Саммари книги Энергетика сегодня и завтра: краткое содержание

Введение

Масштабный рост энергопотребления человечества изменил облик планеты и привел к нарушению ее природного баланса. Мы привыкли к тому, что тепло, свет и транспортные потоки доступны в любых объемах, но за это изобилие приходится платить истощением недр и ухудшением экологической обстановки. Современная цивилизация подошла к черте, за которой экстенсивный путь развития уже невозможен.

Энергетика создала основу для высокого уровня жизни, изнурительный физический труд ушел в прошлое, а свободное время и материальные блага стали нормой. Однако этот успех породил глобальные вызовы. Дешевые запасы нефти и газа сокращаются, добыча становится сложнее и дороже, а выбросы от сжигания топлива угрожают биосфере. Простые запреты или ограничения не способны решить проблему, так как остановка экономического роста недопустима. Выход заключается в глубокой перестройке всей энергетической системы, внедрении жесткого энергосбережения и переходе к принципиально новым источникам генерации.

Книга предлагает комплексный взгляд на будущее энергетики и отвечает на ключевые вопросы, определяющие стратегию выживания и развития цивилизации:

• Каковы реальные масштабы воздействия энергетики на биосферу и природные циклы?
• Почему энергосбережение эффективнее простого сокращения потребления?
• Как изменится структура топливно-энергетического баланса в ближайшие десятилетия?
• Какую роль сыграют атомная энергетика, водородные технологии и возобновляемые источники?
• Где скрываются главные резервы экономии тепла и топлива в промышленности, на транспорте и в быту?

Автор показывает, что преодоление кризиса требует не временных мер, а долгосрочной государственной политики, масштабных инвестиций в инновации и изменения подходов к проектированию зданий, машин и технологических процессов.

1. Масштабы современной энергетики и экологический кризис

Громадные масштабы современной энергетики привели к нарушению общепланетарного баланса природных сил и ресурсов, нанося серьезный ущерб водным ресурсам, земельным угодьям и атмосфере.

Рост энергопотребления и планетарный баланс

Потребление энергии человеком в промышленно развитых странах за последние два столетия возросло в 30 раз. Это колоссальное увеличение вызывает обоснованную тревогу ученых и требует разработки долгосрочных государственных энергетических программ. Вы платите за привычный комфорт цивилизации высочайшую цену, которую природа возвращает через глобальные экологические изменения.

Антропогенная нагрузка на экосистемы

Масштабная хозяйственная деятельность энергетики наносит серьезный ущерб водным ресурсам, земельным угодьям и атмосфере планеты. Отрасль задействует колоссальные объемы природных сред ради поддержания привычного ритма жизни. Плата за энергетический комфорт выражается в конкретных угрозах для биосферы:

• Электростанция мощностью миллион киловатт при охлаждении проточной водой потребляет 1,5 кубического километра воды в год.
• Ежегодное поступление нефти в океан составляет 6-10 миллионов тонн.
• Добыча каждого миллиона тонн угля в среднем влечет за собой нарушение 7,5 гектара земель.
• В результате деятельности энергетики в атмосферу поставляется 160 миллионов тонн двуокиси серы в год.

Энергетика выступает крупнейшим потребителем воды, загрязняет Мировой океан нефтепродуктами, изымает земли под карьеры и золоотвалы, а также выбрасывает в воздух огромные объемы антропогенной пыли.

Авария на скважине в Мексиканском заливе в 1979 году привела к выбросу 0,5 миллиона тонн нефти в море.

2. Энергия и качество жизни человека

Рост потребления энергии напрямую повысил уровень материальной обеспеченности, продолжительность жизни и досуг человека, заменив тяжелый физический труд машинной мощностью.

От первобытного костра к индустриальной эпохе

Первобытный человек использовал всего 2 тысячи килокалорий в день. Такая скудная энергетическая база определяла жесткие условия существования: средняя продолжительность жизни составляла 18-20 лет, а на досуг оставалось лишь три года за всю жизнь.

В современном промышленно развитом обществе энергопотребление выросло в тысячи раз. На каждого жителя развитых стран сегодня тратится от 6 до 10 тонн условного топлива в год.

Одна тонна условного топлива содержит 7 миллионов килокалорий энергии.

Цена энергетического комфорта

Масштабное использование энергии кардинально изменило структуру человеческой жизни. Высвободившееся от тяжелого физического труда время позволило совершить гигантский цивилизационный скачок.

Почти половина жизни современного человека теперь уходит на досуг и образование.

