Зеленая энергия - популярно об экологии, химии, технологиях

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Home Библиотека Экология и человек Экология и энергетические ресурсы

Экология и энергетические ресурсы

Всякое почти дело, будь то утреннее бритье или приготовление завтрака, поездка на работу, вспашка земли или уборка посевов, поднятие ввысь многотонного аэробуса или выплавка стали, — все это совершается с помощью энергии и связано с ее затратами. Различные ее виды и способы использования немало повлияли на историю развития человечества, его культуру и производство. Долгие столетия основной формой была мускульная, механическая энергия, которая и поныне остается еще главной во многих местах планеты. Открытие тепловой энергии, изобретение паровой машины, а потом и электричества преобразовали многие аграрные страны в индустриальные, что увеличило энергопотребление человечества с сотен до сотен тысяч, а затем и миллионов киловатт. Использование нефти, газа, открытие энергии ядерного распада вместе с развитием электронно-вычислительной техники привело нас к тому, что потребляемая в мире энергия измеряется уже миллиардами киловатт. Лишь за последнее тридцатилетие мировое энергопотребление увеличилось втрое.

Сегодня мы — все пять миллиардов человек — потребляем в год около десяти миллиардов киловатт энергии, и дальнейшее повышение уровня жизни уже немыслимо без увеличения энергопотребления. А оно — крайне неравномерно. В экономически отсталых странах на каждого человека в среднем приходится около 0,5 кВт, в промышленно развитых — от 2 до 7, а в США — до 10 кВт энергии. Американская газета «Нью-Йорк тайме» писала: «Американцы — энергетические алкоголики. Не довольствуясь одной машиной, мы покупаем две и три... создаем целую промышленность, которая заманивает нас электроножами, электросковородками и другими хитростями. Если электрический пир будет продолжаться, похмелье окажется дорогим и неприятным».

Развивающиеся страны потребляют сегодня не более пятой части всей производимой в мире энергии. Ожидается, что к концу столетия эти страны будут потреблять третью ее часть, а к середине следующего — примерно половину всего объема энергопотребления. Темпы роста его в разных странах различны, и стабилизация их ожидается лишь к концу XXI в. Причем на уровне, в шесть — восемь раз превышающем современный. Иначе говоря, для достижения приемлемых для всех условий жизни потребление энергии на Земле должно возрасти как минимум в шесть раз, производство же ее — многим больше. Дело в том, что при существующих ныне технологических процессах до потребителя доходит, как правило, лишь пятая часть производимой энергии. Остальное теряется главным образом (на 70 — 80%) при доставке по проводам или трубам. Отметим также и невысокий КПД энергопроизводства: на лучших электростанциях мира он не превышает 40 — 45%; низок КПД и энергопотребления — на иных паросиловых установках он составляет лишь 3 — 5%. Но оставим на минуту язык цифр. Проблемы, как говорят, интересны не столько цифрами, сколько своими принципами. А принцип таков: при современных технологиях производства, транспортировки и использования существенно большая часть «освобождаемой» из ископаемых топлив энергии (где, отметим, накапливалась она природой миллионы и миллионы лет) просто выбрасывается на ветер. Вот так «царь природы» обращается с «царицей мира», как величают иногда энергию. И читатель, наверное, уже не удивится, узнав, что на развитие всего топливно-энергетического производства (с учетом затрат энергопотребления) человечество ныне расходует до половины всех вкладываемых в индустрию денежных средств. Не удивится и поймет, почему все громче звучат призывы к разработке новых стратегий развития, требующих меньших энергозатрат, чем в прошлом. В том прошлом, где объемы потребной энергии были величиной неограниченной, заданной, производимой без особых ущербов. Понятно, что такой подход не мог стимулировать разработку эффективных технологических процессов ее производства и использования.

Говорят, что богат тот, кто хорошо считает. Но в начале промышленного своего развития человечество было богато и без особых подсчетов — природных ресурсов, казалось, было много до беспредельности. Недооценка будущих потребностей, равно как и переоценка будущих ресурсов, была особенно свойственна людям того времени. По мнению же некоторых западных ученых, люди вообще обладают слабой телескопической способностью (т. е. мыслят лишь в пределах сегодняшнего места и времени) и в силу неясности будущего не могут представить его так же ярко, как настоящее. А потому и предпочитают получать какое-либо благо сегодня, но не завтра. На этой основе строится целая концепция «предпочтения благ во времени», согласно которой в два последовательных отрезка времени ценность блага в последующем всегда меньше, чем в предыдущем. Нет, очевидно, нужды останавливаться на близорукости, а главное — на эгоистичной подоплеке означенной концепции.

Источники энергии и перспективы их использования

Поскольку всякая энергия начинается в энергоресурсах, ознакомимся сначала с источниками энергии, их состоянием и перспективами использования.

Основная часть энергии вырабатывается ныне из ископаемого топлива. До 80-х годов 19-го столетия, до начала «индустриального века», главным энергоносителем была древесина. Ее вытеснил уголь, которым до недавнего сравнительно времени удовлетворялась почти вся энергопотребность мира. Примерно с 1930 г. на смену углю пришла нефть и природный газ, которые к 60-м годам заняли место главного источника энергии (уголь занимает сейчас примерно третью часть мирового энергобаланса). В начале же 70-х годов начала упрочиваться атомная энергетика. Заметим, что сначала расширенного освоения природных ресурсов она немало повлияла на стратегию развития, приведшую нас через много лет к существующему положению. Как в природопользовании в целом, так и в энергетической проблеме.

