Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Из истории мировой энергетики: легенды и были
Гуртовцев А.Л, к.т.н., Белорусский теплоэнергетический институт
Греческие истоки
Русское слово "энергия", английское "energy", немецкое "energie" - все они произошли от греческого "energeia", что означает "деятельность". Под энергией понимается применительно к человеку деятельная сила, настойчивость, решительность в достижении поставленной цели, а применительно к силам природы - общая мера различных видов движения и взаимодействия материальных объектов. Главные формы энергии - механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная. Закон сохранения энергии во всех ее превращениях из одной формы в другую - один из основных законов современного естествознания.
Не только многочисленная научная и техническая терминология, но и сами истоки современного естествознания и техники во многом кроются в необъяснимом "чуде" Древней Греции - мощном взлете философской, научной и технической мысли на протяжении второй половины первого тысячелетия до нашей эры. Достижения античных ученых и инженеров во многом предвосхитили открытия и изобретения, сделанные спустя почти два тысячелетия в эпоху промышленной революции, когда осуществился массовый переход от мускульной энергии человека и животных к главной движущейся силе техногенного развития современной цивилизации - "движущей силе огня и пара", образующейся на электростанциях и теплоэлектроцентралях при сжигании в их паровых котлах невозобновляемого органического топлива (торфа, угля, нефти, газа) и заставляющей вращаться паровые турбины и электрические генераторы.
Между тем первый тепловой двигатель - прообраз реактивной паровой турбины - описал и построил древнегреческий ученый Герон Александрийский (1 век н.э.), последователь александрийской школы математиков и механиков, у истоков которой стояли такие легендарные личности, как Архимед (287-212 гг. до н.э.) и его современник Ктесибий (механик-самоучка, изобретатель водяных часов, гидравлического органа, пожарной помпы, пневматического ружья), а также ученик Ксесибия Филон Византийский (автор "Механического синтаксиса" - 9-ти томной технической энциклопедии, которая на многие века вперед определила техническую терминологию в области механики и пневматики).
Энерготехническим шедевром многочисленных пневматических и паровых устройств, придуманных и построенных Героном, стал тепловой двигатель - "эолипил" (от греч. "эол" - бог ветра и "пилос" - шар; в те времена полагали, что при подогреве воды образуется не водяной пар, а воздух). Это был металлический шар с впаянными в него на противоположных полушариях открытыми трубками, концы которых загибались в противоположные стороны.В шар наливалась вода и подогревалась до кипения. Пар, выбрасывавшийся из трубок во время кипения, создавал реактивные силы, и шар вращался в трубчатых опорах. Герон в своих многочисленных трактатах ("Пневматика", "Метрика", "Об автоматах", "Механика" - многие из них сохранились благодаря арабским переводам) не только привел описания многочисленных известных и изобретенных им и Ктесибием приборов, но и дал теоретическое объяснение их принципов действия. В этих сочинениях Герона впервые, и в противоположность традиции умозрительной натурфилософии, изложен экспериментальный метод научного исследования и впервые были получены и использованы в реальных устройствах не существующие в природе искусственные силы сжатого воздуха и пара (новые формы энергии), были продемонстрированы возможности практического использования этих сил. Но все эти революционные достижения не привели к коренному изменению производительных сил тогдашнего общества, основанному на дешевой рабской силе и не нуждавшемуся в иных движителях. Новые принципы получения "движущей силы" - превращение тепла от сжигания топлива в механическую работу - оказались востребованы только через семнадцать столетий в эпоху промышленной революции на заре развития капитализма.
Существуют обоснованные предположения, что начальные знания древнегреческой цивилизации не появились спонтанно, "на ровном месте", а были переданы ее передовым представителям (Фалесу, Солону, Гераклиту, Пифагору, Платону и другим) их учителями с Востока и Египта, а тем, в свою очередь, они достались по наследству от еще более древних цивилизаций.
Электрические загадки древних цивилизаций...