3. Потоки энергии и структура баланса в СССР

Структура топливно-энергетического баланса страны претерпела масштабную эволюцию от дров и угля к доминированию нефти и газа.

Эволюция топливной базы

В начале века половину энергии давали дрова. Затем лидирующие позиции занял уголь. К моменту реализации Энергетической программы лидерами стали нефть и газ, обеспечивающие более двух третей энергетического баланса.

А. Стаханов и его последователи в предвоенные годы подняли добычу угля, обеспечивая ежегодно более 10 процентов прироста.

Масштабы добычи основных ресурсов

Вы вырабатываете и потребляете энергоресурсы в гигантских объемах. В 1985 году сумма основных производимых энергоресурсов в СССР составила 2110 миллионов тонн условного топлива. Полная величина вырабатываемой энергии достигла 2,3 миллиарда тонн условного топлива.

Основные показатели добычи распределились следующим образом:

• нефть — 630 миллионов тонн;
• газ — 625 миллиардов кубических метров;
• уголь — 730 миллионов тонн.

4. Энергосбережение как основа современной политики

Политика энергосбережения заключается не в простом самоограничении, а в техническом совершенствовании процессов производства и потребления энергии.

Конец эпохи дешевой энергии

Эпоха доступных и дешевых энергоресурсов подошла к концу. Теперь главным содержанием энергосбережения становится создание машин и установок с меньшим потреблением энергии при том же выпуске продукции и устранение прямого расточительства.

На экспертной комиссии Госплана СССР обсуждалось несовершенство газотурбинных приводов на компрессорных станциях, имеющих низкий КПД около 25 процентов.

Пути снижения энергоемкости национального дохода

Вы можете оценить масштаб предстоящих преобразований по государственным планам. Энергетическая программа предусматривает сэкономить 540–570 миллионов тонн условного топлива.

Для достижения этой цели в 1,4 раза планируется снизить энергоемкость национального дохода.

5. Стратегия сохранения нефтяных запасов

Истощение запасов нефти и удорожание ее добычи требуют сохранения «черного золота» в недрах для использования в качестве ценнейшего химического сырья.

Нефть — химическое сырье, а не топливо

Вы должны понимать, что сжигать нефть в топках котельных — непростительное расточительство.

Это незаменимое сырье для получения самых разных продуктов:

• синтетических волокон;
• пластмасс;
• каучука;
• медикаментов;
• моющих средств.

Современная энергетика обязана сокращать использование нефти. Вместо нее нужно активно переходить на газ, уголь и ядерную энергию.

Интенсификация добычи и новые технологии

В среднем в мире из нефтяных месторождений извлекается только 25–35 процентов запасов. В СССР этот показатель выше и составляет 40–45 процентов.

Капиталовложения, необходимые для обеспечения прироста добычи нефти на одну тонну в год, выросли от 100 до 300 рублей.

Инженер В. Шухов в 1887 году разработал форсунки для распыления мазута. Он также предложил метод закачки попутного газа обратно в скважину для интенсификации добычи нефти, известный как газлифт.

6. Опережающее развитие газовой промышленности

Опережающее развитие газовой промышленности выступает важнейшим этапом замещения дефицитной нефти и подготовки к широкому использованию ядерной энергии.

Огромные запасы природного газа в Западной Сибири позволили развернуть масштабное строительство трансконтинентальных газопроводов и сделать газ лидером топливно-энергетического баланса.

Западносибирские кладовые

Запасы месторождений севера Тюменской области превышают 27 000 кубических километров.

В СССР в 1985 году добывалось 650 кубических километров газа. К 2000 году из западносибирских кладовых планируется извлекать 1000 кубических километров в год. Давление газа в перспективных магистральных газопроводах планируется увеличить до 120 атмосфер.

Трансконтинентальные газопроводы

Строители за год проложили газопровод Уренгой — Помары — Ужгород длиной почти 4,5 тысячи километров, установив рекорд скорости.

7. Угольная энергетика: проблемы КАТЭКа и новые технологии

Крупнейший Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс обладает огромными запасами дешевого угля с малой глубиной залегания, но его транспортировка и сжигание осложнены высокой влажностью, склонностью к самовозгоранию и пылению.

Особенности канско-ачинских углей

Геологические запасы крупнейшего месторождения Красноярского края достигают 400 миллиардов тонн, а промышленные запасы оцениваются в 100 миллиардов тонн. Коэффициент вскрытия здесь крайне мал, что позволяет добывать уголь открытым способом.

