Текст книги "Путь созидания. Мировоззрение. Концепция. Идеология."

3.23. Экология и энергетика будущего

Экологически чистая переработка всех промышленных и бытовых отходов является частью задачи сохранения окружающей среды и обеспечения здоровых условий жизни людей. Второй важной частью решения этой задачи является сокращение выбросов в атмосферу вредных веществ, образующихся в результате хозяйственной деятельности людей. Основной объем токсичных выбросов получается в результате сжигания ископаемого топлива в энергетических и технологических установках, в двигателях внутреннего сгорания автомобилей и других транспортных средств, свободного выделения вредных веществ технологических процессов.

Принципиально можно создать технологии и режимы сжигания топлива, обеспечивающие практически любую степень чистоты выбросов продуктов сгорания, обеспечить улавливание, нейтрализацию и очистку всех выбросов производственных технологических процессов. С практической точки зрения на первом этапе достаточно их сократить до величины, безопасной для здоровья людей и биосферы Земли. То, что не до конца очистил человек, переработает природа. При этом возникает вопрос определения величины безопасной концентрации вредных веществ. Существующие в настоящее время предельно допустимые концентрации выбросов являются неким компромиссом между экономикой и безопасностью для здоровья людей.

В настоящее время существует множество технологий, обеспечивающих сокращение выбросов и их очистку, полномасштабная реализация которых позволяет кардинально изменить экологическую обстановку в городах и крупных промышленных центрах, существенно снизить вредное воздействие на биосферу Земли. Вопрос в экономике и целеполагании.

Важнейшим направлением снижения выбросов в атмосферу вредных веществ является сокращение объемов сжигания ископаемого органического топлива. Топливо используется для получения тепловой, электрической и механической энергии. Современная энергетика базируется на применении не возобновляемых ископаемых видов топлива – каменного угля, природного газ, продуктов переработки нефти и обогащенного урана. Их целесообразные с точки зрения затрат на добычу труда и энергии запасы конечны. Несмотря на то, что в недрах Земли идут происходящие длительное время процессы их синтеза, при современной скорости потребления доступные ископаемые виды топлива могут достаточно быстро иссякнуть. Сокращение использования не возобновляемого топлива и переход на возобновляемые или на неисчерпаемые в рамках потребности людей источники энергии является одним из условий сохранения современного человечества.

Из доступных на Земле возобновляемых источников энергии в значимых масштабах используется энергия солнца, ветра, естественного движения водных потоков (гидроэнергия), древесного топлива, различных видов биомассы, теплота земли (геотермальная энергия). За исключением энергии солнца, все возобновляемые источники имеют ограниченную суммарную мощность и объем годовой выработки энергии, не обеспечивающий современные потребности человечества.

Электрическая и тепловая энергия не являются материальными объектами, которые можно длительно хранить на складе и использовать по мере необходимости. Энергия потребляется неравномерно по сезонам, суткам и времени суток. Существующие технологии не обеспечивают создание хранилищ больших объемов электрической энергии, позволяющих выравнивать неравномерность ее потребления. Источники должны вырабатывать энергию во время ее потребления в объемах потребности.

Для выравнивания неравномерности потребления и генерации электроэнергии создаются объединенные энергосистемы с сетью линий электропередач, к которым подключаются множество источников генерации электроэнергии и множество ее потребителей. Для обеспечения устойчивости электроснабжения в составе энергосистемы существуют регулирующие источники, обеспечивающие снижение или увеличение выработки электроэнергии в соответствии с изменением ее потребления. Самым грандиозным системным достижением электроэнергетики на Земле была энергосистема «Мир», объединявшая единую энергосистему СССР, энергосистемы стран Совета Экономической Взаимопомощи (СЭВ), и дополнительно снабжавшую электроэнергией Монголию, Финляндию и Турцию. После разрушения СССР масштаб системы «Мир» уменьшился, осталась Единая энергосистема России с подключенными к ней по состоянию на 2017 год энергосистемами Азербайджана, Белоруссии, Грузии, Казахстана, Латвии, Литвы, Монголии, Украины и Эстонии, Киргизии, Узбекистана и Молдавии.