Русское слово "электрический", английское "electrical", немецкое "elektrish" восходят к античному греческому "elektron", что означает "смола, янтарь". Термин "электрические силы" впервые введен в науку лейб-медиком английской королевы Вильямом Гильбертом (1544-1603) в своей книге "О магните, магнитных телах и о большом магните - Земля", которая вышла в Лондоне в 1600 году. Со времен античности было известно, что янтарь при трении способен притягивать легкие тела (об этом упоминал еще в 590 г. до н.э. Фалес - первый древнегреческий мудрец), но Гильберт первым стал исследовать аналогичные свойства у других тел и признал такое притяжение за новую особую силу природы, назвав ее по греческому названию янтаря "электрической силой". Через 186 лет после этого события итальянский врач и анатом Л. Гальвани, препарируя лягушек, обнаружил явление "животного электричества" и влияние разнородных металлов - меди и железа - на проявления этой силы, а еще через тринадцать лет, в 1799г. его соотечественник физик А.Вольта создал первый химический генератор электродвижущей силы - гальванический элемент (назван в честь предшественника, опыты которого дали Вольта толчок к исследованиям). В истории науки и техники именем Вольта названа батарея гальванических элементов - вольтов столб, электрический разряд между двумя электродами - вольтова дуга и единица напряжения - Вольт.
Но как часто история вновь и вновь возвращает нас к вечной философской истине, что "новое - это хорошо забытое старое"! Археологические раскопки 1936 года в древней Месопотамии (район Багдада) привели к находке странного предмета, который представлял собой 28-сантиметровый глиняный сосуд с расположенным внутри его медным цилиндром. В этом цилиндре, в свою очередь, находился обернутый асфальтовой прокладкой окислившийся железный брусок. Эксперименты с реконструированной находкой двухтысячелетней давности показали, что она является самым настоящим гальваническим элементом. Исследователи, заполнив сосуд на выбор местными доступными жидкостями с электролитическими свойствами - вином, морской водой, уксусом, получили электрический ток силой 0,5-5 mA и напряжением до 0,5 В. Объединяя такие элементы в батареи (вольтов столб), можно было еще 2 тысячи лет тому назад получать достаточно мощные источники тока, пригодные для практического использования (история упоминает о мистическом мастерстве ювелиров египетской царицы Клеопатры, умевших превращать обычные металлические изделия в золотые; в свете указанной находки мистика может быть заменена вполне реальным процессом золотой гальваностегии - покрытия металлов тонким слоем золота в электролитической ванне с гальваническими элементами ).
Еще более странную находку в конце двадцатого столетия обнаружили американские геологи в горах Калифорнии. В конкреции окаменевших раковин, которым было, по меньшей мере, 0,5 миллиона лет, оказался шестигранный керамический предмет со стальным тонким коррозированным сердечником. Все говорило о том, что эта находка является древнейшим электрическим изолятором или свечой зажигания...
Эти находки, а также некоторые иные исторические сведения, дошедшие к нам отрывками из бездны времени, свидетельствуют с высокой вероятностью о существовании когда-то более древней цивилизации, чем наша. Она достигла больших высот в развитии научных знаний и технологий, но была впоследствии уничтожена глобальным катаклизмом (такие катастрофы, как доказала современная наука, случались в истории планеты за 4,5 миллиардов лет ее существования неоднократно). От этой погибшей цивилизации, от отдельных выживших в глубокой древности ее представителей, ставших пророками и духовными прародителями нынешней, существующей последние 9-10 тысяч лет цивилизации, были получены в наследство наши базовые знания о мире, о Вселенной. С Востока, от жрецов древних халдейских и египетских храмов - хранителей тайных знаний, через античных греческих мыслителей, философов и ученых эти знания стали открыты и доступны новой западной цивилизации. Далеким эхом ушедшего времени до нас доходят и редчайшие археологические находки - материальные следы забытых и ныне заново открытых человеческих достижений.
Большой силовой кристалл Атлантиды ?
О существовании великой погибшей працивилизации под именем Атлантида, имевшей большие научно-технические достижения (в первую очередь в области энергетики), впервые открыто провозгласил древнегреческий мыслитель Платон (427-347гг. до н.э.) в двух своих философских диалогах "Тимей" и "Критий". В "Тимее" Платон от имени философа Крития рассказывает Сократу (учителю Платона) и двум другим участникам диалога предание, полученное от друга и родственника прадеда Крития - правителя Афин Солона (640-559 гг. до н.э.), которого древнегреческая традиция относит к первым семи мудрецам Греции. Солон посетил на склоне лет жрецов храмов богини Нейт в древних египетских городах Саис и Гелиополь, от которых и узнал о существовании погибшего царства.
