Имя материала: Экология. Природа - Человек - Техника

Автор: Т.А. АКИМОВА

5.5. энергетические и минеральные ресурсы

Мировое потребление энергии неуклонно растет. За период с 1970 по 1990 гг. использование энергии в величинах нефтяного эквивалента возросло с 5 до 8,8 млрд т. По прогнозам Мировой энергетической конференции, спрос на энергию к 2020 г. может увеличиться еще на 75\%. Доминирующим источником энергии по-прежнему остается ископаемое топливо (рис.5.5).

Невозобновимые энергоресурсы. В табл. 5.5 сопоставлены запасы и современное потребление главных видов ископаемого топлива. Разведанные запасы почти на два порядка меньше геологической оценки их суммарного содержания в земной коре. Преобладающая масса содержится в рассеянных месторождениях горючих сланцев, где концентрация углеводородов ниже 3\%. Реальные эксплуатационные запасы в 2-3 раза меньше разведанных.

Доступные запасы нефти и газа примерно на два порядка превышают их современное годовое извлечение, запасы угля - на три порядка. Другими словами, сравнивая цифры, относящиеся к оценке разведанных запасов наиболее доступных видов топлива (второй столбец цифр), с цифрами их современного потребления (третий столбец), можно назвать максимальное время, на которое этих запасов может хватить. Для подвижной нефти - это 65 лет, для газа - 44 года, для угля - 320 лет. Учитывая, что потребление продолжает расти, реальные значения должны быть заметно меньше. Однако решающее влияние на объем добычи топлива оказывает пока еще не конечность запасов, а растущий спрос и политика цен. Можно смело прогнозировать долговременную тенденцию роста мировых цен на основные виды топлива в XXI веке.

 

Рис. 5.5. Мировое потребление энергии (Медоуз и др., 1992)

 

Месторождения ископаемых топлив расположены неравномерно. По 1 /З потенциальных мировых запасов угля и газа и более 20\% нефти находятся в России. Почти 35\% нефти и около 17\% газа сосредоточено на Среднем Востоке. Большими потенциалами угля, газа и нефти богата Северная Америка. Эти три региона располагают почти 70\% разведанных мировых запасов ископаемого топлива.

Кроме ископаемого топлива в странах Азии, Африки и Южной Америки продолжается использование довольно большого количества растительного топлива, в основном древесины. Суммарное количество энергии, получаемое за счет ископаемых и современных биогенных энергоресурсов, составляет около 12,6 млрд т условного топлива в год.

Весь потенциал ископаемых топлив, отраженный в итоге первого столбца табл. 5.5, конечно, колоссален по масштабам человеческой энергетики, но его реальная доступность даже в будущем вряд ли превысит доли процента. А по масштабам земного бюджета солнечной энергии этот потенциал не так уж велик: он немного превышает 4-летний приток. Следует, однако, помнить, что земные запасы угля, нефти и газа сложились за несравненно большее время, минимум за 100-150 млн лет. Топливо, на образование которого когда-то уходило несколько тысяч лет, мы сегодня сжигаем за год.

 

Таблица 5.5

Потенциальные и используемые ресурсы горючих ископаемых мира* (млрд т условного топлива)

Горючие ископаемые

Оценка количества в недрах

Разведанные запасы

Потребление (1990 г.)

Твердое топливо

7800

1280

3,96

Нефть подвижная

430

310

4,72

Тяжелая и запечатанная нефть

1240

70

0,27

Доступный природный газ

330

110

2,48

Нетрадиционный газ

1600

25

0.04

Горючие сланцы

353000

260

0,08

Итого

364400

2055

11,55

 

По данным Мировой энергетической конференции (МИРЭК) 1992 г., 1 т у.т. = 29,3 ГДж. Энергетические эквиваленты масс: 1 т угля - 28 ГДж; 1 т нефти - 43 ГДж; 1 т газа (1400 м3) - 52 ГДж. Приблизительно 0,8\% данных по запасам и использованию твердого топлива относятся к торфу

