Энергетическая проблема. 
Экология

Жизнедеятельность любого живого организма невозможна без энергообмена с окружающей средой. Энергетический баланс организма поддерживается путем потребления пищи, обладающей определенной энергетической ценностью, и теплообмена с окружающей средой. Существенно в этом плане отличается человек. Разум помог человеку утвердить свое господство на суше, на воде и в воздухе. Он стал самым могущественным существом на Земле. Для утверждения и поддержания этого могущества требуется колоссальное количество энергии. Современный человек тратит энергии почти в 24 раза больше, чем необходимо для его жизнеобеспечения как биологического организма.

Для получения энергии необходимы соответствующие ресурсы и источники. Энергетические ресурсы — это материальные объекты, в которых сосредоточена энергия, пригодная для практического использования человеком.

Различают невозобновляемые и возобновляемые энергоресурсы. Невозобновляемые — это такие энергоресурсы, которые были ранее накоплены в недрах Земли и в новых геологических условиях практически не образуются {уголь, нефть, природный газ и др.). К возобновляемым эпергоресурсам относятся те, восстановление которых постоянно осуществляется в природе {солнечная энергия, энергия ветра, текущей воды, морских волн, биомассы и т. д.).

В научной литературе есть различные классификации источников энергии, иногда противоречивые 157, 20, 431. На наш взгляд, существуют три основных источника энергии, питающих сложнейший биогеохимический механизм биосферы.

Первым источником является космос. Из космоса на Землю энергия поступает в виде электромагнитных волн различной длины — в основном это солнечная энергия. Мощность излучения современного Солнца равна 3,83 • 10²³ кВт, к верхней границе атмосферы Земли ежегодно поступает около 5,5 • 10²¹ кДж энергии. Лучистая энергия, поступающая от других объектов космоса к Земле, в 30 • 10⁶ раз меньше солнечной энергии (см. параграфы 2.3 и 3.1). Кроме того, при взаимодействии гравитационных полей космических тел (в основном Луны) и Земли на последней в водоемах происходят периодические перемещения огромных масс воды — так называемые приливы и отливы. На эти перемещения затрачивается кинетическая энергия вращения Земли, являющаяся частью энергии Большого Взрыва Вселенной.

Как уже отмечалось (см. параграф 2.3), причиной циркуляции воздуха является неравномерность нагрева поверхности Земли. Таким образом, энергия ветров — это солнечная энергия, преобразованная в кинетическую энергию движущихся молекул воздуха, водяного пара и пыли. Пока будет существовать Солнце, гидросфера и атмосфера Земли, то будет и этот источник энергии.

При достижении солнечного излучения поверхности Земли происходит ее разогрев. В результате ежегодно с водной поверхности Мирового океана испаряется 3,8 • 10¹⁴ т воды и с поверхности суши — 0,6 • 10¹⁴ т воды. Часть воды с осадками возвращается на сушу, при этом поверхностный сток в Мировой океан составляет 0,2 • 10¹⁴ т (см. параграф 2.5). Образовав за счет плотины перепад уровней воды в реке, с помощью гидротурбины и генератора можно преобразовать накопленную потенциальную энергию воды в электроэнергию.

Вторым источником энергии является энергия атомов. Ядра некоторых элементов способны к самопроизвольному распаду и превращению в ядра других элементов. В природе имеются три изотопа, могущие служить ядерным топливом или сырьем для его получения, — это ²³⁵U, ²³²Th и.

²³⁸U. При делении ядер выделяется энергия, которая в ядерных реакторах превращается в тепловую энергию.

К этому источнику следует отнести также термоядерную энергию. Реакция синтеза атомных ядер, т. е. образование тяжелых ядер из более легких, сопровождается выделением энергии. Так, при последовательном синтезе ядра ⁴Не из ядер тяжелого водорода ²Н выделяется энергии в расчете на один нуклон примерно в 4 раза больше, чем при распаде ядра ²³⁸U.

Третьим источником энергии является внутренняя энергия Земли. Тепловая энергия в недрах образуется за счет естественного распада радионуклидов, в ядре Земли температура достигает 5000 °C.

