Энергопотребление и биосфера

где Pб и Pэ - мощности биопотребления и энергопотребления для страны; S - ее площадь; Pб0, Pэ0, S0 - то же для суши планеты.

Индексы антропогенной нагрузки на биосферу для крупных стран образуют следующую последовательность: Япония -15,8; ФРГ (бывшая) -14,5; Великобритания -12,7; Италия - 8,1; Франция - 5,3; Индия - 4,0; США -2,8; Китай -1,9; мир в целом - 1,0; СССР (бывший ) - 0,8; Бразилия - 0,3. Из этих данных следует, что в разрушение биосферы наибольшую долю вносят высокоразвитые страны с рыночной экономикой, а также густонаселенные государства (низкие показатели для СССР и США обусловлены их большой площадью). Интересно отметить, что для большинства высокоразвитых стран отношение Pэ /Pб > 1, для США оно максимально и достигает 10; для таких же стран, как Китай, Индия, Бразилия, оно составляет ~0,8, то есть биопотребление превышает в них энергопотребление. Основных причин, способствующих стремительному росту энергопотребления, две: во-первых, продолжающийся с огромной скоростью рост населения планеты; во-вторых, быстрое развитие мирового промышленного и сельскохозяйственного производства с ростом общего уровня потребления. Рассмотрим каждую из этих тенденций.

2.2. Основные причины роста антропогенного энергопотребления

Говоря о численности населения планеты, необходимо иметь в виду две цифры. Во-первых, согласно ресурсной модели мировой системы 70-х годов XX столетия (работы Римского клуба) в качестве предельного значения рассматривается численность населения Земли на уровне 8 млрд человек. Во-вторых, согласно более поздней теории устойчивости биосферы В.Г. Горшкова как живой саморегулируемой системы биосфера устойчива и стабилизирует климат Земли при условии, что население не превышает ~1 млрд человек. Разница в цифрах объясняется тем, что авторы первой модели исходили из допущения, что Земля является для человека лишь источником материальных и продовольственных ресурсов и что биосфера остается жизнеспособной и сохраняет свойства среды обитания человечества. Основные данные о фактической и прогнозной численности населения Земли и периодах удвоения численности (величина, обратная скорости роста) представлены на рис. 4.

Рис. 4. Динамика численности населения планеты

Прежде всего отметим продолжающееся нарастание скорости роста численности населения (за последние 20 лет она возросла на 1,7 млрд человек, что соответствует населению планеты в начале ХХ века; 1,5 млрд из этого числа приходится на развивающиеся страны) и соответственно уменьшение периода удвоения численности t2, который на сегодня составляет 34 года. Во-вторых, как видно из рис. 21, численность населения Земли далеко превысила отведенный для человека предел в 1 млрд. Если темпы роста возрастания численности населения сохранятся, то уже к 2030 году оно может составить 11 млрд жителей. Такого количества землян планета не выдержит по многим параметрам, в том числе и потому, что для производства только пищи необходимо будет в пять раз поднять производство и потребление энергии, а установлено, что увеличение даже в три раза приведет к превышению климатического предела и полному разбалансированию биосферы. Одновременно это потребовало бы удвоения каждые 10 лет потребления пресной воды и органических удобрений. Но даже если бы вдруг рост населения сегодня прекратился, ныне проживающее число людей на планете продолжительное время существовать не может, поскольку и оно резко разбалансировало биосферу. Между тем рост населения не прекращается, а попытки мирового сообщества гуманными способами регулировать численность землян терпят неудачу. Об этом свидетельствуют результаты Конференции ООН в Каире по народонаселению (сентябрь 1994 г.). Все доводы мирового сообщества о необходимости регулирования численности людей натолкнулись на сопротивление Ватикана и лидеров мусульманского мира и результаты встречи оказались бесплодными. В итоге конференция зафиксировала безрадостный прогноз, что в 2015 году численность землян будет находиться в пределах 7,2 - 7,9 млрд человек. Несомненно, что численность землян рано или поздно вернется к значению, обеспечивающему устойчивое функционирование биосферы. Это будет сделано либо самими людьми по управляемому "мягкому" варианту, когда до 1 млрд численность снизится примерно за столетие (для этого необходимо нынешний рост превратить в такое же по темпам - 1,8 % в год - сокращение, что примерно соответствует рождению не более одного - двух детей в семье), либо снижение будет обеспечено самой природой по быстрому катастрофическому варианту со скоростью 3 % в год. Такие прецеденты для других видов на Земле наблюдались неоднократно. Процессы обвального сокращения скорее всего будут идти с большими неравномерностями, сопровождаясь колебаниями плотности и сильными миграционными движениями.