На втором месте по значению в энергоресурсах техносферы стоит ядерное топливо, главным источником которого является ископаемый уран. Большая часть урана в литосфере сильно рассеяна. По данным Мировой энергетической конференции, общие рудные запасы урана составляют 20,4 млн т, в том числе разведанные - 3,3 млн т. Содержание урана в породах большинства месторождений, имеющих перспективное коммерческое значение, колеблется от 0,001 до 0,03\%. Поэтому производится значительное рудное обогащение. Природный уран на 99,3\% состоит из изотопа U-238 и содержит только 0,7\% изотопа U-235, масса которого обладает способностью к самопроизвольной цепной реакции. Для промышленных целей производят изотопное обогащение урана с доведением содержания U-235 до 3\%. Такой уран (в основном в виде 1)0э) используется в большинстве современных реакторов.

При расходовании 1 кг урана в активной зоне реактора выделяется в зависимости от физических условий до 65 ТДж теплоты. Это соответствует сжиганию 2300 т угля. Если в качестве перспективного ресурса принять разведанные запасы, то общее количество энергии, которое можно получить в реакторах на тепловых нейтронах, составит около 1000 ЭДж. Для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, использующих реакцию деления U-238 и нарабатывающих плутоний, этот потенциал может возрасти до 140000 ЭДж и в 2,5 раза превысит сумму разведанных запасов органических топлив. К сожалению, часть этого ресурса уже переведена

в оружейный плутоний и вместе с массами отработанных радионуклидов превратилась в потенциал колоссального экологического риска. Общее потребление урана всеми странами за 50 лет приблизилось к 1,5 млн т. Для этого понадобилось переработать не менее 10 млрд т горной массы.

В настоящее время в мире работает более 400 реакторов АЭС с суммарной тепловой мощностью около 1200 ГВт. Они потребляют за год около 60 тыс. т урана и вносят 10-процентный вклад в общее техногенное выделение теплоты.

Возобновимые энергоресурсы. Хотя использование невозобновимых энергоресурсов ископаемых топлив создает самые серьезные экономические и экологические проблемы, человек намного меньше использует возобновимые энергоресурсы. Не потому, что они меньше (они намного больше), а потому, что их колоссальная энергия непостоянна, распределена на больших пространствах, мало концентрирована и плохо поддается контролю. Сознавая мощь стихий, человек предпочитает бензобак, ружье, электропровод или лазерный луч, где энергия сжата, канализована и находится в его полной власти.

Еще в 1978 г. ООН было введено понятие «новые и возобновляемые источники энергии», включавшее гидроэнергию, солнечную, геотермальную, ветровую, энергию морских волн, приливов и океана, энергию биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников.

Геофизические ресурсы энергии очень велики. Только близкие к поверхности суши и океана перемещения воздушных и водных масс имеют мощность порядка 25 ПВт, что в 2000 раз больше топливной мощности техносферы. Принципиальное отличие этих ресурсов от топливных заключается в том, что их использование само по себе не сопровождается загрязнением среды и не может повлиять на суммарный тепловой баланс планеты. Однако это совсем не означает их экологической нейтральности: эти ресурсы не могут быть ощутимо затронуты без того, чтобы не наступили трудно предсказуемые изменения климата и географической среды.

Гидроэнергия стоит на первом месте среди возобновимых ресурсов техносферы. Теоретический потенциал материкового стока близок к 6 ТВт (190 ЭДж/год). Реальный гидроэнергетический потенциал всех рек мира оценивается в 2,9 ТВт. Фактически в настоящее время для выработки электроэнергии используется менее 1/4 этого потенциала. В мире работают десятки тысяч ГЭС с общей электрической мощностью 660 ГВт. Для их работы на реках созданы водохранилища, часто целые каскады водохранилищ. Поскольку возраст большинства гидроэнергетических узлов насчитывает несколько десятилетий, а срок их амортизации колеблется от 50 до 200 лет, можно предвидеть немало проблем, связанных с реконструкцией гидроузлов. На рост использования гидропотенциала уже сейчас накладывается ряд экономических и экологических ограничений.

Суммарная оценка мощности устойчивых ветров в нижних слоях атмосферы имеет порядок 5 ТВт. Технически возможный объем ветроэнергетики мал по сравнению с этой величиной (максимальная оценка для 2020 г. равна 288 ГВт) и вряд ли составит более 2\% всей энергетики техносферы, хотя в отдельных странах эта доля может быть намного больше. Так, в Дании ветросиловые установки обеспечивают уже более 3,7\% выработки электроэнергии. Общая установленная электрическая мощность ветроэнергетических установок промышленного типа в мире сейчас достигла 11 ГВт и, вероятно, будет увеличиваться.

Геотермальная энергия Земли, обусловленная гравитационной динамикой и радиоактивным распадом в недрах, в целом оценивается мощностью около 32 ТВт. Если бы ее выход к поверхности земли был равномерным (т.е. составлял 0,063 Вт/м2), то она была бы непригодна для использования. Однако значительные ее выходы локализованы в районах вулканической активности, где концентрация подземного тепла во много раз больше. По результатам обследования таких районов, геотермальные ресурсы мира, в принципе доступные для использования, оценены в 140 ГВт. При этом имеются в виду только геотермальные выходы, а не нагретые скальные породы. Освоены эти ресурсы пока еще мало. Общая установленная мощность ГеоТЭС в мире не превышает 1,5 ГВт.

Солнечная энергия по сравнению с другими видами энергии обладает исключительными свойствами: практически неисчерпаема, экологически чиста, управляема, а по величине в тысячи раз превосходит всю энергию других источников, которые может использовать человечество. Потенциал эксплуатационного ресурса солнечной энергии оценивается по мощности от 100 до 500 ТВт. Из-за малой плотности этой энергии техносфера потребляет ничтожную ее часть. Некоторое количество используется в пассивной форме - для создания благоприятного теплового режима в системах закрытого грунта. Эта форма использования, а также совершенствование технических средств теплового аккумулирования солнечной энергии и тепловых насосов имеет очень большую перспективу. Однако гелиоэнергетиков больше интересуют способы концентрирования солнечной энергии и ее прямое преобразование в электроэнергию. При этом решающее значение имеют такие факторы, как энергетическая освещенность, площадь улавливания, КПД преобразования и эффективность аккумулирования. Технический потенциал использования солнечной энергии оценивается в 500 ГВт. Общая мощность систем прямого преобразования солнечной энергии в настоящее время достигала 4 ГВт, в том числе наземных фотоэлектрических преобразователей - 100 МВт.

Данные по гидроэнергетике включают мощности других возобновимых (альтернативных) источников энергии. 1 ГВт соответствует 1076,4 тыс. т у.т. в год

Рис. 5.6. Стриктура энергетического баланса техносферы в 1995 г. (ГВт)

 

Общая структура использования энергоресурсов современной техносферы представлена на рис. 5.6. Относительный вклад различных энергоносителей в общее использование энергии характеризуется такими средними величинами: уголь - 27\%, нефть - 34\%, газ - 17\%, гидроэнергия - 6\%, ядерная энергия - 8,5\%, прочие источники - 7,5\%.

Электроэнергетика занимает в настоящее время более 25\% энергобаланса техносферы: 3520 ГВт идут на выработку электроэнергии и попутного тепла, причем более 55\% теряется в процессе преобразования, а выработанные 1580 ГВт распределяются между электроэнергией и полезным теплом в' соотношении 2:1. Доля электроэнергии в конечном потреблении составляет 9,7\%.

Остальная суммарная мощность сжигания топлив в различных процессах превышает 9,2 ТВт. Почти половина этой мощности обеспечивается нефтью и нефтепродуктами, на втором месте уголь (24\%), затем следует газ (18\%) и некоммерческое растительное топливо (10\%). В конечном потреблении эксплуатационной мощности первое место занимает производство (46\%), второе - коммунальное хозяйство вместе со сферами обслуживания, управления и коммерции (37\%) и третье - транспорт (17\%). Суммарный КПД энергетики техносферы равен 30\%. Энергетическая мощность современной техносферы по величине приблизительно равна 6\% продукционной мощности биосферы (по энергии первичной брутто-продукции) и обладает таким же КПД, но использует во много раз более концентрированные и «грязные» источники.

