смирнов геоэкология

Глава 11. ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА ПРИРОДНЫМИ РЕСУРСАМИ

Природные ресурсы - это запасы сырья и энергии, пищи, воды и воздуха, извлекаемые из окружающей среды для обеспечения жизни человека. Мы научились использовать громадное количество природных ресурсов, от которых теперь полностью зависим. Со­ хранение цивилизованной жизни на Земле зависит ныне от посто­ янного снабжения природными ресурсами: чистым воздухом и чис­ той водой, для того чтобы дышать и пить, а также для многих дру­ гих целей в жизни человека, пищей, минеральными удобрениями для увеличения урожаев, топливом для получения тепловой и элек­ трической энергии, металлами для машиностроения, строительны­ ми материалами, чтобы строить жилье и дороги и множеством дру­ гих материалов.

Достаточно ли их осталось в окружающей нас среде, чтобы поддерживать продолжительную, здоровую и комфортную жизнь человеческого общества? Может быть, человеческая цивилизация зачахнет не от деградации биосферы, а от отсутствия самых важных для нас природных ресурсов?

Природные ресурсы подразделяются на две категории. Ресур­ сы, обязанные своим происхождением теплу и свету, называются возобновляемыми (энергия солнца, вода, энергия ветра, рек, прили­ вов, морских течений, продукты животного и растительного проис­ хождения - хлопок, лен, древесина и др.). Любой из этих видов ре­ сурсов является возобновляемым, потому что постоянно пополня­ ется за счет солнечной энергии, поступающей на Землю непрерыв­ но. Минеральные ресурсы (уголь, нефть, газ, медь, железо и другие металлы, минеральные удобрения и др.) формируются настолько медленно, а многие из них в настоящее время просто уже не фор­ мируются. Поэтому они являются практически невозобновляемы­ ми. Это ресурсы, запасы которых четко фиксированы и они не бес­ предельны. Впрочем, некоторые из возобновляемых ресурсов также могут оказаться невозобновляемыми, если мы подорвем базу их воспроизводства (например, рыбные запасы). Рассмотрим вначале, как обстоит дело с минеральными ресурсами.

271

11.1. Минеральные ресурсы

Мы знаем, что население Земли росло по экспоненте. Точно так же возрастало потребление многих минеральных ресурсов. Мо­ жет ли такой рост продолжаться непрерывно? Рассмотрим в связи с этим абсурдную крайность. В прошлом столетии ежегодная добыча минеральных ресурсов удваивалась приблизительно каждые десять лет. Предположим, что эти темпы сохранятся до начала XXIII сто­ летия. Тогда человечество в XXIII в. должно будет добывать 250 ООО ООО млрд. т ресурсов. Это абсурд, ибо эта величина по мас­ се равна всей суше Земли, находящейся выше уровня моря.

Поэтому, хотим мы или не хотим, но экспоненциальный рост добычи (а следовательно, и потребления) минеральных ресурсов должен прекратиться. И действительно, уже сейчас для многих ви­ дов ресурсов, особенно в развитых странах, наметилась тенденция выполаживания кривых роста. Однако в целом мировое потребле­ ние природных ресурсов все еще быстро растет.

Рассмотрим, каковы же потенциальные запасы основных мине­ ральных ресурсов на нашей планете.

11.1.1. Горючие ископаемые

Горючие ископаемые - это основа современной электро- и теп­ лоэнергетики. Лишь небольшая доля энергии поступает из возобнов­ ляемых источников (около 8 %). Около 85 % энергии мы получаем, сжигая нефть, уголь и газ. Очень интересно посмотреть, как измени­ лось соотношение использования различного вида топлива и других источников получения энергии с 1970 по 2002 г. (табл. 11.1). Мы ви­ дим, что последние за 32 года доли получения энергии за счет сжига­ ния нефти и угля сократились на 8,23 % и 5,5 % соответственно. В то же время получение энергии за счет сжигания газа выросло на 6,07 %.

Таблица 11.1.

Структура мирового производства топливно-энергетических ресурсов

* Нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

272

На столько же (6,14 %) выросла доля энергии, получаемой на атомных электростанциях. Доля гидроэнергетики выросла на 1 %, а доля получаемой энергии из нетрадиционных возобновляемых ис­ точников выросла лишь на 0,55 %.

