Александр Николаевич Проценко

Энергетика сегодня и завтра

Что делать?

Встревоженный мир

Один раз в три года собирается Мировой энергетический конгресс (МИРЕК). На него съезжаются крупнейшие энергетики мира. Организовать его проведение — честь для любой страны. Москва, Стамбул, Нью-Дели, Найроби, Мюнхен — вот места проведения конгрессов в последние годы. И вот что обращает внимание в последнее время. Все более важное место как на пленарных, так и особенно на специальных заседаниях занимают не узкотехнические, а проблемные вопросы, которые объединяет одна общая особенность. Ее можно было бы обозначить так: тревога за судьбу развития энергетики. Эта встревоженность проявляется и в перечне обсуждаемых вопросов, часто носящих не просто технический, а социально-политический характер. Судите сами: «Энергетика и социология», «Экономичность энергетики», «Энергосбережение», «Энергетический кризис», «Альтернативные источники», «Энергетика и Экология», «Прогнозы развития энергетики».

И сразу же за этим новые вопросы: «Почему энергосбережение?», «Зачем альтернативные источники — разве не хватает угля?» Или такие: «Когда наступит энергетический кризис?», «Что влияет на природу в большей степени?»

Почему же встревожены ученые?

Ответ прост. Причина современных бед энергетики — ее громадные масштабы. В 30 раз возросло потребление энергии человеком в промышленно развитых странах за последние два столетия! «Ну и что? — скажет искушенный читатель. — Мало ли масштабных дел свершается сейчас на земле. Это и транспорт, и телевидение, и космические программы».

Однако деятельность энергетиков в самом деле настолько масштабна, что уже нарушает общепланетарный баланс природных сил и ресурсов.

И чтобы справиться с совершенно реальными опасностями, способными серьезно усложнить ускоренное социально-экономическое развитие нашей страны, потребовалось разработать Энергетическую программу СССР, уточненную и конкретизированную в решениях XXVII съезда КПСС.

В Политическом докладе ЦК КПСС, с которым на съезде выступил М. С. Горбачев, отмечается, что Энергетическую программу пронизывает «идея реконструкции топливно-энергетического комплекса», «в ней упор сделан на применение энергосберегающих технологий, замену жидкого топлива газом и углем, более глубокую переработку нефти». Уже в двенадцатой пятилетке будет введено в два с половиной раза больше, чем в прошлой, мощностей атомных электростанций, а также осуществлена массовая замена устаревших агрегатов на тепловых станциях.

Возникает много вопросов в связи с реализацией этой крупнейшей перестройки энергетики. На часть из них мы постараемся ответить. Но не на все. Будем надеяться, что на остальные ответит время.

История овладения энергией очень долгая. Начало ее — в мифах. Титан Прометей принес людям искру в стволе нартека — растения с медленно тлеющей сердцевиной. Искра была украдена, по одним данным, из кузницы Гефеста (то есть от огнедышащей лавы), по другим — с Олимпа (значит, от молнии).

Итак, в далеком каменном веке люди научились зажигать костер и поддерживать его горение — занятие, по нашим теперешним понятиям, не очень сложное, но все же требующее искусства и терпения. Раскопки вблизи Пекина позволили археологам обнаружить остатки костра, который, по данным радиоуглеродного анализа, горел непрерывно чуть ли не полмиллиона лет!

Человек, овладевший энергетическими кладовыми природы, превратился в ее властелина. Он стал не просто человеком разумным, но человеком могущественным. Однако энергия принесла человеку не только могущество. В трагедии Эсхила прикованный Прометей говорит такие слова:

…я в ярме беды томлюсь

Из-за того, что людям оказал почет,

В стволе нартека искру огнеродную

Тайком унес я: всех искусств учителем

Она для смертных стала и началом благ.

Вместе с огнем Прометей дал людям память, умение считать, технологию многих ремесел. В этом глубокий смысл. Овладение энергией огня позволило человеку раскрыть потенциальные возможности разума. Уровень материальной обеспеченности, духовной культуры зависит и от количества энергии, которым обладают люди. Многое изменилось за сотни тысяч лет. Кроме огня — химической энергии, — человек освоил и многие другие ее виды: гидроэнергию, атомную, солнечную — и подошел вплотную к овладению термоядерной.

Все для человека

Рост потребления энергии поразительно высок. Но именно благодаря ему человек значительную часть своей жизни может посвятить досугу, образованию, созидательной деятельности, добился теперешней высокой продолжительности жизни.

Миллион лет назад первобытный человек использовал всего 2 тысячи килокалорий в день, получая энергию только из потребляемой им пищи. Научившись добывать огонь для приготовления еды и обогрева, наши предки-охотники стали потреблять энергии в четыре-пять раз больше. Средняя продолжительность их жизни составляла всего 18–20 лет. Из них лишь три года приходилось на досуг и созидательную деятельность. Всего три года из всей столь короткой жизни! Остальное время уходило на сон, охоту, принятие пищи, обучение.

Средневековый человек жил всего на 10–15 лет больше. Десять тысяч лет со времен палеолита понадобилось человечеству, чтобы достичь такого прироста средней продолжительности жизни. Но уже четверть своей жизни человек смог отдавать досугу, образованию. В это время он уже потреблял энергии в 20 раз больше, чем первобытный охотник.

И вот качественный сдвиг. За последние два столетия продолжительность жизни увеличилась на 40 лет! Почти половина жизни человека сейчас уходит на досуг и образование и только 8–10 лет на работу. Что же произошло за эти два столетия?

Производство и потребление энергии человеком возросли еще в 30–40 раз! Сейчас в промышленно развитых странах в год на каждого человека тратится от 6 до 10 тонн условного топлива (тонна условного топлива — это тонна очень хорошего угля или 7 миллионов килокалорий энергии).

Конечно, вполне уместен вопрос: «Смертность и энергетика — какая между ними связь? Ведь за продолжительность жизни ответственны медики!»

Безусловно, огромную роль в борьбе со смертностью сыграло развитие медицины. Впервые за всю историю удалось защитить человека от многих губительных сил природы. Тысячелетиями люди в основном умирали не из-за внутренних несовершенств человеческого организма, а по внешним причинам: хроническое недоедание, тяжелый физический труд, антисанитарное состояние быта. Медицина открыла пути борьбы за продолжительную жизнь человека.

Но ведь только промышленно развитое общество смогло создать человеку необходимые условия существования. Началось производство удобной одежды, белья, посуды, доступных гигиенических средств, медикаментов, стали благоустраиваться жилища, создаваться централизованные системы водо- и теплоснабжения, канализации, очистки. Были разработаны методы стерилизации и хранения продуктов, изменились условия труда и его безопасность. Все это требовало и требует больших затрат энергии! А ведь энергия нужна еще и транспорту, сельскому хозяйству, промышленности, производящей машины. Она идет и на обеспечение других услуг, нужных человеку.

Вот почему понадобилась нам общегосударственная долгосрочная Энергетическая программа СССР.

Во многих промышленно развитых странах мира есть долгосрочные программы энергетического обеспечения. Неоднократные попытки создания и осуществления таких программ делались в США. Первая — «Независимость» — была разработана в 1974 году как раз после пресловутого энергетического кризиса. Однако уже в 1977 году она была заменена новой. Фактически крупнейшая страна капитализма оказалась не в состоянии осуществить планомерное и сбалансированное на перспективу развитие своего топливно-энергетического комплекса.

За нашей же Энергетической программой — богатая традиция. Еще в дореволюционное время, в феврале 1915 года, в Российской Академии наук под руководством известного геохимика В. И. Вернадского была создана постоянная Комиссия по изучению естественных производительных сил (КЕПС). Было начато детальное изучение энергетических ресурсов России и поиски полезных ископаемых.

После революции В. И. Ленин дает указание об издании трудов комиссии. И вот, несмотря на бумажный голод, выходят в свет тома: «Ветер как двигательная сила», «Белый уголь», «Полезные ископаемые».

А в 1920 году на Всероссийском съезде Советов был рассмотрен доклад Глеба Максимилиановича Кржижановского о плане энергетического вооружения России — программа ГОЭЛРО (Государственная комиссия по электрификации России), «Вторая программа партии» — так назвал ее тогда Владимир Ильич. План ГОЭЛРО был выполнен досрочно. Уже в 1931 году мощность электростанций составила 2 миллиона киловатт против 1,5 миллиона, предусмотренных в плане. В довоенной России производилось всего 170 тысяч киловатт.

Энергетическая программа СССР разработана и принята спустя шесть с лишним десятилетий после ГОЭЛРО. Над программой энергетического обеспечения страны в первые годы Советской власти трудились десятки специалистов — М. Шателен, Л. Рамзин, Г. Графтио, Б. Угрюмов и другие. В разработку же нынешних планов развития энергетики внесли свою лепту десятки исследовательских, конструкторских, проектных институтов ряда отраслей. Возглавлял эту деятельность президент Академии наук СССР Анатолий Петрович Александров.

Программа создана. Передо мной тоненькая книжечка в 30 страниц: «Основные положения Энергетической программы СССР на длительную перспективу». В ней всего 10 разделов. Почему «всего»?

Да потому, что сама Энергетическая программа — это несколько толстых томов, созданных на основе сотен выполненных научно-исследовательских отчетов.

На четвертой странице книжечки записано: «Энергетическая программа СССР исходит из предварительных расчетов экономики Советского Союза до 2000 года и определяет научно обоснованные принципы, главные направления и важнейшие мероприятия по расширению энергетической базы и дальнейшему качественному совершенствованию топливно-энергетического комплекса страны».

В свою очередь, как отмечалось в докладе Председателя Совета Министров СССР Н. И. Рыжкова на XXVII съезде КПСС, Основные направления ускоренного экономического и социального развития СССР на 1986–1990 годы и на период до 2000 года опираются на научно обоснованные проработки решений крупных проблем, комплексные целевые программы, среди которых фундаментальную роль играет Энергетическая программа.

Какие же они — научно обоснованные принципы Энергетической программы, каковы предусматриваемые ею важнейшие мероприятия?

Об этом и пойдет разговор в нашей книге. Собственно, он уже начался. Давайте его продолжим.

Сначала о масштабах развития энергетики.

Потоки энергии

Чтобы выяснить, сколько энергии производится сейчас, достаточно воспользоваться любым статистическим справочником. Хотя бы вот этим, очень распространенным: «Сообщение ЦСУ СССР об итогах выполнения Государственного плана экономического и социального развития СССР». Вот данные о произведенных основных видах энергетических ресурсов за 1985 год:

нефть — 630 миллионов тонн (это соответствует 900 миллионам тонн условного топлива);

газ — 625 миллиардов кубических метров (730 миллионов тонн условного топлива);

уголь — 730 миллионов тонн (480 миллионов тонн условного топлива).

А что же в сумме?

Здесь нам и понадобится введенное энергетиками понятие условного топлива. Результат суммирования — 2110 миллионов тонн условного топлива. Прибавим сюда энергию, вырабатываемую на атомных и гидростанциях, — по 70 миллионов тонн. Учтем и такие источники, как дрова, торф, сланцы, — еще 50 миллионов тонн. Получим полную величину вырабатываемой энергии — 2,3 миллиарда тонн условного топлива. Поделим это на число жителей СССР и получим 8 тонн условного топлива на человека в год. Это сейчас. А что в будущем?

Рассмотренный на XII мировом энергетическом конгрессе в Нью-Дели прогноз развития энергетики мира составлен с учетом возможных темпов роста народонаселения и валового национального продукта. Ведь именно эти два параметра в основном определяют и необходимые темпы роста энергетики. В прогнозе специалистов в один регион объединены СССР и европейские страны СЭВ. Это очень удобно. Ведь наша Энергетическая программа предусматривает самую тесную кооперацию с другими странами СЭВ, доля которых в энергетике региона равна примерно 30 процентам. Темпы роста населения предполагаются такими же, как в большинстве промышленно развитых стран. В 2020 году (конечная точка прогноза) население региона оценивается в 460 миллионов.

В странах СЭВ прогнозируется на весь период до 2020 года устойчивый рост валового национального продукта. Поэтому доля стран СЭВ в мировом валовом продукте сохранится на уровне 17 процентов, несмотря на то, что доля их населения упадет в полтора раза из-за быстрого демографического роста в Индии, Китае и других странах.

В результате дается такой прогноз роста энергопотребления в европейских странах СЭВ (в миллиардах тонн условного топлива):

1978 год (точка отсчета) — 2,0;

2000 год — 3–3,5;

2020 год — 4–5.

Итак, ожидается рост на полтора миллиарда тонн к 2000 году. Не много ли? Нет. Очень похожий прогноз по странам СЭВ дали эксперты и на другом крупном форуме специалистов.

Международный институт прикладного системного анализа (МИПСА) в Вене, созданный по инициативе СССР и США, провел не так давно II Международный симпозиум по энергетике. На нем были обобщены результаты долгосрочных прогнозов, разработанных различными научно-исследовательскими институтами, университетами, промышленными фирмами, правительственными организациями. Данные этого прогноза очень близки к только что приведенным выше. «Предстоит существенный рост энергетики СЭВ», — заключили эксперты МИПСА.

Каким же образом будет осуществляться наращивание энергетического потенциала нашей страны?

На XXVII съезде КПСС сформулированы основные задачи по развитию экономики нашей страны, определяющие и развитие энергетики. К 2000 году предусматривается увеличение национального дохода в два раза! А энергетики?

В Программе КПСС записано: «Важнейшая задача — эффективное развитие топливно-энергетического комплекса страны. Устойчивое удовлетворение растущих потребностей в различных видах топлива и энергии требует улучшения структуры топливно-энергетического баланса, ускоренного подъема атомной энергетики, широкого использования возобновляемых источников энергии, последовательного проведения во всех отраслях народного хозяйства активной и целенаправленной работы по экономии топливно-энергетических ресурсов».

Основными положениями Энергетической программы предусматривается в первую очередь «ускоренное развитие газовой промышленности для удовлетворения внутренних потребностей страны и нужд экспорта».

Во-вторых, будет происходить развитие угольной промышленности преимущественно за счет увеличения добычи угля открытым способом в восточных районах страны.

Необходимо будет обеспечить стабильный уровень добычи нефти.

И наконец, программой предусматривается «форсированное развитие ядерной энергетики» и осуществление «экономически оправданного комплексного освоения гидроэнергетических ресурсов Сибири, Дальнего Востока и Средней Азии».

Предстоит коренная перестройка энергетики, точнее, она уже началась. Двенадцатая пятилетка — ее ключевой этап.

В начале века в России более половины энергии давали дрова, четверть — уголь и только шестую часть — нефть. Прошло 50 лет — и уже больше половины энергетических нужд обеспечивалось углем. Особенно бурное развитие угольной промышленности происходило перед Великой Отечественной войной. В это время А. Стаханов и его последователи в несколько раз повысили производительность труда. Ежегодно угольная промышленность давала более 10 процентов прироста. С 1930 по 1940 год добыча угля возросла в три раза: с 70 до 220 миллионов тонн! Темп, заданный угольщиками Донбасса, удержался и в послевоенные годы. За пятилетие с 1950 по 1955 год был достигнут прирост в 170 миллионов тонн.

Уже в это время начала набирать темпы нефтяная промышленность, а с 1970 по 1975 год нефтяники совершили подлинный скачок — подняли добычу до 270 миллионов тонн. Бурно развивалась Тюмень.

И опять структура энергетики сильно изменилась. Уголь перешел на третье место. Доля его упала до 20 процентов, хотя производство продолжало медленно расти (и эта предусмотрительная мера оказалась важной для сегодняшней ситуации). Лидерами стали нефть и газ, обеспечивающие более двух третей энергетического баланса страны. Около 5 процентов энергии дают реки, столько же — атомные электростанции.

Сейчас начался самый трудный период перестройки энергетики — этой беспокойной отрасли народного хозяйства, все время совершенствующейся, постоянно отыскивающей наиболее экономичные варианты обеспечения общества энергией. Самый трудный этот этап — прежде всего по трем основным причинам.

Во-первых, раньше переходили на более удобное и дешевое по себестоимости жидкое или газообразное топливо; теперь — на менее удобное и более дорогое. Скажем, в 60-е годы капиталовложения на добычу нефти и газа были вдвое меньше, чем для угля, — их и развивали. Сейчас же предстоящая перестройка будет сопровождаться ростом затрат на добычу и транспорт более дорогого топлива.

Во-вторых, нынешняя перестройка существенно масштабнее. Ведь по сравнению с 1950 годом, началом предыдущего этапа преобразования энергетики, производство энергоресурсов в 1985 году возросло в шесть раз. А это значит, что сейчас резко увеличатся материальные затраты и усилятся воздействия на природу и самого человека. Для осуществления своих высоких помыслов и улучшения качества жизни человек добывает все больше энергии, но в результате начинают частично подтачиваться эти самые «высокие помыслы» и ухудшаться условия существования.

В-третьих, первая перестройка заняла около 50 лет, вторая — лет 30–35. На нынешнюю отводится еще меньше времени. Всего за 20–25 лет нужно изменить структуру энергетики и создать условия для ее дальнейшего совершенствования.

Если взглянуть еще раз на пройденный энергетикой путь, то можно увидеть и много ошибок. Пораньше нужно было бы начать интенсивное развитие газовой промышленности, даже придержав при этом нефтедобычу и уменьшив, конечно, расходование нефти в топках электростанций.

Разве не стоило раньше начать более интенсивное развитие атомной энергетики?! Ведь первая опытная атомная электростанция (АЭС) была построена очень давно, и давно дала ток первая промышленная АЭС под Воронежем.

Можно многому удивляться в истории развития энергетики или даже осуждать, но полезно вспомнить и «карамзинское» — смотреть в прошлое следует «без гордости и насмешек». «И все же, неужели не было ясно, что скоро наступят трудности, например, с обеспечением жидким топливом транспорта, — скажут иные. — Ведь необходимые меры можно было бы принять заблаговременно».

Отвечу таким сравнением. Ведь и капитан «Титаника» — крупнейшего пассажирского судна в мире — видел плывущий навстречу айсберг. Видел и уже ничего не мог сделать.

Конечно, энергетика — не корабль, «разбиться» она не может. Однако найти для нее правильный путь и, самое главное, суметь вовремя свернуть на него не так просто. Она, как и быстро идущий корабль, — отрасль с большой инерционностью. А эти инерционные силы иногда являются очень могучим противником. Верное средство борьбы с ними — научиться смотреть подальше вперед. Чем быстрее развивается энергетика, техника, тем дальше мы обязаны видеть. Энергетическая программа и создана ради этого. Она позволяет взглянуть даже в следующий век, и на основе такого предвидения будут строиться конкретные пятилетние планы развития.

Конечная цель перестройки, предусматриваемой Энергетической программой, — развитие ядерной энергетики и добычи угля с доведением их доли в энергобалансе до половины, с одновременным снижением доли потребляемого природного газа и стабилизацией его производства.

Осуществление Энергетической программы СССР рассчитано на два этапа. На первом, завершающемся на рубеже 80–90-х годов, добыча газа должна ускоренно развиваться. «На основе значительного прироста добычи газа народное хозяйство будет обеспечено необходимым количеством топлива в период подготовки к более широкому использованию ядерной энергии, развитию добычи угля», — говорится в программе. К 1990 году удельный вес газа в топливно-энергетических ресурсах повысится до 38 процентов.

Быстрыми темпами будет расти и ядерная энергетика. Как сказано в докладе Н. И. Рыжкова на XXVII съезде КПСС, к концу двенадцатой пятилетки «во всем производстве электроэнергии удельный вес ее выработки на атомных электростанциях почти удвоится и составит более 20 процентов».

Далее в программе указывается — «должны быть сохранены высокие уровни добычи нефти». Но только сохранены. Расширять добычу нецелесообразно. Во-первых, дорого, во-вторых, нужно оставить нефть в недрах земли для использования ее в будущем в качестве химического сырья.

В этот период должны быть подготовлены условия и для наращивания в последующие годы добычи угля. Среди этих условий — создание машиностроительной базы для выпуска необходимого количества горнодобывающей техники: экскаваторов, врубовых машин, самосвалов большой грузоподъемности.

Второй этап закончится на рубеже XX и XXI веков. В середине этого этапа добыча газа достигнет максимального уровня и стабилизируется. Дальнейший прирост энергетических ресурсов будет обеспечиваться ядерной энергетикой и добычей угля, а также развитием возобновляемых источников энергии.

А как же природа? Выдержит ли она натиск энергетики? Ведь масштабность ее развития и вызываемое ею возмущение в природе соразмерны с некоторыми естественными природными явлениями и другими нетопливными ресурсами природы: водой, землей, флорой, атмосферой.

М. С. Горбачев в Политическом докладе на XXVII съезде КПСС отметил обострение глобальных проблем в связи с «избыточными нагрузками на природные системы вследствие научно-технической революции, роста масштабов деятельности человека». Он справедливо подчеркнул: «Никогда человек не взимал с природы столько дани и никогда не оказывался столь уязвимым перед мощью, которую сам же создал».

Ранее мы говорили, что благодаря овладению энергией в высокоразвитых промышленных странах удалось значительно улучшить комфортные условия людей и резко поднять продолжительность их жизни. Это так. Но правда и то, что дальнейшее развитие промышленности, транспорта и энергетики породило и порождает новые внешние факторы, косвенно или прямо влияющие на эту самую продолжительность. Появилось даже выражение — «плата за энергетический комфорт». Нельзя ли заставить платить за энергетический комфорт не человека, а самую энергетику — часть добываемой энергии тратить на то, чтобы свести к минимуму ее же воздействие на природу?

Какие звенья технологического процесса выработки энергии влияют на окружающую среду, какие элементы природы больше подвержены влиянию энергетики и что должно быть предпринято в ней для уменьшения воздействия на окружающую среду? Именно уменьшения. Ведь не влиять на окружающую среду, находясь в ней, невозможно. В то же время многие понимают основной принцип экологии в духе высказывания философа Фрэнсиса Бэкона, жившего еще в XVII веке: «Мы не можем управлять природой иначе, как подчиняясь ей».

Какова эта допустимая минимальная величина воздействия, при которой естественные природные механизмы в состоянии справиться с возмущениями, вносимыми человеком? И что понимать под «допустимыми возмущениями», если, например, они не влияют непосредственно или косвенно на здоровье человека? Насколько допустимы ландшафтные изменения?

Не на все такие и другие вопросы можно дать сейчас вполне определенные ответы. Важно вовремя выявить те тенденции в энергетике, которые могут привести к негативным последствиям, и вовремя принять нужные меры.

Энергетика после сельского хозяйства — один из наиболее крупных потребителей воды. Электростанция мощностью миллион киловатт при охлаждении конденсаторов турбин проточной водой потребляет в год около 1,5 кубического километра воды, подогревая эту воду. Это означает, что если бы все существующие ныне электростанции страны использовали проточную воду, то нужно было бы иметь полмиллиона кубокилометров воды в год. Много это или мало?

Вот некоторые данные. Всего на Земле полтора миллиарда кубокилометров воды. Очень много! Недаром иногда нашу Землю называют водяной планетой. Однако пресных вод уже в 50 раз меньше, а полезный доступный запас их (озера, реки, грунтовые воды на глубине до километра) — всего 3 миллиона кубических километров.

Ежегодный водозабор на хозяйственно-бытовые нужды в нашей стране — 300 кубокилометров (в том числе на орошение — 200 кубокилометров в год), а весь сток рек юга европейской части СССР — около 650 кубокилометров в год. Вот теперь можно сравнить и понять: вода — дефицит, и серьезнейший дефицит! Если Землю представить в виде сферы диаметром 5 метров, то вся вода Земли заполнила бы только наполовину 200-литровую бочку.

Поэтому энергетические системы нужно ориентировать на процессы, использующие минимальное количество воды. Например, применять воздушное охлаждение, оборотные системы. А это, как правило, приводит к удорожанию энергетики.

Водные ресурсы планеты растрачиваются во многих звеньях энергетики. И везде приходится прилагать усилия к тому, чтобы вернуть природе чистую воду.

С нарушением водного режима связана добыча угля, урана в открытых карьерах. Да и шахтные воды, откачиваемые из глубин земли, могут загрязнять поверхностные. Количество таких подземных вод громадное — кубокилометры в год. А ведь они кислые или щелочные и перед сбросом в водоемы должны пройти специальную очистку.

Нужно заметить, что очень большие затраты воды в том или ином производственном процессе, связанные как с прямым ее расходом в технологическом процессе, так и с обезвреживанием с ее помощью грязных потоков, образовавшихся на производстве. Водоиспользование в этом случае подобно айсбергу, невидимая часть которого — объем разбавляющей воды. Количество ее для заводов черной металлургии или при производстве картона в 200 раз больше расхода воды, идущей на основной технологический процесс.

Все больше добывают нефти со дна морей, перевозят ее танкерами. И в связи с этим все больше средств вкладывается в различные устройства, предотвращающие попадание нефтепродуктов в моря и океаны. Опасность здесь весьма велика. Всего одна тонна нефти может покрыть тонкой полумикронной пленкой от 3 до 10 квадратных километров водной поверхности. Ежегодное же поступление нефти в океан равно 6–10 миллионам тонн. Другие специалисты называют величину в 25 миллионов тонн, но эта оценка считается пессимистической.

Из общего количества нефти, попадающей в Мировой океан, только 1–1,5 миллиона тонн просачивается из подводных месторождений и выпадает с атмосферными осадками. Остальная нефть — антропогенного происхождения: сбросы по рекам с заселенных территорий, сливы с прибрежных промышленных и коммунальных предприятий, сбросы с танкеров, утечки из терминалов и во время разведочного бурения и эксплуатации скважин. При бурении нефтегазовых скважин в морских условиях основной загрязнитель — токсичный шлам, образующийся при очистке буровых растворов от пустой породы, выходящей из скважины.

Такие выбросы нефти поддаются регулированию и контролю. Сложнее обстоит дело с выбросами нефти в море в результате аварий танкеров или скважин. В среднем это дает 0,4 миллиона тонн в год. Но иногда этот показатель резко подскакивает. Так, по данным ИМО — Международной морской организации, в 1979 году потерпело аварию 1009 наливных судов. В результате в моря попало 0,5 миллиона тонн нефти. В том же году при аварии на скважине в Мексиканском заливе вылилось еще 0,5 миллиона тонн.

Что же происходит с нефтью при попадании на поверхность океана? Она испаряется, растворяется, окисляется, разрушается микробами, выпадает в осадок. В зависимости от условий результирующее время разложения нефти составляет от нескольких суток до нескольких месяцев. Особенно долго «живет» нефть при низких температурах. Поэтому большую опасность она представляет для арктических морей, на шельфах которых в последнее время интенсивно разведываются нефтяные месторождения.

Очень коварна нефтяная пленка. А ведь ее много: 40–50 миллионов квадратных километров из 360 миллионов всей поверхности океана. Она существенно изменяет потоки газа, тепла и паров воды, которыми океан обменивается с атмосферой, что сильно влияет на климат планеты. Эта тончайшая пленка заметно снижает интенсивность фотосинтеза одноклеточных водорослей, снабжающих кислородом и органическим веществом всех остальных обитателей морей и океанов.

Хотя и существуют механизмы, позволяющие океану самоочищаться, но они не безграничны. Вероятно, что эти возможности уже превышены. Стали появляться первые признаки неблагополучия: ухудшение качества воды, снижение уловов, а иногда и массовая гибель рыбы.

Пожалуй, наше «путешествие» по океану немного затянулось. Прервем его на этом месте, чтобы вернуться на сушу. Много ли земель, в том числе пригодных для хозяйственного использования, отводится на нужды энергетики, скажем угольной?

В среднем по стране каждый миллион тонн добытого угля влечет за собой нарушение 7,5 гектара земель. Наибольшей «агрессией» обладают угольные карьеры. Величина как будто бы небольшая. Ведь на Земле человеком освоено около половины суши: 80 миллионов квадратных километров. Из них интенсивно используется под пашни, застройки, коммуникации только одна четверть: в расчете на одного человека это 0,6 гектара. Площадь пахотных земель в нашей стране около 200 миллионов гектаров. В сравнении с ней ежегодно нарушаемая площадь под угольные карьеры невелика, если только своевременно и качественно проводить рекультивацию земель, что не всегда делалось. Еще совсем недавно, в 1975 году, рекультивировалось только 37 процентов — треть нарушенных земель. Но уже в 1980 году эта величина достигла 90 процентов. Больше половины рекультивируемых земель передается под сельскохозяйственные угодья. Как правило, урожайность культур на таких землях не ниже, чем на окружающих ненарушенных почвах.

Написал я этот абзац о, казалось бы, небольшом влиянии добычи угля на величину площади нарушаемых земель и понял, что психологически и фактически поступил неправильно.

