из сульфатов кальция (гипса или ангидрита) и каменной соли; в них присут­ ствуют небольшие, но ощутимые примеси солей натрия и магния (“горьких солей”), а также брома и иода.

Эвапориты неморского происхождения, отлагающиеся в соляных озе­ рах, формируются в области внутреннего стока с преобладающими процес­ сами испарения. В этих случаях состав минералов эвапоритов определяется составом пород, развитых на территории водосборного бассейна.

Извлекаемые ресурсы важнейших видов эвапоритов - калийных солей - оцениваются в 9,1 млрд т при общих ресурсах 140 млрд т.

2.3.33.4.Фосфориты

Всовременном сельском хозяйстве фосфатные удобрения играют ос­ новную роль в повышении плодородия почв. Более 80% таких удобрений получают из осадочных фосфоритов. Главные страны-экспортеры фос­

фатных удобрений - Марокко, Тунис, США, Россия и Того. В некоторых фосфоритах присутствуют повышенные концентрации таких элементов, как уран, редкие земли, ванадий, фтор и даже золото; их извлекают по­ путно.

Фосфориты образуются на дне морей и океанов биохимическим пу­ тем, встречаясь обычно в ассоциации с органическими веществами. Они представлены конкрециями и желваками, а также сплошными землисты­ ми массами светло-серого цвета, главным минералом которых является апатит, имеющий самое высокое содержание фосфатов (солей ортофосфорной кислоты). Фосфориты (особенно среднетричного возраста) зале­ гают на современном океаническом ложе у побережий Калифорнии, Се­ веро-Западной и Южной Африки, Австралии, Новой Зеландии и запад­ ной части Южной Америки. Извлекаемые ресурсы фосфоритов оценива­ ются в 133 млрд т.

2.3.4. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

Энергия является одной из важнейших потребностей производства. Ре­ шение любой задачи экономического или технического развития, любого аспекта проблемы окружающей среды немыслимо без затрат энергии и энергоресурсов. В последние годы проблема энергии и использования энергоресурсов стала все чаще рассматриваться как в связи с прогнозами развития человечества на предстоящее столетие, так и в контексте реше­ ния вопросов охраны окружающей среды. Совершенно очевидно, что если человечество не обеспечит себя достаточным количеством энергии, то и прогнозы развития, и планы отдаления экологического кризиса окажутся беспредметными.

Как известно, почти все виды энергии на нашей планете имеют один первоначальный источник, а именно: энергию радиации звезд и главным об­ разом самой близкой к нам звезды - Солнца. Солнце ежесекундно посыла­ ет на Землю энергию, равную 4 • 1013 ккал. Из общей величины солнечной радиации, поступающей на внешнюю границу атмосферы, только половина достигает земной поверхности. Из этого количества 7% отражается обрат­ но в мировое пространство.

Другая часть солнечной радиации (43%) поглощается атмосферой, гидросферой, литосферой и биосферой Земли. Энергия, поглощаемая атмосферой и гидросферой, принимает форму испарения, выпадения осадков, движения ветра, волн и частично океанских течений и др. Энергия, поглощаемая биосферой, благодаря процессам фотосинтеза воплощается в биомассу растений и животных на суше и в океане. Энер­ гия, поглощаемая литосферой, выступает в виде тепловой и химической

энергии.

На Земле существуют также виды энергии, непосредственно не связан­ ные с солнечной радиацией. Это, например, ядерная энергия, внутриземная тепловая энергия, энергия приливов и течений. Эти формы энергии являют­ ся результатом действия гравитационных сил и сил вращения Земли, элект­ ромагнетизма, внутренних свойств веществ и др.

В распоряжении человека имеются пять источников энергии: 1) солнеч­ ная радиация, 2) ядерная энергия; 3) энергия гравитационного поля нашей планеты; 4) внутреннее тепло Земли и 5) энергия, возникающая в резуль­ тате вращения Земли и циркуляции атмосферы. Разумеется, энергия гра­ витационного поля Земли присутствует во многих других видах энергии, од­ нако для упрощения анализа ее целесообразно рассматривать лишь в фор­ ме гидроэнергии рек и приливной энергии. Необходимо также учитывать, что кроме энергии, заключенной в органическом веществе, огромное коли­ чество солнечной энергии заключено в мириадах химических соединений, образованных в различные геологические периоды формирования нашей планеты.

Энергетические ресурсы делятся на две главные категории - невозоб­ новляемые и возобновляемые. К невозобновляемым энергетическим ре­ сурсам относятся углеводородные топлива - уголь, нефть, природный газ, горючие сланцы, торф и т.д., так называемые легкие элементы (во­ дород, гелий, литий) и ядерное топливо, т.е. такие материалы, которые могут выделять энергию в процессе распада и синтеза атомных ядер. К возобновляемым энергетическим ресурсам относятся энергия процесса фотосинтеза, энергия прямого использования солнечных лучей, гидро­ энергия, энергия приливов и волн, энергия процессов испарения и выпа­ дения осадков, ветровая энергия, тепловая энергия, основанная на разно­ сти температур между атмосферой и поверхностью суши и воды, геотер­ мальная энергия и др.

Несмотря на столь большой арсенал источников энергии человек в ос­ новном использует лишь некоторые из них, отдавая предпочтение одному виду энергетических ресурсов - углеводородным топливам. Мускульная си­ ла людей и животных, древесина, использовавшаяся в качестве топлива, и ветер были главными источниками энергии еще сравнительно недавно —ка­ ких-нибудь 120-150 лет назад. На смену им пришли сначала уголь, затем

нефть и природный газ. В последнее время к этим трем видам топлива при­ бавилось и ядерное горючее.

Удельный вес энергии воды в энергобалансе мира, несмотря на почтен­ ный стаж ее работы на благо человечества, все еще очень невелик. Приме­ нение геотермальной энергии (энергии горячих подземных вод и вод, нахо­ дящихся в недрах Земли под большим давлением) можно считать находится лишь в начальной стадии. Также в начальной фазе пребывает и промыш­

ленное использование энергии солнечных лучей, приливной энергии и энер­ гии ветра.

