Мировая энергетика

Современное промышленное общество расходует огромное количество энергии. Серьезные опасения вызывает проблема истощения и рационального использования ее запасов. Не смотря на то, что в Канаде, США, Японии и странах Западной Европы проживает лишь 12,5% населения Земли, на их долю приходится 60% мировых энергетических ресурсов. И наоборот, оставшиеся страны, население которых достигает 87,5% жителей планеты, потребляют всего 40% этих ресурсов. Большая часть мировых запасов энергии связана с ископаемыми видами топлива (углем, нефтью и природным газом.) В настоящее время запасы такого топлива сокращаются ужасающими темпами. Жители самых бедных стран большей частью используют возобновляемые источники энергии, такие как древесина и навоз. Однако сегодня их явно недостаточно для удовлетворения нужд населения всей планеты, которое ежегодно увеличивается примерно на 90 млн, человек. Существуют и практически неисчерпаемые источники энергии. Человечество торопится научиться их использовать до того, как истощатся запасы ископаемого топлива.

(Ночной Нью-Йорк. Человеческое общество полностью зависит от энергоснабжения. Многоэтажные здания были бы непригодны для жизни без источников света, лифтов и кондиционеров.) 

Каменный уголь 

Уголь обеспечивает около 35% вырабатываемой в мире энергии. Он стал применяться раньше других видов ископаемого топлива. Большая часть залежей угля образовалась в каменноугольный период (286-360 млн. лет назад) в результате разложения древовидных папоротников и других растений первобытных тропических лесов, которые, вероятно, росли в болотистой местности. В процессе гниения вещества растительного происхождения превращались в торф (в отдельных районах это происходит и сегодня), затем постепенно затвердевали, образуя лигнит, бурый уголь, и, наконец, превращались в каменный уголь. Важнейшим элементом в составе каменного угля является углерод. Древнейшие и самые твердые породы угля - антрациты содержат около 98% углерода, лигниты (возраст которых не превышает 1млн. лет) лишь 30%. Мировые запасы каменного угля огромны. По последним оценкам, промышленные запасы составляют около 910 млрд. тонн, а если сюда добавить залежи угля, разработка которых экономическиневыгодна, то эта цифра возрастет примерно до 1800 млрд. тонн. При нынешних темпах потребления запасов хватит на 200 с лишним лет. Около 85% залежей каменного угля сосредоточены в Китае, бывшем Советском Союзе и США. Причем в США находится 30-35% его  мировых запасов.

Запасы нефти 

Нефть обеспечивает около 40% вырабатываемой в мире энергии. Она образовалась много миллионов лет назад в результате разложения планктона, крошечных морских животных и растений. Нефть и природный газ называют углеводородами, так как они состоят из двух элементов – водорода и углерода. Нефть самый важный и наиболее удобный из современных видов топлива. Такие нефтепродукты, как бензин и ДИзельное топливо, используются для легковых и грузовых автомобилей и тепловозов. Это вещество широко применяется в промышленности, сельском хозяйстве, а также как важное сырье для производства красок, косметикой, лекарств, красителей, удобрений, волокон, пластмасс и синтетического каучука. Многие жилые и промышленные здания обогреваются мазутными котлами. Запасы и добыча нефти измеряются в баррелях (1 баррель = 159 л)

(Нефтепромышленная платформа в заливе Кука на Аляске. Добыча нефти часто ведется в неблагоприятных климатических условиях.)

Распределение 

Залежи нефти обнаружены на каждом континенте и на дне мирового океана, но основные ее запасы сосредоточены в нескольких районах. Так на Ближнем Востоке находится 65% мировых запасов нефти. Причем львиная доля здесь принадлежит Саудовской Аравии. После открытия там новых месторождений в 1990 г. общие запасы нефти этой страны составили свыше 300 млрд. баррелей, или около четверти всех мировых ресурсов. Остальные запасы распределены следующим образом: в других странах Азии находится примерно 4% мировых запасов; в Латинской Америке около 13% (половина из них в Венесуэле и почти половина в Мексике); в Канаде и США, около 4%; в Африке, 6% (в основном в Ливии, других странах Северной Африки и Нигерии). В Европе и азиатской части России находится примерно 9% мировых запасов нефти, преимущественно на территории бывшего Советского Союза и на дне Северного моря. Почти неразведанным источником нефти являются битуминозные, или нефтесодержащие, пески. Крупнейшее месторождение такого песка находится в провинции Альберта (Канада) и по содержанию нефти приравнивается к нефтяным залежам Саудовской Аравии.