Египетские жрецы рассказали Солону, что древние предания, записанные в храмовых папирусах, повествуют о существовании царства Атлантида, которое располагалось в Атлантическом море (тогда еще не существовало понятие океана) на огромном острове за Геракловыми столпами (Гибралтарским проливом) и с которого "можно было легко перебраться на другие острова, а с них - на весь противолежащий материк, который охватывал то море " (поразительно: за 2 тысячелетия до открытия Колумбом Америки египетские жрецы, а за ними и древние греки, знали о существовании континента за Атлантическим океаном - эта деталь придает их сообщению об Атлантиде особую достоверность). В результате природной катастрофы, случившейся, по словам жрецов, 9 тысяч лет назад, Атлантида исчезла, погрузившись в пучину. Платон, на мой взгляд, воспользовался фактом существования Атлантиды, но в своих диалогах по существу превратил факт в разукрашенную легенду, обосновывая на примере Атлантиды свои идеи об устройстве идеального государства и величии своей прародины - древних Афин, якобы существовавших во времена Атлантиды и боровшихся на равных с царством атлантов.
Пока прямых следов бытия Атлантиды не обнаружено (океан крепко хранит свои тайны), но свидетельства и даже подробности ее существования известны из таких "ненаучных" источников, какими считаются видения или "чтения" ясновидцев и пророков. Мы привыкли безоговорочно верить в существование или бытие того, что можно увидеть, пощупать или, в крайнем случае, ощутить на вкус и запах - в то, что действует на наши органы чувств, или иными словами, в материальные объекты, имеющие форму и размеры. Современная цивилизация далеко продвинулась в исследованиях материального мира, дойдя до тех границ, которые уже прямо не ощутимы, но, тем не менее, реальны - молекулы, атомы, элементарные частицы. Вместе с тем, понимание идеальных, духовных процессов в человеке и их взаимосвязь с материальным миром для современной науки по-прежнему остается тайной за семью печатями. Именно поэтому основным методом развития науки и техники продолжает оставаться метод эксперимента (метод проб и ошибок) и логического анализа-синтеза результатов экспериментов (аналитический метод). Вместе с тем, реально существует, необъяснимый пока наукой, принципиально иной способ познания мира - мгновенное познание через интуицию и озарение способного и подготовленного к такому акту человека (инсайт, или сверчувственное восприятие). Этот способ неявно лежит как в основе всех выдающихся научно-технических открытий (путь от незнания через интуицию ученого к знанию с последующем логическим объяснением его для общественного признания и пользования), так и явно в основе пророчеств и ясновидения (без возможности логического объяснения результатов в силу их большого отрыва от современной картины знаний).
Итак, обратимся к "чтениям" одного из величайших ясновидцев в истории современной цивилизации Эдгара Кейси (1877-1945). Все его "чтения", которые он осуществлял впадая в транс в "спящем" состоянии (поэтому его называли "спящий пророк"), происходили в присутствии свидетелей и тщательно документировались - сохранилось свыше 30 тысяч архивных записей. Его пророчества сбылись на 80%, а те многочисленные видения в пространстве и времени, которые можно было перепроверить, - на 100%. "Путешествуя по прошлому", он неоднократно добирался до Атлантиды, оставив необычайно интересные сведения о ее жизни. Мы рассмотрим только те, которые относятся к энергетике и техническим достижениям Атлантиды.
Кейси "рассказывал", что десятки тысяч лет назад на континенте Атлантида возникла и расцвела технократическая цивилизация, которая продвинулась в своем развитии дальше современной. Атланты не догадались изобрести двигатель внутреннего сгорания, не додумались до идеи переработки нефти в бензин (в Атлантиде не было нефтяных месторождений), но они создали цивилизацию, основанную на силах электричества. Был изобретен электрический двигатель, работающий на неизвестном современной цивилизации принципе (вспомним, что в основе работы большинства современных электродвигателей лежит принцип электромагнитной индукции, открытый Фарадеем в 1831г.). Электричество перемещало в Атлантиде все транспортные средства. Был открыт способ дистанционного фотографирования на любом расстоянии (сейчас к нему можно условно приравнять разве что только спутниковую фотографию). С помощью созданных ими приборов атланты могли видеть сквозь стены - под воздействием приборов стены на время становились прозрачными (ультразвук или рентгеновские лучи?). Атланты владели наряду с силами электричества также и силами расширяющихся газов (газы добывались, вероятно, методом электролиза жидкостей), что позволяло им вызывать взрывы колоссальной мощности, способные провоцировать даже вулканические извержения. Атланты преодолели силу земного тяготения и вышли в космос.