Современная энергетика в основном базируется на горючих ископае­ мых - угле, нефти, природном газе. Если принять, что в мире добывается ежегодно порядка 6 млрд т (1979 г.) условного топлива (с теплотворной спо­ собностью 7000 ккал/кг), то в среднем на одного человека в мире придется 1,7 т условного топлива. Естественно, эта цифра различна для разных стран. Например, в США она составляет 10,5 т, а в Индии - всего 0,2 т, т.е. в 50 раз меньше. При сжигании каждая тонна условного топлива дает 7 млн ккал.

Таким образом, энергия ежегодно добываемого топлива составляла в 1979 г. 42 • 1015 ккал.

Мощность всех промышленных и транспортных энергетических устано­ вок в мире составляла в 1980 г. 6 млрд кВт. При этом мощность энергоуста­ новок США (6% населения Земли) равнялась почти 2 млрд кВт. Душевое по­ требление энергетической мощности было также наиболее высоким в США, оно составляло в 1980 г. 10 кВт на душу населения, тогда как в

СССР - 5 кВт, в Японии - 3 кВт, в Индии - 0,5 кВт на душу населения. Сред­ немировое потребление значительно ниже, оно равно лишь 1,7 кВт на душу населения.

В целом характерен рост потребления электроэнергии. В 1970 г. ее ми­ ровое потребление в 2 раза превысило уровень 1960 г. и составляло 6000 млрд кВт • ч. Если такой прирост сохранится и в будущем, то к 2010 г. мировое потребление электроэнергии превысит уже 100 000 млрд кВт • ч. Для производства этой электроэнергии потребуется примерно 250 000 млрд кВт • ч тепловой энергии, т.е. необходимо на электростанциях сжечь столько топлива, чтобы получить 217 1015 ккал.

Энергию получают тремя путями: производя тепло сжиганием топлива (например, для обогрева), прямым преобразованием тепловой энергии в ра­ боту (транспорт) и, наконец, получением специального вида энергии - элек­ троэнергии (для производства этого вида энергии применяется наряду с то­ пливом гидроэнергия, ядерная энергия, энергия ветра и т.д.). Электроэнер­ гия является вторичным энергоресурсом, так как ее получают с затратой энергии.

Электроэнергия играет роль удобного посредника между источниками и потребителями энергии. Главными недостатками электричества как вида энергии являются:

-сильное негативное воздействие на окружающую среду при горении топлива (выбросы в окружающую среду), производство электроэнергии на базе ядерного топлива или при производстве электроэнергии на гидроэлек­ тростанциях (уничтожение экосистем на затопленных территориях, нару­ шение водного режима, урон рыбному хозяйству и т.п.);

-низкий КПД ее производства (30-40%) и использования (30-35%). Источниками электроэнергии в среднем в мире являются, %: нефть - 40,

уголь - 20, природный газ - 19, АЭС - 12, ГЭС и др. - 9.

В Российской Федерации в 1990 г. эти показатели составляли, %: тепло­ вые электростанции, работающие на твердом, жидком и газообразном топ­ ливе - 73,8, гидростанции - 15,1, АЭС - 11,1, а доля источников электро­ энергии распределялась следующим образом, %: уголь - 30, нефть - 38,8, газ - 5,9, ядерная энергия —21, торф, сланцы и др. - 1,7, прочие - 2,6.

ращают на себя внимание исследователей своей “конечностью” и возмож­ ностью уже относительно быстрого истощения. Эти обстоятельства вынуж­ дают произвести оценку энергетических ресурсов земного шара и, прежде всего, запасов горючих ископаемых.

Годовая добыча трех видов топлива (нефть, газ, уголь) в 1970 г. состав­ ляла 6 млрд т у. т., т.е. около 0,15% от всей экономически целесообразной выработки их мировых запасов. Если принять далее, что каждые 20 лет про­ исходит удвоение темпов добычи топлив, то можно подсчитать, через какое количество лет из недр Земли будут извлечены все доступные разработке запасы топливных ресурсов. Подсчет показывает, что через 75 лет, т.е. к 2050 г., практически все экономически рентабельные запасы горючих иско­ паемых будут исчерпаны. Если же допустить, что дальнейшая геологиче­ ская разведка и повышение коэффициента извлечения приведут к увеличе­ нию доступных запасов, например в 8 раз, то в таком случае эти запасы ис­ сякнут не в 2050 г., а в 2110, т.е. не через 75 лет, а через 140 лет.

По данным американских ученых экономически рентабельные запасы топлива в США будут истощены через 75-100 лет, а общие потенциальные запасы через 150-200 лет.

Конечно, все эти прогнозы связаны с различными предположениями и могут колебаться в достаточно широких пределах. Одно только совершен­ но ясно. При всех условиях “топливные кладовые” Земли будут опустоше­ ны в обозримое время. Таким образом, перед человечеством нависает ката­ строфа исчерпания запасов горючих ископаемых, являющихся одновремен­ но и ценнейшим химическим сырьем. Особенно острым это положение представляется в отношении нефти и природного газа, доля которых в еже­ годно сжигаемых количествах энергетического топлива все время возраста­ ет и составляет в последнее время 70%. А если учесть, что горючие ископа­ емые составляют основу современных энергоресурсов, то складывающееся положение с природным газом, нефтью и углем нельзя не рассматривать как надвигающийся “энергетический голод”.

Необходимость перехода человечества на новые виды энергии, не свя­ занные с сжиганием топлива, диктуется, таким образом, следующими при­ чинами:

-возможностью исчерпания запасов углеводородного топлива, и преж­ де всего природного газа и нефти, в обозримое время;

-потребностью в Нефти, природном газе и угле как ценнейших базовых сырьевых материалах Для химической индустрии;

-опасностью загрязнения окружающей среды, прежде всего, из-за вы­ бросов в нее огромных количеств углекислого газа и других соединений, об­ разующихся в результате сжигания углеводородных топлив;

-все увеличивающейся потребностью в энергии и ростом обществен­

ных затрат для ее производства.