Угли КАТЭКа имеют малую калорийность в 3200–3500 ккал/кг и высокую влажность до 40 процентов. Из-за этого зимой они смерзаются, а летом пылят при перевозках, теряя миллионы тонн ценного буферного топлива.

Для борьбы с этими явлениями применяется утрамбовка катками или обработка поверхности специальной эмульсией. Для дальней транспортировки предлагаются водно-угольные или углекислотные трубопроводы, способные перекачивать сырье на расстояние до 4500 километров из Сибири в центр страны.

Строительство 250-километрового опытно-промышленного углепровода Бедово — Новосибирск и эксплуатация трубопроводов с гидрошахт «Инская» и «Юбилейная» в Кузбассе доказывают жизнеспособность этого метода.

Транспортировка и котлы с кипящим слоем

Повысить эффективность сжигания твердого топлива позволяют принципиально новые технические решения.

При продувании воздуха с большой скоростью через твердые частицы песка и топлива последние начинают вести себя как кипящая жидкость. Этот псевдосжиженный слой обеспечивает полное сгорание частиц при относительно невысокой температуре в 800–850 °C, поддерживаемой благодаря хорошей теплоотдаче.

Применение таких установок дает следующие преимущества:

• экономия металла в котельном оборудовании на 30–50 процентов;
• уменьшение физических размеров котлов;
• эффективное улавливание окислов серы при добавлении известняка.

Разработки Ленинградского Центрального котлотурбинного института (ЦКТИ) и Ленинградского политехнического института открывают новые перспективы для угольной генерации.

8. Перспективные методы генерации: МГД и плазмохимия

Передовые технологии вроде магнитогидродинамических генераторов и плазмохимии позволяют осуществлять прямое бестурбинное преобразование энергии и эффективную очистку газов.

МГД-генераторы и сверхвысокие температуры

Магнитогидродинамические генераторы осуществляют прямое бестурбинное преобразование тепловой энергии ионизированного газа в электрический ток при сверхвысоких температурах. Поток продуктов сгорания нагревается до 2200–3000 °C, ионизируется и превращается в проводник тока. Проходя через магнитное поле в канале с электродами, он создает электродвижущую силу, а введение специальных присадок позволяет параллельно очищать газы от соединений серы.

Работа в комплексе МГД-генератора с обычной ТЭС повышает КПД установки до 50–55 процентов. Добавление карбоната калия удаляет из дымовых газов 99,8 процента серы.

Строительство опытно-промышленной установки У-25 на Коровинском шоссе в Москве и первой промышленной МГДЭС неподалеку от Рязани мощностью 250 тысяч киловатт демонстрирует практический переход к новым технологиям.

Плазмохимическая очистка от серы

Плазмохимический метод с использованием СВЧ-излучения позволяет эффективно разлагать сероводород на серу и водород с минимальными затратами энергии. Традиционное термическое разложение сероводорода требует нагрева до 1500 °C и сложного быстрого охлаждения, чтобы избежать обратной реакции. Применение СВЧ-излучения раскачивает атомы водорода и серы до разрыва связи без сильного нагрева самого газа, что решает экологические задачи нефтепереработки.

Опытная установка на Дрогобычском нефтеперерабатывающем комбинате создана по предложению ученых Института атомной энергии имени И. В. Курчатова.

9. Атомно-водородная энергетика будущего

Водородная энергетика предлагает использование чистого и высококалорийного энергоносителя, который может производиться из воды с помощью атомной энергии.

Экофильный энергоноситель будущего

Мировой объем получения водорода достигает 30 миллионов тонн в год. В перспективе этот показатель может вырасти в 20–30 раз за 40 лет.

Такой интерес объясняется уникальными свойствами газа.

• Калорийность водорода составляет 33 тысячи килокалорий на килограмм, что в три раза выше показателей бензина.
• Экофильный вид топлива легко транспортируется по трубам и может напрямую использоваться в топливных элементах.

Термохимические циклы и электролиз

Сегодня основной объем водорода получают из дорожающего природного газа. В будущем этот процесс планируют заменить на выделение водорода из воды. Для этого применяют электролиз или термохимические циклы.

Максимальный КПД современных электролизеров достигает 70–80 процентов.

Для обсуждения этих задач создаются специальные площадки. Под эгидой ЦК ВЛКСМ проводятся регулярные школы «Атомно-водородная энергетика и технология» и строятся экспериментальные установки.

10. Флагман энергетики: мирный атом и реакторы нового типа

Советская атомная энергетика прошла путь от первой в мире АЭС до мощных реакторов ВВЭР, РБМК и реакторов на быстрых нейтронах.