Рассмотрим потребности человечества в энергии. История энергетики неразрывно связана с историей человечества. Для обеспечения жизнедеятельности организма человека необходимо питание. По современным нормам энергетическая ценность суточного рациона для взрослого человека равна (10,5—12,5) • 10³ кДж. Нет оснований считать, что первобытный человек нуждался в ином количестве энергетических единиц. До того как человек научился использовать огонь, потребление энергии было с пищей и ее годовое потребление при численности людей на Земле 10—20 тыс. человек составляло (3,8—9,1) • 10¹⁰ кДж [45, с. 118].

К началу XX в. общая численность населения нашей планеты составила 1,7 млрд человек, а суммарное энергопотребление достигло 0,34 • 10¹⁷ кДж/ год. Прошедший век характеризуется резким ростом как суммарного, так и удельного энергопотребления (рис. 5.20). В 2013 г. население превысило 7 млрд человек, суммарное энергопотребление достигло 6,7 • 10¹⁷ кДж/год, а удельное энергопотребление — 10,3 • 10⁷ кДжДгод • чел.). Приведенные цифры говорят о том, что в XX в. произошел не только «демографический взрыв», но и «энергетический взрыв» [45, с. 132—135].

Рис. 5.20. Рост мирового энергопотребления:

1 — суммарное энергопотребление человечеством; 2 — среднегодовое удельное энергопотребление Вместе с тем, но данным ООН, на сегодняшний день около 2 млрд человек на планете живут без электричества и используют для отопления и приготовления пищи дрова и другие примитивные виды топлива.

Довольно длительный период — вплоть до начала промышленной революции (середина XVII в.) — основным энергоносителем, используемым человеком, была биомасса (в основном древесина) (рис. 5.21). Одной из главных причин перемещения промышленности России на Урат во времена Петра I было обилие там сырья для производства древесного угля. К концу XIX в. основным энергоносителем становится уголь, а в XX в. — нефть и газ.

Рис. 5.21. Структура мировой энергетики:

• 1 - 2000 лет до н.э.; 2- 1500 г.; 3 — 1900 г.; 4 — 1935 г.; 5 — 1960 г.; 6 — 1970 г.;
• 7 — 1980 г.; 8 — 1990 г.; 9 — 2005 г.; 10 — 2020 г. (прогноз 1970;х гг.); 11 — 2020 г. (прогноз конца 1990;х гг.)

В начале 70-х гг. XX в. доли угля, нефти и газа в структуре мирового потребления примерно выравниваются: нефть — 34%, газ — 18%, уголь — 32%. После нефтяного кризиса 1973—1974 гг. развитые страны начинают переориентировать топливно-энергетическую базу своих стран на другие виды энергоресурсов и вводят политику энергосбережения. В результате к 1980 г. доля нефти в мировом топливно-энергетическом балансе снижается до 38%, твердого топлива — до 27%, а потребление газа возрастает до 18%. Неуклонно растет доля ядериой энергии. В настоящее время, по данным Международного энергетического агентства (International Energy Agency), мировая энергетическая структура выглядит следующим образом: нефть — 42%, уголь — 24%, природный газ — 23%, атомная энергия — 6%, возобновляемые источники энергии — 5% (из них 4% дает гидроэнергетика). Таким образом, энергетические потребности цивилизации удовлетворяются за счет угольного и углеводородного топлива, запасенного, по образному выражению В. И. Вернадского, в былых биосферах.

По современным прогнозам в 2020 г. доля твердого ископаемого топлива возрастет и будет составлять 32%, потребление нефти снизится до 26%, а газа увеличится до 25%. Из-за аварии на Чернобыльской АЭС у значительной части населения Земли появилось недоверие и даже неприятие ядерной энергетики, поэтому ее доля будет составлять не более 7%. Доля возобновляемых источников энергии достигнет 10% [43, 51].

Рассмотрим более подробно основные невозобновляемые энергоресурсы.

Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он является наиболее распространенным ископаемым топливом на Земле. По оценкам специалистов, его запасы на нашей планете составляют около 7 • 10¹² т. Только разведанных месторождений угля (3 • 10¹⁰ т) при нынешних темпах использования хватит на несколько веков. Основные залежи угля образовались 210—280 млн лет назад в каменноугольный период и сосредоточены в России, США, Китае и Украине. В этих странах находится почти 88% известных запасов угля, в России сосредоточено 5,5% мировых запасов угля, что составляет более 200 млрд т.

