Ведение. Развитие энергетики в мире

Рекреационное использование био ресурсов

Культивирование продовольствия

Экологические основы природопользования

Биосфера

• Все сообщества живых организмов вместе с их средой обитания всех уровней: экосистемы, биоценозы, биомы;

• Биосфера -оболочка Земли, где распространена жизнь, единая динамическая система, созданная и регулируемая жизнью;

• Биосфера -область существование ныне живущих организмов;

• Протяженность биосферы: от -10 км до +10 км вверх

• Эдуард Зюсс впервые использовал этот термин, фундаментальную концепцию биосферу разработал в 20-х годах Вернадским;

Осн. законы:

• Круговорот вещ-в и поток энергии

• Круговорот вешеств - биогеохим. циклы биогенных элементов: C, H, O, N, Ca, S;

• Круговорот углерода. Вся земная жизнь основана на углероде и его круговороте в живой природе. Осн. Запас С в воздухе (СО2).

• Устойчивость биосферы обеспечивается биоразнообразием видов, генов, экосистем. Чем разнообразнее, тем устойчивее.

• Сфера разума- ноосфера (Вернадский, Тейяр-Де-Шарден)

Прикладная экология

• Общественный характер воздействия человека на природную среду обитания привел к экосоциальным связям человека и природы;

Управление био ресурсами осуществляется путем:

• Потребления;

• Контроля проблемных организмов (сорняки, возбудители и переносчики заболевания, нежелательные потребители с/х продукции);

• Использование животного и растительного мира в рекреационных, познавательных, эстетических целях.

Основные формы пользования биоресурсами:

• Добывание

• -собирательство

• -охота

• -рыболовство

• Культивирование

• Собирательство растений и мелких животных - исходная форма трофических связей первобытных людей

• Крайне низкая эффективность: для прокорма 1 чела нужно 500га

• Охота важнейший этап ускорения социальной эволюции человека, обесп.

• Потребление белков

• Изготовление орудий охоты и труда, усиливших и удлинивших руку

• Формирование социальных связей

• Проявление альтруизма: выделение пищи стареющим

• Современная охота

• Сегодня не является источником белка; потеряла первоначальный смысл

• Рыболовство

• Четверть потребления белка в мире приходится на рыбу

• Браконьерство

• С/х увеличение производительности земель

• С/х сняло трофические ограничения на рост численности человечества

• Нац. Парк Крюгера

• Эстетика природы

Главной и, безусловно, положительной новостью современного этапа развития мировой энергетики стал отход от энергоинтенсивного типа развития. Действительно, в последние 100-120 лет рост энергетических потребностей человечества имел явно выраженный экспоненциальный характер и вдвое опережал экспоненту роста народонаселения. Более внимательное рассмотрение этого процесса позволило выделить в нем два 50-летних цикла. Первый начался в 1880-х гг. (когда появилась возможность оценки энергопотребления на базе пусть разрозненной, но регулярной статистики) и закончился примерно десятилетней стабилизацией мирового потребления энергии в 1930-е гг. из-за <великой депрессии> и мировой войны.

Второй цикл начался послевоенным восстановлением в конце 1940-х гг., дал еще более бурный взлет энергопотребления и завершился в конце 1980-х - начале 1990-х гг. Одной из причин его окончания стал глубокий кризис большинства стран плановой экономики, на долю которых до этого приходилась четверть мирового расхода энергии. Но существуют и более фундаментальные причины, проявившиеся в прекращении роста среднего по миру расхода энергии на душу населения.
За первые три четверти ХХ века среднедушевое энергопотребление в мире увеличилось почти вчетверо (с 0,8 до 2,3 т у. т.)2, а со второй половины 1970-х гг. вплоть до последнего отчетного года колеблется без явно выраженных тенденций в диапазоне 2,3-2,35 т у. т. на человека в год.

