Будущее человека и перспективы энергетики
Вопрос о будущем развитии энергетики человечества можно по праву считать одним из самых главных в настоящее время. Для этого имеются две основные причины. Во-первых, наше время можно считать переломным из-за близкого истощения сырья, накопленного в былых биосферах. Вскоре, действительно, мы уже не сможем паразитировать на несовершенствах круговоротов прошлых биосфер и будем должны побеспокоиться о более падежных (возобновляемых или имеющих большие запасы) источниках. Во-вторых, следует подумать о гармоническом «вписывании» человечества в глобальный круговорот, пока он не нарушен в его основе (об этом—подробнее в следующей главе). Под этим углом зрения мы и рассмотрим некоторые возможные варианты совершенствования энергетики человечества.
Рис. 14. Рост народонаселения и удельного энергопотребления в XX в. [Скалкин и др., 1981].
1 — народонаселение, млрд чел.; 2 — удельные энергозатраты (% к 1900 г.).
К теперешнему моменту разработано несколько вариантов прогнозов развития энергетики на период до конца века и более отдаленные времена. Все они сходятся в том, что рост энергетики будет наблюдаться в любом случае, несмотря на призывы к его ограничению. И характер этого роста, по крайней мере в ближайшем будущем, остается экспоненциальным. Несмотря на рост народонаселения (рис. 14), и это следует подчеркнуть особо, (удельные расходы (или производство) энергии все же будут возрастать опережающими темпами [Скалкин и др., 1981]. Человек с мощностью основного обмена около 100 Вт рассеивает в 50—100 раз больше энергии в результате развития техники и энергетики, и этот показатель явно возрастает.
Приведем данные прогноза развития энергетики на XXI в. (рис. 15). Если к концу XXI в. атомная и ядерная энергия станут основными в энергопотреблении человечества (на рис. 15 область 4 заштрихована), то конец XX в. будет характеризоваться главным образом еще применением органического топлива, накопленного в прошлых биосферах. Рассмотрим подробнее некоторые аспекты роста и изменения структуры энергетики.
Ископаемым топливом № 1 нашего времени является нефть. Производимые из нее бензин, керосин, дизельное топливо используются в большом числе энергетических машин в качестве основного горючего. Добыча нефти к концу XX в. может достигнуть громадных величин — до десятка миллиардов тонн. И хотя разведанные ее запасы растут, нет сомнения, что более чем на 100 лет ее не хватит. По оценкам экспертов, скорость извлечения нефти из земных глубин п миллион раз превышает возможные максимальные скорости ее накопления в прошлом. Все труднее добывать нефть из недр, все сложнее до нее добираться, да и доля ее экономически выгодного изъятия не превышает 30—60% от имеющейся. Падают и энергетические характеристики. Хотя еще Д. И. Менделеев говорил, что сжигать нефть — это «все равно, что топить ассигнациями».
Рис. 15. Прогноз развития мировой экономики и изменение ее структуры [по Легасову и др., 1985, модифицировано].
Области: 1 — уголь; 2 — нефть; 3 — природный газ; 4 — ядерное и атомное топливо; 5 — остальные источники энергии, включая возобновляемые источники.
Согласно простому, но очень показательному расчету, проведенному Линдсеем Грантом, консультантом Экономического фонда США, нефти при теперешних темпах ее потребления не хватит надолго. Даже если предположить, что вся масса Земли состоит из нефти (?!), то она будет исчерпана за срок около 350 лет, если скорость увеличения ее потребления останется такой же, какой она была до 1973 г. (цит. по [Литературная газета, 1984, 18 апр., № 16 (4978)]).
Примерно то же самое можно сказать об угле, невозобновляемом горючем этого же типа. В начале XX в. он был лидером по использованию в энергетике мира. Запасы его примерно в 10—20 раз больше, чем нефти. Однако он, особенно его наиболее распространенный вариант — бурый уголь, обладает пониженной калорийностью. При сжигании от него остается много отходов и сильнее загрязняется окружающая среда, главным образом ядовитыми оксидами серы и азота, а также зольными выбросами.
Перспективен в настоящее время природный газ, широко используемый в быту и промышленности, но его запасы не превышают запасов нефти, и он тоже заслуживает внимания как химическое сырье, но не как топливо. То же самое относится и к горючим сланцам, торфу и другим ископаемым «подаркам» прошлых биосфер. Сроки их использования ограничены даже в не столь отдаленном будущем.
