§ 22. ПРИЧИНЫ ГЛОБАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ

Значение и причины глобальной энергетической проблемы. Энергетика относится к ключевым отраслям промышленности. Её развитие является непременным условием роста экономики любой страны. Технологии химической промышленности, машиностроения и других отраслей, определяющих научно-технический прогресс, не осуществимы без использования энергии.

Энергетика имеет основополагающее значение для экономического роста и экологической устойчивости. Доступ к недорогой, надёжной и устойчивой энергии жизненно важен для ликвидации крайней нищеты и содействия всеобщему прогрессу. Однако в ряде развитых и развивающихся стран наблюдается, наоборот, избыточное потребление энергетических ресурсов и энергии в целом.

Мир и Беларусь. Какова доля электроэнергетики в промышленном производстве? Какие факторы оказывают влияние на размещение предприятий электроэнергетики в Республике Беларусь?

Клуб знатоков-географов. Около 1,2 млрд чел. во всём мире до сих пор не имеют доступа к электроэнергии — большинство из них в Африке и Азии. Это оказывает влияние на образование детей, общественную безопасность, предоставление услуг, а также создание новых рабочих мест. Ещё 2,8 млрд используют древесные насаждения или биомассу для приготовления пищи и обогрева, что приводит к загрязнению воздуха.

Локальные энергетические кризисы возникали ещё в доиндустриальный период, например в Англии XVIII в. в связи с исчерпанием лесных ресурсов и переходом на уголь. Однако как глобальная проблема нехватка энергоресурсов проявилась в 1970-х гг. в период первого энергетического кризиса. Он выразился в резком повышении цены на нефть (в 14,5 раза в 1972–1981 гг.). Это создало серьёзные сложности для мировой экономики. Хотя многие затруднения того времени были преодолены, глобальная проблема обеспечения топливом и энергией является актуальной и в наши дни.

Клуб знатоков-географов. В течение многих лет нефть оставалась самым дешёвым и доступным видом топлива. Благодаря её дешевизне стоимость энергии долго не изменялась, хотя её потребление нарастало очень быстро. Арабские нефтедобывающие страны воспользовались нефтью как политическим оружием в борьбе за свои права и резко повысили на неё цены. Таким образом, основу энергетического кризиса составляли причины не только экономические, но и политические. Кризис знаменовал собой конец эпохи дешёвых источников энергии.

Энергетическая проблема остаётся одной из наиболее острых в мире. Это объясняется двумя основными факторами. Во-первых, это растущий разрыв между высокими темпами развития энергоёмких производств в развитых и ряде развивающихся стран и запасами невозобновляемых энергоресурсов (нефть, газ, уголь). Во-вторых, это рост негативных экологических последствий развития энергетики при сохранении традиционной структуры топливно-энергетического баланса и преобладании в ней загрязняющих видов энергии.

Главной причиной возникновения глобальной энергетической проблемы является быстрый рост потребления энергетических ресурсов в XX в. и объёмов их извлечения из земных недр. Только за период с начала ХХ в. и до 1980-х гг. в мире было добыто и потреблено больше минерального топлива, чем за всю предшествующую историю человечества. С 1960 по 1980 г. из недр Земли было извлечено 40 % угля, почти 75 % нефти и около 80 % природного газа от общего количества, добытого с начала века.

Со стороны предложения энергетическая проблема вызвана открытием и эксплуатацией огромных нефтегазовых месторождений в Западной Сибири, на Аляске (рис. 158), на шельфе Северного моря. Со стороны спроса проблема усугубляется ростом объёмов развития мирового транспорта, промышленных производств.

Глобальная энергетическая проблема заключается в необходимости обеспечения возрастающих потребностей человечества в энергетических ресурсах.

Поразмышляем. С чем связан нефтяной кризис 2020 г.?

Динамика и прогноз потребления энергетических ресурсов в развитых и развивающихся странах. Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продолжительности и улучшения условий его жизни.

Клуб знатоков-географов. Первые изменения в росте энергопотребления произошли, когда люди научились добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева своих жилищ. К XV в. средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял энергии приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно заметно увеличилось мировое потребление энергии за последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи. Оно возросло в 30 раз.

