WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |

ВОЗМОЖНА ЛИ БУДУЩАЯ МИРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА БЕЗ ТЕРМОЯДА?

 

С.В. Путвинский

 

1. Введение

    Когда академика Л.А. Арцимовича спросили, когда же по его мнению будет построен первый термоядерный реактор, он ответил: "Тогда, когда это будет нужно человечеству". Нужны ли нам сейчас термоядерные реакторы? Если не сейчас, то когда они понадобятся и понадобятся ли вообще? Мы все работающие в этой области понимаем, что трудимся над решением одной из важнейших проблем: созданием чистого для окружающей среды и практически не ограниченного ресурсами источника энергии. Последние результаты полученные на самой большой экспериментальной термоядерной установке Европейский токамак JET показывают, что цель достижима [1]. JET уже работает на грани положительного выхода, когда полученная мощность термоядерных реакций в дейтериевотритиевой плазме равна мощности, затрачиваемой на ее нагрев.

    К сожалению ничего не дается даром и тем более создание термоядерной энергетики. Это дело, требующее больших затрат, которые в Российском обществе потерявшем долгосрочные цели, кажутся немыслимыми. Я провел некоторое время, изучая данные, имеющиеся в различных обзорах и в компьютерной сети, и собрал некоторые факты и числа, которые предоставляю вашему вниманию.

    Материал представленный в этой статье организован следующим образом. Сначала я напомню о динамике роста населения и представлю статистические данные о нынешней структуре производства и потребления энергии, а также статистические данные по распределению потребления среди населения Земли (¬2 и ¬3). В ¬4 и ¬5 будут обсуждены естественные ограничения на нынешнюю глобальную энергетическую систему. основанную на сжигании ископаемых энергоресурсов, и ее возможное влияние на климат Земли и биосферу. В следующем шестом параграфе будут обсуждаться различные альтернативные источники энергии. которые могли бы заменить нынешнюю энергетическую систему. Седьмой параграф будет посвящен управляемому термоядерному синтезу. И наконец, в последнем разделе я попытаюсь дать мой ответ на вопрос заданный академику Арцимовичу.

  2. Мировое население и исторические энергетические системы     Хотим ли мы этого или нет, но население Земли будет продолжать расти еще долгое время. На Рис.1 показано, как росло население за последние сорок лет и как, предполагается, оно будет расти следующие пятьдесят лет.

    В шестидесятые годы. когда население на Земле было меньше, чем 3 миллиарда человек, предсказание, что в 2000 году население увеличится вдвое, до 6 миллиардов, казалось фантастикой. Теперь видно, что предсказание было удивительно точным (в настоящий момент на Земле живет 5885 миллионов человек). Те же модели предсказывают что к 2050 году население благополучно увеличится до 9 миллиардов. Рост населения происходит в основном изза роста продолжительности жизни и с этим ничего не поделать наши моральные принципы направлены на увеличение продолжительности жизни до естественного генетического предела, и решения связанные с уменьшением времени жизни  неприемлемы для общества.

    "Кормитесь и размножайтесь!" приказал Бог нашим предкам примерно 12 тысяч лет назад, когда последние остатки ледников быстро отступали на север, открывая огромные просторы плодородных пастбищ, способных прокормить бесчисленные стада. И наши предки охотно подчинились.

    Сейчас трудно предсказать, на каком уровне остановится рост и какая будет его динамика после максимума. (Замкнутые экологические системы обычно показывают резкое падение численности вида после того, как его плотность достигает уровня, разрушающего среду обитания.) Ясно лишь одно если не произойдет катастрофических экологических явлений, то в ближайшие 50 лет население будет продолжать расти примерно с той же скоростью, что и предыдущие 50 лет.