Согласно докладу World Energy Council (WEC) «Мировые энергоресурсы 2013», разведанные мировые запасы угля на 2012 г. составили 891 млрд т.

К сожалению, уголь нельзя отнести к экологически чистым видам топлива. Теплоэлектростанции (ТЭС), работающие на угле, дают 10—25 кг вредных токсичных выбросов на 1 кВт • ч энергии в виде оксидов серы, азота, полициклических ароматических углеводородов, сажи и др. В мире наметились два пути снижения вредного воздействия угольной энергетики на биосферу. Так, в США построен ряд ТЭС на угле практически с полной очисткой вредных выбросов. В ЮАР налажено производство по переработке угля в синтетическое жидкое топливо, горючий газ и полукокс. Это направление является довольно перспективным, так как нефть и природный газ, являющиеся основой современной энергетики, скоро иссякнут.

Природный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Основную часть природного газа составляет метан (СН₄) — до 98%.

Широкое использование природного газа в энергоустановках связано с тем, что он имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами топлива. Газ легко транспортируется на большие расстояния, практически не требует подготовки и переработки перед использованием, количество вредных выбросов при сжигании минимально. Энергоустановки, работающие на газе, легко автоматизируются. Поэтому мировая добыча природного газа постоянно возрастает. Если за 1901 — 1920 гг. было добыто 0,3 трлн м³, то в 2012 г. — примерно 2,8 трлн м³. По рассмотренному на 20-й Мировой газовой конференции сценарию развития газовой промышленности потенциально мировое потребление природного газа к 2030 г. должно возрасти до 4 трлн м³. При этом, если развитые страны увеличивают долю природного газа в энергобалансе по причинам экологической безопасности и диверсификации поставок, то страны на стадии индустриального развития наращивают потребление газа вследствие роста потребности растущих экономик. В настоящее время (2013 г.) в год потребляется более 2,5 трлн м³ природного газа, из них на долю международной торговли приходится 625—650 млрд м³, из этого количества более 70% газа поступает потребителям по трубопроводной системе и около 27% продается в виде сжиженного природного газа.

На долю России и США сегодня приходится примерно 40% мировой валовой добычи природного газа. В России, по данным Минэкономразвития, добыча газа в 2012 г. составила 655,1 млрд м³.

По данным Международного газового союза, на начало 2012 г. доказанные мировые запасы природного газа оценивались на уровне 209 трлн м³ и еще не открытые экономически оправданные запасы в 260—500 трлн м³.

Темпы роста мировых разведанных запасов природного газа почти вдвое обгоняют темпы роста запасов нефти. Если до 1970 г. соотношение мировых разведанных запасов нефти и природного газа в пересчете на нефтяной эквивалент составляло примерно 70: 30, то к 1990 г. изменилось до 55: 45, а в 2009 г. практически сравнялось до 50: 50.

Таким образом, по оптимистическим прогнозам, при нынешних темпах добычи природного газа хватит более чем на 200 лет.

Нефть в чистом виде как энергоноситель не используется. В результате ее перегонки получается бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, масла и т. д. Бензин и дизельное топливо используются в двигателях внутреннего сгорания, керосин — в турбореактивных и реактивных двигателях летательных аппаратов, а мазут сжигается в электростанциях и в котельных. По сравнению с природным газом нефть и нефтепродукты при сжигании дают значительно большее количество вредных веществ, что связано с наличием примесей серы, фосфора и т. д.

До середины 1970;х гг. мировая добыча нефти удваивалась примерно каждое десятилетие, потом темпы ее роста замедлились. В 1938 г. она составляла около 280 млн т, в 1970 г. свыше 2 млрд т, а в 2005 г. — около 5,2 млрд т. Всего с начала промышленной добычи (с конца 1850-х гг.) до конца 2012 г. в мире было извлечено из недр более 200 млрд т нефти.

По данным Министерства энергетики США (Department of Energy), в настоящее время мир ежедневно потребляет около 14 млн т нефти, примерно четверть из них приходится на долю США.

Многие специалисты сходятся во мнении, что максимум добычи нефти и дальнейший спад произойдет в середине следующего десятилетия. Предыдущий спад в мировой добыче пришелся на годы нефтяного кризиса в последней четверти XX в. Однако после него вновь начался рост добычи нефти, связанный в основном с ростом ее потребления в развивающихся странах. Развитые страны в годы кризиса ввели политику энергосбережения. Улучшение эффективности использования нефти в ближайшие годы будет достигаться за счет совершенствования технологий ее переработки.

