Потребность людей в энергии

В прошлом потребление энергии росло пропорционально увеличению численности населения. Вплоть до XVI в. тепло повсеместно получали путем сжигания дров, сельскохозяйственных отходов. Использование энергии воды и ветра также уходит корнями в далекое прошлое. Тогда источники энергии можно было использовать, не считаясь с ресурсами Земли, так как запасы их легко восполнялись. Уголь в качестве топлива применяли в Англии уже в XII в., но его добыча не превышала 10⁷ т в год вплоть до конца XVIII в., когда началась Промышленная революция. Теперь для развития промышленности требовалась энергия в количествах, которые не могли обеспечить только восполняемые (природные) источники. За паровым насосом Сэвери (1698) появилась машина Ньюкомена (1712), затем - машина с коленчатым валом, созданная Ваттом^* (1781), и паровоз Тревитика (1802). Изобретение электрического генератора Пикси (1832), электрического двигателя - Граммом (1873) и открытие Фарадеем законов электромагнетизма наметили пути к широкому использованию энергии. К 1900 г. количество угля, добываемого только в Англии, достигло 2*10⁸ т в год. В 1857 г. началась добыча нефти в Румынии, а в 1859 г.- в США. Как при использовании угля в качестве топлива необходимо было постоянно восполнять его запасы, так и применение продуктов перегонки нефти в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания требовало непрерывного расширения ее добычи. В конце XIX - начале XX вв. двигатели внутреннего сгорания начали широко применяться на транспорте. К этому времени относятся изобретения бензинового двигателя Отто (1875), автомобильного двигателя Бензом (1890) и самолета братьями Райт^** (1903).

^* (Первая поршневая паровая машина была сконструирована и построена в 1763-1766 гг. русским изобретателем И. И. Ползуновым.- Прим. ред.)

^** (Первый самолет (летательный аппарат с паровым двигателем) был построен в 1882 г. в России А. Ф. Можайским.- Прим. ред.)

Чтобы представить себе масштабы потребления энергии в обозримом будущем, необходимо оценить, как увеличиваются энергетические потребности человека в нашем развивающемся мире. Мы начнем со статистических данных мировой добычи угля и нефти. Как известно, при сжигании топлива входящие в его состав вещества соединяются с кислородом воздуха, а выделяющаяся в результате этого процесса энергия используется для отопления жилых домов, общественных зданий и заводов, а также для приведения в действие машин, в которых она преобразуется в работу. К. п. д. этих машин в разное время был различным, он отражал уровень технического развития общества. В последние десятилетия эффективность тепловых машин резко возросла, но, как мы покажем в гл. 5, существуют принципиальные факторы, ограничивающие дальнейшее ее увеличение. Здесь мы не будем на них останавливаться, так как наша цель - получить лишь ориентировочное представление об энергетических потребностях человечества. Если предположить, что среднее значение к. п. д. использования угля и нефти не превышает 20%, то, следовательно, на удовлетворение потребности в этом виде энергии расходуется лишь ¹/₅ всей энергии, выделяемой при сжигании данных видов топлива. Следует также учитывать, что определенное количество энергии люди получают за счет сжигания леса, торфа и других растительных материалов. Во многих странах мира эти источники энергии все еще являются основными, и их вклад в общий топливный баланс составляет около 15%. В прошлом такие источники имели еще большее значение и вплоть до 1900 г. покрывали примерно 50% общей потребности в энергии. Вклад других источников энергии - гидроэлектростанций и атомных станций, по-видимому, пока не превышает 2%, несмотря на их высокий к. п. д. Кроме того, для перевозки грузов и сельскохозяйственных работ используются сотни миллионов животных, однако количество совершаемой ими работы в общем объеме потребляемой человечеством энергии ничтожно - не превышает нескольких кВт*ч в день в среднем на одного животного.

Рис. 3. Оценка мировой энергетической потребности, 1800-2000 гг.

На рис. 3 представлена кривая энергетической потребности общества. За единицу энергии здесь принят киловатт*час (кВт*ч), широко применяемый в практике. Необходимо подчеркнуть, что эта кривая - дает лишь ориентировочную оценку фактической работы, которую совершают машины, преобразующие химическую и тепловую энергию в работу. При этом не следует путать энергетическую потребность с потребляемой энергией, поскольку потребляемая от источников энергия из-за низкой эффективности ее преобразования значительно превышает указанную на графике энергетическую потребность.

