Размышления над тремя "Э"

Президент Римского клуба - неправительственной организации, созданной известными учеными, промышленниками и общественными деятелями западных стран, интересующимися прогрессом и путями развития человеческого общества, - Аурелио Печчеи в книге «Человеческие качества» отмечал, что в настоящее время «буквально все достигло небывалых размеров и масштабов: динамика, скорости, энергия, сложность и наши проблемы тоже». Особое место в этом перечне занимает энергия, без достаточного количества которой немыслим дальнейший прогресс человечества. Поэтому можно согласиться с теми специалистами, которые считают, что сохранение качества среды обитания человека и снабжение энергией - равноценные проблемы. К тому же они в значительной мере связаны между собой.
Однако, как это часто бывает в жизни, специалисты, решающие одну проблему, достаточно часто игнорируют другую. В минувшее десятилетие имели явный перевес сторонники защиты окружающей среды. Теперь положение изменилось. Энергетический кризис, с особой силой разразившийся на Западе, привел к тому, что энергетические вопросы заняли главенствующее положение, и защитникам среды пришлось во многих случаях отойти с занятых позиций. Часто энергетические вопросы рассматриваются без учета того, как энергопроизводство влияет на природную среду. По-видимому, пришла пора и энергетикам, и защитникам среды сесть за один стол и наметить рациональные пути решения общих проблем. Разумеется, в основе такого подхода должна лежать меньшая эмоциональность и большая объективность, базирующаяся на научно обоснованных рекомендациях.
Ситуация, сложившаяся к настоящему времени в мировой энергетике, невольно столкнула интересы одиннадцати направлений производства энергии. Специалист каждого направления усиленно подчеркивает достоинства своего направления и недостатки других. Как тут не вспомнить Козьму Пруткова, авторитетно утверждавшего, что специалист флюсу подобен, так как его полнота одностороння. Сейчас уже очевидно, что основной упор при разработке энергетических ресурсов должен быть сделан на их многоцелевое использование.
Авторы, не энергетики по специальности, занимаясь вопросами окружающей среды и прикладной экологии, рассматривают энергетическую проблему - в том числе и экономическую ее часть - с собственных позиций, под углом экологических лимитов и ограничений. С нашей точки зрения, наиболее важными представляются два вопроса:
Какое количество энергии необходимо человеку, чтобы ущерб окружающей среде был минимален?
Каким должно быть энергопроизводящее хозяйство?
По данйым 11 конгресса Мировой энергетической конференции (МИРЭК), состоявшейся в сентябре 1980 года в Мюнхене, в 1979 году мировое производство первичной энергии достигло 9,7 • 10s тонн условного топлива. В 1980 году это производство превысило десять миллиардов тонн, или 7-10' килокалорий. Долгосрочные прогнозы - дело рискованное. Но, к счастью, к моменту реализации их обычно преспокойно забывают и голов прорицателям, как древним оракулам, не рубят. Прогнозов теперь - пруд пруди. На двухтысячный год предсказывают мировое энергопроизводство в размере 25-30 миллиардов тонн условного топлива, что в два с половиной - три раза выше современного, или скромнее - лишь в два раза, и совсем скромно - в полтора раза (до 15 миллиардов тонн). Много это или мало и какова структура энергопроизводства?
Хотя резервов нефти, природного газа и энергии рек при существующем росте их использования осталось на считанные десятилетия, общие энергетические ресурсы, даже исключая солнечную энергетику, пока практически можно считать неисчерпаемыми. Перспективы развития атомной и особенно термоядерной энергетики делают это утверждение еще убедительнее.
