8.5. Энергоресурс будущего - Реинжиниринг окружающей среды - Сусуму Сато, Хиромицу Кумамото

     Как говорилось  в главе 7,  уже в 2000 году, согласно  R/P. Соотношение

нефти  станет 15:1,  и  после  этого потребление  нефти  должно  значительно

уменьшиться.  Переход на использование угля вместо нефти проблематичен, если

принимать  во  внимание проблемы  загрязнения окружающей среды. Более  того,

меры по строгому энергосбережению могут продлить срок  использования нефти и

природного газа всего на 100 лет, а добычи угля на несколько сотен лет.

     8.5.1. Отказ от двигателей внутреннего сгорания

     Вице-президент А.  Гор недавно выступил  со "Стратегической Инициативой

по охране  окружающей среды (SEI)", в которой говорится, что  "..должна быть

учреждена   всемирная  программа  по  исключению   использования   двигателя

внутреннего сгорания  в течение следующих 25  лет".  Он  заявил,  что  более

эффективные  автомобильные  двигатели   могут  продлить  срок  использования

нефтяного ресурса, но этого будет недостаточно.

     _По мнению Всемирного института наблюдения, возглавляемого  Лестером Р.

Брауном, "некоторые страны и международные организации, которые поддерживают

политику  моторизации,  стали  отмечать,  что  устойчивое  развитие  средств

передвижения будет невозможным, если ориентироваться только на автомобильный

транспорт".   Поэтому   институт  рекомендовал  перейти   от  автомобилей  к

велосипедам, как это имеет место в Китае.

     Очевидно,  что  современные  системы  транспортировки  требуют  чего-то

иного, нежели автомобиль. Вице-президент Гор и Всемирный институт наблюдения

предлагают  увеличить  использование  общественного транспорта. Трамваи,  не

вырабатывающие выхлопных газов, имеют возможность транспортировки, в 30  раз

превышающие  возможности  автомобилей.   Точно  так   же   автобус  обладает

вместимостью, превышающей  вместимость легкового  автомобиля в  15 - 20 раз.

Метро  и  высокоскоростные железные  дроги  между городами  требуют  больших

начальных капиталовложений (включая энергозатраты), чем  автомобили.  Однако

это  сети  имеют  гораздо большие  мощности и в  конечном счете  существенно

экономят энергию.

     _Воздушные перевозки должны  быть сведены к минимуму. Кроме того, нужно

рассмотреть более широкое  использование  судоходства.  Например,  воздушная

транспортировка свежего тунца  из Индии в Японию -  не что  иное, как пустая

трата энергии.

     8.5.2. Нецелесообразное использование ядерной энергии

     Трамваи,  метро  и  железные  дороги   требуют  электричества,  которое

вырабатывается   посредство   массового   потребления   конечных   продуктов

переработки  органического топлива. К  сожалению,  как описано  в  главе  7,

ядерная энергия  (водяные реакторы. Ядерные  реакторы на быстрых нейтронах и

гибридные термоядерные реакторы) не могут заменить ископаемое топливо.

     8.5.3. Типы солнечной энергии

     Солнце  -  перспективный  источник  энергии.  Генерация  гидравлической

энергии может рассматриваться как использование потенциальной гидравлической

энергии,  которая поступает от  Солнца чрез  испарения  и дожди.  Фотосинтез

растений  также зависит  от энергии Солнца. С этой точки  зрения  ископаемые

топлива являются видами накопленной энергии, полученной от Солнца. Солнечные

батареи  на  кремниевых  полупроводниках  преобразуют  солнечную  энергию  в

электричество.   Солнечные  устройства  выработки  тепловой  энергии   также

используют  энергию Солнца.  Природные климатические  энергии типа  ветра  -

также пример  использования солнечной энергии. Редким  исключением  являются

океанические приливы и отливы (источник  - Луна)  и земное тепло (источник -

Земля).

     _Большинство источников энергии на  Земле  получают  энергию от Солнца.

Общая величина солнечной энергии, достигающей  Земли, приблизительно в 20-30

раз превышает ежедневное потребление энергии во всем мире, что составляет 22

миллиона  тонн  в  пересчете  на  нефть.  Небольшой  процент  этой  огромной

солнечной   энергии   моет   удовлетворить   потребности  в   энергии  всего

человечества.  К сожалению, использование  солнечной энергии затруднительно,

поскольку  ее плотность на единицу площади мала, и она  может использоваться

эффективно только с помощью ее накопления.