Все очевиднее становится необходимость пересмотра прежней стратегии развития и перехода на новую, энергосберегающую политику. Сегодня мы встали перед небывалой еще в своей истории необходимостью увеличения производства энергии. Небывалой по своим размерам, обеспечить которые каким-либо одним отдельно взятым традиционным источником и технологическим решением невозможно. Проблема эта доступна решению лишь при одновременном и согласованном «приступе» к ней в трех главных направлениях: нового сочетания всех известных и потенциальных источников энергии; создания более совершенных технологий производства, доставки, потребления энергии и энергоресурсов; их разумного использования и экономии. Возможность успеха определяется многими заложенными в каждом из этих направлений резервами. Вот небольшой пример. За двадцатилетие на производство одного киловатт-часа электроэнергии расход условного топлива у нас был снижен на 150 г. Величина, казалось бы, небольшая, однако в масштабах страны она дала экономию почти в 150 млн т высококалорийных энергоресурсов.

Переход от одного источника энергии к другому — процесс длительный, дорогостоящий, и не только от необходимости изменения энергооборудования, но и по причинам нетехническим: инерционности мышления, этнографических привычек и т. п. Переход, например, от угля к нефти занял более полувека и произошел еще не везде. В бедных странах источником энергии все еще служат «некоммерческие» энергоресурсы: дрова, сельскохозяйственные отходы, мускульная сила. И отчасти эти страны имеют преимущество перед осуществившими энергопереход, изменившими энергосистемы, которые уже сковывают дальнейшее их развитие. Тут можно бы вспомнить: «Тише едешь — дальше будешь» или: «Поспешай не торопясь», однако отмеченное преимущество весьма условно и просматривается лишь в перспективе (жидкие энергоносители долго еще будут играть ведущую роль в мировом энергобалансе).

Прогнозируемое в 70-х годах на Западе быстрое истощение нефтяных запасов не подтвердилось, и немалым образом в результате разведок приполярных областей, особенно шельфовых зон, где, по мнению экспертов, содержится больше половины мировых запасов нефти и газа. Более ста стран сейчас проводят морские поиски и разведку месторождений, а сорок — уже разрабатывают их. Расширяют нефтяные запасы и возможности разработок глубокозалегающих пластов и повышения коэффициентов нефтеотдачи пласта закачкой в него воздуха, пара, воды или различных химических реагентов.

Ежегодно приращиваемые запасы нефти превышают сейчас объемы ее потребления. Однако всевозрастающий спрос (по некоторым прогнозам, в развитых странах к концу века он увеличится вчетверо) и ожидаемое за пределами 90-х годов снижение мирового производства нефти вызывают необходимость поисков нового сочетания энергоисточников. По мнению специалистов, природный газ имеет более долгое будущее. Максимальный уровень его добычи (втрое выше современного) прогнозируется на первое десятилетие XXI в., и в ближайшей перспективе этот энергоноситель может стать достойным заменителем нефти. Однако рынок его будет ограничен высокими затратами на транспортировку. Кроме того, и нефть и газ являют собой ценное химическое сырье, и еще Д. И. Менделеев приравнивал использование нефти как топлива к сжиганию денежных знаков. Все это делает уголь наиболее конкурентоспособным среди других органических энергоресурсов. Доступных сегодня для разработки его запасов впятеро больше, чем сожжено всеми цивилизациями мира до наших дней, и некоторые ученые предрекают приближение «угольного Ренессанса». Так это или иначе, но наметившееся снижение использования нефти сопровождалось ростом добычи углей, чему способствовало и создание новых технологий его сжигания, снижающих загрязнение атмосферы.

Как источник топлива уголь имеет два крупных недостатка. Первый — в сложностях его транспортировки, второй — в производимом им загрязнении природной среды азотно- и сернокислыми дымами, пылью и золой. Но обе эти проблемы решаются небезуспешно. Создан парогенератор с "кипящим слоем", суть работы которого в следующем. Внизу котла, в котором находится пучок трубок с проводимой водой, помещается слой песка, продуваемого воздухом гак, что песчинки, перемешиваясь, стремительно циркулируют по резервуару, образуя имитацию «кипящего слоя». Вместе с воздухом подается горючий газ, нагревающий слой до 500е. Когда песок раскаляется, вводится угольная пыль, и температура быстро поднимается до 800°. Энергоспособность образующейся внутри котла клокочущей «магмы» позволяет вводить и горючие вещества низкого качества (торф, сланцы, различные отходы) — все сгорает полностью, превращая циркулирующую по трубкам воду в пар, который подается на турбину. При температуре 800 — 850° (а не 1400 — 1500°, как на обычных ТЭС) в реакции сгорания углей образуется меньше окислов азота. Для «связывания» же сернистого газа в песок добавляют доломит или известняк, которые «захватывают» серу в сульфат кальция, остающийся в золе.

Тесный контакт трубок с «кипящим слоем» обеспечивает хороший теплообмен, увеличивая КПД преобразования энергии и давая 10%-ную экономию топлива. Казалось бы, чего же больше? Эффект — и экологический, и экономический. Но разбуженная мысль, как цепная реакция, идет дальше. А что, если повысить давление воздуха в резервуаре? Тогда «кипящий слой» займет меньший объем, сохранив ту же температуру. А увеличение пропущенного через него кислорода (давления) повысит и термический «выход» из котла, снижая, подчеркнем, и его размеры (затраты на сооружение).