Рассмотрим энергетические системы, использование которых осуществ­ ляется или потенциально может осуществляться человеком. Условно эти си­ стемы можно разделите на основанные на непрерывных или возобновляемых источниках энергии (1-3 из рассмотренных ниже систем) и основанные на не­ возобновляемых источниках энергии (4— из рассмотренных ниже систем).

К первой энергетической системе следует отнести энергию, возникаю­ щую в результате действия гравитационных сил, вращения Земли, молеку­

лярного движения (разница температур между атмосферой, литосферой и гидросферой), движения приливов и волн, движения воздуха (ветер), а так­ же геотермальную энергию. Эта энергетическая система издавна использо­

валась и используется человеком.

Например, энергия ветра приводит в движение парусные суда, вращает жернова мельниц, качает воду в пустынях; поставленные на пути воздушно­ го потока ветровые электростанции неприхотливы и надежны в работе. Си­ ла тяжести масс воды в реках, зарегулированных плотинами, используется в гидравлических турбинах, соединенных генераторами тока. Гравитационные силы также находят применение в приливных гидроэлектростанциях.

Существенное преимущество первой энергетической системы заключается в том, что источники энергии являются практически бесконечными по времени своего действия. Кроме того, использование человеком этой систе­ мы не влечет за собой каких-либо серьезных экологических последствии; исключение составляют гидроэнергетические проекты, реализация кото­ рых, как известно, вызывает определенные нарушения в окружающей среде (затопление территорий, изменение гидрометеоусловий и др.).

К числу наиболее существенных недостатков энергоисточников этой си­ стемы, кроме геотермальной энергии, относятся: неравномерность распре­ деления на поверхности земного шара; неритмичность действия во времени, отчего возникает нежелательная периодичность в получении расчетных ко­ личеств энергии от этих источников; известная ограниченность запасов этих видов энергоресурсов на нашей планете. Запасы гидравлической, при­ ливной, волновой и ветровой энергии хотя и велики по современным поня­ тиям, но совершенно недостаточны в свете потребностей в энергии, скажем, на 2010 г. По некоторым оценкам ресурсы первой системы смогут удовле­ творить энергетические потребности мира в 2010 г. лишь на 6-10%. Поэто­ му надо считать малоперспективным развитие этой системы в качестве главного направления решения мирового энергетического кризиса в буду­ щем. Наряду с этим, однако, не следует пренебрегать вероятностью приме­ нения названных видов энергии в определенных районах земного шара и при определенных условиях.

Вторая энергетическая система связана с жизнедеятельностью жи­ вых организмов. Она включает в себя использование солнечной энергии в процессе фотосинтеза растений, а также энергию жизнедеятельности ми­ кроорганизмов. Солнечный свет, солнечное тепло и, возможно, космиче­ ские лучи являются первоисточниками энергетических процессов, проис­ ходящих в живой материи. Использование человеком этой энергетической системы проявляется в форме применения мускульной силы как человека, так и животных, в процессах ферментации и микробиологического воздей­ ствия в промышленном и сельскохозяйственном производстве, а также в

форме получения тепла при сжигании топлива растительного и животно­ го происхождения.

Как и первая, эта энергетическая система является практически неогра­ ниченной, самовосстанавливаемой и возобновляемой. В этом заключается ее главное преимущество. Энергия пищи превращается в мышечную энер­ гию путем идущего в организме процесса медленного беспламенного окис­ ления. В принципе живой организм позволяет производить мгновенное пре- о разование энергии из одной формы в другую с достаточно высоким коэф­

фициентом полезного действия. Однако в реальных системах живых орга­ низмам как источникам энергии свойствен целый ряд недостатков. К числу их, прежде всего, относятся большие потери тепловой энергии в процессе метаболизма, т.е. в процессе обмена веществ в самом организме и организ­

ма со средой.

Вторая энергетическая система, как и первая, представляет собой про­ цесс не прямого, а косвенного использования солнечной энергии. В ней пре­ образование энергии осуществляется через живые организмы, т.е. через биомассу, в которой идет процесс химического превращения солнечной энергии в энергию роста, движения, мускульного действия.

До последнего времени живое вещество как средство преобразования энергии из одной формы в другую, как источник энергии на Земле всерь­ ез исследователями-энергетиками не рассматривалось. Это объяснялось простой причиной - наличием большого количества не прошедших стадии окисления остатков живого вещества в форме нефти, природного газа и угля. Однако сегодня живое вещество все чаще и настойчивее привлекает внимание исследователя как возможный в далекой перспективе преобра­ зователь энергии, как аккумулятор энергии, способный, вероятно, полно­ стью и абсолютно решить проблему энергии и энергетических ресурсов на земном шаре.

Общая годовая мировая продукция фотосинтеза на нашей планете оце­ нивается сугубо ориентировочно в 80 млрд т, что примерно в 10 раз превы­ шает количество добываемого ежегодно топлива. Вопрос заключается в следующем: возможно ли осуществление процесса фотосинтеза вне рамок живого организма, возможно ли создание искусственного механизма преоб­ разования солнечной энергии в химическую с достаточно высоким коэффи­ циентом полезного действия? Многие видные ученые приходят к выводу, что в принципе такой путь получения энергии возможен. В частности, ака­ демик Н.Н. Семенов в свое время высказал предположение о том, что в по­ добном механизме можно повысить КПД использования солнечной энергии до 20%, т.е. сделать его вдвое больше “биологического” КПД процесса фо­ тосинтеза в растениях.

Под третьей энергетической системой мы понимаем прямое использо­ вание солнечной энергии в фотоэлектрических и термоэлектрических про­ цессах. В рамках этой системы человек может получать тепловую или элек­ трическую энергию с помощью электрохимических реакций и оптической концентрации световых лучей солнца.

Преимущество третьей энергетической системы заключается в том, что в ней осуществляется прямое преобразование солнечной энергии непосред­ ственно в тепловую или электрическую. К ее положительным сторонам от­ носится также возможность в сравнительно небольших масштабах аккуму­ лировать энергию биохимическим или электрохимическим способами. Не­ достатком является невозможность ее применения в больших масштабах.