Структура энергетики в ближайшее время несколько изменится. По оценке одиннадцатого конгресса МИРЭК, она в 1979 году была такой: 46 процентов - нефть, около 30 процентов - уголь, 20 процентов - природный газ, 2 процента - гидроэнергия, 1 процент - ядерное топливо и еще 1 процент - все остальные виды энергии. На ближайшее будущее доля ядерного топлива прогнозируется на уровне 2 процента, но поклонники АЭС приводят большие числа. Все согласны с тем, что доля нефти в энергопроизводстве к концу века не будет превышать 35-37 процентов. Впрочем, среди трех тысяч участников одиннадцатого конгресса МИРЭК нашлась группа из семнадцати человек, которая заявила, что все эти выкладки лишены какого бы то ни было основания и что в двухтысячном году 70 процентов мирового энергопроизводства будут составлять так называемые альтернативные источники энергии - солнечная, ветровая, геотермальная, биомассы и т. д. Мнение меньшинства отнюдь не всегда ошибочно. Разве большинство веками не думало, что Земля - центр Вселенной? И никаких сомнений! Однако и убежденность меньшинства не всегда истина...
Осталась еще первая часть вопроса: много или мало производится энергии в настоящее время? Энергетики говорят: мало, всего каких-то 0,03 процента от того количества ее, что дает солнечная радиация, достигающая Земли. Специалист в области энергетики биосферы сказал бы: очень много, столько же. сколько дает вся энергия фотосинтеза растений Земли (0,023 процента по отношению к приходящей к планете энергии светила). Будем умеренными и не станем сравнивать разновеликие показатели. В любом случае, при самом осторожном прогнозе к 2000 году человеческая энергетика почти сравняется с энергетикой живой природы.
И вот тут разрешите не согласиться со всеми уважаемыми энергетиками - ни с большинством, ни с меньшинством. Деление энергетических источников нужно проводить не по грани традиционные - альтернативные, а по принципу добавляющие и не добавляющие энергию в атмосферу приземных слоев. Имеются в виду источники, производящие энергию с определенными потерями тепла и вещества (в виде отходов, выбросов и сбросов),- например, тепловые электростанции на угле при производстве энергии выделяют в окружающую среду тепло, в частности вместе с охлаждающей водой, и пыле-газовые выбросы, в том числе сернистый газ. Энергетика земной биосферы достигла той величины, которую она имеет, не случайно. Ее размерность отработана в ходе миллионов лет эволюции планеты. И значительное увеличение выработки энергии при помощи любых источников, прямо не использующих уже фактически имеющуюся у поверхности планеты солнечную энергию, чревато очень серьезными последствиями для биосферы и жизни людей.
Факт остается фактом: за последние пятьдесят лет частота засух возросла в восемь раз, в два раза - повторяемость циклонов. В США подсчитано, что ряд необычных зим, наблюдавшихся там в последние годы, имеет естественную вероятность одного случая на десять тысяч, и у многих исследователей не остается сомнений в том, что эти аномалии порождены человеком. Скорее всего, по принципу «спускового крючка» (триггерный эффект). Ведь предполагают, что многократное учащение торнадо в США - результат завихрений воздуха между быстро мчащимися автомобилями. Возникает нечто вроде «центров кристаллизации» торнадо. Общее воздействие несолнечной энергетики на энергетический баланс планеты к двадцать первому веку оценивается в один процент от поступления солнечной энергии. (Сюда входит широко известный «тепличный» эффект, изменение плотности озонового экрана и другие воздействия. Не лишне напомнить, что вся толща Земли аккумулирует и рассеивает лишь два процента энергии, поступающей от светила. При этом наблюдаются значительные и долговременные аномалии. Шутить с такими показателями не рекомендуется.
Перейти биосферный лимит использования несолнечной энергии можно, но, по-видимому, дорогой ценой. А такой же лимит использования «чистой» солнечной энергии для планеты оказывается на три порядка выше того количества энергии, что производится сейчас, но это уже окончательный предел для планеты.
Суть ясна: человечество располагает неисчерпаемыми энергетическими ресурсами, но биосфера может выдержать лишь ограниченную энергетическую нагрузку. Поэтому человечество должно соизмерять свои потребности с возможностями биосферы. И первый порог для него - по подсчетам - удвоенное по сравнению с нынешним производство энергии несолнечными источниками. Второй порог - по освоению чисто солнечной энергии - очень высок и пока дает простор для действий.