Исторический пуск первой АЭС

Пуск первой в мире атомной электростанции в СССР в 1954 году открыл эру мирного использования атома и преодолел психологический барьер в обществе. Первая АЭС имела небольшую электрическую мощность в 5000 киловатт. Для нее использовали турбину с погнутым валом от московской электростанции, которую успешно выправил местный умелец. Успех проекта показал возможность мирного применения ядерной энергии вместо наращивания военного потенциала.

В апреле 1954 года на первой АЭС зафиксировали следующие параметры:

• тепловая мощность 15,8 МВт;
• электрическая мощность 1,5 МВт;
• КПД 10%.

Сообщение об этом историческом событии появилось в газете «Правда» 1 июля 1954 года.

Реакторы ВВЭР, РБМК и быстрые нейтроны

Советская атомная энергетика опирается на два основных типа реакторов: водо-водяные (ВВЭР) и канальные большие (РБМК), различающиеся конструкцией и замедлителями. Реакторы ВВЭР используют воду под высоким давлением как теплоноситель и циркониевые трубки с двуокисью урана в активной зоне. Реакторы РБМК размещают топливные элементы в циркониевых трубах внутри графитовых блоков, что позволяет создавать установки большой мощности без массивного корпуса под давлением.

Реакторы ВВЭР установлены на Воронежской, Запорожской и Балаковской АЭС. Реактор РБМК мощностью 1,5 миллиона киловатт работает на Игналинской АЭС в Литве.

Реакторы-размножители на быстрых нейтронах способны в процессе работы производить искусственное ядерное топливо в количестве, превышающем сожженное. В таких реакторах вместо воды используется жидкий натрий, что не позволяет замедлять нейтроны. Поглощая нейтроны, неделящийся изотоп уран-238 превращается в делящийся плутоний-239, обеспечивая расширенное воспроизводство и решая проблему ограниченности природных запасов урана.

В 1973 году на полуострове Мангышлак на берегу Каспийского моря заработал первый промышленный реактор на быстрых нейтронах БН-350. Он производил электроэнергию, опреснял воду и нарабатывал плутоний. Установка выдавала 150 мегаватт реальной электромощности при условной 350 мегаватт и производила 120 тысяч тонн пресной воды в сутки.

11. Термодинамические ограничения и энергетические потери

Второй закон термодинамики устанавливает жесткие ограничения на КПД тепловых машин, из-за чего большая часть энергии неизбежно теряется в виде низкопотенциального тепла.

Цикл Карно и неизбежные потери

Согласно циклу Сади Карно, самопроизвольное превращение тепла в работу невозможно без рабочих тел и перепада температур. Доля потерянного тепла определяется отношением минимальной температуры цикла к максимальной, что ограничивает реальный КПД паровых электростанций на уровне 35–38 процентов. В итоге около 60 процентов конечной энергии исчезает на пути к потребителю.

Автор приводит расчет идеального цикла с аммиаком, где при нагреве до 127 градусов и сбросе тепла при 27 градусах максимальный теоретический КПД составляет 25 процентов, а реальный не превышает 15 процентов.

Тепловые насосы в быту и промышленности

Обратный термодинамический цикл за счет затраты механической или электрической работы переносит тепло от менее нагретого тела к более нагретому. Тепловые насосы позволяют эффективно отапливать помещения за счет перекачки низкопотенциального тепла окружающей среды, расходуя вдвое меньше электричества, чем прямые электронагреватели. Это делает выгодным утилизацию сбросного тепла промышленных предприятий или воды природных водоемов даже в холодное время года.

В крымско-кавказской курортной зоне для получения горячей воды используют восьмиградусную воду Черного моря с помощью тепловых насосов, а в ряде стран мира прошел настоящий насосный бум.

12. Экономика энергетики и нетто-анализ

Энергетический нетто-анализ и оценка косвенных рисков позволяют точно рассчитывать затраты первичной энергии и оптимизировать создание защитных систем.

Материализованная энергия и нетто-анализ

Любой промышленный продукт или элемент инфраструктуры представляет собой «материализованную» энергию всех предшествующих переделов. Энергетический нетто-анализ позволяет оценивать любые материальные объекты, оборудование и постройки в эквиваленте затраченной на их создание первичной энергии. Такой подход дополняет привычный денежный учет и помогает проектировать наиболее эффективные установки без искажений ценообразования.