Указанная энергетическая система издавна привлекает внимание иссле­ дователей своей кажущейся простотой, однако все попытки создать эффек­ тивные солнечные батареи наталкивались на трудности, связанные с огром­ ными размерами этих батарей или с высокой стоимостью их преобразова­ тельных элементов. Надо полагать, что непосредственное превращение солнечного излучения в другие виды энергии будет и в перспективе иметь

лишь ограниченный характер. Правда, уже созданы и эффективно работа­ ют солнечные плиты для приготовления пищи, небольшие паровые котлы, насосные установки и т.п. Вряд ли есть серьезные основания ожидать сколь­ ко-нибудь крупного прорыва в исследованиях в области прямого примене­ ния энергии солнечных лучей как в обозримом, так и далеком будущем.

Четвертая энергетическая система основана на невозобновляемых энергоисточниках. В рамках этой системы тепловую и электрическую энергию получают путем сжигания углеводородных топлив, таких, как уголь, нефть, природный газ, горючие сланцы и т.п. На сегодня этот метод произ­ водства энергии является наиболее известным и достаточно эффективным средством для удовлетворения энергетических потребностей общества.

Важное преимущество четвертой энергетической системы —возмож­ ность удобно хранить, перевозить и управлять энергоисточниками. Ее глав­ ные недостатки! большие тепловые и эксплуатационные расходы, загрязне­ ние окружающей среды продуктами сгорания, а также наметившийся дефи­ цит в запасах горючих ископаемых и необходимость их сохранения в каче­ стве металлургического и химического сырья.

Углеводородное топливо сейчас обеспечивает практически все нужды человечества в энергии. Несмотря на симптомы зарождения энергетическо­ го кризиса, четвертой энергетической системе будет по-прежнему уделять­ ся огромное внимание. При этом будут решаться задачи достижения наивы­ сшей эффективности и экономичности энергоустановок, работающих на уг­ леводородном топливе. Задача состоит также в изыскании путей экономии энергии за счет снижения энергоемкости производства, энерговооруженно­ сти предприятий и транспортных средств.

Наметившийся дефицит горючих ископаемых, с одной стороны, и огром­ ные преимущества использования этого вида топлива, особенно для транс­ портных средств - с другой, вынуждают исследователей во всех странах ми­ ра обеспечивать дальнейшее совершенствование существующих и поиск но­ вых видов тепловых двигателей, работающих в рамках четвертой энергети­ ческой системы. Модернизация классических двигателей внутреннего сго­ рания (карбюраторных и дизельных) сопровождается поиском новых конст­ рукций роторных двигателей и дальнейшим усовершенствованием паротур­ бинных и газотурбинных установок. Однако ни газотурбинные установки, ни новые роторные двигатели не решают главного вопроса - увеличения коэффициента полезного действия. И даже, наоборот, в ряде случаев они привели к его уменьшению. В различных странах мира ведутся разработки новых направлений более эффективной утилизации углеводородного топ­ лива в целях получения тепловой, механической и электрической энергии. Можно полагать, что работы по улучшению конструкции двигателя внут­ реннего сгорания будут продолжаться и дадут некоторые позитивные ре­ зультаты. Главным критерием для оценки успехов этих работ будет дости­ жение более высокой экономичности двигателя в отношении расхода жид­ кого топлива, запасы которого на Земле с каждым годом уменьшаются.

Пятая энергетическая система включает в себя методы получения энергии путем использования внутриядерных процессов. Тепловая и элект­ рическая энергия в рамках этой системы могут быть получены как в резуль­ тате процессов расщепления атомного ядра, так и в результате термоядерной реакции (реакции синтеза атомных ядер). Главным преимуществом пя­

той энергетической системы является возможность поместить энергоуста­ новку в любом районе земного шара, снабдив ее на длительное время необ­ ходимым количеством специально приготовленного ядерного топлива.

Недостатки установок на ядерном горючем: высокая стоимость их из­ готовления и производства топлива для них; необходимость принятия до­ рогостоящих мер по защите окружающей среды от радиоактивности; тру­ дности избавления от радиоактивных отходов. Наиболее серьезной проб­ лемой является проблема ядерного горючего. Применяемые в настоящее время оксид урана и другие виды ядерного топлива являются весьма дефи­ цитными материалами. Кроме того, стоимость урана с каждым годом по­ вышается вследствие роста спроса на него и уменьшения его запасов. К не­ достаткам пятой системы следует также отнести и тот факт, что сегодня она практически непригодна для применения в транспортных средствах, особенно в автомобильном, железнодорожном и авиационном транспорте. Ядерная энергия пока что может использоваться главным образом лишь для получения тепла и электроэнергии. К сожалению, еще не созданы до­ статочно емкие и надежные аккумуляторы, которыми можно было бы оборудовать все транспортные средства. Более того, сегодня все еще нель­ зя считать целесообразным широкий переход на атомные двигатели и в морском транспорте из-за высокой стоимости атомных установок и труд­ ностей, связанных с их эксплуатацией.

Дальнейшее развитие пятой энергетической системы сопряжено со зна­ чительными трудностями. Предстоит проделать большой объем фундамен­ тальных и прикладных научно-исследовательских работ, выбрав приоритет­ ное стратегическое направление разработок, так как фронт исследований настолько широк, что не позволяет вести работы по всем возможным на­ правлениям.

Не менее трудны для решения и такие вопросы, как надежность самих реакторов, транспортировка ядерного топлива (главным образом, плуто­ ния), избавление от радиоактивных отходов, уничтожение старых реакто­ ров и ремонт реакторов, борьба с тепловым загрязнением, отходами добы­ вающей уран промышленности и др.

Кроме технических проблем, развитие атомной энергетики в случае, если она будет единственной формой получения энергии на Земле, встре­ тит очень серьезные проблемы, связанные с нехваткой воды и возможным изменением климата. Огромные количества тепла, выделяемые в процес­ се работы реакторов, значительно увеличат тепловое загрязнение водо­ емов и атмосферы и вызовут потепление поверхности планеты, что неми­ нуемо скажется на ее климате. Следовательно, проблемы развития атом­ ной энергетики будут тесно связаны с решением уже достаточно острой проблемы водных ресурсов и ограничениями климатического и экологи­

ческого характера.