Разрешима и другая не менее важная проблема — транспортировки. Ведь обычные ТЭС — это не только многочисленные эшелоны с углем, это еще и земли под склады, перегрузки и системы золо- и шлакоудаления. Избежать этого можно через трубопроводы, по которым водоугольная смесь подается прямо с месторождения в котлы «кипящего слоя». Сейчас созданы эффективные технологии по измельчению угля и смешиванию его с водой, что, кстати, обеспечивает и экономичное удаление из угля серы, других примесей еще до его сжигания. Разработан метод и ультразвукового вибрационного смешивания угля с нефтью, образующий однородные, стойкие к хранению смеси.

Другой способ транспортировки угля — его газификация в пласте.

Вспомним, что нынешнее энергопроизводство является ведущим загрязнителем атмосферного воздуха. «Основным поставщиком» этих загрязнений служат тепловые электростанции. ТЭС выбрасывают главную массу поступающего в воздух сернистого газа, пагубно влияющего на наше здоровье. на животный и растительный мир, на металлоизделия и строительные конструкции. Рассеянные в органическом топливе радиоактивные вещества при сгорании выбрасываются в атмосферу концентрированными, и производимое ГЭС радиационное загрязнение в сотни раз больше, чем у нормально работающей атомной электростанции. Однако наибольшую опасность представляют сейчас сернистые соединения, борьба с которыми нелегка.

Гидроэнергетика, например, существенно воздействует на речной сток, приводит к затоплению плодородных земель, пагубно влияет на жизнь речной флоры и фауны, «расшатывает» погодно-климатические режимы. К названным «грехам» теплоэнергетики добавим еще и нарушение природной среды добычей (особенно открытым способом) углей, загрязнением и потерей вод при их обогащении, а также при охлаждении промышленных агрегатов ТЭС. В последнем случае мы теряем и земли, идущие под сооружение прудов-охладителей. Значительное отчуждение земель и увеличение водопотребления связаны с развитием и атомной энергетики. Но главные сложности здесь — в локализации, транспортировке и захоронении долгоживущих радиоактивных отходов. Существуют и известные опасности аварий АЭС.

Все эти проблемы заставляют пристальнее присмотреться к таким энергоресурсам, как солнце, ветер, моря и океаны. Большинство специалистов относится к ним сегодня весьма умеренно, оценивая энергоснабжение на их базе многим дороже, чем на угле, газе, энергии атома. Напомним, однако, что стоимость энергии зависит не только от технологий получения, но и от многих моментов нетехнических, к которым относится и состояние нашей природной среды. Затраты же на ее восстановление пока еще слабо учитываются в стоимостных показателях энергии. А ценность того или иного энергоносителя должна определяться не только факторами стоимостными, экономическими, но и социальными, в равной степени определяющими предпочтительность той или иной энергетической технологии или энергетического носителя.

Использование возобновляемых энергоисточников сдерживает высокая стоимость и большая материалоемкость технологического оборудования, потребность больших площадей земной поверхности для его размещения. По некоторым оценкам, из всех используемых возобновимых энергоресурсов лишь гидро- и геотермальные электростанции могут конкурировать сегодня со станциями тепловыми и атомными. Все остальные нетрадиционные источники энергии в силу их рассредоточенности, хронологического непостоянства и прерывистости, необходимости создания дублирующих мощностей считаются неэкономичными. Подчеркнем — сегодня. На современных уровнях методик расчетов рентабельности, состояния природной среды, информационной нашей обеспеченности знаний и технической мысли. Завтра положение может измениться. История знает немало примеров того, когда от изменения соотношений перечисленных факторов менялось, и порой кардинально, понятие эффективности тех или иных решений. И совсем не исключено, что сформированное определенными социально-политическими мотивами концентрированное направление инженерно-технической мысли сможет завтра предложить нам вполне приемлемый способ использования возобновимых источников энергии, наиболее богатым из которых является солнце.

Использование солнца ветра и воды как альтернативных источников энергии

По самым скромным подсчетам, учитывающим лишь ту часть солнечной энергии, которая попадает на необрабатываемые площади Земли, объем ее в тысячу раз превышает всю потребляемую ныне человечеством.

Этот природный термоядерный реактор, преобразующий каждую секунду несколько миллионов тонн вещества в энергию, издавна привлекал внимание человечества. В XV в. до н. э., например, в статую египетского фараона Аменофиса II был встроен орган из водно-воздушных камер, приводимый в действие первыми солнечными лучами. Согласитесь, что статуя, веками встречающая рассветы пением, производит сильное впечатление. И хотя древнейшее это применение солнечной энергии было примитивным, однако весьма остроумным.

А сегодня небезызвестная фирма «Локхид» разрабатывает проект беспилотного самолета с электродвигателями от солнечных батарей. Машину весом около тонны с размахом крыльев в 100 м предполагается поднять в 1993 г. в воздух на высоту 20 км. В полете она может находиться практически вечно, лишь раз в году возвращаясь на землю для текущего ремонта.

