2.2.5. Энергетические ресурсы

Горючие ископаемые — это наиболее важная группа минеральных ресурсов:

1. Они обеспечивают энергией все стороны современной жизни: быт людей, работу сельского хозяйства, всю промышленность, транспорт, связь — вообще, всё.
2. Запасы энергетических ресурсов крайне ограничены, они расходуются быстрее других и могут быть исчерпаны в первую очередь.
3. От энергии зависит решение вопросов со всеми другими ресурсами, и не только потому, что их добыча требует больших энергозатрат, но также и потому, что, располагая энергией, можно добывать другие материалы из всё более бедных руд, в принципе даже из обычных окружающих нас пород и морской воды.
4. Природные горючие материалы — уголь, нефть, газ, сами являются важнейшими источниками сырья для химической промышленности.

Первоисточником всей энергии, которую человечество когда-либо использовало от своего появления до 20 столетия, всегда было только Солнце. Пища, мускульная сила человека, тепло костров — всё это солнечная энергия, поглощённая растениями и превращённая в химическую энергию растительных тканей. По мере развития люди стали использовать мускульную силу животных — это тоже солнечная энергия, усвоенная растениями, которые послужили пищей для животных. Ветер, крутивший крылья ветряных мельниц или надувавший паруса кораблей, возникает за счёт нагрева морской и земной поверхности и воздушных масс излучением Солнца. Речные потоки, крутившие колёса водяных мельниц и других мануфактур, а теперь вращающие турбины гидростанций — это тоже от Солнца, которое испаряет воду Мирового океана; водяные пары разносятся движением воздушных масс и проливаются дождями над сушей, снова питая те же потоки. Солнце выполняет роль насоса, перекачивающего воду по этому контуру.

Когда ещё в 12 веке началось использование залежей каменного угля, сначала для отопления, затем в 17 веке для выплавки чугуна, далее в 19 веке для паровых котлов и электрических станций (конец 19 века), и когда началась добыча нефти сначала для освещения, затем для двигателей внутреннего сгорания (19 век), положение ничуть не изменилось: уголь, нефть и горючие газы образовались из остатков отмерших живых организмов. Всё это в энергетическом смысле — законсервированные солнечные лучи.

Только в 20 столетии началось использование таких видов энергии, источником которых Солнце уже не является. Их всего три:

1. Энергия внутреннего тепла Земли. Она выступает наружу в форме горячих источников. На их основе были построены гидротермальные тепло- и электростанции в Исландии и на Камчатке. Хотя запасы тепловой энергии в земных недрах огромны, использование их затруднительно и пока они никак не могут конкурировать с горючими ископаемыми. Построенные гидротермальные установки по мощности невелики и для общемирового хозяйства значения не имеют. Однако для местных нужд небольшого района, к тому же далеко отстоящего от залежей горючего сырья, они полезны и могут использоваться.

2. Гравитационная энергия системы Земля — Луна. Этот странный вид энергии, обусловленный взаимным притяжением Земли и её спутника, вызывает океанские приливы и отливы. Вода периодически поднимается и опускается; есть места, где приливная волна в прибрежной зоне может достигать 20 метров; правда, это рекорд. Но на Земле есть около 30 мест, где во время прилива вода регулярно поднимается более, чем на 5 метров, и этого достаточно для работы прибрежной приливной гидростанции. Небольшие опытные станции такого типа уже построены и действуют (побережье Франции в районе реки Ранс, Кислая Губа в Белом море, СССР).

   С этим источником дело обстоит примерно так же, как и с предыдущим: запас энергии очень велик, приливы есть (из-за них немного, на 0,001 секунды в столетие замедляется вращение Земли и очень незначительно увеличивается расстояние до Луны), но использовать эту энергию практически трудно.

   Для мировой энергетики эти станции значения не имеют (по крайней мере, пока), но для небольших, удачно расположенных пунктов, могут оказаться полезными.

3. Ядерная энергия. Существует много радиоактивных элементов, но пока практическое значение для энергетики имеет только один из них — уран $\text{U}$, точнее, изотоп урана $\text{U}$235, тот самый, который используется в атомных бомбах. По сравнению с двумя предыдущими источниками, здесь всё обстоит наоборот. Энергетические запасы в залежах урана оказались не такими уж большими. И вопреки первоначальному оптимизму неспециалистов (а для специалистов всё было ясно с самого начала), они не в состоянии обеспечить решение энергетической проблемы на длительное время. Но всё же по запасу энергии уран вполне сравним с горючими ископаемыми.