Источники энергии на базе органического топлива и энергии водных потоков могут вырабатывать энергию тогда, когда она нужна в объемах ее потребления. В настоящее время они являются основными регулирующими источниками объединенных энергосистем. Атомные электростанции работают непрерывно, но имеют ограниченный диапазон изменения мощности. Солнечные электростанции работают только в светлое время суток и их мощность определяется силой света, которая зависит от погоды и времени суток. Мощность ветряных генераторов определяется силой ветра, которая постоянно меняется. Мощность речных гидроэлектростанций зависит от сезонных колебаний объемов потока воды и климатических изменений.

Несмотря на то, что гидроэлектростанции, и источники энергии на древесном топливе, биомассе и теплоте Земли имеют потенциально ограниченную мощность, а солнечные и ветряные электростанции не обеспечивают постоянство выработки энергии, они должны использоваться по максимуму возможностей.

Геотермальная энергетика имеет наименьший потенциал. На Земле имеется ограниченное количество мест, где можно создавать геотермальные электростанции и источники прямого теплоснабжения. Теплота Земли может эффективно использоваться практически везде для нужд теплоснабжения с применением тепловых насосов, для работы которых нужна электроэнергия. При этом на единицу затраченной электроэнергии вырабатывается 3 – 4 единицы тепловой энергии.

Суммарная мощность рассмотренных выше биогазовых источников определяется количеством доступных для переработки органических отходов и целесообразной для использования растительной биомассы. С учетом того, что помимо стабильной, независимой от погоды и времени суток выработки электрической и тепловой энергии, они решают задачи обеспечения чистоты окружающей среды и производства биоудобрений для выращивания высококачественных, натуральных пищевых культур, количество этих источников должно быть максимально возможным. В 2020 году биогазовые станции Европы вырабатывали ориентировочно 4% общего объема электроэнергии. При полном использовании содержащих органику отходов биогазовые установки смогут обеспечить 15—20% современной потребности электроэнергии. Распределенное по территории расположение приближенных к потребителям биогазовых энергоисточников снижает нагрузку на сеть энергосистемы и потери в линиях передач. Выработка БГУ биоудобрений сокращает затраты энергии на производство минеральных удобрений.

Речные и приливные гидроэлектростанции являются на настоящее время самыми эффективными, экологически чистыми источниками электрической энергии. ГЭС позволяют быстро снижать и увеличивать мощность, они являются эффективными регуляторами в энергосистеме. Существуют гидроаккумулирующие ГЭС, которые в периоды избытка генерации в энергосистеме накапливают потенциальную энергию воды путем ее перекачивания на высоту в водохранилище и вырабатывают электроэнергию в периоды увеличенной потребности. Каскады ГЭС на крупных реках обеспечивают дополнительно регулирование потоков воды, позволяют избежать губительных наводнений и обеспечивают регулирование водоснабжения территорий. Однако их мощность ограничена мощностью водного потока имеющихся рек. На Земле имеются нереализуемые в настоящее время возможности строительства мощных приливных электростанций, однако места их расположения во многих случаях находятся на удалении от потребителей энергии. Хотя потенциал гидроэнергетики не обеспечивает не только потребности человечества, но и крупных стран, он должен использоваться по максимуму возможностей.

Древесина является одним из самых первых источников для выработки полезно используемой людьми энергии. Ее применение в качестве топлива актуально и сейчас, и будет целесообразно в будущем. Деревья осуществляют преобразование энергии солнца в энергию биомассы, утилизируют двуокись углерода и вырабатывают необходимый для биологической жизни кислород, являются одним из важнейших элементов оборота органических веществ в биосфере Земли. Лес – это в первую очередь возобновляемый источник материала для строительства, изготовления предметов быта, ценных химических веществ и продуктов питания, и только во вторую очередь – источник возобновляемой энергии. Люди могут и должны изымать из леса древесину в объемах, соответствующих возможностям его произрастания, и создавать условия воспроизводства. Лес необходимо беречь, защищать от пожаров, вредителей, ухаживать за ним, проводить санитарные вырубки, изъятие сухостоя и валежника, вовремя проводить вырубку готовых для полезного использования деревьев и засаживать освобождающиеся делянки или другие эквивалентные участки земли новыми деревьями. Лесное хозяйство это важная для текущей жизни людей и сохранения человечества отрасль.

Древесина должна использоваться в первую очередь как материал для строительства, производства предметов быта, бумаги и других полезных продуктов, в качестве компонента технологических производственных процессов. Не пригодная для этих целей древесина, отходы деревообработки, сухостой и валежник должны по максимуму использоваться в качестве топлива непосредственно или после их переработки в более удобную для применения в энергетических установках форму – щепа, пеллеты, брикеты, уголь. В настоящее время существуют технологии, обеспечивающие высокоэффективное сжигание древесного топлива для получения тепловой энергии и технологии использования древесины для совместной выработки электрической и тепловой энергии. При соблюдении определенных технологических режимов остающаяся после сгорания древесины зола становится ценным минеральным удобрением. Вырабатываемый из неделовой древесины и древесных отходов уголь может использоваться в металлургии и технологических процессах вместо каменного угля, а также в качестве удобрения.

Ветряные и солнечные электростанции имеют свою целесообразную нишу и долю выработки в единой системе энергоснабжения. Вследствие их нестабильности в энергосистеме должны быть регулирующие источники, компенсирующие спады выработки энергии ветрогенераторов и солнечных электростанций, накопители избытков энергии и потребители энергии, которые могут снижать потребление и отключаться в периоды дефицитна энергии.

Использование энергии ветра имеет ограничения, обусловленные тем, что ветрогенераторы могут устанавливаться только в местах устойчивых мощных воздушных потоков, мощные ветряные турбины излучают вредный для живых организмов инфразвук, отбор энергии ветра нарушает естественное движение воздушных потоков. Установка большого количества ветряных генераторов может привести к изменению климата, экологического и биологического равновесия в разных регионах Земли.

Солнце является практически неограниченным источником энергии, потенциально обеспечивающим все мыслимые технологические потребности людей Земли. На Землю падает солнечная энергия, превосходящая ориентировочно в 10 000 раз современное потребление людьми всех видов энергии. Отбор солнечной энергии в объеме технологических потребностей людей не может нарушить экологический и энергетический баланс Земли. Главный недостаток солнечной энергетики – ее нестабильность, зависимость от погодных условий и времени суток.

Решить проблему устойчивого обеспечения энергетических потребностей людей Земли за счет использования энергии солнца теоретически возможно при условии создания единой энергосистемы планеты. В местах наибольшей доступности солнечной энергии, в разных часовых поясах и на разных параллелях Земли размещаются солнечные электростанции и создается единая сеть электропередач, объединяющая все энергоисточники, к которой подключаются все потребители электроэнергии. К этой сети дополнительно подключаются все остальные рассмотренные выше источники возобновляемой энергии. В решении этой задачи есть определенные технические проблемы, но главным условием возможности ее реализации является переход на путь созидания всех, или подавляющего количества стран Земли.

Энергетика на возобновляемых источниках не может обеспечить выживание человечества в ситуации глобального катаклизма, кардинально меняющего природные условия Земли, например, катастрофической ядерной или вулканической зимы. На Земле идет процесс постоянного чередования ледниковых и межледниковых периодов с сокращением времени их чередования. По расчетам ученых в ближайшие 100—200 лет, а возможно даже через несколько десятилетий, может произойти наступление очередного ледникового периода на части северного полушария Земли с кардинальным изменением климата в других ее частях. Смещение климатических зон приведет к изменению распределения по Земле доступного солнечного излучения, перераспределению потоков воздуха, изменению течения рек, что приведет к коллапсу системы электроснабжения на возобновляемых источниках энергии.