Энергия Солнца легко приспосабливается для производства низкопотенциального тепла в небольших промышленных и коммунально-бытовых масштабах. Еще в 1882 г. в Париже был сконструирован предок солнечных паровых котлов, приводящий в действие печатный газетный станок. Различные гелиосистемы для горячего водоснабжения, обогрева жилых зданий и теплиц, подъема и опреснения воды, кондиционирования воздуха и сушки сельскохозяйственной продукции используются сегодня во многих районах мира. Недалеко от Ташкента строится научно- производственный комплекс «Солнце». Здесь ученые исследуют возможности применения солнечной энергии для получения сверхчистых металлов, сверхтвердых сплавов, идеальных полупроводников и огнеупорных материалов, используя для этого высокотемпературные гелиоконцентраторы, дающие температуры до 4000° С. В другой лаборатории с помощью солнечной энергии выращиваются уже известные читателю одноклеточные водоросли — добавки к животным кормам, в третьей — разрабатывают гелиоустановки, позволяющие в пустынных районах качать из глубоких колодцев воду, опреснять ее, подогревать при надобности и подавать к теплицам или домам.

Используется у нас солнечная энергия и для облучения семян растений, для лечения заболеваний людей с помощью импульсов концентрированного солнечного света, чего не делается еще ни в одной стране мира. Но следует отметить и то, что получение высокотемпературного тепла и электроэнергии связано с трудностями. Одна из них — большие площади земель, необходимые для размещения собирающих солнечный свет зеркал. Для создания, например, гелиоэлектростанции мощностью в десять тысяч киловатт потребуется около двух тысяч рефлекторов площадью в 25 кв. м каждый. Но рефлекторы можно было бы разместить в пустынях или на горных склонах, если бы не вставала задача более сложная — их материалоемкость. На изготовление 1 кв. м простейшего солнечного коллектора одного только алюминия нужно не меньше 10 кг. Для удовлетворения же всей мировой энергопотребности ежегодно пришлось бы добывать от 16 до 48 млрд т различного сырья, одна переработка которого вызвала бы массу отходов, резкий рост загрязнений природной среды.

Другое направление этого пути — использование (вместо рефлекторов) фотоэлементов, непосредственно преобразующих солнечную энергию в электрическую, — сдерживается пока высокой стоимостью последних. Существующие установки этого типа обходятся пока еще очень дорого. «Пока еще» — потому, что ожидается резкое (в 10 — 20 раз) снижение стоимости полупроводниковых элементов. Это обстоятельство сулило бы оптимистическую перспективу, если бы не мешала неравномерность в работе солнечных электростанций из-за непостоянной освещенности Земли Солнцем. На космических орбитах возможности энергооборудования могли бы использоваться полнее — энергоотдача их там вчетверо больше. Но космическое базирование гелиоэлектростанций затрудняется как проблемой доставки и монтажа оборудования, так и сложностями передачи энергии на Землю. Несмотря на все эти трудности, небезынтересно предположение, высказанное на страницах издаваемого в Гамбурге журнала «Гео»: «Энергия Солнца занимает сейчас примерно такое же место, как нефть в середине прошлого столетия. Тем не менее специалисты убеждены, что еще до 2000 г. ее доля на мировом энергетическом рынке превысит один процент. Если темпы роста будут сопоставимы с масштабами потребления в прошлом угля, нефти и газа, то к 2060 г. она может вырасти до 50%.

А теперь рассмотрим некоторые возможности использования солнечной энергии путем опосредованным, через механизм фотосинтеза, с получением водорода. Как известно, в результате фотосинтеза растения разлагают воду на кислород и водород. Однако КПД их очень мал, что и сдерживает превращение процесса фотосинтеза в источник энергии. Увеличение его КПД на 25 — 30% (а проводимые исследования позволяют надеяться на успех) помогло бы не только решить проблему получения экологически чистого и дешевого энергоносителя — водорода, но и сделать существенный вклад в пополнение кислородного баланса атмосферы. Правда, основанная на фотосинтезе «водородная энергетика» весьма землеемка. Для обеспечения, например, современных энергопотребностей нашей стране потребовалось бы «энергопале» площадью около 2,5 тыс. кв. км. Но, вспоминая, сколь много на планете «бросовых» земель, а также все неприятности, приносимые природной среде традиционным энергопроизводством, рассмотренный способ можно признать весьма выгодным. Тем более что разрабатывается идея замены искусственных солнечных коллекторов естественными листьями деревьев.

Некоторые виды насекомых и бактерий образуют на стволах растений множество разнообразных наростов — гипертрофированных растительных тканей (галлов), которые служат организмам и убежищем и пищей. Они — галлы — и могут быть запрограммированы на использование усваиваемой листьями солнечной энергии для выработки водорода. Существующий уже симбиоз бактерий с бобовыми растениями вырабатывает в галлах водород, который улетучивается в воздух. Плантации соевых бобов в США, например, выбрасывают его в атмосферу около 30 млрд куб. м ежегодно. Водород «производится» растениями не специально, он нужен им как реактив для усвоения углекислого газа. Но с помощью генной инженерии можно создать биологические структуры, нацеленные на выработку именно водорода с концентрированным его сбором. И быть может, недалеко то время, когда искусственно посаженные леса и рощи, услаждая нас прохладой и пением птиц, будут давать не только насыщенный фитонцидами и кислородом воздух, но и естественно, незримо и необременительно для природной среды производить энергоноситель, гораздо более ценный, чем древесина.

Завершим обзор возможных видов использования солнечной энергии еще одним биотехнологическим способом добычи энергоресурсов. Однако прежде обратим внимание вот на какой момент.

