среды.
В этой главе мы хотим показать, что нет оснований слепо
верить тем, кто рисует наше будущее в мрачных тонах, кто
постоянно твердит, что близится "конец света", что
энергетический кризис и загрязнение окружающей среды в течение
десятилетий угробят человечество.
Парниковый эффект
Опасность парникового эффекта человечество осознало
сравнительно недавно [1]. Наряду с термическими процессами,
происходящими внутри нашей планеты, большую часть энергии несет
излучение солнца.
Температура излучающей поверхности Солнца около 6000oК.
Падающая на Землю энергия переносится излучением с длиной волны
от 0,2 до 2 мкм (кривая 1 на рис. p082). Излучаемая земной
поверхностью, со средней температурой в 255oК, энергия
распространяется в диапазоне длин волн от 2 до 100 мкм (кривая
2 на рис. p082).
Водяной пар атмосферы свободно пропускает прямое солнечное
излучение и сравнительно слабо задерживает его отражение.
Активное поглощение водой приходится на диапазон 4...7 мкм. На
рис. p082 этот диапазон занимает узкий участок спектра (участок
H2O кривой 2). Углекислый газ (СО2) поглощает излучение на
частотах 13...19 мкм. Он задерживает отраженное тепло на
участке кривой 2.
Таким образом, "углекислотное одеяло" повышает температуру
планеты. Рост температуры коррелирует с ростом концентрации
углекислого газа в атмосфере.
На рис. p083 показано изменение концентрации СО2,
измеренное на Гавайских островах. Там нет промышленных центров,
поэтому можно считать, что регистрировалась "общемировая"
картина. Замеры за 25 лет показали, что с 1959 по 1984 год,
количество углекислого газа в атмосфере возросло.
За десятилетие 1970...80 гг. повышение температуры земной
поверхности составило 0,3oС. В последующие десятилетия
прогнозировался рост температуры на несколько градусов.
Реальное повышение температуры происходит несколько медленнее.
Однако, в будущем потепление может стать причиной глобального
экологического бедствия -- привести к таянию полярных льдов,
повышению уровня и затоплению прибрежных территорий мирового
океана. По предварительным оценкам таяние полярных "шапок"
Земли приведет к повышению уровня мирового океана на 6 метров.
Топливные ресурсы Земли
После нефтяного кризиса 1973...74 годов в развитых странах
серьезно задумались об экономии природного топлива. С той поры
начался интенсивный поиск энергосберегающих технологий --
конструирование экономичных двигателей, электростанций и пр.
В результате потребности в топливе а, соответственно и
цены на него, не только стабилизировались, но даже снизились.
Изменились, став более оптимистичными, прогнозы относительно
природных топливных запасов.
К примеру, прогнозы не учитывают гигантские резервы
газовых гидратов (газовые гидраты -- газы, связанные с водой в
зонах вечной мерзлоты и на дне морей). Но даже если этот
сырьевой источник не брать в расчет, то имеющихся ресурсов, при
незначительном замещении нефти углем и газом, вполне
достаточно, чтобы обеспечить уверенное энергетическое
обеспечение человечества до конца следующего столетия. Так что
в обозримом будущем природные ресурсы смогут успешно
конкурировать как с еще только осваиваемым водородом, так и с
синтетическими видами топлива. Цифры, приводимые на рис. p065,
показывают в каком соотношении используется ископаемое топливо
[3].
Имеющиеся в нашем распоряжении источники энергии мы
используем в высшей степени нерационально. Человек вынужден
неоднократно преобразовывать один вид энергии в другой пока
окончательно ее не использует.
Каждое преобразование сопровождается потерями части
энергии. На электростанциях из топлива получают тепловую
энергию, используемую для производства пара. Пар, в свою
очередь, приводит в движение турбины. Теперь уже механическая
энергия, которая передается генераторам, преобразуется, в
конечном счете, в электроэнергию. При использовании
электронагревательных приборов полученная многократными
преобразованиями и поэтому дорогая электрическая энергия
превращается вновь в тепловую. В результате из всей получаемой
энергии мы реально потребляем не более половины, остальная
безвозвратно теряется.
Потери тепловой энергии на первой ступени не позволяют
получить КПД выше 40%. Отработанное тепло попадает в водоемы и
нарушает в них биологическое равновесие. Тепловые
электростанции сжигающие уголь день и ночь выбрасывают в
атмосферу тонны соединений углерода (ежегодно в атмосферу
выбрасывается около шести миллиардов тонн углерода [3]) и серы.
Последние вступают в химическую реакцию с влагой, содержащейся
в воздухе, образуя кислоты разъедающие сталь и мрамор и, что
намного хуже, разрушающие наши легкие.
В сравнении с традиционными паротурбинными
электростанциями, ТЭЦ и котельными более эффективна газовая
микроэнергетика. Малые установки позволяют вырабатывать
необходимое количество энергии в соответствии с текущими
потребностями в непосредственной близости от потребителя. Они
обладают высокой надежностью и малоинерционны. Стоимость
оборудования на киловатт мощности вдвое ниже, чем на крупных
ТЭЦ.
Важное преимущество газовой микроэнергетики --
маневренность. Изменить электрический режим можно за секунды,
тепловой режим -- за минуты, вместо многих часов изменения
режима в обычных тепловых сетях. Практическая нерегулируемость
сегодняшних тепловых источников с длинными сетями приводит к
перерасходу энергии: когда зимой потеплеет и мы открываем окна,
выбрасывая избыток тепла на улицу.