Принципиально новым видом энергии, перспективным для использования человеком, является ядерная. Основы для ее применения были разработаны в результате достижений одной из самых развитых наук — теоретической и экспериментальной физики. К сожалению, первой серьезной демонстрацией мощи атома были взрывы в военных целях в конце второй мировой войны в японских городах Хиросиме и Нагасаки.
Пионером мирного применения энергии атомного распада стал СССР. 27 июня 1954 г. вступила в строй первая в мире атомная электростанция (АЭС) в г. Обнинске. Ее мощность достигала всего 5 тыс. кВт, но главное достоинство заключалось в практической проверке мирной атомной технологии. В настоящее время мощность одного блока стандартной АЭС составляет 1 млн кВт (т. е. в 200 раз больше первенца), а общее производство энергии в мире с помощью атома достигло в 1980 г. 8 млрд МВт·ч, что приблизилось к 5% от ее общего производства. В 70-х годах более сорока стран пришли к решению о создании у себя атомной энергетики. По некоторым оценкам, к 2000 г. на атомных станциях будет производиться до 30—50% всей электроэнергии. Преимущества применения урана ясны: 1 кг этого горючего дает энергии почти столько же, сколько железнодорожный состав каменного угля.
При использовании энергии атома на одно из первых мест выдвигаются проблемы безопасности. Действительно, опасность атомного взрыва очевидна и, увы, уже продемонстрирована на людях. На АЭС взрывного деления тяжелых ядер урана или плутония не происходит, скорость атомного распада строго регулируется с помощью графитовых поглотителей избыточных нейтронов. Теоретически опасность нерегулируемого взрыва почти нулевая (по расчетам — один случай на миллион лет). Более опасно радиоактивное загрязнение среды при возможных авариях, что и показала трагедия Чернобыля. Далеко не просты проблемы надежного захоронения радиоактивных отходов реакции. Радиоактивные шлаки после извлечения из них ценных урана и плутония для повторного использования необходимо тщательно упрятать поглубже, так как они остаются радиоактивными в течение целого ряда лет.
При должных мерах безопасности средний радиационный фон около АЭС ниже, чем около обычных промышленных предприятий. Правда, цена этому немалая: около 1/3 всех отпускаемых средств должно тратиться на природоохранительные цели, и экономия здесь недопустима.
Упомянем еще одну положительную сторону применения мирного атома. Работа АЭС не связана со сгоранием топлива, а это значит, что не потребляется кислород и не образуется избыточный углекислый газ, как при работе тепловых электростанций. Кроме того, не требуется подачи и нет загрязнения большого количества воздуха (подробнее об этом — в следующей главе).
Имеются ли серьезные ограничения на широкое распространение атомной энергии? Поскольку источник невозобновляем, то надолго ли хватит урана? По самым осторожным расчетам, его хватит на несколько столетий. Особые перспективы в этом смысле сулит разработка реакторов на «быстрых нейтронах». В реакторах этого типа с повышенным удельным тепловыделением балластный уран-238 превращается в плутоний, который тоже является атомным горючим. Параллельно с расходом топлива может идти его накопление в удобной для использования форме и даже в нарастающих количествах. Пока реакторы такого типа сложны и дороги, но это уже обычные задачи совершенствования технологий.
Еще более эффективным, а главное химически и радиационно безопасным источником энергии для человечества может стать термоядерный синтез. Наверное, это — одна из самых сложных технологических задач, стоящих перед человечеством. Академик И. В. Курчатов называл ее «величайшей». С конца 50-х годов по инициативе Советского Союза работы по управляемому термоядерному синтезу стали вестись по международным программам, были сняты все завесы секретности с этой поистине интернациональной задачи. Поступательное движение по пути к управляемой термоядерной реакции становится все более ощутимым. Чтобы «зажечь» реакцию термоядерного синтеза, надо сжать плазму до плотности 10 триллионов ядер дейтерия и трития в 1 см3 и удерживать ее при температуре не ниже 200 млн °С в течение одной секунды. На современных токамаках, тороидальных камерах с аксиальным магнитным полем, удерживающим плазму, удалось достичь в начале 80-х годов либо нужного времени удержания плазмы с температурой около 20 млн °С, либо разогрева плазмы до 100 млн °С при более коротком времени удержания.
