Т.А. Акимова, A.П. Кузьмин, В.В. Хаскин
Экология. Природа - Человек - Техника
Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 343 с.
Глава 5. Техносфера и поглощение природных ресурсов
5.5. Энергетические и минеральные ресурсы
Мировое
потребление энергии неуклонно растет. За период с 1970 по 1990 гг. использование
энергии в величинах нефтяного эквивалента возросло с 5 до 8,8 млрд т. По
прогнозам Мировой энергетической конференции, спрос на энергию к 2020 г. может
увеличиться еще на 75%. Доминирующим источником энергии по-прежнему остается
ископаемое топливо (рис.5.5).
Невозобновимые энергоресурсы. В табл. 5.5 сопоставлены запасы и современное потребление главных
видов ископаемого топлива. Разведанные запасы почти на два порядка меньше
геологической оценки их суммарного содержания в земной коре. Преобладающая масса
содержится в рассеянных месторождениях горючих сланцев, где концентрация
углеводородов ниже 3%. Реальные эксплуатационные запасы в 2-3 раза меньше
разведанных.
Доступные
запасы нефти и газа примерно на два порядка превышают их современное годовое
извлечение, запасы угля - на три порядка. Другими словами, сравнивая цифры,
относящиеся к оценке разведанных запасов наиболее доступных видов топлива
(второй столбец цифр), с цифрами их современного потребления (третий столбец),
можно назвать максимальное время, на которое этих запасов может хватить. Для
подвижной нефти - это 65 лет, для газа - 44 года, для угля - 320 лет. Учитывая,
что потребление продолжает расти, реальные значения должны быть заметно меньше.
Однако решающее влияние на объем добычи топлива оказывает пока еще не
конечность запасов, а растущий спрос и политика цен. Можно смело прогнозировать
долговременную тенденцию роста мировых цен на основные виды топлива в XXI веке.
Рис. 5.5.
Мировое потребление энергии (Медоуз и др., 1992)
Месторождения
ископаемых топлив расположены неравномерно. По 1 /З потенциальных мировых
запасов угля и газа и более 20% нефти находятся в России. Почти 35% нефти и
около 17% газа сосредоточено на Среднем Востоке. Большими потенциалами угля,
газа и нефти богата Северная Америка. Эти три региона располагают почти 70%
разведанных мировых запасов ископаемого топлива.
Кроме
ископаемого топлива в странах Азии, Африки и Южной Америки продолжается
использование довольно большого количества растительного топлива, в основном
древесины. Суммарное количество энергии, получаемое за счет ископаемых и
современных биогенных энергоресурсов, составляет около 12,6 млрд т условного
топлива в год.
Весь
потенциал ископаемых топлив, отраженный в итоге первого столбца табл. 5.5,
конечно, колоссален по масштабам человеческой энергетики, но его реальная
доступность даже в будущем вряд ли превысит доли процента. А по масштабам
земного бюджета солнечной энергии этот потенциал не так уж велик: он немного
превышает 4-летний приток. Следует, однако, помнить, что земные запасы угля,
нефти и газа сложились за несравненно большее время, минимум за 100-150 млн
лет. Топливо, на образование которого когда-то уходило несколько тысяч лет, мы
сегодня сжигаем за год.
Таблица
5.5
Потенциальные и используемые ресурсы горючих
ископаемых мира* (млрд т условного топлива)
Горючие ископаемые
|
Оценка количества в недрах
|
Разведанные запасы
|
Потребление (1990 г.)
|
Твердое
топливо
|
7800
|
1280
|
3,96
|
Нефть
подвижная
|
430
|
310
|
4,72
|
Тяжелая
и запечатанная нефть
|
1240
|
70
|
0,27
|
Доступный
природный газ
|
330
|
110
|
2,48
|
Нетрадиционный
газ
|
1600
|
25
|
0.04
|
Горючие
сланцы
|
353000
|
260
|
0,08
|
Итого
|
364400
|
2055
|
11,55
|
По
данным Мировой энергетической конференции (МИРЭК) 1992 г., 1 т у.т. = 29,3 ГДж.
