Энергетическая проблема и альтернативные источники энергии

Энергетическая проблема и альтернативные источники энергии.

Жизнедеятельность человечества невозможна без потребления  энергии: она необходима для производства промышленных и сельскохозяйственных продуктов, для разработки новых  технологий, да и просто для обогрева жилищ. Потребляя энергию, человек  прошел путь от первого костра до атомных  электростанций, освоил добычу традиционных энергетических ресурсов: угля, нефти  и газа, научился использовать энергию  рек, освоил “мирный атом”. Сегодня  суммарное потребление тепловой энергии в мире составляет колоссальную величину – более 1013 Вт в год (эквивалентно 36 млрд. тонн условного топлива). Рост народонаселения Земли и развитие промышленности будут неуклонно увеличивать приведенные цифры.

Однако  современное энергопотребление  основано на использовании невозобновимых запасов ископаемого топлива – угля, нефти, газа, а они, к сожалению, не бесконечны. Все это составляет одну сторону энергетической проблемы, стоящей перед человечеством: быстрое исчерпание невозобновимого ископаемого топлива при нарастающих темпах его потребления.

Что касается перспектив ядерной энергетики, то все известные промышленные запасы урана будут исчерпаны уже  в первом десятилетии XXI в. Учитывая затраты на добычу топлива, нейтрализацию, утилизацию и захоронение отходов, консервацию отработавших реакторов (а их ресурс не более 30 лет), расходы  на социальные, природоохранные нужды, то стоимость энергии АЭС многократно  превысит любой экономически допустимый уровень. По оценкам специалистов, только затраты на вывоз, захоронение и нейтрализацию накопившихся на российских предприятиях отходов ядерной энергетики составят около 400 млрд. долл., на обеспечение необходимого уровня технологической безопасности – 25 млрд. долл. С увеличением числа реакторов повышается вероятность их аварий. Таким образом, атомная энергетика не имеет долгосрочной перспективы.

Использование в дальнейшем энергии термоядерного  синтеза в мирных целях в настоящее  время не определено.

Другой  стороной энергетической проблемы является нарастающее загрязнение окружающей среды и, как следствие, глобальные изменения климата, кислотные дожди  и т.п.

Дефицит энергии и ограниченность топливных  ресурсов с все большей остротой показывают неизбежность перехода к  нетрадиционным, альтернативным источникам энергии (АИЭ). Они экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли. Рассмотрим основные из них.

Солнечная энергия. Солнце – неисчерпаемый источник энергии: ежесекундно на Землю поступает около 80 триллионов киловатт энергии, т. е. в тысячи раз больше, чем вырабатывают все электростанции мира. Использование только 0,5% этого количества могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии на тысячелетия. В США работает 8 солнечных станций модульного типа общей мощностью около 450 мВт, энергия поступает в общую энергосистему страны. Выпуск солнечных фотоэлектрических преобразователей достиг в мире 300 мВт в год, из них 40 % приходится на долю США. В настоящее время в мире работает более 2 млн. гелиоустановок горячего водоснабжения. Площадь солнечных (тепловых) коллекторов в США составляет 10, а в Японии – 8 млн. м2. В США и в Японии работают боле 5 млн. тепловых насосов.

Энергия ветра. На первый взгляд энергия ветра кажется одной из самых доступных и возобновляемых. В отличие от Солнца ветер может “работать” зимой и летом, днем и ночью. Но ветер – это очень рассеянный энергоресурс. Природа не создала “месторождения” ветров и не пустила их, подобно рекам, по руслам. Ветровая энергия практически всегда “размазана” по огромным территориям. Основные параметры ветра – скорость и направление – меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее “надежным”, чем Солнце. Таким образом, возникают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Первая – это возможность “ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Вторая –добиться равномерности, постоянства ветрового потока. В настоящее время существуют интересные разработки по созданию принципиально новых механизмов для преобразования энергии ветра в электрическую.

К сожалению, ветровые двигатели очень шумные (построенные в большом числе на берегах Норвегии, ветряки вызывают протесты “зеленых”: из-за их шума птицы перестали гнездиться на побережье и изменили миграционные маршруты, что вызвало там нарушение экологического равновесия) и громоздкие, и чтобы производить с их помощью требуемое количество электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где постоянно дуют сильные ветры (побережье Норвегии). За последние 15 лет в мире построено свыше 100 тыс. ветровых установок с суммарной мощностью 70000 мВт (10% энергобаланса США).

Энергия моря. Для использования энергии морских волн предложена станция “Кивающая утка”. Поплавки, покачиваемые волнами, дают энергию стоимостью всего 2,6 пенса за 1 кВт/ч, что лишь незначительно выше стоимости электроэнергии, которая вырабатывается новейшими электростанциями, сжигающими газ (в Британии это 2,5 пенса), и ниже, чем дают АЭС (около 4,5 пенса за 1 кВт/ч).