Стабилизация душевого потребления энергии - чрезвычайно знаменательный факт, который, впрочем, в долгосрочной ретроспективе является скорее правилом, чем исключением. Действительно, по данным в период II тысячелетия до н. э. и по VIII век н. э. государства Средиземноморья (включая греческие полисы и Римскую империю), Ближнего Востока, Индии и Китая имели душевой расход энергии 0,15-0,18 т у. т. И только промышленная революция ХVII-XVIII веков дала в Европе старт экспоненте энергопотребления, которая с конца XIX века переросла в мировую тенденцию удвоения душевого энергопотребления примерно каждые 40 лет. Слом этой угрожающей тенденции наступил в последней четверти ХХ века. Он начался в промышленно развитых странах, которые после нефтяного кризиса 1970-х гг. получили мощный экономический стимул к энергосбережению и, главное, в значительной мере насытили наиболее энергоемкие жизненные потребности населения: в еде, жилье, одежде и средствах перемещения. Россия (СССР) проигнорировала эту тенденцию и отчасти потому поплатилась, пережив беспрецедентный в мирное время экономический спад. Удивительно, но в последние годы стабилизацию душевого расхода энергии демонстрирует и новый энергетический гигант - Китай.
Произошедшее в последние два десятилетия снижение реальных цен на нефть и другие виды топлива ослабило экономические стимулы энергосбережения, но им на смену пришли экологические мотивации, включая потепление климата Земли из-за антропогенной эмиссии парниковых газов. Однако сомнительно, чтобы еще не доказанная угроза климату обеспечила длительную стабилизацию (и тем более снижение) душевого энергопотребления. Надежно обеспечить это сможет только принципиальное изменение жизненных потребностей населения, прежде всего так называемого золотого миллиарда с его почти двумя третями мирового расхода энергии. Начавшийся переход к постиндустриальному обществу, где в основном удовлетворены названные выше первичные жизненные нужды людей, позволит сдерживать развитие и даже свертывать энергоемкие отрасли (металлургия, производство строительных материалов и др.), бывшие основой индустриального общества. На смену им придут высокотехнологичные производства, для которых основными ресурсами служат не энергия и сырье, а знания. Наряду с этим повышение эффективности преобразования и конечного использования энергии благодаря новым технологическим и управленческим решениям уже внесло серьезный вклад в замедление роста энергопотребления и еще сильнее повлияет на него в будущем.

Реализация описанных возможностей создает новое качество взаимодействия экономики и энергетики, когда рост потребления энергии все больше отстает от темпов экономического развития. Вплоть до начала 1970-х гг. каждый процент роста валового внутреннего продукта (ВВП) в среднем по миру требовал примерно такого же прироста потребления и производства энергии. Однако в течение двух последних десятилетий 1%-ный прирост мирового ВВП достигается при 0,5% прироста энергопотребления, а в перспективе этот главный индикатор энергетической эффективности экономики может снизиться до 0,25-0,3%.

Изменения динамики энергопотребления сопровождаются серьезными трансформациями всей производственной структуры энергетики. Детальный анализ в структуры производства и потребления первичных энергоресурсов в США, России и мире в целом (т. е. изменений доли каждого вида первичной энергии в общем энергопотреблении показал следующее.

В эпоху индустриального развития промышленно развитые страны вошли (США примерно в 1860 г., Россия на 20 лет позже) при доминировании дров и мускульной силы животных, но их доля в общем потреблении и производстве энергоресурсов стала быстро падать. Это вызывалось не исчерпанием лесных и кормовых ресурсов - снижение доли дров и рабочего скота еще долгие десятилетия сопровождалось ростом объемов их использования. Массовое применение угля вместо дров и паровых машин (работающих на том же угле) вместо рабочего скота и энергии воды было обусловлено их возможностями в плане обеспечения высоких мощностей и температур, а также, что особенно важно, на порядок большей концентрацией потока извлечения энергоресурсов из природной среды. Только при этом удавалось удовлетворять быстро растущие потребности общества в энергии.
Уголь становится доминирующим энергоресурсом (т. е. занимает наибольшую долю в производстве и потреблении первичной энергии) в США с 1885 г. и в России с 1932 г., соответственно в 1910 и 1955 гг. его доля достигает максимума - 74% и 62%. Потеря углем лидирующих позиций также не связана с ограниченностью его ресурсов. Определяющей стала свойственная пришедшим ему на смену нефти и затем газу высокая концентрация потока их добычи, обеспечившая необходимые темпы дальнейшего роста энергопотребления.
К настоящему времени из недр Земли извлечено до 20% потенциальных запасов нефти и 10% запасов газа, что не позволяет говорить об их исчерпании. Тем не менее максимум доли нефти в производстве энергоресурсов уже пройден, а по газу это ожидается в первые десятилетия ХХI века. В перспективе неизбежно их замещение новыми энергоресурсами, и, судя по сложившимся тенденциям, это будет энергия деления урана сначала в тепловых и затем в быстрых реакторах, а за ними - термоядерный синтез.