Психологически это неправильно потому, что такой подход часто расхолаживает многих специалистов, администраторов, не развивает у них активной действенной позиции. Не посчитайте это надуманным аргументом. По роду деятельности мне довольно часто приходится общаться со специалистами, руководителями предприятий, технических и промышленных управлений различных министерств. И когда беседа касается необходимости принятия самых активных мер по экономии энергетических ресурсов и сохранению объектов природы, часто приходится слышать и такое: «Наше министерство потребляет всего (?) 6 процентов газа, производимого страной. Без этого газа отрасль работать не сможет. Так что наши предприятия всегда будут обеспечены газом. Нам его дадут в первую очередь. А природу пусть сохраняют добывающие отрасли».

Но такие рассуждения неправомерны. Ведь потребление энергетических ресурсов в большинстве случаев довольно равномерно среди отраслей и среди предприятий. Так что ответственным за свою, пусть очень небольшую, долю должен быть каждый.

Похожие аргументы высказывают представители добывающих отраслей. Но если угольные карьеры отнимают всего (?) 7,5 гектара на каждый добытый миллион тонн угля, то это уже много. Нужно спасать и эту территорию! К сожалению, не все удается спасти. В последние годы добытчики угля вернули 50 тысяч гектаров рекультивированной земли. Но удалось ли вернуть ландшафт, родники, подземные реки?

Это о психологии. Теперь о фактах и числах.

Современная ТЭС на угле мощностью, скажем, один миллион киловатт потребляет в год около 4–4,5 миллиона тонн угля. Значит, для нее в карьерах в год должно быть вскрыто 30–35 гектаров земли. Да сама ТЭС с учетом золоотвалов, подъездных дорог, водохранилищ может занимать 300 гектаров земли. А если просмотреть весь технологический процесс угольной электроэнергетики, то в поле зрения попадут и комплексы по переработке шахтных вод, фабрики обогащения угля с отстойниками шлама и хранилищами отходов обогащения. И каждое звено этого процесса отнимает какую-то площадь.

Если говорить о потере земли от деятельности всего комплекса угольной энергетики, то, конечно, не нужно забывать, что и она только часть всей горнорудной промышленности страны. А масштабы горной добычи растут и будут расти более быстрыми темпами, чем потребности в минеральном сырье. Происходит это из-за того, что со временем приходится разрабатывать породы с понижающейся концентрацией сырья.

Сейчас в мире добывается 12–14 миллиардов тонн полезных ископаемых и перемещается 15–18 миллиардов кубометров пустых пород, а к концу столетия эта величина может вырасти до 40 миллиардов тонн полезных ископаемых и 70 миллиардов кубометров пустых пород. В этом случае до 2000 года из недр земли будет извлечено около 900 миллиардов тонн полезных ископаемых и около 1000 миллиардов кубометров пустых пород. Без введения экономических ограничений и существенных изменений в технике и технологии при создании безотходной добычи будут отторжены значительные площади земли, неконтролируемо распространятся различные виды геохимических аномалий из-за влияния отвалов на почвы, воду, а также и атмосферу.

Вот мы подошли к одной из главных точек критического взаимодействия энергетики с природой — атмосфере, которой не повезло больше всех. Ее атакует и промышленность, и быт, и транспорт, и, наконец, энергетика. Тут целый набор орудий атаки: пыль, тепло, влага и десятки различных химических веществ.

Исследователи подсчитали, что в одном кубическом сантиметре парижского воздуха содержится сто тысяч пылинок! В сельской местности пыли в десять раз меньше, а над поверхностью океана — в тысячу!

Надо думать, парижане примут соответствующие спасительные меры. Но если сделать такой подсчет в тысячах других городов, то успокоения не наступит.

Сейчас человечество ответственно за поступление в атмосферу 400–500 миллионов тонн пыли в год. По сравнению с естественными источниками это немного — всего одна десятая. Главные «поставщики» пыли — это извержения вулканов, эрозия почвы, землетрясения, пожары, попадание в воздух морской соли. Влияние пыли на природу велико. Извержения вулканов приводят к изменению температуры воздуха на несколько градусов. Так, в XVII веке извержение одного из тихоокеанских вулканов сказалось на погоде в Англии. В ее истории этот год называют годом, в котором не было лета.

Энергетика «поставляет» сейчас около половины антропогенной пыли, получающейся прежде всего при переработке углей и их сгорании. Если мощности угольной энергетики вырастут в 2–3 раза, то поступление антропогенной пыли возрастет в полтора раза. Как будто бы немного?

Опасное заблуждение. Ведь практически все антропогенные выбросы пыли происходят вблизи человеческого жилья. В районе Тихого и Атлантического океанов действительно мало что изменится. А в Кемерове, Дзержинске, Чикаго, Туле, Марселе и других промышленных районах?

Одна из труднейших проблем энергетики связана с загрязнением атмосферы двуокисью серы. Здесь «силы» энергетики и природы уже сравниваются. Энергетика «ответственна» за 160 миллионов тонн двуокиси серы в год, природа — за 300 миллионов.

Увеличение содержания в воздухе серы не только приводит к повышенной коррозии металлических конструкций, приносящей миллиардные убытки, к замедлению и даже прекращению роста лесов. Но главное, конечно, повышается заболеваемость и сокращается срок жизни людей.

О проблемах, которые стоят перед энергетикой в ее взаимоотношениях с природой, можно говорить еще долго. И к этому разговору нам еще придется вернуться. А теперь нужно посмотреть, какие же оптимальные способы решения проблем энергетики выгодны, как повернуть ее на дороги, предусмотренные Энергетической программой.

Самоограничение? Нет — энергосбережение

Эпоха изобилия и дешевизны энергии кончилась. За энергию нужно платить, и платить много. Сейчас и в ближайшем будущем гораздо выгоднее направить усилия на ее экономию, дать энергии вторую жизнь. Первым пункт Основных положений Энергетической программы СССР предусматривает «проведение активной энергосберегающей политики на базе ускоренного научно-технического прогресса во всех звеньях народного хозяйства и в быту, всемерную экономию топлива и энергии, обеспечение на этой основе значительного снижения энергоемкости национального дохода».

В быту человек, чтобы приобрести какую-либо дорогую вещь, экономит, сокращает расходы на что-нибудь другое, менее обязательное для него. Поэтому для многих людей понятие «энергосбережение» ассоциируется с определенными лишениями, ограничениями, уменьшением комфорта. Однако в народном хозяйстве — транспорте, различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве — просто так отказаться от части энергии, ничего для этого не предприняв, нельзя. Начнет давать сбой теснейшим образом связанная цепочка технологических процессов производства национального продукта. Такое самоограничение ничего, кроме вреда, не принесет. Сбережение энергии полезно, если оно будет тщательно подготовлено. Каким образом?

У тех, кто потребляет энергию, должны быть разработаны и установлены машины, аппараты, процессы с меньшим потреблением энергии при том же выпуске продукции. У тех, кто производит энергию — энергетиков, — должны быть созданы установки, производящие то же количество энергии — тепла, электричества — при меньшем расходе топлива. В этом основное содержание политики энергосбережения.

Есть и такие резервы экономии, реализовать которые совсем просто. Для этого практически не нужно никаких материальных затрат. Речь идет о ликвидации прямого расточительства энергии: кто из вас не видел работающие на стоянках двигатели автомашин, бесполезно вращающиеся электродвигатели, проезжающий мимо порожний транспорт, лишние включенные осветительные приборы, пустые горящие газовые конфорки домашней плиты.

На первый взгляд все кажется очень простым и ясным — устрани перечисленные моменты — и готово! Подождите с выводами. В целом энергосбережение — очень сложная и даже не всегда достаточно определенная сфера деятельности в народном хозяйстве.

Само собой, без усилий в разных направлениях оно осуществляться не будет. Вспоминается показательный пример. В экспертной комиссии по энергосбережению Госплана СССР шло очередное заседание экспертов — специалистов по энергетике. Рассматривались планы различных отраслей по энергосбережению. Вел заседание известный энергетик страны член-корреспондент АН СССР Д. Жимерин. При обсуждении планов Министерства газовой промышленности возник вопрос о том, как министерство готовится к переводу перекачивающих компрессорных станций с газотурбинного привода на электро- или парогазовый. Суть этого вопроса в следующем.

На магистральных газопроводах, подающих топливо из Западной Сибири в центральные районы страны, в том числе на известном многим по своим рекордным срокам строительства газопроводе Уренгой — Помары — Ужгород, через каждые 100–150 километров устанавливается газоперекачивающая компрессорная станция. На ней работают 5–10 компрессоров с газотурбинными двигателями мощностью до 10 или даже 25 тысяч киловатт. Общая мощность компрессорных станций единой газоснабжающей системы страны около 25 миллионов киловатт. Такие станции надежно обеспечивают перекачку в различные районы страны, но обладают существенным недостатком — низким КПД, всего около 25 процентов!

Это значит, что на каждой станции три четвертых мощности «работает» на подогрев атмосферы: из турбины выбрасываются в воздух продукты сгорания, разогретые до 150–200 градусов.

А ведь используемый для турбин природный газ — второе по ценности после нефти химическое сырье! На компрессорных установках им пользоваться нецелесообразно, не по-хозяйски! Какой же выход?

Для вновь строящихся станций нужно устанавливать вместо газовых турбин электромоторы. У них выше КПД, даже если учитывать термодинамические потери при выработке электроэнергии на электростанциях. И еще — для получения электроэнергии может быть использован не природный газ, а менее дефицитные виды топлива: ядерная энергия, уголь, вода. Уже в одиннадцатой пятилетке было запланировано таких агрегатов с электроприводами на общую мощность 4 миллиона киловатт. А что же делать с теми станциями, где уже установлены газотурбинные приводы?

Можно улучшить эффективность их работы, использовав сбрасываемое тепло для выработки пара и получения в турбогенераторе дополнительной энергии. Этой электроэнергией можно обеспечить собственные нужды станции или привести в действие еще один компрессор с электроприводом.

Вернемся в зал заседания экспертной комиссии. Неожиданно для многих выявилось, что в планах министерства на экономии энергии и замене газа другими видами топлива проведение реконструкции с вводом парогазовых приводов предусматривается в очень малых размерах. Это вызвало недоумение и возражение.

Было известно, что подготавливается пуск первой такой станции. Так что необходимый технический опыт практически был получен. Поэтому член комиссии известный энергетик академик М. Стырикович спросил:

— Почему не внедряется и не планируется такая высокоэффективная реконструкция?

Присутствовавший на заседании представитель Министерства газовой промышленности ответил довольно неожиданно:

— Это мероприятие невыгодно министерству. Оно ухудшает экономические показатели его работы. Срок окупаемости капиталовложений на реконструкцию приближается к 20 годам. Зачем же планировать такие невыгодные работы по экономии энергии и газа?

Как же так? Для государства выгодно, а для министерства нет?! Причиной расхождения народнохозяйственных и ведомственных интересов оказалась низкая цена, установленная специально Министерству газовой промышленности для газа, который используется этой промышленностью для собственных нужд; в данном случае — как топливо на газоперекачивающих станциях. Эта цена в несколько раз меньше той, по которой он отпускается другим отраслям.

Нужно сказать, что подобные ситуации выявлялись на экспертной комиссии и в некоторых других случаях, например в нефтеперерабатывающей промышленности, где самым энергичным образом нужно внедрять различные новые процессы и устройства для экономии нефти.

Эти примеры частично дают ответ еще на некоторые вопросы, иногда возникающие, когда заходит речь об энергосбережении. Почему вдруг об энергосбережении заговорили именно сейчас, а не пять, десять лет назад? Почему раньше не нужно было экономить энергию, а сейчас это важно? Что это — упущение?

Давайте разберемся. Сначала о том, что продемонстрировали обсуждения в экспертной комиссии. Если говорить кратко, то они еще раз подтвердили тот факт, что масштабы энергосбережения тем более велики и оно само тем более выгодно, чем дороже сберегаемое топливо. Ведь большая часть работы по энергосбережению — это не просто организационные меры, хотя они важны и в некоторых случаях очень эффективны, а разработка и создание новых машин, аппаратов, процессов, приводящих к экономии энергии. А эти меры требуют материальных и трудовых затрат, в одних случаях больших, в других меньших, но требуют. И эффективными эти затраты будут в том случае, если выгода от экономии энергии (нефти, газа, электроэнергии, пара) будет большей, чем затраты.

Теперь ясно, что чем дороже энергия, топливо, тем большее количество различных мер по экономии энергии становится целесообразным. Именно по этой причине должны расширяться масштабы энергосбережения. Ведь капиталовложения на создание мощностей по добыче новой тонны нефти, кубометра природного газа удвоились, утроились.

Конечно, энергосбережение проводилось и ранее. Ведь это основная забота энергетиков. С 1960 по 1980 год за счет энергосбережения было сэкономлено около 500 миллионов тонн условного топлива. Энергетической программой предусматривается экономия 540–570 миллионов тонн, то есть почти что та же величина. Однако и суть политики энергосбережения, и ее организация будут совсем другими.

В 60-е и 70-е годы, как говорят энергетики, энергосбережение шло «естественным» путем, то есть почти само по себе. А поскольку топливо было дешевым, то и энергосберегающие меры были, как правило, такими, какие почти не требовали затрат. Главную часть экономии получали за счет таких мер, как замена на железнодорожном транспорте паровозов электровозами и тепловозами. Все это происходило очень гармонично. Экономия энергии на пассажирском железнодорожном транспорте одновременно привела и к улучшению комфортных условий. Исчезла угольная пыль, постоянный спутник паровозов, ускорилось движение поездов. В это же время происходило и резкое повышение экономичности электростанций на органическом топливе. Очень большую экономию топлива дало простое расширение применения нефти и газа, которые были тогда экономичнее и эффективнее угля или дров.

Такая «естественная» экономия энергоресурсов, происходящая как бы сама собой и являющаяся просто обязательным спутником технического прогресса, продолжится и дальше, но действенность ее снизится. Ведь сливки уже сняты. И вот это последнее — «сливки сняты» — уже почувствовалось в десятилетии с 1970 по 1980 год. В это время энергии было сэкономлено в четыре раза меньше, чем в предыдущее десятилетие.

Теперь видно, что задачи экономии, которые поставлены Энергетической программой, гораздо сложнее: «Сэкономить больше при значительном исчерпании прежних, просто реализуемых резервов экономии». Положение усугубляется и тем, что если ранее большая часть экономии получалась при производстве энергии, то теперь центр тяжести смещается на энергопотребляющие отрасли.

Краткий экскурс в прошлое помог нам понять и причину, по которой энергосбережение было включено в Энергетическую программу как одна из главных задач.

Ранее основная часть экономии получалась путем технической реконструкции и развития всего четырех отраслей: железнодорожного транспорта, электроэнергетики, нефтяной и газовой промышленности. Теперь уже пять топливно-энергетических отраслей и пять транспортных смогут дать только 40 процентов экономии. А большая ее часть падает на все остальные отрасли. Все народное хозяйство должно будет включиться в борьбу за экономию энергии, причем успехи в экономии одной отрасли будут очень тесно связаны с работой других отраслей, поставляющих необходимые материалы и оборудование.

Работа по энергосбережению состоит из двух этапов. Сначала реализуются идеи и планы, не требующие больших затрат или значительной перестройки экономики. Затем главным станет освоение новых энергосберегающих технологий, улучшение схем транспортных перевозок, создание новых энергоэкономичных машин и механизмов, изменение структуры экономики.

Как и во всяком трудном деле, в энергосбережении есть главное направление атаки — нефть. Кстати, это и общемировая задача. «Преодолеть синдром Прометея», «разорвать связь экономики и нефти», «уход от нефти» — эти выражения вошли уже во многие официальные документы различных международных энергетических организаций и конференций. В некоторых западных странах, особенно не обладающих собственными запасами нефти, в последние годы, после повышения мировых цен на нее, снижение потребления нефти стало чуть ли не единственным способом спасения экономики. Расходы жидкого топлива удалось им сократить на 20–30 процентов. Но без серьезного ущерба для экономики не обошлось.

Наша страна — единственная промышленно развитая страна мира, обеспечивающая народное хозяйство собственными энергетическими ресурсами. Относится это и к нефти. И тем не менее именно сейчас, а не позже должна быть развернута активная борьба за нефть. Слово «борьба» употреблено здесь не случайно. «Само собой» проблема уже не решится.

Еще один важный вопрос — какое соотношение выбрать между энергосбережением и добычей новых ресурсов? Специалисты-энергетики подсчитали, что в предстоящий период необходимый прирост добычи органического топлива составит не более одной трети от потенциального прироста энергопотребления. Остальные потребности будут обеспечены ядерной энергетикой и за счет энергосбережения.

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986–1990 годы и на период до 2000 года записано: «Снизить энергоемкость национального дохода не менее чем в 1,4 раза». В 1970 году, чтобы получить 1000 рублей национального дохода, нужно было затратить 4,9 тонны условного топлива, в 1980-м эта величина уменьшилась и составила уже 3,6 тонны. Теперь предстоит следующий и более серьезный скачок.

Скудеют ли недра?

Сохранить для будущих поколений

Как обеспечить необходимую добычу энергоресурсов? Какие проблемы при этом возникают? Как лучше преобразовать первичные виды энергии во вторичные, используемые в народном хозяйстве?

Эти и еще десятки вопросов возникают при чтении разделов Энергетической программы. Как и кем они должны решаться? И даже… как добиться дальнейшего роста сегодня, когда, казалось бы, уже и так все сделано? Все ли? Давайте посмотрим.

Конечно, в центре внимания оказывается нефть.

Сегодня около двух третей всей производимой энергии мы получаем благодаря сгоранию углеводородного топлива. Поэтому от его запасов зависит будущее энергетики.

При теперешнем ежегодном мировом потреблении нефти, равном трем миллиардам тонн, ее с учетом разведанных запасов вроде бы должно хватить на несколько десятилетий. Достаточно ли обоснована столь пессимистическая оценка?

Разведка на нефть и газ — дело дорогое. На нее иногда уходит до 30–50 процентов общих затрат на разработку месторождения. Обычно разведывательное бурение проводится непосредственно перед эксплуатацией залежи. В результате нефтяные ресурсы в основном оцениваются не с помощью разведки скважинами, а на основании обобщенных геологических данных. Многие специалисты полагают, что нефти в подземных кладовых значительно больше, чем разведано сейчас.

На 27-м Всемирном геологическом конгрессе, прошедшем в 1984 году в Москве, большинство специалистов высказалось весьма оптимистично: в будущем будет разведано жидкого углеводородного топлива в мире по крайней мере столько же, сколько известно сегодня.

Но запасы запасам рознь. Один из важных показателей — продуктивность скважин. В США для добычи 500 миллионов тонн нефти в год нужно пробурить 500 тысяч скважин, в Иране — 600, а в Кувейте — всего 100.

По-видимому, эпоха месторождений-гигантов кончается, и вновь открываемые залежи будут преимущественно некрупными по запасам, трудными для разведки и сложными по технологии извлечения ископаемого углеводородного сырья. Соответственно резко возрастают расходы на его поиск и добычу.

Геологи все надежнее предсказывают районы и глубины поиска. Так, в США вдоль Скалистых гор протянулось обширное «кладбище скважин на нефть». 500 скважин пробурено впустую! Геологи посоветовали пробиваться в более глубокие пласты. И удача пришла.

Благодаря подсказкам геологов в последнее десятилетие было открыто несколько гигантских месторождений на шельфах, в том числе в Северном море и у Ньюфаундленда. Судя по всему, новые нефтегазовые месторождения могут быть разведаны в арктической зоне. Возможно, значительные залежи скрыты под более чем двухсотметровой водной толщей. В подобные кладовые с надводных платформ уже не проникнуть. Поэтому нефтедобывающее и даже нефтеперерабатывающее оборудование предлагается разместить на дне моря в герметичных отсеках цилиндрической формы. Там же предлагается поселить эксплуатационные и ремонтные бригады. Конечно, непросто решить множество проблем по созданию бетонных и многослойных металлических корпусов, отработать технику погружения герметических модулей. Одно несомненно — стоимость добычи нефти из-под морского дна будет только возрастать.

Перспективнее всего пока что увеличивать отдачу обычных неглубоких нефтеносных пластов. Ведь в среднем в мире из нефтяных месторождений извлекаются всего 25–35 процентов запасов, у нас — до 40–45 процентов. Чтобы повысить нефтедобычу, месторождение заводняют. Через часть скважин в пласт закачивается вода. Она как поршень выталкивает более легкую нефть из пористого нефтеносного слоя в эксплуатационные скважины. Увы, очень часто вода прорывается непосредственно к скважинам, и насосы начинают качать наверх нефть, «разбавленную» водой.

Многие месторождения содержат очень густую, вязкую нефть. Ее трудно поднять на поверхность с помощью обычных методов, так что с глубин извлекаются всего 6–8 процентов общих запасов сырья. Но достаточно подогреть нефть до 100 °C, и она становится текучей, как вода. Как это сделать? Проще всего поджечь нефть под землей и непрерывно подавать воздух для горения. Но тогда не избежать закоксования пласта, взрывоопасности и потери сжигаемой нефти. Привлекательнее закачивать с поверхности в скважину горячую воду или пар. Нефть разогревается и становится менее вязкой, легче поднимается на поверхность. Пар же можно получать в котлах, сжигая газ или уголь или используя ядерный реактор.

Недавно советские ученые предложили новый способ почти полного извлечения жидкого топлива после заводнения месторождения. В этом методе сочетается тепловое воздействие с насыщением нефти газом. А для того, чтобы ускорить всплытие нефти и ее сбор в подземных куполах, в пласте с помощью специальных виброустановок создаются мощные сейсмические колебания. Виброустановки с усилием до 2000 килоньютонов эффективны для глубин 200–300 метров, а в сто раз более мощные источники сотрясения земной толщи позволяют воздействовать на месторождения, лежащие на глубинах до полутора километров.

Если бы удалось добиться почти 100-процентной степени извлечения нефти из пластов, то, пожалуй, нефтяная проблема на какое-то время потеряла бы свою остроту. Однако резкое удорожание разведки и добычи нефти не оставляет места для благодушия.

Рассмотрим положение с запасами и добычей нефти в нашей стране. Наиболее перспективный нефтегазовый район — Западная Сибирь. Кроме того месторождения могут быть открыты также на континентальном шельфе, площадь которого в нашей стране составляет около 6 миллионов квадратных километров.

В то же время средняя глубина нефтяных скважин увеличилась в стране с 1350 метров в 1950 году до почти 3000 метров ныне. Кое-где уже разведываются и эксплуатируются нефтегазовые горизонты на глубинах 4–6 километров. И если в 1960 году почти всю нефть давали залежи в европейской части СССР, то теперь две трети ее добывается в Западной Сибири, в том числе в труднодоступных, малоосвоенных районах.

Поддерживать высокий уровень нефтедобычи в Тюменской области стало очень тяжело. Продуктивность действующих скважин упала почти вдвое. Новые скважины дают вдвое меньше, чем старые. Естественно, увеличивается объем бурения, растут капитальные затраты. Еще сильнее упала добыча в других месторождениях страны. В последние годы тюменские нефтяники каждый год выкачивали из-под земли на 17 миллионов тонн топлива больше, но из них 14 миллионов покрывали падение продуктивности других месторождений. Нефтяникам приходится вслед за газовщиками идти на север Западной Сибири, интенсивнее осваивать нефтеносные пласты Казахстана, Восточной Сибири и морских мелководий.

Вот некоторые данные из книги «Энергетический комплекс СССР», изданной под редакцией известных советских энергетиков Л. Мелентьева и А. Макарова, активных участников разработки Энергетической программы СССР, показывающие изменение условий нефтедобычи. Оказывается, за 20 лет средняя длина трубопроводов возросла с 350 до 2000 километров, а капиталовложения, необходимые для обеспечения прироста добычи нефти на одну тонну в год, выросли со 100 до 300 рублей. Сейчас нефть обходится почти в два раза дороже газа.

Таким образом, независимо от того, много или мало нефти осталось в земле, затраты труда, материалов и энергии на ее добычу существенно выросли. И продолжают расти дальше. А месторождения между тем истощаются. Где же выход? Не перейти ли на другие источники энергии? Ведь, ко всему прочему, нефть недаром называют «черное золото». Она сама по себе — ценнейшее углеводородное сырье, чудесный дар природы.

Пока не до конца ясно, как природа выпестовала это свое сокровище. Первобытная органическая материя, слепленная всего из атомов водорода и углерода, а сколько разнообразных и полезных свойств! На долю кислорода, азота и серы, также присутствующих в нефти, приходится не более 2–6 процентов состава нефти.

Соединены углерод и водород в различные большие молекулы — углеводороды — с молекулярным весом до 250–300. Такое разнообразие углеводородов и определяет многочисленные полезные качества нефти.

Так, из нее вырабатывают различные дизинфицирующие, болеутоляющие и рассасывающие средства. Способность «черного золота» задерживать разложение и гниение используют для защиты деревянных конструкций, бальзамирования, обеззараживания различных очагов инфекции. Резкий своеобразный запах отпугивает насекомых — вредителей сельского хозяйства.

Очень поучительная история использования нефти в качестве топлива. Трудно себе представить, но были времена, когда человек не умел ее сжигать в обычных топках. Она потреблялась главным образом для разжигания твердого топлива. В древности горючесть нефти использовалась только на создание оружия типа горящих стрел и сосудов со вспыхивающей жидкостью, забрасываемых метательными машинами в осажденные города.

Даже в начале нашего века не знали, что делать с бензином. А эта фракция нефти, получаемая при ее атмосферной перегонке, горит с большой скоростью, легко испаряется и очень пожароопасна. Нефтепромышленники в Баку не знали, куда девать бензин, и избавлялись от него самыми различными способами, например сливали его в море, но тайком, потому что знали — из-за бензина гибнет рыба и могут быть протесты. Рыли также специальные ямы для сжигания бензина. Сотни тысяч тонн его в начале нашего века пропадали впустую. Были объявлены конкурсы на лучший метод уничтожения самой горючей фракции нефти. Только изобретение двигателя внутреннего сгорания прекратило это энергетическое кощунство.

Долгое время примерно так же обстояло дело и с мазутом. Если бензин выделяется при температуре 50–200 °C, то затем при повышении температуры последовательно выкипают лигроин, керосин, дизельные топлива. Остается мазут. Продолжая процесс атмосферной перегонки, из мазута получают далее различные масла, вазелин, парафин. Остается гудрон, но и из него можно выделить смазочные масла, а потом битум, нефтяной кокс. Кстати, на одном из совещаний с удивлением узнал, что до сих пор нефтепереработчики планируют производство нефтяного кокса. Конечно, нефтяной кокс неплохое сырье для получения высококачественных электродов, однако не выгоднее ли добиваться их изготовления другим путем, не расходуя такой ценный исходный продукт, как нефть.

Выдающиеся отечественные ученые понимали ценность «черного золота», искали пути наиболее рационального и полного его использования. Много сделал в этом направлении известный инженер В. Шухов, прославившийся сооружением изящной Шуховской башни на Шаболовке в Москве. В 1887 году он, например, разработал устройство, в котором струя распыленного мазута смешивается с необходимым для горения воздухом. Идея форсунок Шухова лежит в основе всех современных горелок, предназначенных для жидкого, газообразного или пылевидно-угольного топлива.

В. Шухов создал также первый нефтепровод. Он предложил новую схему процесса расщепления нефти и сконструировал соответствующую аппаратуру. Ему удалось существенно усовершенствовать и конструкцию глубинного насоса.

Важная и до сих пор не решенная до конца проблема, которой небезуспешно занимался наш знаменитый ученый-конструктор, — утилизация попутного газа. Ведь нефтяные залежи обычно сопровождаются газоносными пластами. В. Шухов долгое время работал в Баку, где с давних времен вокруг загорающихся газов, просачивающихся из земных недр, воздвигались храмы огнепоклонников. Остатки одного из таких храмов с естественным «вечным огнем» сохранились неподалеку от Баку в селении Сураханы — там сейчас создан музей.

И вот В. Шухов в 1880 году предложил использовать попутный газ, выходящий из нефтяных скважин, для интенсификации добычи нефти — газ собирают и компрессором закачивают обратно в скважину. Он пробулькивает через нефть, увлекая ее за собой. В результате она поднимается из скважины с гораздо большей скоростью. Таков принцип газлифта, который через столетие после открытия В. Шухова все еще недостаточно активно внедряется в практику нефтедобычи.

Если же закачивать в скважину воздух, то может образоваться гремучая смесь, нефть окисляется, происходит осмоление.

К сожалению, у нас много попутного газа идет на ветер, сжигается в факелах. А по своему составу он намного ценнее природного газа. И почему бы не переработать его целиком или хотя бы направлять обратно в нефтеносные пласты?

В некоторых странах законодательно запрещено разрабатывать нефтяные месторождения, если не обеспечивается утилизация попутного газа. У нас поставлена задача покончить с расточительством ценнейшего продукта к 1990 году.

