Энергия – проблема роста и потребления.

Введение

Глобальные проблемы современности – это ряд социальных проблем развития цивилизации, которые, тем не менее, не ограничиваются исключительно социальным аспектом, и затрагивают практически все области жизни общества: экономическую, политическую, экологическую, психологическую. Эти проблемы формировались на протяжении долгих лет, которые характеризуются стремительным развитием разных сфер жизни человечества, и поэтому способы их решения не имеют однозначных вариантов.
Современные социально-экологические и экономические тенденции цивилизационного развития определяют ключевое значение энергетики в стратегии перехода общества к устойчивому развитию. Таким образом, проблемы энергетики в совокупности выступают в качестве ключевой глобальной проблемы современности, от характера решения которой прямо зависит не только преодоление экологического кризиса, но и построение глобальной экономики и нового мирового порядка.
Отсюда вытекает актуальность теоретического переосмысления, с одной стороны, социально-экологических последствий традиционного развития энергетики, а с другой – философско-методологических оснований поиска альтернативных ей способов обеспечения человечества энергией.
С учётом изложенного проблему перехода к альтернативной энергетике в самом общем виде можно определить как поиск, обоснование и реализацию новых перспективных способов обеспечения человечества энергией, обеспечивающих сохранение и развитие негэнтропийных тенденций, характерных для биосферы.
Понять сущность энергетической проблемы означает, во-первых, понять необходимость гармонизации человека и природы; во-вторых установить роль энергетики в эволюционном и цивилизационном процессе, то есть ту фундаментальную роль, которую она играет в жизни отдельного человека и общества в целом; в третьих, раскрыть закономерности возникновения и развития энергетики, ее связь с теоретическим и практическим постижением действительности.
В комплексе имеющихся экологических проблем энергетика выступает в качестве одной из ключевых. Всё более возрастающие требования к охране окружающей среды и природопользованию, а также юридические аспекты природопользования оказывают существенное влияние на развитие энергетики и требуют пересмотров подходов к её развитию.
Сегодня становится очевидным, что необходимо правильное понимание природных закономерностей саморегуляции сложных систем, понимание всех тех противоречий в системе «общество – природа», и тех ограничений, с которыми столкнулось сегодня человечество.
На протяжении истории рост населения провоцировал постоянное увеличение потребляемого нами количества энергии. Наша сегодняшняя индустриальная цивилизация полностью зависит от доступа к огромным количествам энергии разных видов. Значительное уменьшение доступных энергетических ресурсов отразилось бы очень серьезно на цивилизации и население планеты, которое ее составляет.
Использование возобновляемых источников энергии является важнейшей проблемой современного развития энергетики.
Альтернативная энергетика приобретает особое значение, так как при её развитии сохраняется органическое топливо, не высвобождается энергия, «законсервированная» в биосфере, рационально используются ресурсы. Благодаря использованию возобновляемых ресурсов имеется возможность обеспечить энергией труднодоступные и отдалённые поселения [3].


1 Потенциальные источники энергии в XXI веке
В окружающей среде присутствуют возобновляемые и невозобновляемые ресурсы.
Первые обладают способностью восстанавливаться. К примеру, солнечная энергия постоянно поступает из космоса, пресная вода образуется за счет круговорота веществ. Некоторые объекты обладают способностью к самовосстановлению. К невозобновляемым ресурсам относятся, например, минеральные элементы. Некоторые из них, конечно, могут восстанавливаться. Однако продолжительность геологических циклов определяется миллионами лет. Такая длительность несоизмерима со скоростью расходования и этапами общественного развития. Это ключевое свойство, отличающее возобновляемые и невозобновляемые природные ресурсы.
Анализ потенциала природных ресурсов Земли свидетельствует о том, что человечество обеспечено энергией на длительную перспективу. Нефть и газ обладают достаточно мощным ресурсом, однако этот «золотой фонд» планеты необходимо не только рационально использовать в XXI в., но и сохранить для будущих поколений [2].