Таким образом, для индустриальной цивилизации и созданной ею энергетики характерны следующие тенденции:

смена каждые 40-50 лет доминирующего энергоресурса, но не из-за исчерпания его запасов (хотя сопутствующее этому удорожание служит экономическим сигналом необходимости замещения данного ресурса), а благодаря более высокому качеству нового;

прежние энергоресурсы никогда не вытесняются полностью, а лишь снижают свою долю в производстве и потреблении первичной энергии, часто продолжая расти абсолютно благодаря техническому прогрессу и особым нишам предпочтительности для потребителей;

каждый следующий доминирующий энергоресурс имеет примерно вдвое более высокое качество; так, теплосодержание единицы массы корма для рабочего скота, дров, угля, нефти (газа) и урана (при его использовании в тепловых реакторах) соотносятся как 0,17: 0,35: (0,7-1): (1,4-1,6): (2,6-2,8), если за единицу принять теплосодержание 1 т у. т.

Столетний процесс освоения новых энергоресурсов без полного вытеснения старых закономерно привел в конце ХХ века к новому качеству - диверсификации производства и потребления энергии с перерождением прежнего доминирования одного-двух ресурсов к более равномерному использованию всех освоенных видов топлива и энергии. Уменьшая энтропию всей системы энергоснабжения, эта новая тенденция способствует росту ее устойчивости.

Тенденция к диверсификации наиболее отчетливо проявилась в последние годы в энергетике развитых стран и регионов, особенно в Северной Америке. За последние 30 лет здесь практически выровнялись доли производства основных видов органического топлива - нефти, газа и угля. Одновременно, хотя и на гораздо более низком уровне, сравнялись доли производства возобновляемых ресурсов - гидроэнергии, биомассы (включая дрова и отходы) - и новых способов использования таких традиционных ресурсов, как ветер и солнце. Важно также, что совокупность возобновляемых ресурсов достигла доли атомной энергии и в сумме с ней вплотную приблизилась к доле каждого из основных видов топлива.

Для последней четверти ХХ века характерны коренные изменения в размещении энергетики по регионам мира с переходом доминирования от развитых к развивающимся странам. С 1980 по 2000 гг. доля развитых стран в энергопотреблении мира сократилась с 76 до 64%, а к 2020 г. прогнозируется ее уменьшение до 50-54%.
Страны так называемого третьего мира стали определять динамику мировой энергетики, порождая основной прирост производства и замыкая на себя новые межрегиональные потоки энергетических ресурсов, а также связанные с этим загрязнения окружающей среды. Особенно бурно развивается энергетика Китая и Индии: их совокупная доля в мировом потреблении энергии увеличилась с 12% в 1980 г. до 17% в настоящее время и может вырасти до 19-21% к 2020 г.
Произошедшие и грядущие изменения географии мировой энергетики обусловили мощный рост торговли топливом и электроэнергией. Страны ОЭСР являются крупнейшими импортерами топлива, и в эту категорию постепенно перемещаются Индия и Китай. Основными экспортирующими регионами остаются Ближний Восток, Африка, страны бывшего СССР; сейчас к ним добавилась Латинская Америка. В последние 20 лет экспортируется 20-22% производимых в мире энергоресурсов.
Оценки перспектив развития энергетики европейской части СНГ показывают, что более половины потребности этих стран будут обеспечивать привозные энергоресурсы, в основном газ, нефть и нефтепродукты из России, при возрастающей роли их поставок из Средней Азии и Казахстана. В то же время продолжится интеграция энергетического сектора стран СНГ, в том числе и путем совместного освоения месторождений нефти и газа, а также формирования совместных транзитных энергетических коммуникаций.
Главной особенностью организации энергетики в ХХ веке стала ее интеграция во все более мощные и протяженные энергетические системы. Быстрое наращивание мощности и территорий действия энергетических систем с объединением их в пределах не только стран, но и целых континентов (Северная Америка, Европа, северная Евразия и др.) вплоть до полной глобализации (как это уже произошло с мировой системой нефтеснабжения) сохранится и в XXI веке как ведущее направление развития мировой энергетики. Оно дополнится процессами межсистемной интеграции (уже активно идет, например, сращивание газовых, электроэнергетических и теплоснабжающих систем), создавая все более емкую и разнообразную технологическую среду для достижения главной цели научно-технического прогресса: удешевления энергии для потребителей при смягчении ресурсных и экологических ограничений на ее использование.
Сама энергетика будет все больше интегрироваться с основными потребителями, постепенно встраиваясь в единые технологические цепочки, сориентированные на производство конечного потребительского продукта. Начало этому процессу положено созданием смешанных (угольно- и энергометаллургических, газохимических и т. п.) компаний. Снова начнут развиваться территориально-производственные комплексы, ядром которых станут энергетические производства, использующие малотранспортабельные, но богатые по запасам местные энергоресурсы - лигниты, гидроресурсы, биомассу и др.

