Поступление энергии

До сих пор мы рассматривали лишь основные ресурсы Земли. Поскольку они не безграничны, то необходимо хотя бы знать, как лучше распорядиться ими. Мы видели, что ископаемых запасов топлива вряд ли хватит более чем на два столетия; а это лишь мгновение в истории развития планеты. Считается, что основные природные источники энергии (уголь, нефть, газ) образовались из остатков растений, которые обильно покрывали Землю в какой-то очень давний период ее истории. В настоящее время только тропические леса служат тем материалом, который, как и прежде, откладывается "в расчете" на далекую перспективу, но, по-видимому, этот вклад в общий топливный баланс планеты совершенно ничтожен.

Энергия, необходимая для образования ископаемых источников энергии, поступает от Солнца. Реакции, которые происходят в растениях под действием солнечного света, называют реакциями фотосинтеза. Их мы рассмотрим в гл. 9 при обсуждении вопросов производства органических соединений (то есть соединений на основе углерода). Исходным сырьем для реакции фотосинтеза являются вода и углекислый газ. Все виды жизни на нашей планете поддерживаются благодаря энергии, которая высвобождается при разложении и синтезе органических веществ. Эти универсальные процессы сопровождаются выделением огромных количеств энергии. Установлено, что земные растения ежегодно потребляют не менее 10¹⁴ кВт*ч энергии; соответствующая оценка для растений, живущих в водоемах, отсутствует, так как пока еще не разработаны необходимые методы исследования, но, по-видимому, это величина того же порядка. Таким образом, общее количество солнечной энергии, потребляемой живыми организмами, во много раз превышает энергетическую потребность людей в настоящее время. Следует подчеркнуть, что эта величина не намного меньше того значения энергии, которое, согласно сделанным выше оценкам, определит энергетические потребности общества в будущем. В любом случае человек потребляет лишь незначительную долю общего количества солнечной энергии, идущей на фотосинтез. Задолго до конца XIX в. считалось, что энергетическая потребность людей при достаточно развитом лесоводстве может быть полностью удовлетворена за счет сжигания дров.

Солнечная энергия входит в нашу жизнь и другими путями. Благодаря ей обеспечивается циркуляция воздуха в атмосфере и воды в океанах, а также испарение воды, которая затем возвращается на землю в виде дождя. Выпадающая на возвышенности дождевая вода при своем движении вниз приводит в действие гидроэлектростанции. Швейцария и некоторые Скандинавские страны таким способом получают более половины всей энергии. Хотя полный вклад гидроэнергии в общемировой энергетический баланс весьма незначителен, некоторые развивающиеся страны, особенно в Африке и Южной Америке, возлагают на гидроэлектроэнергию большие надежды. Однако установлено, что даже при полном освоении гидроэнергоресурсов земного шара невозможно покрыть существующую в настоящее время энергетическую потребность. По-видимому, не следует многого ожидать и от ветряных энергетических установок. После обширных предварительных исследований в соответствующих районах Земли было построено несколько крупных ветряных энергетических установок мощностью свыше 1000 кВт*ч каждая. Они оказались весьма эффективными для получения небольших количеств энергии в отдаленных областях, поэтому их использование должно значительно возрасти. Но, по-видимому, даже при самых широких масштабах применения подобных установок общие потенциальные возможности ветряных генераторов не превзойдут возможностей гидроэлектростанций.

Размещение энергетических систем в устьях рек позволяет использовать энергию рек и морских приливов. В различных участках земного шара было построено несколько очень крупных приливных станций, среди них особенно выделяется система Ране на северо-западе Атлантического побережья Франции с годовой выработкой электроэнергии около 5*10⁸ кВт*ч. Однако энергия приливов настолько мала, что ее хватило бы на удовлетворение современной энергетической потребности общества лишь в течение одной минуты. Кроме того, мощность приливов и отливов не везде достаточно велика, чтобы подобное преобразование было экономически оправдано.

Таковы основные способы использования энергетических потенциалов земного шара. Каждому из них свойственны свои преимущества и недостатки. Темой нашей книги является проблема использования солнечной энергии. Эту проблему можно рассматривать с различных сторон, но прежде всего следует оценить размеры реальной экономической выгоды от преобразования солнечной энергии и попытаться реализовать эти возможности. Интенсивность солнечного излучения (то есть энергия, приходящая на единицу освещаемой поверхности) составляет в верхней части атмосферы около 1,3 ^кВт/_м². Примерно такое количество энергии получает поверхность стола средних размеров при его обогреве с помощью электроплитки средней мощности. Значительная часть солнечной энергии не доходит до поверхности земли (причины этого мы рассмотрим позже), но в то же время общая энергия облучения горизонтальной поверхности во многих частях земного шара достигает 2000 ^кВт*ч/_м² в год, что соответствует среднему значению интенсивности 0,6 ^кВт/_м² в течение 9 ч ежедневно. Таким образом, с поверхности площадью 80 км² можно было бы получать столько же энергии, сколько все человечество использует в настоящее время, а энергией, полученной с площади в 300 км², можно было бы удовлетворить все потребности будущего. Чтобы увязать эту перспективу с реальностью, следует отметить, что пустыни только в одной Западной Австралии занимают площадь около 1500 км².

Эти цифры безусловно поражают воображение, но не следует забывать, что солнечная радиация слишком рассеянна. Например, даже в домашнем чайнике скорость передачи энергии через нагревающуюся поверхность составляет несколько сотен ^кВт/_м². Именно низкая интенсивность солнечной энергии делает экономически невыгодным ее широкое применение. Однако, пока человек не научится получать в достаточных количествах ядерную энергию, он должен стремиться как можно шире использовать солнечную энергию. Сейчас это единственный весьма мощный источник, способный удовлетворить энергетические потребности человека.