Следует отметить, что при транспортировке, хранении и пре­ вращении одного вида энергии в другой имеют место большие поте­ ри. По оценкам специалистов США, они чуть меньше половины вы­ рабатываемой энергии. Здесь скрыты потенциальные возможности получения дополнительной энергии без увеличения ее выработки.

Как же обстоят дела с запасами угля, нефти и газа, поскольку пока что более 85 % энергии мы получаем именно благодаря ис­ пользованию этой «большой троицы».

Уголь. Самые древнейшие месторождения угля известны в Ка­

надской Арктике, их возраст 350 млн. лет. Важнейший период об­ разования угля в истории Земли приходится на интервал 350 - 250 млн. лет. Угленосные месторождения обнаружены на всех конти­ нентах, но самые большие толщи - в Азии, Европе и Северной Аме­ рике. В великий период образования эти континенты располагались в экваториальных и умеренных широтах, где теплый климат и оби­ лие осадков благоприятствовали развитию болот, заросших лесом. Континенты Южного полушария были в основном в этот период в высоких широтах.

Полагают, что большая часть угольных бассейнов уже открыта. Но оценки запасов угля заметно разнятся и оцениваются от 7000 до почти 14 000 млрд. т. При этом 43 % угля мира сосредоточено в ме­ сторождениях на территории бывшего СССР.

Добыча угля в 2002 г. составляла около 4,8 млрд. т и после 1990 г. практически не росла. Если принять доступные запасы угля в 10 000 млрд. т и допустить, что добыча угля будет сохраняться на со­ временном уровне, то запасов угля хватит человечеству на 2000 лет.

Заметим, что в энергетике отдельных стран уголь играет опре­ деляющую роль в настоящее время. Так, в Польше 96 % энергии получается на основе использования угля, в ЮАР - 90 %, Австра­ лии - 86 %, Китае - 81 %, Индии - 75 %.

Нефть и природный газ. Нефть и газ образовались из осаждений

органики, претерпевшей серию химических изменений при соответ­ ствующем повышении температуры. Возраст осадочных масс, в ко­

273

торых находят нефть, варьирует от 570 млн. лет до 2,5 млрд. лет. Но сейчас предполагают, что и более древние осадки могут содержать газовые поля.

Нефть и газ, так же как и уголь, географически распространены широко, но неравномерно. Причины такого распределения не столь очевидны, как в случае с углем. Типы богатых органикой осадков, которые могут быть источником нефти и газа, развиты очень широ­ ко, но для того чтобы достаточное количество твердого органиче­ ского материала превратилась в нефть и газ, осадки должны испы­ тать воздействие умеренно высоких температур, причем преобразо­ вание должно произойти, пока осадки еще проницаемы и могут служить проводниками для миграции нефти и газа. Кроме этого, большинство нефтяных и газовых полей фиксируется в ловушках, подготовленных складчатостью вмещающих горных пород. Ловуш­ ки должны быть сформированы до того, как начнется миграция и утечка большей части нефти и газа, а это, по-видимому, дело до некоторой степени случайное. По оценкам геологов, шансы совпа­ дения периодов образования нефти и газа с формированием боль­ ших ловушек столь малы, что не более 0,1 % органического мате­ риала, отложенного в материнских породах, окончательно улавли­ вается нефтяными месторождениями.

Нефть начала добываться в промышленных целях только в 1857 г. в Румынии. Мировое потребление нефти и газа постоянно возрастало. Краткий спад последовал за нефтяным кризисом 1973 г. Однако, после 1975 г. рост потребления нефти возобновился. В 1960 г. добывалось 1,12 млрд. т нефти, а в 2002 г. добыча нефти со­ ставляла 3,3 млрд. т, т.е. за 40 лет утроилась.

По мировым оценкам потенциальные ресурсы нефти оценива­ ются около 200 млрд. т. Отсюда, при современном уровне потреб­ ления запасы нефти могут быть исчерпаны уже во второй половине нашего столетия. По газу ситуация подобная, но, с учетом его меньшего потребления, запасов его скорее всего хватит до конца столетия. Все будет зависеть от роста уровня потребления.

По запасам нефти наиболее богат Средний Восток («33 %), на втором месте бывший СССР («24 %), далее следуют Северная Аме­ рика и Африка (по 13 %). По газу богаче всего Россия.

274

Существуют ли пути продления сроков получения нефти и газа из недр Земли? Такие возможности существуют.

Во-первых, в скважине, из которой выкачивается нефть, около половины нефти остается в пустотах, трещинах, в поровом про­ странстве в виде пленок. За геологически длительное время нефть могла бы стечь в скважину. Эта остающаяся нефть - потенциаль­ ный ресурс при условии обновления добычи.

Во-вторых, существует особо тяжелая нефть, называемая биту­ мом или гудроном. Она не способна течь, и остается на месте в виде материала, цементирующего зерна пористых песчаников. Извлекать такую нефть сложно. Породу следует прогревать струей газа или па­ ра. Однако многие гудроны столь вязки, что могут извлекаться толь­ ко шахтным методом. Но, в принципе, такие битуминозные пески в будущем могут служить источником получения нефти. Самые круп­ ные месторождения таких песков в Канаде в провинции Альберта, в Венесуэле (Оринокское) и России (Оленекское).

По мнению специалистов, если коэффициент извлечения нефти из таких песков составит 50 %, то их потенциал сравним с запасом сырой нефти.

Природный газ также можно добывать из нетрадиционных ис­ точников. Он присутствует во многих разновидностях осадочных по­ род, отличающихся большой плотностью и низкой проницаемостью. Извлечение газа из таких пород - процесс сложный, дорогостоящий, но возможный. Кроме того, большие потенциальные запасы газа на­ ходятся в водоносных горизонтах с избыточным давлением в рассо­ лах.

Оценка такого рода запасов газа свидетельствует, что они в че­ тыре раза превосходят доступные в настоящее время запасы.

Наконец, запасы сланцев - это потенциальный источник нефти. Однако для экстрагирования нефти из одной тонны сланцев необ­ ходимо потратить энергию 40 л нефти. Поэтому при нынешних тех­ нологиях сланцы могут рассматриваться в качестве энергетического ресурса, если они при переработке дают больше 40 л нефти. Бога­ тейшие месторождения сланцев в Эстонии - они дают 320 л нефти на одну тонну сырья. Большие запасы сланцев в США, России, Ки­ тае, Австралии, Бразилии. Ресурсы сланцев оценены пока плохо, но

275

даже по приблизительным оценкам они очень велики и могут обес­ печить человечество энергией не на одну тысячу лет.

11.1.2. Нетрадиционные виды энергии, способные заменить горючие ископаемые

Атомная энергетика. Атомная энергетика развивалась до 90-х

годов прошлого столетия достаточно высокими темпами. Если в 1970 г. в общей структуре получения энергии ее доля составляла только 0,42 %, то в 2000 г. - 6,44 %; а в электроэнергетике уже в

1980 г. она составляла 9,23 %, а в 1990-18,06 %. Но после 1995 г.

рост ее прекратился, и в 2002 г. в электроэнергетике она составляла 17,92 %, а в общем энергетическом балансе - 6,56 %.

Запасы ядерного сырья (урана, тория) велики и могут обеспечить энергетику нашей планеты не на одну сотню тысяч лет. Это экологи­ чески достаточно чистый вид получения энергии. Главное здесь - это обеспечение безопасности и проблема удаления опасных отходов ядерных реакций. Обе эти проблемы успешно решаются, и использо­ вание ядерного распада для получения энергии, вероятно, будет иметь большое будущее. Предпосылки нового развития атомной энергетики достаточно очевидно наметились уже в начале нашего столетия.

Энергия синтеза дейтерия. Исследования по использованию

энергии синтеза дейтерия ведутся в ряде стран мира. Результаты исследований обнадеживают, и можно ожидать, что в обозримом будущем эта задача будет решена. С освоением термоядерной энер­ гии проблема топливной энергии будет решена.

Солнечная энергия. Высокая стоимость солнечных установок, не­

обходимость больших площадей и высокий процент облачных дней в умеренных и высоких широтах не позволяет большинству стран ис­ пользовать солнечную энергию в энергетике. Тем не менее за десяти­ летие - с 1993 по 2003 г. - производительность солнечных батарей выросла в 10 раз (с 60 до 610 МВт). Странами-лидерами в использова­ нии солнечной энергии являются Япония (170 МВт), США (100 МВт), Германия (60 МВт). Россия выглядит на этом фоне довольно бледно (0,5 МВт). Тем не менее, работы по повышению эффективности ис­ пользования солнечной радиации в энергетике активно ведутся, в том числе и в нашей стране, и можно ожидать, что ее роль в общем энер­ гетическом балансе мира будет возрастать. Возможность же использо­ вания ее запасов без ущерба для окружающей среды огромная.

