Франк Нипель

Мастеру на все руки

Нипель Ф. Мастеру на все руки. Кн. 2. Пер. с нем. под ред. канд. техн. наук Г. В. Севериновой. М.: Мир, 1993.
Перевод Г. Г. Гречушниковой (гл. 14, 17).

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

с. 131 Для обеспечения теплом и электрическим током современное жилище может располагать различными источниками энергии. Некоторые исходные вещества и материалы используются в быту непосредственно, другие предварительно превращаются на электростанциях в электричество.

Некоторые источники энергии постоянно обновляются (регенерируются) и называются поэтому регенеративными источниками энергии. К ним относятся древесина, солнечная энергия, энергия ветра и воды, а также биохимический газ. Геотермальная энергия,

которая накапливается водой или паром внутри Земли, и энергия приливов, получаемая за счет чередования приливов и отливов, до сих пор используются недостаточно широко.

Пока регенеративные источники покрывают только небольшую часть нашей потребности в энергии, однако их значение в последующие десятилетия возрастет, потому что большинство невозобновляемых источников энергии, применяемых сегодня, таких, как уголь, нефть, природный газ, имеются только в ограниченном количестве. С начала индустриализации потребление этого энергетического сырья приняло такой размах, что месторождения угля будут истощены в течение с. 132 одного-двух столетий, нефти — нескольких десятилетий. При этом разработка новых месторождений становится все более трудоемкой и дорогостоящей. Проблема обостряется из-за бурного роста численности населения Земли и его потребностей в энергии, поэтому приобретают исключительную важность экономное обращение с невозобновляемыми источниками энергии и исследование возможностей по их замене. Уже сегодня предлагается много вариантов.

Источники энергии, использование которых не загрязняет (или почти не загрязняет) окружающую среду, такие, как солнечная, ветровая и гидравлическая, называют также щадящими источниками энергии.

Древесина

Уже с древних времен древесина была важнейшим источником энергии. Только в девятнадцатом столетии ее вытеснил уголь, а с середины двадцатого столетия — нефть и природный газ.

Вырубать можно лишь столько леса, сколько его может вырасти за тот же период времени. Хищнический лесоповал быстро привел бы к нарушению природного равновесия. Такое равновесие нарушено в тропических лесах (прежде всего Африки и бассейна Амазонки) из-за пожаров и вырубки деревьев на экспорт. Последствия этого разрушительны: эрозия почвы, потери посевных площадей в сельском хозяйстве, наводнения. Экологи опасаются сильного негативного влияния этой разрушительной деятельности на климат Земли в целом.

Потенциал использования лесов, имеющийся в распоряжении Германии, еще далеко не исчерпан. Кроме того, полагают, что многие сотни тысяч домашних хозяйств могут дополнительно к дровам обогреваться отходами садоводства, промышленного производства и упаковочными материалами. Дрова нужно сжигать только хорошо высушенными (хвойные дрова сохнут по меньшей мере в течение года, лиственные — в течение двух лет). Чистая зола деревьев очень богата минералами и употребляется в качестве удобрения для садов и огородов. Влажность снижает теплоту сгорания дров, приводит к их неполному сгоранию и к повышенному возникновению вредных веществ (окиси углерода).

Как правило, только дровами отапливают помещения, где в распоряжении имеется их достаточное количество.

Наряду с поленьями в настоящее время используются древесные брикеты и щепа, удобные для регулирования отопления. Древесные брикеты состоят из спрессованных опилок и могут поддерживать жар долгое время. Щепой размером от нескольких сантиметров может автоматически загружаться котел центрального отопления.

Не рекомендуется сжигание древесно-стружечных плит, связанных синтетическими веществами, и кусков древесины с пластмассовым покрытием, так как при этом выделяются вредные для здоровья вещества (у древесно-стружечных плит — формальдегид).

Уголь

В ходе геологической истории Земли отложения остатков растений под высоким давлением и при изоляции от воздуха превратились в уголь. Более древние отложения (в основном, из-за более высокого давления) образовали каменный уголь, более поздние отложения — бурый. Теплотворная способность угля и содержание в нем вредных веществ зависят от сорта угля и от месторождения.