Энергетические эквиваленты масс: 1 т угля - 28 ГДж; 1 т нефти - 43 ГДж; 1 т
газа (1400 м3) - 52 ГДж. Приблизительно 0,8% данных по запасам и
использованию твердого топлива относятся к торфу
На
втором месте по значению в энергоресурсах техносферы стоит ядерное топливо,
главным источником которого является ископаемый уран. Большая часть урана в
литосфере сильно рассеяна. По данным Мировой энергетической конференции, общие
рудные запасы урана составляют 20,4 млн т, в том числе разведанные - 3,3 млн т.
Содержание урана в породах большинства месторождений, имеющих перспективное
коммерческое значение, колеблется от 0,001 до 0,03%. Поэтому производится
значительное рудное обогащение. Природный уран на 99,3% состоит из изотопа U-238
и содержит только 0,7% изотопа
U-235, масса которого обладает
способностью к самопроизвольной цепной реакции. Для промышленных целей
производят изотопное обогащение урана с доведением содержания U-235 до 3%.
Такой уран (в основном в виде 1)0э) используется в большинстве современных
реакторов.
При
расходовании 1 кг урана в активной зоне реактора выделяется в зависимости от
физических условий до 65 ТДж теплоты. Это соответствует сжиганию 2300 т угля.
Если в качестве перспективного ресурса принять разведанные запасы, то общее
количество энергии, которое можно получить в реакторах на тепловых нейтронах,
составит около 1000 ЭДж. Для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах,
использующих реакцию деления U-238 и нарабатывающих плутоний, этот потенциал
может возрасти до 140000 ЭДж и в 2,5 раза превысит сумму разведанных запасов
органических топлив. К сожалению, часть этого ресурса уже переведена
в
оружейный плутоний и вместе с массами отработанных радионуклидов превратилась в
потенциал колоссального экологического риска. Общее потребление урана всеми
странами за 50 лет приблизилось к 1,5 млн т. Для этого понадобилось
переработать не менее 10 млрд т горной массы.
В
настоящее время в мире работает более 400 реакторов АЭС с суммарной тепловой
мощностью около 1200 ГВт. Они потребляют за год около 60 тыс. т урана и вносят
10-процентный вклад в общее техногенное выделение теплоты.
Возобновимые энергоресурсы.
Хотя использование невозобновимых энергоресурсов ископаемых топлив создает
самые серьезные экономические и экологические проблемы, человек намного меньше
использует возобновимые энергоресурсы. Не потому, что они меньше (они
намного больше), а потому, что их колоссальная энергия непостоянна,
распределена на больших пространствах, мало концентрирована и плохо поддается
контролю. Сознавая мощь стихий, человек предпочитает бензобак, ружье,
электропровод или лазерный луч, где энергия сжата, канализована и находится в
его полной власти.
Еще
в 1978 г. ООН было введено понятие «новые и возобновляемые источники энергии»,
включавшее гидроэнергию, солнечную, геотермальную, ветровую, энергию морских
волн, приливов и океана, энергию биомассы древесины, древесного угля, торфа,
тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников.
Геофизические
ресурсы энергии очень велики. Только
близкие к поверхности суши и океана перемещения воздушных и водных масс имеют
мощность порядка 25 ПВт, что в 2000 раз больше топливной мощности техносферы.
Принципиальное отличие этих ресурсов от топливных заключается в том, что их
использование само по себе не сопровождается загрязнением среды и не может
повлиять на суммарный тепловой баланс планеты. Однако это совсем не означает их
экологической нейтральности: эти ресурсы не могут быть ощутимо затронуты без
того, чтобы не наступили трудно предсказуемые изменения климата и
географической среды.
Гидроэнергия стоит на первом месте среди возобновимых ресурсов
техносферы. Теоретический потенциал материкового стока близок к 6 ТВт (190
ЭДж/год). Реальный гидроэнергетический потенциал всех рек мира оценивается в
2,9 ТВт. Фактически в настоящее время для выработки электроэнергии используется
менее 1/4 этого потенциала. В мире работают десятки тысяч ГЭС с общей
электрической мощностью 660 ГВт. Для их работы на реках созданы водохранилища,
часто целые каскады водохранилищ. Поскольку возраст большинства
гидроэнергетических узлов насчитывает несколько десятилетий, а срок их
амортизации колеблется от 50 до 200 лет, можно предвидеть немало проблем,
связанных с реконструкцией гидроузлов. На рост использования гидропотенциала
уже сейчас накладывается ряд экономических и экологических ограничений.
Суммарная
оценка мощности устойчивых ветров в нижних слоях атмосферы имеет порядок 5 ТВт.