     8.5.4. Использование гидравлической энергии

     Гидравлическая электростанция преобразует потенциальную  энергию воды в

кинетическую   энергию,   которая   вращает   турбину,   чтобы    произвести

электричество.  Потенциально с  помощью гидравлической  энергии  может  быть

получено  3 миллиарда киловатт  электрической  энергии, но в настоящее время

используется  менее чем 10%.  К  сожалению, даже полное  использование  всей

потенциальной гидравлической  энергии может  обеспечить только третью  часть

мировой  потребности  в энергии. Иван  Иллич предложил  населению в развитых

промышленных   государствах   распроститься  с   синдромом   энергетического

токсикоза. От 9 до 10 миллиардов киловатт энергии могут стать ненужными  при

строгом энергосбережении или  при  организации  общества замкнутого цикла. В

этом случае даже существующая гидравлическая  энергия смогла  бы  обеспечить

значительную часть энергопотребления.

     _Расширение   использования   гидравлической   энергии   столкнется   с

трудностями  при  транспортировке  электричества  из  отдаленных   регионов,

поскольку  доступные   гидравлические  источники  располагаются  далеко   от

населенных  районов.  Электрическая  энергия  может  быть  преобразована   в

химическую энергию типа водородной  энергии. Однако,  несмотря на  улучшение

хранения  и  транспортировки  преобразованной  энергии,  все  еще  останется

множество   проблем.    Во-первых,   газообразный   водород   огнеопасен   и

взрывоопасен,  а  также летуч.  Во-вторых, в условиях  высокой температуры ы

высокого  давления  газообразный водород вызывает  сильную коррозию стальных

металлов. В-третьих, жидкий водород, подобно  другим жидким  газам, вызывает

ломкость  стали  при  низких  температурах.  По этим  причинам  водород  как

вторичный источник энергии требует строгих мер по обеспечению безопасности.

     _Электрическая  энергия  обычно  преобразуется  в  химическую  энергию,

заключенную в аккумуляторных батареях. Эффективность работы батарей низка, и

электрические  автомобили,  которые  в   настоящее  время  используются  для

ограниченных целей, не могут заменить автомобили с  двигателями  внутреннего

сгорания. Электрические автомобили выживут,  если  автомобили с  двигателями

внутреннего сгорания будут запрещены по причине истощения запасов нефти.

     _Гидравлическая  энергия  может  легко  использоваться без  какого-либо

загрязнения воздуха.  Однако существует  возможность  разрушения  окружающей

среды при строительстве дамб, при выходе их из строя, а также риск понижения

уровня  воды ниже по  течению и  ухудшения окружающей среды  из-за скопления

песка.

     _Возможно, лучше  строить большое количество  небольших  гидравлических

электростанций,  чем  небольшое  количество больших  станций. В  этом случае

могут  быть  использованы  более мелкие  источники  гидравлической  энергии,

которыми  сейчас  пренебрегают.  Чтобы  создать   сеть  таких  гидростанций,

существующая  электроэнергетическая  система  с  ее  огромными  станциями  и

обширной сетью  должна быть преобразована  в электроэнергетическую систему с

маленькими станциями и локальными сетями.

     8.5.5. Использование энергии биомассы

     Биомасса определяется как общая живых организмов, существующих в данной

области   [3].  Вырубка   леса  как   вид  получения  топлива,  может   быть

рекомендована,  если  подобная  деятельность  не  разрушает  лес.  Например,

сосновые леса  в Японии были созданы искусственно. Химикаты для  уничтожения

насекомых  распыляются среди  сосен,  что  недопустимо.  Искусственные  леса

требуют бережного ухода, например, подрезания веток. Японские сосны погибают

именно из-за  отсутствия  такого ухода, а  не из-за  насекомых.  А срезанные

ветки деревьев могут использоваться в качестве топлива.

     _К  сожалению,  ветки  деревьев  в Японии  не  используются, они просто

сжигаются в установках для сжигания отходов или выбрасываются как мусор; это

совершенно противоположно ситуациям  в странах третьего мира.  Использование

газообразного   топлива   и   электричества   для   приготовления   пищи   и

кондиционирования воздуха в конечном счете исчерпает себя.

     _Большое  количество  энергии  потребляется  заводами  по  производству

химических  удобрений,   где  ежегодно  производится  230000  тонн   азотных

удобрений с помощью процесса искусственного синтеза. То  же самое количество

удобрения  может  быть  получено   в   результате   традиционного   процесса

биоферментации органических и хозяйственных  отходов.  Этот процесс  требует

наличия   большого  количества  мелких   заводов,  производящих   химические

удобрения  (от   20000  до   30000   заводов  вместо   одного   современного

технологического предприятия),  и  приблизительно в 130  раз больше  рабочей

силы. Современный завод по производству  удобрения использует 100  миллионов

киловатт-часов  энергии, в то время как обычные предприятия  производят 6,35

миллиардов  киловатт-часов энергии форме  метана  и  т.д.  Современный завод

использует органические топлива и выпускает в  атмосферу  вредные газы  типа

CO2, в то время как обычный процесс  не загрязняет окружающую  среду.  Малые

заводы могут располагаться в сельской  местности, не требуя,  таким образом,

никаких транспортных средств.