Практически бесконечным в рамках человеческих потребностей, независимым от климата и многих возможных катаклизмов источником энергии для людей Земли может быть атомная (ядерная) энергия, получаемая в результате деления или синтеза ядер атомов. На сегодняшний день атомные электростанции (АЭС) вырабатывают около 17% мирового производства электроэнергии. Атомная энергетика при всех ее значимых объемах производства энергии является достаточно новой, далекой от совершенства отраслью. После некоторой паузы в расширении атомной энергетики, вызванной авариями АЭС Три-Майл-Айленд, Чернобыля и Фукусимы, начался новый этап ее развития. Большой ущерб развитию атомной энергетики нанес российский паразитарный переворот.

Традиционно в подавляющем количестве энергетических реакторов АЭС применяется технология на тепловых нейтронах, основанная на делении ядра атомов изотопа урана-235, запасы которого на Земле ограничены. В добываемом уране его содержится только 0,72%, основной объем составляет уран-238 – 99,27%. Однако, это только первая доведенная до промышленных масштабов технология. В настоящее время практически используется технология применения МОКС-топлива, получаемого из отработанного топлива традиционных реакторов. В рамках российского проекта «Прорыв» разработана и уже реализуется на практике технология двухкомпонентной атомной энергетики на базе реакторов на тепловых и быстрых нейтронах с замыканием ядерного топливного цикла, позволяющая многократно повторно использовать отработанное топливо, а также уран-238. Данная технология позволяет решить проблему обеспечения электроэнергией за счет использования уже добытого и хранящегося урана-238 и накопленных отходов ядерного топлива на несколько тысячелетий.

Топливная база атомной энергетики может быть значительно расширена применением других химических элементов и других типов ядерных реакций. Китай приступил к разработке технологии ядерной энергетики на базе тория, запасы которого на Земле больше в 3 раза запасов урана. По оценкам экспертов имеющегося в недрах Китая тория достаточно для обеспечения его энергетических потребностей на 20 тысяч лет.

Учеными проработаны варианты создания безопасных атомных реакторов, в том числе с управляемой мощностью, решающих задачу регулирования выработки энергии в соответствии с ее потребностями. Человеческий разум в состоянии разработать и освоить технологии безопасного использования атомной энергии на базе доступных на Земле и других планетах химических элементов, и создать атомную энергетику, обеспечивающую все потребности человечества на тысячелетия, на всю потенциально возможную жизнь людей на Земле и вне ее.

В отличие от рассмотренных выше возобновляемых источников энергии атомная энергетика не подвержена изменениям климата. Современный уровень научно-технического развития позволяет создать надежные и безопасные реакторы, устойчивые к землетрясениям и воздействию других катастрофических явлений. Ее развитие является одним из условий возможности выживания человечества в ситуациях неизбежных глобальных катаклизмов. Одним из наиболее вероятным, ближайшим из них, может быть наступление очередного ледникового периода, либо вулканическая зима вследствие возможного взрыва Йеллоустонского супервулкана и резкой активности других вулканов. Причем вполне реальным может быть их совмещение во времени. Люди должны быть максимально готовыми к этим тяжелым испытаниям. Глобальные катаклизмы являются очень сильными стимулами созидательного развития человечества.

Запасы ископаемого топлива не бесконечны. При современных объемах потребления его хватит на несколько столетий, возможно на тысячелетие. За это время человечество обязано перейти на неисчерпаемые в рамках его потребностей источники энергии.

В действующих крупных АЭС получаемая ядерная энергия используется менее, чем на половину – только для выработки электрической энергии. Остающаяся тепловая энергия бесполезно сбрасывается в окружающую среду. Развитие атомной энергетики шло по пути создания и совершенствования мощных энергоблоков. В настоящее время разработаны и внедряются безопасные атомные энергоисточники средней и относительно небольшой мощности, обеспечивающие когенерационную (совместную) выработку электроэнергии и полезное использование тепловой энергии, а также чисто теплофикационные атомные реакторы. Когенерационные АЭС различной мощности могут строиться вблизи крупных и средних по численности городов, обеспечивая их централизованную теплофикацию, замещая традиционные теплоэлектростанции на ископаемом топливе. Распределенное по территории расположение энергоисточников позволяет сократить потери в линиях электропередач и увеличить устойчивость энергоснабжения.