(Солнечный коллектор, расположенный в Одейо во Франции, снабжен большим вогнутым зеркалом для фокусирования пучка солнечных лучей, которое "отслеживает" траекторию движения солнца.)

Потребление нефти 

В трех регионах мира - на Ближнем Востоке, в Африке и Латинской Америке - добыча нефти превышает ее потребление. Крупнейшими потребителями являются США. Канада, Япония и Европа. В 1990-е гг. суточный расход нефти в США и Канаде составлял около 13 млн. баррелей, а добыча - примерно 8 млн. баррелей. Все европейские страны, включая бывший Советский Союз, потребляющий еще 22 млн. баррелей в день. Мировая добыча нефти составляла около 61 млн. баррелей в сутки, из них 11 млн. баррелей добывали в бывшем СССР. Такая разница между добычей и потреблением нефти чревата конфликтными политическими ситуациями. Когда в 1990 г. Ирак вторгся в Кувейт, угрожая при этом нефтяным месторождениям Саудовской Аравии. Крупнейшие потребители нефти вмешались в конфликт, чтобы защитить свои собственные интересы, а также интересы Кувейта, Саудовской Аравии ы других стран Персидского залива.

Природный газ 

Природный газ обеспечивает около 20% вырабатываемой в мире энергии. Он образовался так же, как и нефть. и обычно его добыча ведется параллельно с добычей нефти с одного и того же месторождения. Природный газ состоит в основном из метана. Считается, что мировые запасы природного газа примерно такие же, как и нефти, но измеряются они в других единицах кубических метрах, а не баррелях. Первое место в мире по добыче природного газа занимает бывший СССР: в конце 1980-х гг. здесь добывали около 650 млрд. м в год, далее следуют США (487 млрд. м), Канада (96 млрд. м), Нидерланды (80 млрд. м) и Великобритания (45 млрд. м). Природный газ используется главным образом в качестве топлива, как для бытовых, так и для промышленных целей. Кроме того, это важное сырье для получения химических продуктов, применяемых для производства моющих средств, синтетических волокон, красок, пластмасс и синтетического каучука. Там, где испытывается недостаток природного газа, используется искусственный газ. Основным сырьем для его получения служит каменный уголь, при обжиге которого образуется газ и кокс.

(Газопровод и линии электропередачи вдоль дороги Шираз - Абадан (Иран). Транспорт требует больших денежных и энергетических затрат. У трубопровода капитальные затраты выше, а эксплутационные расходы ниже по сравнению с автомобильными и железными дорогами.)

Гидроэлектроэнергия 

После ископаемого топлива вода является не только важнейшим, но и древнейшим источником энергии. Уже более 2000 лет используются водяные колеса, приводимые в движение течением рек иставшие первым источником энергии в период промышленной революции конца 18 века. Сегодня мощь воды в качестве источника энергии используется для производства электричества, или гидроэлектроэнергии. В современные гидроэлектростанции (ГЭС) включают плотины и огромные водохранилища, обеспечивающие напор от падения воды с большой высоты. Вместо громоздких и малоэффективных водяных колес на современных ГЭС установлены турбины, в которых поток воды вращает ротор. К каждой турбине подключен электрогенератор. Считается, что при использовании всех ее возможных источников можно было бы получить 2,25 млрд. кВт гидроэлектроэнергии. На начало 1990-х гг. вырабатывалось лишь около 363 млн. кВт, или примерно 1% производимой в мире энергии. Крупнейшие ГЭС построены на реке Парана на границе Бразилии и Парагвая (мощностью 12,6 млн. кВт), на реке Колумбия в США и на реке Енисей в Сибири (каждая мощностью б млн. кВт). Важнейшим преимуществом гидроэлектроэнергии является использование неисчерпаемых ресурсов. При этом, в отличие от сжигания ископаемого топлива, не загрязняется атмосфера. Однако затопление больших территорий для создания водохранилищ наносит вред окружающей среде и нарушает экологический баланс.