Атомные тепло- и электростанции построены и включились в общую систему энергоснабжения, правда, по мощности они пока уступают тепловым. В 1980 г. атомные станции обеспечивали около 7% мирового производства электроэнергии, но зато в США — около 45%, в Европе — 28%, в Японии — 12% [17]. Вслед за стационарными установками ядерные реакторы стали проникать в транспортные средства: появились атомные корабли и подводные лодки.

Первые два источника энергии несолнечного происхождения — внутреннее тепло Земли и энергия приливов, в отличие от тепловых станций, являются «чистыми». Они совершенно не загрязняют окружающую среду и не нарушают природные процессы. С атомными станциями дело обстоит несколько иначе: они сами и отработавшие в реакторах ядерные материалы могут загрязнять среду и быть источниками очень большой опасности. По этому поводу уже давно ведутся дискуссии.

Текущая работа самих атомных станций природную среду не загрязняет: может быть осуществлена защита. Но насколько она надёжна? До 1986 года по этому вопросу шли споры. Оптимисты утверждали, что опасность мнимая и указывали на несколько способов защиты от радиации и вредных веществ, которые в атомных реакторах применены все сразу. Пессимисты говорили, и, конечно, писали, что всё же риск велик и отмечали случаи, когда на атомных станциях возникали предаварийные ситуации, с которыми, правда, удавалось справляться. Но вот 16 апреля 1986 года на атомной станции в Чернобыле (Украина) произошла крупная авария, с которой справиться не удалось. Пострадало много людей в окружающих селениях, большая территория оказалась заражённой, волна вредных радиоактивных веществ, выброшенных в атмосферу, проникла в Западную Европу. Пессимисты оказались правы.

Но спор на этом не окончен. Атомные станции продолжают работать и строятся новые, хотя программа их строительства была сокращена. Вряд ли при современном энергетическом голоде человечество сможет отказаться от атомной энергетики. Можно указать на некоторые аналогии, когда подобная же полемика о безопасности велась в связи с паровыми машинами, паровозами, автомобилями, авиацией. И действительно, котлы взрывались, происходили аварии на транспорте, самолёты падали (и, к сожалению, продолжают падать), в шахтах и на промышленных предприятиях иногда случаются крупные аварии, но никто не собирается из-за этого остановить технический прогресс. Надо полагать, что человечество справится с проблемой защиты атомных станций и обеспечит их полную безопасность.

Наряду с делением тяжёлых ядер, существует ещё один потенциальный вариант ядерных процессов и ядерного горючего: синтез более тяжёлых ядер из лёгких, например, получение гелия из водорода и его изотопов (дейтерия, трития). То, что такой процесс в принципе возможен, доказывает длительное существование Солнца и звёзд, а также осуществлённая на Земле водородная бомба. При ядерном синтезе выделяется во много раз больше энергии, чем при делении тяжёлых ядер. Запасы сырья для этого процесса дёшевы и легко доступны — просто вода. Вот уж поистине безграничная энергетическая кладовая!

Для этого нужно только одно: осуществить управляемую термоядерную реакцию, которая протекала бы медленно, могла бы быть «выключена» — не так, как в бомбе — взорвалась…и всё. Работы в этом направлении ведутся давно и упорно, но пока безрезультатно; прогнозируемые сроки всё время отодвигаются. И нельзя твёрдо сказать, когда это удастся осуществить и удастся ли вообще. На этом пути очень много громадных не только технических, но и принципиальных трудностей: надо создать и длительно поддерживать условия, близкие к тем, которые существуют в недрах звёзд — температура в сотни миллионов градусов при давлении в миллиарды атмосфер. Может быть, это произойдёт очень нескоро или же не удастся никогда, и с этим надо считаться.

Мировое потребление энергии растёт. Почти вся эта энергия (94–96%) выкачивается из недр в виде нефти, горючих газов и каменного угля. Только 4–6% поставляют атомные и гидроэлектрические станции. На рис. 2.1, 2.2, 2.3 изображены графики, наглядно иллюстрирующие этот процесс.