Развитие атомной энергетики и создание энергосистемы, объединяющей крупные атомные электрические станции, когенерационные АЭС средней и небольшой мощности, рассмотренные выше возобновляемые источники энергии, позволяет в не далекой перспективе отказаться от использования традиционного не возобновляемого ископаемого топлива для обеспечения потребностей в электрической, тепловой и механической энергии.

Города и поселения переводится на комбинированное теплоснабжение с использованием тепловой энергии когенерационных атомных и биогазовых станций, древесного топлива и электрической энергии. В системах теплоснабжения устанавливаются электрические водогрейные котлы, тепловые насосы и аккумуляторы тепловой энергии, представляющие собой теплоизолированные емкости с водой. Вода в теплоаккумуляторах нагревается в периоды минимумов потребления электроэнергии в энергосистеме, накопленная теплота воды используется по мере ее потребности для отопления, горячего водоснабжения и технологических нужд предприятий. При этом система теплоснабжения становится одним из регуляторов баланса мощности энергосистемы. Водяные теплоаккумуляторы являются относительно недорогими сооружениями, с удельной стоимостью на порядки меньшей, чем аккумуляторы электроэнергии, и давно используются в действующих системах теплоснабжения. Возможна реализация теплоаккумуляторов на расплаве солей. В настоящее время построен первый коммерческий аккумулятор на базе нагрева песка. Нагрев рабочего тела до температуры более 500 ºС позволяет выработку из накопленной тепловой энергии электроэнергии и тепловой энергии требуемого потенциала. Возможны различные варианты оптимального сочетания централизации и децентрализации систем теплоснабжения, обеспечивающие минимизацию потерь энергии и эффективность работы энергосистемы.

Для сокращения и последующего полного отказа от применения ископаемого топлива для транспорта, осуществляется его максимально возможный перевод на электрический привод и на двигатели внешнего сгорания (двигатель Стирлинга), работающие на возобновляемом экологически чистом топливе. В качестве источников энергии электрического транспорта могут применяться электрохимические аккумуляторы, суперконденсаторы и топливные элементы на водороде, добываемом из недр Земли или вырабатываемом с помощью электрической энергии, топливные элементы на метане, вырабатываемом биогазовыми установками. Зарядка транспортных аккумуляторов и выработка водорода в ночной период минимума потребления электроэнергии обеспечивает выравнивание нагрузки в энергосистеме. В качестве экологически чистого топлива для двигателей внешнего сгорания может применяться водород, древесный уголь.

Отработавшие свой срок эксплуатации электрохимические аккумуляторы и топливные элементы должны перерабатываться с извлечением всех элементов, необходимых для производства новых аккумуляторов и топливных элементов. Организация замкнутого цикла воспроизводства данных энергоносителей является мероприятием, необходимым как для обеспечения текущих потребностей, так и выживания человечества.

Государство созидания может создать эффективную систему централизованного пассажирского и грузового электротранспорта, в том числе с непосредственным контактным или бесконтактным питанием от стационарных электросетей (электропоезда, наземное, надземное и подземное метро, трамвайные и троллейбусные линии), позволяющую существенно снизить потребности в индивидуальном транспорте, решить проблему транспортной перегрузки улиц городов.

Одновременно с переходом на новую энергетику необходимо активно вести работу по обеспечению экономии потребления энергии, сокращению ее затрат на единицу производимых материальных ценностей и услуг, уменьшению доли ископаемого топлива в технологических процессах. Энергосбережение – это экономия первичного энергоресурса, а также сокращение материальных и трудовых затрат для создания и эксплуатации объектов генерации и передачи энергии.

В целях сокращения затрат энергии необходимо повышать коэффициент полезного действия оборудования, разрабатывать новые энергосберегающие технологии и новые материалы.

Потребление тепловой энергии развитыми и развивающимися странами, территории которых расположены в зонах умеренного и холодного климата превышает потребление электроэнергии. В России потребление тепловой энергии составляет около 70% общего ее потребления, в том числе затраты на теплоснабжение (отопление и горячее водоснабжение) – 55—60% от общей выработки энергии. Относительно низкая цена на природный газ и уголь в совокупности со спецификой сложившейся после разрушения СССР системы колониальной экономики и управления привели к тому, что Россия является одной из самых энергорасточительных стран мира с самыми большими потерями энергии в системе теплоснабжения.