Центральной энергетической установкой Атлантиды, по Кейси, был Большой силовой кристалл (кристалл кварца в виде высоченной, размером с телевышку призмы), способный улавливать и концентрировать солнечную энергию. Эта энергия, накапливаясь в кристалле, затем трансформировалась с помощью специальных приборов в энергию электрическую. Такой кристалл невозможно создать в лабораторных условиях - атлантам посчастливилось отыскать на своем континенте очень мощную кварцевую жилу, которая на одном, весьма протяженном участке была прямой как стрела. Этот ее прямой фрагмент и был целиком извлечен из недр в результате многолетних работ (в современной истории достоверно описан кристалл кварца длиной 7,5 м). Грани кристалла были обработаны с такой величайшей точностью и тонкостью, что они вбирали в себя каждую корпускулу (квант) солнечного или даже лунного света. Поставленный вертикально, кристалл стал функционировать круглосуточно как поглотитель и накопитель энергии.
Атлантида находилась в тех широтах, на которых ныне плещутся волны Атлантического океана между Мексиканским заливом и Африканским побережьем. По Кейси, аборигены Атлантиды сделали мощный цивилизованный рывок вперед строго самостоятельно, вне какой-либо связи с "пришельцами" и полудикими племенами своих соседей. Цивилизацию атлантов с поверхности планеты смела серия чудовищных геологических катаклизмов, в двух первых из которых были повинны сами атланты: они стали использовать энергию кристалла для бурения сверхглубоких скважин на своем континенте. Третья катастрофа общепланетного масштаба привела около 10500 лет до н.э. к всемирному потопу, в пучине которого погибла Атлантида и многие другие народы, населявшие Землю (это событие зафиксировали древние шумерские и вавилонские предания, египетские источники, еврейская Тора, а позже через них и Библия). Сохранившиеся после катастрофы остатки человечества находились еще в первобытном состоянии, из которого и стала в муках нарождаться современная цивилизация, причем не без помощи отдельных уцелевших атлантов, ставших у полудиких народов их предводителями, царями и жрецами.
Кристалл атлантов задает загадку современной энергетике - возможно ли такое чудо? Попробуем оценить его. Современная мощность электромагнитного излучения, или светимость Солнца, оценивается в 3,8∙1023 кВт, но до нашей планеты, которая удалена от светила на ~107 его диаметров, доносится ничтожная часть этого излучения (точнее одна 2,2 миллиардная часть), равная 1,8∙1014 кВт. Рассеиваясь и поглощаясь в многокилометровой толще атмосферы Земли, поверхности планеты достигает еще меньшая мощность солнечного излучения - 0,8∙1014 кВт. Электромагнитное излучение Солнца имеет две составляющие - постоянную и переменную. Переменная часть (ультрафиолетовое, рентгеновское и радиоизлучение) во время солнечных вспышек возрастает в миллион раз по отношению к фазе спокойного Солнца, а постоянная часть характеризуется Солнечной постоянной - количеством солнечной энергии, падающей за 1 мин на площадку в 1 см2, расположенную перпендикулярно солнечным лучам за пределами земной атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца (расстоянии в 149,6 млн. км, или в 1 астрономическую единицу). В настоящее время ее значение известно с точность до 1% и равно 1,95 кал/(см2∙мин), или 1,36 кВт/м2. В силу эллиптичности орбиты Земли относительно Солнца сезонные колебания постоянной достигают 7 %.