В табл. 2.7 приведены данные о запасах, добыче и расчётные сроки исчерпания ресурсов по трём основным видам горючих ископаемых — нефти, газу, каменному углю, а также по урану. Обсудим эти материалы с привлечением некоторых сведений из литературных источников [17—21; 23—25 и др.].

Графики на рис. 2.1 отражают изменения в добыче четырёх основных видов энергетических ресурсов за период с 1965 по 1990 годы. Эти графики построены по трём точкам: средняя добыча за 1965, 1966, 1967 годы (отнесена к 1966 г.), за 1973–1977 годы (отнесена к 1975 г.) и за 1986–1989 годы (отнесена к 1988 г). По оси абсцисс отложен энергетический эквивалент добываемого сырья в Дж и для ориентировки проставлены значения в «натуральных» единицах — тоннах и кубометрах (для газа). Кроме общей добычи (сплошные линии), указана доля, приходящаяся на развитые (штриховые линии) и на развивающиеся страны (штрих-пунктирные линии). К развитым странам отнесены все страны Западной Европы, США, Канада, ЮАР, Япония и Австралия. Добыча урана указана за период с 1973 по 1990 годы; данные за 1965–1967 годы отсутствуют. Связь между энергетическими и «натуральными» значениями определяется теплотворной способностью $k_{\text{т}}$ соответствующих веществ, которая, вообще говоря, зависит от качества и сорта и может несколько колебаться. В данном случае было принято: для нефти $k_{\text{т}}=4,4\cdot 10^{10}$ Дж/т; для угля $k_{\text{т}}=3,6\cdot 10^{10}$ Дж/т; для газа $k_{\text{т}}=1,68\cdot 10^7$ Дж/м${}^3$ [26]. Энергетический эквивалент для урана определён исходя из того, что в 1 тонне добываемого урана содержится 0,7% или 7 килограмм делящегося изотопа $\text{U}$235, который и используется в реакторах. При полном распаде $\text{U}$235 выделяется энергия 5,73$\cdot 10^{14}$ Дж/т; это более чем в 10000 раз превышает соответствующие эквиваленты для нефти и угля. Окись урана $\text{U}$3O8, из которой обычно состоит урановая руда, пересчитана в металлический уран (1 тонна $\text{U}$3O8 содержит 0,8495 т. чистого урана).

На рис. 2.2 а,б представлены графики общей добычи энергетических ресурсов и распределение её по видам сырья (рис. 2.2 а) и между развитыми и развивающимися странами (рис. 2.2 б). Энергия выражена в общих единицах — Джоулях. На графиках отдельно нанесена добыча за годы 1965, 66, 67 (1-я серия); 1973, 74, 75, 76, 77 (2-я серия); 1986, 87, 88, 89, 90 (3-я серия). Концы и начала серий условно соединены прямыми точечными линиями.

Рис. 2.3 содержит три кривые:

1. Общая добыча энергоресурсов в Дж/год.
2. Рост численности населения в миллиардах человек.
3. Энергия, приходящаяся на одного человека в Дж/чел. год.

Из рис. 2.1–2.3, табл. 2.7 и литературы можно сделать следующие выводы.

1. С 1965 по 1990 г. добыча всех энергоресурсов возросла:

   • по нефти в 2 раза (средний годовой прирост 4%);
   • по углю в 1,7 раза (средний годовой прирост 2,8%);
   • по газу в 2,85 раза (средний годовой прирост 7,4%);
   • по урану (с 1973 г.) в 1,2 раза (средний прирост 1,2%).

   Добыча урана росла до 1988 года, потом начала снижаться. Если это снижение не учитывать, то с 1973 по 1988 г. добыча возросла в 1,53 раза при среднем годовом приросте 2,1%.