В настоящее время эксплуатируются  электростанции, работающие на энергии  приливов и отливов (например, в устье  реки Ранс во Франции).

Энергия недр Земли. Наиболее стабильным источником может служить геотермальная энергия – энергия земных недр (температура в центре Земли достигает нескольких тысяч градусов). Валовой мировой потенциал геотермальной энергии в земной коре на глубине до 10 км оценивается в 18 000 триллион тонн условного топлива, что в 1700 раз больше мировых геологических запасов органического топлива. В России ресурсы геотермальной энергии только в верхнем слое коры глубиной 3 км составляют 180 триллион тонн условного топлива. Использование только около 0,2% этого потенциала могло бы покрыть потребности страны в энергии. Вопрос заключается лишь в рациональном, рентабельном и экологически безопасном использовании этих ресурсов. Сегодня в мире действует 233 геотермальные электростанции суммарной мощностью 5136 мВт, строятся еще 117 мощностью 2017 мВт. Ведущее место в мире в этой области занимают США (более 40% действующих мощностей в мире).

Перспективные направления использования АИЭ  – сжигание твердых отходов, переход  на водород вместо традиционных теплоносителей и т.п.

По  прогнозу Мирового энергетического  конгресса, к 2020 г. на долю АИЭ придется 5,8% общего энергопотребления. При этом в развитых странах (США, Великобритании и др.) прогнозируется довести долю АИЭ до 20% (20% энергобаланса США  – это примерно все сегодняшнее  энергопотребление в России). В  странах Европы планируется к 2020 г. обеспечить экологически чистое теплоснабжение 70% жилищного фонда. В большинстве  стран приняты законы, создающие  льготные условия, как для производителей, так и для потребителей альтернативной энергии, что является определяющим фактором успешного их внедрения.

Проблема  сырья 

  Остро стоит проблема обеспечения  людей природными ресурсами: потребности  человека постоянно растут, и  увеличиваются возможности их  удовлетворения. Потребление ресурсов  достигло гигантских масштабов  и продолжает расти. В перспективе  возникает угроза их нехватки  просто из-за физической ограниченности  Земли и её недр. Но проблема  даже не в нехватке сырья  и энергии. Возникают сложности  в обеспечении общественного  производства отдельными видами  сырья, топлива, что особенно  касается труднодобываемых ресурсов, их доставки и распределения. Ведь добыча сырьевых природных ресурсов ориентировалась прежде всего на те месторождения, эффективная эксплуатация которых отвечала достигнутому уровню технологии. А освоение новых природных богатств, находящихся в сложных географических и климатических условиях требует новых технологий.О нерациональном использовании сырьевых ресурсов говорит то, что из ежегодно извлекаемых из недр планеты 100 млрд. т различных видов сырья только 5% из них реально используются, а всё остальное идёт в отвалы, покрывает территории, сравнимые по площади со всеми государствами, посёлками, деревнями и т.д.

Деградация наземных экосистем и проблема нехватки пищевых ресурсов, современные пути решения проблем.

Нерациональное  землепользование приводит к деградации наземных экосистем. Имеются в виду такие процессы, как сведение лесов, эрозия, засоление и загрязнение  почв, опустынивание и, как следствие, падение продуктивности почвы, снижение урожаев, высыхание поверхностного слоя почвы, оврагообразование, наступление песчаных дюн на орошаемые земли, уничтожение урожаев песчаными бурями и т.д.

Сведение  лесов – серьезная проблема не только потому, что лес – это природный ресурс чрезвычайной важности для человека, который не может быть восстановлен в короткие сроки, возникает также огромное число побочных эффектов. Оно является главной причиной таких экологических проблем, как опустынивание, деградация почв, наводнение, образование селевых потоков, заиливание водотоков, разрушение ареалов диких животных, вымирание видов животных и растений и т.п.

Россия  обладает более чем одной пятой  мировых лесных ресурсов, из них 79,6%  хвойные леса, 2,7% твердолиственные и 17,7% мягколиственные. За пятилетний период леса погибли на площади 1,5 млн. га. Что приводит к сведению лесов в России?

Пожары. В районах Сибири и Дальнего Востока они часто носят глобальный характер. В период 1988 – 1993 гг. в России произошло 122,8 тысяч лесных пожаров, охвативших 5,1 млн. га лесной площади. По мнению специалистов, площадь гарей и погибших древостоев в стране втрое превышает площадь рубок.

Промышленные рубки. В 1988 – 1993 гг. в России рубки производили на площади  8,8 млн. га, а лесовосстановление – только на 7,2 млн. га.