• Средняя энергетическая ценность промышленности СССР составляет около 10 тысяч килокалорий на рубль.
• В легкой промышленности этот показатель равен 1500 килокалориям на рубль.
• В черной металлургии затраты достигают 30–40 тысяч килокалорий на рубль.

Прямой и косвенный риск технологий

Чрезмерное стремление к абсолютному снижению прямого риска технических систем способно привести к росту совокупной опасности из-за увеличения косвенного риска. Производство дополнительного защитного оборудования, возведение массивных сооружений и отвлечение ресурсов требуют больших затрат труда и материалов, порождая новые угрозы. Из-за этого существует строгий оптимум в создании средств защиты и противоаварийных мер.

Стоимость атомных электростанций в полтора раза возросла именно за счет усложнения систем безопасности. Тяжелые последствия техногенных катастроф наглядно демонстрируют масштаб возможных угроз. Жертвами аварии на химическом заводе в Бхопале стали около двух с половиной тысяч человек, а авария на Чернобыльской атомной станции показала всю остроту проблемы надежности сложных энергосистем.

13. Энергосбережение на производстве и транспорте

Промышленные предприятия и транспорт обладают огромными резервами экономии за счет вторичных энергоресурсов, полупроводниковых регуляторов и электрификации путей.

Опыт объединения Азот и вторичные ресурсы

Крупные предприятия способны добиваться существенной экономии за счет использования вторичных энергетических ресурсов и оптимизации процессов. Потенциальные вторичные ресурсы на производстве порой достигают десяти процентов от общего энергопотребления.

В 1980 году правительственная комиссия с участием автора обследовала Череповецкий метзавод, Новокраматорский машзавод, Полоцкий НПЗ и северодонецкое объединение «Азот». Утилизация тепла сжатых газов, сбор сбросных горючих газов и очистка сточных вод позволили «Азоту» начать экономить тридцать тысяч тонн условного топлива в год только на подогреве речной воды. В 1984 году группа работников предприятия получила за это премию Совета Министров СССР.

Транспортные резервы экономии топлива

Экономия энергии достигается за счет организационных улучшений и массового внедрения технических новшеств. Шестьдесят процентов электродвигателей в промышленности используются для привода вентиляторов, компрессоров и насосов.

• Применение полупроводниковых регуляторов скорости позволяет сэкономить до десяти процентов электроэнергии за счет регулирования вращения двигателей.
• Замена неэффективных автомобильных перевозок железнодорожными и электрификация путей существенно экономят дефицитное топливо.

Изобретатель Велло Лейто доказал на автомобиле «Жигули», что использование бортовых процессоров для выбора оптимального режима движения позволяет водителям экономить бензин. При этом затраты на электрификацию железных дорог составляют сто тысяч рублей на километр пути.

14. Новые материалы и технологии для экономии энергии

Создание инновационных материалов вроде алинитового цемента и керамических двигателей позволяет кратно сократить огромные затраты энергии в базовых отраслях.

Теоретически минимальные затраты энергии на производство материалов сильно отличаются от практических расходов. Разработка новых составов и методов помогает существенно снизить этот разрыв.

• Требуется всего 25 килограммов условного топлива на производство тонны цемента теоретически, в то время как на практике уходит 320 килограммов.
• Производится 130 миллионов тонн цемента в стране ежегодно.

Алинитовый цемент низкотемпературного обжига

Сотрудники Ташкентского института строительных материалов открыли алинитовый цемент, обжиг которого происходит при температуре на 400 градусов ниже обычной.

Изобретение нового вида цемента с добавлением хлора позволяет снизить температуру обжига и заметно ускорить процесс твердения материала.

Адиабатные керамические двигатели

Обычные двигатели теряют большую часть тепла с охлаждающей жидкостью и выхлопными газами. Применение керамических материалов в двигателях внутреннего сгорания позволяет создать адиабатные моторы с высоким КПД.

• Термостойкие керамические детали на основе карбидов и нитридов кремния выдерживают температуру до 1500 градусов.
• Удается поднять КПД керамического двигателя до 45–50 процентов за счет устранения потерь на охлаждение.
• Ресурс работы таких моделей пока составляет от 50 до 500 часов.

Японская фирма «Исудзу» создала двигатель из керамики, обладающий повышенным КПД. Подобные технологии позволяют отказаться от водяного охлаждения и успешно перевести мотор на самые разные виды топлива.

15. Возобновляемые источники: солнце, ветер, геотермия и океаны

Солнечная, ветровая, геотермальная энергетика и энергия океанов предоставляют экологически чистые возобновляемые ресурсы для замещения традиционного топлива.