Некоторые специалисты считают, что развитие альтернативных источников энергии к середине XXI в. уменьшит роль нефти в мировом энергетическом балансе и ее доля сократится с нынешних 48 до 25%, мировая энергетика может перейти на природный газ как основной энергоноситель [2, с. 30−45].

Согласно докладу World Energy Council (WEC) «Мировые энергоресурсы 2013», разведанные мировые запасы нефти на 2012 г. составили 223 млрд т, неразведанные — оцениваются в 52—260 млрд т. Очевидно, что при современных темпах добычи нефть закончится уже в этом столетии.

Атомная энергетика до катастрофы на Чернобыльской АЭС не вызывала больших опасений. Теперь очевидно, что наиболее опасным и широкомасштабным вмешательством человека в природу является использование энергии деления ядра. Несмотря на это, сегодня еще много сторонников использования ядерной энергетики, этому есть серьезные причины: нефть и природный газ иссякнут в ближайшем обозримом будущем, а это более 60% в топливно-энергетическом балансе. Их необходимо чем-то заменить. Потенциал возобновляемых источников энергии ограничен, поэтому до сих пор остается много сторонников использования ядерного топлива.

Все атомные электростанции мира производят в настоящее время примерно 375 ГВт • год (11,8 • 10¹³ кДж/год) электроэнергии. Наиболее зависящей от ядерной энергетики является Франция, где АЭС обеспечивают производство 76,4% потребляемой электроэнергии. Россия на АЭС производит 14,9% электроэнергии.

Известные мировые запасы урана (с учетом коммерческих запасов урана, извлекаемого при повторном обогащении) оцениваются в 17 млн т. Для производства 1 ГВт • год электроэнергии с помощью современных реакторов необходима 1 т урана, поэтому с учетом вводимых в действие АЭС имеющихся запасов урана хватит на 250—300 лет.

Катастрофа на Чернобыльской АЭС, происшедшая 26 апреля 1986 г., является крупнейшей аварией в мире, эквивалентной локальной ядерной войне. Из разрушенного реактора в атмосферу было выброшено примерно 7,5 т ядерного топлива и продуктов деления с суммарной активностью около 50 млн Ки, что позволило в дальнейшем сформироваться неизвестным ранее техногенно-радиационным экосистемам — огромным территориям цезий-стронций-плутониевой и короткоживущей йодной радиоактивной загрязненности окружающей среды Украины, Беларуси и России и, на более низком уровне, — Европы, Канады, Швеции, Японии и США. По количеству долгоживущих радионуклидов (¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁸Pu и др.) авария на Чернобыльской АЭС соответствует 500—600 Хиросимам. В результате аварии на Украине, в Беларуси и России из сельскохозяйственного оборота было выведено около 5 млн га земель. Площадь территорий, загрязненных свыше 1480 кБк/м² (40 Ки/км²) по основному долгоживущему радионуклиду Чернобыльской АЭС — цезию-137 на Украине, в Беларуси и России составила 7000 км² (2000 км² в России). Срочно эвакуировалось более 130 тыс. человек. Для экстренной дезактивации территорий было снято около 200 тыс. м² грунта, заасфальтировано 2500 км дорог. Общая площадь цезий-стронций-плутониевого и короткоживущего йодного радиоактивного загрязнения в России свыше 37 кБк/м² (1 Ки/км²) составила 147 тыс. км² с 4270 населенными пунктами и общей численностью населения около 3 млн человек, треть из которых (783 тыс.) — дети. В Беларуси аналогичным последствиям подвержено 23% населения, на Украине — 30%. Наиболее подверженными радиационным воздействиям в России оказались Брянская, Калужская, Тульская, Воронежская области. Катастрофа на Чернобыльской АЭС сформировала у населения, особенно в Европе, стойкое неприятие к «мирному атому». Однако выросшие цены на углеводородное топливо и отказ Германии (крупнейшей страны Евросоюза) от дальнейшего развития ядерной энергетики вызвали рост производства атомной энергии в ряде стран. К 2050 г. мощность атомных электростанций во всем мире должна вырасти в 1,5—3,8 раза, на долю атомной энергетики будет приходиться до 22% всей произведенной в мире электроэнергии — против 16% в настоящее время. В 2011 г. в 30 странах работали 443 ядерных реакторов, в общей сложности вырабатывающих 377 000 МВт, к 2050 г. в мире будут работать 1400 ядерных реакторов. В 2020 г. лидерами в ядерной энергетике будут Соединенные Штаты, Франция, Япония, Россия, Китай, Корея, причем США и Китай станут обладателями наибольших мощностей. На долю Франции, Японии и Соединенных Штатов в настоящее время приходится 57% мировых ядерных мощностей. По всей видимости, атомную энергетику ожидает в ближайшем будущем если не бурный рост, то довольно оптимистическая полоса развития. Это связано не только с удорожанием нефтепродуктов, но и с решимостью стран Евросоюза и ведущих стран Азии воплотить в жизнь Киотское соглашение, предусматривающее существенное сокращение эмиссии парниковых газов. Так, Россия, несмотря на обладание огромными запасами углеводородных энергоресурсов, планирует в ближайшие пять лег довести мощность реакторов с 24,5 до 28,2 ГВт.

