Глава 8
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

§ 1. ЭНЕРГИЯ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

От Солнца Земля получает энергию Р_с = 1,74 · 10¹⁷ Вт = 1,74 · 10⁵ ТВт (1 ТВт = 10¹² Вт). 30% солнечной энергии отражается в космическое пространство Р_c = 5,2 · 10¹⁶ Вт. Основная часть Рс идет на нагрев Земли (47% от Р_с). Солнечная энергия является источником возобновимых видов энергии: энергии ветра, гидроэнергии рек, энергии продуктов фотосинтеза и т.п. Гидромощность рек (падение стока с высоты 300 м) равна 3 · 10¹² Вт, ветровая мощность - величина порядка 2 o 1015 Вт (1 % от Рс). Падающая на пустыни мощность солнечной радиации составляет 6-1015 Вт (4% от Рс). Ничтожная часть энергии идет на фотосинтез: Р_ф = 10¹⁴ - 10¹⁵ Вт (менее 1 % от Р_с), продуктами которого всегда пользовался человек.

Начиная с овладения огнем, человек в своей жизнедеятельности постоянно использовал и другие, кроме пищи, источники энергии, его энергетическая мощь постоянно возрастала.

Если при собирательстве и первобытном рыболовстве он затрачивал на питание мощность в 140 Вт, то при подсечно-огневом земледелии и первобытном скотоводстве - уже 250 - 300 Вт, а при традиционном земледелии и скотоводстве - около 500 Вт. Но самый быстрый рост мощности человеческого хозяйства начался после второй технологической (промышленной) революции XVIII в., когда были разработаны методы применения энергии ископаемого топлива (в первую очередь каменного угля и нефти) в различных технологиях. Затем была повышена эффективность традиционных источников энергии: воды, ветра и солнца. Наконец, в XX в. началось использование ядерной энергии. В целом энерговооруженность человека возросла в тысячи раз, возникла энергетическая цивилизация - цивилизация большой социоприродной энергетики.

В XX в. мощность, используемая человеком на отопление, освещение, транспорт, промышленное и сельскохозяйственное производство, обработку и передачу информации и т.п., достигла в среднем 2 - 3 кВт/чел.

За последние 200 лет из-за дополнительного использования энергии урожайность пахотных земель возросла в 3 раза, площадь обрабатываемых земель увеличилась в 2 раза, численность населения -

119

в 5 раз. В результате существование людей на вновь освоенных территориях, а также на территориях традиционного обитания без дополнительных энергозатрат стало невозможным. Современная мощность мирового расхода энергии Р = 13,2 ТВт = 13,2 · 10¹²Вт примерно на порядок превышает мощность возобновимых биосферных источников энергии. Затраты энергии на полях мира в среднем составляют половину калорийности урожая, равного 0,9 · 10¹² Вт. На лов рыбы в океане затрачивается мощность, близкая к калорийности выловленной рыбы, равной 10¹⁰ Вт. Общие затраты на потребление продуктов биосферы составляют 3 · 10¹² Вт, т.е. 23% общей мощности энергопотребления. Таким образом, энергопотребление невозобновимых ископаемых ресурсов дало возможность человечеству увеличить свою долю потребления растительной продукции биосферы.

Потребление продуктов биосферы (1,6 · 10¹³ Вт) совместно с использованием невозобновимых ресурсов ископаемого топлива (1,3 · Ю¹³ Вт) составляет 2,9 · 10¹³ Вт, т.е. 5,6 кВт/чел, что примерно в 60 раз превышает энергию биологического потребления пищи. На душу населения современный человек затрачивает почти в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек. Величина удельного потребления энергии на душу населения отражает, как правило, уровень жизни в данной стране. Чем выше удельное потребление энергии, тем выше уровень жизни.

Так, в США удельная мощность потребления невозобновимых ископаемых ресурсов энергии на одного человека превышает 10-12 кВт/чел. В промышленно развитых странах (как и в нашей стране) эта величина достигает от 3 до 7 кВт/чел. Десять развитых стран потребляют 70% энергии. Однако около 75 % населения Земли в развивающихся странах потребляет 0,5 кВт мощности, а 8 % людей расходуют мощность 100 Вт на одного человека. Это соответствует потреблению энергии первобытного человека, что неизбежно приводит к голоду и лишениям.

Для оценки энергии, потребляемой человечеством в год, используются различные единицы:

• 1 экзаджоуль = 1 ЭДж = 10¹⁸ Дж;
• 1 млрд кВт · ч;
• 1 млн т условного топлива (1 млн т у.т.) с теплотворностью 7 тыс. ккал/кг (теплотворность каменного угля 7-8 тыс. ккал/кг, нефти - 10400-11000 ккал/кг. Одна тонна нефти по теплотворности соответствует 1,2 тыс. м³ газа, теплотворность урана-235 - 1,9 · 10¹⁰ ккал/кг).

Эти единицы связаны между собой следующими соотношениями:

• 1 ЭДж = 278 млрд кВт · ч ≈ 300 млрд кВт · ч;
• 1 ЭДж = 34,25 млн т у.т. = 35 млн т у.т.

Иногда используется единица Q.

1 Q = 10³ ЭДж = 2,93 · 10¹⁴ кВт · ч = 2,93 · 10⁵ млрд кВт · ч

120

Годовое производство энергии источником с мощностью Р, кВт, при непрерывной работе определяется формулой

А [млрд кВт · ч] = 0,875 · 1(10^-5 Р [кВт];

А [ЭДж] = 3,15 · 10^-8 Р[кВт].

Согласно последней формуле, житель США потребляет в год при Р = 11,5 кВт более 362 ГДж энергии, а США в целом (250 млн жителей в 1990 г.) - более 90,5 ЭДж (3,1 млрд т у.т.).

Реактор атомной электростанции мощностью Р = 1 млн кВт в год вырабатывает 0,0315 ЭДж энергии (8,75 млрд кВт · ч).

Рассмотрим прогнозы потребностей человечества в энергии до конца XXI в. и возможности их удовлетворения.

Анализ производства энергии в мире показывает, что мощность Р, приходящаяся на одного человека, растет пропорционально росту населения мира в соответствии с формулой

где N - численность населения Земли, млрд.

Суммарная мощность Р₂ пропорциональна квадрату населения Земли:

По оценкам, к концу XXI в. суммарная мощность возрастет до Р = 60 ТВт (при N = 12 млрд), а суммарное потребление энергии в год - примерно до 2 Q, т.е. до 2000 ЭДж.

С точки зрения нагрева Земли на 1 °С допустимое производство энергии человеком составляет 1 % от солнечной энергии, поглощаемой Землей, и равно 36 Q. Все оценки показывают, что этот уровень никогда не будет достигнут человечеством. Однако существуют дополнительные ограничения, определяемые структурами биосферы.

В 1998 г. суммарное потребление энергии оценивалось величиной 415 ЭДж (13,2 млрд т у.т.).

121