Книга: Климат и деятельность человека

Климат и энергия

Со времени изобретения первой паровой машины в XVIII столетии, использовавшей в качестве топлива дрова и уголь, человек получил мощную энергетическую базу для развития индустриального общества. Вслед за паровой машиной появились двигатель внутреннего сгорания, электрический генератор и ядерный реактор.

Энергоресурсы условно можно классифицировать на три типа: невозобновляемые, возобновляемые, ядерную и термоядерную энергию.

К невозобновляемым энергоресурсам, которые вносят основной вклад в энергетику, относится ископаемое топливо, т. е. остатки веществ растительного происхождения, преобразовавшиеся со временем в уголь, нефть и природный газ. Сложные процессы естественного происхождения, способствовавшие формированию видов топлива, длились миллионы и десятки миллионов лет. Пополнить быстро истощаемые запасы ископаемого топлива, по-видимому, невозможно, а истощение их в ближайшие 100—150 лет неминуемо. К невозобновляемому типу энергоресурсов относятся также горючие сланцы — осадочные горные породы, содержащие углеводороды, из которых путем перегонки можно получить жидкое топливо, близкое по составу к нефти. Однако в настоящее время этот способ добычи нефти нерентабелен.

К возобновляемым энергоресурсам относится солнечная энергия. Она используется как непосредственно для нагревания воды, отопления, выработки электричества, так и в преобразованном виде (энергия ветра, гидроэнергия, энергия океанских волн, морских течений, перепада температур между поверхностным и глубинным океаном). Особый вид — энергия Солнца, преобразованная в электрическую. Известно, что образующуюся в результате фотосинтеза биомассу можно переработать в горючие газы и жидкости. Возобновляемый вид — и геотермальная энергия, базирующаяся на использовании внутреннего тепла Земли в районах, где глубинные воды выходят на поверхность в виде горячих источников и гейзеров.

Ядерная энергетика базируется на расщеплении (делении) атомов тяжелых радиоактивных элементов с выделением тепла (ядерная реакция) и на синтезе (соединении) ядер легких атомов (термоядерная реакция), тоже сопровождаемом значительным выделением энергии.

Энергетическая база также подвержена воздействию климата. Режимы освещенности, термический и ветровой влияют на потребление энергии и ее перераспределение по экономическим районам, особенно в странах с резко меняющимися климатическими условиями. По мере ввода в строй капитальных мощностей резко возрастает стоимость дефицита тепла, которая по некоторым оценкам в среднем для мира может достигать не менее нескольких миллиардов рублей в год.

Что касается новых видов энергии и в особенности возобновляемых энергоресурсов, то развитие этой отрасли в решающей мере будет зависеть от климатических условий даже при самом благоприятном развитии технологического процесса. В настоящее время роль возобновляемых видов энергии в общем энергетическом балансе пренебрежимо мала, но к концу столетия они будут давать около 25% энергии.

Уже сейчас существует много автономных гелиоустановок для городов и сельских местностей. Фотогальванические солнечные элементы, преобразующие непосредственно свет в электрическую энергию, весьма перспективны (стоимость вырабатываемой ими электроэнергии упала с астрономической цифры 500 долларов за 1 Вт мощности до 13,5 долларов и продолжает падать).

Большие возможности таит в себе и ветроэнергетика. В США строится крупная ветроэнергетическая установка мощностью 1,5 млн. Вт. В ряде стран (Индия и др.) успешно разрабатывается производство биогаза (метана). Бразилия начала производить из сахарного тростника и маниоки этиловый спирт, чтобы заменить им импортный бензин. Налаживается производство из отходов древесины пиролизного древесного угля.

Эксплуатация не всех источников энергии будет зависеть от климата. Тем не менее развитие новых видов энергетической базы резко повысило интерес к проблеме метеорологии и энергии. Так, по инициативе ВМО в 1979 г. был проведен международный симпозиум, посвященный метеорологическим проблемам развития солнечной энергии. В конце 1979 г. в Женеве состоялось международное совещание экспертов по проблеме энергии ветра.

Одним из недостатков энергии Солнца и ветра является малая плотность энергии на единицу площади. В районах, где из-за большой концентрации производства здания плохо приспособлены для солнечной и ветровой энергетики, ориентироваться на новые виды энергии нецелесообразно. В странах и районах, где население рассредоточено, ориентация на возобновляемые источники энергии вполне себя оправдывает как с экономической, так и с социальной и экологической точек зрения.

Развитие энергетики, основанной на возобновляемых источниках, по-видимому, неизбежно, но именно эти источники в наибольшей мере зависят от климатических условий. Так, для разработки и эксплуатации большинства гелиоустановок требуются данные о прямой и рассеянной радиации, об эффективном излучении, спектральном солнечном излучении. Крайне важно для этих установок знать внутрисуточную структуру поля радиации, а также полей ветра, температуры, облачности и др. Необходимо разработать климатические критерии, обеспечивающие благоприятные условия для эффективной работы солнечных установок различного типа, изучить внутрисуточную структуру составляющих радиационного и теплового баланса для поверхностей различной ориентации и широтных зон, произвести районирование экономических областей отдельных стран и регионов мира по обеспечению солнечными ресурсами применительно к различным типам солнечных установок.

Со стороны ветроэнергетики предъявляется целый ряд требований. Известно, что потенциальные климатические ветроэнергоресурсы пропорциональны плотности воздуха и кубу скорости ветра. Поэтому крайне важно выбрать место установки ветродвигателей. Кроме того, ни один ветродвигатель не в состоянии полностью использовать потенциальные ветроэнергоресурсы, так как он может работать между нижним пределом скорости ветра (скоростью пуска) и верхним пределом, т. е. скоростью ветра, при которой двигатель способен выйти из строя. Без знания климатического режима планирование ветроэнергетики и эксплуатация ветроэнергоустановок не могут быть эффективными.