     _В развитых странах хозяйственные сточные воды спускаются в канализацию

вместе с экскрементами, которые перерабатываются центральным предприятием по

сбору  сточных вод.  Эта  система  бесполезно  расходует большое  количество

энергии. Бытовые экскременты из фановых систем могут быть использоваться для

производства топлива, подобного метану, и органических удобрений при условии

меньшего использования в них синтетических моющих средств.

     8.5.6. Использование солнечной тепловой энергии

     Вода  может  нагреваться,   циркулируя   по  трубам,  изготовленным  из

материалов,  поглощающих  солнечную  тепловую  энергию.  Теплая  вода  может

использоваться  для  кондиционирования  воздуха   и  в  душевых  установках.

Использование   этого   типа   системы   целесообразно    с   точки   зрения

энергетического  баланса  в  областях  низких  и средних  широт,  даже  если

солнечная энергия доступна  в среднем только  6 часов в  день.  Эта  система

может  работать  24  часа,  если  тепловая энергия  сохраняется  в подземных

резервуарах.

     _Параболический  световой  конденсатор солнечной  печи  в  Пиренеях  во

Франции получает  температуру 3300  градусов  по  Цельсию,  намного превышая

температуру, необходимую  для  плавки металлов  (от 500 до 1400 градусов  по

Цельсию).  Проблемой   светового  конденсатора  этого  типа   является   его

энергетический  баланс.   С  другой  стороны,   обогрев  помещений   требует

температуры  воды,  равной  всего  20-30  градусов  по  Цельсию;  охлаждение

помещений требует всего 80-90 градусов по Цельсию  и горячее водоснабжение -

от  40  до  70 градусов  по  Цельсию.  Таким образом, нагрев воды с  помощью

солнечной энергии более практичен.

     8.5.7. Полупроводниковые солнечные батареи

     Эффективность солнечной полупроводниковой батареи была улучшена на 22%.

Солнечная  энергия  в солнечный день доступна  всего  в течение 6  часов,  и

эффективность ее использования уменьшается до 5,5%. Допустим, что облачный и

дождливые дни составляют половину каждого года. Эффективность падает до 2,75

%. Частицы  пыли,  собирающиеся  на поверхности батарей, добавляют еще  одну

проблему  для  этой эффективности. Более того, эффективность уменьшается еще

на   1-2  %  в  результате  потерь  в  устройствах  выработки  энергии  типа

преобразователя   постоянного   тока   в   переменный   ток.   Эта  величина

соответствует эффективности использования солнечной энергии (1,2 %) сахарным

тростником и зерновыми культурами.

     _Предположим,   что  10   граммов   кремневого   полупроводника   могут

вырабатывать 1 ватт  электроэнергии  и  что  производство  этого  количества

полупроводника требует 2 киловатт-часа  электроэнергии. Таким  образом,  это

потребление  энергии  может  компенсироваться  только  в  том  случае,  если

полупроводниковая батарея используется в течение 2000 часов. Если принять во

внимание 6-часовой световой день и  50% облачных или дождливых дней, энергия

будет  восстановлена в  течение 8000  часов  или одного года. Таким образом,

потребуется 2 года, чтобы продуцировать затраченную энергию, если  учитывать

потери в устройствах выработки электроэнергии.

     _Тепловая электростанция, использующая  нефтепродукты, может воссоздать

затраченную энергию в течение  нескольких месяцев, а скорость восстановления

солнечной батареи  очень низка. Вследствие этого получение электроэнергии  с

помощью солнечной батареи в несколько раз дороже,  чем посредством  тепловой

электростанции.  Солнечные  батареи  пока  вынуждены  оставаться  на  стадии

исследований, поскольку цены на нефтепродукты сравнительно низкие.

     _Поскольку  баланс  энергии солнечных  батарей  воссоздается через  два

года, их интенсивное использование начнется, когда цены на нефть  увеличатся

в связи  с  ее истощением.  Если использовать  солнечные  батареи в  течение

десяти лет . можно получить довольно значительный позитивный баланс энергии.

В  случае  подобного  использования  батарей  в течение  длительного периода

требуется уменьшение размеров  системы солнечных  батарей  для облегчения их

обслуживания.

     _Другой    тип    выработки    электричества   основан    на    решетке

фотоэлектрического  преобразования,  которая   генерирует  электричество  из

солнечных лучей, сконцентрированных в 6-10 раз. Эффективность этого метода в

два  раза выше эффективности обычных  солнечных батарей.  Кроме того, в виде

побочного  продукта  вырабатывается  газообразный  водород.  Для  этого вида

получения электроэнергии также предпочтительно наличие  большого  количества

мелких  станций,  производящих  от   нескольких  сот   до  нескольких  тысяч

киловатт-часов электроэнергии каждая, чем одной большой станции.