Однако на многих месторождениях в ряде районов мира газ продолжают сжигать. Так, в алжирской части Сахары на нефтяных вышках чуть ли не через каждые пять километров круглые сутки горят яркие факелы. Белые аисты из наших краев прилетают здесь на свои африканские зимовки по ночам, когда пламя хорошо видно. Восходящие потоки нагретого воздуха облегчают перелет. Редкий случай, когда бесхозяйственность идет на пользу животному миру!

Незаменима нефть для химических предприятий. При нагревании под давлением в присутствии катализаторов из нее получают этилен, пропилен, ацетилен, бензол, фенол, а из них, в свою очередь, синтетические волокна, пластмассы, каучук, капролактам, фармацевтические препараты, моющие средства, синтетические жиры, синтетические белки, парфюмерные изделия и многое другое. Легкие фракции идут на производство растворителей для пищевой и лакокрасочной промышленности.

В принципе эти продукты можно синтезировать из углерода, водорода и кислорода, но обойдется такой синтез гораздо дороже. Нефть как исходное сырье еще долго будет оставаться вне конкуренции.

Ископаемое углеводородное сокровище необходимо всем — химикам, медикам, пищевикам. Его требуется все больше и больше для многих отраслей народного хозяйства. А больше остальных его используют ныне энергетики. На всех нефти уже явно не хватает, к тому же все чаще нефтяные залежи консервируются в сберкассе природы для будущих поколений, которые распорядятся богатством разумнее и выгоднее, чем мы. И энергетики должны волей-неволей не делать ставку только на жидкое топливо. Поэтому взоры их обратились на «голубое золото» — природный газ.

Газ вместо нефти

Разведанных запасов газа в мире хватит на 40–50 лет при его ежегодной добыче около 1500 кубических километров. Этого достаточно для того, чтобы в ближайшие годы отчасти решить первую и важнейшую проблему энергетики — замещение нефти другими видами топлива. Возможно, на больших глубинах в недрах земли скрыто очень много «голубого топлива». В последние годы это предположение получило практическое подтверждение. Так, при глубоководном бурении из подводных скважин иногда извлекается метановый гидрат. Это вещество, имеющее консистенцию льда, состоит из молекул метана, заключенных в трехмерной решетке молекул воды. Для образования гидратов необходимы достаточно высокие давления и температуры лишь в несколько градусов выше нуля. Как правило, подобные условия встречаются на морском дне на более чем километровой глубине. Однако запасы метанового гидрата трудно поднять на поверхность из-под морского дна и заманчивее добраться до лежащего под ними газообразного метана. Согласно некоторым оценкам метановые залежи содержат около миллиарда кубических километров газа! Весь вопрос в том, что, даже если метановые месторождения под морским дном действительно существуют, их эксплуатация обойдется весьма недешево.

Есть еще одна кладовая метана, и довольно неожиданная — в угольных месторождениях. По мнению некоторых специалистов, здесь «голубого топлива» больше, чем в чисто газовых залежах. Для горняков метан — самый опасный враг, от подземных взрывов уже погибло несколько десятков тысяч шахтеров. Чтобы поскорее избавиться от нежелательного летучего спутника угля, горняки применяют систему дегазации: в угольном пласте бурят специальные скважины, через которые газ выводят на поверхность. Вероятно, только в Донецком и Карагандинском бассейнах запасы метана достигают 80 кубических километров. Однако всего в стране из угольных пластов добывается только около 2 кубических километров газа.

Основная причина недостаточного использования газа угольных месторождений — очень неравномерная его подача. Чтобы ее выровнять, предлагается закольцевать газопроводами шахты, подмешивать к угольному газу настоящий природный. Но пока достаточно экономичного способа извлечения угольного метана не найдено.

У нас есть значительные запасы газа. Только в Западной Сибири подготовлены к освоению Уренгойское, Ямбургское, Заполярное, Медвежье и другие месторождения, запасы которых превышают 27 000 кубических километров.

Естественно, что такие большие запасы сказываются и на стоимости добычи, которая минимум в два раза меньше, чем извлечение эквивалентного количества нефти. Но успокаиваться нельзя. Мы уже подошли к рубежу, когда величина разведанных запасов становится сравнимой по порядку величины с добычей. В 1985 году мы добывали около 650 кубических километров газа и в соответствии с Основными направлениями экономического и социального развития на 1986–1990 годы и на период до 2000 года уже к 2000 году будем извлекать из западносибирских подземных кладовых до 1000 кубических километров «голубого топлива» в год. Следовательно, надо не расточительствовать с расходованием «голубого золота». Ведь газ, как и нефть, ценнейшее химическое сырье, наше национальное богатство.

Кроме того, стоимость добычи газа в последние пятилетки возросла в несколько раз и продолжает увеличиваться. Если в 1965 году для обеспечения годового прироста добычи в тысячу кубических метров требовалось капиталовложений 47 рублей, то в 1970 году они достигли 100 рублей, а к 1980 году — 165 рублей.

Причины роста затрат те же, что и в нефтяной промышленности — увеличение глубины добычи и удаленность от обжитых районов. Очень дорого, например, обходится транспортировка природного газа по газопроводам с западносибирского Севера в европейскую часть страны. Развивая добычу газа, уже сейчас нужно принимать меры по его экономии и спланировать оптимальную стратегию добычи.

Газовиками накоплен богатый опыт, позволяющий определить оптимальные темпы наращивания и масштабы производства. Начало нашей газовой промышленности — 30-е годы. Тогда были открыты первые крупные месторождения в Среднем Поволжье. Затем началась разработка украинских, северокавказских и среднеазиатских месторождений. И наконец, подошла очередь главных кладовых страны — северных районов Западной Сибири.

Энергетической программой СССР предусмотрено опережающее развитие газопромыслового хозяйства. В одиннадцатой пятилетке, с 1981 по 1985 год, построено 44 тысячи километров газовых магистралей. С севера Тюменской области в центр страны протянуты шесть магистральных газопроводов. В их числе известный всему миру газопровод Уренгой — Помары — Ужгород длиной почти 4,5 тысячи километров. Он был построен двадцатитысячным отрядом строителей за год — почти втрое быстрее нормативного срока. В сходных климатических условиях американские фирмы смогли построить трансаляскинский нефтепровод длиной всего 1280 километров только за три года.

Казалось, строительство сложнейшего газопровода Уренгой — Помары — Ужгород — это предел человеческих и технических возможностей. Но масштабы добычи газа должны расти. Нужно двигаться дальше.

17 августа 1969 года нефтегазоразведочная экспедиция обнаружила мощные газоконденсатные месторождения в Ямбурге. В январе 1982 года в устье речки с труднозапоминающимся названием Нюдя-Монготоепока прибыл первый автотракторный поезд. Из-за штормов, резких отливов и приливов, мелей благоприятный период навигации длится чуть более месяца. Поэтому там нелегко организовать морские перевозки. Ямбург — одно из таких самых северных и трудных месторождений страны.

Конечно, понятие суровости климата относительно. «Вся описанная страна, — сообщал великий греческий историк Геродот (V век до н. э.), — отличается столь суровым климатом, что в продолжение восьми месяцев там стоят нестерпимые холода. В это время не сделаешь грязи, пролив воды на землю, разве если разведешь огонь; море и весь Боспор Киммерийский замерзают». Между тем речь шла о северных берегах Черного моря — Керченском проливе. Что же говорить о нашем Севере и Сибири?

Такое место — Ямбург. Труднопереносимая и длительная зима, короткое лето. Абсолютный температурный минимум — минус 60 градусов. Среднедневная температура июля — всего плюс 13 градусов. К тому же резкие и неожиданные перепады погоды, пронзительные ветры, метели сопровождаются высокой влажностью воздуха. Местность болотистая, озера занимают четверть территории, а в отдельных районах — до 40 процентов. И тем не менее зимой негде взять воду, необходимую для работы буровых и газопромысловых установок, потому что озера промерзают до дна. Короче, в Ямбурге действительно экстремальные условия.

Необходимость преодолевать трудности обычно стимулирует технический прогресс. И на Ямбурге родилось много нового. Основное технологическое оборудование промыслов монтируется из крупных блоков заводского изготовления. Но как их транспортировать? По воде доставить довольно легко. А далее нужно перевезти их по суше на расстояние до 90 километров. Здесь бы пригодился транспорт на воздушной подушке, но машиностроительные министерства не позаботились освоить его производство. И экспериментальное строительно-монтажное управление Сибкомплектмонтаж само взялось за проектирование и изготовление новой транспортной техники под тяжелые грузы.

Другое рационализаторское предложение, которое можно назвать новинкой лишь условно, связано с обеспечением промыслов дешевым горючим. Как известно, доставка из центральных районов страны для снабжения автотранспорта и котельных обходится в 200–300 рублей за тонну. А топливо в Уренгое или Ямбурге лежит буквально под ногами.

Газ обычно соседствует с нефтью, и часто встречаются газоконденсатные месторождения, в которых на 100 кубических метрах содержится от 3 до 50 килограммов нефти. Самые примитивные ректификационные установки вполне способны обеспечить топливом северные промыслы.

Например, простейший, с плохоньким КПД нефтеперерабатывающий мини-завод задолго до освоения Уренгоя был построен по проекту Бакинского проектного института газа в Якутии. Его главная часть — большая стальная бочка со змеевиком, через который проходит пар. Температура достаточна, чтобы отогнать легкие фракции конденсата и получить бензин А-76 себестоимостью в 30 рублей за тонну. Такой бензин оказывается в 7–10 раз дешевле привозного. В результате экономится топливо, которое иначе пришлось бы затратить на доставку бензина с нефтеперерабатывающих заводов центра.

А вот новшество на перспективу. Прежде всего в одном кусте предлагается бурить сразу 8–9 скважин. Это почти вдвое больше, чем на Уренгое. Уменьшается занятая промысловиками территория, сокращаются затраты на освоение, лучше сохраняется природа. Дороги предлагается застелить нетканым синтетическим полотном, чтобы нанести меньше экологических ран. Газ из месторождения перед подачей в газопроводы будет охлаждаться, что позволит предотвратить таяние вечномерзлых грунтов. Охлаждение газа позволит решить и другую проблему — увеличить пропускную способность газопроводов, снизить мощности на прокачку. Сокращать обслуживающий персонал предполагается путем комплексной автоматизации, отказа от традиционных электроводогрейных котельных, перехода на огневые подогреватели.

В 1987 году страна получит газ из Ямбурга. Основной прирост добычи газа в двенадцатой пятилетке даст это месторождение. Нужно прокладывать новые газовые магистрали, а это дело очень дорогостоящее. На сооружение газопровода диаметром 1420 миллиметров, длиной в тысячу километров расходуется полмиллиона тонн металла и полтора миллиона тонн железобетона, а стоит он свыше миллиарда рублей. Зато по нему перекачивается за год 30 кубических километров. Каким же путем идти дальше по увеличению транспортировки газа?

Во-первых, можно проложить еще ряд газопроводов. Но это будет стоить очень дорого.

Во-вторых, можно увеличить диаметр труб. Это потребовало бы смены почти всей строительно-монтажной техники, колоссальных расходов.

Дешевле всего третий способ — увеличить давление газа до 120 атмосфер (сейчас — 75 атмосфер) и понизить его температуру в магистрали до 20 °C. Тогда по газопроводу того же диаметра будет перекачано в два раза больше топлива.

При таком высоком давлении на передний план выдвигается проблема надежности газопроводов, которая весьма заботит и сейчас. Например, нельзя выявить дефект трубы, зарытой в землю. Между тем незначительный изъян в стенке трубы или в соединительном шве порождает трещину, которая может, распространяясь по трубе со скоростью звука, разорвать газопровод на протяжении сотен и тысяч метров. Переход на давление в 120 атмосфер потребует увеличения толщины трубы до 36 миллиметров. В итоге трубы значительно утяжелятся, существенно больше израсходуется дорогой стали, понадобятся новые формовочные прессы-гиганты.

Принципиально новое решение нашли в Институте электросварки Академии наук СССР. Труба делается не монолитной из толстого листа, а многослойной из тонкой рулонной стали. Увеличивается прочность и вязкость стенок, многослойным трубам не страшно лавинное хрупкое разрушение.

Еще не освоен Ямбург, а уже планируется продвижение дальше на север, на Ямал. Подсчитано, что для получения одной тонны топлива с Ямала туда нужно завезти 16 тонн грузов! Поэтому целесообразно применять новую, облегченную технику. Разработчики обещают снизить ее металлоемкость в 2–3 раза.

Быстрый рост производства «голубого золота» продолжается. В 1984 году добыча газа в СССР превысила его производство в США. В 1985 году в нашей стране было извлечено из недр столько же газа, сколько и нефти, а сейчас газ вышел вперед. Доля его среди всех видов топлива поднялась с двух процентов почти до одной трети в 1986 году.

Применение природного газа в промышленности и быту наталкивается на одну серьезную трудность. Газодобытчикам выгодно получать и транспортировать его равномерно во времени: летом и зимой, ночью и днем. Потребителям же в холодную погоду и днем топлива нужно больше, а летом и ночью — меньше.

Чтобы выйти из положения, создаются специальные сезонные подземные хранилища газа. Когда же емкостей хранилищ не хватает, часть избыточного газа передают для сжигания на электростанции.

В нашей стране согласно Энергетической программе продолжается создание единой газоснабжающей системы. В нее входят несколько сот месторождений, около 150 тысяч километров магистральных и 250 тысяч распределительных газопроводов, а также несколько десятков подземных газохранилищ.

Такая разветвленная система позволит маневрировать потоками газа и обеспечить качественное снабжение потребителей.

Однако запасы «голубого золота» не беспредельны. Необходимо искать новые и лучше использовать старые ископаемые источники энергии. Своего последнего слова еще не сказала и столь традиционная отрасль энергетики, как угольная.

Наступит ли угольный ренессанс?

На нашей планете открыто семь угольных месторождений-гигантов, и в каждом запасы угля составляют около 500 миллиардов тонн и даже более. Пять из них — в СССР. Почти нетронутыми лежат грандиозные месторождения: Тунгусское, Ленское, Таймырское.

Пока крупнейший по добыче и старейший угленосный бассейн — Донбасс. Его производительность — 200 миллионов тонн угля в год. Вторая по мощности угольная база — Кузбасс. Там добывается 150 миллионов тонн. Третий центр — Караганда и Экибастуз. Их вклад — 130 миллионов тонн. Развивается и Канско-Ачинский комплекс. Уже в 1985 году оттуда на нужды народного хозяйства поступило 40 миллионов тонн топлива. А ведь у нас имеются десятки других месторождений. Среди них и такие старые, как Подмосковный и Печорский, и совсем новый — Нерюнгринский, расположенным вблизи БАМа и славящийся отличными коксующимися углями.

Угольная промышленность снабжает коксующимися углями черную металлургию и энергетическими углями — электростанции и котельные страны. Дефицитный уголь для металлургии добывают в Печорском и Нерюнгринском бассейнах, но основными поставщиками остаются Донбасс и Кузбасс.

Ранее металлургия европейской части СССР обходилась только коксующимися углями Донбасса, но в последние годы их стало не хватать. В черной металлургии начались перебои. Шахтерам Донбасса приходится вырабатывать нижние пласты, и уже сейчас средняя глубина забоев достигла там 600 метров. Значит, ставку нужно делать на Кузбасс? Необязательно. Хотя кузбасский уголь содержит почти в четыре раза меньше вредной для качества металла серы, чем донбасский, все же можно было избежать достаточно дорогостоящих перевозок угля из Кузбасса, если бы вовремя удалось внедрить предложенный более четверти века назад способ получения так называемого формовочного кокса нужной прочности из слабо спекающихся донецких углей. Еще двадцать лет назад в Харькове была пущена опытно-промышленная установка. Подтвердилась высокая эффективность новой технологии. Но дальше дело не пошло. Можно только догадываться почему. Слишком вольготно без дум об экономии энергии жила отрасль! Министерство черной металлургии не спешило с организацией производства формованного кокса, перекладывало возникшие трудности на угольщиков. Мол, пусть они любой ценой добывают жирный коксующийся уголь, тратят энергию — ведь простаивают домны! Конечно, такую ведомственную позицию, наносящую ущерб всему народному хозяйству, терпеть было нельзя. Но потерянного времени не вернешь.

Итак, все же Кузбасс? Да, тамошние коксующиеся угли способны выручить металлургов. Вне конкуренции кузнецкие энергетические угли. Высокая калорийность, низкая зольность оправдывают их транспортировку в европейскую часть СССР. Характер месторождений позволяет добывать в Кузбассе больше угля, чем его добывается ныне!

Однако с 1979 года угледобыча в Кузбассе не растет по ряду причин. Энергетическая программа СССР предусматривает их преодоление. Прежде всего после более чем двадцатилетнего перерыва начнется строительство новых горнодобывающих предприятий.

Сейчас открытую добычу угля ведут в Кузбассе около 600 экскаваторов и 1000 автомашин грузоподъемностью до 120 тонн. Выработка на рабочего достигает 250 тонн в месяц, то есть в два-три раза выше, чем на шахтах. Если использовать гидравлический метод, когда угольный пласт разрушается струей воды и уголь транспортируется этой же водой, то производительность можно поднять еще в два раза. Угольные шахты Кузбасса по уровню комплексно-механизированной добычи занимают ведущее место в мире.

Поучителен как позитивный, так и негативный опыт кузбассцев. Так, для форсирования вскрытия и добычи угля на разрезах вместо того, чтобы транспортировать пустую породу на внешние отвалы, ее годами складывали на рабочих бортах. Сейчас там всего скопилось свыше 300 миллионов кубометров терриконов. Пустую породу надо убирать, без этого нельзя продолжать эксплуатацию разрезов. А для уборки необходимы многие месяцы и большое количество экскаваторов, транспортной техники, затрат горючего.

Плохо в Кузбассе и с использованием техники. Мелкие грузы перевозят тяжелые самосвалы, потому что нет автомашин средней и малой грузоподъемности. Много оборудования простаивает — нет запасных частей. Необходимо строительство новых ремонтно-механических заводов. Хотя добыча угля все более перемещается в Сибирь, горное машиностроение сосредоточено в основном в европейской части страны. На перевозки горной техники за Урал ежегодно тратятся десятки миллионов рублей.

Нет пока удовлетворительного решения еще одной проблемы. Как известно, на обогатительных фабриках не только уменьшается содержание пустой породы, но и производится сортировка угля по степени крупности. Мелочь отправляется на крупные электростанции, где уголь сжигается в виде пыли, а более крупные куски направляются в средние и мелкие котельные. Однако вместе с кусковым углем в котельные попадает и много пыли. В печах она не успевает сгорать и уносится потоками воздуха. Потери составляют до 30 процентов, КПД — не выше 50 процентов. Некоторые специалисты считают, что сами по себе обогатительные фабрики не в силах выправить положение, так как к большим потерям пыли приводят перегрузки и перевозки угля. Наиболее разумный выход — делать из мелочи и пыли угольные брикеты. Нужно только оснастить обогатительные фабрики необходимым оборудованием.

Другое решение предлагают специалисты Института горючих ископаемых. Суть его в том, чтобы гранулировать угольную мелочь и сжигать в печах гранулы, обладающие более высокой механической прочностью, чем брикеты. Гранулы позволяют поднять КПД котельных почти до 75 процентов. Связующим веществом для гранулированного угля может быть сульфитно-дрожжевая бражка и другие отходы целлюлозно-бумажной промышленности. Знакомство с состоянием дел в угольной промышленности (да и не только в угольной) еще раз подтверждает правоту оптимистов, считающих, что неразрешимых проблем нет.

Угольные сокровища Красноярского края — хороший тому пример. Крупнейшее месторождение угля с геологическими запасами 400 миллиардов тонн и промышленными — 100 миллиардов открыто здесь русскими инженерами еще в период изыскательских работ по трассе Транссибирской железнодорожной магистрали. По обе стороны железной дороги располагаются Ирша-Бородинское, Итатское, Березовское, Назаровское и еще около двадцати подземных угольных кладовых, входящих в Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс (КАТЭК).

Об этом районе сейчас говорится повсюду. Он действительно уникален. Угли в бассейне залегают на глубине всего от 10 до 60 метров! Чтобы добыть его открытым способом, нужно произвести вскрышные работы с помощью, например, мощной экскаваторной техники производительностью 5–10 тысяч кубических метров пустой породы в час. При открытых разработках важен коэффициент вскрытия — количество бесполезной породы, которую нужно убрать, чтобы добыть одну тонну топлива. Эта величина для месторождений КАТЭКа очень маленькая — от 1 до 3 кубических метров. В пересчете на тонну условного топлива она удвоится, так как калорийность канско-ачинских углей мала — всего 3200–3500 ккал/кг. В ФРГ сейчас считается рентабельной добыча угля даже при коэффициенте вскрытия в десять-двадцать раз больше — до 50 кубических метров на тонну условного топлива. Следовательно, угли КАТЭКа дешевы.

Но у них, к сожалению, много недостатков. О низкой калорийности мы уже упомянули. Кроме того, угли КАТЭКа очень влажные (до 40 процентов влажности), сыпучие и самовозгорающиеся.

Такое топливо трудно транспортировать. Зимой канско-ачинские угли из-за большой влажности смерзаются, что чрезвычайно затрудняет их перегрузку, а летом много угля пропадает из-за пыления. Низкокалорийное сырье вообще нерентабельно перевозить по железной дороге. К тому же в пути возможно самовозгорание угольной пыли. Но ведь уголь перевозить нужно! Если не в европейскую часть, то в близлежащие районы! Как же быть?

Возьмем потери из-за пыления. По подсчетам, они достигают в год несколько миллионов тонн. Особенно пылят перегруженные вагоны — с угольными «шапками». Простейший способ борьбы с пылением — утрамбовывать уже погруженный уголь катками. Еще более эффективный способ — обработать поверхность специальной эмульсией и тем самым создать защитную пленку.

Можно бороться и с зимним смерзанием влажного угля. Так, в США при перевозках зимой в угольную массу добавляется специальная жидкость, благодаря которой образующийся хлопьевидный лед в четыре раза уступает по прочности обычному льду.

Что касается самовозгорания, то оно происходит примерно через четверо-пятеро суток после того, как уголь поднят на-гора. При средней скорости железнодорожного состава, равной 20–30 километрам в час, даже за сутки можно перевезти уголь на расстояние свыше 700 километров. Задерживает возгорание утрамбовывание угольной массы с помощью катков, потому что благодаря уплотнению образуется меньше пыли и сокращается доступ кислорода. Еще надежнее предотвращается разогрев угля, если набрызгать на его поверхность защитную пленку.

Труднее добиться рентабельности железнодорожных перевозок канско-ачинских углей. Уже сейчас транспортировкой топлива занято около половины железнодорожных составов. В будущем в европейскую часть страны придется дополнительно доставлять сотни миллионов тонн угля. По железной дороге при средней напряженности перевозок обычно в год пропускается 20 миллионов тонн груза. Можно увеличить грузопоток в 4–5 раз — до 100–150 миллионов тонн, — и тогда составы весом в 4 тысячи тонн должны будут следовать по такой специализированной «угольной» трассе с интервалом 15 минут. Но 100–150 миллионов тонн канско-ачинского угля эквивалентно 50–70 миллионам тонн условного топлива, так что сверхперегруженная железная дорога из Сибири в европейскую часть СССР длиной в несколько тысяч километров вряд ли оправдает надежды.

Некоторые специалисты предлагают перекачивать водно-угольную смесь по трубопроводу. Чем больше угля в смеси, тем выгоднее перекачка, но возрастают потери на трение, и надо увеличивать мощность насосов. Поэтому предлагается вместо воды использовать метанол — органическую жидкость, которую сейчас получают из природного газа, но и в принципе можно изготовлять и из угля. Метанол и сам по себе ценен для различных химических производств, в том числе для получения белков, и на нем даже могут работать двигатели внутреннего сгорания. Однако, к сожалению, пока не найден дешевый способ производства метанола из угольной массы.

Предлагается также перекачивать уголь с жидкой углекислотой. У нее меньше вязкость, чем у воды, и можно поставить менее мощные насосы. Из нее легче, чем из воды, выделять угольные частички, и потом не надо их сушить. На приемном конце трубопроводной магистрали угольный порошок выделяется из смеси с помощью специальных фильтров, а угольная кислота или возвращается в цикл, или продается. По оценкам американских фирм, эксплуатационные расходы при такой транспортировке снижаются на 30–50 процентов. Сказанного достаточно, чтобы прийти к выводу: у углепроводов многообещающее будущее.

У нас в стране по трубопроводам с помощью воды ежегодно транспортируется 150 миллионов кубометров различных твердых материалов. На тепловые электростанции подается уголь, в отвалы — зола и шлак, на металлургические комбинаты — железная руда, на заводы строительных материалов — мел, песок, гравий. А нельзя ли уголь с Канско-Ачинского месторождения доставлять в центр страны тоже по трубопроводу?

Путь немалый — 4500 километров. Если взять трубы диаметром 1,5–1,8 метра и подавать водно-угольную смесь со скоростью 2,5 метра в секунду, то такая транспортировка, судя по всему, обойдется в полтора раза дешевле железнодорожной. Однако предстоит еще решить множество технических проблем.

Сейчас ведется строительство 250-километрового опытно-промышленного углепровода Белово — Новосибирск. С 1966 года в Кузбассе действуют два трубопровода, транспортирующих водно-угольную смесь с гидрошахт «Инская» и «Юбилейная». Увы, в них на одну часть угля приходится семь-двенадцать частей воды. Вот когда содержание угля повысится до 60–70 процентов, а перекачивать его будут в виде мелкодисперсной (не более 0,2 миллиметра) пыли, которую можно сжигать без предварительной механической обработки, лишь тогда протяженные водно-угольные магистрали оправдают себя.

У канско-ачинских углей много недостатков, но каждая возникающая проблема, как видим, поддается творческому решению.

Например, казалось бы, выгодно построить на КАТЭКе ряд крупных теплоэлектростанций и подавать в другие районы страны электроэнергию. Но сжигать катэкское топливо чрезвычайно затруднительно из-за уникально-неприятных свойств образующейся золы.

Сейчас строится первая местная электростанция на канско-ачинских углях — Березовская ГРЭС. Восемь ее блоков по 800 тысяч киловатт каждый отличаются громадными котлами, которые раза в полтора больше, чем на обычных угольных станциях. Но гигантизм этот, из-за которого возрастает и расход металла, и объем строительных работ, вынужденный, связанный с неприятной особенностью получающейся золы зашлаковывать поверхности нагрева. Можно обдувать их поверхности паром или воздухом, очищать их вибрацией или обмывать водой. Ни один из этих способов не дает удовлетворительного результата. На Березовской ГРЭС применяются пароперегреватели с разреженными пучками труб, что и влечет увеличение размеров котлов.

Но у березовской золы еще одна неприятнейшая особенность — повышенное содержание окиси кальция. От этого зависит плавкость шлаков. Если его зольность меняется только на 1 процент, то на 100 градусов может повыситься температура плавления окиси кальция. Поскольку же зольность варьируется более чем на 1 процент даже в пределах одного месторождения, то при высоком содержании окиси кальция трудно выбрать оптимальное топочное устройство для удаления из него шлаков в жидкой или твердой форме.

Высокая зольность угля создает проблемы и на других месторождениях. Снижается калорийность топлива, и теряется энергия, а из-за неустойчивости горения приходится добавлять мазут, что ведет к преждевременному изнашиванию оборудования. Однако, подсчитали ученые, фактическая зольность отгружаемых углей растет со временем быстрее, чем природная их зольность. Как будто бы к добываемому топливу специально подмешивают пустую породу. Действительно, подмешивают. Правда, не специально. Если пласт тонкий, а ширина захвата угледобывающего комбайна больше толщины угольной жилы, то неизбежно засорение извлекаемого сырья. Еще одна причина — организация учета добычи по горной массе, а не по углю, позволяющая вполне законным образом включать в нее 10–12 процентов пустой породы, включать и отправлять потребителям. Разбирайтесь-де сами. Вот и ломают себе голову энергетики, но тоже по-разному.

Проще всего в высокозольный уголь добавлять мазут. А вот на Ворошиловградской ГРЭС получаемое некачественное горючее, чтобы оно хорошо горело, превращают в очень тонкую пыль. Для этого поступающий уголь подсушивают в специальной печи и только затем направляют на угольную мельницу, где обеспечивается нужная степень помола. Образующаяся угольная пыль не забивает трубопроводы в котлах, и, главное, станции не нужен дополнительный мазут. В конечном итоге ворошиловградцы экономят каждый месяц по 50 (!) железнодорожных цистерн мазута.