Технически возможный объем ветроэнергетики мал по сравнению с этой
величиной (максимальная оценка для 2020 г. равна 288 ГВт) и вряд ли составит
более 2% всей энергетики техносферы, хотя в отдельных странах эта доля может
быть намного больше. Так, в Дании ветросиловые установки обеспечивают уже более
3,7% выработки электроэнергии. Общая установленная электрическая мощность
ветроэнергетических установок промышленного типа в мире сейчас достигла 11 ГВт
и, вероятно, будет увеличиваться.
Геотермальная
энергия Земли, обусловленная
гравитационной динамикой и радиоактивным распадом в недрах, в целом оценивается
мощностью около 32 ТВт. Если бы ее выход к поверхности земли был равномерным
(т.е. составлял 0,063 Вт/м2), то она была бы непригодна для
использования. Однако значительные ее выходы локализованы в районах
вулканической активности, где концентрация подземного тепла во много раз
больше. По результатам обследования таких районов, геотермальные ресурсы мира,
в принципе доступные для использования, оценены в 140 ГВт. При этом имеются в
виду только геотермальные выходы, а не нагретые скальные породы. Освоены эти
ресурсы пока еще мало. Общая установленная мощность ГеоТЭС в мире не превышает
1,5 ГВт.
Солнечная
энергия по сравнению с другими видами
энергии обладает исключительными свойствами: практически неисчерпаема,
экологически чиста, управляема, а по величине в тысячи раз превосходит всю
энергию других источников, которые может использовать человечество. Потенциал
эксплуатационного ресурса солнечной энергии оценивается по мощности от 100 до
500 ТВт. Из-за малой плотности этой энергии техносфера потребляет ничтожную ее
часть. Некоторое количество используется в пассивной форме - для создания благоприятного
теплового режима в системах закрытого грунта. Эта форма использования, а также
совершенствование технических средств теплового аккумулирования солнечной
энергии и тепловых насосов имеет очень большую перспективу. Однако
гелиоэнергетиков больше интересуют способы концентрирования солнечной энергии и
ее прямое преобразование в электроэнергию. При этом решающее значение имеют
такие факторы, как энергетическая освещенность, площадь улавливания, КПД
преобразования и эффективность аккумулирования. Технический потенциал
использования солнечной энергии оценивается в 500 ГВт. Общая мощность систем
прямого преобразования солнечной энергии в настоящее время достигала 4 ГВт, в
том числе наземных фотоэлектрических преобразователей - 100 МВт.
Данные
по гидроэнергетике включают мощности других возобновимых (альтернативных)
источников энергии. 1 ГВт соответствует 1076,4 тыс. т у.т. в год
Рис. 5.6. Стриктура энергетического баланса техносферы
в 1995 г. (ГВт)
Общая структура использования энергоресурсов современной техносферы представлена на рис. 5.6.
Относительный вклад различных энергоносителей в общее использование энергии
характеризуется такими средними величинами: уголь - 27%, нефть - 34%, газ -
17%, гидроэнергия - 6%, ядерная энергия - 8,5%, прочие источники - 7,5%.
Электроэнергетика занимает в настоящее время более 25% энергобаланса
техносферы: 3520 ГВт идут на выработку электроэнергии и попутного тепла, причем
более 55% теряется в процессе преобразования, а выработанные 1580 ГВт
распределяются между электроэнергией и полезным теплом в' соотношении 2:1. Доля
электроэнергии в конечном потреблении составляет 9,7%.
Остальная
суммарная мощность сжигания топлив в различных процессах превышает 9,2 ТВт.
Почти половина этой мощности обеспечивается нефтью и нефтепродуктами, на втором
месте уголь (24%), затем следует газ (18%) и некоммерческое растительное
топливо (10%). В конечном потреблении эксплуатационной мощности первое место
занимает производство (46%), второе - коммунальное хозяйство вместе со сферами
обслуживания, управления и коммерции (37%) и третье - транспорт (17%).
Суммарный КПД энергетики техносферы равен 30%. Энергетическая мощность
современной техносферы по величине приблизительно равна 6% продукционной
мощности биосферы (по энергии первичной брутто-продукции) и обладает таким же
КПД, но использует во много раз более концентрированные и «грязные» источники.