Усредненная глобальная картина складывается из очень различных энергетик разных стран и регионов. Диапазон различий плотности энергетических потоков (относительно площади или населения разных территорий, стран) очень велик: почти от 0 до 2 МВт/км2 (Бельгия) и от 0,5 до 18 МВт на человека (США). Обеспеченность энергией тесно коррелирует с уровнем жизни населения разных стран. Резко различается и качественная структура энергетик: от преобладания растительного сырья в топливном балансе до 65-процентной доли в балансе электроэнергии, получаемой в основном на ГЭС (Норвегия).

В XX в. технический прогресс сопровождался стремительным ростом энергоемкости различных нужд человека и в настоящее время в развитых странах, несмотря на идеологию и практику энергосбережения, люди буквально купаются в энергии. За 100 лет удельные затраты энергии на кондиционирование среды и приготовление пищи увеличились в 8-10 раз, на перемещение (1 человеке- или тонно-километр) - в 15-20 раз.

Известно, к каким глубоким изменениям в мировой экономике привели энергетический кризис 70-х годов и повышение цен на нефть. Резко изменилось отношение темпов прироста потребления энергии и валовых национальных продуктов (ВНП). С 1970 по 1985 г. энергоемкость ВНП США снизилась на 71\%, Франции - на 70\%, Великобритании - на 72\%, Японии - на 78\%. Это, однако, не означало снижения потребления энергии. Оно продолжало расти.

В этой исторической ситуации наша экономика оказалась менее эластичной: энергоемкость национального дохода СССР за тот же период снизилась только на 15\%. В результате в середине 80-х годов на единицу национального дохода мы тратили топливных ресурсов в 4,5 раза больше, чем США, и в 6 раз больше, чем Япония. Правда, значительная часть этой разницы неизбежна и обусловлена климатическими условиями России - самой холодной из обитаемых стран. (Жесткость климата эффективной территории Финляндии, Норвегии, Исландии, Канады меньше, чем России).

Энергетика России по количественным параметрам достигла максимума в 1986 г. За последующие 10 лет большинство количественных показателей существенно снизились. В 1996 г. выработано 847 млрд кВт "ч электроэнергии и отпущено потребителям 1321 млрд Гкал тепловой энергии. В общем производстве первичных энергоресурсов доля газа составила 50\%, нефти - 31\%, угля - 13\%, электроэнергии, выработанной на атомных и гидроэлектростанциях, - 6\%. Хотя объем добычи ископаемого топлива снижается, оно продолжает играть решающую роль в производстве электрической и тепловой энергии.

Минеральные ресурсы. Только кислород, кремний и еще семь химических элементов составляют 99\% массы континентальной земной коры. Средняя концентрация остальных элементов очень мала, но некоторые из них образуют скопления в виде рудных месторождений.

К распространенным металлам, необходимым в первую очередь для металлургии, относятся только алюминий, железо, магний, титан и марганец. Остальные металлы считаются геохимически редкими.

Важнейшим для экономики минеральным ресурсом является железная руда. Всего в мире ежегодно добывается около 1 млрд т железной руды. По добыче железной руды Россия занимает четвертое место после Китая, Бразилии и Австралии. Мировые разведанные запасы железной руды оцениваются примерно в 200 млрд т, которых хватит примерно на 200 лет. Рудное сырье добывается в основном двумя способами: открытым и подземным. Открытый способ экологически неприемлем: связан с образованием большого объема отходов пустой породы и нарушением огромных земельных площадей. Вообще функционирование металлургического комплекса сопряжено с образованием огромного объема отходов на всех стадиях - от сырья до готовой продукции.

Предприятия металлургии выплавляют около 1 млрд т различных металлов в год, и этой массе соответствует почти 7-кратное количество необогащенных руд, для добычи которых приходится извлекать еще на порядок большую массу горных пород и грунтов. К этому добавляется большая энергоемкость добывающих и металлургических производств.

 

Рис. 5.7. Выплавка стали в отдельных странах мира (млн т, 1995)

 

Во всем мире ежегодно выплавляется около 800 млн т стали (рис. 5.7). Россия производит около 7,5 \% от мирового объема. Однако устаревшие технологии производства стали поставляют в окружающую среду огромное количество отходов. До сих пор в России 40\% стали выплавляется в мартенах, тогда как в США - 3\%, а в Великобритании, Франции, Италии, Японии, ФРГ этот способ вообще не применяется.

