4.3. Использование энергии

Солнечный свет падает на планету с энергией 2 кал/см²мин (солнечная постоянная), но, проходя через атмосферу, он ослабляется, и даже в ясный летний день до поверхности Земли доходит не более 67%, т. е. 1,34 кал/см² -мин. Судьба солнечной энергии в биосфере такова: отражается 30%, превращается в теплоту 46%, расходуется на испарение воды, осадки 23%, преобразуется в энергию ветра, волн, течений 0,2%, идет на фотосинтез 0,8% ( 1%)

Клетки растений, связывая на свету СO₂ и Н₂O, образуют гидраты углерода (СН₂O) - углеводы, т. е. строительные блоки органических веществ, обладающие высокой эксергией, а эксергия рассеянной энергии, экспортируемой в космическое пространство, снижается. Под воздействием определенных условий (температуры, давления и др.) в течение тысяч, миллионов и миллиардов лет избыточные органические вещества превращались в торф, уголь, нефть, т. е. энергия концентрировалась и накапливалась в виде ископаемого топлива. В ХХ веке эти запасы интенсивно эксплуатировались для обеспечения жизни искусственных систем, созданных человеком (городов, заводов, самолетов, автомобилей и т. п.), и постепенно истощались. Уже сейчас в поисках новых месторождений топлива мы все глубже вгрызаемся в землю, уходим в море. Поэтому освоение таких ресурсов становится все более дорогостоящим. Огромная работа, выполняемая биосферой ( сохранение и развитие жизни, накопление горючих ископаемых и др.) за счет небольшого количества (0,8 % ) сконцентрированной растениями солнечной энергии, объясняется высокой эксергией аккумулированной части энергии.

Три четверти энергии, потребляемой в современном мире, в дополнение к первичной солнечной энергии, согревающей Землю, поступает от сжигания невозобновляемого ископаемого топлива: нефти, угля, природного газа. Источником некоторого количества энергии является сжигание потенциально возобновляемой биомассы: дров, навоза, отмерших растений, мусора. Небольшое количество электроэнергии дают гидроэнергетика и управляемая энергия атома. И совсем ничтожное количество ( около 1 % ) поступает от использования внутреннего тепла Земли (геотермальная энергия) и сконцентрированной с помощью гелиотехники солнечной энергии. Но на добычу и преобразование энергии этих источников тоже требуется энергия. Поэтому практический коэффициент полезного действия зависит от величины полученной чистой энергии.

Чистая энергия - это полезная энергия на выходе из системы после вычета всех энергозатрат на ее добычу и преобразование. На разведку и создание источника энергии, ее получение, подготовку к использованию, транспортировку и др. приходится также затрачивать энергию (рис. 4.12).

Энергию обратной связи Э_Ш, необходимую для преобразования энергии и эксплуатации источника энергии, называют энергетическим штрафом. Чистая энергия рассчитывается как разница между добытой энергией из источника и энергетическим штрафом:

Для того чтобы источник функционировал, выход чистой энергии должен как минимум в 2 раза превышать «штраф»:

Например, если для извлечения 120 единиц нефти путем глубокого бурения океанского дна требуется израсходовать 100 единиц горючего, ясно, что такой источник не решит проблем нехватки топлива.

Нехватка топлива побуждает иногда перерабатывать в горючее пищевую продукцию. Но исследования показали, что на производство спирта, например, из кукурузы для спирто-бензиновой смеси уходит столько же высококачественной энергии, сколько заключено в получаемом спирте, или даже больше. Поэтому чистый выход энергии практически отсутствует. Смесь бензина со спиртом для заправки автомобилей продается, однако, в «зерновом поясе» США, так как там имеются излишки зерна, которые не могут быть реализованы на мировом рынке, хотя, с точки зрения экологов, это неразумно и экономически нерентабельно.

Мы привыкли отождествлять энергию, затрачиваемую в процессе производства, с энергией топлива или электроэнергией, забывая об энергии человеческого труда и использованных материалов. На самом деле энергия всех видов, затраченная на поиски, добычу, переработку и перевозку топлива, может превышать энергию, получаемую при его сжигании. Очевидно, например, что энергетические затраты на движение автомобиля гораздо больше, чем затраты бензина. Они включают в себя энергию, затраченную на проектирование и производство автомобиля, запасных частей, обучение шофера и подготовку ремонтных рабочих, на создание автомобильных дорог и другие работы.