(Качающийся на оси "Нырок" способен отобрать 90% энергии перехваченной им волны.)

Атомная энергия 

С момента создания атомной бомбы в 1945 г. большие надежды связывали с использованием атомных электростанций (АЭС) для обеспечения основной доли мировых потребностей в энергии. На начало 1990-х гг. 435 действующих АЭС вырабатывали около 1% производимой в мире энергии. В ядерном реакторе тепло получают при расщеплении атома радиоактивного элемента, известного как уран-235. Выделяемое в ходе ядерной реакции тепло используется для производства пара, вращающего турбины для выработки электроэнергии. Изотоп U-235составляет лишь 0,7% всех запасов урана. Более 99% — это уран-238. Запасы U-235, как и ископаемого топлив не беспредельны. Однако с помощью так называемого реактора-размножителя из U-238 можно получать другой радиоактивный элемент - плутоний-239. Если реакторы-размножители получат распространение, мировых запасов Урана хватит на тысячи лет.

(Эта электростанция сжигает 700 тонн угля в час и производит 2000 кВт энергии для промышленных и бытовых нужд.)

Мирный атом 

Атомная энергия имеет ряд преимуществ. Он обеспечивает экономный расход топлива: одна тонна U-235 дает больше энергии, чем 12 млн. баррелей нефти. Это чистый, не загрязняющий атмосферу вид энергии. Но есть и недостатки. Строительство обходится дорого. При их эксплуатации образуются опасные радиоактивные отходы. А в результате ядерной аварии подобной той, что произошла на Чернобыльской АЭС в Украине в 1986 г., могут быть заражены огромные территории, что вызовет серьезные заболевания и даже смерть людей. После чернобыльской катастрофы некоторые страны решили закрыть свои АЭС. Сейчас ведется поиск альтернативных неисчерпаемых источников энергии. Некоторые из них уже разрабатываются. Энергия ветра использовалась сотни лет для плавания судов и работы ветряных мельниц. Современные ветровые турбины предназначены для производства электричества. В одной лишь Калифорнии установлены 15 000 таких ветряков. Американские ученые пришли к выводу, что сила ветра может обеспечить выработку всей производимой в США электроэнергии. Солнечное тепло также можно преобразовывать в энергию. Устанавливаемые на крыше солнечные коллекторы могут обеспечить достаточное количество энергии для бесперебойной подачи горячей воды и обогрева здания. Кремниевые топливные элементы вырабатывают энергию на космических кораблях.

(В Новой Зеландии около 10% электричества производится на геотермальной электростанции в Вайракеи. Турбины работают от давления, создаваемого горячей водой и паром из подземных скважин.)

Энергия приливов 

Для производства электричества научились использовать и энергию приливов, хотя с этим связаны многие технические проблемы. Иногда воды приливов можно задержать с помощью плотины и заставить их вращать турбины. Устройство, называемое «нырок», преобразует движение волн в энергию. Геотермальная электроэнергия вырабатывается с помощью тепла недр Земли. Проще всего использовать геотермальную энергию горячих источников и гейзеров. Во всем мире насчитывается 150 геотермальных электростанций, находящихся в основном в Исландии, Италии, Новой Зеландии и США. В 1991 г. группе физиков-ядерщиков из Оксфорда (Англия) удалось получить энергию с помощью ядерного синтеза. Речь идет о получении безопасного вида энергии. Помимо изучения новых источников энергии многие страны все больше убеждаются в преимуществах ее экономии. Существует множество способов энергосбережения: надежная теплоизоляция зданий, отказ от неоправданного расходования, переход на малолитражные автомобили, а также повышение энергетической эффективности промышленности за счет переработки металлолома и других отходов. Эти меры позволят рациональнее использовать энергоресурсы планеты и значительно уменьшат загрязнение окружающей среды.

(Опытная модель "Нырок")

(Единственная в мире крупная приливная электростанция в устье реки Ранс во Франции. Плотины, установленные в водоподъемной плотине, работают от энергии приливов и отливов, но вырабатывают мало электроэнергии.)

См. также:

• Солнечная энергетика
• Освещение
• Токамак
• Эйнштейновское искривление пространства
• Батареи и топливные элементы
• Элементарные частицы
• Адронный коллайдер