Иногда под предлогом «оскудения недр» оправдывается повышение зольности углей, снижение показателей добычи, выработки энергии, производительности труда. Но вот статистические данные по Донбассу: с 1975 года толщина пласта практически оставалась на уровне 1,15 метра, глубина добычи угля с того года практически не повышалась, а в последние годы даже уменьшилась с 327 метров в 1980 году до 325 метров в 1983 году. Происходит это из-за расширения добычи открытым способом, обозначенным в Энергетической программе СССР как главный. Первенство здесь держит еще один гигантский угольный комплекс на востоке страны — Экибастуз.

В изданной в начале века «Настольной и дорожной книге» для путешествующих говорится: «Плавание по Иртышу от Омска до Семипалатинска не обещает ничего интересного. На расстоянии тысячи верст здесь расположен всего один небольшой уездный город и два десятка незначительных селений». Так выглядел ранее район Экибастузского и Майкубенского бассейнов, открытых в 1867 году. Однако уже в разделе плана ГОЭЛРО «Электростанции Западной Сибири» есть такие строки: «Из других месторождений наибольшее значение имеют Экибастузские копи вблизи Павлодара». В 1922 году после изгнания колчаковцев ВСНХ выделил специальные средства на восстановительные работы в Экибастузских копях.

Угли Экибастуза по качеству уступают кузнецким и менее удобны для перевозки, поэтому их энергию предпочтительнее передавать по линиям электропередачи. Конечно, для передачи значительной мощности на большое расстояние в центр европейской части мало даже напряжение в 500 или 750 тысяч вольт, которое уже освоено энергетиками: нужно напряжение в 1000–1500 тысяч вольт. Кроме того, будут велики потери энергии и затраты цветных металлов и стали.

Исследования показали, что наиболее экономична линия не переменного, а постоянного тока, позволяющая в случае необходимости менять направление передачи энергии (например, передавая из Центра избыточную ночную энергию). По такой линии с напряжением 1500 тысяч вольт можно пропустить в год 40 миллиардов киловатт-часов электроэнергии, что эквивалентно перевозке 13 миллионов тонн условного топлива. Капитальные затраты на нее примерно равны стоимости перевозки такого количества угля по железной дороге. Строительство электрической линии Экибастуз — Центр уже началось, и вскоре энергия углей, добываемых на «Богатыре», вольется в Единую электроэнергетическую систему.

Ныне же этот промышленный район вырабатывает до 50 процентов всей электроэнергии Казахстана. Запасы энергетических углей здесь — около 14 миллиардов тонн. Крупнейший в мире угольный разрез «Богатырь» дает до 500 миллионов тонн твердого топлива в год — около одной тридцатой доли всего угля, добываемого в стране.

Длина разреза «Богатырь» около шести километров, ширина — почти два, глубина — 220 метров. В подобной глубокой выемке скапливается смог, приходится предусматривать проветривание, не допускать оползней и т. д.

Для карьера-гиганта требуется и соответствующая техника. Здесь работает более 100 экскаваторов с ковшами до 100 кубометров и впервые в мире в больших масштабах используются роторные экскаваторы, применявшиеся ранее только на мягких породах.

Без современной могучей техники много угля не взять ни в Экибастузе, ни в Кузбассе, ни в Донбассе. Наступит ли угольный ренессанс — в большой степени зависит от успехов машиностроения. И вообще, развитие машиностроения будет определять развитие всей энергетики. А у машиностроителей сейчас трудностей немало. Однако советское машиностроение обладает гигантскими ресурсами, которые позволяют оптимистично оценивать его перспективы. Например, в нем занято 40 процентов всех рабочих промышленности, а с учетом персонала механических цехов немашиностроительных отраслей — 55–60 процентов. Кроме того, наш парк металлообрабатывающего оборудования превышает количество станков США, Японии и ФРГ, вместе взятых! Нужно только по-хозяйски распорядиться имеющимся потенциалом.

Возьмем тот же Донбасс. Если создать и внедрить более совершенные угледобывающие комбайны для тонких пластов и открытых разработок, то этот старейший поставщик твердого топлива еще долгое время может давать по 200 миллионов тонн угля в год, что составляет 40 процентов всего угля, добываемого ныне в стране. Однако мнения специалистов расходятся.

— Да, Донбасс многое дает, — говорят одни, — но ведь верно и другое. Если бы средства, используемые для поддержания угледобывающих мощностей в Донбассе, направить, скажем, на аналогичные цели в Кузбассе, то прирост угледобычи увеличился бы в 2–3 раза.

— Посмотрим не с ведомственной, а с государственной точки зрения, — предлагают другие. — Если прекратить капиталовложения в угольную промышленность Донбасса, то что делать со сложившейся здесь промышленной инфраструктурой? Как быть с квалифицированными специалистами, рабочими этого региона? Энергетическая программа СССР отличается от программ в капиталистических странах тем, что ее конечная цель — не корыстный интерес тех или иных социальных групп, а обеспечение благосостояния всего народа. Поэтому проблемы, подобные донбасской, будут решаться только на этой основе.

Так скудеют ли наши недра энергетическим сырьем? Раз мы сжигаем больше, чем природа успевает произвести, значит, подземные кладовые топлива скудеют! Однако угля у нас много. При нынешнем уровне производства энергии его хватит на многие десятилетия вперед. «Углю, — пишет М. Щадов в книге „Уголь: топливо или сырье?“, — еще долго придется играть роль „буферного“ топлива, несущего на себе значительную долю энергоснабжения на тот период, пока не удастся в полной мере освоить новые источники энергии». С другой стороны, ускоряющийся научно-технический прогресс, достижения машиностроения позволяют открывать все новые и новые, хотя и более труднодоступные месторождения нефти, газа и угля, рачительнее и эффективнее хозяйствовать как в новых, так и в старых кладовых.

Энергия для энергии

Эксперимент длительностью пятьдесят лет

Какой автомобиль лучше — КамАЗ или КрАЗ? Что предпочтительнее развивать — электрические или газовые плиты? Какой тип солнечной электростанции выгоднее? Чтобы ответить на подобные вопросы, можно сравнить паспортные характеристики машин или провести экономический расчет. А еще лучше определить эксплуатационные характеристики и надежность с помощью эксперимента.

Но никакой эксперимент не решит, какая энергетика лучше — газовая или угольная, атомная или солнечная? Тут эксперимент не поставишь — он должен длиться десятки лет. А ответ нужен сейчас. Ведь энергетика страны развивается на основе пятилетних планов, путеводным маяком для которых и служит Энергетическая программа, определяющая основные направления энергетической политики на более длительный срок — на 15–20 лет. В свою очередь, Энергетическая программа основывается на долгосрочном прогнозе развития энергетики с упреждением примерно в полстолетие.

Освоение новых первичных энергоресурсов, создание надежных технических средств для их транспортировки, преобразования и использования продолжается десятки лет. Поэтому в энергетике трудно обойтись без долгосрочных прогнозов и программ. Высокая капиталоемкость, широкая взаимозаменяемость энергоресурсов и видов энергии делают особенно важным заблаговременную разработку оптимальной структуры энергохозяйства страны.

Однако в энергетических прогнозах в мире царит разнобой. Одни говорят, что энергетика пойдет вперед чуть ли не семимильными шагами, другие предрекают чуть ли не нулевой ее рост. Большая неопределенность долгосрочных энергетических прогнозов зависит от недостоверности исходной информации, неполноты наших знаний. Но основная причина прогнозного разнобоя — принципиально разные взгляды на развитие больших систем энергетики.

Фаталисты, экзистенциалисты полагают, что в основе природы и общества лежит неопределенность и случайность, а потому огромные многокомпонентные энергетические комплексы — неуправляемые, чисто вероятностные системы. Человек не может активно воздействовать на них в нужном направлении.

Детерминисты же впадают в другую крайность и уверяют, что мир держится на однозначно определенных связях, благодаря чему можно безошибочно рассчитывать даже отдаленное будущее промышленности и энергетики.

Наши специалисты в своих прогнозах и планировании руководствуются объективными законами развития производительных сил, в том числе энергетического комплекса. Долгосрочные экономические и энергетические прогнозы соотносятся с генеральной целью развития нашего общества, с важнейшими социально-экономическими задачами, решаемыми во имя этой цели. Это способствует устойчивости, детерминированности прогнозов. В то же время нельзя не учитывать случайные, неопределенные факторы, способные ускорять или замедлять прогрессивные тенденции, влиять на судьбы энергетики.

Именно поэтому перед каждым очередным пятилетием Энергетическая программа должна корректироваться и точнее определять развитие отраслей топливно-энергетического комплекса на последующие 20 лет. Программе следует чутко реагировать на новые тенденции технического прогресса, новые оценки запасов энергетических ресурсов, новые способы преобразования этих ресурсов в необходимые виды энергии. И хотя энергетика — одна из наиболее древних отраслей экономики, совершенствование ее в последние десятилетия идет очень быстро.

Экономная энергетика

Чем меньше расходуется топлива на производство 1 киловатт-часа электроэнергии, тем лучше. 1 киловатт-час — это 860 килокалорий. На заре промышленной электроэнергетики для получения этого киловатт-часа нужно было сжечь 1300 граммов условного топлива, то есть затратить 9000 килокалорий. Значит, коэффициент полезного действия составлял всего 10 процентов. А сейчас на современных конденсационных электростанциях за счет прежде всего повышения температуры пара на получение одного киловатт-часа электроэнергии тратится всего около 330 граммов условного топлива.

На паротурбинных установках при давлении пара 240 атмосфер и температуре 540–565 °C был достигнут КПД 37–39 процентов. Когда же на опытных установках подняли температуру до 620–650 °C и давление до 300–350 атмосфер, КПД повысился до 40–41 процента!

Однако при таких параметрах очень сложно обеспечить надежную и длительную работу энергетического оборудования, поэтому за такими опытными установками серийные установки не последовали.

Как видели, каждый процент прироста КПД дается с огромным трудом. Но резервы есть. Так, можно повысить эффективность сжигания топлива в котлах, улучшить КПД турбины, использовать тепло газов, выходящих из котла, для подогрева питательной воды, уменьшить затраты энергии на собственные нужды станции и так далее. Открываются и новые возможности.

На очереди — комбинированные установки, их КПД может достигать 45–48 процентов. В них паровая турбина работает совместно с газовой. В камеру сгорания подается сжатый воздух после компрессора и топливо через форсунки. Горячие газы с температурой 900–1200 °C направляются в газовую турбину и совершают работу, вращая электрогенератор и компрессор почти со стопроцентным КПД. Выходящий с последних ступеней еще очень горячий газ, имеющий температуру около 500–600 °C, подается в парогенератор паровой турбины. Если температура газа, выходящего из газовой турбины, недостаточна для получения пара высоких параметров, то в парогенераторе сжигается дополнительное количество топлива.

Сейчас в нашей стране работают по несколько различным схемам две парогазовые установки: мощностью 200 мегаватт на Невинномысской ГРЭС в Ставропольском крае и 250 мегаватт на Молдавской ГРЭС. Но все же экономия топлива на этих ГРЭС невелика. Слишком низка температура газа на входе в газовые турбины — всего 750 °C. Более высокой температуры не выдерживают лопатки турбины, их надо научиться охлаждать. Тогда можно разогреть газ до 900–1200 °C и тем самым существенно повысить КПД.

Еще один путь — использование термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) тепловой энергии в электрическую. ТЭП — это электровакуумный прибор. В нем с разогретого до температуры 1300 °C электрода-эмиттера (катода) испускаются электроны и движутся к электроду-коллектору (аноду), температура которого 500 °C. В цепи, замкнутой внешней нагрузкой, протекает электрический ток.

ТЭП помещается в топку таким образом, чтобы эмиттер разогревался факелом горящего топлива. Коллектор, отделенный от эмиттера вакуумным зазором, через специальную прокладку отдает тепло трубам, в которых генерируется пар. Он используется в стандартной паротурбинной установке. КПД такой системы может достигать 45–47 процентов. Однако технико-экономические трудности остаются непреодолимыми. Пока не создано даже опытно-промышленной станции. Очень мала в ТЭПах плотность съема электроэнергии — не больше 5 киловатт с квадратного метра. Другими словами, для мощности 200 мегаватт потребовалось бы 40 тысяч квадратных метров площади эмиттеров! Кроме того, мало напряжение, создаваемое на одном модуле ТЭП, и их нужно соединять последовательно в длинные цепочки. Усложняются и инверторы — устройства для преобразования постоянного тока в переменный.

Хорошо бы научиться интенсифицировать горение угля в топках угольных станций. Например, в Ленинградском Центральном котлотурбинном институте (ЦКТИ) и в Ленинградском политехническом институте разработаны вихревые топки и топки с кипящим слоем. Благодаря более эффективному горению снижается расход топлива и выбросы вредных веществ. Если применить вихревую топку на Березовской ГРЭС, потребляющей канско-ачинские угли, то высоту главного корпуса удалось бы снизить со 130 метров до 80 и резко сократить расход металла на котлы, весящие сейчас по 30 тысяч тонн. Применяя же котлы с кипящим слоем, можно добиться экономии металла на 30–50 процентов, а объем уменьшить в 2–3 раза.

Как же работают столь привлекательные котлы с кипящим слоем? Оказывается, при продувании с большой скоростью воздуха между твердыми частицами они начинают вести себя словно кипящая жидкость («псевдосжиженный слой»). Если же повысить давление, то «кипящий» слой займет меньший объем; в него будет подаваться больше воздуха, а с ним — кислорода. Энерговыделение в единице объема резко возрастает, соответственно уменьшаются размеры котла. Тепло от частиц передается трубкам парогенератора, пронизывающим кипящий слой.

У таких котлов есть еще несколько интересных особенностей. Псевдосжиженный слой на 90 процентов состоит из песка; в этот слой, разогретый пламенем газовой горелки, и подается угольная пыль. Частицы угля горят и передают свое тепло песчинкам. Каждая крупинка топлива достаточно долго находится во взвешенном слое и успевает сгореть полностью. Кстати, в топках с кипящим слоем можно сжигать не только уголь, но также торф, дерево, резину, битумные сланцы, опилки и городские отбросы.

Правда, при продувании воздухом уносится некоторая доля частиц. Беспокоит также быстрая эрозия трубок парогенератора. Чтобы трубки служили дольше, их делают ребристыми. Впрочем, достоинства перевешивают недостатки. Так, благодаря хорошей теплоотдаче поддерживается невысокая температура слоя — 800–850 °C. Образуется гораздо меньше окислов азота. Если же в топку добавлять пылевидные частицы доломита или известняка, то они вступят в реакцию с окислами серы и образуют сульфат кальция, удаляемый с золой. Это очень эффективный способ уменьшения выбросов серы.

Атака на серу

Дальнейшее масштабное наращивание мощностей электростанций и котельных на угле невозможно без решения экологических проблем, связанных с использованием угля. О восстановлении ландшафта уже говорилось. Эта цель достижима. А вот удастся ли очистить дымовые газы — пока еще не до конца ясно. Так, на конденсационных электростанциях, удаленных от городов (так как они не производят тепла), при сжигании за один час 1000 тонн низкосортного донецкого угля выбрасывается:

34 тонны шлака;

200 тонн золы;

230 тонн двуокиси углерода;

10 тонн окислов азота;

25 тонн двуокиси серы;

2 тонны золы летучей, не пойманной фильтрами.

Особенности углей различных месторождений создают дополнительные трудности. Например, зольность экибастузского угля достигает 50 процентов, причем зола плохо улавливается электрофильтрами. Пришлось создавать двухступенчатую систему очистки. На первой ступени газ увлажняется в особой камере (скруббере), снижается его температура, частично улавливается зола. Меняются также и электрофизические свойства остающейся золы, и электрофильтры второй ступени начинают работать эффективнее. В создаваемых установках тщательность очистки ожидается на уровне 99 процентов.

Очень сложно и дорого улавливать окислы азота. Как сделать, чтобы их образовывалось поменьше? Для этого предлагается снижать температуру в топке, используя в топочной камере рециркулирующие дымовые газы, воду или пар, практикуя двухступенчатое сжигание топлива или ограничивая доступ воздуха в зону горения.

Но под особым прицелом специалистов находится двуокись серы.

Видимо, недаром в различных поверьях «серный дух» связан с нечистой и коварной силой. Если не удастся предотвратить выбросы окислов серы, то под вопросом окажется сама возможность крупномасштабного развития угольной энергетики.

Существующие установки по удалению серы дороги, громоздки и несовершенны. Работают они так: через большую емкость снизу вверх подаются дымовые газы, выходящие из электрофильтра. Навстречу им сверху из форсунок разбрызгивается известковый раствор карбоната кальция. Двуокись серы взаимодействует с известью и образует твердый шлам — сульфиты и сульфаты кальция.

Недостаток этого способа — очень медленное течение процесса. Ведь для эффективного удаления двуокиси серы нужно, чтобы ее контакт с известковым раствором был как можно длительнее. Поэтому для электрических станций мощностью всего в 150 мегаватт приходится строить скрубберы в 10 метров диаметром и 20 метров высотой.

Размеры очистных установок и затраты на их эксплуатацию пропорциональны содержанию серы в углях. К счастью, в нашей стране преобладают малосернистые угли, в то время как угольные месторождения США содержат серы в два-три раза больше. Из-за этого энергетики США издавна вынуждены были заниматься сероулавливающими установками, накопили большой опыт, который нельзя назвать удовлетворительным. Сооружения очень дорогие. Их стоимость достигает половины стоимости всей станции, где сжигаются высокосернистые угли!

Уже в 1980 году на станциях США ежегодно скапливалось 200 миллионов тонн шламов — сульфатов кальция. А ведь их нужно куда-то девать, тратить средства на закапывание и рекультивацию. На других ГРЭС и ТЭЦ пытаются применять такие поглотители двуокиси серы, как озонированная жидкость, аммиак, известь, магнезит.

В нашей стране стоимость сероулавливающих установок достигает 25–35 процентов от стоимости станции, и для каждой ТЭС мощностью в миллион киловатт абсолютные затраты на сероочистку составляют 80–120 миллионов рублей! Чтобы снизить такие огромные расходы, надо искать принципиально новые решения.

Делаются попытки удалить серу из угля еще на углеобогатительных фабриках. Опробовано несколько способов, но эффективность их низка. Правда, в одной из недавних статей американские исследователи сообщают, что при использовании ультразвука эффективность отделения от угля серосодержащих частиц, в том числе серного колчедана, в двадцать раз больше.

Некоторые бактерии способны питаться серой, содержащейся в каменном угле. Предположим, измельченный уголь обрабатывается водой, насыщенной этими микроорганизмами. Тогда есть надежда удалить большую часть серы при транспортировке угольной суспензии в углепроводах (в это время микробы будут делать свое дело).

Канадская фирма «Конкорд Сайентифик» разработала процесс одновременной очистки дымовых газов как от окислов серы, так и от окислов азота. При этом применяется ультрафиолетовое излучение, под воздействием которого окислы превращаются в сульфаты и нитраты — готовые удобрения. По уверениям фирмы, очистные установки обходятся якобы почти в четыре (!) раза дешевле обычных, а эксплуатационные расходы меньше на 80 процентов. Впрочем, не выдается ли здесь желаемое за достигнутое?

Сероочистка удешевится, если бы удалось выделить серу в чистом товарном виде и тем самым частично окупить затраты. Подобный способ испытывается на одной из молдавских ТЭС. Проблема удаления и выделения серы важна также для нефти и газа. Если сквозь нефть пропускать водород, он соединяется с серой и образует сероводород, который сжигают, теряя при этом как водород, окисляющийся до воды, так и серу, выбрасываемую в виде двуокиси. Между тем сера — ценный продукт для производства серной кислоты, сульфита целлюлозы и других продуктов, и мы закупаем его на мировом рынке.

Новый принцип, который апробируется ныне на Дрогобычском нефтеперерабатывающем заводе, был предложен учеными Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, исследовавшими свойства низкотемпературной плазмы — смеси свободных электронов и ионизированных атомов. Одно из направлений исследований, получившее название «плазмохимия», возглавил в институте академик В. А. Легасов. Почему бы, задумались плазмохимики, не утилизировать сероводород, образующийся при гидроочистке нефти? Ведь если удастся «дешево», то есть затрачивая мало энергии, в высокопроизводительной установке «развалить» сероводород на водород и серу, то проблема очистки «черного золота» решается очень красиво: водород вновь используется для очистки следующей порции углеводородного сырья, а сера отгружается для производства серной кислоты.

Как и всякое вещество, сероводород можно «развалить» на составляющие простым нагреванием. Потребуется довести температуру до 1500 °C. Тогда разорвутся электронные связи атомов водорода и серы. Затем смесь нужно охладить, но ни в коем случае не медленно, ибо иначе по мере понижения температуры водород и сера опять начнут соединяться, образуя сероводород. Выход есть — так резко охладить смесь, чтобы атомы водорода и серы просто не успели соединиться. В специальных установках температура снижается на тысячи градусов за доли секунды, но это требует много энергии.

Но когда сотрудники Института атомной энергии использовали сверхвысокочастотное электромагнитное излучение, картина существенно изменилась. Через трубу из кварцевого стекла, пропускающего СВЧ-излучение, проходит поток сероводорода. Электромагнитное излучение, пронизывающее этот поток, отдает энергию не на разогрев молекул газа, а на «раскачивание» атомов водорода и серы относительно друг друга вплоть до разрыва связи между ними. В результате удается убить сразу двух зайцев: во-первых, температура газа остается низкой и после выхода из зоны излучения не происходит рекомбинаций — образования снова сероводорода; а во-вторых, затраты энергии на «развал» молекулы минимальны.

Опытная установка на дрогобычском комбинате работает. Дело — за широким промышленным внедрением принципиально нового метода.

Сбудутся ли предсказания Рамзая?

Более двадцати лет назад в одном из домов на Красноказарменной улице, неподалеку от Московского энергетического института, вокруг светящейся гирляндами огней новогодней елки собралась группа восторженных сотрудников лаборатории высоких температур Академии наук СССР. Они ликовали, потому что ток для гирлянд давала первая в стране лабораторная магнитогидродинамическая установка.

Сейчас лаборатория стала крупнейшим институтом Академии наук СССР. Он переехал ближе к Московской окружной автодороге. Там, на Коровинском шоссе, рядом с ТЭЦ построена опытно-промышленная установка У-25, мощность которой достаточна для освещения сотен тысяч новогодних елок, энергоснабжения небольшого города. А неподалеку от Рязани строится первая промышленная магнитогидродинамическая электростанция (МГДЭС) мощностью 250 тысяч киловатт.

На электростанциях преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется в паровой или газовой турбине. Повышается температура пара или газа — растет ее КПД. При температуре 2000 °C можно было бы достичь КПД около 70 процентов, но никакая турбина не выдержит такого перегрева. Сегодняшняя техника в состоянии создать газовые турбины для температур 1000–1300 °C, но у них будет ограниченный ресурс работы и мощности. А вот при бестурбинном прямом способе преобразования мы имеем дело с температурами до 2200–3000 °C.

Такой нагрев приводит к ионизации продуктов сгорания. Газовый поток превращается фактически в проводник, носитель электрического тока. Если поместить его в канал с электродами и создать магнитное поле, то между электродами возникает электродвижущая сила. Достаточно теперь замкнуть внешнюю цепь между электродами, подключить нагрузку, и электрогенератор заработал.

При этом создается электромагнитная сила, направленная против движения газа. Поток низкотемпературной плазмы, разогнанный в сопле до скорости около 1000 метров в секунду, тормозится и охлаждается до температуры 1500–1700 °C. Другими словами, кинетическая энергия ионизированного газа преобразуется в энергию электрического тока. Газовая струя, выходящая из камеры, еще сохраняет более половины первоначальной энергии. Она далее используется как в обычной теплоэлектростанции. Так, на Рязанской МГДЭС сам МГД-генератор сочленен с обычной ТЭС. В таком комплексе можно добиться повышения КПД до 50–55 процентов.

Каждый процент прироста такой КПД дается недешево. Нужны инверторы для преобразования постоянного тока в переменный, сверхпроводящие магнитные системы. В камере сгорания — высокая температура, которую не выдерживают даже электроды из тугоплавких металлов. К тому же агрессивная плазма разъедает их. Следовательно, нужны керамические электроды, обладающие при высокой температуре достаточной проводимостью. Кроме того, из-за ряда электрофизических эффектов на камере сгорания наводится электропотенциал до нескольких тысяч вольт, так что приходится применять высоковольтные электроизоляционные вставки на всех ведущих к ней трубопроводах и в точках ее соприкосновения с фундаментом. На опытно-промышленной Рязанской МГДЭС как раз и предстоит проверить методы преодоления подобных сложностей.

Интенсивная разработка МГД-генератора велась в те годы, когда уже обозначилось подорожание газожидкостного топлива, необходимость его экономии. Сейчас ясно, что на МГДЭС будет использоваться не нефть, а только, возможно, в небольшой степени, газ, в основном же уголь. Однако в местах добычи твердого топлива вряд ли целесообразно пристраивать к ТЭС дорогостоящие МГД-установки, чтобы экономить дешевый уголь. Но на МГДЭС, считают исследователи Института высоких температур АН СССР (ИВТАН), можно организовать эффективную систему очистки дымовых газов от двуокиси серы.

Предположим, в плазму добавляют ионизирующиеся соединения щелочных металлов — например карбонат калия. Тогда, во-первых, повышается ее удельная проводимость, а во-вторых, в интервале температур от 1600 °C до 1200–1300 °C образуется соединение калия и серы — сульфат калия. Получившийся сульфат калия конденсируется по мере охлаждения газового потока, а при температуре 1100 °C он затвердевает.

Сульфат калия улавливается электрофильтрами, а затем в специальной шахтной печи восстанавливается водородом или метаном до сероводорода. Товарная сера получается из сероводорода при окислении, хотя выгоднее использовать и знакомый нам плазмохимический процесс. Согласно экспериментальным данным из дымовых газов удаляется в результате до 99,8 процента серы.

Можно ли применить столь эффективный метод очистки на обычной ТЭС? Здесь важно, как и на МГДЭС, уменьшение потери калия, иначе очистка окажется дорогой. Ученые ИВТАНа продолжают исследования.

В Петрограде в самый разгар гражданской войны была издана книга английского химика У. Рамзая «Элементы и энергия». Наша страна испытывала тогда топливный голод, и мысли ученого о новых источниках энергии и об ее экономии звучали весьма своевременно.

Автор убедительно показывал важность энергии в жизни общества. Когда человек ею обеспечен, он может посвятить свое время искусству, развлечениям, образованию. «Каким путем, например, Афинская республика достигла таких успехов литературы и философской мысли?» — спрашивает У. Рамзай. Ответ гласит: «У каждого свободного грека было в среднем по крайней мере пять рабов, исполнявших его приказания, разрабатывавших рудники, возделывавших его поля и вообще избавлявших его от физического труда».

Учитывая конечность запасов ископаемого топлива, английский ученый указывал также на необходимость бережно относиться к расходованию энергоносителей. «Мы должны, — говорил он, — рассчитывать главным образом на наши запасы угля как на источник энергии и на средство к обеспечению существования нашего населения; и мы должны стремиться к возможно более экономному расходованию угля… Хотя действительная потеря тепловой энергии в форме дыма невелика — не более полупроцента всего потребленного топлива, однако дым является видимым знаком напрасной растраты топлива и небрежного отопления… Мы совершенно избавимся от дыма введением штрафа в 6 пенсов за каждое нарушение соответствующего постановления».

И далее У. Рамзай предсказывал, что «изобретение, которое позволило бы нам превращать энергию угля непосредственно в электрическую энергию, произвело бы переворот во всех наших понятиях и методах, а такое изобретение теперь уже не представляется немыслимым».

Основания для подобных надежд породило открытие английского электрохимика Уильяма Грова. Когда он в 1839 году погрузил в банку с серной кислотой два платиновых электрода и один из них стал обдувать водородом, а другой — кислородом, то между электродами, как показала отклонившаяся стрелка гальванометра, стал течь электрический ток. Значит, в этом топливном элементе, а теперь электрохимическом генераторе (ЭХГ) при соединении водорода и кислорода энергия связи атомов превращается непосредственно в электрическую энергию.

Открытие не оценили тогда по достоинству, потому что примерно такие же электрохимические батареи, какие мы используем и сейчас, существовали и в те времена и в них тоже получали электрический ток. Источником энергии в батареях является окисление ценных металлов: никеля, свинца, цинка. Но для производства этих чистых металлов тратится энергии гораздо больше, чем затем удается высвободить в виде электроэнергии. С энергетической точки зрения процесс оказывается невыгодным.

Над проблемой экономии энергии тогда особенно не задумывались. Да и величина мощности топливного элемента была ничтожной. В итоге опыт У. Грова не произвел впечатления.

Однако к концу XIX века отношение к топливным элементам изменилось. По словам ученого Вильгельма Освальда, «если мы будем иметь элемент, производящий электроэнергию прямо из угля и кислорода воздуха, то это будет техническим переворотом, превосходящим по своему значению изобретение паровой машины».