До сих пор новые энергетические начинания, в том числе в области гелиоэнергетики, как волны, накатывались и отбегали назад от гранитной скалы, именуемой экономикой. Но вода камень точит. Рушат энергетические волны и гранит экономики.
Классическая экономика энергополучения зависит от места, где энергия производится, и времени, когда она производится. Например, в Англии средняя стоимость электроэнергии 2,7 пенса за один киловатт-час. Использование энергии морских волн дает электричество по цене 4,5-8 пенсов. По сравнению с гидроэнергией (0,31 пенса) это очень дорого, но вздорожавшая нефть привела к росту стоимости одного киловатт-часа, получаемого на ТЭС, до 7,14 пенса. Производство энергии на АЭС дешевле, чем на ТЭС, но удельные капитальные затраты на строительство АЭС выше в полтора раза. Кроме того, срок жизни атомных электростанций достаточно короток (в расчетах - тридцать лет), что также сказывается на экономических показателях.
Строительство, эксплуатация, перевозка энергоносителя, образующихся отходов производства и демонтаж установки сами по себе требуют довольно больших энергозатрат. Ведь в сумму затрат, как и в чисто экономический расчет, следует включать и расходы на переработку отходов или ущерб от их воздействия на окружающую среду (а то и просто от эксплуатации станции).
Видимые преимущества имеют существующие ТЭС и ГЭС. Но тут вмешивается так называемая «экологическая цена» - расходы на защиту среды. У ТЭС она составляет только на десуль-фуризацию топлива (удаление из него серы) половину от амортизации капитальных затрат на каждый киловатт-час энергии и нередко превышает затраты на саму закупку топлива. ГЭС вызывает массу экологических проблем - от усиленного испарения воды с водохранилищ до «рукотворных» землетрясений.
Много проблем и с отходами, особенно радиоактивными. Подумывают о заброске их в космос. Сейчас такая отправка обошлась бы около 1500 долларов за килограмм, но возвращающиеся космические корабли могут ее цену снизить до двадцати - пятидесяти долларов. Цена приемлемая, но к чему приведет удаление радиоактивных отходов в космос?
Загрязнение среды - физическое и химическое, в том числе шум, вторичные эффекты и вторичный ущерб (дешевая энергия ГЭС обошлась во многих местах оскудением рыбных богатств), невысокая энергетическая эффективность, дороговизна - отнюдь не все болезни современной энергетики. Еще одна - пространственная и материальная неэкономичность. Большинство энергоисточников, использующих минеральное сырье, требует буквально перелопачивания всей планеты. Причем традиционные представления тут вновь рушатся, прежде всего, когда полностью учитывается цикл: строительство, эксплуатация (включая топливо), переработка отходов (в том числе захоронение их), демонтаж.
Итак, наилучшие перспективы на ближайшие четверть века имеют устройства по использованию энергии морских течений, ветра и Солнца. Но и тут есть ограничения. Медленно вращающиеся гигантские морские турбины должны быть относительно дешевы, устойчивы против коррозии и обрастания водорослями, а солнечная энергетика должна еще излечиться от дороговизны и малой эффективности. Ветроэнергетика имеет «врожденный порок» - шум-ность. Электростанции, использующие разность температур поверхностных и глубинных слоев воды, кроме лечения прочих изъянов, требуют замены употребляющихся в них фреонов менее опасными для природы веществами.
Есть три принципиальные возможности для преобразования солнечной энергии, поступающей на Землю: фототермическое направление, фотоэлектрическое и фотохимическое. Первое заключается в прямом преобразовании «свет - тепло». Получаемая в этом случае тепловая энергия может быть «низкого» или «высокого» качества. Энергию «низкого» качества используют, например, в Швеции, где отопление солнцем домов позволяет заметно сократить использование для этих целей традиционного топлива. Опытный экземпляр «солнечного» домика создан институтом «Армгипросельхоз» совместно с Институтом высоких температур АН СССР. В таком домике экономится около 50 процентов обычного топлива.