    Следующие 12000 лет, начиная с того времени, как произошло естественное глобальное потепление и началась история цивилизаций, человек жил на так называемых возобновляемых источниках энергии, потребляя зеленые растения, которые в свою очередь на прямую используют Солнечную энергию в химической реакции фотосинтеза:

  6CO2 + 6H2O + hn => C12H12O6 + 6O2               (1)     Во время своего роста первичный потребитель Солнечной энергии зеленое растение поглощает углекислый газ из атмосферы, накапливает зеленую массу и производит кислород. Реакция (1) идет в обратном направлении, когда растение съедается вторичными потребителями Солнечной энергии (травоядными животными, насекомыми, бактериями и нами с вами) или сгорает в химических реакциях. Этот источник энергии поддерживает почти все уровни глобальной экологической системы и был способен поддерживать человеческое население на уровне нескольких десятков миллионов человек. Неолитическая революция или переход от охоты и собирательства к сельскому хозяйству и разведению домашних животных ничего не изменил с точки зрения энергетики, а лишь создал симбиоз человека и некоторых животных и растений (сообщество человек свинья зерно), что привело к их взаимному благополучию и бурному росту населения этого сообщества.



    Индустриальная революция, которая произошла в нашем обществе около трехсот лет назад, было явлением совершенно необычным для многих миллиардов лет естественной истории эта была повидимому первая в истории смена источника энергии от Солнечной к химической энергии полезных ископаемых угля, нефти и натурального газа. Дешевый и огромный источник энергии колоссально изменил нынешний облик нашего мира и привел к тому бурному росту населения сообщества человек свиньязерно, который показан на примере человека на Рис.1.

    Химическая реакция, производящая энергию при сжигании ископаемых топлив,   С + O2 = СО2  + 94 ккал/моль               (2) превратилась сейчас в основной источник энергии индустриального мира.

  3. Производство энергии и ее потребности 3.1. Структура производства и потребления энергии.

    Рис. 2 показывает структуру производства и потребления энергии в США как типичный пример для потоков энергии в индустриально развитой стране. Похожие потоки энергии существуют и в других развитых странах, включая Россию, которая по производству энергии на душу населения далеко не на последнем месте, превосходя многие Европейские страны.

    Большая часть энергии в промышленно развитой стране (80% в США) производится при сжигании полезных ископаемых угля, нефти и природного газа. Ядерная энергетика производит в США лишь около 7.5% энергии. Примерно то же количество производится возобновляемыми источниками гидроэлектростанциями, солнечными и ветровыми и др..

    Примерно 40% полной произведенной энергии тратится на промышленное производство, около одной четверти на транспорт (автомобили, железные дороги, авиация) и остальное используется в наших домах на отопление, освещение и приготовление пищи. Конечно это деление несколько искусственное, но дает представление о том, какие источники энергии нужны человекуиндустриальному.

    Производство продуктов питания. Очень интересно взглянуть на энергетические затраты в сельском хозяйстве индустриально развитой страны. Таблица 1 показывает сколько энергии используется на различных стадиях производства продуктов питания, начиная от поля и кончая столом в нашей квартире.

    Выращивание, которое включает распашку полей, их удобрение, посадку растений и сбор урожая, потребляет около 3% полной произведенной в США энергии. При полной потребляемой энергии 0.95Ч1020 Дж и полном населении 263 миллионов человек соответствует внушительной средней мощности 344 Вт, приходящейся на каждого человека. Однако, это только малая часть всех расходов на питание. Пищу надо переработать, привезти в магазин, продать и приготовить, прежде чем ее можно поставить на стол и съесть. Если подсчитать все энергетические расходы, то средняя мощность, используемая с сельском хозяйстве вырастет почти до двух киловатт или до 16.5% от полной производимой мощности. Если предположить, что средний человек съедает 1 кГ пищи в день (или 2 ккал), то можно оценить среднюю потребляемую мощность в виде продуктов питания  100 Ватт. Это лишь малая часть всех энергетических расходов на производство пищи. Поскольку большая часть энергии производится из полезных ископаемых, то можно сказать, что меню индустриального человека состоит на 95% из нефти, природного газа и угля.

Таблица 1. Потребление энергии в сельском хозяйства США. Относительное распределение взято из [2], а потребление на душу населения пересчитано основываясь на населении США, составляющем 263 миллиона человек и полном годовом потреблении энергии 0.95Ч1020 Дж [5].