Действительно, в таком элементе энергия электронов, выделяющаяся при связывании атома топлива (водорода, угля) с кислородом, выделится не в виде тепла, а даст электрический ток. Поскольку отсутствует тепловая стадия, то коэффициент преобразования энергии может быть очень высоким, равным почти 100 процентам.

Первые топливные элементы, появившиеся в конце XIX века, представляли собой угольный и железный электроды, которые погружались в расплавленную щелочь. При температуре 400–500 °C элемент вырабатывал электроэнергию.

Однако создать надежный и экономичный топливный элемент на угле не удается до сих пор. Возникает много технических проблем: коррозия электродов, большие потери энергии на подогрев электролита и т. д. Пока нет топливных элементов с использованием природного газа. Вперед вышли водородные топливные элементы, которые и были открыты У. Гровом.

Электрохимические генераторы на водороде работают ныне в космосе. Там они очень удобны, потому что в результате соединения водорода и кислорода образуется не только электрический ток, но и необходимая космонавтам вода. Во Всесоюзном институте источников тока испытываются ЭХГ и как источники энергии на электромобилях, в которых в качестве топлива применяется водород.

Заманчивее всего использовать в энергетике ЭХГ на природном газе. Для этого нужно сначала природный газ конвертировать в водород, который и сжигать затем как топливо. КПД существующих установок мощностью в десятки киловатт еще не очень высок, но если обогревать жилища выделяющимся теплом, то эффективность генератора может возрасти.

По мнению многих специалистов, ЭХГ особенно эффективны как пиковые электростанции. Уже созданы опытные системы мощностью в несколько мегаватт. Что же представляет собой электрохимическая энергетика? Откуда взять водород? Об этом пойдет речь дальше.

Водородная энергетика

На наших глазах набирает силу новая отрасль промышленности — водородная энергетика и технология. Потребность экономики в водороде идет по нарастающей. Ведь это простейшее и легчайшее вещество может использоваться не только как топливо, но и как необходимый сырьевой элемент во многих технологических процессах. Он незаменим в нефтехимии для глубокой переработки нефти, без него не обойтись, скажем, в химии при получении аммиака и азотных удобрений, а в черной металлургии с его помощью восстанавливается железо из руд.

Такие существующие виды органического топлива, как газ, нефть и уголь, тоже служат сырьем в этих или подобных процессах, но еще полезнее извлечь из них самый экономный и чистый энергоноситель — тот же водород.

Водород — идеальный экофильный вид топлива. Очень высока и его калорийность — 33 тысячи килокалорий на килограмм, что в три раза выше калорийности бензина. Он легко транспортируется по газопроводам, потому что у него очень малая вязкость. По трубопроводу диаметром 1,5 метра с ним передается 20 тысяч мегаватт мощности. Перекачка легчайшего газа на расстояние в 500 километров почти вдесятеро дешевле, чем передача такого же количества электроэнергии по линиям электропередачи. Как и природный газ, водород пригоден на кухнях для приготовления пищи, для отопления и освещения зданий. Чтобы продемонстрировать его возможности, американские энтузиасты построили «водородный дом», в котором даже для освещения используется водород.

Передавать водород в жидком виде — удовольствие очень дорогое, потому что для его сжижения нужно потратить почти половину энергии, содержащейся в нем самом. Кроме того, должна быть обеспечена идеальная теплоизоляция трубопровода, так как температура жидкого водорода очень низка.

Но предположим, мы решили качать по трубам жидкий водород. Один из путей снижения затрат — одновременно передавать электроэнергию по водородному сверхпроводнику. Чтобы поддерживать неизменной очень низкую температуру — минус 250 °C, придется создавать дорогостоящую теплоизоляцию. Но вот удивительно простое решение. Через определенное расстояние предлагается производить отбор из трубопровода образующегося газообразного водорода для потребителей, расположенных вдоль трассы, а часть жидкости испарять, отнимая тепло, и тем самым поддерживать необходимую температуру водородопровода.

Как топливо водород сжигается в двигателях ракет и в топливных элементах для непосредственного получения электроэнергии при соединении водорода и кислорода. Его можно использовать и как топливо для авиационного транспорта.

Водородная энергетика сулит ряд выгод. Поэтому за последние десять лет появилось много энтузиастов водородной энергетики, возникли их ассоциации, в том числе международная. В Советском Союзе работы по данной тематике координирует Комиссия по водородной энергетике АН СССР.

Десятки молодых ученых и специалистов собираются каждые два года в организованной ЦК ВЛКСМ школе «Атомно-водородная энергетика и технология». Школы проводились в Северо-Донецке, Ионаве в Литве, Туле и Баку, где обсуждались вопросы использования водорода в промышленности и быту. В работе школ участвуют ведущие специалисты, которые рассказывают об основных методах получения водорода, его хранения и транспортировки, а молодые ученые обмениваются опытом работы в этой интересной и перспективной области науки и техники. Так готовятся кадры для будущего. Работы специалистов публикуются в журналах и сборниках под названием «Атомно-водородная энергетика и технология».

Сейчас в мире получают около 30 миллионов тонн водорода в год, причем в основном из природного газа. Согласно прогнозам за 40 лет производство водорода должно увеличиться в 20–30 раз. Предстоит с помощью атомной энергетики заменить нынешний источник водорода — природный газ — на более дешевое и доступное сырье — на воду. Здесь возможны два пути.

Первый путь — традиционный, с помощью электрохимического разложения воды. В последние годы электролизеры существенно усовершенствованы. Созданы установки с КПД до 70–80 процентов. Однако они пока еще дороги. Хотя не все ресурсы на этом пути исчерпаны, здесь неустраним принципиальный недостаток — низкий общий КПД производства водорода. Если КПД производства электроэнергии равен 35 процентам, а электролизера — 70 процентам, то полный КПД составит около 23 процентов.

Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 3000–3500 °C, то водные молекулы развалятся сами собой. Однако смущает слишком высокая температура, неприемлемая для промышленного производства. Попробуем провести реакцию разложения воды не в один этап, а в несколько. Например, при невысокой температуре проведем реакцию взаимодействия кадмия с водой. В результате получим свободный водород и окись кадмия. Затем нагреем окись кадмия до 1200–1300 °C (а не до 3000–3500 °C, как это нужно было для прямого разложения воды) и при ее разложении получим кислород и кадмий, который снова можно использовать для реакции с водой. Таким образом, вода разложилась на водород и кислород в ходе двухступенчатой химической реакции.

Придумано очень много подобных термохимических циклов разложения воды, когда не нужно использовать электроэнергию, а только тепло — например энергию атомных реакторов. Применяя цепочки в три или четыре реакции, максимальную температуру можно понизить еще больше при КПД около 50 процентов.

Увы, реальные технологические цепочки еще очень сложны. Природа расставила немало преград. Так, необходимы громоздкие и дорогие теплообменные устройства. Не так просто разделить вещества, участвующие в реакции. Довольно велики потери материалов. Существуют и другие трудности. Ныне ведется отработка различных предложенных схем и поиск новых.

Оба способа получить водород из воды пока дороже, чем из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое-то время водород из воды станет дешевле. В отдельных случаях и сейчас выгодно получать водород с помощью электролиза в ночные часы, когда имеется лишняя и дешевая электроэнергия.

О реальном соотношении стоимостей производства водорода различными способами сообщается в монографии «Введение в водородную энергетику», изданной под редакцией академика В. Легасова. Оказывается, если пересчитать затраты на тонну условного топлива, то производство тонны водорода из природного газа обойдется в 80–150 рублей, при электролизе воды — в 90–200, в термохимических циклах — в 200–300; из воды с помощью энергии угля — в 100 рублей.

Обращает на себя внимание большой разброс в цифрах. Он отражает и неопределенность в технологиях, которые еще нужно осваивать, и разницу в цене на сырье (газ, уголь) или электроэнергию.

Не во всех случаях водород способен удачно заменить современные виды топлива, особенно жидкое. В последние годы у энергетиков широкое развитие получили работы по созданию синтетического жидкого топлива (СЖТ). Его можно получать из газа, угля, сланцев. Весьма заманчиво делать искусственное жидкое топливо из угля, запасы которого велики. Придумано несколько способов превращения угля в жидкую массу. В Швеции уже работает опытный завод по производству «флюидкарбона», который состоит из 65–80 процентов угля, 20–35 — воды и небольшого количества различных химических добавок — органических полимеров, полисахаридов.

Институт КАТЭКНИИуголь совместно с Институтом химии и химических технологий Сибирского отделения АН СССР предлагает растворять угли низшими алифатическими спиртами. Кстати, в этих процессах угольная масса существенно очищается от примесей серы.

К сожалению, жидкий уголь и жидкое углеводородное топливо — не одно и то же. В двигателях автомобилей и самолетов нужно топливо, подобное тому, которое получают из нефти, в нем на один атом углерода приходится около двух атомов водорода. Чем меньше атомов водорода приходится на один атом углерода, тем, как правило, при более высоких температурах углеводороды становятся жидкими.

В углях водорода меньше. В антраците его совсем мало, а в бурых углях типа канско-ачинских на атом углерода приходится всего лишь один атом водорода. Чтобы повысить содержание водорода в угольной массе, уголь измельчают и смешивают со специальной углеводородной жидкостью, которую выделяют из конечного жидкого продукта, а затем в эту пасту подают водород. При высокой температуре и давлении разрываются угольные кольцеобразные структуры, и к ним присоединяются дополнительные атомы водорода.

Такие процессы были изобретены давно. Еще в 20–30-е годы в Германии, Англии, СССР работали опытные установки. А во время второй мировой войны в Германии уже производилось несколько миллионов тонн синтетического бензина из угля; для этого требовалась очень дорогостоящая аппаратура. Особенно много проблем доставляло высокое (около 700 атмосфер) давление, при котором идет этот синтез.

В Институте горючих ископаемых благодаря использованию нового эффективного катализатора удалось снизить давление до 100 атмосфер. КПД такого процесса — около 50 процентов, а это значит, что из шести тонн канско-ачинского угля можно получить тонну СЖТ. Построены первые опытные установки. Однако нерешенные проблемы остаются. Например, неясно, удастся ли избежать больших потерь дорогого молибденового катализатора. Производительность установок еще мала. А ведь на их изготовление уходит большое количество высококачественных сталей. Пока неутешительны и оценки ожидаемой стоимости такого СЖТ.

Может быть, выгоднее окажутся способы непрямого сжижения угля? Например, сначала уголь газифицируется, а затем полученный газ в виде смеси CO, CH_4 и H_2 превращается либо в метанол (его уже можно использовать вместо бензина), либо в жидкие углеводороды. Из метанола дегидрированием можно получить и высокооктановый бензин. Сколько же это будет стоить?

Пока ответ очень приблизителен — от 60 до 300 рублей за тонну жидкого топлива. Нужно точнее? Для этого и продолжаются исследования, создаются новые и новые установки.

Предлагаются и полуфантастические способы получения водорода — например закачивать воду через скважины в магму. При взаимодействии воды с железом (если магма богата им) выделится водород. Но мало, очень мало. Даже по расчетам энтузиастов (как правило, завышенным), при закачке 70 тонн воды получим всего 230 килограммов водорода из 8 тонн, содержащихся в воде.

Японские и американские специалисты выдвинули менее сложный, но столь же впечатляющий проект. Представим в океане платформу площадью 10 квадратных километров, которая заполнена солнечными панелями, конденсаторами солнечной энергии, паровыми котлами, турбогенераторами и электролизерами. Производительность такого завода — 600 тонн водорода в сутки. Разложение морской воды не простая задача. Очень мешает растворенный хлор, соли, для выделения которых из воды предстоит еще разработать технологию.

Почему платформы размещаются в море? Там не нужно искать охлаждающую воду для турбин. Это уже выигрыш. Кроме того, там гораздо меньше пыли и грязи, между тем как солнечные панели, установленные на суше, требуют чуть ли не ежедневной очистки, иначе КПД их падает.

Водородная энергетика бурно развивается, но недаром все чаще говорят об атомно-водородной энергетике. Требуются большие энергетические расходы для получения водорода. Тандем «ядерный реактор — водородный генератор» претендует ныне на роль энергетического лидера в экономике XXI века.

Флагман энергетики

Передо мною страница служебного документа более чем тридцатилетней давности — «Оперативные записи начальника смены». Читаем:

Смена с 8.00 до 24.00; 26.04.54; принял Б. Батуров. Nтепл. = 15,8 МВт; Nэлектрическая ≈ 1,5 МВт; КПД ≈ 10 %.

Так в апреле 1954 года впервые в историй человечества был получен в атомной электростанции ток от энергии атома.

Электрическая мощность первой АЭС была невелика — всего 5000 киловатт. Новых турбин такой малой мощности в то время уже не выпускали. Как быть?

Монтажникам повезло: подходящую турбину нашли на одной из московских электростанций, но у ней оказался погнутым вал. Президент Академии наук СССР Анатолий Петрович Александров вспоминает, что нашелся тогда умелец, который выправил вал. Как показал первый же пуск, ремонт удался на славу — турбина исправно закрутилась.

Спустя несколько недель мощность электростанции подняли до проектной, и в газете «Правда» 1 июля 1954 года на первой полосе появилось сообщение:

«В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по проектированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью 5000 киловатт».

Успешное создание и работа этой АЭС стали важным событием по многим причинам. Прежде всего в какой-то мере был сломан психологический барьер — предубеждение людей против атомной энергии вообще. Пуск АЭС имел и политическое значение. Советский Союз своим примером показывал, куда должны быть направлены усилия ученых, специалистов: не на создание все более совершенных видов ядерного оружия, а на развитие мирной атомной энергетики. И конечно, в первую очередь пуск ознаменовал новый рывок научно-технического прогресса — первая атомная электростанция открыла путь десяткам других станций, сооруженных в последующие годы в разных странах мира.

Сейчас, по истечении более трех десятков лет, атомная энергетика технически повзрослела, стала надежнее, а общая ее мощность в нашей стране достигла почти 30 миллионов киловатт. Предусматривается убыстрение темпов ее дальнейшего развития. Уже к 1990 году энерговыработка атомных электростанций должна вырасти до 390 миллиардов киловатт-часов. К 2000 году атомные электростанции должны вырабатывать энергии в 5–7 раз больше. Согласно Энергетической программе «ускоренное развитие в европейской части страны ядерной энергетики позволит на рубеже XX и XXI веков в основном остановить рост трансконтинентальных потоков органического топлива с востока на запад».

Удастся ли достичь таких темпов, то есть вводить уже в двенадцатой пятилетке каждые два месяца в строй атомный блок мощностью миллион киловатт? А через десять лет темпы ускорятся — будет вводиться один такой блок ежемесячно. Без прочной развитой машиностроительной и электротехнической базы этого не сделаешь. И программа предусматривает необходимые меры.

К сожалению, атомные станции строятся еще очень долго. Так, в США возведение некоторых станций продолжалось 12 лет. В Японии же одна из АЭС была создана за рекордно короткий срок — всего за четыре года. Наши АЭС сооружались по-разному — есть и хорошие, и плохие примеры.

Длительные сроки строительства — это не только замороженные ресурсы, нужные народному хозяйству. Согласно расчетам приросту выработки электроэнергии в один киловатт-час соответствует прирост национального дохода в 40 копеек. Поэтому иногда говорят, что запоздание с вводом блока мощностью 1 миллион киловатт на один год может привести к недополучению 2 миллиардов рублей национального дохода. Конечно, такая оценка не совсем корректна, однако очевидны громадные потери в народном хозяйстве, связанные с недовыработкой электроэнергии. Развитие поточных методов строительства позволяет резко сократить сроки ввода блоков. Так, второй и третий блоки Запорожской АЭС вошли в строй всего за четыре года.

В настоящее время вырабатывают электроэнергию множество реакторов, существенно различных по конструкции. А лет двадцать назад для использования в энергетике предполагалось еще больше типов ядерных реакторов, и должны были пройти долгие годы, прежде чем исследователи, эксплуатационники смогли досконально изучить их и выбрать наилучшие.

У многих людей, судя по разговорам, отношение к атомным энергетическим установкам довольно настороженное. Поэтому имеет смысл рассказать, как работают АЭС, в чем их достоинства и недостатки.

Атомная электростанция в основном состоит из тех же элементов, что и обычная тепловая. Главное отличие — в генераторе энергии. На атомной станции вместо котла установлен ядерный реактор, вырабатывающий тепловую энергию, однако его принцип действия и источник энергии в нем другие.

В обычном котле используется химическая энергия органического топлива, то есть энергия связи атомов углерода и кислорода, выделяющаяся при окислении — горении того же угля.

В ядерном же котле-реакторе выделяется энергия связи нейтронов и протонов, освобождающаяся при делении ядра урана на части под воздействием нейтронов.

При делении ядер выделяется гораздо больше энергии, чем при соединении атомов: 20 миллионов килокалорий на один грамм разделившегося топлива. Сгорание же одного грамма угля высвобождает только 7 килокалорий — в три миллиона раз меньше. Чтобы получить миллион киловатт электрической мощности, в топку угольной электростанции нужно ежегодно загружать около трех миллионов тонн угля, а для АЭС будет достаточно и тридцати тонн. Правда, если химическая реакция горения начинается и при очень малых количествах топлива, то ядерная цепная реакция не начнется, если в реактор не загрузить достаточной массы расщепляющегося материала. Для типового реактора АЭС эта начальная критическая загрузка составляет около ста тонн урана.

Итак, АЭС расходует гораздо меньше топлива, чем ТЭС. Ее можно разместить в любой точке страны, потому что доставка ядерного горючего не представляет транспортных сложностей. Особый характер протекания ядерной цепной реакции требует и другого принципа управления ядерным реактором.

Сравнительно просто управлять двигателем автомобиля или форсунками, питающими топки котлов. Шофер увеличивает или уменьшает мощность двигателя с помощью педали газа. Чтобы автомобиль ехал быстрее, шофер нажимает на нее. Но увеличение мощности двигателя не будет беспредельным — в конце концов она достигнет максимума. Если шофер вернет педаль газа в прежнее положение, то к прежней величине вернутся и мощность двигателя, и скорость автомобиля.

В ядерном реакторе все происходит совсем не так. Если вывести из реактора стержень управления (аналог педали газа), то цепная ядерная реакция ускорится и мощность начнет расти практически беспредельно. Чтобы остановить рост мощности, нужно вернуть стержень управления в прежнее положение. Но при этом мощность реактора не вернется к прежней, а останется новой. Хотя принципиальная возможность беспредельного роста мощности существует. Практически в имеющихся типах реакторов безудержное деление ядер блокируется. Существуют механизмы так называемой «обратной связи», благодаря которым при возрастании мощности ухудшаются условия протекания ядерной цепной реакции и мощность падает. «Реактор останавливается», — говорят физики. Требования к системам управления и аварийной защиты ядерных реакторов значительно выше, чем к соответствующим системам котлов на органическом топливе.

Остановимся еще на двух особенностях ядерных реакторов, от которых зависит развитие атомной энергетики.

Атомный реактор невозможно «выключить» совсем и прекратить выделение в нем энергии. Если прервать цепную реакцию, то мощность ядерного котла падает до 6 процентов от той мощности, на которой он работал до остановки. Через час она будет составлять всего 2 процента, а позже еще меньше. Источник выделяющейся энергии — не деление ядер, а радиоактивное излучение осколков деления.

Это очень неприятная особенность. Чтобы после остановки не произошел перегрев конструкций реактора и их разрушение, нужно обеспечить «абсолютно» надежный отвод этого остановочного тепловыделения. Такие надежные системы теплоотвода обходятся достаточно дорого. Соответственно капиталовложения на сооружение АЭС в полтора-два раза выше, чем на строительство тепловой электростанции эквивалентной мощности.

Создают ряд проблем и радиоактивные излучения, испускаемые ядерным топливом во время работы реактора и после его остановки.

Какие же атомные котлы популярны ныне среди энергетиков?

В мире получили распространение примерно десять типов ядерных реакторов. Отличаются они видом теплоносителя — рабочего вещества, выбранного для отвода тепла из реактора. Это может быть вода, газ, органическая жидкость, расплав соли, жидкий металл. Тип реактора определяется и веществом-катализатором цепной реакции. Задача этого вещества — уменьшить энергию нейтронов, вылетающих при делении ядер. Такими веществами — замедлителями нейтронов обычно служат легкие элементы — водород воды, углерод, бериллий, тяжелая вода.

Комбинации различных теплоносителей и замедлителей создают многообразие реакторов. В нашей стране наибольшее развитие до конца века получат реакторы типа ВВЭР — водо-водяные энергетические реакторы.

Что они собой представляют?

Прежде всего в глаза бросается двадцатиметровый металлический цилиндр с диаметром около четырех метров. В нем под давлением 170 атмосфер циркулирует вода, отводящая тепло от активной зоны реактора. Затем это тепло через теплообменник передается воде второго контура, которая превращается в пар и направляется в турбину.

Активная зона — сердце реактора. Здесь происходит цепная реакция деления. В зоне — несколько десятков тысяч герметичных трубочек из циркония, омываемых водой. В трубочках сантиметрового диаметра находится ядерное топливо — двуокись урана. Тепло, выделяющееся в уране, через стенки трубок передается протекающей вдоль них воде.

Реакторы ВВЭР вырабатывают миллион киловатт электрической мощности. Они установлены на Воронежской, Запорожской, Балаковской и многих других АЭС.

В СССР разработаны и сооружены еще более мощные реакторы. Устроены они несколько по-другому. Трубочки с топливом, в реакторной технике они называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами), размещены в отдельных каналах — циркониевых трубах. Каналы проложены в графитовых блоках. Из этих блоков можно собрать реактор очень большой мощности и размеров. Ведь для него не нужно массивного металлического корпуса, несущего давления. Такой реактор типа РБМК (реактор большой мощности, канальный) установлен на Игналинской АЭС в Литве. Его мощность 1,5 миллиона киловатт.

В конце концов атомные станции будут работать не только в режиме постоянной, но и переменной нагрузки, отдавая разную мощность в течение суток и недели. Ночью останавливается работа части заводов и фабрик, засыпают города, и потребность в электроэнергии падает. Нужно уменьшить мощность электростанций, а некоторые, использующие такое органическое топливо, как мазут или газ, даже остановить. Энергетические нужды пусть обеспечивают атомные станции, которые должны в ночное или воскресное время продолжать работать с максимально возможной нагрузкой. Сейчас общая мощность АЭС составляет от полной мощности всех электростанций всего около 10 процентов. Вроде бы пока нет потребности снижать нагрузку АЭС по ночам. Однако на деле все происходит не совсем так, как хотелось бы. Уже сейчас диспетчеры центральной и региональных электроэнергетических систем вынуждены давать команду на снижение мощности ядерных реакторов в ночные часы, а также по субботам и воскресеньям. В чем же дело?

К сожалению, не в «пустяке». Часть электростанций, сжигающих органическое топливо, нельзя останавливать. Нецелесообразно даже менять их мощность. Они практически исчерпали свой ресурс, и их изношенное оборудование лучше эксплуатировать в режиме спокойной, постоянной работы. В противном случае оно может выйти из строя. В Энергетической программе предусмотрена реконструкция старых станций, мощность которых на сегодняшний день составляет несколько десятков миллионов киловатт.

Важную роль в электроэнергетике продолжают играть теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). В них наряду с выработкой электроэнергии получают почти «даром» и тепло отработанного пара, вращавшего ротор турбины. Многие ТЭЦ расположены вблизи городов и потому используют, как правило, не дешевый уголь, а дорогостоящие газ или мазут. Казалось бы, выгодно уменьшить ночью мощность этих станций, экономить углеводородное топливо, а нужный минимум энергии пусть обеспечивается АЭС!

Увы, при снижении электрической мощности ТЭЦ одновременно снизится и количество отбираемого пара, теплом которого отапливаются дома, фабрики, заводы. Правда, положение тут не безвыходное. Уменьшая мощность, пар для отопления можно отбирать не от турбин, а прямо от паровых котлов. Для этого на ТЭЦ нужно установить бойлеры — теплообменники, в которых тепло пара передается воде, поступающей в системы отопления.

Как будто бы все ясно и понятно. Нужно в срочном порядке реконструировать ТЭЦ. Дооборудование — дело несложное, а благодаря снижению мощности ТЭЦ удается сэкономить миллионы тонн органического топлива. Но посмотрим на реконструкцию с точки зрения эксплуатационников. Из-за бойлеров ухудшится такой важный нормативный показатель, как удельный расход топлива на выработку единицы энергии. По нему оценивается работа энергетиков. Чем ниже удельный расход, тем выше премия. Значит, мощность им снижать невыгодно? Как же быть? Энергетической программой предусматривается устранение подобных организационных неувязок.

Уже сейчас, а тем более в будущем атомной энергетике надо научиться работать в маневренных режимах. Придется поэкспериментировать, создать и отработать некоторое новое оборудование. В первую очередь предстоит усовершенствовать тепловыделяющие элементы, в которых заключено ядерное топливо.

У атомной энергетики еще младенческий возраст: чуть более тридцати лет. Говорить, что ей уже неведомы проблемы, столь же неверно, как утверждать: «Ребенок родился — стало быть, трудности позади». Но родители знают: с рождения ребенка проблемы только начинаются.

Атомной энергетике предстоит научиться производить тепло не только для турбин электрогенераторов, но и для отопления жилищ, для различных технологических процессов. Иначе в предстоящие 15–20 лет придется отправлять с Востока на Запад минимум вдвое-втрое больше железнодорожных составов с углем.

Чтобы избежать столь нерадостной перспективы, уже началось сооружение атомных теплоэлектроцентралей (АТЭЦ) вблизи Одессы и Минска. Затем последуют Волгоградская и Харьковская АТЭЦ и десятки других вблизи крупных городов европейской части СССР.

Исключительно одно лишь тепло производят специальные атомные станции теплоснабжения (ACT), подобные котельным на органическом топливе. Для отопления и горячего водоснабжения городов нужна вода вдвое «холоднее», чем в АЭС, — с температурой не больше 150 градусов. Уменьшить нагрев вдвое — значит вдесятеро снизить давление в корпусе реактора ACT. Корпус же — ответственнейший элемент реактора. Его диаметр — 6 метров, а длина — 15. В состав ACT входят два таких реактора. Мощность каждого — 500 тысяч киловатт. Оба они способны обогреть город численностью около 300 тысяч человек.

ACT обычно располагается в непосредственной близости от города. Конструкторы позаботились о гарантиях ее надежной работы, об отводе остаточного тепловыделения после какой-либо вынужденной остановки реактора. Например, основной корпус окружен вторым корпусом — «страховочным». Если реактор остановился, то тепло — благодаря естественной циркуляции воды за счет разности температур — отводится даже в случае выхода из строя основных циркуляционных насосов. А при работе на мощности тепло передается потребителю через специальный промежуточный контур. Другими словами, вода из реактора никак не сможет попасть в теплосеть.

Пожалуй, не случайно первые ACT появились в СССР. Ведь большинство из нас проживает в довольно холодных северных широтах. Посмотрите на географическую карту — вся территория США лежит южнее широты Киева. Поэтому нам приходится очень много энергии тратить на отопление жилищ и производственных помещений. Вот почему мы и через годы будем с такой же признательностью, как и первую АЭС, вспоминать атомные станции теплоснабжения под Горьким и Воронежем.

Еще не набрали силу атомные станции, вырабатывающие тепло, а в конструкторских бюро уже спроектированы станции для обеспечения теплом промышленности. «На их основе, — говорится в Энергетической программе, — будут созданы ядерно-технологические комплексы».

Невозможно было «эволюционным» путем создать реакторы для выработки высокотемпературного тепла. Здесь нужно было не модернизировать существующие типы ядерных котлов, а найти принципиально новое решение. И оно было найдено. В активной зоне реактора решили использовать температуростойкий конструкционный материал — графит. Он не плавится, а только возгоняется при очень высокой температуре — 3700 градусов. Из графита выполнены как опорные конструкции, так и стенки активной зоны. Необычны и тепловыделяющие элементы, в которых спрятано ядерное топливо: они имеют форму сферы размером в бильярдный шар. Внутри каждого шара несколько тысяч комочков двуокиси урана в «скорлупах» из пирографита и карбида кремния.

В активной зоне реактора шары насыпаны беспорядочно, как горох в банке. Через пустоты между шарами продувается инертный благородный газ — гелий. Проходя через засыпку, гелий нагревается до 900–1000 градусов и потом отдает тепло потоку тех или иных технологических газов. С помощью этого тепла при 800–900 градусов из природного газа выделяют водород, осуществляют «паровую конверсию метана». При соединении метана и паров воды в присутствии катализатора образуется смесь водорода и окиси углерода, или восстановительный газ, который можно использовать в металлургии для извлечения железа из руд, в химической промышленности — для производства аммиака и затем азотосодержащих удобрений. При глубокой переработке нефти тоже незаменим водород, который позволяет увеличить «выход» жидкого топлива для автотранспорта, самолетов, дизельных тепловозов. Высокотемпературные реакторы способны наполовину сократить расход природного газа при получении водорода.

