Помоги проекту - поделись книгой:
Чирков Ю. Г. Занимательно об энергетике
МОСКВА
«МОЛОДАЯ ГВАРДИЯ»
1981
Автор:Чирков Ю. В.
23.04.2010
Год изд.:1981
Описание:За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан. Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину. Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного «корма». Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти. И вот, как в сказке, появились самолеты, забегали автомобили, иным стал флот, активнее стала развиваться промышленность. А между тем нефти в недрах земли во много раз меньше, чем каменного угля. Значит, дело не в запасах, а в том, насколько экономична добыча того или иного топлива, его транспортировка к потребителю, сколь удобно его использование. Солнечные батареи, гиганты ГРЭС, электрохимия, ветроэнергетика, топливные элементы, гелиостанции, «Токамаки». Какое место в этой шеренге занимает тот или иной вид энергии? В чем достоинства каждого? Где его применить? О тенденциях в энергетике, о том, как лучше удовлетворить бурно растущие потребности в энергии, о «конкурсе» источников тока рассказывает доктор наук Ю. Чирков в своей книге «Занимательно об энергетике».
Оглавление:
Введение
Глава 1. Энергетика глазами физика
Глава 2. Энергетика глазами эколога
Глава 3. Солнце в энергетической упряжке
Глава 4. Динозавры энергетики?
Глава 5. «Холодное» горение
Глава 6. Энергетика электрохимическая
Глава 7. Энергохимия, или Угольный ренессанс
Глава 8. Эра водорода
Глава 9. Гелиостанции на орбите
Глава 10. Энергетика: фантазии и фантастика
Заключение
ВВЕДЕНИЕ
В головоломке, популярной среди французских детей, действуют фермер, пруд и водяные лилии.
Лилии быстро растут число их ежедневно удваивается. Через 30 дней они покроют весь пруд и погубят все живое в нем.
Фермер не хочет допустить этого, но, занятый делами, решает вмешаться в тот день, когда лилии заполонят половину поверхности пруда.
Вопрос (в нем суть головоломки): «На какой день половина пруда будет покрыта лилиями?»
Ответ: «...на 29-й». Таким образом, чтобы спасти свой пруд, фермеру остается лишь один день!
Нечто подобное происходит и с энергетикой землян: потребление энергии неудержимо растет, запасы ископаемого топлива столь же стремительно сокращаются.
А «головоломка» здесь в том, что необходимо срочно (в течение нескольких десятилетий? лет?) изыскивать новые, по возможности дешевые, обильные (вечные?), достаточно мощные и экологически чистые источники энергии.
И вот ломают головы уже не школьники, а ученые, инженеры, экономисты, экологи, футурологи...
ГЛАВА 1
ЭНЕРГЕТИКА ГЛАЗАМИ ФИЗИКА
В
В 1945 году, когда первые атомные бомбы были уже взорваны, крупным американским специалистам был задан вопрос: «Когда удастся использовать атомную энергию в мирных целях?» Почти все ученые назвали одну цифру: 50 лет (1995 год). Но, как известно, первая советская (и первая в мире) атомная электростанция в Обнинске дала ток уже 27 июня 1954 года.
Такой грубый просчет! Тем более странный, что в самих США с 1942 года работал ядерный реактор с графитовым замедлителем — модель будущих электростанций.
Оказывается, американские специалисты исходили из соображений не столько технических, сколько экономических. Атомная электростанция, рассуждали они, дороже ГЭС или тепловой (теперь цены сравнялись). А следовательно, у нее нет шансов. А вот лет через 50, когда запасы нефти начнут истощаться...
Отчего же в последние десятилетия, вопреки скепсису экономистов, во всем мире атомная энергетика развивается опережающими темпами? Почему у нас в стране прирост мощностей в этой области составляет около 35 процентов? (Такого не знает ни одна из отраслей народного хозяйства!)
Отчего? Почему? Зачем? — на все эти вопросы ответит нам физик. Физика подарила человечеству энергию делящегося атома и сейчас пытается приручить еще и термоядерные реакции. Физик видит мир в особом свете, мыслит строгими количественными категориями. Поэтому его мнение представляет особый интерес. Послушаем же его прогноз о ближайшем будущем земной энергетики.
Плата — энергия
Один царь, гласит восточная легенда, решил отблагодарить мудреца и предложил ему самому назначить награду. Тот попросил зерна: одно зернышко — на первый квадрат шахматной доски, два — на второй, четыре — на третий, и так далее, удваивая каждый раз предыдущую цифру. Царя поразила скромность просьбы, но... скоро выяснилось: выполнить ее он не в силах. Суммарный вес зерен, если бы заполнить все 64 клетки доски, составил бы около ста миллиардов тонн — более чем десятикратный годовой мировой сбор/ зерна!