При сгорании уголь выделяет большое количество вредных веществ в виде двуокиси серы и окиси углерода, поэтому электростанции, работающие на угле без установок по очистке от сернистых соединений, становятся источниками загрязнения воздуха и выпадения кислотных дождей. В промышленных регионах они оказываются основной причиной гибели лесов.

Собственных запасов Германии хватит, в случае сохранения объемов потребления постоянными, на 200÷300 лет. В продажу уголь поступает главным образом в виде кокса и брикетов. Брикеты могут долго держать жар и поэтому снижают затраты на отопление. Они пригодны для сжигания в комбинации с дровами.

Жидкое топливо

Это, в первую очередь, применяемый в бытовых условиях мазут ЭЛ (экстра, легкотекучий), полученный из нефти путем перегонки. Нефть возникла из отложений морских растений и животных, которые образовали в геологически активную эпоху под влиянием сильного нагрева и давления большое количество углеводородных соединений. При перегонке путем нагрева нефть разделяется (улетучиванием) на отдельные фракции. При этом наряду со сжиженными газами, такими, как пропан и бутан, образуются также бензин, дизельное топливо, мазут ЭЛ (для домашнего сжигания), мазут Т (тяжелый, для промышленных установок) и битум (рис. 4). Потребление жидкого топлива в Германии снизилось после чрезмерного повышения цен на него с начала 1970-х гг. Импорт нефти с Ближнего Востока в значительной мере заменен импортом с месторождений Северного моря. Отечественные месторождения Германии очень малы.

Рис. 4. Упрощенное представление процесса перегонки нефти.

с. 133 Только повышение цен на жидкое топливо привело потребителей к осознанию того, что запасы нефти не безграничны. При сохранении существующих объемов добычи их хватит еще приблизительно на 50 лет.

Для сжигания в домашних условиях пригодна нефть с низким содержанием серы.

Газ

Газы различаются по происхождению, способу получения и составу и имеют очень разную теплотворную способность. При сгорании они образуют углекислый газ и воду и поэтому представляют собой безвредные для окружающей среды горючие вещества.

Природный газ является неядовитым горючим газом, состоящим приблизительно на 90 % из метана. Как и нефть, он возник из органических материалов под высоким давлением горных пород и поэтому добывается в геологически подобных месторождениях. Потребление природного газа в последние годы резко увеличилось, прежде всего после повышения цен на жидкое топливо в 1970-е гг. Германия обладает незначительными собственными запасами и заключила долгосрочные договоры на поставку с другими странами.

Природный газ почти на 90 % покрывает потребность Германии в газе; его применяют для получения горячей воды и отопления с высоким коэффициентом полезного действия. Мировых запасов газа должно хватить, по меньшей мере, еще на 60 лет при сохранении существующих объемов потребления.

Легко сжигаемые газы (пропан, бутан) образуются при переработке нефти. Так как эти газы сжижаются при относительно низком давлении, их разливают в баллоны, а при большом потреблении — в цистерны. Жидкий газ тяжелее воздуха, его хранение и применение требуют выполнения особых мер безопасности (подробнее об этом в гл. 20). Сжиженные газы имеют высокую теплотворную способность и используются как при незначительном, так и при большом потреблении в местностях, где нет возможности подключаться к сети природного газа. Газ, используемый во многих городах Германии, представляет собой смесь газов, получаемых в качестве побочного продукта при коксовании каменного угля и различных химико-технологических процессах. Так как подобный «городской» газ может содержать в своем составе ядовитый угарный газ, к нему следует примешивать вещества с запахом. Угарный газ является ядом, оказывающим на организм сильное действие, выражающееся в прекращении поступления в кровь кислорода. Таким образом, даже кратковременное пребывание в атмосфере угарного газа может иметь роковые последствия.

Солнечная энергия

Самым мощным и, по человеческим меркам, неисчерпаемым источником энергии является Солнце, Оно передает на поверхность Земли примерно в 1300 раз больше энергии, чем человечество потребляет. Частично эта энергия идет на испарение воды, превращается в энергию ветра, аккумулируется растениями.

Интенсивность излучения на поверхности земли различна. В южных странах оно используется солнечными электростанциями и солнечными печами; в умеренных широтах применяются многочисленные способы преобразования солнечной энергии там, где недостаточно других источников энергии и где особенно важна экологическая чистота солнечного тепла.