Соединение энергии ядерного котла с процессом паровой конверсии метана помогает также решить проблему обеспечения горячей водой и паром рассредоточенных потребителей. Ведь по территории нашей страны разбросаны десятки тысяч поселков и небольших городов, многие удаленные от крупных населенных пунктов промышленные и сельскохозяйственные предприятия.

Паровая конверсия метана предоставляет возможность дальней «хемотермической» передачи энергии от крупного ядерного центра к этим разбросанным объектам. Для этого смесь водорода и окиси углерода охлаждается, отдавая свое тепло поступающим на реакцию метану и воде, и с помощью компрессора передается по газопроводу к месту потребления. Там в присутствии специального катализатора при температуре 400–600 °C проводится обратная реакция — соединение окиси углерода и водорода. При этой реакции выделяется энергия и восстанавливаются исходные вещества — метан и вода. Метан по отдельному газопроводу возвращается на атомную станцию, чтобы снова принять участие в химической реакции, — цикл повторяется. Как видим, тепло от реактора может быть в химически связанном виде передано на любое практически необходимое расстояние.

Колоссальными возможностями обладает ядерная энергетика, но и она не избавлена от недостатков. На Востоке говорят: «Даже роза дает тень». Одна из сложных проблем — где взять топливо для реакторов.

Топливная проблема в ядерной энергетике ставится по-другому, чем в энергетике нефти или газа. Если атомная станция вырабатывает электрическую мощность в один миллион киловатт, то за проектный срок службы она израсходует около 5 тысяч тонн урана. Казалось бы, не так много по сравнению с общими запасами этого радиоактивного элемента. Беда в том, что он содержится в земных недрах не столько в рудных залежах, сколько в рассеянном виде, и его концентрация в породах очень низкая. Добыча ядерного топлива обходится весьма дорого.

Не дешевле ли извлекать уран из морской воды — там его около 3 миллиардов тонн? Хватит для снабжения топливом в течение трехсот лет почти ста тысяч АЭС!

Увы, это обойдется в 10–20 раз дороже разработки рудных месторождений. Они-то и служат в настоящее время основным источником ядерного горючего.

По данным Международного агентства по атомной энергии, в сравнительно доступных для разработки рудных залежах сосредоточено во всем мире около 8–10 миллионов тонн урана. На таких запасах ядерная энергетика сможет просуществовать лишь несколько десятков лет. Ситуация такая же, как с нефтью и газом: дешевого сырья значительно меньше дорогого. Действительно, нефти тоже под землей много, нужно только поглубже бурить и тратить больше средств на добычу.

Но у ядерной энергетики есть одна коренная отличительная особенность. На ядерных энергетических станциях можно в принципе, кроме электроэнергии, производить также искусственное ядерное горючее. Оно, правда, обходится дороже, чем природный уран из рудных жил, однако по мере истощения дешевых месторождений придется разрабатывать все более труднодоступные и малорентабельные залежи или заниматься рудами с малой концентрацией радиоактивного сырья. Когда же стоимость добываемого природного урана сравняется со стоимостью искусственного ядерного топлива, атомная энергетика станет производить ядерное горючее на специальных промышленных атомных фабриках. При этом его стоимость возрастет в 3–4 раза и далее останется стабильной на сотни лет.

В 1973 году такая необычная атомная станция заработала в пустынной местности полуострова Мангышлак на берегу Каспийского моря в крае, богатом минеральными ресурсами, но бедном электроэнергией и пресной водой. Для жителей города Шевченко она стала давать электроэнергию и пресную воду, а для атомной энергетики — искусственное топливо — плутоний. Новая станция получила название БН-350. Это значит, что она работает на быстрых нейтронах и в качестве теплоносителя использует в реакторе натрий в жидком расплавленном виде, а 350 — электрическая мощность, которую можно было бы получить, если бы все полученное тепло превратилось в электроэнергию. На самом деле установка дает только 150 мегаватт электроэнергии, а остальное тепло расходуется на производство 120 тысяч тонн пресной воды в сутки.

Во всех отношениях ввод в действие первого промышленного реактора на быстрых нейтронах стал большим достижением советской атомной энергетики и вызвал значительный интерес за рубежом. Успех пришел не случайно. Быстрые реакторы давно привлекали внимание советских ученых. Ранее в Физико-энергетическом институте в городе Обнинске была создана и исследована целая серия подобных установок малой мощности. В Научно-исследовательском институте атомных реакторов в Дмитровграде вскоре вступил в строй опытный реактор БОР-60 мощностью 60 тысяч киловатт. В 1973 году пришла очередь БН-350, и затем последовали БН-600 и БН-800.

Каким же образом создается искусственное топливо?

Дело в том, что когда в реакторе на быстрых нейтронах сжигается ядерное горючее, то одновременно создается новое в количестве, превышающем сгоревшее. Топливо размножается? Да! Поэтому установку БН-350 и подобные ей стали называть реакторами-размножителями на быстрых нейтронах.

Новое топливо — делящееся ядро плутония-239 — образуется при поглощении нейтрона «сырьевым» ядром урана-238. Этот изотоп почти не делится, но в природном уране его в 140 раз больше, чем делящегося изотопа урана-235. Вот почему его очень выгодно превращать с помощью нейтронов в делящийся изотоп — плутоний-239. Сделать это непросто. Например, для расширенного воспроизводства искусственного ядерного топлива не годятся реакторы на тепловых нейтронах, в которых используется уран-235. В них просто не хватает нейтронов, вызывающих деления ядер, в момент расщепления вылетает всего в среднем 2,5 свободного нейтрона. А в реакторе-размножителе типа БН-350 — их уже 3.

Казалось бы, разница столь незначительна, что вряд ли она играет какую-нибудь роль, тем более что половинок нейтрона вообще нет в природе. Это — статистическая величина: в одном случае при делении вылетит всего два нейтрона, в другом — три, а в среднем — 2,5.

В реакторе на быстрых нейтронах расщепляющееся ядро плутония испускает и два и четыре, но в среднем будет 3.

Предположим, при распаде ядра рождаются три нейтрона. Один из них вызовет деление другого делящегося ядра, и цепная реакция не затухает. Если один из двух оставшихся нейтронов поглотится ядром урана-238, то будет образовано ядро плутония-239 и тем самым осуществится воспроизводство ядерного горючего, так как на каждое «сгоревшее» ядро будет произведено одно новое делящееся. В результате реактор может работать бесконечно долго, потребляя только уран-238.

Но простое воспроизводство нас не удовлетворит, надо добиться воспроизводства расширенного, а для этого создать дополнительно еще одно ядро плутония-239. С помощью последнего — третьего — нейтрона из урана-238 и можно получить дополнительный плутоний.

К сожалению, от 30 до 60 процентов столь нужных «третьих» нейтронов либо улетает из реактора, либо поглощается в различных конструкционных материалах. Зато оставшиеся 40–70 процентов поглощаются ураном-238, производя плутоний-239. Другими словами, каждое сгоревшее в реакторе ядро плутония-239 оборачивается 1,4–1,7 нового делящегося ядра. Так выглядит расширенное воспроизводство ядерного горючего.

Как эффективнее осуществить его?

Оказалось, выгодно активную зону реактора охлаждать натрием, отличающимся сравнительно большим атомным весом — 23. Если же отводить тепло с помощью воды, то ее легкие ядра водорода замедлят быстрые нейтроны до тепловой энергии, и тогда существенно увеличится их вредное поглощение, ухудшится воспроизводство плутония-239.

Создание эффективных реакторов-размножителей на быстрых нейтронах обеспечивает практически безграничные ресурсы ядерного топлива. Благодаря этому атомная энергетика сможет сыграть важную роль в решении энергетических проблем будущего.

Как почти любой вид промышленной деятельности, работа атомных станций оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду и человека. Особенно настороженно люди относятся к радиоактивному излучению, которое наиболее специфично для атомной энергетики. Безусловно, одна из важных причин необоснованной тревоги — неосведомленность. У многих в памяти ужасы Хиросимы и Нагасаки. И атомная энергетика невольно отождествляется с атомной бомбой.

Между тем защите обслуживающего персонала и населения от вредного влияния излучений уделяется не просто большое, а по сравнению с другими производствами громадное внимание. Но здесь очень важен психологический фактор. Излучения не видно. Оно не пахнет. Его не почувствуешь. В такой ситуации человеку кажется, что он беззащитный.

На самом деле радиация — явление для человека не новое. Всегда люди жили, не зная об этом, в потоках разнообразных лучей. Излучение ядер было открыто на рубеже веков, и долгое время о нем знали только ученые. Но теперь большинство людей, по крайней мере у нас в стране, знают, что излучение электронов, нейтронов, гамма-квантов окружает нас со всех сторон. Достаточно вспомнить рентгеновские установки в больницах, часы со светящимся циферблатом, космические лучи, телевизор, гранитные породы и строительные материалы. Для надежной защиты от излучений следует установить допустимые нормы и обеспечить, чтобы они не превышались.

Излучение природных, естественных источников сопровождало всю предыдущую эволюцию человека как биологического вида. В процессе эволюционного развития и естественного отбора человек «привыкал» к тем уровням излучений, которые существуют в природе. В последнее столетие к естественному излучению прибавилось искусственное, или техногенное, обусловленное деятельностью человека. Каково же соотношение между естественным и техногенным излучением?

В атмосфере, воде, растениях и человеческом организме имеются радиоактивные элементы типа калия-40 и углерода-14. Они образуются под влиянием космического излучения и разными путями попадают в наш организм. Ежеминутно в человеческом теле распадается около полумиллиона радиоактивных ядер. При этих распадах организм облучается гамма-квантами и электронами. Если люди находятся рядом, то один облучает другого.

Сравним его с уровнем техногенного облучения. Один из английских атомников привел такое образное сравнение: «Человек, проживающий вблизи атомной станции, подвергается примерно такому же облучению, которое получит за восьмичасовой рабочий день от сидящего рядом сослуживца». А вот более точные данные по облучению населения ФРГ. В этой стране большие мощности атомной энергетики сочетаются с высокой плотностью населения. В среднем каждый западный немец ежегодно получает за счет естественного облучения дозу 115 миллибэр, а доза техногенного облучения за счет рентгено- и радиоизотопной диагностики, радиоактивности строительных материалов и других источников уже сейчас почти вдвое больше — 225 миллибэр. Если даже мощность германских АЭС достигнет 20 миллионов киловатт, каждый житель ФРГ получит от них дозу облучения всего в 0,25 миллибэра, то есть не более одной десятой процента от общей дозы. Даже авиапутешествие на десятикилометровой высоте чревато большей радиационной опасностью…

Отсюда видно, что радиоактивное излучение работающей АЭС практически безвредно и составляет лишь малую долю того, что человек получает от других источников излучения.

Конечно, это справедливо лишь при работе в нормальном режиме. В случае аварии высвобождение радиоактивности увеличивается многократно и величина облучения может существенно возрасти.

Авария любой сложной и достаточно крупной промышленной системы или отдельного оборудования может приводить к гибели людей, будь то падение пассажирского авиалайнера или взрыв на угольной шахте. Памятна многим авария на химическом заводе в Бхопале, сразу унесшая около двух с половиной тысяч жителей близлежащего города, а сейчас пострадавших уже около 30 тысяч. Это событие будет иметь и генетические последствия.

Авария на Чернобыльской атомной станции также привела к гибели людей, но только из числа тех, кто непосредственно участвовал в ликвидации аварии. Велик и материальный ущерб от этой аварии. Ведь в него входят не только стоимость блока АЭС или потери от недовыработки энергии. Большие затраты будут связаны с захоронением аварийного блока, дезактивацией и отчуждением части территории из пользования, эвакуацией населения.

Конечно, при создании атомной станции должны учитываться возможные поломки оборудования, отказы различных систем, ошибки персонала, и этот учет является обязательным при ее проектировании и проведении конструкторских и научно-исследовательских работ. Рассматриваются различные «потенциальные» аварии и необходимые технические меры по их локализации и предотвращению развития. С этой целью ядерный реактор оборудуется различными аварийными системами: энергопитания, расхолаживания, герметизации. Правила при таком проектировании достаточно строги.

Так в соответствии с этими правилами в качестве первопричины аварии должен рассматриваться не только отказ любой одной системы, но и совпадение этой поломки с еще одной не обнаруженной до аварии поломкой другой системы.

И все же приведшая к взрыву авария на Чернобыльской АЭС показала, что нужно еще более тщательно и строго рассматривать возможные виды «потенциальных» аварий и меры по их локализации.

Работа по повышению безопасности АЭС интенсивно ведется у нас и в других странах мира. Почти в полтора раза возросла за последние десятилетия стоимость АЭС за счет совершенствования и введения дополнительных систем и оборудования, обеспечивающих безопасность.

Наиболее ответственное звено в ядерном топливном цикле — его завершающий этап, захоронение радиоактивных отходов. Для их надежного изолирования разработаны такие способы, как цементирование, битумирование и стеклование.

Эти способы проверены в реальных условиях, в том числе в различных непредвиденных обстоятельствах — например, когда в хранилища проникают грунтовые воды.

По сей день изыскиваются самые надежные и дешевые методы предотвращения какого-либо радиоактивного загрязнения окружающей среды. Такое серьезное отношение к захоронению отходов — залог того, что атомная энергетика есть и будет одним из самых чистых источников энергии.

Энергетические реки текут вспять

Куда исчезает энергия?

В реках энергетических течение обратное рекам земным. Мощные потоки газа, угля, нефти, воды и ядерного топлива разделяются по перерабатывающим заводам и фабрикам; попадают на электростанции. Потом энергия мелкими речками растекается по предприятиям и городам. Ручейки ответвляются к цехам, домам, бензоколонкам. И уже струйки ее попадают в печи, электромоторы, квартиры.

Энергия рассеивается и исчезает.

Исчезает? Где? Насколько полезно мы ее использовали?

За всеми ручейками, текущими вспять, не проследишь. И невозможно выявить все щели и поры, по которым происходит утечка, пропадает добро. Еще труднее рассказать о всех способах борьбы с ненужными потерями. И все же попытаемся пройти по некоторым энергетическим руслам.

Прежде всего около половины всех энергетических ресурсов поступает на выработку электроэнергии, а также нагревание воды и пара как теплоносителей. Все остальное топливо непосредственно сжигается в печах, двигателях. Четверть ресурсов тратится в промышленности, а еще одна четверть — на транспорте, в сельском хозяйстве и коммунально-бытовой сфере.

Такой срез не дает полного представления о том, сколько же в целом какая-либо отрасль потребляет энергии. Например, транспорт или сельское хозяйство не только используют топливо непосредственно, но получают также электроэнергию, горячую воду, пар.

Если учесть и эти поступления, то основным потребителем энергии окажется промышленность — около миллиарда тонн условного топлива в год. Из них около четверти потребляют черная и цветная металлургия, примерно столько же — нефтехимическая и химическая промышленность, включая нефтепереработку, а машиностроение и металлообработка — одну шестую часть.

У энергетиков есть такое понятие — «конечная энергия», то есть энергия на выходе с последней ступени ее преобразования. Она и поступает народному хозяйству. Она может иметь вид электроэнергии, тепла различного потенциала, механической энергии. Доля конечной энергии от первичной, содержащейся в добываемых энергетических ресурсах, составляет всего две пятых. Шестьдесят процентов энергии исчезает на пути к потребителю. Что же происходит дальше?

Рассмотрим пример — сколько энергии нужно для обработки детали на токарном станке. Предположим, из шахты или скважины добыто 100 единиц энергии. Вот ее дальнейшая судьба:

Поступило / Потеряно

100 / 10 истрачено на собственные нужды: при транспортировке на электростанцию

90 — на электростанцию / 5 с отходящими дымовыми газами

85 — для генерации пара / 53 с охлаждающей водой в конденсаторе

32 — механическая энергия ротора турбогенератора / 2 в электрогенераторе

30 — в трансформаторы линии электропередачи / 2 на собственные нужды электростанции

28 — в линии электропередачи / 3 при передаче электроэнергии

25 — на электропривод станка / 6 в электроприводе станка

19 — на вращающийся вал станка / 17,5 на преодоление сил трения и отдано охлаждающей воде

1,5 — для обточки детали — необходимая энергия преодоления межмолекулярных сил

Читателю легко подсчитать — всего одна шестьдесят пятая часть энергии пошла на дело, остальная бесполезно рассеялась в пространстве.

Рассмотренная цепочка со столь обескураживающим результатом отнюдь не единственная. Примечательно, что очень часто мы прямо-таки разбрасываемся энергией на последних этапах ее утилизации. Так, в электрических лампах накаливания всего несколько процентов подводимой к ним энергии превращается в свет, остальная же уходит на обогрев атмосферы. При производстве минеральных удобрений лишь около половины энергии идет на получение полезного аммиака, а из них на последнем этапе растениям достается не более двух пятых.

В итоге используется лишь малая часть добытой первичной энергии.

Чем же вызываются такие потери и нельзя ли их уменьшить?

Вернемся к рассмотренному примеру. Для резания металла нужно преодолеть силы межмолекулярного сцепления. Но резец выполняет не только эту работу. Скорее, почти совсем не эту. Резец сминает металл, крошит его, тратит энергию на трение. Хотя исследовательско-конструкторская мысль всячески стремится улучшить процессы резания, они еще очень далеки от совершенства. Поэтому там, где это возможно, применяются и другие методы обработки металла — электроискровой, штамповка деталей из порошков, прокатка.

А потери в электроприводе станка можно уменьшить путем создания более эффективных электродвигателей, шестеренчатых пар, подшипников, смазочных материалов.

Теперь обратимся к самому главному источнику потерь — конденсатору турбины. Более шестидесяти процентов тепла, содержащегося в перегретом паре, не переводится в энергию вращающегося ротора турбины, а выбрасывается здесь в виде тепла при температуре 30–35 градусов. Такое большое рассеяние энергии в пространстве обусловлено основными законами термодинамики.

Более четырех с половиной веков прошло с тех пор, как гениальный мыслитель, художник, инженер Леонардо да Винчи, по сути дела, сформулировал первое начало термодинамики — закон сохранения энергии. Некоторое время тому назад в национальной библиотеке Мадрида были обнаружены две его неизвестные ранее рукописи. Одна из них начинается с вывода о бессмысленности вечного двигателя: «Стремление создать вечное колесо — источник вечного движения — можно назвать одним из бесполезных заблуждений человека. На протяжении многих столетий все, кто занимался вопросами гидравлики, военными машинами и прочим, тратили много времени и денег на поиски вечного двигателя. Но с ними происходило то же, что и с алхимиками: всегда находилась какая-нибудь мелочь, которая якобы мешала успеху опыта. Моя небольшая работа принесет им пользу: им не придется больше спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив своих обещаний».

Но не хотели изобретатели внять смыслу слов Леонардо да Винчи. Ведь все на земле вечно: моря, океаны, ветры, реки. Почему бы не быть и вечному двигателю? И появлялись новые и новые проекты.

Через сто лет голландец Симон Стевин написал трактат «Начало равновесия», где высказывалась мысль о невозможности вечного движения. И опять — глас вопиющего в пустыне. Лишь в 1770 году Парижская академия наук постановила не рассматривать проекты вечных двигателей.

Атаки на первый закон термодинамики продолжались еще почти два столетия. Пожалуй, они сошли на нет в основном потому, что внимание неуемных ниспровергателей переключилось на второй закон термодинамики. А ведь и он был сформулирован довольно давно.

В 1824 году лейтенант французского генерального штаба Сади Карно, сын математика Лазаря Карно, издал труд под названием «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

В этой работе С. Карно доказывал: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития, ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете и происходит перенос теплорода».

Согласно второму закону термодинамики теплота — это особая форма энергии, и самопроизвольное превращение ее в другие формы невозможно, для этого обязательно нужны какие-либо рабочие тела.

Давайте рассмотрим любой цикл превращения тепла в механическую энергию. В качестве рабочего тела возьмем аммиак, который в теплообменнике разогревается до 127 градусов. Пар направляется в турбину и вращает ее. Затем отработанный пар с температурой 27 градусов переводится в жидкое состояние, отдавая тепло в конденсаторе в окружающую среду. Жидкий аммиак насосом перекачивается в теплообменник-нагреватель. Цикл повторяется снова. Каков же его КПД?

Еще С. Карно определил: в идеальном цикле доля потерянного тепла равна отношению минимальной температуры цикла (выраженной в градусах Кельвина, которые отсчитываются от абсолютного нуля, то есть от минус 273 градуса по шкале Цельсия) к максимальной. В нашем случае это отношение (273+27)/(273+127)=400/300=0,75. Если доля потерянного тепла равна 0,75, то оставшаяся четверть перешла в механическую работу. Это и есть максимальный теоретический КПД такого цикла. Реальный же из-за дополнительных потерь еще ниже и составляет не больше 15 процентов.

Единственный путь увеличения КПД — это повышение максимальной температуры. Если она будет 527 градусов, то доля потерь составит всего 300/800=0,38. Значит, идеальный КПД: 1–0,38=0,62, а реальный поднимется до 35–38 процентов. Примерно таков КПД в современных конденсационных станциях, использующих в качестве рабочего тела воду.

Конечно, можно добиваться и более высокого КПД. Однако рост его с дальнейшим повышением температуры замедляется. Подъем температурного максимума еще на 100 градусов даст повышение КПД только на 3 процента. К тому же установка сильно усложнится, придется применять дорогостоящие материалы. По сути дела, 35–38 процентов — это предельный КПД для электростанций с паровыми турбинами.

Столь суровое ограничение побуждает некоторых «изобретателей» как-то обойти второй закон термодинамики.

Известны многочисленные прожекты вечного двигателя второго рода. В отличие от «старых» вечных двигателей для их работы нужна энергия. Но черпать ее предлагают просто из окружающей среды, не производя механическую работу, не организуя потоки тепла от более нагретого тела к холодному. Соответственно никуда не сбрасывается тепло.

Второй закон термодинамики отвергает возможность создания такого двигателя. Как уже отмечалось, доля теряющегося тепла в цикле Карно равна отношению минимальной температуры цикла к максимальной. Но если мы хотим черпать энергию из окружающей среды, не сбрасывая ее, то максимальная температура становится равной минимальной. Следовательно, налицо нулевой КПД.

Хотелось бы сделать небольшое отступление и рассеять одно ложное впечатление, если оно нечаянно возникло. Автор совсем не хотел сказать, что все сложившееся в понимании природы нужно принимать на веру и ни в чем не сомневаться. В сомнениях, неведении есть и хорошая сторона — они дарят неизменную радость открытия. Нельзя терять ощущение своего невежества и менять радость поиска на догму. Сократ слыл мудрецом не потому, что знал все, а потому, что и в самом зрелом возрасте знал, что ничего не знает. И все же, изобретая или шагая к открытию, нужно уважать законы природы.

Значит, нельзя черпать энергию из воздуха, воды, земли вокруг нас? Нет, закон не так суров. Тепло окружающей среды можно утилизовать, но не даром. Для этого нужно произвести работу.

Например, что изменится, если рассмотренный выше цикл с аммиаком провести наоборот? Вот как он тогда будет выглядеть.

Если ранее в теплообменнике-нагревателе мы разогревали аммиак, то теперь подадим в него аммиак, уже разогретый до температуры 65 градусов, и охладим, передав тепло, например, воздуху помещения. Охлажденный до 20 градусов аммиак пропустим через расширитель-дроссель (ранее это был насос). Давление снизится, аммиак охладится до 2 градусов и перейдет в полужидкое состояние. Затем в испарителе (в прямой схеме это был конденсатор) подведем тепло извне из окружающей среды и испарим жидкость. Полученный газ сожмем в компрессоре (ранее это была турбина). Подогретый при сжатии до 65 градусов газ снова направим в теплообменник и тем самым замкнем цикл.

Что же дало нам обращение обычного термодинамического цикла, широко используемого в энергетике? В испарителе мы забрали тепло у окружающей среды при температуре около двух градусов, соответствующей холодному времени года. С помощью другого теплообменника при 65 градусах подогревался воздух в помещении. Значит, можно обогревать жилые дома теплом окружающей среды, которого много, очень много и в воздухе, и в воде рек, озер, морей? Весь вопрос в том, дорого ли это обойдется. Не дешевле ли обогреваться привычным способом, сжигая органическое или ядерное топливо?

Чтобы ответить на этот вопрос, придется проделать нужные вычисления. Цикл у нас обратный, значит, и считать нужно наоборот. Раньше отношение температур было равно отношению потерянной энергии, отданной окружающей среде, к подведенной. Теперь же отношение максимальной температуры к минимальной выражает отношение тепла, подведенного в жилое помещение и забранного у окружающей среды. Для температур 65 градусов и 2 градуса оно равно (273+65)/(273+2)=338/275=1,25. Тепла для обогрева помещения получилось на четверть более, чем мы его забрали от окружающей среды. Эта разница и есть та работа, которую мы должны были проделать, чтобы передать тепловую энергию от тела с меньшей температурой к нагреваемому воздуху жилых помещений. В реальных условиях данную работу совершает электромотор, вращающий вал компрессора.

Подобный тепловой насос, перекачивающий тепло окружающей среды на более высокий уровень, использует для обогрева помещений в конечном счете электроэнергию. Не лучше ли обогревать помещения непосредственно с помощью электрокаминов? Оказывается, нет. Тепловые насосы при тех же результатах расходуют электричества вдвое меньше.

В наше время тепловые насосы получили очень широкое распространение. Сейчас их миллионы. Несколько лет назад в мире был настоящий «насосный бум». Особенно выгодны они там, где для отопления использовалась электроэнергия или ценное жидкое топливо, — в США, Великобритании.

В нашей стране, отличающейся широкоразвитой сетью централизованного теплоснабжения, конкурентоспособность тепловых насосов ниже. Ведь во многих городах и микрорайонах больших городов для отопления используется пар, отбираемый из последних ступеней турбогенераторов. Он отдал уже почти всю энергию на вращение ротора турбины, и его все равно предстоит выбросить в конденсатор, где он отдаст тепло окружающей среде. Поэтому гораздо выгоднее термодинамически отобрать его у турбины и использовать для обогрева жилищ.

Но в нашей стране много районов, где нет централизованного теплоснабжения от ТЭЦ и могут оказаться эффективными тепловые насосы — например, если вблизи жилищ есть теплые сбросные воды заводов, фабрик, коммунально-бытовых предприятий. Температурный потенциал сбрасываемого тепла может оказаться недостаточным для жилищ, но тепловому насосу гораздо легче «перекачать» теплую воду на уровень, необходимый для отопления. Слово «легче» здесь означает, что для такой «перекачки» тепла потребуется меньше электроэнергии, чем на нагрев воды до температуры, необходимой в отопительной системе жилья.

Или возьмем ситуацию, когда есть дешевая электроэнергия. Такой она бывает, например, ночью. Тепловой насос в это время может «накачать» в аккумуляторные баки массу горячей воды, достаточную для отопления в течение дня. С помощью дешевой ночной (подпиковой) электроэнергии уже отапливают сельскохозяйственные объекты в Прибалтийских республиках, правда, в небольших количествах. Применение тепловых насосов позволит расширить масштабы применения подпиковой электроэнергии в том регионе, где органическое топливо очень дорого.

Нестандартно, гибко, с учетом всех местных условий должна определяться энергетическая тактика и стратегия для разных районов страны. У меня перед глазами — Якутия и Магаданская область, где совсем недавно я побывал в служебной командировке. Пришлось как раз разбираться с одним из вопросов энергоснабжения.

В этом регионе много полезных ископаемых. По всей территории рассеяны горнодобывающие предприятия. Наиболее интенсивная работа у них летом, когда легче справиться с вечной мерзлотой. Такие районы часто имеют вывернутый график нагрузок: летом электроэнергии потребляется больше, чем зимой.

Сотни мелких котельных дымят всю долгую зиму, обеспечивая отопление жилых домов. Котельные невелики по размерам, и обслуживающего персонала требуется предостаточно — ведь в качестве топлива используется уголь, смерзающийся зимой в твердые глыбы. Более того, уголь нужно доставлять автомашинами по горным трактам иногда за многие сотни километров. И снова нужны автоводители и служащие автопредприятий, а обустройство каждого нового человека на Севере стоит очень дорого и влечет, в свою очередь, дополнительные затраты энергии. Кроме того, автотранспорт нуждается в дизельном топливе, а он здесь особенно дорог. Видите, какая длинная энергодорогостоящая цепочка вытянулась для спасения от зимней стужи. Нет ли способа дешевле?