Усредненная
глобальная картина складывается из очень различных энергетик разных стран и
регионов. Диапазон различий плотности энергетических потоков (относительно
площади или населения разных территорий, стран) очень велик: почти от 0 до 2
МВт/км2 (Бельгия) и от 0,5 до 18 МВт на человека (США).
Обеспеченность энергией тесно коррелирует с уровнем жизни населения разных
стран. Резко различается и качественная структура энергетик: от преобладания
растительного сырья в топливном балансе до 65-процентной доли в балансе
электроэнергии, получаемой в основном на ГЭС (Норвегия).
В
XX в. технический прогресс сопровождался стремительным ростом энергоемкости
различных нужд человека и в настоящее время в развитых странах, несмотря на
идеологию и практику энергосбережения, люди буквально купаются в энергии. За
100 лет удельные затраты энергии на кондиционирование среды и приготовление
пищи увеличились в 8-10 раз, на перемещение (1 человеке- или тонно-километр) -
в 15-20 раз.
Известно,
к каким глубоким изменениям в мировой экономике привели энергетический кризис
70-х годов и повышение цен на нефть. Резко изменилось отношение темпов прироста
потребления энергии и валовых национальных продуктов (ВНП). С 1970 по 1985 г.
энергоемкость ВНП США снизилась на 71%, Франции - на 70%, Великобритании - на
72%, Японии - на 78%. Это, однако, не означало снижения потребления энергии.
Оно продолжало расти.
В
этой исторической ситуации наша экономика оказалась менее эластичной:
энергоемкость национального дохода СССР за тот же период снизилась только на
15%. В результате в середине 80-х годов на единицу национального дохода мы
тратили топливных ресурсов в 4,5 раза больше, чем США, и в 6 раз больше, чем
Япония. Правда, значительная часть этой разницы неизбежна и обусловлена
климатическими условиями России - самой холодной из обитаемых стран. (Жесткость
климата эффективной территории Финляндии, Норвегии, Исландии, Канады меньше,
чем России).
Энергетика
России по количественным параметрам достигла максимума в 1986 г. За последующие
10 лет большинство количественных показателей существенно снизились. В 1996 г.
выработано 847 млрд кВт «ч электроэнергии и отпущено потребителям 1321 млрд
Гкал тепловой энергии. В общем производстве первичных энергоресурсов доля газа
составила 50%, нефти - 31%, угля - 13%, электроэнергии, выработанной на атомных
и гидроэлектростанциях, - 6%. Хотя объем добычи ископаемого топлива снижается,
оно продолжает играть решающую роль в производстве электрической и тепловой
энергии.
Минеральные ресурсы.
Только кислород, кремний и еще семь химических элементов составляют 99% массы
континентальной земной коры. Средняя концентрация остальных элементов очень
мала, но некоторые из них образуют скопления в виде рудных месторождений.
К распространенным
металлам, необходимым в первую очередь для металлургии, относятся только
алюминий, железо, магний, титан и марганец. Остальные металлы считаются геохимически
редкими.
Важнейшим
для экономики минеральным ресурсом является железная руда. Всего в мире
ежегодно добывается около 1 млрд т железной руды. По добыче железной руды
Россия занимает четвертое место после Китая, Бразилии и Австралии. Мировые
разведанные запасы железной руды оцениваются примерно в 200 млрд т, которых
хватит примерно на 200 лет. Рудное сырье добывается в основном двумя способами:
открытым и подземным. Открытый способ экологически неприемлем: связан с
образованием большого объема отходов пустой породы и нарушением огромных земельных
площадей. Вообще функционирование металлургического комплекса сопряжено с
образованием огромного объема отходов на всех стадиях - от сырья до готовой
продукции.
Предприятия
металлургии выплавляют около 1 млрд т различных металлов в год, и этой массе
соответствует почти 7-кратное количество необогащенных руд, для добычи которых
приходится извлекать еще на порядок большую массу горных пород и грунтов. К
этому добавляется большая энергоемкость добывающих и металлургических
производств.
Рис. 5.7. Выплавка
стали в отдельных странах мира (млн т, 1995)
Во
всем мире ежегодно выплавляется около 800 млн т стали (рис. 5.7). Россия
производит около 7,5 % от мирового объема. Однако устаревшие технологии
производства стали поставляют в окружающую среду огромное количество отходов.
До сих пор в России 40% стали выплавляется в мартенах, тогда как в США - 3%, а
в Великобритании, Франции, Италии, Японии, ФРГ этот способ вообще не
применяется.
