И.Ф. Рассашко,
О.В. Ковалева, А.В. Крук
Общая экология
Тексты лекций для студентов специальности 1-33 01 02 «Геоэкология». – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2010. – 252 с.
Раздел 3. Прикладная экология
Лекция 19. минеральные ресурсы и их использование
19.2. Энергетика. Современные проблемы
Известно, что энергия может быть преобразована
из одной формы в другую. Превращение энергии присутствует в самых разных процессах,
происходящих во вселенной, будь то процесс газового обмена и роста растений,
промышленное производство или взрывы звезд. Энергия может существовать в
нескольких формах. Так, движущиеся объекты, например автомобиль, обладают
кинетической энергией, величина которой зависит от скорости и массы объекта.
Энергия может быть также термальной или тепловой; основой для определения величины
этого типа энергии является температура теплонесущего тела. Энергия может
сохраняться в течение бесконечно долгого промежутка времени, т. е. она может «запасаться».
Пища, древесина и нефть являются примерами материи, способной сохранять энергию
в течение долгого времени до того момента, когда произойдет ее превращение,
например, в тепло. Другой пример запасов энергии – вода в водохранилищах при гидроэлектростанциях.
Некоторые из таких форм запасов энергии называются источниками энергии.
Природные
источники энергии подразделены на две группы: относительно неисчерпаемые и
исчерпаемые. В первую включены: ядерная реакция, солнечная энергия, энергия ветра
и рек, морских приливов. Запасы их практически неисчерпаемы. Вторую группу
составляют: минеральные топливные ресурсы (уголь, нефть, газ, сланцы, торф,
уран). Мировой энергетический баланс складывается главным образом из источников
энергии второй группы. Общие запасы минеральных (горючих) источников энергии по
мере использования уменьшаются, а создание их в недрах Земли происходит
чрезвычайно медленно, несопоставимо с темпами добычи и продолжительностью человеческой
жизни.
Современные энергосистемы являются неотъемлемым
компонентом инфраструктуры общества, в особенности в промышленно-развитых странах. Классификация использования энергии
потребителями имеет общий характер. Традиционно рассматривается использование
энергии в отдельных экономических секторах общества: в промышленности, на
транспорте, в сельском хозяйстве, в частном, коммерческом и других секторах
(банках, офисах, больницах, учебных и культурных заведениях). В развитых
странах соотношение между разными потребителями энергии составляет: на транспорте
и в промышленности примерно по 32%. Доля
других потребителей энергии равна около 35%. В
развивающихся странах соотношение имеет другой вид. На протяжении десятков лет наблюдается рост потребления электроэнергии.
Причины этого разнообразные: в связи с ростом промышленности,
сельскохозяйственного производства, развитием транспорта. Некоторые другие
причины были изложены в лекции академика П. Л. Капицы «Глобальные
проблемы и энергия», прочитанной в 1976 г. в Стокгольмском университете. Им
отмечено, что рост потребления энергии связан с ростом материального уровня
жизни людей в развитых странах, а также благодаря необходимости поднять уровень
жизни в развивающихся странах. Истощение запасов минерального сырья, необходимого
для промышленности, главным образом металлов, таких, как серебро, олово, медь,
приводит к необходимости их извлечения из более бедных по содержанию руд. Уже
сейчас оказывается необходимым добывать некоторые металлы (как, например
магний), растворенные в морской воде. Это требует на единицу веса больших энергозатрат.
Потребление энергии возрастает при борьбе с загрязнением окружающей среды,
которое происходит в глобальном масштабе и принимает угрожающие размеры.
Известно, что технологические процессы, при которых отсутствуют вредные выбросы
(в таких производственных процессах, как, например, бумажное), ведут к увеличению
потребления энергии. Дальнейшее повышение эффективности сельского хозяйства
требует производства минеральных удобрений, что также приводит к росту
энергетических затрат. В общем, большая роль энергетики в развитии материальной
культуры человечества и объясняет, почему мировое потребление энергии растет.
