэтому дорогая электрическая энергия превращается вновь в тепловую. В результате из всей получаемой энергии мы реально потребляем не более половины, остальная безвозвратно теряется.
Потери тепловой энергии на первой ступени не позволяют получить КПД выше 40%. Отработанное тепло попадает в водоемы и нарушает в них биологическое равновесие. Тепловые электростанции сжигающие уголь день и ночь выбрасывают в атмосферу тонны соединений углерода (ежегодно в атмосферу выбрасывается около шести миллиардов тонн углерода [3]) и серы. Последние вступают в химическую реакцию с влагой, содержащейся в воздухе, образуя кислоты разъедающие сталь и мрамор и, что намного хуже, разрушающие наши легкие.
В сравнении с традиционными паротурбинными электростанциями, ТЭЦ и котельными более эффективна газовая микроэнергетика. Малые установки позволяют вырабатывать необходимое количество энергии в соответствии с текущими потребностями в непосредственной близости от потребителя. Они обладают высокой надежностью и малоинерционны. Стоимость оборудования на киловатт мощности вдвое ниже, чем на крупных ТЭЦ.
Важное преимущество газовой микроэнергетики -маневренность. Изменить электрический режим можно за секунды, тепловой режим -- за минуты, вместо многих часов изменения режима в обычных тепловых сетях. Практическая нерегулируемость сегодняшних тепловых источников с длинными сетями приводит к перерасходу энергии: когда зимой потеплеет и мы открываем окна, выбрасывая избыток тепла на улицу.
Отметим еще одну деталь: за все потери в энергетике, в конечном счете, платит потребитель.
Нефть -- источник энергии и сырья
Долгое время нефть не находила применения как топливо и сырье. Только в начале ХIХ века из "земляного масла", как ее тогда называли, стали выделять очищенные продукты. Прежде всего, научились получать керосин и бензин. Керосин нашел применение сразу с появлением керосиновой лампы. Судьба бензина оказалась более сложной. На протяжении почти ста лет эта легковоспламеняющаяся жидкость была одним из опаснейших отходов нефти.
Бензина с каждым годом становилось все больше и от него все труднее было избавляться. К началу ХХ века вес уничтожаемого бензина исчислялся сотнями тысяч тонн в год. Объявлялись конкурсы -- кто найдет лучший способ уничтожения отходов. Только изобретение двигателя внутреннего сгорания открыло реальную область применения бензина [4].
Нефть содержит до 50% мазута, который также не находил применения. В настоящее время из него изготавливают смазки и сжигают в специально разработанных топках котлов.