Ответ напрашивается сам собой — тепловые насосы. И здесь мы сталкиваемся с парадоксальной ситуацией. Руководители, отвечающие за электроснабжение, почти ритуально и с негодованием твердят о «термодинамическом безобразии» использования электроэнергии для отопления.

Но обратите внимание, ведь электроэнергия в этом случае нужна для обогрева ночью, когда она в избытке, а не днем; зимой, а не летом, когда ее потребление возрастает. И дальше: ведь можно будет отказаться при таком (электрическом) способе отопления от части автотранспорта, расхода дизельного топлива, уменьшить количество обслуживающего персонала.

Бернард Шоу сделал правильное наблюдение: «Как только захочется поверить во что-нибудь, сразу видишь все аргументы за и становишься слеп ко всем аргументам против». Не хотелось бы выглядеть слишком увлеченным. Но пусть и оппоненты проявят объективность. Наверное, если бы они ведали не только электроэнергией, но отвечали бы и за тепло, их точка зрения не страдала бы ведомственной ограниченностью.

Как же обстоят дела с тепловыми насосами в нашей стране?

В сущности, они есть сейчас почти в каждой квартире — ведь это наши домашние холодильники. Они перекачивают тепло из одной среды в другую за счет электроэнергии, оплачиваемой по 4 копейки за 1 киловатт-час. Они поднимают температуру в комнатах и понижают в морозильной и холодильной камерах. Отбор тепла из холодильника происходит через теплообменники, расположенные на его задней стенке, поэтому их не всегда и замечают.

Если эти теплообменники холодильника вынести из квартиры и разместить за стеной дома, а через холодильную камеру прокачивать воздух, то получим кондиционер. На изготовлении тепловых насосов подобного типа специализируется Бакинский завод кондиционеров. Их часто можно видеть в окнах домов, особенно в южных районах страны.

Теперь сделаем еще одну операцию — развернем кондиционер наоборот. Тогда охлажденный в камере воздух будет нагреваться не в квартире, а за стенами дома. Наш кондиционер будет отбирать тепло у атмосферы и направлять его в комнату. Конечно, охладить воздух за окнами кондиционеру не удастся — его слишком много.

Что же, мы получили тепловой насос? Не совсем. Настоящий экономичный насос должен быть совершеннее.

Бытовой холодильник не обязан иметь высокий КПД — его мощность относительно невелика. Но кондиционеры и тем более тепловые насосы должны поддерживать температурный режим не в маленьких холодильных камерах, а в просторных квартирах и производственных помещениях. Им надо больше мощности, выше КПД. Установки теряют простоту холодильников, становятся дороже и сложнее в эксплуатации. Это несколько приостанавливает нашествие тепловых насосов.

У нас в стране теплонасосные установки начали распространяться в наиболее выигрышном для них районе. В крымско-кавказской курортной зоне даже в осенне-зимние месяцы имеется безграничный источник тепла — восьмиградусная вода Черного моря. Благодаря тепловым насосам жители Черноморского побережья могут пользоваться дешевой горячей водой.

Для обогрева и получения горячей воды можно приспособить также громадное количество холодильных установок, работающих на фермах, овощехранилищах, хладокомбинатах, в столовых, магазинах. Как же не выбрасывать, а использовать тепло, вырабатываемое в этих тепловых насосах? Требуется лишь некоторая реконструкция. Над ее оптимальными вариантами сейчас и бьются специалисты ГДР, Франции, нашей страны.

Для себя или для внуков?

Мало изобрести и создать устройства для эффективного использования различных видов энергии в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве. Нужно еще оценить, а выгодны ли они обществу? На помощь приходит экономический анализ. Именно он позволяет определить целесообразность создания той или иной машины, масштабы внедрения новой техники, развития какого-либо направления энергетики.

Известен афоризм, приписываемый Б. Франклину: «Я не так богат, чтобы покупать дешевые вещи». В быту мы часто руководствуемся этим принципом. Иногда предпочтем дорогую вещь, ибо она, как правило, служит дольше. Правда, приобретаем мы и дешевые вещи наподобие рабочей одежды или чего-нибудь модного. Так или иначе, интуитивно или по определенным правилам мы распределяем свой бюджет. Однако, если речь идет об очень дорогостоящей покупке, которая и служить тоже должна очень долго, решение принять непросто. Вот одна из задач с «энергетическим» уклоном.

Вам предлагают для обогрева индивидуального дома два типа отопительных установок: одна стоит 1000 рублей, а ежегодная эксплуатация будет обходиться в 50 рублей, у другой эти показатели равны соответственно 500 и 100 рублям. Какую выбрать?

Ответить сразу трудно. Учтем затраты за первые пять лет эксплуатации.

Для первой установки они составят:

1000 рублей + 50 рублей в год × 5 лет = 1250 рублей.

Для второй:

500 рублей + 100 рублей в год × 5 лет = 1000 рублей.

Значит, выбираем вторую? Не будем спешить. Выясним, а как будут выглядеть затраты через 15 лет?

Оказывается, что для первой установки полные затраты — 1750, а для второй — 2000 рублей. В этом случае нужно было бы выбрать первую, а не вторую установку. Выбирая более дешевую, мы экономим в первоначальных затратах, но затем в будущем нашим детям и внукам придется нести больше расходов на ее эксплуатацию. Для дорогой установки ситуация обратная. Вот откуда появилось название этого раздела: «Для себя или для внуков?»

Нет одинакового рецепта для разных экономических проблем, возникающих в нашем быту. Каждый решает эти вопросы по-своему.

В энергетике же без таких рецептов не обойтись. Всю важность выбора наиболее выгодного варианта осознала еще комиссия по разработке плана ГОЭЛРО. Вот что записано в одном из ее протоколов: «Очень важно для будущей работы ГОЭЛРО раз и навсегда определить, что нам выгоднее: большие первоначальные затраты и дешевая эксплуатация станции или меньшие капиталовложения и дорогая эксплуатация».

Многочисленные исследования, проведенные энергетиками и экономистами, позволили выработать такую рекомендацию: капиталовложения нужно соизмерять с ежегодными эксплуатационными затратами с помощью специального коэффициента эффективности капиталовложений. Используя его, мы получим так называемые приведенные затраты.

Для новой техники коэффициент эффективности равен 0,15. Тогда задача, поставленная нами в начале этого раздела, решается следующим образом.

Приведенные затраты для первой установки составят:

1000 × 0,15 + 50 = 200 рублей.

Для второй — меньше:

500 × 0,15 + 100 = 175 рублей.

Значит, вторую и нужно выбирать.

Вроде бы просто и понятно, но откуда мы взяли 0,15 — коэффициент эффективности капиталовложений?

Теоретически он должен вытекать из оптимального плана развития народного хозяйства на длительный период. Однако на самом деле его приходится определять экспериментальным путем на основе опыта создания, эксплуатации и проектирования энергетических объектов и оценки той роли, которую они играют в народном хозяйстве.

Нагляднее обратная величина этого коэффициента — срок окупаемости капиталовложений. Значение 0,15 — соответствует примерно 6 годам. Пока еще нет единой точки зрения, каковы должны быть сроки окупаемости для разных отраслей. По мнению одних экономистов, он один и тот же для всех отраслей, другие же допускают разброс от 4 до 12 лет. Сравнение экономической эффективности различных вариантов энергетических установок и стратегий страдает и от других недостатков, и поэтому привлекаются сопоставления также по величине трудовых затрат, по воздействию на окружающую среду, по необходимым масштабам развития производства в смежных областях и т. п.

В последние годы развивается еще один метод сравнения, который получил название энергетический нетто-анализ. Он позволяет определить, сколько энергии должно быть затрачено на создание вещей, оборудования, домов. Подсчитывая энергетические затраты при возведении, например, энергетической станции, мы выявляем с помощью нетто-анализа, сколько чистой энергии будет в результате направлено в народное хозяйство. Для этого из всей затраченной энергии вычитаются энергетические расходы на строительство станции, изготовление оборудования и материалов, последующую эксплуатацию станции.

Вот мы и начали выяснять, куда исчезает или где используется энергия, производимая различными энергетическими установками.

Очень часто в научно-технической литературе по экономике встречаются такие фразы: «Доля энергетических затрат составляет 20 процентов». А что входит в оставшуюся энергетическую долю? Это — сырье, материалы и оборудование, поступившее на предприятие со стороны. Это и труд людей.

Например, при изготовлении автомобиля тратится электроэнергия на привод станков и транспортеров, на сварку, электронагрев и компрессоры, вырабатывающие сжатый воздух. Тепло разного потенциала расходуется в кузнечных термических цехах, при отоплении и вентиляции. Все остальное прибывает со стороны. Так, тонколистовой металл привозят с металлургического завода, и потому в энергетических затратах на создание автомобиля он не учитывается.

А ведь на самом деле и этот лист металла — «сплошная» энергия. Проследим путь его создания. На прокатном стане из толстолистового металла был получен тонкий лист, а еще раньше на другом стане стальную заготовку прокатали в толстый лист. При этом тратилась энергия на двигатели прокатного стана, подогрев заготовок, общецеховое освещение, вентиляцию. Стальная заготовка пришла из мартеновского цеха, где в печи расходовалась электроэнергия, кислород для переплавки чугуна. Энергия тратилась и на этапах, предшествовавших загрузке руды в доменную печь, начиная с добычи исходного сырья, которая тоже не обошлась без энергоемких взрывных и экскаваторных работ.

А ведь мы пренебрегли такими боковыми ответвлениями энергетической цепочки, как прокатные станы, транспорт для перевозки, мартеновские и доменные печи, шахты, экскаваторы, которые внесли свой «вклад» в создание тонкого металлического листа для автомобиля.

Проследим, как создавалось любое оборудование от экскаватора до мартена и доменной печи, и убедимся, аналогично случаю с тонколистовым материалом, что источником всего является энергия.

Значит, любой изготовленный нами предмет — это как бы «материализованная» энергия. Конечно, для создания вещи нужен также физический труд человека и, главное, его интеллект. Но поскольку доля физического труда в настоящее время очень мала, то любые созданные людьми вещи и материалы можно измерять в энергетических единицах, потраченных на их производство.

По-видимому, именно этот факт дал основание экологу Говарду Одуму дать своей книге название «Энергетический базис человека и природы». Во введении к ней он пишет: «Энергия — всеобщая основа, источник и средство управления всеми природными ресурсами, базис культуры и всей деятельности человека… Тема этой книги — роль энергии в управлении нашей жизни, экономикой, международными отношениями, нормами жизни и ценностями культуры». Согласно Одуму даже эмоции и эстетические ценности во многом связаны с характером энергетических процессов, с наличием или отсутствием энергии.

Не впадая в крайности, к которым склонен иногда Г. Одум, нельзя не признать, что ценность каждой вещи можно измерять не только в денежных, но и в энергетических единицах. Во многих случаях такой «энергетический» счет оказывается очень полезным.

В среднем энергетическая ценность продукции промышленности СССР равна около 10 тысяч килокалорий на рубль. Понятно, что для разных отраслей эта величина может отличаться в десятки раз: в легкой промышленности она всего 1500 килокалорий на рубль товаров, а в черной металлургии — до 30–40 тысяч килокалорий. Да и внутри отрасли для каждого вида продукции величина энергетической ценности может быть совсем разной. Существуют обширные таблицы, в которых приводится энергетическая ценность различных продуктов.

Знакомясь с этими таблицами, наглядно осознаешь, что для сбережения энергии необходимо в равной степени экономить как тепло, электроэнергию, бензин, дрова, так и металлы, пластмассы, удобрения или просто струйку воды, текущей из крана. Ведь часто всего один потерянный килограмм какого-либо вещества означает потерю не одного, а нескольких килограммов топлива. Так, на производство килограмма химических волокон или пластмасс нужно истратить 5–10 килограммов топлива.

Умение сопоставить каждой единице оборудования, винтику, кубометру бетона, метру кабеля свою величину энергетической ценности помогает совершенствовать проектируемую энергетическую или технологическую установку и выбирать наилучший вариант.

Предположим, нужно сконструировать газотурбинную установку с наиболее высоким энергетическим КПД. Обычно с помощью термодинамических расчетов выявляют, при каком сочетании параметров (температура, давление, степень сжатия газа) КПД принимает наибольшее значение.

КПД во многом зависит от площади поверхности регенеративного теплообменника — чем она больше, тем выше КПД. Где же остановиться? Ведь чем выше КПД, тем больше размер теплообменника, а значит, и его стоимость. Сейчас в большинстве таких случаев переходят от термодинамического анализа к денежному, стоимостному.

К сожалению, из-за многочисленных и порой серьезных недостатков в ценообразовании это не всегда приводит к выбору действительно лучшего варианта. Полный же энергетический анализ надежнее. Он служит хорошим дополнением к денежному. Зная энергетическую ценность оборудования, можно уточнить термодинамическую оценку КПД, которую нужно только дополнять по мере введения в схему нового оборудования или изменения его размеров.

Энергетическому анализу может быть подвергнута вся электростанция, включая здания, технические сооружения, дороги, теплотрассы, различные смазочные, химические материалы. Такой анализ сейчас проводится очень редко, но нет сомнения в его возможностях и широком распространении в будущем.

Прошли времена бездумного преклонения перед новой техникой. Она настолько глубоко и широко внедряется в нашу жизнь, что нужно каждый раз очень тщательно соизмерять приносимую ею пользу с возможным вредом. Правда, наносимый техникой вред почти всегда заметнее пользы. И именно этой стороне часто больше внимания уделяют общественность, медицина, санитария.

Значительная доля материальных затрат на развитие энергетики связана с обеспечением безопасности как профессиональных работников, так и населения. Новые системы защиты, многочисленные очистные и шумопоглощающие сооружения требуют все больше средств. Где предел?

Имеющийся опыт говорит о том, что очень во многих случаях невозможно обеспечить «абсолютную» безопасность. Нельзя исключить разного рода аварии в авиации, наземном транспорте, промышленности и в энергетике, где иногда происходят и взрывы котлов, и выбросы радиоактивных веществ, и т. п.

Каков же оптимум противоаварийных мер?

Проблема эта очень сложная, пути ее решения разнообразны, и пока среди специалистов нет единой точки зрения. Мне кажется логичным и разумным подход, развиваемый коллегами из Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, доктором технических наук Я. Шевелевым и кандидатом физико-математических наук В. Деминым.

Надо ли стремиться установить уровень опасности техники настолько низким, насколько это возможно? Вроде бы заманчиво, но на самом деле иллюзорно. Более того, в конечном счете это приведет даже к возрастанию опасности, а не к ее уменьшению.

Дело в том, что, помимо прямого риска, создаваемого какой-либо установкой или технологией, существует еще и косвенный риск. Он обусловлен строительными работами, изготовлением оборудования для защитных систем и сооружений. С ростом расходов на безопасность прямой риск падает, а косвенный — постепенно возрастает. Начиная с некоторого уровня расходов, полный риск уже неизбежно увеличивается. Значит, существует оптимум в создании средств защиты!

Есть еще одна сторона вопроса. Практически при установлении уровня приемлемого риска исходят из одного критерия — добиться увеличения продолжительности жизни человека. Однако такой подход тоже не оптимален.

Благодаря цивилизации, в том числе и энергетике, человек стал жить дольше. Цивилизация сделала жизнь комфортнее и приятнее, облегчила ее и украсила. Недаром уровень жизни определяется не только здоровьем и долголетием, но и благосостоянием, качеством жизни. Люди соизмеряют комфорт, удовольствия, привычки с риском для здоровья и жизни. Ради скорости и удобства мы пользуемся более опасными видами транспорта. Многие занимаются туризмом, альпинизмом и другими небезопасными видами спорта. Некоторые избирают рискованные занятия, профессии, получая материальную компенсацию. Обе стороны уровня жизни связаны друг с другом самым непосредственным образом.

Наше общество обладает определенным количеством материальных средств — национальным доходом. Очевидно, затраты на защитные мероприятия отвлекают средства из других областей, в том числе обеспечивающих качество жизни и здоровье людей. Например, если выделить больше средств, чтобы очищать дымовые газы на электростанциях или повысить безопасность транспорта, то меньше материальных ресурсов останется на строительство новых больниц, также обеспечивающих здоровье людей, или на создание еще одной теплоэлектроцентрали, дающей тепло в наши жилища. Другими словами, к проблемам жизнеобеспечения человека нужно относиться комплексно. Методы же комплексной оптимизации еще не выработаны. Предстоит совместная работа экономистов, социологов, экологов, специалистов промышленности.

Учтем еще один «экономический срез». Как и во всем народном хозяйстве, в энергетике ускоренное движение вперед невозможно без разработки и быстрого освоения новой техники, а это процесс по природе своей вероятностный. Создание новейших установок в большинстве случаев связано с риском. Удастся ли обеспечить их работоспособность, получить лучшие характеристики — выяснится только после апробации новой технологии, на что уйдет несколько лет. А средства, материальные ресурсы нужны сейчас.

Неохотно идут на освоение новой техники многие администраторы, руководители промышленных предприятий, финансисты. Зачем рисковать, рассуждают они, ведь можно двигаться вперед и медленнее, но надежнее, увереннее. Действительно, можно, но тогда неизбежно научно-техническое отставание.

Где же выход?

Некоторые экономисты предлагают создать так называемый фонд риска и отчислять в него не менее одного процента национального дохода. Думаю, норму нужно увеличить вдвое, а то и втрое. Главное, чтобы новое успело победить старое прежде, чем устареет.

Поручение Совета Министров

В начале 1980 года по поручению Совета Министров Государственный комитет СССР по науке и технике постановил: «Организовать группы ученых и специалистов для обследования заводов и разработки конкретных мероприятий, направленных на сокращение расхода топливно-энергетических ресурсов».

Череповецкий металлургический завод, Новокраматорский машиностроительный завод имени В. И. Ленина, Полоцкий нефтеперерабатывающий завод, северодонецкое производственное объединение «Азот» — вот места, в которые отправились из Москвы специалисты. В составе группы, выехавшей на северодонецкое производственное объединение «Азот», был и автор этих строк.

Здесь зарождалась азотная промышленность страны. В начале века недалеко от Северодонецка, в Юзовке (теперь Донецк), был построен первый в России цех по производству азотной кислоты из аммиака с производительностью всего 8 тысяч тонн в год. Вся его продукция шла тогда на военные нужды.

Этот цех сейчас просто затерялся бы на территории объединения. Первое, что поражает на этом предприятии, — масштабы потребления. «Азот» забирает у народного хозяйства почти одну пятисотую всех производимых топливных ресурсов! Это даже трудно себе представить: всего пятьсот таких предприятий, как «Азот», могут поглотить всю энергию страны.

Объединение выпускает аммиак, метанол, азотную и уксусную кислоты, минеральные удобрения, а также десятки видов другой продукции, включая товары широкого потребления: чемоданы-«дипломаты», клей, стиральные порошки. Комиссии пришлось поработать, чтобы выявить причины потерь в разнообразных технологических цепочках, наметить возможные пути экономии энергии.

Главный потребитель энергии в объединении — аммиачное производство. Одна установка вырабатывает в год несколько сотен тысяч тонн аммиака и расходует сотни миллионов кубометров природного газа. Чем меньше газа тратится, тем экономичнее установка. Существуют агрегаты, потребляющие от 800 до 1200, а иногда даже до 1500 кубометров газа для производства одной тонны аммиака. Причин неоправданно высокого расхода достаточно много. Одна из них — недостаток электричества.

Мы уже говорили, что энергия потребляется неравномерно. Самый радостный и самый трудный день для энергетиков — 22 декабря. Это их профессиональный праздник. И в этот же самый короткий день в году расходуется максимальное количество энергии, что дает возможность оценить максимально необходимые мощности электроэнергетики. Резко меняется потребление и на протяжении недели — самая низкая нагрузка падает на воскресную ночь, самая высокая на утро и вечер рабочих дней недели.

Мощностей электростанции для покрытия пиковых потребностей пока не хватает. При перегрузках, а также при авариях диспетчеры вынуждены отключать часть потребителей, снижать нагрузку энергосистемы, иначе начинает падать частота тока, а допускать этого никак нельзя. При нестандартной частоте резко возрастают энергетические потери у ряда потребителей, отказывает автоматика, портится оборудование.

Ежегодные потери от несоблюдения стандарта по частоте оцениваются в 2 миллиарда рублей. Много это или мало? Себестоимость электроэнергии — примерно 1,5 копейки за киловатт-час. Электростанции страны вырабатывают 1400 миллиардов киловатт-часов, на сумму 20 миллиардов рублей. Значит, по крайней мере 10 процентов произведенного электричества пропадает впустую.

Перерыв в электроснабжении так называемых потребителей первой категории наподобие птицефабрик, животноводческих ферм, доменных печей, холодильников и ряда других технологических производств приводит к авариям, порче продукции и оборудования.

Конечно, остановка аммиачного агрегата не приводит к аварии, но вызывает очень большие потери природного газа. Для вторичного запуска после остановки может понадобиться несколько суток. В течение всего этого срока химики вынуждены сжигать природный газ зря, так как технологический процесс требует точного соблюдения состава газовых потоков, их температуры, давления. А после остановки все параметры нарушаются, установка начинает расхолаживаться. При запуске же норма восстанавливается очень медленно, а пока этого не произошло, смесь газов не годится для получения аммиака и ее приходится выбрасывать «на ветер».

Казалось бы, какой можно дать рецепт химикам-производственникам при таком «пиковом положении»? Конечно, тут главную роль должны сыграть энергетики, создавая необходимые электрические мощности, в том числе и пиковые.

Такие пиковые станции работают от 500 до 1500 часов в году. Не предъявляя к ним очень высоких требований по КПД и ресурсу, нетрудно сделать их гораздо более дешевыми, чем несущие основную постоянную нагрузку базисные станции. Лучшей пиковой электроэнергетической установкой в настоящее время является газотурбинный генератор, похожий на газотурбинный авиадвигатель. Установку эту можно быстро запустить и остановить.

И технически и энергетически подобное решение является разумным. Однако более равномерное потребление энергии самим производством способно ослабить требования к энергетикам. К оптимальному нужно двигаться с двух сторон — так будет быстрее и выгоднее.

Действительно, стоимость пиковой электроэнергии составляет около 30 рублей за киловатт установленной мощности, в то время как на предприятиях для уменьшения потребления электроэнергии в периоды максимальной нагрузки нужно затратить всего 2–3 рубля на киловатт ликвидируемой мощности.

Иногда на предприятиях можно наблюдать такую картину: в разгар вечерней рабочей смены рабочие останавливают станки, убирают рабочие места. Цех пустеет, выключается свет. Это и есть плановая остановка из-за нехватки энергии. Подобных потерь можно иногда избежать, соответствующим образом планируя смены или организуя ночную работу.

Рабочие получат больше вознаграждения за работу в ночную смену, а предприятиям целесообразно предоставить пониженный тариф за пользование ночной электроэнергией. Необходимы соответствующие автоматизированные системы учета и контроля, которые уже сами по себе помогли бы выравнивать суточные графики электронагрузок.

Так и поступают специалисты объединения «Азот». Вместе с энергетиками Донбассэнерго они внимательно изучили характер графиков нагрузки в критические периоды, нашли технические и организационные возможности для отключения одних и более позднего включения других потребителей.

Каждая аварийная остановка необязательно связана только с отключением электроэнергии. К ней приводит отказ какого-либо измерительного или регулирующего прибора, и остановка насоса, и поломки вентилятора теплообменника. Другими словами, экономия энергии переплетается с соблюдением технической дисциплины, профилактики и различных видов ремонта, что подразумевает наличие хороших диагностических приборов или систем, а также просто запасных частей.

За две недели работы комиссии на объединении «Азот» пришлось еще раз убедиться, как важно тесное единство науки с производством.

Один из философов сказал: «Знания — это круг. За его границей — незнание. Расширение знания — площади круга — одновременно увеличивает границу с неизведанным».

Чем больше мы узнавали о деятельности объединения, тем лучше понимали его проблемы и способы их решения.

Важной оказалась еще одна причина повышенного расхода природного газа. Известно, что сера в угле, нефти, газе — одна из самых главных причин загрязнения атмосферы. Но из-за нее, оказывается, существенно растет также расход энергии. Сера портит катализаторы, широко используемые в технологических процессах. Чтобы удержать работу агрегатов в нужном режиме, приходится повышать температуру в зоне катализа и для регенерации катализатора увеличивать число продувок обратным ходом газа.

Рост серосодержания с предельно допустимых 80 миллиграммов на кубометр газа до 220 привел на объединении «Азот» к увеличению расхода газа с 1100 кубометров газа на тонну метанола до 1200 кубометров, то есть почти на 10 процентов! К тому же возросли расходы электроэнергии на 5 процентов, а кислорода — на 10.

Так стремление газодобытчиков дать стране больше газа ценой иногда некоторого ухудшения его качества в конечном счете приводит к противоположному результату. Газ тоже должен удовлетворять определенному стандарту. Соответственно наша комиссия записала в своих рекомендациях: «Госстандарту совместно с заинтересованными министерствами разработать и утвердить в 1982 году ГОСТ на природный газ, используемый в качестве сырья на промышленных предприятиях».

Перспективный путь в энергосбережении — оптимизация обмена энергией в течение технологического процесса. Химики одни из первых стали создавать эффективные энерготехнологические установки. Ведутся эти работы в Государственном институте азотной промышленности, созданном в 1931 году.

Упрощенно задача выглядит так. Процесс преобразования метана в водород — паровая конверсия — происходит при температуре 800–900 градусов. Газ охлаждается, и затем в другом реакторе при синтезе водорода и азота образуется аммиак. Ключевые слова здесь — «газ охлаждается». Куда же отдается тепло при охлаждении?

Раньше, в первых технологиях 30-х годов, оно практически выбрасывалось в атмосферу, поэтому затраты энергии были очень большие. Еще в 60-е годы расход электроэнергии на тонну аммиака составлял около 750 киловатт-часов. Сейчас в современных агрегатах он уменьшился в 8 раз благодаря энерготехнологической схеме, в которой тепло не выбрасывается, а используется последовательно на разных этапах технологического цикла для получения пара, вращения турбин, подогрева газа и воды.

На объединении «Азот» такие новые установки соседствуют со старыми. Нужно заменять старые новыми и еще более совершенными. Правда, эти «еще более совершенные» разрабатываются и осваиваются медленно, очень медленно. Судите сами хотя бы по такой детали. Предполагалось начать установку новой модели аммиачного агрегата АМ-85 в 1985 году. А теперь, оказывается, он будет испытываться лишь в 1990 году. В этой новой установке затраты энергии сократятся на 30–40 процентов.

Нужно сказать, что северодонецкое объединение «Азот» — передовое в отрасли по экономии топливно-энергетических ресурсов. Его коллектив не нужно убеждать в необходимости рационального расходования энергии. Движение за экономию охватывает на нем все производства, цехи и службы.

Немного найдется предприятий, на которых, как на «Азоте», ежедневно проводятся селекторные совещания с анализом расхода энергоресурсов. В одиннадцатой пятилетке экономия ресурсов составляла ежегодно несколько процентов.

На каждом предприятии существуют десятки и даже сотни способов экономии энергии. Некоторые могут дать существенный эффект. На «Азоте», кроме экономии энергии за счет повышения КПД основных технологических агрегатов, большую роль играет экономия вторичных ресурсов.

Очень часто над химическим или нефтехимическим заводом возвышается труба, из которой вырывается огненный факел. Благодаря такой «свече» обеспечивается безопасность производства. Ведь здесь кругом газы, которые при смешении с кислородом воздуха образуют взрывоопасную смесь. Их приходится сбрасывать из установок при запуске или аварии и сжигать. Вот почему постоянно горит «свеча».

Не всегда огонек «свечи» маленький. Иногда слышится даже рев пламени. Это означает, что предприятие сжигает вторичные энергетические ресурсы, прежде всего загрязненные ненужными примесями горючие газы, которые сбрасываются из различных точек технологических процессов. Из процесса выводятся также газы, не удовлетворяющие технологическому процессу по тем или иным параметрам. Чаще всего вторичные энергетические ресурсы — это горючие газообразные продукты сгорания, выходящие из различных печей. При охлаждении технологических потоков нагретых веществ сбрасывается в атмосферу большое количество физического тепла.

Еще хуже, когда горючие органические вещества выносятся сточными водами. Губятся реки и водоемы, пропадает топливо. До недавних пор не удавалось решить эту проблему — фильтры или очистные устройства оказывались малоэффективными или дорогостоящими. Но сейчас научились использовать такую воду для производства пара. Образовавшийся пар «поджигают», и в его пламени сгорают загрязняющие растворенные компоненты. При «сгорании» пар дополнительно перегревается, воспринимая энергию растворенных горючих веществ.

До проведения активных работ по энергосбережению потенциальные запасы вторичных ресурсов на объединении «Азот» составляли около десятой части от всего энергопотребления. Раньше обычно не принимали в расчет воды, нагретые на 50–60 градусов. Считалось, что на предприятии, где выбрасывается много тепла значительно более высокого потенциала, использовать их экономически и энергетически невыгодно.