Имеется и другой путь к управлению термоядом — это инерциальное удержание плазмы. По этому способу на поверхность таблетки из смеси дейтерия и трития «обрушивается» огромная энергия в виде импульса лазерного излучения. Это приводит к гигантским температурам и давлениям в толще таблетки, при которых может начаться термоядерная реакция. На установках с мощными лазерами получены температуры в 100 млн °С. Для использования термоядерной энергии этим способом потребуется решить ряд дополнительных технологических задач, так как по сути, в данном случае, будет работать серия микровзрывов, в отличие от стационарного состояния плазмы в токамаках. Независимо от способа в начале 90-х годов нашего века можно ожидать разработки демонстрационного термоядерного реактора, т. е. такого, в котором полученная энергия будет не ниже энергии приложенной. И тогда путь к овладению «идеальным» источником энергии будет открыт. В самом деле, этот источник практически неисчерпаем, дейтерия в морской воде хватит на миллионы лет. Химического и радиоактивного загрязнения тоже практически нет, так как работа идет с водородом и гелием. Однако одна из самых сложных проблем, связанных с воздействием человека на биосферу, все же остается. Она относится к применению и атомного, и ядерного горючего. Это — проблема теплового загрязнения, или избыточного тепловыделения.
В конечном счете вся энергия, полученная человеком, превращается в тепло. А это означает, что возможен «перегрев» оболочки Земли со всеми последствиями: опустынивание в теплых регионах, таяние антарктических льдов и подъем уровня Мирового океана и т. д. По оценкам академика Н. Н. Семенова и ряду прогнозов, производство дополнительной энергии можно довести лишь до 3—5% от поступающей на Землю энергии Солнца. Это превышает современный уровень лишь в несколько сот раз. Следовательно, стабилизация должна наступить уже в ближайшие 200 лет, если мы будем использовать ядерное или ископаемое горючее.
Есть и другая перспектива роста энергетики, совершенно безопасная экологически: это более полное использование солнечной энергии, непосредственно поступающей на Землю. В этом случае не будет никакого загрязнения, включая и тепловое, так как работает энергия, уже пришедшая от Солнца и ранее бесполезно терявшаяся в виде сразу выделившегося тепла.
Широкое применение солнечной энергии, или развитие гелиоэнергетики, связано с преодолением ряда трудностей. В основе их лежит низкая концентрированность потока солнечной энергии. Несмотря на огромное общее количество энергии, поступающей от Солнца (более чем в 1000 раз выше энергопотребления человека), на каждый квадратный метр поверхности Земли приходится 100—200 Вт, в зависимости от географических координат. К этому надо добавить нерегулируемую облачность, изменения в течение дня и перерывы на ночное время. Низкая итоговая плотность потока солнечной энергии делает ее неконкурентоспособной с нынешними источниками, по крайней мере в ближайшие 15—20 лет. По современным экономическим оценкам энергия, полученная от солнечных батарей, пока в 100 раз дороже, чем поступающая с теплоэлектростанций. Однако, даже при теперешних способах преобразования солнечной энергии в электрическую, для удовлетворения СССР в энергии нужно «всего лишь» 10 тыс. км2. Много это или мало? Это — квадрат пустыни со стороной 100 км. Это меньше 1% территории, занятой под сельское хозяйство, и меньше площади, запятой в настоящее время угольными шахтами, нефтяными промыслами, нефтепроводами. Есть смысл приложить усилия для овладения солнечной энергией. В настоящее время существует несколько путей ее прямого использования. На физических и химических способах мы не будем останавливаться.
Заслуживают особого внимания направления работ, связанные с получением энергии из органики, накопленной не в прошлых биосферах, а образуемой в нашей биосфере под влиянием непосредственного потока энергии от Солнца. Пример такой возобновляемой органики давно известен — это древесина. Не зря ее доля в общем энергопотреблении резко упала уже к середине нашего века. Низкая калорийность — главная тому причина. А нельзя ли выращивать или получать продукт, близкий по теплотворной способности к самой нефти? Оказалось, что идея далеко не фантастическая, а вполне осуществимая. Есть целый ряд тропических деревьев, обычных кустарников и сорных трав, которые могут выделять в больших количествах соки — легкие углеводороды, близкие по энергетическим свойствам к типичным бензинам. Самые перспективные среди них — растения семейства молочаевых, чертополохи и многие сорта кактусов. Культивирование «нефтеносов» очень перспективно: при культивировании бразильских деревьев, и прежде всего знаменитого каучуконоса — гевеи, с одного гектара можно получить в год до железнодорожной цистерны жидкого топлива. При этом деревья практически не повреждаются, а древесина может использоваться в строительстве и для производства бумаги. Эксперименты показали, что себестоимость «выращенной» нефти приближается к себестоимости традиционной нефти.
Большие надежды возлагаются также на получение водорода с помощью биологических процессов. Водород привлекает внимание энергетиков из-за своей огромной энергоемкости. Не зря его называют топливом помер один для будущего, так как экологическая его чистота очевидна. Если его получать из воды электролизом, то при его сгорании, т. е. соединении с кислородом, снова образуется вода. Получается цикл. Если его осуществлять с помощью химического расщепления воды, то
это энергетически невыгодно. Мы знаем, что растения умеют это делать быстро и хорошо, надо только научиться забирать у них хотя бы часть водорода до того, как он вступит в реакцию синтеза. Наибольшие надежды в этом направлении связываются с хорошо знакомыми нам синезелеными водорослями. Разрабатываются также синтетические аналоги живых фотосинтезирующих систем. Трудно сказать, на каком пути ждет наибольший выигрыш, но уже по современным оценкам с квадратного метра поверхности, освещаемой Солнцем, можно получить за день около 20 г фотоводорода, т. е. около 20 т с квадратного километра. И снова, по ориентировочным расчетам, участок пустыни 140×140 км сможет удовлетворить все энергетические нужды страны. До реального осуществления таких проектов очень далеко, сделаны лишь первые шаги. В самое последнее время удалось увеличить выделение фотоводорода у цианобактерий более чем в 20 раз, используя новые штаммы. Развитие методов генной инженерии позволяет надеяться на быстрое продвижение на этом пути.
Заканчивая анализ развития энергетики человечества, подчеркнем несколько наиболее существенных моментов. Прежде всего это ускорение роста энергообеспеченности человека, непосредственно связанное с развитием общественно-экономических отношений. Если политика — это концентрированная экономика, то экономика — это концентрированная энергетика. Производительность труда как главный показатель уровня экономики базируется на энергообеспеченности. Однако экспоненциальный рост энергетики не может продолжаться, как мы видели, даже в течение ближайших столетий.
Второй показатель, который, в отличие от первого, уже связан с качественными изменениями,—это переход на все более энергетически емкое топливо. Если принять теплотворную способность нефти за единицу, то для угля она составит менее 0,5, а дрова имеют коэффициент только 0,2, по зато водород в 3 раза более калориен, а атомное и термоядерное горючее более энергоемки уже в миллионы раз.
Рис. 16. Тенденции развития энергетики человечества.
1 — энергия, вовлеченная в орбиту деятельности человека; 2 — потери энергии во времени. Внизу заштрихована и отдельно построена область, соответствующая энергии, непосредственно используемой человеком.
Заботы о повышении к.п.д. энергетических машин также можно считать одним из важнейших аспектов развития энергетики человечества на всем ее протяжении. История человечества показывает, что переходы с одного типа источников энергии на другой никогда не происходят плавно, процесс этот полон драматизма и противоречий: периоды быстрого прогресса и количественного роста (гигантизма) сменяются периодами замедления, в которые очень важное значение приобретает экономичность использования источников. Общие тенденции роста энергетики человечества качественно можно представить в виде возрастающей негладкой кривой (рис. 16) с фазами быстрого развития и замедления роста. Видно, что с использованием нового источника общая величина энергии резко возрастала, но при этом возрастали и потери. По мере освоения источника данного типа (и его исчерпания) рост замедлялся, но снижались потери, а значит, росла экономичность. Наиболее гладкая кривая роста соответствует величине использованной энергии, т. е. разнице между всей вовлеченной в деятельность человека энергией и бесполезно потерянной. Эта тенденция имеет характер общебиологический, мы ее отмечали раньше в виде энергетических принципов.
Возможно, что в настоящее время, с крупномасштабных позиций, мы находимся перед очередным скачком — овладением термоядерной энергией. Но и здесь проявятся все те же принципы: наряду с количественным ростом будет наблюдаться и качественный. К снижению теплопотерь нас настоятельно призывает еще более насущная, чем рост энергетики, проблема нашего сосуществования с биосферой, нашего гармоничного вписывания в глобальный круговорот. Этому и посвящена следующая глава.