Характерная черта современной человеческой цивилизации - неуклонный рост объемов производства и потребления. За двадцатое столетие потребление ископаемого топлива возросло почти в тридцать раз, а промышленное производство - более чем в пятьдесят раз. Основная доля этого роста - 3/4 ископаемого топлива и более 4/5 промышленного производства - приходятся на последние пятьдесят лет. За последние сто лет в сельскохозяйственное производство вовлечено больше земли, чем за весь предыдущий период использования ее человечеством. Одновременно с этим только за последние сорок лет применение химических удобрений возросло более чем в десять раз, пестицидов и других ядохимикатов - более чем в тридцать раз. Сегодня из земных недр ежегодно извлекается около 150 млрд т горных пород, в том числе более 20 млрд т полезных ископаемых. Другой характерной чертой современной цивилизации является устрашающее неравенство в масштабах производства и потребления разных стран мира. В настоящее время на долю 20 % наиболее богатой части населения мира приходится ~83 % мирового дохода, а на долю 20 % беднейшей части - только 1,4 %, причем это соотношение неравенства возросло с 1960 по 1989 годы с 30:1 до 59:1, то есть удвоилось. Показателем все возрастающего неравенства являются также данные ООН по потреблению на душу населения в развитых и развивающихся странах. Так в начале девяностых годов ХХ века потребление нефти на одного жителя Земли составило около 550 кг, при этом в США и Канаде - 2500 кг, Индии - 60 кг, странах Африки - 10 кг. Аналогичная картина наблюдается по другим источникам энергии и природным ресурсам. Помимо колоссальной диспропорции, в мировой экономике господствует сегодня вызывающе расточительное потребление их населением экономически развитых государств. О том, что это неприемлемое для планеты потребление, говорят следующие цифры: если все население Земли поднимет уровень своего потребления до американских стандартов, то, чтобы его обеспечить, необходимо увеличить годовую добычу железа в 75 раз, свинца и меди в 100 раз, олова в 250 раз. В недрах Земли просто нет таких ресурсов. Кажущиеся почти неисчерпаемыми разведанные запасы угля полностью иссякли бы через 18 лет, нефти - через 7 лет. Проблема все возрастающей дифференциации, разрыва в уровне жизни человеческого сообщества выходит на одно из первых мест и прежде всего как экологическая проблема. Социальная и техническая отсталость развивающихся стран будет все больше угрожать не только им самим, но и развитым странам. Мир един, поэтому нарушение глобальных законов функционирования биосферы в какой-либо ее части неминуемо приведет к нарушению ее устойчивости в целом. В настоящее время важнейшие для нормального функционирования биосферы Земли компоненты - практически 100 % тропических лесов, 70 % всех биологических видов живых организмов находятся на территории и в прибрежных водах развивающихся стран, на них же приходится и большая часть беднейшего населения планеты, которое для своего физического выживания нещадно истребляет природные ресурсы. Весь парадокс современной ситуации в том, что бедность и нищета большей части населения планеты приведут к краху всей человеческой цивилизации, касаясь в равной мере и бедных, и богатых. Поэтому уменьшение разрыва в уровне жизни народов мира, искоренение бедности и нищеты является в равной мере острейшей необходимостью как для бедных, так и для богатых, если человечество хочет сохранить себя на Земле.

2.3. Общая характеристика антропогенного энергопотребления.

За всю историю существования человечество израсходовало около 900—950 тыс. ТВт-ч энергии всех видов. Исторически развитие (увеличение) потребления энергии на планете шло неравномерно.

На графике выше показано, что резкое возрастание потребления энергии началось в XX в., причем 2 / 3 израсходованной человеком энергии приходится на последнюю половину века. Важная особенность современного потребления энергии — его неравномерность для жителей разных стран. В доисторическую эпоху каждый человек, использовавший лишь свою мускульную силу, тратил приблизительно одинаковое количество энергии. В наше время неравномерность удельного потребления энергии огромна и для различных стран она достигает соотношения 1 : 40, при этом неравномерность потребления электроэнергии еще больше. В Скандинавии на одного жителя приходится более 14 000 кВт *ч электроэнергии в год, а в Индии — около 100 кВт * ч.

Уровень жизни населения разных стран напрямую зависит от обеспеченности энергией

Рис. 5. Взаимосвязь уровня потребления энергии и уровня жизни населения в 1980 г. (по Т. А. Акимовой, В. В. Хаскину): I — индекс чистого дохода, вычисленный по действительной стоимости большого набора товаров и услуг (/ = 1 соответствует приблизительно 22,5 долл. США); Е — потребление энергии на одного жителя разных стран в кг угольного эквивалента (29,3 МДж/г)

В то же время удельное потребление энергии определяется рядом факторов, главным образом климатических. Так, в нашей стране в середине 80-х годов XX в. на единицу национального дохода тратилось топливных ресурсов в 4,5 раза больше, чем в США, и в 6 раз больше, чем в Японии. Это связано с тем, что Россия — самая холодная из обитаемых стран. Эффективно используемая (густо населенная) территория Финляндии, Норвегии, Исландии и Канады имеет значительно более мягкий климат, чем Россия.

Увеличение расходования энергии происходит с развитием цивилизации. Технический прогресс и развитие общества с доисторических времен были связаны с количеством и качеством используемых энергоресурсов. Освоение природных энергетических ресурсов стимулировало создание машин, позволивших переложить на них значительную часть физического, а в наше время и умственного труда. Совершенствование машин все больше и больше освобождало человека для творческой работы, занятий науками, искусством, литературой — всего того, что принято называть культурой.