Солнечная постоянная учитывает энергию не только оптического излучения - видимых (длина волны 390-760 нм), ультрафиолетовых (10-390 нм) и инфракрасных лучей (760нм - 1мм), но и энергию в других диапазонах солнечного излучения: радиоволновом (более 1мм), рентгеновском (0,01-10 нм) и гамма-излучении (менее 0,01 нм). Напомним, что 1нанометр=10-9м=10-6мм. Почти 99 % всей энергии солнечного излучения приходится на границе атмосферы Земли на длины волн оптического излучения 170-4000 нм, причем на видимую часть спектра приходится 48%, на инфракрасную - 45% и на ультрафиолетовую - 7%. Мощность прямого солнечного излучения на уровне земной поверхности (уровне моря) зависит от погоды и высоты Солнца над горизонтом и не превышает 1,6 кал/ (см2∙мин), или 1,1 кВт/м2. Зная эти цифры, можно, в частности, оценить максимально возможную мощность Большого силового кристалла (при условии отсутствия предварительного концентрирования солнечной энергии путем зеркал или фокусирующих линз).
Если допустить, что высота кристалла была 100 м, а радиус 2 м (неправдоподобно большой кристалл!), то площадь его поверхности составит 1256 м2, а максимальная поглощаемая мощность солнечной энергии - около 1,38 МВт (сравните с единичной мощностью 300-1200 МВт крупной современной турбины) - маловатая мощность для решения глобальных проблем. Неужели в данном случае Кейси ошибался? Под сомнением остается и возможность прямого преобразования кварцем, несмотря на все его уникальные качества (поляризацию света и пьезоэлектрические свойства), солнечной энергии в электрическую. Возможно, эти вопросы еще ждут своих исследователей. Хочется верить, что далеко не все способы преобразования энергии, и в первую очередь солнечной энергии, найдены и реализованы.
Земной путь энергии солнца
Все ископаемые и возобновляемые земные источники энергии обязаны своим происхождением космосу и, прежде всего, энергии гравитации и излучения Солнца. Запасы ядерного топлива и внутренней термотектонической энергии Земли возникли в связи с гравитационным воздействием Солнца на стадии формировании планеты из начальной газопылевой туманности и последующими физическими трансформациями ее исходного вещества. Запасы органического топлива (уголь, нефть, газ) обусловлены накоплением солнечной энергии в течение последних нескольких сотен миллионов лет в земной биомассе с ее дальнейшим физикохимическим преобразованием в земной коре. Текущее же солнечное излучение обеспечивает энергией все возобновляемые земные энергоисточники и саму возможность существования жизни на Земле. Если Солнце погаснет, то жизнь на нашей планете прекратится в считанные дни, несмотря на наличие мощной земной энергетики (прообразом такого состояния являются внешние дальние планеты солнечной системы, в частности, Нептун, температура поверхности которого даже при "живом" Солнце ниже минус 218 0С).
Поверхность Земли составляет 510 млн км2, из которых 29% принадлежит суше и 71% океану (включая моря). Поскольку теплоемкость воды в 5 раз выше, чем суши, то тепловое влияние океана на климат планеты и на преобразования солнечной энергии в другие естественные виды энергии имеет решающее значение. Солнечное излучение, нагревая атмосферный воздух и поверхность океана, порождает ветры и волны, приводит в движения океанские течения. Энергия солнечного и лунного притяжения является движущей силой океанских приливов и отливов. Океан - это самый большой земной резервуар накопления и трансформации космической энергии. Он является кладовой растительной и гидротермальной энергии, энергии химических связей газов, солей и питательных веществ. Океан буквально наполнен экологически чистой, безопасной и практически неиссякаемой , как само Солнце, энергией, потенциальное использование которой позволяет человечеству с оптимизмом смотреть в будущее - ведь энергия является основой существования современной цивилизации.
Энергия может быть извлечена из океана, но при этом ее источником будет не океан вообще, а каждая из различных форм энергии, содержащихся в нем, - волновая, приливная, течений, тепловая, химическая, растительная. Главный принцип, лежащий в основе большинства способов извлечения энергии, это целенаправленное использование неравновесного состояния рабочей среды (только при таком условии можно получить энергию и с ее помощью совершить полезную работу). В океане же отсутствие равновесия проявляется в трех основных формах: различиях в уровнях воды, ее температурах и в химическом составе.
Разница в уровнях воды прилива-отлива (в некоторых местах мирового океанического побережья она достигает высоты 6-этажного дома) используется с помощью дамб в приливных электростанциях (одна из первых таких станций мощностью 240 МВт работает с 1967г. в устье реки Ранс в Бретани, Франция), а волновая энергия, вызванная непрерывными колебаниями уровня поверхности океана под влиянием ветров, преобразуется в электрическую в волновых или морских помпах (первые действующие эффективные преобразователи энергии волн реализованы в 70-х годах прошлого столетия в Японии в виде портовых сигнальных бакенов). Годовой потенциал только приливной энергии океанов почти в 2 раза превышает энергию, выработанную всеми электростанциями мира в 2000 году.