Отметим еще одну деталь: за все потери в энергетике, в
конечном счете, платит потребитель.
Нефть -- источник энергии и сырья
Долгое время нефть не находила применения как топливо и
сырье. Только в начале ХIХ века из "земляного масла", как ее
тогда называли, стали выделять очищенные продукты. Прежде
всего, научились получать керосин и бензин. Керосин нашел
применение сразу с появлением керосиновой лампы. Судьба бензина
оказалась более сложной. На протяжении почти ста лет эта
легковоспламеняющаяся жидкость была одним из опаснейших отходов
нефти.
Бензина с каждым годом становилось все больше и от него
все труднее было избавляться. К началу ХХ века вес
уничтожаемого бензина исчислялся сотнями тысяч тонн в год.
Объявлялись конкурсы -- кто найдет лучший способ уничтожения
отходов. Только изобретение двигателя внутреннего сгорания
открыло реальную область применения бензина [4].
Нефть содержит до 50% мазута, который также не находил
применения. В настоящее время из него изготавливают смазки и
сжигают в специально разработанных топках котлов.
Месторождения нефти на материках, которые могут быть
освоены отработанными методами, давно и хорошо известны. Их
эксплуатация идет полным ходом.
На протяжении многих лет специально оборудованные суда,
ведущие разведку нефти, тщательно исследуют морское дно.
Геологи связывают свои надежды, прежде всего, с шельфом (шельф
[англ. shelf] -- подводное продолжение материка, до глубины 200
м) -- дном мелководных морей, омывающих все без исключения
части света.
В морях, которые глубоко вдаются в материки, шельфовые
зоны сравнительно велики, поскольку вокруг лежит суша. Берега в
таких местах, как правило, омываются мелководьем.
Наиболее перспективное шельфовое море -- Северное.
Сейсмическое зондирование и контрольное бурение показало, что
под его дном находятся несколько десятков нефтяных
месторождений. Согласно оценкам, суммарные разведанные запасы
нефти в Северном море достигают 1,5 млрд. т. Это в семь раз
превышает запасы нефти на Европейском континенте.
Специалисты полагают, что до сих пор разведана около 1/3
нефти. Кроме нефти под дном Северного моря обнаружено около 50
газоносных месторождений.
В связи с этим становится понятной дальновидность
построения морских терминалов, например, в Одессе. Нефть нужно
переработать. При этом получают не только топливо, но и сырье.
Газификация угля
Кроме непосредственного сжигания уголь может
использоваться как сырье для получения синтетического газа.
Первые опыты по газификации угля относятся к концу ХVIII века.
В 1782 году Ф. Фонтана сообщил о наблюдавшейся им реакции
образования "горючего газа" при пропускании водяного пара через
раскаленный уголь.
Опыты по получению газа для освещения проводились в Англии
в начале ХIХ века. В 1831 г. Дж. Лоу предложил сжигать уголь в
атмосфере воздуха, а затем газифицировать пропуская через него
водяной пар. В 1840 г. был построен первый газогенератор. В
1854 г. -- зарегистрирован первый патент на технологию
газификации угля в промышленных масштабах.
Рост доли промышленного использования в энергетике нефти и
природного газа сделал процессы газификации угля
конкурентоспособными. Энергетические компании снова обратили на
него внимание в период энергетического кризиса 1973...74 гг.
Производительные технологии разработаны в начале ХХ века.
Известен метод газификации угольной пыли, предложенный
Винклером, в начале 20-х годов. Фирма "Лугри" разработала
технологию получения газа, обладающего высокой теплотворной
способностью, с использованием кислорода и водяного пара под
давлением.
С точки зрения экологии любые виды газификации угля только
увеличивают вредные выбросы. При сжигании выбросы окислов серы
и азота остаются велики даже при очень дорогостоящих очистных
сооружениях, а выбросы основного продукта сгорания --
углекислого газа -- неустранимы.
Если теплоэлектростанции наряду с уловителями золы и
очисткой сточных вод оборудуются установками для серо- и
азотоочистки, то они, безусловно, дорожают. Расчеты показывают,
что энергия угольных ТЭЦ обойдется вдвое дороже газовых.
Таким образом, представляется, что для энергоснабжения
экономичнее использовать природный газ.
Газовая микроэнергетика
Газ -- наиболее эффективный вид топлива. Природный и
попутный горючий газ состоит из углеводородов с примесью азота,
углекислого газа, сероводорода и в небольших количествах аргона
и гелия. В его состав входит 40...80% метана и пропана,
20...60% бутана, пентана и высших углеводородов, а теплотворная
способность достигает 4,19 кДж/кг.
Газ как топливо создает единственную экологическую
опасность -- токсичные окислы азота в продуктах горения. В
малых котлах их образуется в пять раз меньше (на единицу
вырабатываемой энергии), чем в больших. Кроме того, существуют
хорошо проверенные простые методы дальнейшего снижения окислов
азота в выбросах путем подмешивания части дымовых газов к
входящему воздуху, то есть с рециркуляцией или дожиганием.
Дожигатель монтируется на любую горелку и обеспечивает
медленное, с многократной рециркуляцией, вихревое движение
горящих газов дающее полное сгорание -- без сажи и при
минимальных количествах окислов азота. Этот метод используется
при сжигании не только природного газа, но и отработанного
машинного масла из автомобильных двигателей или резиновых
отходов и старых шин.
Малые энергоустановки на базе двигателей внутреннего
сгорания на газовом топливе (или газовых турбин),
турбогенератора и котла-утилизатора для комбинированной
выработки электроэнергии и тепла представляются реальной