Современная эпоха развития мирового хозяйства со второй половины ХХ в. характеризуется устойчивым ростом производства и потребления энергии при увеличении темпов потребления (рис. 159). По данным за 2018 г., объём производства энергии в мире составил 14,5 млрд т нефтяного эквивалента, потребления — 14,4 млрд т нефтяного эквивалента. Ежегодный рост объёмов производства энергии составляет 2,1 %, рост объёмов потребления энергии — 2,0 %. При этом объёмы потребления увеличились за последние 50 лет в мире в 4 раза.

Регионы отличаются между собой по динамике потребления энергии. Азиатский и Африканский регионы характеризуются максимальными темпами в мире — 4 % в год. В то же время в развитых регионах наблюдаются минимальные темпы — 0,1 % (рис. 160).

На рисунке 159 можно увидеть, что производство и потребление энергии в мире близки по значениям. Однако главная тенденция динамики этих двух процессов, которая и является причиной глобальной энергетической проблемы, — это увеличение различий между развитыми и развивающимися странами в характере динамики использования энергии и подходах к нему.

В развитых странах отмечается сокращение объёмов производства и потребления, в некоторых — отрицательная ежегодная динамика. Основной принцип использования энергии в них — энергосбережение. Например, в Европе потребление энергии снижается на 0,5 % в год, в Великобритании — на 1,5 %, в Германии, Италии, Португалии, Бельгии — на 0,5 %. В Японии ежегодные темпы сокращения потребления энергии составляют 1,2 %. Минимальными объёмами потребления энергии в мире характеризуются такие развитые страны, как Новая Зеландия, Португалия и Норвегия.

Поработаем с атласом. Покажите на карте страны с минимальными объёмами потребления энергии.

Ускоренно происходит увеличение объёмов производства и потребления энергии. Странами с наибольшими объёмами потребления являются Китай, США и Индия (рис. 161).

Ежегодные темпы роста потребления энергии в ряде развивающихся стран характеризуются чрезвычайно высокими значениями. Например, в Китае — 5,9 %, в Казахстане — 5,1 %, в Объединённых Арабских Эмиратах — 4,7 %. Такое потребление противоречит принципам устойчивого развития и приводит к истощению ресурсов и обострению энергетической проблемы. Потребление энергии по странам представлено на рис. 162.

Поработаем с атласом. Покажите на карте страны с максимальными объёмами потребления энергии.

До 2050 г. нефть, газ и уголь сохранят доминирующую роль в первичном топливно-энергетическом балансе планеты. Однако эти ресурсы перераспределятся. Если сегодня первенство за нефтью, далее следуют уголь и газ, то в будущем лидерство перейдёт к газу, сравнительные преимущества которого заключаются в большом объёме запасов и экологичности. По прогнозам, к 2040 г. в мире будет происходить дальнейшее увеличение объёмов потребления энергии (рис. 163). Оно будет обеспечиваться преимущественно развивающимися странами Азиатско-Тихоокеанского региона и Ближнего Востока.

П1

Влияние энергетики на окружающую среду. Развитие энергетики влечёт за собой негативные последствия. Происходят выбросы в атмосферу, гидросферу и литосферу углеводородов, в том числе высокоактивного парникового газа метана, сероводорода, оксидов азота, оксидов углерода, различных нефтепродуктов и других высокотоксичных отходов.

Поразмышляем. Из школьного курса химии вспомните, как проходит окислительно-восстановительная реакция органических веществ. Какие продукты образуются в результате полной реакции?

По данным Международного энергетического агентства, глобальные выбросы углекислого газа, связанные с энергетическим использованием углеводородов, в 2019 г. перестали расти. После двух лет роста глобальные выбросы в 2019 г. составили 33 Гт, несмотря на рост мировой экономики на 2,9 %. Это связано, главным образом, с сокращением выбросов в электроэнергетике развитых стран благодаря возрастающей роли возобновляемых источников (в основном ветра и солнца), переходу приоритетов использования с угля на природный газ и увеличению производства атомной энергии.