Экономия тепловой энергии является одной из важнейших составляющих сохранения ресурсов Земли и чистоты среды обитания. В этом направлении в развитых странах много делается уже в настоящее время. Для уменьшения потребности тепловой энергии осуществляется утепление ограждающих конструкций существующих зданий и строительство новых энергоэффективных зданий с минимальными тепловыми потерями, применение систем рекуперации тепла вентиляции помещений (использование тепла отработанного вытяжного воздуха для нагрева приточного воздуха), использование тепла вытяжного воздуха для нагрева воды горячего водоснабжения или отопления, применение эффективной тепловой изоляции в системах транспорта тепловой энергии, применение интеллектуальных систем интегрального и локального автоматического регулирования теплоснабжением. Реализация перечисленных мероприятий энергосбережения с использованием имеющихся технологий позволяет в условиях России сократить на 70 – 75% затраты энергии на теплоснабжение. Сокращение затрат на отопление обеспечивает выравнивание сезонной неравномерности потребления энергии и позволяет, соответственно, уменьшить количество энергоисточников.

Важным направлением сокращения затрат на выработку тепловой энергии является использование так называемых вторичных энергоресурсов – бесполезно сбрасываемой предприятиями в окружающую среду остатков тепловой энергии технологических процессов. Например, сбрасываемого в атмосферу тепловой энергии охлаждения оборудования крупного металлургического предприятия достаточно для обеспечения нужд теплоснабжения небольшого города. Причем для этого зачастую нужно просто проложить теплотрассу от предприятия до жилого сектора. Применение системы водяной очистки и охлаждения технологического воздуха линии производства цемента позволяет существенно сократить выбросы в атмосферу цементной пыли, вредных твердых и газообразных веществ, вернуть в технологический процесс часть бесполезно сбрасываемой в атмосферу тепловой энергии и получить тепловую энергию для нужд теплоснабжения более 10 тыс. человек. Можно привести тысячи подобных примеров. Потенциал энергосбережения за счет использования вторичных энергоресурсов достаточно большой. Государство созидания должно сделать все возможное для его использования.

В области энергетической эффективности и экономии материальных затрат следует учиться у природы, создавать природоподобные технологии. В качестве примера природной энергетической эффективности можно привести фотосинтез, выработку пауком паутины, обладающей высочайшей удельной прочностью, переработку веществ микроорганизмами, работу нашего мозга, потребляющего для решения логических задач энергию на порядки меньше, чем компьютеры.

На некотором этапе человечество должно перейти на следующий технологический уровень, обеспечивающий прямой синтез требуемых материалов и изделий. Зачатками этого перехода являются нанотехнологии, обеспечивающие конструирование материалов и структур путем атомно-молекулярного манипулирования; аддитивные технологии, дающие возможность прямого формирования, «печатания» изделия с помощью 3D-принтера, а не путем удаления с заготовки лишнего материала; информационные технологии, обеспечивающие возможность проектирование новых эффективных производственных технологий и управление ими.

Использование экологически чистых источников энергии, перевод теплоснабжения на атомную тепловую и электрическую энергию, максимальная реализация потенциала энергосбережения, использование транспорта на электрическом приводе и водороде, внедрение эффективных систем очистки производственных выбросов, экологически чистая переработка всех производственных и бытовых отходов с повторным применением продуктов переработки позволят создать чистую, безопасную для здоровья среду обитания человека, обеспечить его потребности без разрушения биосферы.

Не возобновляемые концентрировано расположенные полезные ископаемые ресурсы – это божественный дар, позволивший выйти людям на современный уровень технологического развития. Для обеспечения возможности будущей жизни человечество должно выйти на новую ступень технологического развития, позволяющую жить в условиях не безграничных легко доступных полезных ископаемых, освоить новые виды энергии, создать устойчивую к катаклизмам неисчерпаемую в рамках потребностей энергетику.