Распространенность редких металлов в земной коре настолько мала, что для рентабельной добычи необходимо многократное превышение их концентрации в месторождениях над средним содержанием. Для ряда редких металлов существует реальная опасность исчерпания наиболее рентабельных месторождений.

Техносфера играет роль мощного концентратора редких металлов в пространстве биосферы. Многие из этих элементов и их соединений являются сильными ядами.

Неметаллические полезные ископаемые и нерудное минеральное сырье составляет еще большую массу веществ и материалов, используемых в техносфере. Примерно 1/3 их составляет сырье для химической промышленности и производства минеральных удобрений, а 2/3 - строительные материалы.

Потребление минеральных удобрений, самых главных из них - фосфорных, калийных и азотных, применяемых обычно в соотношении 1:1,5:3, - неуклонно растет. За 30 лет с 1960 по 1990 гг. их мировое производство увеличилось в 5 раз - с 45 до 230 млн т в год. Источником фосфатов являются месторождения апатитов, фосфоритов и других фосфатных минералов, большая часть которых представляет собой преобразованные морские отложения. Меньшее количество концентрируется в апатитах изверженных горных пород, как у нас на Кольском полуострове. Распространенность фосфора в литосфере довольно велика: около 0,08\%. Сумма разведанных мировых запасов фосфора близка к 45 млрд т. Из обогащенного апатита производится главное фосфорное удобрение - суперфосфат. Калий является широко распространенным элементом (1,7\% в земной коре) и концентрируется в месторождениях калийных солей морского происхождения, в основном в виде хлорида кальция или в смеси с хлоридами натрия и магния. Эксплуатационные запасы калия превышают 60 млрд т. Ресурс азота практически неисчерпаем, поскольку для производства аммиака, а затем и других соединений используется азот воздуха.

Важным сырьем для ряда процессов крупнотоннажной химии, в частности для производства минеральных удобрений и пестицидов, является сера. Распространенность серы в земной коре равна 0,09\%. Приблизительно 30\% потребности в сере покрывается за счет месторождений самородной (элементарной) серы вулканического происхождения или скоплений, возникших в результате деятельности серобактерий. Эти запасы невелики по сравнению с темпом их исчерпания. Из других источников наиболее важны: природный газ с высоким содержанием H;S; сульфидные руды и колчеданы, из которых серу получают в качестве побочного продукта; огромны запасы сульфатов морского происхождения. Мировое производство серы из всех источников приближается к 70 млн т в год. Из других видов минерального сырья для неорганической химии важны большие запасы хлоридов и сульфатов натрия, магния и кальция, содержащиеся в скоплениях морских эвапоритов.

Строительные материалы - это самая большая по массе и объему группа веществ, извлекаемых для нужд техносферы. Часть из них используется в том виде, в каком добывается, подвергаясь лишь механической обработке. Это бутовый и дробленый строительный камень, песок, гравий. Вторую группу составляют материалы, подвергаемые химической и термической обработке, - глины для производства кирпича и керамики, известняки, доломиты, гипс и другие нерудные материалы для производства цемента, штукатурки, бетонов, стекла, а также слюда и асбест. Месторождения этих материалов широко распространены, запасы велики, ежегодная мировая добыча близка к 4 млрд т.

Россия обеспечивает себя практически всеми видами минеральных ресурсов. По минеральным ресурсам это самая богатая страна мира. Для большинства важнейших ископаемых существует высокий относительный уровень обеспеченности текущей добычи и высокая потенциальная ценность (табл. 5.7). Экологические аспекты использования минеральных ресурсов связаны с проблемами загрязнения окружающей среды и с его влиянием на экономику природопользования.

 

Таблица 5.7

Потенциальная ценность запасов полезных ископаемых России

Полезные ископаемые

Потенциальная ценность, млрд долл.

Газ

9280

Уголь и сланцы

6670

Нефть и конденсат

4490

Черные металлы

1980

Цветные и редкие металлы

1810

Благородные металлы и алмазы

274

Уран

6

Прочие полезные ископаемые

4900

Всего

29410

 

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 |