Глобальные выбросы углекислого газа от использования угля сократились почти на 200 млн т, или на 1,3 %, по сравнению с 2018 г., компенсировав увеличение выбросов от сжигания нефти и природного газа. В странах с развитой экономикой выбросы сократились более чем на 3,2 %.

Ответственность за бо́льшую часть загрязнения планеты несут всего несколько стран. Странами с наибольшими объёмами выбросов являются Китай, США, Индия, Россия и Япония (рис. 164). На долю Китая пришлось 28 % выбросов, США — 19 %, Индии — 7 %.

Мир и Беларусь. Какие экологические проблемы актуальны для нашей страны в связи с использованием углеводородов в энергетике?

Тем не менее сжигание других видов ископаемого топлива, в первую очередь природного газа, только набирает обороты и перекрывает сокращение угольных выбросов. Использование нефти также растёт. В настоящее время выбросы от сжигания угля составляют 44 %, нефти — 33 %, природного газа — 23 %.

Самый проблемный сектор — это транспорт. Несмотря на рост популярности электромобилей, бо́льшая часть продаж всё ещё приходится на машины с двигателями внутреннего сгорания. Наибольшим негативным воздействием обладает авиационный транспорт при нынешнем уровне технологий.

Мир и Беларусь. Какие изменения в транспортной системе Беларуси произошли в последние пять лет с точки зрения экологизации отрасли?

При сохранении нынешних тенденций средняя температура климатической системы Земли в ближайшие 20 лет превысит доиндустриальный уровень на 1,5 ºС. Это чревато разрушением природных экосистем, упадком сельского хозяйства и катастрофическими стихийными бедствиями.

Клуб знатоков-географов. Газета «The Guardian» предоставила информацию о 20 компаниях, чья эксплуатация мировых запасов нефти, газа и угля может быть напрямую связана с более чем одной третью всех выбросов парниковых газов. На первом месте в списке компаний находится Saudi Arabian Oil Company (Саудовская Аравия). Второе место занимает Сhevron (США), за ней с небольшим отрывом следует «Газпром» (Россия). В топ-5 также вошли ExxonMobil и National Iranian Oil Company.

Человечество нуждается в новой основе энергетических технологий. Понимание того, что от безудержного преобразования природы и её неограниченной эксплуатации следует перейти к экономии природных ресурсов, является особенностью современной экологической революции.

П2

Геоэкологические проблемы использования традиционных и альтернативных источников энергии.

Вспоминаем. Какие источники энергии являются традиционными? Почему альтернативные источники энергии не могут полностью заменить традиционные? Каковы перспективы развития альтернативной энергетики?

Современная энергетика характеризуется проявлением негативных последствий и возникновением экологических проблем.

Геоэкологические проблемы использования традиционных источников энергии. Как вы помните, традиционная энергетика предполагает использованием ископаемого топлива — угля, мазута, природного газа, сланцев, энергии воды и энергии атома.

Тепловые электростанции. В большинстве стран мира доля электроэнергии, вырабатываемой на ТЭС, составляет более 50 %. Коэффициент полезного действия ТЭС составляет в среднем 36–39 %. Наряду с топливом ТЭС потребляет значительное количество воды. Типичная ТЭС мощностью 2 млн кВт ежесуточно потребляет 18 000 т угля, 2500 т мазута, 150 000 м³ воды. На охлаждение отработанного пара на ТЭС используются ежесуточно 7 млн м³ воды, что приводит к тепловому загрязнению водоёма-охладителя (рис. 163-1).

Основное количество энергии в настоящее время вырабатывается на ТЭС за счёт использования нефтепродуктов. Таким образом, структура запасов ископаемого топлива не соответствует структуре его современного потребления при производстве энергии. Поэтому переход на новую структуру потребления ископаемого топлива (угля) вызовет значительные экологические проблемы, материальные затраты и изменения во всей промышленности. В связи с этим ряд стран уже начал структурную перестройку энергетики.

Мир и Беларусь. На каком топливе работают ТЭС в Республике Беларусь?

Гидроэлектростанции. Сооружение ГЭС (особенно на равнинных реках) приводит ко многим экологическим проблемам. Водохранилища, необходимые для обеспечения равномерной работы ГЭС, вызывают изменения климата на прилегающих территориях на расстояниях до сотен километров, являются естественными накопителями загрязнений.

В водохранилищах развиваются сине-зелёные водоросли, ускоряются процессы эфтрофикации, что приводит к ухудшению качества воды, нарушает функционирование экосистем. При строительстве водохранилищ нарушаются естественные нерестилища, происходит затопление плодородных земель, изменяется уровень подземных вод.

Более перспективным является сооружение ГЭС на горных реках. Это обусловлено более высоким гидроэнергетическим потенциалом горных рек по сравнению с равнинными.

Мир и Беларусь. Какое количество ГЭС действует в Республике Беларусь? Строительство каких ГЭС запланировано в республике и на каких реках?

Атомные электростанции. В течение длительного времени АЭС представлялись как наиболее экологически чистый вид электростанций и как перспективная замена ТЭС, оказывающих влияние на глобальное потепление. Однако процесс безопасной эксплуатации АЭС ещё не решён.

Мир и Беларусь. Каковы основные причины строительства Белорусской АЭС?

В то же время замена основной массы ТЭС на АЭС для устранения их вклада в загрязнение атмосферы в масштабе планеты не осуществима из-за огромных экономических затрат на производство атомной энергии. Среди основных проблем использования АЭС можно выделить следующие: 1) безопасность реакторов; 2) снижение выбросов диоксида углерода; 3) снятие с эксплуатации реакторов на АЭС.

По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), более 130 промышленных ядерных установок уже выведены из эксплуатации либо ожидают этой процедуры. Но во всех случаях возникает проблема утилизации радиоактивных отходов, которые надо надёжно изолировать и хранить длительный срок в специальных хранилищах (рис. 163-2, 163-3).

Опасность использования АЭС для распространения ядерного оружия. Каждый реактор производит ежегодно плутоний в количестве, достаточном для создания нескольких атомных бомб. В отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), которое регулярно выгружается из реакторов, содержится не только плутоний, но и целый набор опасных радиационных элементов. Поэтому МАГАТЭ старается держать под контролем весь цикл обращения с отработавшим ядерным топливом во всех странах, где работают АЭС.

Клуб знатоков-географов. До 2011 г. самым серьёзным инцидентом в истории Японии была авария на урановом объекте в Токаймуре в 1999 г. Трое рабочих пытались смешать азотную кислоту и уран для получения нитрата уранила. Однако по незнанию рабочие взяли в семь раз больше разрешённого количества урана, и реактор не удержал раствор от достижения критической массы. Трое рабочих получили сильное гамма и нейтронное облучение, от чего впоследствии двое из них скончались. Высокие дозы радиации также получили 70 других рабочих. После расследования инцидента МАГАТЭ сообщило, что причиной инцидента послужили «человеческая ошибка и серьёзное пренебрежение принципами безопасности».

Геоэкологические проблемы использования альтернативных источников энергии. Считается, что использование возобновляемых источников энергии является реальным способом остановить изменения климата без создания новых угроз для ныне живущих и будущих поколений. Однако опыт их использования в течение более 50 лет показывает и обратную картину — проявление негативных последствий. Рассмотрим эти вопросы более подробно.

Ветровая энергетика. С ростом стоимости ископаемого топлива и осознания экологических последствий его применения надежды многих исследователей стали связываться с ветровой энергетикой.

Клуб знатоков-географов. Человечество давно использует энергию ветра. Парусные суда — основной вид транспорта, который в течение столетий обеспечивал связь людей различных континентов, представляют наиболее яркий пример использования ветровой энергии. Другой хорошо известный пример эффективного использования ветровой энергии — ветряные мельницы. Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX в. в Дании. Там в 1890 г. была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908 г. насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 м. и четырёхлопастные роторы диаметром 23 м.

Ветровые электрогенераторы имеют широкий спектр отрицательных экологических последствий, выявленных только после того, как в 1970 г. начался период активного возрождения ветровой энергетики.

Главные недостатки ветровой энергетики — низкая энергетическая плотность, сильная изменчивость в зависимости от погодных условий, необходимость утилизации отработанных ветрогенераторов, ярко выраженная географическая неравномерность распределения ветровой энергии.