  Энергия использованная  на:

В % от полного потребления  энергии  В абсолютной величине,  (1018 Дж/год)   Средняя мощность  на душу (Вт)  Выращивание 3. 2. Переработку и перевозку 5. 5. Продажу 2. 2. Приготовление 4. Всего 16. 15. Мощность потребляемая человеком в виде пищи .

.

    Дешевые энергетические ресурсы позволили резко сократить число людей, производящих пищу для индустриального общества. В прединдустриальную эпоху производством пищи было занято почти 100% населения. Это происходит и сейчас во многих бедных бедных странах таких как Нигерия, где в сельском хозяйстве работает 97% населения [2]. В Соединенных Штатах только 7% населения занято фермерским трудом, и средний Американец тратит на питание только 18% своих доходов [2].

    Транспорт. Транспорт один из крупнейших потребителей энергии. В США, например, на него расходуется около 27% полной производимой энергии. Подавляющая доля энергии (97%) на транспорте получается из сжигания бензина в двигателях легковых и грузовых автомобилей, которые составляют 80% его потребителей. Маловероятно, что в будущем число автомобилей в развитых странах будет снижаться вся инфраструктура развитой страны в большой степени основана на автотранспорте. Несмотря на колоссальное снижение потребления бензина современными автомобилями, расход бензина на 100 км уменьшился за последние 20 лет в 23 раза,  общее мировое потребление бензина продолжает возрастать. Это происходит за счет роста числа автомобилей особенно в развивающихся странах таких, как Китай.

    Большинство развитых стран имеет очень похожую структуру производства и потребления энергии с небольшими региональными особенностями. В интеграле по всему миру относительный вклад полезных ископаемых в производство энергии даже больше, чем в США. Таблица 2 показывает вклад различных источников энергии в глобальную энергетическую систему. Общий вклад всех полезных ископаемых в мировую энергетику более 86%.

Таблица 2. Вклад различных энергетических ресурсов в мировую энергетику в 1994 [6].

 .

Уголь Природный газ Сырая нефть Ядерная энергия Гидроэлек  тростанции Остальные источники Всего Полная мощность, производимая в мире, 1012 Вт 3. 2. 4. 0. 0. 0. 11. В процентах от полной мощности 25. 23. 37. 6. 6. 0.   3.2. Распределение населения по потреблению энергии.

    Хорошо известно, что распределение производства и потребления энергии между различными регионами очень не однородно. Это можно проиллюстрировать на примере электроэнергии с помощью обычной функции распределения, N(P), которая дает число людей на земном шаре, dN, потребляющих на душу населения среднюю мощность, Р:

  dN = N(P) dP.

    Такую функцию распределения можно легко вывести из данных по потреблению энергии различными странами [6], относя их к населению этих стран [7]. Распределение N(P) по потреблению электроэнергии показано на Рисунке 3.

     Рисунок показывает, что функция распределения состоит из двух компонент: промышленно развитые страны и так называемые развивающиеся страны (или просто бедные). Разделение на "бедных и богатых" видно по изменению среднего наклона функции распределения, N(P), которое происходит в районе 500 Вт. Развитые страны, такие как США, Япония, большинства Европейских стран, Россия и др. потребляют более 500 Вт электрической мощности на душу. В энергетически богатых странах живет около 20% населения, потребляя в среднем около 2000 Вт на душу. Остальная часть населения, т.е. 80%, живет в странах, где среднее потребление электроэнергии на душу населения было в 1995 всего 100 Вт.

    Не все промышленно развитые страны имеют высокий уровень жизни. Например, в России, которая является одним из крупнейших производителей энергоресурсов и электроэнергии и потребляет в среднем 1400 Вт электрической мощности на душу, уровень жизни населения довольно низкий по сравнению с другими индустриальными странами. В то же время ясно, что страны со 100 Ваттами электроэнергии на душу вряд ли смогут обеспечить достойный уровень жизни, типичный для человека индустриального.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.