Сотни миллионов лет уходило на то, чтобы вся собранная растениями энергия солнца превратилась в нефть — это привычное, но, увы, непрерывно мелеющее море топлива. И добывая его, по принципам действий мы уподобляемся тем отдаленным своим предкам, что вели охотничье-собирательский образ жизни. Так же как и они, мы собираем этот миллионы лет создаваемый продукт. Правда, с помощью не снившейся им даже в самых безумных снах техники, но так же — ищем и собираем. Не производим. А можно — производить. Можно выращивать жидкое топливо, сокращая процесс его образования на сотни миллионов лет.

Есть растения, вырабатывающие в тканях похожую на нефть водную эмульсию углеводородов, не содержащую к тому же ни серы, ни других свойственных сырой нефти «вредных» примесей. Эмульсия называется латексом, млечным соком, и читатель не раз, наверное, видел эту липкую светлую жидкость, разламывая стволы или листья растений. Наиболее перспективными «производителями» бионефти считаются около 15 видов деревьев и кустарников, первое место среди которых занимает масличный молочай. С одного гектара этого растения как полагает лауреат Нобелевской премии биохимик Мелвин Кальвин, можно за год собрать от 4 до 20 тыс. л. бионефти.

Существуют и другие растения-нефтяники. В лесах Бразилии, например, произрастает дерево из семейства бобовых — копайбу. Из одного надреза на его стволе за два часа вытекает до 20 л богатой углеводородами жидкости, настолько близкой к дизельному топливу, что ею можно заправлять двигатели. На Филиппинах есть дерево с «нефтяными» орехами, которое во время второй мировой войны уже использовалось с целью получения горючего для танков. Из килограмма таких орехов, созревающих дважды в год, выжимают около 70 г бионефти. Издавна известен в Мексике неказистый с виду кустарник хохоба, но лишь недавно открылись все его тайны. Полученное из него масло выдерживает высокие давления, оно применяется в автодвигателях в качестве смазки, которой хватает на 40 тыс. км пути. Заметим попутно, что масло из семян хохобы по свойствам своим аналогично спермацету, единственным источником которого до последнего времени были киты. Сейчас около тысячи фермеров США начали выращивать хохобу в коммерческих целях.

О самом древнем виде «солнечного топлива» — дровах — мы уже говорили. Немногим моложе и такие возобновимые источники энергии, как ветер и течение рек. Когда-то ветры двигали весь морской флот человечества, немало способствуя | развитию цивилизации. И сейчас мореплаватели вновь с надеждой обращаются к ветру. Обращаются, конечно, не с громоздким такелажем прежних лет. В Японии, например, паруса делают из прочных пластических материалов, они складываются и развертываются автоматически, служа дополнительным средством тяги к обычным судовым двигателям.

Более сложны и эффективны вращающиеся «турбопаруса» французского конструктора Малавара. Они построены на эффекте возникновения поперечной силы, действующей на цилиндр, вращающийся в набегающем на него потоке воздуха. Созданное в 1983 г. опытное судно успешно пересекло бы Атлантический океан, но у американских берегов попало в жестокий шторм, и «турбопаруса», рассчитанные на скорость ветра в 40 узлов, не устояли перед вдвое большей. Однако результаты испытаний сочли обнадеживающими. Известный океанолог Жак Ив Кусто построил новое цельноалюминиевое судно с двумя расположенными в носовой и кормовой частях цилиндрами-турбопарусами десятиметровой высоты. Специалисты полагают, что к концу века подобными ветродвигателями будут оснащены многие крупнотоннажные суда грузового флота. Они позволят сэкономить 3/4 необходимого топлива, обеспечивая судну крейсерскую скорость в 10 — 12 узлов.

Возможно (это лишь авторское предположение), что идея «турбопаруса» возникла на основе запатентованной в начале века другим французским изобретателем, Г. Дарриусом, воздушной турбины с вертикальной осью, принципы которой в 70-х годах были развиты и дополнены американскими конструкторами. Вспомним известные издавна ветряные мельницы — ветродвигатели с горизонтальной осью. На этом принципе долгое время конструировались все преобразователи энергии ветра. При этом считалось, что, чем больше лопасти, захватывающие больше ветра, тем и эффективнее преобразование его порывов в устойчивый поток энергии. В США создавались ветродвигатели, имеющие винт с размахом лопастей 90 м. Эти сложные установки требовали оборудования, фиксирующего направление ветров и поворачивающего турбину, установленную на высокой мачте; нужны были гидравлические системы, регулирующие положение лопастей, и другая не менее сложная аппаратура. В результате огромные, высотой в 25-этажный дом сооружения стоимостью 25 — 30 млн долл. месяцами простаивали в ожидании, пока инженеры найдут решение многочисленных проблем, возникающих при их эксплуатации.

Разработанные на новом принципе ветродвигатели представляют собой конструкции высотой 20 — 25 м, шириной — 10 — 15 м, где на вертикальную ось насажены закрепленные внизу и вверху изгибающиеся лопасти шириной по 5 м. Они могут ловить ветер, дующий с любой стороны; генератор и управляющие устройства расположены на земле (что облегчает ремонт и обслуживание) и много дешевле винтовых своих собратьев.