Шестая энергетическая система также относится к группе систем, ос­ нованных на использовании невозобновляемых энергоресурсов. Это систе­ ма биогеохимического преобразования. Тепловая энергия в рамках этой си­ стемы есть результат химических реакций с участием нитратов и фосфатов и других, сходных с ними веществ.

Эти соединения, как известно, используются в растениеводстве в качест­ ве удобрений. Энергетическое действие нитратов и фосфатов в этом случае

является совершенно уникальным, однако косвенным с той точки зрения, что человек эту энергию утилизирует через пищевую цепь или путем ис­ пользования растений и животных. Непосредственное получение энергии с помощью фосфатов и нитратов, к сожалению, пока неуправляемое, осуще­ ствляется лишь через действие взрывчатых веществ. Взрывчатые вещества, особенно на нитратной основе, могут дать энергию в больших количествах,

но очень кратковременного действия.

Применение взрывчатых веществ в мирных целях широко известно. Можно упомянуть использование направленных взрывов для проходки шахт, прокладки траншей, возведения плотин и т.д. В промышленности взрыв при­ меняется для обработки металлов. Формование взрывом в последние годы стало широко распространенной технологической операцией, основанной на действии высоких энергий в течение очень краткого периода времени. Се­ годня трудно оценить потенциальные возможности энергоисточников шес­ той энергетической системы. Однако не исключено, что применение взрыв­ чатых веществ для производства энергии в будущем может оказаться воз­ можным, как оказалось возможным осуществить в реакторах атомных элек­ тростанций управляемую реакцию расщепления атомного ядра.

Формирование энергоисточников этого своеобразного “топлива” биогеохимического происхождения связано с воздействием живого вещества на косное. Как известно, живое вещество воздействует на литосферу геохими­ чески. “Давление” жизни на неживое вещество настолько велико, что в нем происходят структурные изменения вещества, накапливается огромная энергия “внутренних напряжений”, которая после известной подготовки мо­ жет “разряжаться”. Вопрос заключается в том, можно ли управлять этим процессом. Ведь в принципе и процесс сгорания углеводородов, и процесс взрыва нитратных соединений являются аналогичными и представляют со­ бой реакции окисления и замещения. Разница между этими процессами за­ ключается в скорости прохождения реакции: в одном она медленная, в дру­ гом - очень быстрая.

И, наконец, седьмая энергетическая система также основана, строго говоря, на использовании невозобновляемых ресурсов. Здесь источник энергии - водород. Интерес к водороду как к топливу возник давно, прежде всего в авиации. Однако в наши дни в свете вероятного энергетического кризиса возможность получения и применения водорода рассматривается в более широком плане. Потенциально водород в форме газа и сжиженного газа представляет собой хорошую замену жидкому топливу, метану и при­ родному газу в промышленности, на транспорте и в быту.

Водород имеет целый ряд ценных качеств, выделяющих его из других видов топлива. Прежде всего, водород может быть получен из воды, запасы которой на Земле достаточно велики. При сжигании водород образует воду и очень малые количества азотных окислов, что делает его чрезвычайно ценным в экологическом отношении. Водород можно транспортировать как по трубам, так и на танкерах в сжиженном виде. Его легко хранить, в том числе в подземных газохранилищах. Водород может широко применяться как топливо и как ценный химический элемент, необходимый, в частности,

вметаллургии.

Кнедостаткам водорода как коммерческого топлива следует отнести, во-первых, опасность его возгорания и взрывоопасность и, во-вторых, слож­

ность и все еще высокую стоимость его получения из воды. Что касается первого недостатка, его, очевидно, можно не принимать столь серьезно, так как развитие техники идет параллельно росту обеспечения безопасности, тем более, что даже применение бензина и газа опасно для людей, если не приняты надлежащие меры. Более серьезной проблемой является задача производства водорода как коммерческого топлива.

Как известно, водород может быть получен путем электрохимической реакции расщепления молекул воды на водород и кислород. Однако этот процесс очень дорог и сам требует много энергии. Более перспективны тер­ мохимические реакции, обеспечивающие это расщепление. Последние зна­ чительно дешевле, требуют в 4-5 раз меньших затрат энергии и обладают высоким КПД преобразования энергии.

Возможность получения водорода путем термохимической реакции с ис­ пользованием низкотемпературного тепла (700-900 °С вместо 2500 °С, не­ обходимых для электрохимического расщепления молекулы воды) откры­ вает перспективы широкого применения тепла атомных реакторов для про­ изводства водорода в больших масштабах и значительного снижения стои­ мости водорода. Это становится тем более заманчивым, что таким образом решается не только проблема получения водорода, но и проблема утилиза­ ции тепла атомных реакторов, которое представляет реальную угрозу теп­ ловому балансу в биосфере.

Поиск новых более эффективных и менее опасных термохимических методов получения водорода будет продолжаться в будущем и, по-видимо­ му, есть все основания рассчитывать на успехи в этом поиске, так как воз­ можности решения проблемы водорода могут снять многие серьезные про­ блемы, выдвигаемые потребностями развития мирового энергетического хозяйства. Чрезвычайно важным стимулом в этом поиске является высокий коэффициент полезного действия преобразования энергии при получении водорода с помощью термохимических процессов.

Мы рассмотрели семь основных энергетических систем, в рамках кото­ рых решались, решаются и, вероятно, будут решаться проблемы получения энергии и использования энергоресурсов для удовлетворения нужд челове­ чества. Рассмотрим теперь критерии оценки энергоисточников в свете не­ обходимости решения этих проблем. При этом мы не будем касаться многих природных и технических характеристик энергоисточников, имея в виду, что существует обширная описательная и справочная литература, в которой эти сведения приводятся. Наша задача будет заключаться в выборе некото­ рых специфических критериев, отражающих современные направления ре­ шения энергетической проблемы. Таких критериев существует много, мы остановимся лишь на главных из них.

В качестве первого критерия следует назвать физико-химические каче­ ства энергоисточников. Например, чем выше калорийность топлива, тем оно ценнее. С другой стороны, чем ниже его зольность, тем выгоднее экс­ плуатация данного топлива и т.д.