Потери заготовленной древесины (особенно в Сибири и на Дальнем Востоке). Лесозаготовка проходит со значительными потерями древесины. В 1993 г. она составила 4,9 млн. м3 древесины. Это создает дополнительную пожарную опасность, способствует возникновению очагов вредителей.

Незаконные порубки. Хотя объемы заготовки древесины в России в последние годы сократились, тем не менее специалисты полагают, что значительный объем заготовленной древесины просто не учитывается. Согласно данным Государственной лесной службы России, незаконные порубки в 1993 г. выросли по сравнению с 1992 г. в 2,8 раза. Учащаются случаи незаконного вывоза древесины за рубеж. По данным МВД России, только в 1993 г. предотвращен незаконный вывоз за рубеж 157,4 тыс. м3 леса и пиломатериалов.

Вредные насекомые и болезни. Эксперты ежегодно регистрируют очаги насекомых и болезней на площади от 1,5 до 2,5 млн. га.

Поражение промышленными выбросами. В целом по Российской Федерации промышленными выбросами поражено более 780 тыс. га леса, в том числе 380 тыс. га погибли или усыхают. В районе Норильска уничтожено около 300 тыс. га. Территория лесов, зараженных в результате ядерных аварий и испытаний ядерного оружия, составляет 3,5 млн. га.

Опустынивание – процесс, в результате которого уменьшается продуктивность земель, подверженных засухе. Опустынивание  может происходить вследствие сведения лесов, нерационального землепользования, засухи, перевыпасов скота, нерационального орошения (заболачивания и засоления) и т.д.

Другая  причина, приводящая к опустыниванию, – перевыпас скота. С увеличением поголовья скота возрастает нагрузка на пастбища, и одновременно падает их продуктивность. Перевыпас ведет к:

1. уменьшению количества подножного корма и съедобной растительности;
2. замещению многолетних видов растений однолетними, которые не способны уберечь почву от эрозии;
3. сбиву пастбищ копытами скота;
4. дестабилизации песчаных дюн в результате того, что скот поедает растительность на их гребнях;
5. ухудшению здоровья животных и постоянным падениям надоев молока и производства мяса.

Специалисты ООН (программа ЮНЕП) подсчитали, что  из-за опустынивания к концу XXI века человечество потеряет треть пахотных земель. Оно является одной из причин деградации почв и в Российской Федерации. Нерациональное использование земель, в частности бесконтрольный выпас  скота, привело к появлению единственной в Европе пустыни “Черные земли” в Калмыкии. Ученые подсчитали, что  если процесс будет продолжаться теми же темпами, то через 15 – 20 лет  площадь опустыненных земель в этой республике достигнет 1 млн. га. Кроме того, опустыниванию подвергаются земли на вырубках в Республике Коми.

Ежегодно  в Южном регионе пески занимают 40 – 50 тыс. га. Только в Прикаспии песками занято около 800 тыс. га. Также отмечается увеличение площади сбитых пастбищ. За пять лет с 1985 г. в Дагестане, Саратовской и Астраханской областях эти площади возросли на 1426 и 394,2 тыс. га соответственно.

Некоторые мероприятия, предлагаемые для решения  проблемы опустынивания, включают в  себя улучшение качества землепользования, рациональную ирригацию, бережное обращение  со скотом, целесообразное использование  пастбищ и уменьшение поголовья  скота и восстановление лесов. Другие мероприятия предусматривают восстановление пустынных земель, “социальное лесопользование” (когда местные жители берут на себя ответственность за сохранение лесов вокруг их деревень), создание лесонасаждений.

Засоление почв (вторичное засоление; имеется в виду, что хозяйственная деятельность человека усиливает естественные природные процессы засоления почв) – процесс деградации почв, обычно связанный с неумеренным поливом орошаемых земель в засушливых районах, как результат нерациональной ирригации. Сначала происходит подтопление и заболачивание земли. Это приводит к тому, что соленые грунтовые воды выходят на поверхность, если дренажные системы не отводят их. Площадь засоленных почв в России – 36 млн. га (18% общей площади орошаемых земель). Засоление почв снижает урожайность сельскохозяйственных культур, вплоть до полной потери и изъятия земель из оборота.

Этот  процесс ослабляет биологический  круговорот веществ. Исчезают многие виды растительных организмов, появляются новые растения – галофиты (солянка  и др.). Уменьшается генофонд наземных популяций, усиливаются миграционные процессы.

Эрозия  почв (от лат. erosio – разъедание) – разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся такому разрушению, называют эродированными. Эрозия почвы может быть вследствие промышленных и сельскохозяйственных работ (промышленная эрозия), военных действий – воронки, траншеи (военная эрозия) и т.д. Пылевые бури и водные потоки способны в считанные часы снести до 10 – 15 см верхнего слоя почвы, наиболее богатого гумусом (в естественных условиях гумусовый слой почвы образуется со скоростью 2 – 3 см за 100 лет).