Нужно, однако, отметить, что потенциальные энерговозможности ветра (а они в сотни раз превышают объемы мирового энергопотребления) могут пока использоваться только в небольшой своей части. Ветры непостоянны, и нужны специальные устройства для накапливания выработанной ими энергии. А это удорожает стоимость. Кроме того они рассеяны, и для улавливания, скажем, равного количества солнечной и ветровой энергии в последнем случае нужны площади втрое большие, чем для солнечных коллекторов. И еще: из всей энергии ветров лишь четвертая часть находится на высоте, не превышающей ста метров от земной поверхности. Но даже если использовать только ее, установив на всех континентах улавливающие устройства, можно получать ежегодно до 40 млрд кВт энергии. Это значительно превышает весь гидроэнергетический потенциал планеты, который определяется примерно в 10 млрд кВт. Из этого количества по ряду технико-экономических причин к использованию сегодня пригодно около 1,5 — 2 млрд кВт, а эксплуатируется не более 0,3 млрд.

Высокий КПД гидроэлектростанций связан с непосредственным получением электрической энергии из механической, и полвека назад около 2/5 всей мировой электроэнергии вырабатывалось на ГЭС. И сегодня в Норвегии, Канаде, Бразилии, ряде других стран основная часть энергии производится на гидроэлектростанциях. Однако в мировом энергобалансе доля их за последние 50 лет сократилась почти вдвое. Главным образом — за счет развития тепловой энергетики.

Предвидя возможное удивление по поводу столь интенсивного вытеснения гидроэлектростанций «вредными» тепловыми станциями, дадим следующие пояснения. К известным уже «экологическим противопоказаниям» гидроэнергетики добавим, что они весьма материалоемки. В гравитационной, например, плотине на каждый производимый миллион ватт энергии приходится около миллиона кубометров бетона. А для приготовления одного кубометра бетона нужно добыть два с половиной кубометра сырья. И если, предположим, для этого придется вырыть яму, то она будет в два с половиной раза больше самой плотины. Заметим к тому же, что производство кубометра высококачественного цемента стоит сейчас примерно столько же, сколько и кубометр нефти. Все это снизило привлекательность гравитационных плотин, и большая часть ГЭС сооружается ныне с плотинами арочными или контрфорсными, менее материалоемкими по сравнению с первыми, но — не с тепловыми. Сказанное касается, конечно, факторов экономических; об учете факторов социальных мы уже говорили.

Задумавшись о материалоемкости иных сооружений (или их мощности, нередко связанной в нашем сознании с массивностью), хочется поделиться вот какой мыслью. Начнем с примеров. Некоторые роторные экскаваторы, работающие на открытых угледобывающих карьерах, достигают длины более 200 м, высоты — до 80 м. Весят они около 15 тыс. т, и одно лишь рабочее колесо их сравнимо с высотой восьмиэтажного дома. Проектируются и шагающие экскаваторы высотой в девятиэтажный дом. «Увлечение» крупными нефтеналивными судами породило супертанкер «Ватиллус», вдоль палубы которого свободно разместились бы четыре футбольных поля. А в машинном зале построенной на р. Парана (между Бразилией и Парагваем) гидроэлектростанции Итайпу уместились бы в ряд два «Батиллуса». В зале — 18 генераторов, одни роторы которых по тяжести своей равны весу 36 тыс. автомобилей среднего класса.

Этих «стальных мастодонтов» журналисты восторженно приравнивают к новым чудесам света, ими гордятся создатели и восхищаются простодушные зрители. Они утверждают мнение о том, что чем больше, мощнее — тем лучше. И давят своей массой мысль более здравую — о преимуществе простых и изящных конструкций, о том, что гигантомания — это начало конца.

Но вернемся к энергоносителям. По мнению специалистов, в обозримом будущем вряд ли они смогут сыграть значительную роль в мировом энергобалансе. Несмотря на значительную содержащуюся в волнах океана энергию (около 3 млрд кВт), извлечение ее рентабельно пока лишь в тех местах, где приливы особенно высоки. Таких пунктов на Земле насчитывают не так много, чтобы считать этот энергоноситель ресурсом глобального значения. Говоря об океане, нельзя обойти еще один заключенный в нем источник энергии, основанный на перепаде температур между глубинными (холодными) и поверхностными водами. Потенциальные запасы этого источника оцениваются высоко, практически же доступны только 4 млрд кВт. Но и их освоение сдерживается трудностями создания эффективных систем отбора энергии. Правда, в Японии, на отдаленных островах, где стоимость энергоресурсов высока, уже создаются небольшие экспериментальные установки. В лабораториях г. Цукуба работают над созданием плавучих установок такого типа мощностью более 100 МВт.

Более реальным и частично уже используемым водным энергоресурсом являются высокотемпературные подземные воды. В нашей стране запасы их оцениваются в 20 — 25 млн куб. м в сутки, использование которых позволило бы предотвратить ежегодно сжигание 30 — 40 млн т топлива. Транспорт, сделавший нашу цивилизацию «сидячей», являет, пожалуй, самую энергоемкую сферу. Потребляемая им энергия в развитых странах составляет без малого третью часть от общего ее количества. И наибольшую часть топлива сжигает автомобиль. Мировой автопарк расходует его за год более двух миллиардов тонн — на порядок выше, чем все турбореактивные самолеты, вместе взятые. А число автомобилей на планете увеличивается ежегодно на 40 млн машин.

А в заключение обзора энергоресурсов познакомимся с боливийским фермером Хорхе Мендесс, полностью снабжающим свое хозяйство энергией без применения каких-либо механизмов. Он лишь опускает в небольшое озеро электроды и — получает ток. Кислотность вод в озере настолько высока, что водоем служит гигантской батареей, дающей фермеру электроэнергию.