Гелиостанции и спутниковые проекты

Из-за низкой плотности солнечного излучения улавливание энергии требует больших площадей или концентрации лучей зеркалами. Средняя плотность солнечной энергии на поверхности Земли составляет 150–250 ватт на квадратный метр.

• Солнечные станции башенного типа с системами слежения за светилом по расписанию ЭВМ.
• Полупроводниковые фотоэлектрические панели для прямого преобразования света.
• Проекты орбитальных станций с передачей энергии на Землю.

В СССР недалеко от Керчи сооружена станция мощностью 5 мегаватт, где 1600 зеркал с автоматическим приводом направляют лучи на паровой котел на 70-метровой башне.

Ветровая, геотермальная и океаническая генерация

Тепло земных недр и термальные воды служат эффективным возобновляемым источником для теплоснабжения и выработки электроэнергии. В стране доступно свыше 20 миллионов кубометров кипятка в сутки. На Камчатке в 1967 году была построена первая в СССР Паужетская геотермальная электростанция мощностью 5 тысяч киловатт, использующая скважины с температурой смеси до 200 градусов.

Ветроэнергетика переживает второе рождение благодаря созданию новых аэродинамических конструкций ветродвигателей и отказу от громоздких башен. Мощность ветропотока зависит от его скорости в кубической степени. Для повышения рентабельности разрабатываются вертикально-осевые установки, эллипсовидные роторы и системы с использованием парусных тележек.

Океан аккумулирует колоссальное количество энергии, которую можно превращать в электричество через подводные турбины, теплообменники на разнице температур или приливные гидроэлектростанции. Мощность течений Куросио и Гольфстрим достигает 3 миллиардов киловатт. В устье реки Ране во Франции и в Кислой губе около Мурманска были построены действующие приливные станции, использующие энергию лунных приливов.

Гидроэнергетика остается самым освоенным и удобным возобновляемым источником, сочетающим гигантские ГЭС и возрождающиеся малые станции. В СССР сосредоточено 12 процентов мировых запасов гидроэнергии, а высота самой высокой в мире арочной бетонной плотины Ингури-ГЭС составляет 272 метра.

16. Энергетика жилья, зданий и бытовых приборов

Минимизация потерь тепла в зданиях через оптимальную форму, теплоизоляцию теплотрасс, теплые стекла и энергосбережение в быту дает многомиллионную экономию топлива.

Архитектура зданий и теплоизоляция теплотрасс

Самой выгодной формой здания с точки зрения минимизации потерь тепла является шар, так как у него наименьшее отношение поверхности к объему. Потери тепла прямо пропорциональны площади поверхности здания, через наружные стены уходит до 40 процентов тепла. Поскольку жить в шарообразном доме непрактично из-за отсутствия дневного света во внутренних комнатах, архитекторы размещают в центре нежилые помещения, а для стен используют трехслойные панели с теплоизоляцией.

Изучение биологических особенностей северного оленя помогает инженерам разрабатывать эффективные материалы для теплоизоляции. Ученые Магаданского института биологических проблем Севера выяснили, что мех северного оленя состоит из полых волосков, а зимой кончики утолщаются, образуя надежную тепловую броню.

Из-за намокания изоляции в грунтовых каналах теплотрасс страна несет колоссальные потери условного топлива. Протяженные сети трубопроводов горячего теплоносителя страдают от проникновения грунтовых вод, разрушающих изоляцию. Для борьбы с этим разрабатываются новые материалы вроде пенополимербетона с закрытой пористостью.

Теплое стекло и бытовые энергозатраты

Установка специальных теплоотражающих стекол позволяет вдвое сократить потери тепла через оконные проемы. Зимой через окна уходит до половины тепла жилых зданий. Применение технологии металлизации стекла или покрытия его тонкой пленкой из двуокиси олова превращает окна в ловушки для солнечной энергии, не выпуская тепло наружу.

Бытовые газовые плиты являются мощными потребителями энергии и значительным источником загрязнения воздуха в помещениях. Мощность одной газовой горелки в квартире сопоставима с энергопотреблением десятков электроламп, при этом газ расходуется бесконтрольно из-за отсутствия счетчиков. Продукты сгорания газа выделяют окись углерода и двуокись азота, ухудшая здоровье жильцов.

Использование кастрюль-скороварок позволяет существенно сократить время приготовления пищи и затраты энергии. Принцип термической обработки продуктов в герметично закрытом сосуде под повышенным давлением был продемонстрирован еще в XVII веке, но широкое распространение получил с появлением легких и прочных алюминиевых и хромоникелевых сплавов.