Океан постоянно находится в состоянии термального неравновесия. Разница в уровнях температуры существует в океане как между поверхностными и глубоководными водами (например, на экваторе поверхностная температура 26 0С, а на глубине 1000 м 4,40С), так и между водами теплых океанических течений и соседними слоями океана. Тепловая энергия, соответствующая солнечному перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными на 20 0С, оценивается величиной порядка 1026 Дж (эквивалентна современной годовой мировой выработке электроэнергии в течение еще миллиона лет), а кинетическая энергия океанских течений (например, теплое течение Гольфстрим у берегов Флориды несет свои воды со скоростью 6-7 км/час) - величиной порядка 1018 Дж. Люди только начинают утилизировать ничтожную долю этой колоссальной энергии используя, в частности, тепловые насосы (первые опыты проведены в 20-х годах прошлого столетия) и низкоскоростные водяные турбины, причем ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений.
Градиентная химическая энергия образуется в устьях рек, где пресная вода смешивается с соленой океанской или морской водой. Возникающий градиент солености используется в экспериментальных преобразователях для создания осмотического давления и его дальнейшего ступенчатого преобразования в электроэнергию. Другой, прямой путь химического получения электроэнергии из воды - это электробатареи, содержащие секции с пресной и соленой водой, действие которых основано на электролитическом разделении противоположных зарядов ионов поваренной соли.
Выращивание с плотов на фермах в океане быстрорастущих (до 0,7 м/сутки) гигантских бурых водорослей келп, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа, - это еще один эффективный путь трансформации солнечной энергии в химическую энергию топлива (первая такая ферма построена американцами в Тихом океане в 1974 г.). Океанская вода является, кроме того, и гигантским хранилищем такого экологически чистого топлива, как водород, который может быть выделен из нее электролизом.
Человечество, освоив в своей недавней истории производство энергии на суше (тепловые, солнечные, ветровые, геотермальные, атомные и гидроэлектростанции) и приступая к использованию энергии океана, надеется тем самым облегчить судьбу своих потомков и сделать третью планету Солнечной системы более жизнеспособной.
Запасы и пределы производства энергии на Земле
Текущее солнечное излучение мощностью 0,8∙1014 кВт, достигающее земной поверхности, приносит ежегодно на планету 0,7∙1018 кВт∙ч энергии, что эквивалентно 84 трлн. т у.т., или 2,52∙1024 Дж. Назовем эту величину годовой солнечной нормой (ГСН), или солнечной единицей, и все другие виды энергий определим относительно этой единицы. Отклонение от нормы в ту или иную сторону на несколько процентов превратило бы нашу Землю в выжженную или, наоборот, ледяную пустыню. Поступающая солнечная энергия трансформируется в тепловую энергию суши и океана, энергию течений, волн, ветров, химическую и биологическую энергию, а после всех преобразований излучается обратно в космическое пространство преимущественно в виде низкотемпературного инфракрасного излучения. Годовые потери внутриземного тепла через поверхность планеты составляют около 8,4∙1020 Дж, т.е. всего трехтысячную долю ГСН, и поэтому тепловой баланс Земли определяется прежде всего солнечной единицей.
На планете существуют и другие источники энергии: ископаемое органическое (нефть, газ, уголь, торф) и неорганическое (уран, дейтерий) топливо, биомасса, гео- и гидротермальная энергия недр и океана, гидроресурсы суши и приливная энергия океанов. В настоящее время более 90% всей энергии, используемой человеком, приходится на долю органического топлива, т.е. отложенных запасов солнечной энергии. При этом 25% общего потребления энергоресурсов используется на производство электроэнергии, а остальные 75% расходуются на получение промышленного и бытового тепла, на транспорт и на химические процессы в металлургии и химических производствах.