На этом мы завершим наше ознакомление с энергетическими ресурсами. Будем надеяться, что у многих сложилось впечатление о достаточном их количестве для достижения всеобщего благополучия. Но при одном условии: разумном использовании. Давайте же посмотрим, как обстоят дела с потреблением энергоносителей и добываемой из них энергией.

На выработку электроэнергии в мире расходуется около четвертой части всех добываемых топливно-энергетических ресурсов. Примерно столько же уходит на производство тепловой энергии. Остальное используется в промышленных печах, стационарных силовых установках, в качестве исходного сырья, материалов и в транспортных средствах.

Обогрев неба

Не только в сфере транспорта, но и в других областях потребления энергии электрической и тепловой. Возьмем, к примеру, последнюю, что вырабатывается для обогрева помещений и для горячего водоснабжения. Она составляет около третьей части всей производимой энергии. Существенная доля ее уходит, как говорят, «на обогрев неба» из-за потерь при транспортировке к потребителю (от плохой термоизоляции теплотрасс, неважных измерительных приборов и т. п.) или конструкционных несовершенств как нагревательных приборов, так и самих помещений.

В целях экономии средств и времени здания нередко строятся с пониженными теплозащитными характеристиками. Подобная «экономия» теряется в первые же два-три года: на обогрев таких домов топлива уходит в полтора-два раза больше, а затраты за 50 — 100 лет (срок службы зданий) вообще несоразмерны с полученной при строительстве «выгодой». Всего же в этой сфере «на обогрев неба» сжигаются сотни миллионов тонн топлива. На объекты «децентрализованного теплоснабжения», отдельные дома или небольшие их группы, отапливаемые частными источниками или мелкими котельными, расходуется почти столько же топлива, сколько на всех теплоэлектростанциях. Объединение части этих объектов, централизация их теплоснабжения в одной только нашей стране, за одну лишь пятилетку дало экономию почти в 130 млн т условного топлива.

Велики потери и у основного потребителя тепловой энергии — промышленности. Использование одних только горячих газов, образующихся при всех производственных процессах и уходящих все в то же небо, позволило бы сэкономить до половины сжигаемого в мировой промышленности топлива. Не лучше обстоят дела и с использованием энергии электрической. Правда, нужно сказать, что развитие микроэлектроники делает здесь перспективы весьма оптимистическими. Современные электронные модули открывают в управлении использования электроэнергии буквально новую эру. Автор не склонен оглушать читателя громкой фразой, но здесь, пожалуй, тише не скажешь. Посудите сами.

Читатель, наверное, знает, что в производстве наиболее широко используются трехфазные электродвигатели. Они просты, надежны в управлении, но работают с постоянным числом оборотов. А ведь совсем не так уж много технологических процессов нуждаются в постоянной скорости вращения приводных механизмов, и чаще приходится их то тормозить, то ускорять. «Тот же парадокс, что и с автомобилем, — заметит читатель. — То — разгоняем, то — тормозим». Именно так. И так же, как в тормозящем автомобиле, впустую расходуем энергию. Статистические же преобразователи энергии, или, попросту говоря, специальные транзисторы, которыми можно оснастить двигатели трехфазного тока, дают возможность согласовывать число оборотов с потребностью в энергии в каждый данный момент. Экономия электроэнергии при этом достигает 80%. В некоторых странах более половины производимого электричества расходуется на работу электромоторов, и, стало быть, эти маленькие новые транзисторы, величиной с ноготь ребенка, становятся равносильными по меньшей мере третьей части гигантов — электростанций этих стран.

Казалось бы, новая технология дает возможность обеспечить повышение потребления электроэнергии без существенного увеличения ее производства. Это было бы так, если бы не нужно было транспортировать энергию к потребителю. Ведь больше половины вырабатываемой энергии теряется при транспортировке по проводам, особенно на дальние расстояния. Потери эти измеряются сотнями миллиардов

Затраты на транспортировку энергии

Помните, мы говорили о возможности получения большого объема водородного топлива из углей? О том, что его можно получать комплексным способом, как побочный продукт при обработке последних. Можно его получать и одновременно с выработкой электричества на ТЭС. И проблема, таким образом, не в получении водорода как энергоносителя, а в его транспортировке.  Потери на транспортировку киловатт-часов, сводят на нет работу многих электростанций. Cтали искать новые способы передачи энергии. Новые принципиально, нетрадиционные. Так появилось предложение заменить провода трубами. Один из вариантов: газоизолироваиные линии, состоящие из вложенных друг в друга труб с изоляционным газом между ними. Исследуются возможности и передачи энергии пучком электронов, летящих в вакуумированной трубе почти со скоростью света. Большой интерес вызывает предложение транспортировать энергию по проводникам из сплавов с почти нулевым электросопротивлением. По таким линиям ток тек бы практически без потерь. Но при одном условии: охлаждении проводниковой линии до абсолютного нуля на всем протяжении трассы. Фантастика? Но группа советских ученых предлагает вполне реальное решение: совместить передачу электроэнергии с переброской еще одного энергоносителя — водорода.