2. Во всех случаях, за единственным исключением, добыча росла как в развитых, так и в развивающихся странах. Исключение составляет нефть: в развивающихся странах за период с 1977 по 1987 год добыча снизилась с 2750 до 1390 миллионов тонн в год, а в развитых странах за это же время возросла, скомпенсировав падение таким образом, что общий итог остался примерно на прежнем уровне. С 1987 года добыча нефти в развивающихся странах снова стала расти.
3. Производство нефти в развивающихся странах значительно (более, чем в 2 раза) больше, чем в развитых странах. По остальным трём видам ресурсов — углю, газу, урану дело обстоит наоборот: добыча в развитых странах в 2–4 раза выше.
4. Ежегодный уровень добычи энергетического сырья (как, впрочем, и всех других минеральных ресурсов) испытывает нерегулярные, иногда труднообъяснимые колебания. Он подвержен влиянию многих факторов — географических, политических, экономических, социальных и других. Поэтому более или менее уверенно можно говорить лишь об общей тенденции. Собственно, этого и следует ожидать при сложившейся мировой конфронтации и рыночных отношениях, когда капиталовложения и усилия направляются не общими, тем более долговременными, интересами всего человечества, а текущими, сегодняшними интересами и проблемами отдельных государств, групп, монополий и т. п.
5. Ресурсы развитых стран выработаны в значительно большей мере, чем в развивающихся странах; в Европе они фактически подходят к концу и будут исчерпаны в первую очередь. В развивающихся странах это произойдёт позже, но тоже за короткий срок, если говорить о больших промежутках времени.
6. Наблюдается общая закономерность: по энергетическим полезным ископаемым Северное полушарие значительно превосходит Южное. Здесь дело не только в том, что площадь суши в Северном полушарии больше, но также, по-видимому, и в том, что в период наиболее интенсивного формирования запасов угля, нефти, газа — 350–150 миллионов лет назад — материки Северного полушария находились в тропических и субтропических широтах. Только потом, в результате дрейфа континентальных платформ (см. т. 1, гл. 3), они переместились в северные широты, уступив место Африке, Австралии, Южной Америке, двигавшихся с более холодных антарктических районов Южного полушария.
7. В литературе иногда высказывается мнение, что количество добываемой энергии растёт быстрее, чем численность человечества, что растёт и среднее потребление на душу населения. Рис. 2.3 (кривая 3) этого не подтверждает. Среднее потребление на одного человека росло до 1975 года, затем начало медленно снижаться. Возможно, учёт добычи и населения социалистических стран изменит этот результат и подтвердит вывод о росте среднего потребления на душу населения во всём мире. Во всяком случае, этот вопрос пока остаётся неясным.

Высокий уровень среднего производства энергоресурсов на душу населения не означает, что среднее потребление одинаково или хотя бы близко для развитых и развивающихся стран. Чтобы это оценить, необходимо знать, какую часть страны-производители оставляют у себя, и какую продают. В общем, такие данные есть, и авторы, делавшие эти оценки, указывают на крайнюю неравномерность распределения энергетических полезных ископаемых: с 1975 года доля потребления развивающихся стран составляет около 10%, остальные 90% потребляют развитые страны. До 1975 г. это соотношение было ещё больше — в пользу развитых стран. Отчасти это естественно: в передовых странах сосредоточена промышленность, они расположены в северных широтах (за исключением Японии, Австралии и ЮАР) и нуждаются в значительных расходах на отопление. Однако, это всё же не объясняет столь большую диспропорцию.

Выше отмечалось влияние экономических, политических, географических и т. п. факторов на добычу энергоресурсов. Приведём некоторые примеры.

Все развитые страны ввозят нефть; своих ресурсов осталось мало. Даже США, которые имеют достаточные запасы и могли бы полностью удовлетворить собственные потребности, предпочитают ввозить из развивающихся стран около 40% потребляемой в США нефти. Почему? Стоимость ввозимой нефти может оказаться ниже собственной; в какой- то степени ввозимая нефть компенсирует научно-техническую и продовольственную помощь США развивающимся странам; возможно, действует стремление сохранить для будущего собственные запасы такого важного стратегического сырья. Это — пример действия комплекса экономических и политических факторов.

Как развитые, так и развивающиеся страны, не имеющие собственных запасов, покрывают потребности в нефти целиком за счёт ввоза. Но вот такая старая промышленная страна, как Великобритания, у которой своей нефти никогда не было, за 5 лет — с 1973 по 1977 годы — организовала собственную добычу и довела её до 37,9 млн. тонн. За те же годы Норвегия увеличила добычу нефти с 1,6 до 36 млн. тонн, а к 1990 году довела её до 82,6 млн. т. Такой неожиданный взлёт, как уже отмечалось, объясняется открытием нефтяных месторождений на шельфе Северного моря у берегов этих двух стран. Вероятно, подобных открытий следует ожидать на других участках европейского побережья — северного, западного, возможно, южного (в Средиземном море). В других регионах мира тоже должны быть залежи нефти в море на шельфе, континентальном склоне и у его подножья. Этот пример иллюстрирует действие географического фактора.