     8.5.8. Использование энергии ветра

     Использование  энергии ветра  вошло  в  практику  в  1980-х годах.  Это

жизнеспособный   источник   энергии,   поскольку   он   использует   энергию

климатических явлений. В настоящее время около 20000 ветряных электростанций

работают   по  всему   миру,  производя  в   целом  1,6  миллиона   киловатт

электричества.  Множество  электростанций  установлено в  Дании  и  в  штате

Калифорния, США. Территории, подверженные сильным ветрам, такие как Германия

и  Индия,  в  настоящее  время  рассматривают  вопрос  о  сооружении   таких

электростанций.

     _Подсчитано, что в случае  установки ветряных электростанций в Северной

Европе,  России  и  Северной  Африке  они  смогли  бы  выработать  суммарный

электрический  ток  величиной  1,5  миллиарда  киловатт-часов  к 2030  году.

Использование  энергии  ветра  коммерчески   целесообразно,  поскольку  один

киловатт-час выработанного электричества стоит всего 6-8 центов.

     8.5.9. Использование энергии тепла Земли

     Земное  тепло  - это также  жизнеспособный источник  энергии. Природный

пар,  нагретый  тепловыми  потоками  Земли,  выходит  на  поверхность  в тех

районах, где  сверлятся  скважины  до глубины от десятков  до  тысяч метров.

Электростанции, работающие от подземного тепла, разбросанные  по всему миру,

производят  5  миллионов киловатт-часов электричества  в  целом.  Этот метод

также  коммерчески  обоснован,  поскольку  один  киловатт-час  электричества

вырабатывается  всего за  4 -  8  центов. Подсчитано, что в случае постройки

большого   количества   электростанций,  работающих  от   земного  тепла,  в

соответствующих  регионах,   они   смогли  бы   выработать   0,2   миллиарда

киловатт-часов электроэнергии к 2030 году.

     _Существует множество местностей, где горячая вода с температурой от 50

до 80 градусов по Цельсию выходит на поверхность земли место  горячего пара.

Эта горячая вода может использоваться для кондиционирования воздуха.

     8.5.10. Электростанции, работающие на энергии приливов

     Периодические  явления  определенного  рода  вызываются  действием  сил

притяжения Луны и Солнца. В конечном счете энергия приливов и отливов мала и

составляет 60 миллионов киловатт-часов. Кроме того, стоимость выработки этой

электроэнергии  превышает стоимость  выработки тепловой электростанции более

чем в пять раз  из-за низкой скорости  регенерация энергии. Однако  скорость

регенерации  все же  намного больше чем единица,  и этим способом  получения

электроэнергии нельзя полностью пренебрегать, особенно в будущем.

     8.5.11. Резюме по использованию "природных электростанций"

     Некоторые  из "природный электростанций" (гидравлические,  использующие

биомассу,   солнечные,   ветряные,   земляные,   приливно-отливные  станции)

обходятся  дороже,   нежели   тепловые  электростанции   при  пересчете   на

производство   единицы   электроэнергии.   Однако   большинство    природных

электростанций  являются экологически  чистыми, так как они  не вырабатывают

вредных газов, сопутствующих работе  тепловых электростанций. Таким образом,

чтобы  увеличить  количество  видов  используемой  природной энергии,  нужно

ввести экологическую  составляющую  стоимости электричества, вырабатываемого

на  обычных  тепловых  электростанциях.  Соответствующая величина  стоимости

экологической   составляющей   должна   быть    определена    международными

организациями вроде Всемирного саммита.

     _Главным преимуществом природных электростанций по сравнению с крупными

тепловыми станциями является то, что их функционирование не может привести к

разрушению  окружающей  среды.  Предпочтительнее  небольшие  электростанции,

предназначенные  специально  для   данной  местности.  Сеть  этих  локальных

небольших электростанций  станет коммерчески обоснованной, когда  ископаемые

виды топлива будут почти полностью исчерпаны и цена  их возрастет. Множество

экспертов и методов  использования электростанций,  работающих  на солнечной

энергии,  были преждевременно прекращены исходя из коммерческих соображений.

Основным фактором является более высокий энергетический баланс, более чем 1,

а   сравнение   стоимости   электроэнергии,  выработанной  электростанциями,

работающими  на  органическом  топливе,  является  второстепенным. Стоимость

обычной электростанции  должна определяться с учетом величины ее воздействия

на окружающую среду.

     _Даже в том случае,  если  будут  развиваться  альтернативные источники

энергии,  а  число  обычных тепловых  станций будет  уменьшено,  современное

массовое энергопотребление  должно быть откорректировано.  Отмена  через  25

лет, по  мнению  вице-президента А.  Гора, двигателей  внутреннего  сгорания

приведет к изменению стиля жизни. Такое изменение образа жизни описывается в

следующем разделе.