Солнечное излучение

может быть использовано для обогрева помещений непосредственно и без затрат за счет получения тепла, через окна, которые пропускают лучи прямо в дом, и от фасадов, которые его абсорбируют и аккумулируют. Солнечным излучением можно обогревать здания и подогревать воду, используя солнечные коллекторы и тепловые насосы, а также полупроводниковые солнечные батареи, генерирующие электрический ток.

Гидравлическая энергия

Использование энергии с. 134 текущей воды известно человечеству уже тысячелетия. Сегодня ее энергию используют преимущественно для выработки тока.

Экономически полезный потенциал гидравлической энергии в Германии практически исчерпан. Гидроэлектростанции обеспечивают примерно 5 % потребления электроэнергии. Многие малые ГЭС построены там, где раньше были водяные мельницы. Энергия воды используется для обеспечения людей электрическим током и теплом. Важная энергохозяйственная проблема состоит в том, чтобы уменьшить долю малоэффективных предприятий энергоснабжения.

Энергия ветра

Ветер возникает из-за различия (главным образом вследствие облачности) получаемого разными участками поверхности Земли солнечного излучения и связанного с ним неравномерного прогрева Земли. Потоки ветра выравнивают возникающую вследствие этого разность давлений в атмосфере (области высокого и низкого давления).

Человечество издавна использует энергию ветра. Уже приблизительно 3000 лет эксплуатируют ветряные мельницы для систем орошения и помола зерна. С изобретением паровой машины энергию ветра стали еще шире использовать в промышленных странах.

Соединением ветровых крыльев с генератором можно получить электрический ток; работа такой системы эффективна, как правило, только при средней скорости ветра, превышающей 18 км/ч. Теоретически ветровые электростанции могли бы покрыть существенную часть потребности Германии в токе. Однако широкое строительство установок, использующих энергию ветра, в значительной степени зависит от основополагающих политических решений, таких, как предоставление средств на проведение исследований, экономическое стимулирование строительства и эксплуатации ветровых электростанций и др. Соседняя Дания поставила цель: до 2000 года покрыть до ~ 10 % потребности в токе и до ~ 5 % потребности в отоплении за счет энергии ветра. При расположении в благоприятных местах ветровые генераторы могут взять на себя преобладающую часть снабжения энергией мелких потребителей, иными словами, удовлетворение потребностей в токе и тепле семейных домов, ремесленных и сельскохозяйственных производств.

Биогаз

Биогаз (биохимический газ) образуется при брожении растительных и животных отходов без доступа кислорода. Он возникает естественным способом в донном иле водоемов и в небольших количествах в кишечном тракте животных. Биогаз представляет собой смесь метана и углекислого газа. Этим он родствен природному газу.

Биохимический газ можно производить целенаправленно путем брожения биомассы (т. е. из навоза, помета, соломы или других растительных отходов). Поэтому он находит применение прежде всего в сельскохозяйственном производстве. Биогаз может быть получен в больших количествах при очистке городской отработанной воды. Он сгорает без запаха и без загрязнения окружающей среды. Производство биохимического газа в последние годы непрерывно растет.

Ядерная энергия

При расщеплении ядра атома освобождается энергия, которую в последнее, время все шире используют для производства электричества. Атомные электростанции считаются экологически чистыми, так как они выбрасывают в окружающую среду только незначительное количество вредных веществ.

Выделение радиоактивных веществ на атомных электростанциях можно уменьшить, но нельзя исключить полностью. Кроме того, большие количества радиоактивных материалов, используемых в качестве топлива АЭС, необходимо добывать, перерабатывать, транспортировать и заготавливать. Следствием серьезных недостатков технологии может быть повышенная гибель леса вблизи отвалов месторождений и атомных станций.

Несчастные случаи на атомных электростанциях могут иметь катастрофические последствия. Плутоний, образующийся в качестве побочного продукта при переработке сырья, относится к наиболее ядовитым из известных веществ и является важнейшей составной частью атомной бомбы. Чтобы не допустить попадания в руки частных лиц или некоторых государств даже нескольких килограммов этого материала, нужно тщательно организовать надзор за всем циклом производства и использования ядерного топлива. Отходы производства и эксплуатации также должны надежно храниться.