Газопровод очень дорог. Во всяком случае — дороже нефтепровода раз в восемь из-за необходимости создания многочисленных компрессорных станций для поддержания в трубопроводе высокого давления. И ученые решили, что транспортировать водород выгоднее в сжиженном виде при температуре — 253° С. Выгоднее, даже с учетом затрат энергии на его сжижение. Вот что говорит один из авторов этого проекта, профессор Г. Головко: «...рано или поздно человечество неизбежно придет к крупномасштабной водородной энергетике. Это продиктовано и экономическими и экологическими причинами. Причем речь будет идти о производстве триллионов кубометров водорода в год. Хранить и транспортировать столь громоздкое его количество можно лишь в сжиженном виде. И проблему нужно решать уже сегодня. Что касается затрат энергии, то при массовом крупномасштабном производстве на один килограмм жидкого водорода ее потребуется почти вдвое меньше.

По этому проекту большая часть затрачиваемой на сжижение водорода энергии возвращается частичным его использованием в районах транзита. При испарении по пути следования какой-то части водорода в трубопроводе без дополнительных затрат поддерживается необходимая минусовая температура (при частичном испарении тепло у нагревающегося в пути водорода отбирается, и он охлаждается). Образующийся при испарении холод используется ближайшими потребителями в различных энергоемких рабочих процессах (для получения, скажем, жидких азота и кислорода, хранения пищевых продуктов и т. п.). Таким образом, жидкий водород будет сам себя везти к месту службы, а по пути и работать.

Но это еще не все. На охлажденную поверхность трубопровода можно нанести слой сверхпроводниковых сплавов, решив тем самым и проблему «холодной электропередачи». Так, криогенный трубопровод позволяет «убить» сразу нескольких «зайцев» (если не «медведей»): без потерь передавать электроэнергию, вырабатывать вместе с ней, на одном энергообъекте, высококалорийное и экологически чистое водородное топливо, транспортировать его, попутно снабжая энергией районы транзита и понижая необходимую для транспортировки температуру в трубопроводе.

Конечно, реализация блестящей этой идеи — мероприятие технически сложное, дорогостоящее и при всей несомненной его выгоде вряд ли скоро осуществимое. Необходимость же быстро реализуемых решений как в производстве, так и в потреблении энергии очевидна. А они порой лежат совсем рядом. Не только в принципиально новых подходах, но и в решениях уже известных, но рассмотренных с новых позиций. И продолжая тему «холодной энергии», проиллюстрируем эту мысль примером с холодильниками. Мы знаем, что главное их назначение — сохранение высококалорийных продуктов питания (потребляемых иными из нас в количествах неумеренных, даже вредных).

Производство холода

Основная причина роста потребностей в искусственном холоде — отдаленность районов производства продуктов от мест их потребления и специфика традиционных пищевых технологий. Искусственный же холод — это энергия. В США, например, каждый пятый выработанный киловатт-час «забирают» холодильники, которые работают на электроэнергии и сменили своих предшественников — холодильники абсорбционные, менее прихотливые, работающие на энергии тепловой. Эффективность компрессорных установок выше, на «единицу холода» энергии они поглощают меньше, но энергии — электрической, универсальной, годной на работу любую, куда ее ни направь. «Способности» же тепловой энергии — меньшие. Но вспомним, как много ее уходит на «обогрев неба»; подсчитаем, сколько «дармового» холода можно получить, «загнав» ее в холодильники абсорбционные, освободив при этом из компрессорных их собратьев энергию электрическую, а природную среду — от связанных с добычей последних нагрузок. Подсчитав и сопоставив все это, разве не скажешь невольно: «Да не лучше ли вернуться к холодильникам теплоэнергетическим?»

Вот так примерно, оторвавшись от сковывающих нас традиционных понятий эффективности и оглянувшись назад, в непрерывно меняющихся условиях жизни можно в «старом» найти и «новое», более выгодное решение.

«Все, оказывается, прекрасно обходится, — подумает иной некомпетентный оптимист. — Необозримо поле энергоресурсов, неистощим в поисках освоения их разум, и жить можно беспечально, не бередя душу пустыми беспокойствами. Ох уж эти экологи!» Затем, услышав напоминание с экрана телевизора, он выключит в квартире лишнее освещение, помянет, быть может, недобро составителей вечерней телепрограммы: «Вот кто тратит-то энергию впустую»...

Вспомним, пожалуй, еще раз о том, что энергоголод испытывает ныне половина человечества, что средний американец потребляет энергии в 20 раз больше среднего жителя Африканского континента, а для. достижения приемлемого для всех уровня жизни общее наше энергопроизводство увеличить нужно не менее чем в десять раз.

После сельского хозяйства и энергетики металлургия влияет на природную среду больше, пожалуй, всех прочих отраслей нашего хозяйства.

Металл — плоть машин, которых нужно нам все больше и больше. Отложим пока вопрос безусловности такого подхода, предположив, что нынешние темпы роста машин (всяких, не только автомобилей) вполне разумны и, стало быть, необходим аналогичный рост производства металлов.

 

Интересно знать

Департамент энергетики США отобрал 37 исследовательских проектов в области хранения энергии, энергии биомассы, захвата диоксида углерода и ряда других направлений. Среди них - новые металловоздушные батареи на основе ионных жидкостей с плотностью энергии превышающей в 6-20 раз плотность энергии обычных литиевых аккумуляторов, а так же проект по получению бензина непосредственно из солнечного света и CO2 используя симбиоз двух микроорганизмов.

mobil atf 220 mobil atf 220
 
Розетка купить запчасть 6K3867109C01C Skoda Audi Volkswagen Seat
 
bitcoin миксер
 
download song download song