Достигнутый уровень техники позволил использовать качественно новые виды энергии, в первую очередь электрической. Основными отличительными особенностями электроэнергии является возможность легкой передачи на большие расстояния и относительная простота преобразования ее в другие виды энергии при малых потерях.

Масштабы выработки и потребления энергии человечеством столь велики, что соизмеримы с природными явлениями (табл. 2).

Таблица 2 Сравнительная мощность техногенной энергии и природных явлений

Мировые запасы минерального топлива оцениваются в 12,5 трлн тут41, а запасы, которые могут быть извлечены из недр Земли экономически оправданными методами, составля­ ют около 4 трлн: тут. При этом 80% запасов составляет уголь и по 10% — нефть и природный газ. Считается, что этого количества, а также запасов торфа, сланцев, урана и тория в расче­ те на уровень потребления в 2000 г. хватит человечеству ориентировочно на 300 лет.

На территории нашей страны находится более 50% мировых запасов угля, более 30% газа, 60% торфа и более 40% горючих сланцев. Извлекаемые запасы минерального топлива оцениваются примерно в 2 трлн тут, 80% которых составляет уголь и 5% — природный газ.

2.4. Способы снижения энергопотребления

Поскольку, с одной стороны, энергетика — основа развития современных отраслей народного хозяйства, а с другой стороны — в наши дни не найдено ни одного источника энергии, использование которого не влияло бы существенно (прямо или косвенно) на биосферу, человечество активно ищет выход из этого тупикового состояния. Наиболее правильными являются следующие два направления решения этой задачи.

Прежде всего следует рациональнее использовать имеющиеся энергетические мощности, т. е. снижать энергопотребление путем перехода на энергоэкономные технологии и снижения потерь. Ярким примером служат достижения Японии. Страна, обладающая ничтожными собственными природными ресурсами, далеко «отстающая» по выработке электроэнергии на душу населения от России и многих развитых стран мира, заняла одно из первых мест по производству промышленной продукции, лидируя в новейших отраслях.

Кроме того, необходимо совершенствовать технологию выработки энергии (включая добычу и перевозку топлива, передачу электроэнергии и т. п.), а также структуру выработки энергии, шире использовать экологически более совершенные методы выработки и виды топлива.

Нельзя рассчитывать на полноценное решение проблемы путем очистки газов, выбрасываемых энергетическими объектами в атмосферу. Многократно доказано, что газоочистка, увеличивая стоимость выработки энергии примерно в 1,5 раза, сама требует дополнительных затрат энергии и приводит к необходимости решения задачи утилизации уловленных веществ. Тем не менее в некоторых случаях применение устройств очистки дает явный и существенный эффект. Так, все ведущие автомобилестроительные фирмы уже оснащают свою продукцию нейтрализаторами выхлопных газов. Без этого устройства автомобиль не конкурентоспособен на современном рынке. Сегодня трудно быть уверенным, что после перевода всего парка автомобилей на экологически более совершенные виды топлива (такие, как газ) необходимость в нейтрализаторах исчезнет.

Принципиально неверный способ улучшения экологической обстановки в районе расположения энергетического объекта — строительство высоких и сверхвысоких труб (180, 250 и даже 420 м). Сиюминутная выгода при таком «решении» очевидна — увеличение в два раза высоты трубы гарантирует снижение максимальной приземной концентрации загрязняющих веществ в 4 раза. Однако рассеивание примесей по значительно большей территории ни в малейшей степени не снижает общий результат. Для совместной борьбы с трансграничным переносом загрязнений ряд заинтересованных стран Европы подписало международную конвенцию, по которой они обязались в оговоренные сроки уменьшать выбросы оксидов серы.

Экономические и экологические соображения требуют всемерной и повсеместной экономии энергоресурсов. Такая экономия позволит уменьшить расходы на производство продукции, сохранить энергоресурсы для будущих поколений, уменьшить загрязнение окружающей среды.

Внимание к энергосберегающим технологиям производства резко возросло после нефтяного кризиса 1973 — 1974 гг., когда страны ОПЕК уменьшили экспорт нефти и увеличили цену на нее. В первую очередь пострадали развитые страны Европы, США, Япония. Новые энергосберегающие технологии были разработаны в Японии: с 1973 по 1984 г. валовой продукт Японии увеличился примерно вдвое, а энергозатраты возросли только на 7 —8%. Количество энергии, необходимой для выплавки стали, снизилось в Японии более чем на 85 %. Это достижение связано с внедрением непрерывной разливки, которая в свою очередь стала возможна благодаря использованию огнеупорных кирпичей с керамическими добавками (с повышенной устойчивостью к теплу и трению). Разработан также керамический автомобильный двигатель. В 1985 г. фирма «Тойота» на международной выставке продемонстрировала сверхэкономичный автомобиль с керамическим двигателем, который на 100 км пути тратит менее 2 л бензина.