276

Ветроэнергетика. В последние годы ветровая энергетика испы­

тывает стабильный рост. С 1993 по 2003 г. производительность вет­ ровых установок возросла в 13 раз с 2 990 до 39 294 МВт. Странылидеры в развитии мировой ветроэнергетики: Германия (14 609 МВт), США (6 374 МВт), Испания (6 202 МВт). На этом фоне Россия (4 МВт) выглядит также очень бледно, несмотря на большие и благо­ приятные возможности в использовании энергии ветра. Ветровая энергетика непрерывно совершенствуется, растет мощность уста­ новок и в Германии: например, не только фермерские хозяйства, но и небольшие населенные пункты обеспечиваются электроэнергией за счет ветровых энергоустановок.

Мировые ветроэнергетические ресурсы чрезвычайно велики. Тех­ нически доступный потенциал ветровой энергии, по оценкам экспер­ тов, составляет 53 трлн. кВт-ч в год, что примерно в 4 раза превышает мировое потребление энергии в настоящее время. По прогнозам, доля ветра в общемировом энергетическом балансе составит в 2020 г. 10 %, а в 2040 г. - 20 %. На сегодняшний день ветроэнергетика является са­ мым экономически эффективным из всех направлений энергетики, базирующихся на нетрадиционных возобновляемых источниках энер­ гии.

Геотермальная энергетика. Использование геотермальных ус­

тановок в энергетике также растет, но значительно медленнее. В настоящее время общая их мощность составляет около 8000 МВт. Странами-лидерами в использовании геотермальной энергии явля­ ются: США (2228 МВт), Филиппины (1909 МВТ), Италия (785 МВт), Мексика (755 МВт). Россия практически не использует гео­ термальную энергетику (23 Мт) для своих нужд, хотя возможности для ее использования, особенно на Камчатке, достаточно велики.

Однако в целом роль геотермальной энергетики в мире не мо­ жет быть высокой вследствие рассеянности потока энергии из недр Земли. Эффективность извлечения тепловой энергии даже в цен­ трах вулканизма невелика, и поэтому геотермальная энергия может иметь только местное значение на Земле.

Гидроэнергетика. По оценкам весь потенциал гидроэнергии в

мире составляет 8100 млрд кВт-ч. В 2002 г. мощность всех гидро­ электростанций мира составляла 713 000 МВт, и вырабатываемая энергия - 2627 млрд. кВт-ч. Таким образом, в настоящее время в

277

мире используется только 32 % от общего возможного потенциала энергии текучих вод. Роста использования гидроэнергетики в общем энергетическом балансе практически нет. По оценкам некоторых специалистов, мы близки к возможному пределу использования энер­ гетических ресурсов текучих вод. Возможное некоторое развитие в этой области связано с малыми и микро-ГЭС. Сейчас они используют только 10 % от общего потенциала, а в России экономический потен­ циал малых и микро-ГЭС использован лишь на 0,5 %. Число малых ГЭС в России сократилось с 5000 в 50-х годах прошлого столетия до 300 в 90-х годах. Мировым лидером в малой гидроэнергетике являет­ ся Китай, где за последние 50 лет прошлого столетия мощность ма­ лых ГЭС возросла более чем в 3000 раз. В ближайшее десятилетие Китай планирует строительство 40 000 малых ГЭС.

Энергия приливов. Строительство приливных электростанций

целесообразно экономически только там, где высоты приливов пре­ вышают 5 м. Таких мест на Земле немного, всего 30. Даже если ка­ ждое из этих мест будет освоено, то общая мощность таких при­ ливных электростанций составила бы менее 1/300 современной мощности, расходуемой человечеством. Поэтому энергия приливов может иметь только местное значение в получении энергии.

Энергия океана. В 1981 г. французский инженер Ж.Клод вы­

двинул идею, а еще через 10 лет французский физик д'Арсонваль обосновал возможность применения существующего в океана гра­ диента температуры воды между поверхностным и придонным слоями для получения электроэнергии.

Принцип действия термоградиентной установки состоит в сле­ дующем: поверхностная теплая вода океана используется для испа­ рения жидкости, имеющей невысокую температуру испарения (про­ пан, аммиак, пробутан и др.). Полученный таким образом пар вра­ щает турбины, а затем охлаждается уже холодной глубиной водой океана до жидкости и снова подается в испарительную установку (рис. 11.1). Хотя конструктивно термоградиентная электростанция (ТГЭС) проста, но ее техническое воплощение - достаточно слож­ ное дело, и строительство ее очень дорого. Тем не менее первая ТГЭС была построена еще в 1927 г. в бухте Матансас у берегов Ку­ бы. Вторая ТГЭС была построена французами в 50-х годах прошло­ го столетия у берегов Африки. Это была небольшая станция, и про­ работала она короткое время. Но на основе этого эксперимента бы­ ли разработаны схемы ТГЭС большой мощности. В начале 80-х го-

278

дов экспериментальные установки были созданы японскими компа­ ниями на о. Науру и о. Амани в Японском море.

Рис. 11.1. Одна из возможных конструкций установки по преобразованию тепловой энергии океана в электрическую (по С. Нешибе, 1991).

Как показали расчеты, наиболее эффективны термоградиентные установки, работающие при перепаде температур 23-25°С. Но можно создавать и станции, работающие и при перепаде температур 1823°С. ТГЭС выгодно располагать на островах или побережье тропи­ ческой зоны, не имеющей материковой отмели. В настоящее время проекты таких электростанций имеются во Франции, Японии, США, Бразилии, Индонезии. Однако пока существуют обычные, более де­ шевые (в 56 раз) источники энергии, строительство таких электро­ станций откладывается на будущее. Но потенциал этого источника энергии очень велик. Даже если эффективность его использования будет менее 1 %, то и в этом случае потенциал термальной энергии океана превышает потенциал всех горючих ископаемых.

279

Энергия волн океана. Первые попытки использования волновой

энергии океана относятся к 20-м годам прошлого столетия. В 1921 г. в Алжире прошло испытание устройства, основанного на использовании вертикальных перемещений воды. В 1929 г. на бере­ гу Средиземного моря была создана установка, которая приводи­ лась в действие энергией волн. С конца 1985 г. в Норвегии начала действовать первая промышленная волновая электростанция мощ­ ностью 850 кВт.

Волновая энергия размещена в Мировом океане неравномерно. Эффективное ее использование возможно лишь в относительно не­ многих районах Мирового океана. По самым оптимистичным оцен­ кам, реальный вклад волновых энергетических установок вряд ли может составить более 2-4 % от современного потребления энер­ гии. В ряде стран уже имеются проекты строительства таких элек­ тростанций. Однако пока существующие проекты волновых элек­ тростанций дороги (примерно в 10 раз дороже строительства тепло­ вых и атомных электростанций), и поэтому строительство таких электростанций будет целесообразно лишь в отдельных районах.

Энергия морских течений. Одним из направлений развития

энергетики будущего может стать строительство электростанций, использующих энергию морских течений. По оценкам, только ме­ ханическая энергия (без учета переносимого тепла) почти в 30 раз превышает мощность энергии, потребляемой человеком в настоя­ щее время. Только один Гольфстрим в наиболее мощной своей час­ ти мог бы обеспечивать человечество энергией, если бы ее удалось использовать. Если установить в струе Гольфстрима турбины на про­ тяжении 350 миль, удалось бы получить 10 % всей ныне потребляе­ мой энергии. Сколь бы ни сомнительным выглядел такой проект, его инженерные проработки проведены. Существует проект использова­ ния энергетического потенциала Флоридского течения, предусматри­ вающий сооружение 200 турбин на глубине 120 м. Опытная модель турбины успешно работает в водах Мексиканского залива на глубине 15 м. Однако использование энергии течений - дело будущего. Необ­ ходимо повысить КПД существующих преобразований этого вида энергии и решить целый ряд технических проблем.

В заключение можно подчеркнуть, что было бы неверно отно­ ситься ко всем рассмотренным выше видам энергии скептически.

280