Мы не случайно вспомнили эту историю. Горькая мораль древней притчи близка и созвучна нашему времени. Многие из проблем человечества, оказывается, имеют точно такую же природу.
Физик скажет: число зерен росло в геометрической прогрессии, или, что фактически то же самое, по экспоненциальному закону. Так же, добавит он, растет из года в год добыча руд, и число научных публикаций, и количество автомобилей, и многое иное, что связано с жизнью человека.
К примеру, население планеты. Оно за год возрастает на 2 процента: много это или мало? Вроде бы немного. Однако, по прогнозам ООН, к 2000 году народонаселение Земли увеличится в 1,5 раза и достигнет колоссальной цифры — приблизительно 7 миллиардов человек!
Но еще стремительней растет выработка энергии — 5 процентов ежегодно! Это наиболее высокий показатель роста в мировом хозяйстве. Почти во всех странах капиталовложения в энергетику доминируют. (5 процентов — это очень много. Французский энергетик и математик Р. Жибра сделал любопытные подсчеты. Полное превращение материи в энергию по формуле Эйнштейна Е = mc2 — это, кажется, максимум того, на что человек вправе рассчитывать. Так вот, если бы способ превращения материи в энергию был в наших руках и если б мы захотели им воспользоваться, то при теперешнем удвоении электрической энергии каждые десять лет вещества Земли хватило бы ненадолго!)
Стремительный рост потребления энергии закономерен.
Рост населения Земли сам по себе требует увеличения количества продукции, что связано с дополнительными расходами энергоресурсов. Кроме того, процесс индустриализации, идущий в мире, требует дополнительного расхода материалов — металла, пластмасс и т. д.— на душу населения, что неминуемо ведет к росту энергозатрат.
Есть и другие причины. Как известно, запасы минерального сырья быстро истощаются. Источники серебра, олова, меди и других крайне нужных человеку цветных металлов скудеют. Вот и приходится извлекать эти металлы из все более бедных по содержанию руд. Уже сейчас магний добывают из морской воды. И каждая крупица этого металла обходится в большие энергозатраты.
Отношение человека к веществам довольно прихотливо. Мода тут непрерывно меняется. Академик А. Ферсман когда-то писал, что в отдаленном будущем, возможно, в основу промышленности будет положена глина.
Но какие бы элементы ни использовал человек, к чему бы он ни испытывал пристрастие, поставить их себе на службу он сможет, лишь обладая достаточно мощной энергетикой.
Следующая причина быстрого роста энергетики — это загрязнение окружающей среды. Оно уже достигло глобальных масштабов и требует срочных мер.
Лучшее средство здесь — создание циклических, замкнутых производств (по образцу природных процессов), где бы вредные отбросы полностью отсутствовали. Но подобные установки требуют все того же — энергии!
В ней нуждается и сельское хозяйство. Производство во всевозрастающих количествах минеральных удобрений, связывание азота воздуха. А скажем, химическая технология: и ей подавай энергию! Химическая технология обещает нам многое — вплоть до создания искусственной пищи. Но, чтобы скомпоновать из неорганических веществ органику, годную в пищу, к примеру белки, опять же потребна энергия.
Так вот и получается: к чему бы человек ни притронулся, за что бы он ни взялся, что бы он ни затеял, тотчас же незримая «рука» подставляет свою ладонь — плати!
И не только за комфорт, но даже за создание хотя бы сносных условий существования человеку постоянно приходится платить, а плата всюду одна — энергия.
Академик, лауреат Нобелевской премии П. Капица последние годы в своих докладах и статьях («Глобальные проблемы и энергия», «Энергия и физика») неоднократно выступал с обсуждением и вопросов энергетики.
В одной из своих статей П. Капица приводит красивую аналогию. В организм человека, пишет он, попал микроб. Он размножается делением каждый час... И вот число микробов во времени — болезнь прогрессирует! — начинает бешено расти, как и число зерен на шахматной доске. Та же геометрическая прогрессия! Нетрудно подсчитать, что за три дня число микробов достигло бы в организме человека астрономической цифры — 1021. И суммарный вес микробов превысил бы вес человека!
Этого, конечно, быть не может. Безудержный процесс размножения микробов должен прекратиться. Здесь есть, говорит П. Капица, три исхода. Либо организм человека поборет болезнь — микробы будут уничтожены, либо же они будут продолжать развиваться, и человек в конце концов погибнет вместе с ними. Есть и третий исход — в организме уничтожается столько же микробов, сколько их возникает. Это хроническое течение болезни, оно может продолжаться неопределенно долго.
Развитие болезни и проблемы энергетики — они во многом схожи (вот она, физика, умеющая обобщать самые разнородные явления!). И в энергетических делах для человека только три дорожки.