Введение летнего и декретного времени позволяет существенно экономить электроэнергию за счет более эффективного использования светлой части суток. Смещение стрелок часов приближает середину активного дня человека к астрономическому полудню, снижая пиковые нагрузки на Единую энергетическую систему страны и уменьшая потребность в искусственном освещении.

Люминесцентные лампы дневного света превосходят лампы накаливания по экономичности и сроку службы, воспроизводя спектр, близкий к солнечному. Люминесцентная лампа использует разряд в газе и свечение люминофора, потребляя в несколько раз меньше электроэнергии. Несмотря на это, их массовое внедрение в быту тормозится необходимостью пусковой арматуры и привычкой населения к лампам накаливания.

17. Энергетика сельского хозяйства и ноль-обработка почвы

Агропромышленный комплекс потребляет значительные ресурсы, но переход на безотвальную пахоту и ноль-обработка сокращает расход топлива и защищает почву.

Энергоемкость агробизнеса и биологическое земледелие

Сельское хозяйство требует огромных затрат первичных энергетических ресурсов. Преобразование солнечной энергии в продукты питания идет с крайне низким общим КПД.

Агропромышленный комплекс страны потребляет около 160 миллионов тонн условного топлива на полевые работы, транспорт и выпуск удобрений. Общая энергоемкость с учетом косвенных затрат достигает 250–300 миллионов тонн. При этом производимая сельскохозяйственная продукция эквивалентна лишь 100 миллионам тонн условного топлива.

Усредненный КПД преобразования солнечного излучения в продукцию сельского хозяйства составляет всего 0,1 процента из-за природных потерь энергии на дыхание растений и испарение.

Минимальная обработка почвы

Традиционные методы земледелия наносят серьезный урон почве и требуют постоянного сжигания топлива. Изменить этот подход помогают новые технологии защиты земли.

Отказ от глубокой вспашки предотвращает эрозию и экономит ресурсы. В современной практике применяются следующие решения:

• безотвальная пахота
• ноль-обработка
• мостовой метод

Проход тяжелых тракторов уплотняет почву на большую глубину и снижает урожайность. Удельные расходы топлива на тракторах составляют от 170 до 200 граммов на лошадиную силу в час. Минимальная обработка сокращает общий расход энергии на 20 процентов и тормозит разрушение гумусного слоя, хотя требует увеличения доз гербицидов для борьбы с сорняками. Из-за эрозии теряется в 10 раз больше гумуса, чем вносится органического вещества.

18. Тепличное хозяйство и биотехнологии будущего

Фитотроны, теплицы и сбросное тепло АЭС

Выращивание растений в искусственных условиях фитотронов дает рекордные урожаи, но требует огромных затрат энергии.

Фитотроны представляют собой герметичные боксы с искусственным освещением, почвой и регулируемым климатом. В отличие от них, промышленные теплицы должны соизмерять затраты энергии с полученным урожаем, поэтому перенимать фитотронные достижения нужно с оглядкой на энергозатраты.

В фитотронах при 16-часовом освещении получают до 500 центнеров зерна с гектара, в то время как средний сбор по стране в начале 70-х составлял 18 центнеров. При этом вегетационный период в фитотроне сокращается до 70 суток.

Большая часть стоимости тепличных овощей приходится на сожженное топливо. Использование теплиц в южных регионах с мягким климатом снижает потребность в органическом топливе, а затраты энергии на транспортировку овощей в центральные районы оказываются существенно меньше достигнутого энергосбережения. Тепличный комбинат «Южный» в Карачаево-Черкесии позволяет сберегать около 1,5 килограмма топлива на выращивании каждого килограмма овощей. Для обогрева 1 гектара зимних теплиц в год расходуется 2–3 тысячи тонн условного топлива и 300–600 тысяч киловатт-часов электроэнергии на освещение.

Отработанное тепло атомных электростанций можно эффективно использовать для обогрева крупных тепличных хозяйств. Сбросное тепло станций способно полностью обеспечить потребности теплиц в обогреве, если применить метод водонаполненной кровли, когда горячая вода стекает по стеклянным панелям. При этом запрещается строительство теплиц на органическом топливе в европейской части СССР вблизи АЭС. В 1990 году АЭС страны сбросят примерно 100 миллионов тонн условного топлива, часть которого может пойти на нужды теплиц.