Второй критерий —географическое размещение энергоисточников: ус­ ловия нахождения, доступность для добычи. Этот критерий также не нужда­ ется в особых комментариях.

Третьим критерием является стоимость добычи, переработки и транс­ портировки энергоисточников к месту их первичного потребления. Сегодня

на этот критерий следует взглянуть несколько иными глазами, чем, скажем, 30 или 50 лет тому назад. Известно, например, что добыча нефти или газа на суше проще, чем в открытом море, однако в настоящее время нефтяные вышки упорно “шагают” в море и даже в открытый океан, так как нефти на суше становится все меньше и меньше. Известно также, что переработка уг­ ля в жидкое или газообразное топливо обходится пока значительно дороже, чем использование нефти или природного газа, однако сегодня различные страны все чаще и чаще вынуждены прибегать к подобной переработке из-

за нехватки газа и нефти.

Четвертый критерий связан с вероятностью и экономической целесооб­ разностью переработки одних видов энергоресурсов в другие с тем, чтобы иметь возможность уменьшить стоимость хранения топлива либо обеспе­ чить энергией подвижные транспортные средства. Примером является по­ лучение из угля жидкого и газообразного топлива. В соответствии с этим критерием не каждый энергоисточник может быть использован, например, в транспорте или в различных нагревательных устройствах. Так, использо­ вание ядерного топлива для этих целей возможно лишь после превращения его в электроэнергию.

Пятый критерий характеризует возможность достижения наивысшего коэффициента полезного действия при преобразовании энергии из одной формы в другую. Этот критерий также не нуждается в особых комментари­ ях, так как совершенно очевидно, что чем выше тепловой КПД энергоуста­ новки в зависимости от применяемого топлива, тем оно выгоднее.

И, наконец, шестой критерий охватывает понятия безопасности ис­ пользования энергоисточников для человека и окружающей среды. Если применительно к человеку этот критерий был известен давно, то в отно­ шении окружающей среды на него стали обращать внимание сравнитель­ но недавно в связи с загрязнением ее окислами серы и азота, а также по­ вышением содержания углекислого газа в атмосфере. В качестве друго­ го примера можно назвать радиоактивность, возникающую при примене­ нии ядерных топлив.

Изложенное выше позволяет сделать определенные выводы и сформу­ лировать некоторые предложения о путях решения проблемы получения энергии и использования энергетических ресурсов.

1. Проблему нельзя рассматривать в отрыве от проблем окружающей среды, водных ресурсов и состояния воздушного бассейна, перспектив даль­ нейшего экономического прогресса, технологического развития. Другими словами, подход к решению энергетической проблемы должен быть систем­ ным. Взаимосвязь между проблемами в процессе развития человеческой ци­ вилизации усиливается, и уже в наши дни становится практически невоз­

можным прогнозировать решение любой из проблем в отрыве от решения других.

2. Сама энергетическая проблема в свою очередь должна рассматри­ ваться как совокупность системных категорий. К ним относятся рассмот­ ренные выше энергетические системы, в рамках каждой из которых долж­ ны учитываться, наличие, размеры и доступность запасов энергоисточни­ ков, возможность преобразования энергии этих источников в тот или иной вид используемой человеком энергии; возможность аккумулирования энер­ гии, создания запасов энергоисточников, а также их транспортировки; пути

утилизации энергии наиболее экономичным образом и без неблагоприят­ ных экологических последствий.

3.Возможность реализации той или иной энергетической системы нахо­ дится в тесной зависимости от принятых или достигнутых показателей каче­ ства окружающей среды или решений, проводимых в экономической и тех­ нологической областях. Эта возможность будет также определяться крите­ риями оценки энергоисточников, рассмотренными выше. Развитие тех или иных видов энергоисточников станет во все большей степени подчиняться режиму экономии как с точки зрения расходования энергоресурсов при пре­ образовании энергии из одной формы в другую, так и с точки зрения ис­ пользования энергии.

4.Экологические требования неизбежно будут заставлять человека про­ изводить все более и более “чистую” энергию, не оказывающую влияния на качество окружающей среды.

5.Прогноз решения энергетического кризиса должен учитывать пер­ спективы освоения водных ресурсов. Вероятно, в понятие комплексного использования водных ресурсов должна органически входить возмож­ ность получения с их помощью энергии. Чрезвычайно важным является также соображение о теплоспособности водных ресурсов, рассматривае­ мой как источник энергии. Программное исследование водных ресурсов

сточки зрения получения энергии нельзя, вероятно, ограничивать лишь вопросами создания гидроэлектростанций и гидронасосных сооружений. Важные тепловые процессы, связанные с водой (испарение, выпадение осадков, морские и воздушные течения), требуют к себе пристального внимания и исследования. Именно вода переносит огромное количество тепловой энергии с одного места в другое. Понять и научиться использо­ вать низкотемпературные тепловые градиенты поверхностных и атмо­ сферных вод - чрезвычайно интересная и перспективная задача для ис­ следователей.

6.Решение энергетической проблемы будет определяться успехами на­ учно-технического прогресса. Прогнозировать развитие энергетических си­ стем без прогноза успехов технологии было бы, по меньшей мере, ошибоч­ ным. Развитие энергетики традиционно обслуживается определенными сферами технологии. Вероятно, прогноз развития этих сфер в зависимости от других смежных областей научно-технического прогресса мог бы сослу­ жить хорошую службу в деле анализа возможных направлений решения проблемы энергии.

Рассмотрим положение дел с ресурсами различных видов ископаемых

топлив.

К категории топливно-энергетических ресурсов относят полезные иско­ паемые, используемые для производства энергии: нефть, каменные и бурые угли, горючие газы, битумные сланцы, уран.