Ещё одной важной проблемой использования ветровых генераторов являются сильные вибрации их несущих частей, которые передаются в грунт.

Так как скорость вращения лопастей ветровых генераторов близка к частоте синхронизации телевидения ряда стран, то работа ветровых генераторов нарушает приём телепередач в радиусе 1–2 км от генератора. Ветровые генераторы являются также источниками радиопомех.

Вращение лопастей ветровых генераторов губит птиц. Так как обычно ветровые установки в больших количествах располагаются в районах сильных ветров (хребты, морское побережье), то они могут приводить к нарушению миграции перелётных птиц. В Бельгии установили, что это приводит к нарушению устойчивости экосистем полей, расположенных в зоне ветровых установок, в частности наблюдается падение урожайности.

Наконец, ветровая энергетика требует больших площадей для размещения установок. Поэтому системы ветровых установок стараются размещать в безлюдной местности, что, в свою очередь, удорожает стоимость передачи энергии.

Мир и Беларусь. Где в Республике Беларусь расположены самые крупные ветропарки?

В настоящее время в мире начался период перехода от исследовательских работ в области ветровой энергетики к их широкому внедрению. Темпы развития ветровой энергетики в таких странах, как Китай (рис. 164-1), Дания, США, Бельгия, Великобритания, Норвегия, имеющих высокий ветроэнергетический потенциал, остаются очень высокими. Крупнейшей в мире ВЭС является Ганьсу (Китай).

Прямое использование солнечной энергии. Мощность солнечной радиации, поглощённой атмосферой и земной поверхностью, составляет 10⁵ ТВт (10¹⁷ Вт). Эта величина кажется огромной по сравнению с современным мировым энергопотреблением, равным 10 ТВт. Поэтому её считают наиболее перспективным видом нетрадиционной (альтернативной) энергетики. Крупнейшим в мире солнечным парком является Тэнгэр (Китай) (рис. 164-2).

Использование энергии солнца предполагает обязательное наличие накопителей электроэнергии достаточной ёмкости. Как правило, это обычные аккумуляторы. Поэтому, если рассматривать солнечную энергетику полного цикла, то суммарное влияние такой энергетики на загрязнение окружающего пространства оказывается не таким уж и незначительным.

Мир и Беларусь. Где в Республике Беларусь расположены СЭС?

Волновая энергия. В последнее время пристальное внимание учёных и конструкторов привлекает использование различных видов энергии Мирового океана.

Клуб знатоков-географов. Первая заявка на патент волновой электростанции была подана в Париже в 1799 г. Уже в 1890 г. была предпринята первая попытка практического использования энергии волн, хотя первая волновая электростанция Pelamis P-750 мощностью 2,25 МВт вошла в коммерческую эксплуатацию только в 2008 г. в районе Агусадора (Португалия) на расстоянии 5 км от берега (рис. 164-3).

В ряде волновых установок для повышения эффективности плотность волновой энергии искусственно повышается. Изменяя рельеф дна в прибрежной зоне, можно сконцентрировать морские волны подобно линзе, фокусирующей световые волны. Если сфокусировать волны с побережья длиной в несколько километров на фронте в 500 м, то высота волны может достигнуть 30 м. Попадая в специальные сооружения, вода поднимается на высоту в 100 м.

Перед волновой энергетикой не стоит в острой форме проблема воздействия на окружающую среду. Однако если значительная часть акватории будет покрыта волновыми преобразователями, это может привести к негативным экологическим последствиям. Это связано с тем, что волны играют важную роль в очистке поверхности моря и приводного слоя воздушного потока от загрязнения. Поэтому волновую энергетику следует рассматривать только как дополнительный к традиционным источник энергии, который может иметь значение только в некоторых районах мира.

В мире всё взаимосвязано. Регионы, наиболее потенциально пригодные для запуска волновых электростанций, — это территории с побережьем большой протяжённости и наличием стабильных сильных ветров. В такие зоны входят европейское западное побережье, британский север, берега Тихого океана в Северной и Южной Америке, Новой Зеландии и Австралии, а также Южной Африке.