Расширяющаяся системная среда стимулирует такие традиционные направления научно-технического прогресса, как рост единичной мощности энергетических объектов и пропускных способностей связей для удешевления добычи (преобразования) и распределения энергии; повышение используемых в энергетике температур и давлений; концентрация и интенсификация потоков энергии; рост автоматизации и точности управления энергетическими процессами (от горизонтального бурения скважин до обеспечения надежности и оптимизации режимов работы континентальных энергетических систем); использование гигантских объемов информации (от горно-геологических характеристик месторождений топлива до параметров энергетического оборудования потребителей) и др. Но еще более важно, что развитие энергетических систем активно способствует созданию качественно новой энергетики - сверхпроводящих электрических генераторов, накопителей и линий электропередачи, термоядерной энергетики и т. д.

Одновременно с победным шествием системной энергетики в ХХ веке набирали силу новые направления научно-технического прогресса, возрождающие на новой технологической основе индивидуальное энергоснабжение человека (семьи) в быту и малом бизнесе с вытеснением архаичных индивидуальных энергоустановок и все большей независимостью от систем централизованного энергоснабжения.
Начало этому положила массовая автомобилизация населения сначала США, а затем и других стран, сочетавшаяся с распространением грузовых автомобилей, тракторов и других мобильных машин и механизмов индивидуального применения. Распространенным явлением конца ХХ века стали миллионы мелких приборов индивидуального пользования (фотоаппараты, видеокамеры, сотовые телефоны и т. п.), работающие на химических элементах или аккумуляторах и обеспечившие благодаря этому автономность мелких потребителей энергии от больших систем энергетики при максимальной персонификации объемов и режимов использования энергии. Они формируют как бы индивидуальную энергосферу человека, обслуживающую его образ жизни и хозяйственные интересы. В эту сферу теперь все чаще входят (обеспечивая ее организацию) персональные компьютеры.

Автономности потребителей способствует распространение дизельных и газотурбинных установок средней и малой мощности, высокоинтенсивных теплогенераторов и других средств электро- и теплоснабжения отдельных домов и малых предприятий. Ведутся интенсивные разработки топливных элементов для прямого преобразования химической энергии топлива (водорода и метана) в электроэнергию, а также разнообразных аккумуляторов электроэнергии, в том числе с использованием эффекта сверхпроводимости. На этой основе впоследствии удастся создать мощную и экономичную техническую базу для дальнейшей индивидуализации энергоснабжения с сильным воздействием на расселение людей.

Индивидуальная энергетика обычно обеспечивает более экономное использование энергии, но обслуживающая человека суммарная установленная мощность энергоустановок при этом значительно увеличивается. Такой <обмен> большей установленной мощности на меньшее энергопотребление может стать реальной основой более энергоэкономного стиля жизни и стабилизации (если не снижения) душевого энергопотребления. Одновременно это станет благом для окружающей среды, поскольку каждый человек стремится, чтобы контролируемые им энергетические процессы минимально портили среду его обитания.

Раздел 1. Техническая термодинамика.

Дата добавления: 2014-01-06