Оптимизация освещения и концентрации углекислого газа в теплицах позволяет повысить урожайность и снизить расход электроэнергии. Эксперименты показывают, что фотосинтез эффективнее идет при переменной интенсивности света. В совхозе «Тепличный» Челябинской области установили осветительные лампы на вращающихся каруселях, что дало тот же урожай при многократно меньшем расходе электроэнергии.

Биоконверсия и мандариновый бензин

Растения, бактерии и органические отходы могут служить перспективными источниками бионефти, спиртов и биогаза.

Некоторые растения и микроорганизмы синтезируют углеводороды, близкие по составу к нефти или дизельному топливу. Также органические отходы животноводства и растениеводства могут перерабатываться анаэробной ферментацией в биогаз и высококачественные удобрения.

• общая масса живого вещества на Земле составляет 2500 миллиардов тонн
• ежегодный биологический прирост достигает 400 миллиардов тонн
• возможный сбор бионефти с гектара масличного молочая составляет 4 тонны в год

Бразилия реализовала масштабную национальную программу по производству этанола из сахарного тростника, доведя объем его производства до 6 миллионов тонн к 1982 году. В то же время японская компания «Судзуки мотор» испытывала бензин из мандариновой кожуры. Органические отходы перерабатываются в метантанках с получением биогаза и питательного шлама.

Заключение

Масштабный рост энергопотребления человечества создал беспрецедентную нагрузку на природные системы, сделав энергетическую проблему одной из ключевых угроз для планетарного баланса. Преодоление этого кризиса невозможно через простой отказ от благ цивилизации или возвращение к примитивным технологиям. Человечество не может остановить рост энерговооруженности, но обязано совместить его с жесткой, системной и продуманной государственной политикой рационального использования ресурсов.

Для успешного перехода к новой модели эффективной экономики необходимо руководствоваться следующими принципами:

1. Рассматривайте энергосбережение как приоритетный источник энергии, который обходится дешевле и чище строительства новых мощностей.
2. Сохраняйте ценные углеводороды в недрах для глубокой химической переработки вместо сжигания в топках.
3. Оптимизируйте структуру топливно-энергетического баланса, последовательно расширяя использование природного газа и атомной энергетики.
4. Внедряйте вторичное использование энергоресурсов и утилизацию низкопотенциального тепла во всех производственных процессах.
5. Поддерживайте развитие возобновляемых источников энергии для локального энергоснабжения.
6. Модернизируйте жилищно-коммунальный сектор и транспортную инфраструктуру, где сосредоточены колоссальные резервы экономии.
7. Перестраивайте технологические процессы с учетом жестких термодинамических ограничений и экологических требований.

Решение глобальной энергетической задачи складывается из тысяч локальных шагов на каждом рабочем месте, в каждом доме и на производстве. Энергосберегающее мышление должно стать основой инженерной и управленческой культуры, определяющей будущее развитие всей человеческой цивилизации.

10 лучших мыслей

1. Громадные масштабы современной энергетики привели к нарушению общепланетарного баланса природных сил и ресурсов, нанося серьезный ущерб водным ресурсам, земельным угодьям и атмосфере.
2. Рост потребления энергии напрямую повысил уровень материальной обеспеченности, продолжительность жизни и досуг человека, заменив тяжелый физический труд машинной мощностью.
3. Политика энергосбережения заключается не в простом самоограничении, а в техническом совершенствовании процессов производства и потребления энергии.
4. Истощение запасов нефти и удорожание ее добычи требуют сохранения «черного золота» в недрах для использования в качестве ценнейшего химического сырья.
5. Опережающее развитие газовой промышленности выступает важнейшим этапом замещения дефицитной нефти и подготовки к широкому использованию ядерной энергии.
6. Передовые технологии вроде магнитогидродинамических генераторов и плазмохимии позволяют осуществлять прямое бестурбинное преобразование энергии и эффективную очистку газов.
7. Второй закон термодинамики устанавливает жесткие ограничения на КПД тепловых машин, из-за чего большая часть энергии неизбежно теряется в виде низкопотенциального тепла.
8. Промышленные предприятия и транспорт обладают огромными резервами экономии за счет вторичных энергоресурсов, полупроводниковых регуляторов и электрификации путей.
9. Создание инновационных материалов вроде алинитового цемента и керамических двигателей позволяет кратно сократить огромные затраты энергии в базовых отраслях.
10. Солнечная, ветровая, геотермальная энергетика и энергия океанов предоставляют экологически чистые возобновляемые ресурсы для замещения традиционного топлива.