Так как период полураспада (так называется время, в течение которого распадается половина радиоактивного материала) у некоторых веществ очень продолжителен, наши потомки будут подвергаться опасности радиоактивного облучения еще в течение тысячелетий.

Электричество

Электричество — это наиболее универсальный вид энергии. Электроэнергия может непосредственно совершать работу, обеспечивать охлаждение, с. 135 освещение, производство тепла.

В Германии почти половину электрической энергии получают, используя в качестве топлива каменный и бурый уголь; больше трети вырабатывают атомные электростанции; остальное дает использование природного газа, мазута, отходов, энергии воды.

При выработке тока тепловыми электростанциями (иными словами, электростанциями, работающими на угле, нефти, газе или ядерном топливе) большая часть произведенной энергии теряется в виде отходящих газов, тепловых потерь, потерь в высоковольтных линиях электропередачи. Только около одной трети произведенной энергии достается потребителю (рис. 5). Поэтому, с точки зрения экономии энергии, электрический ток следует применять только там, где это безусловно необходимо.

Рис. 5. Выработка тока на тепловой электростанции.

Мощность сети электростанций планируют так, чтобы можно было покрыть зимние пики нагрузки в дневные и вечерние часы. Так как электростанции обычно нельзя часто включать и выключать, появляется в определенное время (главным образом ночью) избыток мощности, который должен разбираться за счет удешевления тарифов на электроэнергию. Мероприятия по экономии энергии должны быть направлены на предотвращение роста пиковых нагрузок и избытка установленной мощности. Поэтому все бытовые приборы, потребляющие ток, нежелательно использовать во время пиковых нагрузок.

Загрязнение окружающей среды

Считается, что сокращение энергопотребления может значительно уменьшить загрязнение окружающей среды. Впрочем, состояние окружающей среды существенно зависит от используемых источников энергии. А они различны для разных систем отопления и горячего водоснабжения. Системы, использующие энергию ветра, воды или солнца, не вырабатывают побочных вредных веществ. Если для генерирования и использования солнечной энергии необходима вспомогательная энергия, то состояние окружающей среды зависит от использования этой дополнительной энергии.

В домашних условиях уголь при сжигании выделяет в окружающую среду значительно больше вредных веществ, чем жидкое топливо или газ (см. таблицу). Газовое отопление является благоприятной для окружающей среды системой обогрева. Электрический ток дает наиболее чистую энергию. Однако это справедливо лишь для систем использования тока. Так как большая часть электроэнергии производится при сжигании угля и только его третья часть превращается в ток, баланс вредных веществ в этом случае оказывается существенно менее благоприятным, чем при конвективном обогреве нефтью (рис. 6). Это относится, с. 136 в частности, к электрическим водоподогревателям и электротепловым насосам. Хотя в тепловом насосе энергия используется лучше, чем при отоплении жидким топливом, однако выделение вредных веществ здесь также существенно выше. Производство тока на атомных электростанциях тоже приведет к повышенному загрязнению окружающей среды.

Средние значения выброса вредных веществ в атмосферу
в кг на 1 Трдж (соответствует приблизительно 280 000 кВт/ч) произведенной энергии
ОС — органические соединения (различные углеводородные соединения — одни безопасные, другие — опасные для здоровья человека).

SO2 — двуокись серы (соединяется с водой, образуя сернистую кислоту, что приводит к серьезным экологическим утратам, таким, как гибель лесов).

NOx — окиси азота (они в равной мере относятся к главным причинам гибели лесов).

CO — угарный газ (газ без запаха, приводит при вдыхании к затруднению снабжения тела кислородом, а при большой концентрации — к отравлению и параличу).

Вид топлива Загрязняющие атмосферу продукты
ОС Пыль SO2 NOx CO
Каменный уголь 250 250 500 100 6500
Брикеты каменного угля 500 250 500 50 10000
Каменноугольный кокс 20 100 550 100 7000
Брикеты бурого угля 150 350 230 50 7000
Прочие твердые горючие материалы, дерево 150 350 5 50 7000
Мазут Т 8 30 490 180 10
Жидкое топливо ЭЛ
Газ
2 0,1 1 50 50
Рис. 6. Выделение вредных веществ электрическими отопительными системами в сравнении со старыми отопительными системами на жидком топливе (в процентах). Выброс вредных веществ в окружающую среду может быть снижен только путем тщательной очистки от серы и азота.