Ошибка людей, определяющих те или иные затраты на какие-либо процессы, связана с тем, что они упускают из вида многообразие фактически расходуемой энергии. :Кажется, например, что деятельность по обучению людей связана лишь с затратами энергии преподавателей. В действительности же эта энергия гораздо больше и включает в себя энергию различных форм деятельности в сфере образования, в том числе и энергетические затраты на материальное обеспечение обучения.

Энергетические процессы рассматривают обычно как чисто физические и часто не предполагают, что мышление - это также энергетический процесс. Развитие умственных способностей связано с большими энергозатратами. Интеллектуальный труд является процессом, где используются высококачественные формы энергии. Ум и знание концентрируют в себе энергию, затраченную на обучение и приобретение опыта многими поколениями.

Большинство достижений экономики основано на применении многих высококачественных интеллектуальных и других дополнительных форм энергии, которые часто не учитываются при оценке стоимости продукции. Чем больше высококачественных форм энергии расходуется при производстве продукции, тем выше должна быть ее стоимость.

К сожалению, в некоторых странах, в том числе и в России, интеллектуальный труд оценивается значительно ниже, чем физический, хотя качество используемой энергии в первом случае выше, чем во втором. Несоответствие экономических правил фундаментальным законам природы в конечном счете может приводить к низкой эффективности экономических систем.

Следовательно, проблема не в том, много ли нефти в недрах Земли, и не в количестве энергии, высвобождаемой при расщеплении урана; проблема в том, сколько высококачественной энергии можно получить из этих источников после того, как будут уплачены все «энергетические штрафы»; связанные в том числе с охраной здоровья людей и обработкой отходов. Поэтому в данном случае, как и в случае биологической продуктивности экосистем, нас должно заботить не валовое количество получаемой энергии, а количество полученной чистой энергии.

Эффективность использования энергии определяется соотношением полезной работы и величины всех энергетических затрат при ее выполнении.

Чем больше отношение количества полезной работы ко всему количеству энергии, затраченной на ее производство, тем выше эффективность использования энергии.

Показателем энергоэффективности является отношение количества полезной энергии на выходе системы ко всей полезной энергии на входе.

Энергоэффективность зависит также от соответствия качества энергии качеству выполняемой работы.

Для выполнения различных видов работы может применяться энергия разного качества. Чтобы горел свет, работали электродвигатели, электронные приборы, двигались автомобили и летали самолеты, требуется высококачественная концентрированная энергия. А для отопления жилых и других помещений можно использовать менее качественное низкотемпературное тепло (менее 100 ⁰С). Необходимость в высококачественной концентрированной энергии для поддержания жизнедеятельности городов и всего современного общества потребует рано или поздно разработки способов концентрации энергии низкого качества.

До тех пор пока недостаточно разработаны технологии концентрации энергии, можно использовать и низкокачественную энергию для «низкокачественных» работ. Пассивные системы могут улавливать первичную прямую солнечную энергию, сохранять ее. Затем эта энергия может быть использована для обогрева зданий и нагревания воды без каких-либо дополнительных механизмов. Примером может служить хорошо изолированный герметичный дом с тройными оконными рамами, обращенными к солнцу, и использование камня, цемента или воды в таких домах для накопления и затем медленной отдачи тепла. Специально спроектированные и устанавливаемые на крышах зданий коллекторы также могут концентрировать прямую солнечную энергию для нагревания воды и внутренних помещений. Особые солнечные фотоэлементы могут непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Коэффициенты полезного действия различных по качеству видов энергии могут резко различаться в зависимости от выполняемых работ.

Сравним энергоэффективностъ обогрева хорошо изолированного дома за счет прямой солнечной энергии, поступающей через обращенные к солнцу окна, и энергоэффективность обогрева дома за счет электроэнергии, выработанной АЭС и поступающей по линии электропередач и превращенной затем в низкотемпературное тепло (рис. 4.13).

Анализ рис. 4.13 показывает, что чем больше ступеней в процессе преобразования энергии, тем больше ее превращается в бесполезное рассеянное тепло, тем меньше показатель эффективности ее использования, т. е. практический коэффициент полезного действия.

Превращение высококачественной энергии, извлекаемой из ядерного топлива, в тепловую энергию с температурой в несколько тысяч градусов и затем в низкокачественное низкотемпературное тепло (на уровне 20 °С) для обогрева дома - чрезвычайно расточительный процесс. Использовать эту энергию для обогрева домов все равно что стрелять из пушек по воробьям. Солнечная же энергия, поступающая естественным путем, может дать в данном случае необходимое количество тепла без больших его потерь в окружающую среду.

Использование прямой солнечной энергии - это один из наиболее эффективных и дешевых способов отопления зданий, применяющийся тысячелетиями.

Однако прямую солнечную энергию нельзя применять для нужд промышленного производства и транспорта. Чтобы использовать солнечный свет для этих целей, его нужно сконцентрировать на гелиоустановках (греч. helios - солнце). В этом случае эффективность использования энергии будет очень низкой, так как, чтобы принять и сконцентрировать в.опредеденном месте слабый по интенсивности поток солнечной энергии, необходимо много денег и высококачественной энергии топлива для добычи, обработки и перевозки материалов, используемых для создания громадных антенн, фокусирующих зеркал, труб и прочего оборудования, не считая затрат интеллектуальной энергии на разработку проектов. Эффективность использования того или иного энергоносителя для различных видов работ зависит также от его доступности и удаленности от потребителей. Так, использование нефти пока довольно рентабельно, так как в основном она поступает из богатых и легкодоступных месторождений (Саудовская Аравия, страны Среднего Востока, Россия и др.). Когда эти источники истощатся, цены на нефть возрастут, так как ее придется добывать из менее богатых, глубоко залегающих месторождений или в суровых отдаленных районах (Арктика, Аляска, Северное море и др.), Потребуется гораздо больше денег и высококачественного топлива на ее добычу и доставку потребителям. Рентабельность использования такой энергии упадет.

На рис. 4.14 приведены коэффициенты рентабельности для различных видов энергии, используемых в разных целях.

Если бы специалистов попросили перечислить три устройства с наибольшими потерями энергии, они, вероятно, назвали бы следующие: 1) лампа накаливания (потери 95% ), 2) машина с двигателем внутреннего сгорания (теряется 90%) и 3) АЭС, используемая. для обогрева зданий и воды (теряется 90% ).

При разработке будущей стратегии в стране и в мире в целом необходимо руководствоваться важнейшим принципом – использовать энергию такого качества, которое соответствует качеству выполняемой работы.

Горючие ископаемые и атомная энергия должны идти в основном на поддержание механизмов, требующих высококачественной энергии (самолетов, космических кораблей, автомобилей и др.); пе следует их тратить в котельных и печах там, где обогревать дома может Солнце. Запасы нефти и угля сохранятся дольше и позволят выиграть время для разработки технологий получения высококачественной энергии.

Одновременно необходимо разрабатывать меры по сохранению пе только количества, но и качества энергии. Сохранение количества энергии - обычная экономия энергии, т. е. искусство сбережения, снижения утечек, потерь и др. Сохранение качества энергии - это задача устранения ее деградации, потерь рассеивающегося тепла.

Энергию высокого качества нельзя использовать вторично, по можно замедлить потери тепла в окружающую среду при трансформации высококачественной энергии в низкокачественную, то есть сберегать ее эксергию. Например, плохо изолированный дом в холодное время теряет тепло с такой же скоростью, с какой он его получает. Напротив, герметичное здание может удерживать тепло от нескольких часов до 3-4 суток. Снижение температуры - эксергоразрушительный процесс, а рециркуляция теплоты - эксергосберегающий.

В некоторых административных зданиях тепло, излучаемое светильниками, компьютерами и другими приборами, аккумулируют и направляют на отопление при холодной погоде или на охлаждение воздуха при жаркой погоде. Тепловые выбросы промышленных предприятий и станций можно использовать для обогрева зданий, теплиц, прудов. Подсчитано, что если при эксплуатации всех паровых котлов в США станет использоваться выбрасываемое тепло, то будет получено столько же электроэнергии, сколько могли бы произвести от 30 до 200 электростанций (в зависимости от технологии), работающих на ядерном топливе или на угле. Это значительно снизило бы стоимость электроэнергии.

Основой для энергооборота в будущем должны быть экономия энергии, эффективное ее использование и разработка эксергосберегающих технологий.

Энергия и деньги тесно взаимосвязаны. Не деньги, а именно энергия является истинной «валютой» в нашем мире.

Деньги - это мера стоимости товаров, созданных трудом.

Они являются непосредственным представителем выполненной работы или затраченной полезной энергии. Приравненные к деньгам стоимости товаров приобретают одинаковое выражение и становятся сравнимы между собой.