На сегодняшний день доказанные извлекаемые запасы нефти составляют около 150 млрд.т, природного газа - 150 трлн м3 и угля (50% каменного и 50% бурого) - 1 трлн т. С учетом средней теплотворности этого топлива соответственно 10500 Ккал/кг, 8700 Ккал/м3 и 5800 Ккал/кг и при условии использования всех этих запасов только на получение энергии их энергетический эквивалент составит около 4∙1022Дж, или чуть более 1 трлн. т у.т. - менее шестидесятой доли солнечной единицы (хотя потенциальные запасы органического топлива оцениваются в 7 трлн т у.т.). Запасы растительной биомассы в сухом виде определяются в 2,2 трлн т, что при средней калорийности дров в 4400 Ккал/кг эквивалентно энергии доказанных запасов нефти, газа и угля вместе взятых.
Запасы урана в земной коре определяются в зависимости от себестоимости его добычи и достигают 1 млрд т при себестоимости 500 $/кг (текущая себестоимость обычно не превышает 80-130 $/кг, что сокращает приемлемые запасы урана в 200 раз). С учетом того, что при делении 1 г урана выделяется 22000 кВт∙ч энергии (почти столько же, сколько при сгорании 2 т нефти), весь суммарный урановый эквивалент энергии не превышает 8∙1025 Дж, т.е. примерно равен 32 солнечным единицам. Запасы дейтерия в мировом океане оцениваются в 50 трлн т, что с учетом термоядерной энергии синтеза гелия из дейтерия (160000 кВт∙ч/г) определяет запасы термоядерной энергии на уровне 2,9∙1030 Дж, или более 1 млн. солнечных единиц. Промышленное использование термоядерной энергии - это дело будущего.
Запасы термальной энергии океана составляют 1026 Дж (сорок ГСН), а запасы геотермальных вод определяются на уровне 100 млн. т у.т. (миллионная доля ГСН). Энергия гидроресурсов на суше оценивается в 40 тыс. ТВт∙ч (семнадцатитысячная доля ГСН), энергия приливов - в 22 тыс. ТВт∙ч (тридцатитысячная доля ГСН), а энергия течений - в 1018 Дж (трехмиллионная доля ГСН). Запасы энергии других доступных земных источников (ветер, волны и т.д.) ничтожны по сравнению с вышерассмотренными.
Годовой предел производства энергии на нашей планете определяется ее тепловым балансом и не может превышать солнечную единицу при условии полезного использования только солнечного излучения или других его текущих, не запасенных в прошлом форм. В случае же добавочного использования других запасов энергии безопасный предел наращивания энергопроизводства определяется, по мнению ряда ученых, десятой долей процента от солнечной единицы, т.е. уровнем 2,5∙1021 Дж, или 700 тыс. ТВт∙ч - солнечным пределом. Превышение этой величины приведет к термальному загрязнению поверхности Земли, т.е. увеличению ее средней температуры, что может оказать катастрофические последствия на климат планеты. На самом деле предел энергопроизводства на Земле еще существенно меньше солнечного и лимитируется общепромышленным эффектом загрязняющих технологий, использующих сжигание органического топлива.
Производство энергии человеческой цивилизацией непрерывно увеличивается как с ростом народонаселения планеты, так и добычи энергоресурсов: и то, и другое возрастает по экспоненте (см. график ниже). Только за последние сто лет население Земли увеличилось в 3,75 раз (с 1,6 до 6 млрд человек), а годовая добыча энергоресурсов - в 21 раз (с 0,7 до 15 млрд. т у.т). На сегодняшний день в среднем на одного жителя планеты приходится 2,5 т у.т. энергоресурсов (в развитых странах до 14 т у.т.). По осторожным прогнозам к 2100 г. население увеличится до 10 млрд. человек, а средние удельные энергоресурсы на человека - до 10 т у.т., т.е. в целом энергодобыча достигнет 100 млрд. т у.т. (почти все органическое топливо, во всяком случае нефть и газ, будет исчерпано), что перекроет солнечный предел даже при чистых технологиях. Поэтому у человечества нет другой альтернативы, как жить по средствам.
Справка
Статья опубликована целиком или частично в журналах:
Энергетика и ТЭК, №8, 2003; №6, 2004 (Беларусь)
Изобретатель, №3, 2004 (Беларусь)
Электро, №6, 2004 (Россия)
Промышленная энергетика, №11, 2002 (Россия)
Энергетика за рубежом, №2, 2003 (приложение к журналу “Энергетик”)
См. график ниже