Каждый вид топливно-энергетического сырья обладает определен­ ной теплотворной способностью. Например, при сжигании 1 т каменного угля в среднем выделяется около 28 103 МДж энергии, бурого угля - около 14 • 103 МДж, 1 т нефти - около 42 103 МДж, 1 тыс. м3 природно­ го газа - 39 • 103 МДж. Для сравнения различных видов топлива, а также для общих топливно-энергетических расчетов используют следующие единицы:

- тонна условного топлива в угольном эквиваленте (т у.т. в уг. экв.). Его теплота сгорания аналогична теплоте сгорания 1 т антрацита (7 106 ккал или 27,91 103 МДж).

- тонна условного топлива в нефтяном эквиваленте (т у.т. в нефт. экв.), имеющая теплоту сгорания 1 т нефти (106 ккал или 41,87 103 МДж).

Оценка состояния мировых топливно-энергетических ресурсов произво­ дится на мировых энергетических конференциях (МИРЭК), учрежденных в 1924 г. Одна из последних оценок разведанных месторождений приведена в табл. 2.48.

Гидроэнергетический потенциал рек оценивается в 102 млн ПДж. Еще 111,6 млн ПДж можно выработать, использовав приливно-отливные и вол­ новые колебания Мирового океана. Общий энергопотенциал мира состав­ ляет, таким образом, примерно 560 млн ПДж. В 1990 г. ежегодно потребля­ лось различных видов топливного сырья 338 тыс. ПДж, что в 1000 раз мень­ ше мирового энергопотенциала.

2.3.4.1. НЕФТЬ

Ископаемая нефть - наиболее важный и экономически эффективный вид топливного сырья, отличающийся не только высокой калорийностью, но и низким содержанием примесей. Нефть легко транспортируется, а в процессе переработки дает широкий ассортимент продуктов, находящих разнообразное применение в хозяйстве. Мировые энергетические потреб­ ности на 32% удовлетворяются за счет нефти (1990 г.). В ряде отраслей эко­ номики (например, в транспорте) нефть и нефтепродукты в настоящее вре­ мя незаменимы.

Природные флюиды нефтяного ряда представляют собой смеси многих органических соединений, которые можно условно подразделить на битумы (настолько вязкие, что они практически лишены текучести), нефть и при­ родный газ. Такие их свойства, как плотность, вязкость и температура нача­ ла кипения, довольно плавно изменяются от сравнительно высоких значе­ ний, характерных для битумов, до более низких, свойственных нефтям.

Главной составляющей нефтей являются углеводороды. Как следует из са­ мого слова, они состоят исключительно из углерода и водорода, связанных между собой так, что они образуют несколько основных молекулярных ти­ пов. В нефти присутствуют три основных класса углеводородов: парафино­ вые, нафтеновые и ароматические. Другие органические соединения нефти кроме этих элементов содержат гетероатомы: серу, азот и кислород; в ма­ лых количествах присутствуют также хлор, ванадий, никель, мышьяк и дру­

гие металлы.

Углеводороды нефтяных и газовых залежей образовались по большей части в мелкозернистых нефтегазоматеринских осадках: илах, глинах, мер­ гелях, карбонатах и др. Породы, способные аккумулировать значительные количества мигрирующих в них нефти и газа, получили название природных резервуаров или коллекторов. Наиболее распространенные коллекторы представлены главным образом песчаниками и карбонатами.

При уплотнении, диа- и эпигенезе горных пород происходит выжимание поровых жидкостей из тонкозернистых осадков (таких, как глины), кото­ рые при этом значительно сокращаются в объеме. Так как большинство нефтематеринских пород имеет тонкозернистую структуру, этот процесс дает начало первичной миграции углеводородов, которые перемещаются в направлении пород-коллекторов.

Почти в 60% крупных нефтяных месторождений коллекторы пред­ ставлены песчаниками. В качестве коллекторов фигурируют также из­ вестняки, в том числе рифовые и трещиноватые, и кавернозные доломи­ ты. Легкие углеводороды (всплывающие на поверхность воды) накапли­ ваются в ловушках под вышележащими непроницаемыми пластами. В ро­ ли покрышек выступают обычно аргиллиты, мергели и эвапориты (глав­ ным образом гипсы).

К началу 80-х годов XX в. за весь период нефтеразработки (начиная с 50-х годов XIX столетия) было добыто около 55 млрд т нефти. По по­ следним данным доказанные и разведанные ресурсы нефти составляют 124 млрд т, в то время как в 1950 г. они не превышали 10 млрд т. Таким об­ разом, средний прирост ресурсов составлял около 3% в год.

В настоящее время поисково-разведочное бурение на нефть и газ ве­ дется главным образом на площади шельфовых зон Мирового океана, превышающей 4 млн км2, а всего перспективными признаны не менее 15 млн км2. Сегодня на морские месторождения приходится 25% общеми­ ровой добычи нефти.

Как считают специалисты, и континенты суши, и особенно Мировой океан еще таят в своих недрах крупные, не обнаруженные до сих пор запа­ сы нефти и газа. На материках выявлено около 600 перспективных осадоч­ ных бассейнов, из них обследовано лишь 400. Слабо изучены многие районы Африки, Аляски, Южной Америки, недостаточно исследована Антарктида. Активизируются в последнее время поиски в зонах столкновения литосфер­ ных плит, где согласно последним научным гипотезам, существуют особен­ но благоприятные условия для формирования залежей углеводородов.

Увеличение запасов связывают и с более полным освоением нефтяных пластов, в том числе и на больших глубинах (до 6-10 км) и в уже отработан­ ных месторождениях. Крупные запасы нефти сформированы в нефтенос­ ных песках и горючих сланцах, в битуминозных породах, которые содержат

так называемую тяжелую нефть (мальту). Их общие запасы огромны: по подсчетам геологические ресурсы тяжелой нефти в мире оцениваются в 800 млрд т (Россия, Канада, Венесуэла). Но освоить эти запасы в промыш­ ленных масштабах пока не удается.