Рост потребления энергии связан с необходимостью решения
ряда возникающих глобальных проблем. Процессы превращения энергии, имеющие
место в обществе, связаны не только с потерями в виде непригодной к
использованию энергии, но также и с эмиссией веществ, вредных для окружающей
среды. Для большинства операций, осуществляемых с помощью энергетики,
используют энергию невозобновимых источников,
как ископаемое топливо. Так как основным источником энергии является главным
образом нефть и уголь, то сегодня продолжает оставаться актуальным загрязнение
среды. При сгорании топлива в атмосферу выбрасываются такие вредные вещества,
как оксиды азота, серы, улеводороды и твердые частицы (сажа). Эти вещества являются
причиной таких процессов, как закисление почвы и воды, евтрофирование.
Увеличение содержания в атмосфере отдельных веществ, к примеру, диоксида
углерода, служит одной из причин возникновения парникового эффекта – экологической
проблемы глобального характера. Более того, использование в качестве источников
энергии прежде всего невозобновимых источников, темпы возобновления которых во
много раз ниже темпов их добычи, показывает на несбалансированность современных
энергетических систем. Необходимо коренное преобразование энергосистем.
Существенное
значение в разрешении энергетических проблем имеет использование возобновимых
источников энергии. Ими являются: энергия ветра, гидроэнергия, солнечная,
термальная, фотоэлектрическая энергия (последняя используется в электронных
приборах, наручных часах, калькуляторах, на маяках, в горных регионах). Некоторые
технологии использования нетрадиционных видов энергии уже являются конкурентно-способными.
Так, общая устойчивая мощность ветровых установок за период 1994–1995 гг.
увеличилась вдвое (с 2000 до 4000 МВТ). Особенно широко они применяются в
Калифорнии, Дании, Нидерландах, Индии, Германии. Этанол, вырабатываемый из
сахарного тростника, с успехом используется в качестве моторного топлива в
Бразилии.
Перспективной технологией является прямое преобразование
солнечной энергии в тепловую или электрическую. При увеличении отдачи и
уменьшении затрат использование солнечной энергии существенно растет. Основными
факторами, которые должны учитываться при использовании различных источников
энергии, и которые в конечном итоге определяют будущее развитие энергетики,
являются следующие: это потребности в том или ином виде энергии (механическая,
электрическая, тепловая, химическая и т. д.); энергетические ресурсы, их степень универсальности для использования,
воздействие на окружающую среду; годовая мощность источников энергии и
плотность потока, ими создаваемая; энергоотдача, т. е. отношение количества энергии,
полученного от преобразователя за срок службы, к количеству энергии, затраченной
на создание данного преобразователя и его эксплуатацию. Совершенно очевидно,
что данная величина должна быть больше единицы и она является важнейшим
экономическим параметром.
Разнообразие
условий, оказывающих влияние на развитие энергетики, неравномерность их
распределения по земному шару, показывает сложность проблемы прогнозирования
потребностей в энергетических ресурсах на дальнюю перспективу. Перечислим
факторы, которые положены в основу прогнозов, сделанных в конце 70-х годов. Они
наиболее четко изложены в геометрической прогрессии и за последнее
пятнадцатилетие прирост составляет 5% в
год. Это наиболее высокий показатель роста в мировом народном хозяйстве, и
всюду капиталовложения в энергетику являются доминирующими. Однако последующие годы привели к изменению этой точки зрения.
Основной урок, который может быть сделан из анализа процессов, характерных для
предыдущих десятилетий, – это расточительность, с которой ведет человечество
свое энергетическое хозяйство, и ему следует с большим уважением относиться к «эволюционному
опыту» природы.
Таким
образом, энергосистемы ассоциируются с целым рядом проблем, такими как
уменьшение запасов ресурсов, загрязнение окружающей среды. Для того, чтобы выполнить
международные соглашения по устойчивому развитию (Повестка на XXI
век) и охране окружающей среды, необходимо, чтобы энергетические проблемы стали
более сбалансированными. Главным условием этого является увеличение эффективности
использования энергии во всех секторах общества. Сегодня существует много
технических и организационных возможностей, реализовав которые, можно обеспечить
основные и неосновные потребности, используя значительно меньшее по сравнению с
настоящим количество энергии. Необходимо использовать нетрадиционные источники
энергии.
Проблемы энергетики служат предметом обсуждений на международном
уровне. Имеются международные организации: МАЭ – Международное агентство по
энергии, ВСЭ – Всемирный совет по энергии.
|