Авария на АЭС «Фукусима-1», происшедшая 11 марта 2011 г. (Япония) в результате катастрофического, но масштабам цунами и землетрясения (в 12 баллов по шкале Рихтера) была оценена экспертами по максимально возможной оценке международной шкалы ядерных событий (UNES) в 7 баллов (как при аварии на Чернобыльской АЭС). Авария подтвердила опасения не зависимых от МАГАТЭ экспертов о скрытой опасности атомной энергетики, особенно АЭС, располагающихся на сейсмически неблагополучных территориях с мощными тектоническими процессами. Причина взрывов — образование водорода в результате пароциркониевой реакции при высокой температуре и паросодержании. Уже 12 марта 2011 г. была объявлена эвакуация населения 20-, а 24 марта — 30-километровой зоны (более 320 тыс. чел.), так как уровень радиации на границе промплощадки первого энергоблока АЭС сразу после взрыва достиг 1015 мкЗв/ч, а второго — 8217 мкЗв/ч, превышая ПДУ облучения в тысячи раз, а уровень радиоактивного загрязнения морской воды по йоду-131 рядом с АЭС в первые дни после аварии был превышен в 1850—4385 раз, а в 30-километровой зоне — в 2—10 раз. В конце 2012 г. уровень радиации на побережье, где находится АЭС «Фукусима-1», превышал норму более чем в 100 раз. Замеры провело Министерство окружающей среды Японии. В этом районе по-прежнему запрещено ловить рыбу. Большинство жителей не спешат возвращаться в свои дома. Врачи отметили, что жители префектуры Фукусима достоверно стали чаще болеть раком. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) предупреждает, что в будущем количество онкологических заболеваний существенно возрастет. Эксперты отнесли к группе риска жителей префектуры в возрасте до 20 лег. Эксперты ВОЗ полагают, что реальная степень ущерба, нанесенного здоровью жителей японской префектуры Фукусима, после аварии станет ясна в ближайшие 15 лет. Отлов рыбы проводится в основном с целью замера уровня радиации в ней. В префектуре Фукусима ведутся работы по дезактивации зараженной почвы силами как специалистов, так и добровольцев. Процедура очистки радиоактивной почвы является крайне дорогостоящей; однако сделать почву вновь пригодной для использования и полностью очистить ее невозможно. Поэтому власти вынуждены уничтожать снятый верхний слой почвы. Планируется, что вывоз пластов почвы в специальные хранилища и ее уничтожение займут 30 лет. После аварии на «Фукусима-1» резко изменилась ситуация в урановой отрасли: упали спотовые цены на природный уран, резко снизились котировки акций уранодобывающих компаний. По предварительным оценкам, рост стоимости строительства новых АЭС составит 20—30%. Японское правительство обязало владельца АЭС — компанию ТЕРСО — выплатить компенсацию вынужденным переселенцам, численность которых составляет примерно 80 000 человек.

Кроме того, надо признать, что до сих пор нет способов безопасной утилизации радиоактивных отходов. Наука пока не решила эту задачу. Накопление таких отходов представляет серьезную экологическую опасность.