Тепловая энергия «высокого» качества получается на гелиоустановках. Ее используют для специальных целей - для преобразования в электричество либо для нагревания «солнечных» печей, в которых можно получать новые материалы. Один из проектов солнечной электростанции (СЭС) - Крымской - это установка на семидесятиметровой башне парогенератора (парового котла). Солнечные лучи посредством 1600 зеркал общей площадью 40 тысяч квадратных метров нагревают воду до кипения, пар приводит в действие турбину, а она дает ток. Вообще уже признано целесообразным в областях с высокой интенсивностью солнечной радиации создавать подобные СЭС для улучшения энергоснабжения многочисленных рассредоточенных потребителей, прежде всего сельских. Фототермическое преобразование солнечной энергии позволяет создать установки по опреснению воды в пустынных и засушливых районах.
В основе фотоэлектрического направления использования солнечной энергии лежит фотоэлектрический эффект, то есть высвобождение электронов под действием солнечного света. Приемниками солнечного излучения в фотоэлектрических установках служат полупроводниковые элементы, теоретически их КПД достигает 20 процентов. «Солнечные» батареи уже используются в опытных образцах гелиоавтомобилей, «солнечных» самолетов, в гелиокухнях.
При фотохимическом преобразовании солнечного излучения используется распад молекул, поглотивших солнечную энергию. Фотохимическому преобразованию - основе энергетики зеленых растений - обязана своим существованием жизнь на Земле. Ныне созданы опытные образцы установок по производству зеленой водоросли - хлореллы, идущей на подкормку скоту. Живые фотохимические преобразователи энергии - возможная основа для эффективной технологии получения водорода. А перспективы использования его в качестве топлива весьма заманчивы. И в этом случае производство водорода оказывается способом консервации солнечной энергии. Но водородная энергетика еще ждет глубокого революционного преобразования.
Как же быть? Выход только один - «многоцелевое» использование энергетических ресурсов. В известной мере это синоним понятия «безотходная технология», но применительно к энергии. Нет «бросовой» энергии. Даже энергия худшего качества - отработанная тепловая - может быть в конечном счете использована. Поэтому многие проекты в настоящее время предусматривают доведение энергетических потерь (энергетических «отходов») до минимума. Предполагалось, в частности, что к концу 1981 года в Вене будет построено экспериментальное здание, полностью обогреваемое теплым воздухом столичного метро. Это позволит сэкономить за год 8 тонн топлива.
«Многоцелевое» использование предусматривает разумное уменьшение энергоемкости всех хозяйственных процессов, создание энерготехнологических и энергоаграрнотехнологических комплексов, своеобразных «кентавров», которые не только бы потребляли, но и производили энергию.
Анализ потребителей энергии позволяет достаточно обоснованно свести их к четырем основным группам: промышленность, транспорт, сельское хозяйство, бытовые объекты.
В первом приближении можно считать, что энергетические потребности каждой группы равны. Однако они предъявляют различные требования к качеству необходимой энергии. Промышленность основывается, как правило, на энергетике большой мощности, а развитие такой энергетики, как указывал академик П. Капица, лимитируется плотностью потока энергии, или, другими словами, количеством энергии, снимаемой с единицы поверхности энергопроизводящего оборудования. Нужную ее плотность наряду с традиционными энергетическими источниками могут дать только атомная и термоядерная энергетика (при существующих типах промышленного производства). Но транспорт, сельское хозяйство и бытовые объекты (а на их долю приходится примерно три четверти всего энергопотребления) могут основываться на «малой» энергетике. И это значит, что мировая энергетика в силах отказаться от узкого спектра источников, ныне определяющих ее стратегию, и перейти ко многим другим, дополняющим друг друга.

Н. Реймерс, доктор биологических наук И. Роздан, кандидат химических наук