В настоящее время наиболее активно добываются следующие энергетические невозобновляемые ресурсы: Нефть. Уголь. Газ.
Рассмотрим невозобновляемые источники энергии с разных позиций, а также укажем на их достоинства и недостатки.
Нефть - очень ограниченный по запасам энергоисточник. Трудно сказать, на сколько еще хватит запасов нефти. Они могут быть истощены через 50-100 лет, если не будут найдены новые залежи. В любом случае, мы срочно должны найти замену нефти. Необходимо найти другие энергоисточники, безопасные для окружающей среды и которых хватит надолго.
И добыча, и транспортировка, и переработка нефти сопряжена с вредными воздействиями на окружающую среду. Часто происходят разливы нефти в результате ее утечки из скважин или при транспортировке [9]. Время от времени мы видим, какой вред наносят природе аварии нефтяных танкеров. Разливы нефти близко от берегов особенно вредны для морских птиц, икры и мальков рыб, обитающих около поверхности в прибрежных водах. Более крупная рыба находится в глубинных водах, куда нефть обычно не проникает. На прибрежных пространствах, которые открыты ветру, течениям и волнам, проходит 4-5 лет до того, как исчезнут все последствия разлива нефти. В более защищенных от ветра и волн водах этот процесс может занять 10-15 лет.
На поверхности воды нефть создает тончайшую масляную пленку. У морских животных, птиц, на тела которых попала такая пленка, нарушается терморегуляция, животные могут ослепнуть при попадании нефти в глаза и погибнуть.
При сжигании нефтепродуктов в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа. При переработке нефти в окружающую среду выделяются угарный газ, соединения свинца, оксиды азота и серы, вызывая болезни растений, животных, человека.
Таким образом, использование нефти причиняет большой ущерб окружающей среде - океанам, атмосфере и живым организмам. Поэтому следует использовать её только там, где она незаменима. Для производства тепла мы можем использовать другие источники, кроме нефти, - здесь она вполне заменима [9].
Мировая добыча нефти и газа будет непрерывно нарастать, хотя и с замедлением темпа роста. В отличие от прошлого столетия почти половину объема жидких и газообразных углеводородов прогнозируется получить из нетрадиционных типов природного сырья.
По прогнозам, к концу XXI в. доля нефти, добываемой из традиционных и нетрадиционных месторождений, в мировом топливно-энергетическом балансе снизится по сравнению с современным уровнем в 2 раза (от 39 % до 17 %) [7].
Природный газ считается относительно недорогим ресурсом. Он отличается высоким показателем чистого выхода энергии.
Суммарных выявленных и прогнозных запасов газа традиционных (520 трлн м3), а также нетрадиционных месторождений – метана угольных пластов, залежей в битуминозных песках, сланцах и низко проницаемых коллекторах, незначительной части ресурсов газогидратов – (суммарная минимальная оценка 500–550 трлн м3) хватит более чем на 200 лет при годовой добыче 3–6,5 трлн м3. Решение проблемы разработки залежей газогидратов в несколько раз увеличит запасы метана, что обеспечит мировое сообщество голубым топливом на несколько столетий. Но для промышленной разработки газогидратов потребуется создание уникальных технологий.
Производство жидких углеводородов непосредственно на месторождениях позволяет полностью утилизировать попутные нефтяные газы, успешно разрабатывать месторождения природного газа на море и в удаленных регионах. Расширяются межгосударственные и межконтинентальные газопроводные сети, прогнозируется многократное увеличение производства и мирового рынка сжиженного природного газа. Cпрос на газ увеличивается так быстро, что уже к середине века значение газа будет так же велико, как и нефти [7].
Уголь был первым используемым невозобновляемым энергоисточником. Главная роль в освоении угля как источника энергии принадлежит Англии. Там же началась промышленная революция. Как мы увидим, уголь был решающим фактором в развитии европейской цивилизации.