Как мы видим, по сравнению с кривой численности населения (см. рис. 1) кривая энергетической потребности отличается большей крутизной. Это вполне понятно. С повышением жизненного уровня растут и запросы людей, что приводит к увеличению энергетической потребности на душу населения. Характерной чертой экономики развитых стран является переход от того уровня общественного развития, при котором население занималось сельским хозяйством и влачило жалкое существование, к более высокому уровню, когда население сосредоточено преимущественно в городах и занято в сфере производства предметов потребления и различных видов энергии. Общество, достигшее такой стадии, обладает огромными преимуществами, хотя, к сожалению, не все его члены пользуются его благами. Об уровне развития наций иногда судят по относительной численности городского населения. В настоящее время в Англии сельским хозяйством занимается около 6% населения, тогда как в странах Юго-Восточной Азии аналогичная цифра достигает 90%.

Другим показателем уровня развития общества является потребление энергии на душу населения. Физические возможности человека весьма невелики. Ежедневно только для поддержания своего здоровья человек должен потреблять с пищей около 2500 ккал, что в пересчете на принятые нами единицы энергии составляет около 1000 кВт*ч в год. Следовательно, если примерно 5% своей энергии человек будет тратить на выполнение полезной работы, то последняя не превысит 50 кВт*ч в год. Однако для населения в целом средняя величина такой работы не превосходит и половины указанного значения. Свои физические возможности человек расширяет, используя животных и особенно машины. Благодаря этому среднее значение энергии, приходящейся на одного жителя земного шара, в настоящее время достигает 3000 кВт*ч в год. Однако эта величина в зависимости от уровня развития нации колеблется в широких пределах. По нашим подсчетам, для Соединенных Штатов и некоторых стран Западной Европы она достигает 18 000 кВт*ч в год, тогда как для Индии она не превышает нескольких сотен кВт*ч в год.

Поднимая свой жизненный уровень, развивающиеся страны должны стремиться к тому, чтобы устранить существующее неравенство. Когда это произойдет и насколько к тому времени богатые нации уйдут вперед в своем развитии, пока можно только предполагать. Не делая слишком завышенных оценок, предположим, что некоторое устойчивое положение будет достигнуто, когда средняя энергетическая потребность на душу населения земного шара поднимется до современного уровня высокоразвитых наций. Такое предположение не лишено оснований, поскольку богатые нации несколько продвинутся в своем развитии, тогда как, по-видимому, не все развивающиеся страны пойдут по пути промышленного развития своей экономики. Однако необходимо учесть и множество дополнительных факторов. Отсталым странам необходимо в короткий срок осуществить капитальное строительство в самых широких масштабах. Даже при современных методах разработки полезных ископаемых это может привести к быстрому истощению всех ресурсов земного шара. При существующих темпах добычи запасы определенных металлов также должны иссякнуть уже через несколько десятилетий. При повышенной потребности в сырье начнут осваиваться даже такие месторождения, которые в настоящее время из-за низкого качества их руды не разрабатывают. Поэтому в будущем затраты энергии на получение того же количества руды заметно возрастут. Таким образом, даже с учетом того, что некоторые металлы после переплавки можно использовать повторно или заменять их пластмассами, затраты энергии на обеспечение капитальных строительств материалами вряд ли существенно снизятся.

Запасы воды также истощаются. И сейчас на земном шаре есть места, где стремятся использовать o каждую каплю воды. Со временем для удовлетворения потребности в пресной воде будут опреснять в огромных количествах морскую воду, что потребует новых затрат энергии. При наиболее доступном способе получения пресной воды эти затраты можно оценить величиной 100 кВт*ч на 1 т воды. И едва ли их можно снизить более чем на 2 кВт*ч на тонну. Кроме того, в будущем для увеличения производства растительных продуктов питания потребуется использовать удобрений примерно в сто раз больше, чем в настоящее время. При приготовлении аммиака NH₃ (который является основой большинства минеральных удобрений) азот получают путем восстановления его из воздуха, а водород - с помощью электролиза воды, причем на получение 1 кг азота необходимо затратить около 7 кВт*ч энергии. В масштабах же земного шара объем производства подобных удобрений достигает 20*10⁶ т в год.

Эти и многие другие факторы позволяют, по крайней мере умозрительно, оценить общую энергетическую потребность населения земного шара. Трудно представить, чтобы в конечном итоге эта потребность в расчете на душу населения оказалась ниже 20 000 квт*ч в год. Если совместить эту оценку с полученной выше оценкой общей численности населения на некотором установившемся уровне, то получится, что энергетическая потребность общества в будущем составит около 2*10¹⁴ кВт*ч в год, что в 16 раз превышает существующий уровень. Заметим, что к подобному результату приводит совместное действие двух факторов: увеличение численности населения (примерно в 3 раза) и повышение его запросов (не менее чем в 5 раз). Рассмотренные графики, построенные на основе ориентировочных оценок, дают лишь самое общее представление о возможных тенденциях развития. Но нельзя недооценивать всю сложность ситуации, в которой может оказаться человечество, например, через столетие.