Первая — остаться без энергии. В отличие от примера с микробами — исход плачевный, катастрофа!
Другой путь — хроническое топтание на месте, так сказать, перебиваться в энергетике с хлеба на квас: тоже не сахар!
Значит, вроде бы приемлемо лишь одно: путь третий — непрерывный рост энерговооруженности. Да, собственно, так оно и идет: за последние 15 лет годовой прирост энергии, доминируя над всем прочим, держится на уровне пяти процентов. Ближайшая перспектива? О ней вполне определенно высказался один из ведущих советских энергетиков академик Е. Велихов: «Основываясь на докладах (беседа шла в начале 1980 года в Гамбурге: там проходил крупный научный форум) таких организаций, как академии наук СССР, США, Международный институт прикладного системного анализа и других, мы пришли к важному выводу: несмотря на все усилия по экономии, потребление энергии будет возрастать...»
Вроде бы, такой вывод — повод для радости: «организм мира», дескать, крепнет с каждым днем. Все больше энергии становится подвластной человеческой воле...
Но тогда как же понять слова П. Капицы: «Мы сейчас внезапно почувствовали себя больными, и, чтобы не погибнуть, пора подумать, как нам лечиться...»?
Бытовая и промышленная
Понимать слова П. Капицы следует так. Считается, что мы живем в век атомный. Но так ли это? Ведь и сегодня львиную долю энергии дает нам не делящийся атом, не «Токамаки», а, как и встарь, уголь, нефть и газ. Но все, как говорится, течет, все меняется. И эти энергетические закрома в один далеко не прекрасный день будут истощены. Когда? Сказать трудно. Назывались самые различные сроки: и длинные сотни лет, и краткие десятилетия.
Улучшение методов разведки и усовершенствование глубинного бурения (сейчас добыча нефти и газа с глубин в 5—7 тысяч метров уже не считается исключением) много раз вносили существенные коррективы в эти прогнозы.
Опять же — энергия энергии рознь! Желательно, чтобы энергия была дешевой и легкодоступной. Скажем, известно, что ядерное топливо — уран и торий входят в состав обычных гранитов и базальтов. Запасы эти грандиозны. Но трудно представить себе такой уровень техники, при котором будет экономически целесообразно перерабатывать для извлечения урана или тория громадную массу гранитов и базальтов нашей планеты.
Да, запасы могут быть велики, но ясно как день, что когда-то (бессмысленно пытаться указывать точные даты) им все же придет конец. Ибо противоположное утверждение противоречило бы одному из фундаментальнейших законов физики — закону сохранения энергии. И как следствие допускало бы существование вечного двигателя.
Вечный двигатель изобрести невозможно — это факт. Но вечные источники энергии, способные прийти на смену тающим запасам ископаемого топлива, имеются. Достаточно взглянуть на наше светило, уже многие миллионы лет изливающее на Землю обильную и. все не скудеющую энергию.
Рядовые вечной энергетики — это и ветер, и луч» солнца, и сила океанских течений, и тепло земных недр... Что предпочесть? Какой источник энергии выбрать?
И тут вновь физические соображения, оказывается, могут быть очень полезны. Они помогут отделить пшеницу от плевел: отбросить технические проекты заведомо бесперспективные.
Но прежде чем присяжные физики вынесут свой приговор, полезно уточнить: а о какой, собственно, энергии идет здесь речь? Или, по-другому, куда пойдет энергия? Ведь есть энергия «бытовая» и есть «промышленная». Их нельзя путать. «Бытовая» это то, что обеспечивает нам культурный уровень жизни, ее высокий стандарт. Тут многое, привычное всякому человеку — электроосвещение, электропитание холодильников, телевизоров, электробритв, пылесосов и других приборов, красящих наш быт. Тут энергетический счет невысок — киловатты
Совсем иное — масштаб энергии «промышленной». Металлургия, машиностроение, транспорт, строительство, сельское хозяйство съедают уже многие сотни мегаватт миллионы киловатт! Энергия ни в какое сравнение не идущая с «бытовой».
И когда говорят об энергетическом кризисе, то имеют в виду именно энергию «промышленную». Только она определяет уровень валового продукта и размер национального дохода той или иной страны.
Ита1, нужны мощные и, памятуя о кризисе и невозможности вечного двигателя, неисчерпаемые, неиссякаемые (практически, конечно) источники энергии.
Что же, оглянемся вокруг. Практически вечны солнце, приливы, кипение вулканов.. Да, они вечны, но — увы! — недостаточно мощны. Плотность поступающей от них энергии невелика.