В 1774-1784 годах Дж. Уатт разработал и построил универсальный паровой двигатель, который в основных чертах не изменился до настоящего времени

. Паровой двигатель превращал тепловую энергию, образующуюся при сгорании угля, в механическую энергию. Примитивные паровые машины использовались уже с начала 18 века, но только универсальная машина Уатта могла быть приспособлена к различным промышленным процессам. Уголь таким образом становился универсальным энергоносителем. Паровые суда и поезда облегчили передвижение, и уголь можно было перевозить по всей Англии и, в конце концов, по всему миру [9]. Новые города росли вокруг заводов, работающих на энергии угля и ориентированных на мировой рынок. Можно сказать, что уголь и пар обеспечили победу капитализма над феодализмом и положили начало эпохе промышленного капитализма в Европе и Америке.
В результате использования угля для производства энергии загрязнение окружающей среды увеличилось, но прекратился еще худший процесс - уничтожение лесов. В 18-19 веках загрязнение атмосферы становится проблемой больших городов. Смог (смесь дыма с туманом), и сегодня является самой большой проблемой загрязнения в Англии.
Еще в 1965 году уголь был самым важным энергоисточником в мире. В 1985 году уголь давал 31% производимой человечеством энергии. Уголь удобен для производства электричества и других промышленных процессов. Он дает дешевую энергию в странах, где этот энергоисточник доступен.
В качестве энергоисточника в основном используется природный и древесный уголь.
Природный уголь представляет собой продукт разложения болотных растений (их возраст - до 300 млн. лет). Растения отмирали, погружались в болото и были погребены под слоями песка. Постепенно образовывались толстые слои таких отложений. Эти отложения под действием давления, температуры и микроорганизмов превращались сначала в торф, а затем в уголь.
После добычи большая часть угля поступает на тепловые электростанции, где выделяющееся при его сгорании тепло нагревает воду до кипения, образующийся пар вращает турбины, связанные с электрическим генератором, который и вырабатывает электрический ток. При этом только одна треть тепла расходуется на производство электроэнергии, остальные же две трети тепловой энергии излучаются в атмосферу.
Уголь как энергоисточник опасен для окружающей среды. При сжигании угля образуются ядовитые газы, такие, как угарный газ (окись углерода), сернистый газ (двуокись серы) и газы, влияющие на климат, например, углекислый газ [9]. Выбросы этих газов сильно увеличились со времен промышленной революции. Никакой другой тип невозобновляемого энергоисточника не выбрасывает так много углекислого газа, как уголь. Загрязнение производят также угольная пыль и сажа.
С помощью современных технологий можно несколько уменьшить отрицательные последствия применения угля для получения энергии. Основные из этих технологических способов следующие:
• применение усовершенствованных конструкций котлов, снижающих образование оксидов серы и азота и выбросы золы,
• применение очистных сооружений и фильтров для очистки дымовых газов от серы, азота и золы,
• применение водно-угольных суспензий вместо угля,
• утилизация отходов в интересах народного хозяйства [9].
Атомная энергетика. На атомных станциях (АЭС) вырабатывается около 16 % мировой электроэнергии, а для многих развитых стран их доля превышает 60–70 %. В настоящее время АЭС построены в 32 странах, причем около 70 % мирового объема производства электроэнергии приходится на 5 из них (США, Франция, Япония, Германия и Россия). Формируется мировая ядерная программа, обеспечивающая единые нормы безопасности и предусматривающая контролируемый доступ развивающихся стран к ядерным технологиям в мирных целях. Расширяется международное сотрудничество стран-лидеров в мировой энергетике. В XXI в. изменится структура атомной энергетики. Получат развитие реакторы на быстрых нейтронах, а в будущем и термоядерный синтез, внедрение которых позволит не только многократно увеличить мощности ядерной отрасли, но и сделать ее максимально безопасной. Кроме того, применение реакторов-бридеров в 60 раз увеличивает эффективность использования урановой руды, что обеспечит ядерную энергетику ресурсами не менее чем на тысячу лет [7].
Современные технологии обеспечивают надежное захоронение радиоактивных отходов, а переход к замкнутому ядерному циклу позволит производить их переработку и повторное использование в реакторах нового поколения. В результате широкомасштабных международных мероприятий по безопасности АЭС и захоронению отходов доверие общественности к атомной энергетике возросло. В большинстве стран планируется многократный рост атомной отрасли.
Развитие мировой атомной отрасли позволит решить энергетические проблемы во многих странах. В последние годы в мире введены в строй более 30 АЭС (22 в Азии) и строятся 27 АЭС (18 в Азии). При отсутствии в той или иной стране атомных технологий могут быть использованы модульные конструкции АЭС развитых стран с установкой их на время работы (20–25 лет) в нужном месте. Такие реакторы исключают возможность использования урана для создания ядерного оружия, а перезагрузка топлива проходит под контролем МАГАТЭ [7].
К концу XXI в. объем производства в ядерной отрасли возрастет по сравнению с современным уровнем как минимум в 10 раз. По экспертным оценкам, значительная часть энергии будет использоваться для получения водорода. Современное мировое производство и потребление водорода составляет около 50 млрд м3 в год. По прогнозам Российского научного центра «Курчатовский институт», к 2100 г. потребление водорода достигнет 800 млрд м3, а по максимальным оценкам международных организаций – 8000 млрд м3. Топливные элементы позволят использовать водород на транспорте и при производстве электроэнергии. Огромное значение имеют технологии получения высококачественного жидкого топлива из угля, битума, высоковязкой нефти путем их гидрогенизации (в присутствии водорода) [2].
Во второй половине XXI в. возможно создание промышленных термоядерных реакторов, хотя из-за больших технических проблем они еще не станут лидерами в атомной отрасли. Существует гипотеза использования в качестве топлива гелия-3, огромные запасы которого обнаружены на Луне. Потребуется решить проблемы его извлечения из лунной породы и доставки на Землю. Использование гелия-3 на Земле предполагает создание системы принципиально новых термоядерных реакторов, разработка которых представляет собой сложнейшую техническую задачу [2].

2 Возобновляемые источники энергии
Благодаря научно-техническому прогрессу нетрадиционные возобновляемые источники энергии (солнечное излучение, ветер, стихия Мирового океана, тепло Земли) в XXI в. начинают использоваться на качественно новом уровне и в будущем смогут обеспечить значительную часть потребностей человечества в практически неисчерпаемой и экологически чистой энергии. Энергетический потенциал нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в 50 раз превышает современные потребности цивилизации. Однако существуют большие технические трудности в широкомасштабном внедрении новых технологий. В современном мировом энергетическом балансе доля НВИЭ оценивается в 2–2,5 %, а к концу XXI в. их роль значительно возрастет, снизив тем самым зависимость человечества от нефти и газа.
Энергию воды, ветра и излучения Солнца человек начал использовать в глубокой древности – первоначально в простейших формах, а затем в механических устройствах и для производства электричества [5].
Возобновляемые источники энергии состоят из нескольких основных компонентов:
Солнце. В этом случае полученный поток используется напрямую через солнечные батареи. Преобразование электромагнитного излучения позволяет иметь на выходе электрическую или тепловую энергию.
Ветер. С помощью ветрогенераторов или ветряных мельниц кинетическая энергия воздушной массы преобразуется в тепловой или электрический поток. Там, где внедряются такие возобновляемые источники энергии, производится экономия угля до 29 000 тонн и нефти около 92 000 баррелей в год.
Геотермальные воды. В качестве теплоносителя для теплоэлектростанций используются горячие геотермальные источники. Строятся ГеоТЭС в районе вулканически активных зон, где вода подступает к поверхности грунта и имеет на выходе температуру кипения. Находятся эти подземные источники на относительно небольшой глубине, и доступ к ним осуществляется через пробуренные скважины.
Вода. Строительство электростанций позволило в качестве источника энергии использовать водный поток