Распространенность
редких металлов в земной коре настолько мала, что для рентабельной добычи
необходимо многократное превышение их концентрации в месторождениях над средним
содержанием. Для ряда редких металлов существует реальная опасность исчерпания
наиболее рентабельных месторождений.
Техносфера
играет роль мощного концентратора редких металлов в пространстве биосферы.
Многие из этих элементов и их соединений являются сильными ядами.
Неметаллические
полезные ископаемые и нерудное минеральное сырье составляет еще большую массу
веществ и материалов, используемых в техносфере. Примерно 1/3 их составляет
сырье для химической промышленности и производства минеральных удобрений, а 2/3
- строительные материалы.
Потребление
минеральных удобрений, самых главных из них - фосфорных, калийных и
азотных, применяемых обычно в соотношении 1:1,5:3, - неуклонно растет. За 30
лет с 1960 по 1990 гг. их мировое производство увеличилось в 5 раз - с 45 до
230 млн т в год. Источником фосфатов являются месторождения апатитов,
фосфоритов и других фосфатных минералов, большая часть которых представляет
собой преобразованные морские отложения. Меньшее количество концентрируется в
апатитах изверженных горных пород, как у нас на Кольском полуострове.
Распространенность фосфора в литосфере довольно велика: около 0,08%. Сумма
разведанных мировых запасов фосфора близка к 45 млрд т. Из обогащенного апатита
производится главное фосфорное удобрение - суперфосфат. Калий является
широко распространенным элементом (1,7% в земной коре) и концентрируется в
месторождениях калийных солей морского происхождения, в основном в виде хлорида
кальция или в смеси с хлоридами натрия и магния. Эксплуатационные запасы калия
превышают 60 млрд т. Ресурс азота практически неисчерпаем, поскольку для
производства аммиака, а затем и других соединений используется азот воздуха.
Важным
сырьем для ряда процессов крупнотоннажной химии, в частности для производства
минеральных удобрений и пестицидов, является сера. Распространенность серы в
земной коре равна 0,09%. Приблизительно 30% потребности в сере покрывается за
счет месторождений самородной (элементарной) серы вулканического происхождения
или скоплений, возникших в результате деятельности серобактерий. Эти запасы
невелики по сравнению с темпом их исчерпания. Из других источников наиболее
важны: природный газ с высоким содержанием H;S; сульфидные
руды и колчеданы, из которых серу получают в качестве побочного продукта;
огромны запасы сульфатов морского происхождения. Мировое производство серы из
всех источников приближается к 70 млн т в год. Из других видов минерального
сырья для неорганической химии важны большие запасы хлоридов и сульфатов
натрия, магния и кальция, содержащиеся в скоплениях морских эвапоритов.
Строительные
материалы - это самая большая по
массе и объему группа веществ, извлекаемых для нужд техносферы. Часть из них
используется в том виде, в каком добывается, подвергаясь лишь механической
обработке. Это бутовый и дробленый строительный камень, песок, гравий. Вторую
группу составляют материалы, подвергаемые химической и термической обработке, -
глины для производства кирпича и керамики, известняки, доломиты, гипс и другие
нерудные материалы для производства цемента, штукатурки, бетонов, стекла, а
также слюда и асбест. Месторождения этих материалов широко распространены,
запасы велики, ежегодная мировая добыча близка к 4 млрд т.
Россия
обеспечивает себя практически всеми видами минеральных ресурсов. По минеральным
ресурсам это самая богатая страна мира. Для большинства важнейших ископаемых
существует высокий относительный уровень обеспеченности текущей добычи и
высокая потенциальная ценность (табл. 5.7). Экологические аспекты использования
минеральных ресурсов связаны с проблемами загрязнения окружающей среды и с его
влиянием на экономику природопользования.
Таблица
5.7
Потенциальная ценность запасов полезных ископаемых России
Полезные ископаемые
|
Потенциальная ценность, млрд долл.
|
Газ
|
9280
|
Уголь
и сланцы
|
6670
|
Нефть
и конденсат
|
4490
|
Черные
металлы
|
1980
|
Цветные
и редкие металлы
|
1810
|
Благородные
металлы и алмазы
|
274
|
Уран
|
6
|
Прочие
полезные ископаемые
|
4900
|
Всего
|
29410
|
|