Добыча нефти в Иране и Ираке к 1986 г. снизилась по сравнению с 1977 г. на 45% (в Ираке) и почти в 3 раза в Иране. После 1986 г. производство в этих странах снова стало расти. Можно предположить, что это — следствие Ирано-Иракской войны 1980–1988 годов. Это — пример политического фактора.

Мировая добыча урана начала снижаться с 1986 г. По-видимому, это произошло под влиянием аварии на Чернобыльской АЭС (случайный фактор), получившей огромный мировой резонанс и усилившимся в связи с этим движением общественности против атомных станций. С другой стороны, сдерживание гонки вооружений, а потом и снижение запасов атомного оружия в СССР и США, происходившее тоже под влиянием общественности, уменьшили потребность в уране. Таким образом, общественность может добиться многого, когда она активизируется.

Драгоценные энергетические ресурсы, как и ряд других даров Земли, далеко не всегда используются с максимальной эффективностью. Не говоря уже о затратах на военные нужды, доля которых в общем балансе очень велика, существуют и другие потери. Так, из многих месторождений угля извлекается только 50% [17], а нефти и того менее — 35–40%. Конечно, отчасти потери неизбежны. Очень тонкие слои угля, тем более, на большой глубине, извлекать трудно и невыгодно. Нефть, которая, конечно, не создаёт подземных озёр, а всего лишь пропитывает пористые породы, тоже не может быть извлечена из них до последней капли. Но часто обедневшие месторождения забрасываются ради более богатых, а потом к ним приходится возвращаться. С точки зрения интересов всего человечества было бы рациональнее использовать до конца уже начатые месторождения, а потом переходить к другим. Велики потери на транспортировку, отчасти потому, что размещение промышленности не связано или мало связано с расположением месторождений.

Нефть и горючие газы представляют собой ценнейшее, трудно заменимое сырьё для химической промышленности и их следовало бы поберечь для этой цели, не расходуя до конца на энергетику. Ещё в 19 веке, задолго до нефтяного бума, русский химик Д. И. Менделеев говорил, что «сжигать нефть в топках — это всё равно, что топить ассигнациями». Тогда к этому не прислушались. Прислушаются ли хоть когда-нибудь? Или только тогда, когда уже будет поздно?

Чрезвычайно велики потери урана. Используемый в реакторах $\text{U}$235 составляет всего только 0,7% от всей массы металла. Но основной изотоп — $\text{U}$238 — тоже делящийся материал. В нём потенциально заключены большие запасы энергии, использование которой вполне реально. Надо только форсировать работы по реакторам-размножителям на быстрых нейтронах, открывающим доступ $\text{U}$238 в энергетику.

Наряду с нефтью, газом и углем в природе существуют и продолжают накапливаться сейчас другие горючие материалы: горючие сланцы, битуминозные породы, торф. Их использование пока невелико, но содержащиеся в них энергоресурсы сравнимы с ресурсами газа, нефти и даже угля. Считается, и, наверное, справедливо, что сланцы, битум, торф — это материалы будущего, их очередь придёт, когда вся нефть будет израсходована. Но как ни велики эти запасы, они тоже не могут решить энергетическую проблему на очень долгий срок.

Выше почти ничего не было сказано о гидроэнергетике. Энергия воды, текущей в реках, в отличие от горючих материалов, зависит от Солнца и, следовательно, относится к возобновляемым ресурсам. Этот вопрос здесь не рассматривался потому, что глава посвящена не ресурсам вообще, а только полезным ископаемым. Но всё же можно отметить, что полная энергия всех рек, стекающих в моря, равна примерно 10${}^{20}$ Дж/год. Разумеется, не вся эта энергия может быть задействована, но от 20 до 40% могут быть использованы. Это составит от 2$\cdot 10^{19}$ до 4$\cdot 10^{19}$ Дж/год, что в 10 раз меньше современных потребностей человечества (3$\cdot 10^{20}$ Дж/год).

В настоящее время только 2% мирового производства энергии удовлетворяется за счёт гидроэлектростанций, но в будущем они смогут обеспечить значительную часть, особенно если удастся сократить потребности.