Вот, скажем, солнце. Этот великан ежесекундно расходует на тепло и свет 4200 тонн своего вещества. Каждые сутки масса солнца уменьшается почти на 400 миллиардов тонн: циклопические количества! Солнце тает на глазах, однако волнения тут преждевременны.
Вес солнца настолько грандиозен, что оно будет поддерживать «огонь в своих топках» еще примерно 100 миллиардов лет. На наш век, как говорится, хватит!
Хуже с плотностью энергии, падающей от солнца на землю. Солнце далеко. На один квадратный метр освещенной поверхности приходится лишь 100 ватт. И это оптимум: максимум того, что дает светило. А уж как людям удастся снять этот солнечный урожай — это другой (довольно уязвимый) вопрос!
100 ватт, может быть, и сносно для энергии «бытовой», но ведь нам надо насытить энергию «промышленную». А вот тут для получения, скажем, 100 мегаватт требуется площадь с квадратный километр.
Однако гораздо хуже то, что ни один из методов преобразования энергии солнечных лучей пока нерентабелен. И чтобы это дело пошло, следует снизить затраты на несколько порядков. Пока даже не видно пути, как это можно осуществить.
Возьмем теперь другой пример — энергию геотермальную. Сможет ли она решить проблему? Источник заманчив. Энергетические запасы тут неистощимы, и в отличие от солнечной энергии, которая имеет колебания не только суточные, но также зависящие от времени года и от погоды, геотермальная энергия способна генерировать ток непрерывно.
Многих увлекает идея просверлить землю н добраться до глубинного тепла. К сожалению, не всегда учитывается, что нужна не температура, а энергия, и для того чтобы ее отвести из глубинных слоев, необходимы очень глубоко идущие щупальца в сторону от того отверстия, которое мы просверлили. Другими словами: нужна пористая структура, чтобы по ней можно было бы отбирать энергию от достаточно большого объема.
Еще в начале этого века изобретатель современной паровой турбины английский инженер и предприниматель Ч. Парсонс разрабатывал проект использования тепла земных недр. На глубинах 10—15 километров температура подскакивает уже до нескольких сотен градусов: в принципе можно получить пар и генерировать ток с хорошим КПД.
И вновь осечка! Из-за плохой теплопроводности (и слава богу, а то бы нам пятки жгло) земной коры, говорит физик, геотермальное тепло также не обладает достаточной плотностью потока энергии.
Правда, у нас на Камчатке действует первая в стране экспериментальная Паужетская геотермальная электростанция (сокращенно ГЕОТЭС) мощностью в 5 тысяч киловатт. Эта станция — своеобразная лаборатория, где ученые и инженеры продолжают исследовать свойства термальных вод, «доводят» оборудование, приборы, отрабатывают наиболее выгодные технологические процессы. С момента пуска Паужетская ГЕОТЭС выработала 164 миллиона киловатт-часов электроэнергии.
И в Италии, где много вулканов и тепловые потоки достаточно мощны, геотепло успешно используется. И все же вносит лишь два процента в энергетический баланс страны. Но таких районов, богатых мощными геотермальными потоками, на планете немного.
А гидроэнергия? Она дает лишь пять процентов в общем энергетическом мировом балансе, и не больше: мощных рек, да еще в горных районах, не так-то много!
Ветер? Он крайне непостоянен, и, главное, плотность энергии опять же ничтожна.
Итак, физик настаивает: ни солнце, ни тепло земли, ни сила падающей воды, ни ветер, ни многие другие источники энергии не насытят аппетита землян. Ибо все они маломощны и могут играть лишь вспомогательную роль.
Спасительный атом
Петербург столетней давности. В первом номере журнала «Природа и охота» за 1879 год читатель мог прочесть следующее: «...Все более и более возрастающая ценность, не говоря о дровах, но даже угля, озабочивает многие ученые и неученые головы. Чем в самом деле будут топить наши потомки? Не должны ли они будут погибнуть с холоду или переселиться под тропики Африки и Южной Америки и вместо дров и каменного угля довольствоваться солнечной теплотой...»
Как видим, разговоры об «энергетическом голоде» начались не вчера.
В 20-х годах нашего века было точно подсчитано: известных запасов нефти хватит не далее чем до 2000 года, угля — до 2100-го. От других источников энергии большого проку не ждали. И полагали, что где-то в конце XXI века людям придется возвратиться, так сказать, к первобытному состоянию — к волам, лошадям, к водяным и ветряным мельницам.
Если бы надвигающийся сейчас на человечество энергетический кризис дал себя почувствовать лет 40— 50 назад, до открытия ядерной энергии, человечество, несомненно, стояло бы перед катастрофой. А человеческая культура зашла бы в тупик. Но надо отдать должное ученым. Крупнейшие из них давно осознали мощь атомного ядра.
Поделиться книгой: