1.2. Структура энергопотребления

Развитие человеческого общества и его успехи на пути цивилизации и прогресса непосредственно связаны с повышением производительности труда и улучшением материальных условий жизни людей. Научно-технический и социальный прогресс сопровождается увеличением потребляемой энергии и освоением новых, более эффективных ее видов. История цивилизации – история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и в конечном итоге увеличения энергопотребления.

Увеличение расходуемой энергии связано с развитием цивилизации, расширением и углублением знаний человека об окружающем мире. Влияние энергетики на культуру, духовное развитие человека образно охарактеризовал К. Г. Паустовский, сказав, что дополнительная тонна угля – это ещё одна книжка хороших стихов, это тепло, свет, это спрессованная в черном блестящем камне сила жизни, сила и богатство мыслей и ощущений нашей эпохи. В самом деле, обеспечение энергией – это необходимая основа для того, чтобы человек мог творчески создавать новую технику, заниматься науками, искусством, литературой – всем тем, что обобщенно называется культурой. В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей.

Современный период развития техники, характеризующийся значительным потреблением энергии и по праву называемый периодом научно-технической революции, качественно отличается от предшествующих периодов развития. Качественное отличие в первую очередь состоит в огромном, революционном сдвиге в развитии производительных сил, создании в широких масштабах технически совершенных, оснащенных высокоэффективной автоматикой средств труда.

Только при широком использования совершенных автоматически управляемых машин, заменяющих физический и нетворческий умственный труд, возможно ускорение экономического развития страны. Количество потребляемой современными машинами энергии очень велико. Представление о нем может дать следующее образное сравнение: все работоспособное население мира, работая с полным напряжением физических сил по 8 ч в сутки, не смогло бы за год выработать одной сотой доли энергии, получаемой в настоящее время за счет сжигания топлива и энергии рек. Потребление энергии и в дальнейшем должно возрастать, обеспечивая повышение производительности труда, что всегда являлось и является самым важным, самым главным для прогресса общества.

До начала XX в. население земли составляло около одного миллиарда человек и объем потребляемых ресурсов не нарушал баланса между объемом используемых ресурсов и возможностями планеты. Последующее бурное развитие научно-технического прогресса позволило человечеству увеличить интенсивность использования природных ресурсов и увеличить, прежде всего, производство пищи, являющейся основным топливом для природной машины, называемой человеческим телом. Расширенное воспроизводство продуктов питания позволило всего за два столетия увеличить население планеты в 6 раз. Однако ресурсы планеты, необходимые для производства продуктов питания и обеспечения приемлемых условий существования, ограничены, и поэтому рост населения планеты должен быть прекращен на уровне, определяемом ресурсами Земли.

Технический прогресс и развитие цивилизации с далеких исторических времен непосредственно связаны с количеством используемых энергоресурсов. Но если на первых этапах развития человек располагал только своей мускульной энергией и мускульной силой животных, то затем большую часть труда он стал возлагать на машины. Прогресс в науке и технике определяется единством эволюционных и революционных изменений. При этом в случае имеющихся предпосылок внутренние закономерности развития науки и техники и общественные потребности могут перевести эволюционные изменения в революционные. Любая техническая революция характеризуется коренными изменениями в средствах труда или технологии. Сознание человека, его разум развивались вместе с совершенствованием средств труда, развитием производительных сил.

Пытаясь проникнуть в тайны природы, люди стремились использовать ее возможности для своих нужд. Со временем им понятнее становились такие явления, как молния, солнечное тепло, морские приливы и отливы и многие другие, которые для древних людей были таинственными. Преклоняясь перед ними и перед стихиями природы, человек обожествлял их. У многих древних народностей не случайно верховным богом считалось Солнце. В этом представлении о Солнце отражено его значение как источника почти всей энергии, используемой человечеством, как источника жизни. Солнечное тепло было первым источником энергии, которым пользовался человек.

От древних греков до наших дней дошла легенда о Прометее, который похитил на небе огонь и принес его людям. Эта легенда донесла до нас весть о величайшем событии в жизни человечества, о том, что люди научились добывать и поддерживать огонь, применять химическую энергию, запасенную в органическом топливе. Эта форма энергии и в настоящее время наиболее широко используется человеком. Когда древнегреческие мыслители еще только удивлялись «силе, таящейся в янтаре и в магнитном камне», прирученный огонь уже светил, грел, обжигал и плавил металл. Работающая теплота на многие тысячелетия обогнала работающие электричество и магнетизм.

Освоение природных энергетических ресурсов стимулировало создание машин, выполнявших довольно сложные операции и позволявших переложить на них значительную часть вначале физического, а затем (в настоящее время) и нетворческого умственного труда. Совершенствование машин освобождало время для наиболее творческой работы, позволяло глубже проникать в законы природы, используя их для своего блага. Это, в свою очередь, способствовало созданию более совершенных орудий труда.

Потребности в энергии постоянно возрастали, что вынуждало изыскивать новые энергоресурсы и новые способы преобразования энергии из одного вида в другой. Сегодня стало традиционным использование таких видов энергии, как энергия Солнца, химическая энергия органического топлива, механическая энергия воды в реках, морях и океанах, энергия ветра, внутриядерная энергия, получаемая при делении тяжелых ядер. Весьма перспективно использование термоядерной энергии, получаемой при синтезе легких элементов. Реализация синтеза снимет на все исторически обозримое время проблему удовлетворения человечества запасами энергии, т. е. проблему, которая возникает в связи с истощением запасов органического топлива.

Бурный прогресс техники и тот уровень, которого она сейчас достигла, был бы невозможен без использования качественно новых видов энергии, в первую очередь электрической. Электрическая энергия широко применяется в жизни современного человека. Можно без преувеличения сказать, что без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества. Электрическая энергия широко используется в промышленности для приведения в действие различных механизмов и непосредственно в технологических процессах, на транспорте, в быту. Работа современных средств связи – телеграфа, телефона, радио, телевидения – основана на применении электрической энергии. Без нее невозможно было бы развитие компьютерных технологий, космической техники и т. д. Именно электрическая энергия явилась той движущей силой, которая привела к созданию крупного машинного производства, обеспечившего невиданное развитие производительных сил. Основные отличительные свойства электрической энергии состоят в том, что она может легко передаваться на большие расстояния и относительно просто с малыми потерями преобразовываться в другие виды энергии.

Мощности, которые человек в последнее время научился получать искусственным путем, соизмеримы с мощностями геофизических и геологических процессов, процессов, происходящих в атмосфере, и даже космических процессов. Таким образом, понятие энергетики нельзя ограничить рамками искусственных систем – систем, создаваемых человеком; необходимо учитывать теснейшее взаимодействие искусственных систем с естественными системами природы.

Процесс потребления энергии на нашей планете исторически протекал крайне неравномерно. Первый скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и мускульная сила человека. В доисторическую эпоху каждый человек, использовавший свою мускульную силу и энергию впервые зажженного костра, тратил примерно одинаковое количество энергии. Приближенно можно считать ее распределение равномерным .

Следующий важный этап связан с изобретением колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного производства. К XV в. средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек.

Особенно заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, – оно возросло в раз и достигло в 2001 г. . В настоящее время неравномерность в потреблении энергии на душу населения стала огромна: для различных стран она выражается отношением . Неравномерность в потреблении электроэнергии еще больше. Так, на одного жителя в Норвегии в 1983 г. приходилось , в то время как в Индии – . Человек индустриального общества потребляет в раз больше энергии, чем первобытный человек, и живет в раза дольше.

В целом фактическое потребление первичных энергоресурсов в мире непрерывно росло и к 2000 г. превысило уровень , запланированный по прогнозам 1980 года только к 2020 году. Этот рост потребления энергии в мире произошел за счет активного использования всех видов первичных энергоресурсов. По прогнозам до 2020 г. увеличение потребления энергии будет достигнуто за счет роста добычи угля до . Объем потребления природного газа в основном сохранится, а использование нефти несколько уменьшится.

Ориентировочное представление о росте можно представить по статистическим данным потребления энергии последних лет, показанных на рис. 1.1.

Человечество за обозримую историю своего существования и до 2000 года израсходовало примерно энергии всех видов, причем более этого количества приходится на последние 60 лет двадцатого столетия.

Рис. 1.1. Рост энергопотребления в мире

Суммарная мощность всех электростанций мира в 2000 году, а это свыше , уже стала соизмерима с мощностью многих явлений природы. Так, средняя мощность воздушных течений на планете составляет . Такого же порядка средняя мощность ураганов ‑ . Суммарная мощность приливов равна .

Проводя сопоставление мощностей, следует учитывать, что кроме стационарных электростанций имеется большое число передвижных энергетических установок. Например, мощность всех действующих пассажирских самолетов на планете составляла на 2000 год не менее , что соизмеримо с мощностью всех электростанций России на рассматриваемый момент, это около . По данным на 2001 год, электроэнергетическое производство в рамках единой энергетической системы (ЕЭС) России включало в себя электростанций общей мощностью , в том числе ТЭС и ТЭЦ – , ГЭС – , АЭС – .

Стационарные электростанции даже при меньших мощностях оказывают заметное влияние на биосферу, так как продолжительность работы их в течение года больше. Так, большую тревогу вызывает загрязнение атмосферы, обусловленное эксплуатацией энергетических и других установок, и изменение ее газового состава, обусловленное сжиганием больших количеств органического топлива; загрязнение мирового океана; истребление лесов, затопление суши при сооружении гидроэлектростанций; тепловое загрязнение водоемов тепловыми электростанциями и общее изменение всего теплового баланса планеты. Очевидно, что планирование и проектирование энергетических систем, их развитие и эксплуатация должны осуществляться с учетом всех аспектов влияния на окружающую среду. А потому инженеру-энергетику необходимы знания о природе и происходящих в ней явлениях.

Энергосистема, в которой производится электрическая и тепловая энергия, непосредственно связана с системой топливоснабжения, т. е. с системой обеспечения первичными энергоресурсами. Сооружение энергосистемы и условия ее работы во многом определяются природными факторами, например наличием водоемов и географическим расположением энергоресурсов и потребителей. Состояние биосферы, уровень загрязнения ее, связанный с работой энергетических установок, накладывают определенные ограничения на технические характеристики и условия работы энергосистем.

Современный инженер должен не только хорошо ориентироваться в специальных технических областях, но и предвидеть влияние принимаемых решений на окружающую среду и на социально-экономические условия. Например, при сооружении гидроэлектростанций необходимо учитывать, что затопление обширной территории требует перенесения населенных пунктов, что изменяет привычный уклад жизни людей, наносит ущерб сельскому хозяйству.

В своем названии станции содержат указание на то, какой вид первичной энергии на них преобразуется. Например, тепловая электрическая станция (сокращенно ТЭС) преобразует тепловую энергию (первичную) в электрическую энергию (вторичную), гидроэлектростанция (ГЭС) – энергию воды в электрическую, атомные электрические станции (АЭС) – атомную энергию в электрическую; кроме того, первичную энергию приливов преобразуют в электрическую на приливных электростанциях (ПЭС), аккумулируют энергию воды – на гидроаккумулирующих станциях (ГАЭС) и т. д.

Получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно выделить пять стадий:

1. Получение и концентрация энергетических ресурсов: добыча и обогащение топлива, концентрация напора с помощью гидротехнических сооружений и т. д.

2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энергию; она осуществляется перевозками по суше и воде или перекачкой по трубопроводам воды, газа и т. д.

3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую наиболее удобную для распределения и потребления в данных условиях форму (обычно в электрическую энергию и тепловую).

4. Передача и распределение преобразованной энергии.

5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она доставлена потребителю, так и в преобразованной.

Если общую энергию применяемых первичных энергоресурсов принять за , то полезно используемая энергия составит только , остальная часть теряется, причем большая часть – в виде теплоты.

Потери энергии определяются существующими в настоящее время техническими характеристиками энергетических машин.

Различные виды энергоресурсов неравномерно распределены по районам Земли, по странам, а также внутри стран. Места их наибольшего сосредоточения обычно не совпадают с местами потребления, что наиболее заметно для нефти. Больше половины всех мировых запасов нефти сосредоточено в районах Среднего и Ближнего Востока, а потребление энергоресурсов в этих районах в раз ниже среднемирового. В этой ситуации важно создать оптимальные межгосударственные потоки энергоресурсов и продуктов их переработки и максимально использовать запасы энергоресурсов, расположенные вблизи от основных потребляющих районов.

Концентрация потребления энергоресурсов в наиболее развитых странах привела к такому положению, когда населения в мире потребляет всей вырабатываемой энергии, а населения – только энергии. При этом примерно установленной мощности электростанций и мирового производства электроэнергии приходится всего на наиболее промышленно развитых стран. Наблюдается тенденция увеличения неравномерности потребления энергетических ресурсов. Так, свыше половины населения земного шара, проживающего в развивающихся странах, потребляют менее электроэнергии, приходящейся на одного человека при среднемировом показателе, близком к . Эти цифры характеризуют неравенство уровня жизни в разных странах.

Несовпадения мест сосредоточения и потребления энергоресурсов вызывают необходимость их транспортировки. Энергия может передаваться в различной форме. Например, можно перевозить нефть и уголь от месторождений до крупных промышленных центров и городов и затем сжигать их на электростанциях, превращая электрическую энергию в тепловую. Возможен и другой вариант, когда электростанция сооружается вблизи месторождений топлива, а электрическая энергия передается по проводам к удаленным промышленным предприятиям и городам.

Потребление энергоресурсов быстро растет, что вызывается непрерывным увеличением мирового промышленного производства. В 2000 г. потребление энергоресурсов составило (что соответствует условному топливу массой ). Оставшихся после 2000 г. мировых запасов энергоресурсов без учета возможностей ядерной и термоядерной энергетики, видимо, хватит еще на .

Эти данные, конечно, ориентировочные, однако все же они дают некоторую картину будущего. Оценка технических и экономических возможности использования энергии меняются со временем. Поэтому прогнозы, построенные на основе этих данных, следует считать ориентировочными, и их необходимо периодически корректировать.

Интересно проследить эволюцию потребления различных видов энергии начиная с доисторических времен (рис. 1.2). Мускульная энергия человека и животных, иногда называемая «биологической» энергией, некогда была единственным источником энергии. В настоящее время она составляет величину, меньшую от общего потребления энергии.

Первыми источниками теплоты были различные органические остатки и древесина. Древесина на протяжении длительного периода, вплоть до XVI в., была основным энергоносителем.

По мере относительно быстрого освоения других, более энергоемких источников энергии (угля, нефти), сокращалось потребление древесины, использование которой в качестве энергоносителя практически прекратилось.

Рис. 1.2. Изменение структуры энергопотребления в мире

Среди доступных энергоресурсов наибольшая доля приходится на уголь ( ); значительны запасы нефти ( ) и газа ( ); все остальные энергоресурсы в совокупности составляют менее .

В начале XX в. уголь занимал наибольшую долю от всех используемых энергоресурсов. По мере увеличения потребности в нефти, газе доля угля в выработке электроэнергии уменьшалась. Начало 70-х годов характеризуется выравниванием потребления таких энергоресурсов, как уголь, нефть и газ, а в некоторых странах даже уменьшением (в абсолютных цифрах) добычи угля.

Рациональное сочетание различных энергоресурсов и развитие энергетики несомненно позволит избежать тех трудностей, приобретающих иногда катастрофический характер, которые возникли в начале 70-х годов в ряде стран. Эти трудности получили название энергетического кризиса и вызвали необходимость пересмотра энергетической политики. При этом в некоторых планах предусматривалось развитие атомной энергетики. Однако такого рода переориентация энергетической политики сопряжена с многими трудностями, такими, как необходимость получения ядерного топлива, потребность в дополнительных капиталовложениях, недоверие общественного мнения по обеспечению безопасности атомных электростанций, стимулируемое конкурирующими фирмами.

Значительная доля энергетических ресурсов расходуется на электростанциях для выработки электрической энергии, получившей в настоящее время широкое применение. Суммарная мощность электростанций в мире в настоящее время составляет примерно , из которых на долю России приходится более , что составляет от мощностей электростанций мира или от производства электроэнергии.

Если считать, что энергетические установки в среднем работают с КПД, равным , то для получения освоенной полезной мощности требуется извлекать природные энергетические ресурсы с мощностью, равной . Приблизительные расчёты показывают, что в настоящее время примерное потребление энергии на одного человека составляет не менее .

Вопросы для самоконтроля:

1. Потребность человека в энергетических ресурсах.

2. Степень экологического влияния от использования различных видов энергоресурсов.

3. Изменение потребления различных видов энергоресурсов.

4. Перспективы применения различных видов топлив.

5. Причины превышения роста энергопотребления над прогнозом.