Потоки денег и энергии взаимосвязаны, но направление потока , денег противоположно потоку энергии. 3ададим числовые значения .потокам энергии, поступающим на ферму (см. рис. 4.2). Когда продукты питания избыточны, они превращаются в товар. После продажи товара в обратном направлении возникает поток денег (рис. 4.15).

Числа на рис. 4.15 показывают количество единиц энергии, поступающей и выходящей за день в процессе жизни фермы. :Каждый поток можно выразить в своих единицах: солнечный свет - в килокалориях, осадки - в сантиметрах, питательные вещества - в килограммах, стоимость машин и топлива - в долларах (или рублях), продукцию - в килограммах и т. п. Но использование общей единицы (ккал) позволяет сравнивать разные энергетические потоки.

Деньги можно приблизительно выразить в единицах энергии, и наоборот, поскольку стоимость товаров и услуг тесно связана с количеством затраченной энергии. Соотношение энергии и денег определяется количеством энергии, вложенной в каждый обращающийся рубль. Чем больше энергии затрачено, тем выше реальная стоимость рубля.

В каждый данный момент существует некоторое среднее отношение суммы обращающихся денег к энергетическому потоку. Например, если в стране объем расходуемых денег ежегодно составляет около 14 трлн (10¹²) долларов и за год используется 35 · 10¹⁶ ккал энергии, то на 1 доллар приходится 25000 ккал. Естественно, это соотношение неодинаково в различных частях энергетической системы, но можно оценить его для системы в среднем. Данное соотношение позволяет показать, например, какое количество энергии необходимо для поддержания деловой активности участвующего в процессе субъекта.

Предположим, что некто зарабатывает и тратит 100 000 долларов в год, т. е. на поддержание жизнедеятельности этого человека затрачивается труд, эквивалентный 2500 млн ккал/год. Его личный годовой бюджет, затрачиваемый на продукты питания, составит около 10 млн ккал. Разность между этими величинами (2490 млн ккал) характеризует работу сельскохозяйственных машин, электростанций, промышленности, транспорта, природы, людей и др., участвующих в его жизнеобеспечении. Совокупная энергия, затрачиваемая на поддержание жизнедеятельности человека, очень велика. Но поскольку значительная часть этой энергии скрыта от человека, он не представляет себе ее в полной мере.

Оценка работы природных экосистем в денежном выражении - еще не решенная проблема. Деньги участвуют в расчетах только после того, как природные ресурсы превращены человеком в товар, работа же природы, создающей ресурсы, при этом не оценивается. На рис. 4.16 показано, что деньги имеют отношение к рыбе только после того, как она поймана.

Деньгами оцениваются только труд человека и затраты по вылову, переработке и продаже рыбы. Работа водоема по производству рыбы обычно не оценивается деньгами. Но общая стоимость полезной работы водоема, рассчитанная посредством энергетического эквивалента денег, окажется выше продажной стоимости собираемых в нем продуктов. Энергия, затраченная на поддержание биомассы растений, животных и рыб в водоеме, на очистку и повторное использование воздуха и воды, остается вне денежной системы. Было подсчитано, что если оценить стоимость всей полезной работы водоема, выполняемой в течение года, в универсальной «энергетической валюте», а потом перевести в деньги, то 1 га плодородного водоема стоил бы в десятки раз больше, чем снимаемый с него урожай, превращенный человеком в товар.

Недостаток любых существующих политико-экономических систем состоит в том, что они оценивают в основном производимые человеком товары и услуги и не оценивают не менее необходимые для жизни естественные ресурсы и услуги природы. Деньги, оборачиваясь, оплачивают техническую работу индустриально-городских и аграрных систем, но не оплачивают поступления благ и услуг из природных экосистем. Большинство экологов и экономистов согласны с тем, что необходимо преодолеть разрыв между рыночными и нерыночными ценностями, так как эти :категории тесно взаимосвязаны.

Энергетическая теория экосистем позволяет включить «бесплатную» работу природы в разряд экономических ценностей и таким образом вывести экологические системы на уровень экономических.

Мировая экономика в конечном счете зависит от основных природных экосистем - морских, пресноводных, наземных. По мере того как природные ресурсы истощаются, а экосистемы подвергаются стрессовым воздействиям и разрушаются, начинает страдать и мировая экономика: товары и услуги становятся все дефицитнее, их производство все дороже, что приводит к инфляции во всем мире.