Приливные электростанции. В прибрежной зоне приливные волны проявляются в периодическом подъёме и опускании уровня. В некоторых местах высота прилива достигает значительной величины — 12–20 м. Энергия приливных волн огромна.

Клуб знатоков-географов. Человек уже давно начал использовать энергию приливов. Так, приливные мельницы использовались в XV в. в Англии, были широко распространены на северо-восточном побережье Канады в XVII в. Первая в мире приливная гидроэлектростанция мощностью 320 МВт была запущена в 1966 г. в устье реки Ранс (Франция). Несколько приливных станций построено в заливе Фанди, который характеризуется самыми высокими приливами в мире. Наиболее развитым в мире рынком электроэнергии, выработанной посредством волн и приливов, является Шотландия (рис. 164-4), где установлены самые большие приливные турбины в проливе Пентленд-Ферт.

Опыт строительства и эксплуатации подобных станций показал, что они экономически оправданы. Издержки их эксплуатации гораздо ниже, чем при эксплуатации обычных ГЭС.

Использование энергии приливов ограничивается в основном высокой стоимостью сооружения. Но приливные станции характеризуются также отрицательным влиянием на окружающую среду. Сооружение плотины приведёт к увеличению амплитуды прилива. Даже небольшое повышение амплитуды прилива вызовет значительное изменение распределение грунтовых вод в береговой зоне, увеличит зону затопления, нарушит циркуляцию водных масс, изменит ледовый режим в части бассейна за плотиной и т. д.

Геотермальная энергетика. Интерес к использованию геотермальной энергии резко вырос в мире в 1960–70-х гг.

Клуб знатоков-географов. Первая в мире геотермальная электростанция была построена в 1904 г. в Италии. Геотермальная энергия в Исландии (рис. 164-5) начала использоваться в 1944 г. Геотермальные станции успешно функционирует в ряде стран — Италии, Исландии, США. Самой крупной в мире ГеоТЭС является Хедлисхейди (Исландия).

Наиболее доступна геотермальная энергетика в зонах повышенной вулканической деятельности и землетрясений. Такая привязка к определённым районам является одним из её недостатков.

Использование геотермальной энергии имеет отрицательные экологические последствия. Для конденсации пара на геотермальных станциях используется большое количество охлаждающей воды, поэтому геотермальные станции являются источниками теплового загрязнения. При одинаковой мощности с ТЭС или АЭС геотермальная электростанция потребляет для охлаждения значительно большее количество воды, т. к. её КПД ниже.

Сброс сильно минерализованной геотермальной воды в поверхностные водоёмы может привести к нарушению их экосистем. В геотермальных водах в больших количествах содержится сероводород и радон, который вызывает радиоактивное загрязнение окружающей среды.

Подведём итоги. Энергетика обеспечивает развитие экономики любой страны. Главной причиной возникновения энергетической проблемы является … . Уменьшение объёмов потребления энергии характерно для … стран в противовес … странам. К странам с наибольшим объёмом потребления энергии относятся …, …, … . Увеличение потребления топливных ресурсов влечёт за собой обострение … проблемы.

Проверим свои знания. 1. Какими факторами обусловлена энергетическая проблема? 2. Какие изменения в потреблении энергии происходят в мире в последнее время? 3. Как энергетика влияет на окружающую среду?

От простого к сложному. 1. В процессе производства ядерной энергии уровень углекислого газа меньше, чем в процессе выработки солнечной и геотермальной энергии. Какие виды энергии являются самыми «чистыми»? 2. Какие пути минимизации отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду, на ваш взгляд, можно предложить?

От теории к практике. 1. Подготовьте презентацию «Влияние энергетики на окружающую среду». 2. Используя материалы сайта PRoAtom (ссылка по QR-коду), подготовьте сообщение о возможных сценариях развития мировой энергетики.

П3

Web-ресурсы.
Статистический ежегодник мировой энергетики.

Сценарии развития мировой энергетики.

Сайт Международного энергетического агентства.

От теории к практике. Используя дополнительную литературу и ресурсы сети Интернет, подготовьте презентацию на тему «Роль геотермальной энергетики в экономике Исландии».