2.3.4.2. ПРИРОДНЫЙ ГАЗ

По оценкам МИРЭК-ХШ (1986 г.) общие запасы природного газа соста­ вляют около 270 трлн м3 (или 10,5 млн ПДж). На 1998 г. разведанные запа­ сы оценивались в 109 трлн м3. За весь период добычи газа из недр его извле­ кли около 30 трлн м3. С 1987 г. кратность извлекаемых запасов газа непре­ рывно увеличивается благодаря усиленной разведке на шельфе Мирового океана и в глубинных слоях земной коры. До сих пор более половины пло­ щади шельфа в отношении газоносности еще не исследовано, а на подвод­ ные газопромыслы уже приходится более 15% общемировой добычи газа. Газ распределяется в недрах еще более неравномерно, чем нефть. В табл. 2.49 приведено распределение запасов нефти и газа по материкам.

2.3.4.3. УГОЛЬ

Общие ресурсы ископаемых углей в недрах планеты огромны. По дан­ ным МИРЭК-ХШ (1986 г.) они достигли 13 868 млрд т. Доказанные извле­ каемые ресурсы углей на 1990 г. (табл. 2.50) с учетом развития горнодо-

Разведанные запасы ископаемых углей (1990 г.)

бывающей техники и рентабельности разработки оцениваются в 1600 млрд т, из которых 1075 млрд т приходится на антрацит и каменные угли, 523 млрд т - на бурые угли. При объеме ежегодной добычи в разме­ ре 3 млрд т каменного угля и 1 млрд т бурого угля извлекаемых запасов хватит на 220 лет.

Угленосные бассейны по территории земного шара размещены нерав­ номерно. Их основная часть находится на территории б. СССР, США, Китая и ЮАР. На долю этих стран приходится более 80% общих и свыше 90% из­ влекаемых ресурсов каменных углей. Крупными запасами обладают также Польша, Германия, Австралия, Великобритания и ряд других стран.

Распространение угленосных серий во времени и в пространстве контро­ лируется эволюционными, климатическими и геологическими факторами (табл. 2.51). Так как исходное вещество углей образовалось из высших на­ земных растений, распространение залежей угля, по существу, ограничено верхнепалеозойскими и постпалеозойскими осадками, которые аккумули­ ровались после появления на Земле растительного покрова. Редкие уголь­ ные пласты, встречающиеся в более древних отложениях (например, антра­ цитоподобные шунгиты в нижепалеозойском разрезе Балтийского щита), имеют, по-видимому, водорослевое происхождение.

Благодаря не вполне еще понятному стечению обстоятельств, значи­ тельная часть мировых запасов углей сформировалась на протяжении отно­ сительно короткого временного отрезка - всего около 75 млн лет, приуро­ ченного к концу позднего палеозоя, когда обширные территории Европы, Северной Америки и бывшего суперконтинента Гондвана были покрыты густыми лесами, послужившими исходным материалом для мощных уголь­ ных скоплений.

Подавляющее большинство каменных углей, использующихся в про­ мышленности, составляют гумусовые угли, образовавшиеся из расти­ тельных остатков смешанного состава. Высокометаморфизованные гу­ мусовые угли (табл. 2.52) - блестящие и обычно хорошо расслоенные, благодаря чему они легко раскалываются. Углеводороды и другие соеди­ нения, из которых состоят гумусовые угли, редко сохраняют следы кле­ точной структуры.

Сапропелевые угли относительно больше обогащены углеводородами, и исходным их материалом могут быть как споры и пыльца высших расте­ ний, так и остатки водорослей. Кеннельские угли (кеннели), образующиеся, как правило, при отложении исходного материала в застойных водоемах, яв­ ляются второстепенными компонентами углей и присутствуют в большин­ стве угольных залежей. Богхеды - это угли, получившиеся частично из во­ дорослевых остатков; торбаниты (разновидности кеннелей) в основном сло­ жены водорослями. Сапропелевые угли обладают жирным блеском и рако­ вистым изломом, легко воспламеняются при низких температурах. В ре­ зультате перегонки из них могут быть получены нефть и газ.

До 60-х годов XX столетия ископаемые угли представляли собой глав­ ный вид топлива в мировой экономике: на их долю приходилась почти поло­ вина производства первичных энергоресурсов. Переориентация мировой энергетики на жидкое и газообразное топливо сократило эту долю до 28% (начало 80-х годов XX в.). Однако объективные причины (нестабильность нефтяного рынка и мировой энергетический кризис 1973 г. и др.) возврати­ ли интерес к твердому топливу. Уже в 1988 г. более 30% энергии было про­ изведено за счет углей.

2.3.4.4. УРАН

Благодаря большой ценности урана горные породы даже со сравнитель­ но невысокими его концентрациями считаются (табл. 2.53) потенциальными рудными телами. Главные минералы урана - уранит и урановая смолка (настуран), имеющие общую формулу 1Ю2. Из урансодержащих минералов следует назвать также коффинит (гидросиликат урана); существуют и дру­ гие, хуже диагностируемые природные соединения урана. Окисленные “желтые продукты” - карнотит и уранофан - дают характерные пятнистые образования вокруг скоплений урановых руд.

Источниками урана в осадочных породах являются скопления обломоч­ ных минералов, либо вещества, осаждающиеся из урансодержащих грунто­ вых вод. Чтобы понять генезис этих залежей, необходимо учитывать, что уранинит и другие минералы, в которых содержится четырехвалентный уран, легко разлагаются в окислительной обстановке. Поэтому в процессе выветривания горных пород уран освобождается, а затем переотлагается грунтовыми водами и гидротермальными растворами.

Все урановые месторождения, связанные с россыпями, имеют раннепро­ терозойской возраст (> 2 млрд лет). По данным некоторых специалистов, они были сформированы в тот период, когда благодаря низкому содержа­ нию кислорода в атмосфере уранинит и урановая смолка почти не разруша­ лись при выветривании и накапливались вместе с другими тяжелыми мине­ ралами (см. табл. 2.53).

Ресурсы современной топливной базы для ядерной энергетики опреде­ ляются стоимостью добычи урана при затратах, не превышающих 130 долл, за 1 кг U30 8. В настоящее время мировые геологические ресурсы урана оце­ ниваются от 5 до 20 млн т. Это ядерное сырье может быть использовано на легководных реакторах с тепловыми нейтронами. Производство энергии на строящихся АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (реакторами-размно­ жителями) мало зависит от стоимости сырья. При этом ресурсы ядерного