А на «Азоте» сумели найти применение и этому теплу. Большинство технологических процессов проходит здесь при высоких давлениях. Значит, без компрессоров не обойтись. Затраты же энергии на сжатие газов в компрессорах меньше при более низкой температуре. Нагревающиеся при сжатии газы охлаждаются водой. Поэтому нагретой воды много. Заводчане нашли ей применение. Правда, только в зимнее время. Но ведь не хватает энергии именно зимой.

Рядом с «Азотом» расположен институт ГосНИИметанолпроект. Специалисты обеих организаций предложили подогревать с помощью этого тепла речную воду, направляемую на обработку. Температура ее должна быть не менее 25 градусов. Разработали проект, построили теплообменный блок. «Азот» стал экономить преимущественно зимой 30 тысяч тонн условного топлива в год. Кроме того, уменьшился расход электроэнергии на градирнях водооборотной системы.

Значительную экономию топлива на «Азоте» тоже получили, собрав сбросные горючие газы от нескольких действующих производств.

Пришлось решить ряд сложнейших технических вопросов, связанных с безопасностью и экономной транспортировкой влажных газов. Само это мероприятие проводилось с соблюдением мер экономии.

Например, были использованы нагнетатели, освободившиеся после закрытия старого производства аммиака.

Не забывают на «Азоте» и об обычных организационно-технических мерах, не требующих больших затрат материальных и трудовых ресурсов и длительных сроков. Речь идет о ликвидации простых потерь тепла, совершенствовании схем электроснабжения, разработке оптимальных режимов работ, улучшении работы сооружений водооборота.

Однако от всех недостатков в энергосбережении избавиться не удалось. Членам нашей группы, созданной по постановлению ГКНТ, не раз приходилось летать в гостеприимный Северодонецк, проверяя, а как же выполняется программа «Энергосбережение». Ныне опыт производственного объединения «Азот» широко распространяется в химической промышленности.

А опыт действительно драгоценный. Постоянный изобретательский поиск во имя сбережения энергии вознаграждается. «Азот» в течение долгого времени наращивает выпуск продукции при том же расходе топлива.

За разработку и внедрение комплекса мероприятий по экономии топливно-энергетических ресурсов группе работников объединения в 1984 году присуждена премия Совета Министров СССР.

Сборник отличных мыслей

В этой голубенькой книжечке 150 страниц. Называется она: «Сборник предложений по экономии электрической и тепловой энергии, премированных на тридцать пятом Всесоюзном конкурсе». На конкурс подано 1700 предложений, а в книжке рассказывается только о 200, отмеченных премией. Какова судьба остальных?

Наверное, многие дельные идеи так и не вышли за стены тех предприятий, где родились. Это обидно — очень уж расточительно ограничиться всего двумястами премированными находками. Смотрю тираж брошюры — всего 5000 экземпляров на сотни тысяч различных предприятий страны! Пожалуй, такие книги надо издавать миллионами и рассылать на предприятия даже в обязательном порядке.

Читателю, конечно, ясно: не то что рассказать обо всем этом бесконечном множестве идей, но даже перечислить наиболее важные в различных отраслях промышленности невозможно. Мы и не станем пытаться это делать. Резоннее будет лишь взглянуть на главные пути этой деятельности.

Улучшая организацию производства и использования энергии и применяя недорогие технические новшества, можно добиться около четверти всей экономии. Нестандартный подход способен принести ощутимые результаты. Вот пример из сборника «Отличных мыслей». Десятки тысяч промышленных холодильных установок разной мощности работают на хладокомбинатах, базах по хранению продуктов, столовых. Летом и зимой они потребляют громадное количество электроэнергии. Зимой?! Когда на улице мороз? И вот предлагается вентилировать хранилища зимним наружным воздухом. К сожалению, в большинстве случаев так делать нельзя, но можно ввести в схему холодильной установки специальный воздушный конденсатор-охладитель — предлагают авторы изобретения. В результате экономятся миллионы киловатт-часов электроэнергии.

Недавно прочитал, что в Финляндии такие холодильные установки уже работают.

Чтобы сберечь энергию, надо также, говорится в Энергетической программе СССР, совершенствовать эксплуатацию действующего оборудования, сокращать непроизводительные потери.

Около 60 процентов всех электродвигателей нашей страны используются для привода вентиляторов, компрессоров, насосов, воздуходувок. Они вращаются с постоянной скоростью. Но ведь требования потребителей меняются во времени. Значит, вращение выгодно регулировать с помощью, скажем, современных полупроводниковых регуляторов. Тогда в масштабах страны можно было бы сэкономить до 10 процентов (!) всей вырабатываемой электроэнергии.

Полупроводниковые регуляторы способны эффективно снизить напряжение при уменьшении нагрузки. При этом будет поддерживаться высокий уровень КПД. Дело пока дорогое, но во многих случаях окупается за счет экономии энергии.

Если же научиться разумно распоряжаться вторичными энергетическими ресурсами, то в принципе, как показывает опыт объединения «Азот», это может дать еще около 10 процентов всей сэкономленной энергии. Но сорок процентов всей ожидаемой экономии энергии можно получить благодаря, как сказано в Энергетической программе, «разработке и освоению энергосберегающих технологий».

Сначала ответим на вопрос: «Сколько энергии нужно теоретически для того, чтобы создавать различные вещества и материалы, используемые человеком?»

Теория и практика иногда значительно расходятся. Теоретически для производства одной тонны цемента нужно затратить 25 килограммов условного топлива, а практически — более чем в десять раз больше: 320 килограммов.

Приведу небольшую табличку, которая прямо-таки вопиет: «Люди, зачем вы транжирите энергию, столь нужную для повышения качества жизни?» Вот сколько тонн условного топлива расходуется на производство одной тонны продукта.

Как видим, современные расходы отличаются от теоретических в пять-десять раз, а при получении бумаги более чем в сто раз. Теоретические цифры определяются энергией, необходимой для разрыва связей между атомами в различных сырьевых материалах — окислах алюминия, железа, кальция, кремния. В действительности приходится затрачивать много энергии на отделение примесей, добычу сырья, производство оборудования, получение необходимой структуры.

А если в теплообменниках, машинах и другом оборудовании перейти на керамические материалы, те самые окислы, которые разлагают, извлекая из них металлы?

Увы, пока для получения керамик с требуемыми хорошими свойствами нужно потратить энергии больше, чем на выделение из них металлов.

Если нижняя строка таблицы — это цель далекого будущего, то во второй строчке отражен уровень энергетических расходов, достижимый в ближайшие годы. Так, при производстве стали и цемента энергопотребление можно снизить в полтора-два раза.

Сначала о цементе — хлебе строительства. Изобретен он был в 1824–1825 годах почти одновременно каменщиком из английского города Лидса Джозефом Эспдином и русским инженером Егором Герасимовичем Челиевым, одним из авторов проекта восстановления Москвы после пожара 1812 года. Когда смесь известняка и глины прокаливается при температуре 1400–1500 градусов, то образуются различные сплавы окислов кальция и двуокиси кремния, которые и есть цемент.

У нас в стране ежегодно производится 130 миллионов тонн цемента. Согласно таблице при этом расходуется 40 миллионов тонн условного топлива. А производство цемента должно еще наращиваться. Как снизить энергопотребление?

Со времени изобретения цемента прошло более 150 лет, а, по сути дела, способ его производства почти не изменился. Сами изобретатели применяли так называемый «сухой» способ. Потом в смесь известняка и глины стали добавлять воду, благодаря чему получалась более однородная сметанообразная масса и улучшалось качество цемента. Но резко возросли затраты энергии на выпаривание воды. На это долгое время не обращали внимания — ведь топливо было дешевым. Подавляющая часть цемента у нас в стране производится таким «мокрым» способом.

А во Франции, ФРГ, Японии почти все заводы уже перешли на «сухой» способ. В этом случае затраты энергии могут быть уменьшены в полтора-два раза. Некоторые заводы в нашей стране тоже работают по «сухому» методу. Однако он пока не получил массового распространения, хотя у 75 процентов заводов страны имеется подходящая для этого сырьевая база.

Для производства некоторых марок цемента можно использовать цементный клинкер — почти готовую цементную массу, требующую только размельчения и введения некоторых добавок. Применение клинкера — побочного продукта черной и цветной металлургии — также дает существенное уменьшение энергопотребления.

Несколько лет назад сотрудники Ташкентского института строительных материалов открыли новый способ получения цемента — холодный. Они изучали влияние различных добавок на скорость образования цементного клинкера. Наилучшие результаты дал хлористый кальций. Оказалось, в его присутствии можно обжигать цемент при температуре около 1000 градусов, то есть снизить ее на 400 градусов. Топлива экономится почти на треть. Кроме того, в полтора раза возрастает производительность печей — громадных 30-метровых вращающихся барабанов, в которых сжигается нефть или газ.

Как показали дальнейшие исследования, ташкентские ученые создали фактически новый вид цемента, названный алинитом. От обычного кристалла цемента алинит отличается тем, что в него вкраплен еще и атом хлора. Алинитовый цемент в полтора-два раза легче измельчается и значительно быстрее твердеет при замешивании с водой, песком и щебнем. Значит, и здесь экономятся время и энергия!

На VII Международном конгрессе по химии цемента в Париже в 1980 году сообщение советских специалистов вызвало необычайный интерес. В Ташкент зачастили гости из ФРГ, Финляндии, Индии и других государств.

Судя по всему, в ближайшие годы удастся заметно понизить уровень энергопотребления в производстве цемента, уменьшить потребность в энергии более чем вдвое.

В полтора раза можно также уменьшить потребление энергии на производстве стали, если комплексно использовать различные новые технологические процессы металлургического производства, совершенствовать все его многочисленные технологические цепочки. Чтобы снизить удельный расход кокса, этого самого дефицитного топлива металлургии, целесообразно применять в доменном производстве природный газ, обогащать доменное дутье кислородом или повышать температуру дутья. В домнах будет потребляться на пять-десять процентов энергии меньше, если их объем увеличить с 2000 до 5000 кубометров.

Применение непрерывной разливки стали на 20 процентов увеличивает выход годного металла и тем самым также снижает расход энергоресурсов. Если увеличить долю лома как первичного сырья, то опять-таки существенно экономится энергия — энергозатраты при производстве стали изменятся в десять, а алюминия даже в пятнадцать раз.

В некоторых газетных статьях иногда встречаются неточности, создающие неправильное представление о возможных масштабах экономии энергии в черной металлургии. Например, утверждается, будто «применение кислородно-конвертерного способа позволяет в десять раз уменьшить потребление топлива при производстве стали по сравнению с мартеновским». Слов нет, кислородно-конвертерный способ очень прогрессивен и позволяет сократить потребление природного газа раз в десять. Но только природного газа. Общее же потребление энергии в конвертере иногда выше, чем в мартене.

Уже сейчас кислородно-конвертерное производство в промышленно развитых капиталистических странах обеспечивает около двух третей выпуска металла. У нас — существенно меньше. Дело в том, что сохранение постоянных цен на жидкое и газообразное топливо в 70-х годах не стимулировало внедрение этого метода.

«Четверть всей экономии в ближайшие пятилетия можно получить за счет совершенствования внутриотраслевой и межотраслевой структур» — таковы сухие строчки Энергетической программы СССР. А это означает, что замена металлов менее энергоемкими конструкционными материалами приводит к энергетическим выигрышам в масштабах всего народного хозяйства. Здесь для конструкторов и производственников безграничный простор новаторского поиска.

Быстро или медленно?

Десять граммов условного топлива нужно израсходовать, чтобы перевезти по железной дороге одну тонну груза на расстояние в один километр. Много это или мало? С чем сравнить эту величину?

Теоретически вообще не нужно затрачивать никакой энергии для того, чтобы при равномерном движении без трения переместить груз по горизонтальной поверхности. Затраты необходимы при ускорении и торможении. Другая причина энергетических потерь — трение. Без него не смог бы существовать наш мир, но за использование сил трения нужно платить дорогой ценой. Рельсы, асфальт, вода, воздух препятствуют движению. Расход энергии зависит от типа двигателя, его КПД и, конечно, от вида транспортного средства, его размеров и формы.

Морской и речной транспорт расходует топлива в 10 раз меньше, чем железнодорожный, — всего 1 грамм на один тонно-километр. Это и понятно. Ведь и скорость у судов поменьше, и размер побольше. У автомобилей больше скорость, но гораздо меньше грузоподъемность. А отсюда и значительные затраты энергии — 200 граммов на тонно-километр.

Ради наглядности сведем эти показатели (расход-топлива в граммах на один тонно-километр) в таблицу:

Речные и морские суда — 1

Трубопроводный транспорт нефти — 1

Железная дорога — 10

Трубопроводный транспорт газа — 50

Автомобили — 200

Авиация — 1000

Человек — 100

Веломобиль — 10

Пчела — 2000

Пчела транспортирует свое тело самым неэкономичным образом, а вот человек передвигается гораздо эффективнее. Если бы конструктору предложили охарактеризовать человека как транспортное средство, он сказал бы: «Двигатель с автономным энергопитанием линейного типа. Весьма доступен и прост в обращении, надежен в работе. Конструкция усовершенствована опытами, проводившимися длительное время. Работает в широком диапазоне общедоступных топлив. Средний срок службы без капитального ремонта составляет 70–80 лет».

Вернемся к железным дорогам. Они обеспечивают половину всего грузооборота страны. Еще одна треть грузов передается по трубопроводам. Остальное перевозят морской транспорт, авиация и автомобили.

Но вот какая несообразность — на долю автомобилей приходится одна двадцатая грузооборота, а расходуют они 70 миллионов тонн условного топлива. Это почти треть транспортного энергопотребления. В то же время железные дороги, обеспечивающие 3,5 миллиарда тонно-километров грузовых перевозок, забирают всего 15 процентов топлива.

Почему бы не передать половину автомобильных перевозок железнодорожному транспорту? Тогда дефицитного жидкого топлива будет сэкономлено около тридцати миллионов тонн!

Однако столь кардинальное совершенствование внутриотраслевой транспортной структуры, неосуществимо по нескольким причинам. Во-первых, автомобили незаменимы при доставке грузов на малые и средние расстояния. Необходимо также перевозить грузы потребителям с железнодорожных станций. А ведь существуют еще карьеры, где не обойдешься без большегрузных автомобилей. Кроме того, в удаленные и труднодоступные места невыгодно пока прокладывать железные дороги, которые становятся экономичными только в том случае, когда грузопоток на них достаточно велик.

Совсем недавно завершилось строительство БАМа. Десятки тысяч молодых строителей не жалели сил, сооружая одну из самых трудных железных дорог страны. Им бросали вызов и местность, и климат, и отдаленность от человеческого жилья. Однако в ближайшие пятилетки на БАМе будет экономична только одна колея. Подойдет время, и проведут вторую нитку. И лишь потом встанет вопрос об электрификации. А почему не сделать этого сейчас?

Вопрос стоит так: «Что выгоднее — тепловоз или электровоз?» Затраты первичной энергии на электротягу (то есть топлива на электростанциях, вырабатывающих электроэнергию) меньше, чем на количество дизельного топлива, потребляемого тепловозами. Кроме того, электростанции вырабатывают электроэнергию из менее дефицитного угля, сланцев, ядерного горючего. Вроде бы электровоз выгоднее?

Однако электрифицировать железную дорогу — дело очень дорогое. Нужно затратить около 100 тысяч рублей на километр пути. Электрификация выгодна, если напряженность перевозок по железной дороге велика, так как в этом случае капиталовложения быстро окупятся. Если же железнодорожных эшелонов пропускается мало, лучше использовать тепловоз.

У нас в стране средняя грузонапряженность очень большая — около 25 миллионов тонн в год. Если состав весит 3 тысячи тонн, то железная дорога пропустит в год около восьми тысяч эшелонов, а с учетом пассажирских поездов — вдвое больше. Составы будут следовать друг за другом каждые полчаса. Такая высокая загрузка обусловливает и высокую экономичность железнодорожного транспорта нашей страны.

В Западной Европе и США картина совсем другая. Железных дорог там построено очень много. Например, в США — около 300 тысяч километров железнодорожных путей. Однако используются они весьма слабо, даже расточительно. Грузопоток достигает всего 1–1,5 миллиона тонн в год, то есть в пять-десять раз меньше, чем в СССР. Поэтому электровозы там невыгодны. В США доля электрифицированных железных дорог составляет всего один процент.

В СССР же электрифицировано более трети железных дорог, по которым проходит половина грузооборота страны.

Совершенствование железнодорожного транспорта идет по всем направлениям — создаются более мощные тепловозы, увеличиваются их скорости. Идут испытания поездов на магнитной подвеске, разрабатываются проекты экспрессов, «летящих» в тоннелях. Нужны разные поезда — быстрые для пассажиров и экономичные для грузов.

Разумеется, конструкторы железнодорожного транспорта, конечно, тоже думают о том, как уменьшить затраты энергии.

На кольцевой линии Московского метро появился новый поезд с серебристыми шестигранными бочкообразными вагонами, выполненными из высокопрочных алюминиевых сплавов. Весят эти вагоны почти вдвое меньше прежних, также сделанных на Мытищинском машиностроительном заводе. Уменьшенный вес — это первый выигрыш, позволивший увеличить полезную нагрузку. Кроме того, бочкообразная форма позволяет взять в каждый вагон на 30 пассажиров больше.

В поезде применена система возврата электроэнергия обратно в сеть в тот момент, когда он начинает тормозить. Двигатели при торможении переводятся в режим выработки электроэнергии, то есть работают как электрогенераторы. Только в результате этого усовершенствования энергозатраты уменьшаются на 12 процентов.

Из-за рельефа местности, ограничений при прохождении опасных участков, остановок на станциях скорость движения железнодорожных поездов неравномерна. Это значит, что можно выбирать оптимальную скорость, при которой расход топлива минимален. Делать это можно различными способами.

На станции Москва-Пассажирская — Курская машинисты депо пользуются методом «усредненных скоростей». Оптимальный режим работы двигателя выбирается в зависимости от характера пути, но на глазок. Лучше иметь перед глазами машиниста прибор-советчик, который связывал бы расход энергии со скоростью, профилем дороги.

На автомобилях такой прибор уже испытан. Когда шофер следит за расходом бензина на 100 километров пути по стрелке бортпроцессора, он становится бережливее. Изобретатель устройства Велло Лейто считает, что с его помощью можно сэкономить до 15 процентов бензина.

Самые опытные водители, садясь за руль «Жигулей», удивлялись: судя по показаниям прибора, они пользовались машиной крайне неэкономично. Привыкнув нажимать на педаль акселератора перед подъемом, они расходовали на испытательном участке до 15 литров бензина. Изобретатель же благодаря своему бортпроцессору при той же средней скорости укладывался в 11–12 литров. Освоив новый экономичный стиль езды, водитель приучается тратить минимально необходимое количество горючего.

Безусловно, подобный прибор пригодился бы и машинистам тепловозов.

Сейчас на железных дорогах страны уже не осталось паровозов. В 1955 году на стальное шестикилометровое кольцо подмосковной испытательной станции близ Щербинки вывели самый мощный (4800 лошадиных сил) последний экспериментальный паровоз отечественной конструкции. «Век паровоза навеки ушел в прошлое, ибо на смену им пришли более совершенные локомотивы», — писали в газетах.

Однако в последние годы в печати мелькают сообщения о попытках опять вернуться к паровозу. «Паровозная ностальгия» — не просто от любви к старине. Изобретатели-конструкторы надеются создать «новые» паровозы с высоким КПД.

Первый русский паровоз, построенный Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе, перевозил 3,3 тонны груза со скоростью 15 километров в час. КПД последнего паровоза мощностью 4800 лошадиных сил был всего около 9 процентов. В проектах «неопаровозов» эту величину удалось поднять почти в три раза благодаря сжиганию в топках угольной пыли, уменьшению выброса в атмосферу вредных веществ.

Если КПД составит двадцать пять процентов, такой локомотив становится выгодным. У нас в стране есть много регионов с большими запасами каменного угля, где электрификация железных дорог еще нецелесообразна. Это, в частности, и район БАМа.

Уголь рассматривается как возможное топливо не только в паровозах, но и автомобилях. Конструкторы фирмы «Дженерал моторс» создали двигатель, работающий на угольной пыли с величиной частиц меньше трех микрон. Золу и серу удаляют мокрым рафинированием — уголь смешивают с жидким растворителем и очищают. Угольная пыль вдувается из карбюратора в камеру сгорания сжатым воздухом. Для запуска такого турбинного двигателя необходимо жидкое топливо. Есть и другие неудобства. Мелкодисперсный уголь склонен к слеживанию, поэтому бак необходимо подвергать постоянной вибрации. Главная нерешенная проблема — очень высокое содержание в выхлопных газах окислов азота.

Фирма «Дженерал моторс» не оригинальна. В начале XIX века француз Жозеф Ньепс, считающийся одним из первооткрывателей фотографии, изобрел и двигатель внутреннего сгорания. В качестве топлива в нем использовалась угольная пыль, смешанная со смолой. На реке Сене лодка с мотором Ньепса демонстрировалась перед французским императором Наполеоном I, не сумевшим оценить изобретение. Оно было забыто, но созданный почти сто лет спустя первый двигатель Дизеля также работал на угольном порошке.

Сейчас получили широкое распространение дизельные двигатели. Расход топлива в них на 30–40 процентов меньше, чем в двигателях внутреннего сгорания карбюраторного типа. В карбюраторных двигателях процесс горения инициируется при пропускании искры через сжатую смесь паров бензина и воздуха. В дизельных же двигателях воспламенение происходит от сжатия. Сначала воздух в цилиндрах сильно сжимается и при этом разогревается до 500–600 градусов, а затем под давлением в цилиндр впрыскивается горючее, которое загорается и медленно сгорает. Слово «медленно» говорит о том, что скорость горения топлива в дизельном двигателе меньше, чем в карбюраторном. В карбюраторных моторах применяются высокооктановые недетонирующие бензины, а для дизельных нужно другое топливо с высоким цетановым числом, характеризующим склонность топлива к самовозгоранию.

Перевод автомобильного транспорта на дизельные двигатели — одно из главных направлений экономии энергии. Возможности здесь еще далеко не исчерпаны. Так, конструкторы надеются, что с помощью топливных насосов прямого впрыска, отказавшись от существующей сейчас форкамеры, можно уменьшить расход топлива еще на 15 процентов.

Самый главный и дешевый путь снижения расхода горючего — это борьба с перерасходом, уменьшение не проектных, а эксплуатационных его расходов за счет организации правильной эксплуатации автомобиля. Что для этого нужно сделать?

Надо оснастить автопарки, пункты технического сервисного обслуживания современными средствами диагностики и регулировки топливной аппаратуры. Большую помощь может оказать и описанный выше бортпроцессор. В комплекте со стрелочным прибором выпускается также и цифровой, дающий информацию о некоторых параметрах работы двигателя.

Много ли могут дать такие меры? Когда я, автолюбитель с 25-летним стажем, увидел в одной из книг данные по перерасходу топлива из-за различных неисправностей, то был поражен. Судите сами. Расход топлива увеличивается (в процентах):

не работает одна свеча — 20–30

нарушен контакт прерывателя — 10

неправильно отрегулирована система питания топлива — 20–30

неисправна система зажигания — 2–3

та же неисправность при интенсивном движении в городе — 10

А насколько можно в перспективе сократить потребление горючего при передвижении на автомобиле?

Фирма «Мерседес» создала автомобиль, который при скорости в 21 километр проезжает на 1 литре бензина 1028 километров. Мировой рекорд установлен в Швейцарии — 1284,13 километра на одном литре бензина. Однако этот рекорд был показан при меньшей скорости и более благоприятных дорожных условиях. Машина весит 55 килограммов, у нее пластмассовый корпус, мощность равна 0,736 киловатта.

Достижения автомобилестроителей на первый взгляд поражают. «Жигули» расходуют на 1200 километров 100 литров. Однако учтем, что скорость и вес у автомобиля-рекордсмена гораздо меньше. Скорость «Жигулей», при которой определен расход топлива, в четыре раза больше (80 километров в час). Если принять усредненную квадратичную зависимость от скорости, то показатель расхода автомобиля-рекордсмена увеличился бы в 16 раз. А ведь «Жигули» к тому же вдесятеро тяжелее.

Конечно, рекорды наглядно показывают, что облегчение автомобиля за счет применения пластмасс даст существенную экономию в расходе бензина. Эти рекорды заставляют также задуматься о том, какая скорость оптимальна в том или ином случае. Между тем наши автомобилестроители, сообщая о создании новых моделей, почему-то не всегда считают нужным говорить о важнейшем показателе — затратах горючего, а делают упор на скорость, приемистость. Впрочем, сейчас конструкторы стремятся уменьшить расход топлива по всем направлениям. Они совершенствуют аэродинамику автомобиля, снижают потери на трение, всячески облегчают конструкцию и, конечно, повышают КПД двигателя.

Многие слышали про автомобиль японской фирмы «Исудзу» с двигателем из керамики. Достоинства его отнюдь не исчерпываются уменьшением расхода металла. Главное — существенное повышение КПД.

В двигателях внутреннего сгорания можно превратить в полезную работу около 70 процентов энергии израсходованного топлива, однако на практике эффективный КПД равен всего 28–38 процентам, то есть вдвое меньше. Большая часть тепла теряется с охлаждающей водой, маслом, выхлопными газами. Эффективность термодинамического цикла существенно возрастает при повышении температуры газов в цилиндрах двигателя. Однако при перегреве стенок цилиндров двигателя падает их прочность и стойкость. Можно охлаждать стенки, усилив наружное охлаждение, но тогда опять возрастут потери. Идеален так называемый адиабатный двигатель, от цилиндров которого не нужно отводить тепло. Применение керамических материалов и позволяет приблизиться к идеалу.

Дело в том, что керамические материалы наподобие соединений кремния с углеродом или азотом (карбиды и нитриды кремния) способны выдерживать температуры до 1500 градусов. Ныне уже научились изготовлять детали требуемой формы путем спекания и прессования керамических порошков.

Остается еще добавить, что при температуре в камере сгорания 1200 градусов двигатель становится многотопливным. В нем можно использовать также керосин, различные спирты, синтетические соединения из угля и даже некоторые сорта мазута.

КПД керамического двигателя удается поднять до 45–50 процентов, а при использовании тепла отходящих газов и полном устранении потерь на охлаждающую жидкость — даже до 55–60 процентов. Всем хорош этот двигатель, кроме одного, но очень важного показателя — ресурса работы. Пока он еще очень мал. Разные модели выдерживают всего от 50 до 500 часов.

Привлекательно уменьшить расход бензина и дизельного топлива, заменив их другими энергоносителями — дровами, водородом, различными синтетическими веществами, природным газом, электроэнергией.

Даже солнечные автомобили уже перекочевали со страниц научных журналов на гоночные трассы. Не так давно в Швейцарии состоялась 365-километровая гонка. Победу одержал «гелиомобиль» с поэтическим именем «Солнечная серебряная стрела». Вес его — 180 килограммов. Серебряно-цинковые аккумуляторы заряжаются от 432 солнечных элементов, размещенных на его крыльях. Скорость — до 70 километров в час.

«Гелиомобили» — это возможное будущее, а сейчас неплохо зарекомендовали себя двигатели на природном газе. Если в металлических баллонах сжать газ до 200 атмосфер, то на одной заправке такси проедет 200, а грузовой автомобиль 300 километров.

Применение природного газа высокого давления связано с рядом недостатков и трудностей. Нужно создать широкую сеть специальных газозаправочных станций, а это требует больших капиталовложений.

Еще один недостаток — понижение грузоподъемности автомобиля из-за большого веса баллонов. Однако и тут возможны усовершенствования. Так, баллоны из низколегированной стали весят в 1,5, а из композитных материалов — даже в 6–7 раз меньше. В таких баллонах давление можно существенно повысить.

Природный газ обладает важными достоинствами, которые также должны приниматься в расчет. У него высокие антидетонационные свойства. Поскольку газ не смывает смазку в двигателе, межремонтный пробег увеличивается в 1,3–1,5 раза.

Мы рассмотрели два вида транспорта средней скорости — железнодорожный и автомобильный. Народному хозяйству необходимы также как медленные (морские и речные), так и более быстрые (авиационные) виды перевозок. Но везде важнейшей задачей остается изыскание наиболее эффективных путей сбережения горючего, экономии энергии.

Почти все от Солнца

Электроэнергия из светового луча

В глубине тропических лесов Цейлона расположилась небольшая, но очень необычная деревня. Все ее потребности в тепле, энергии, электричестве удовлетворяют солнечные лучи. Значит, энергетические проблемы могут быть в принципе решены с помощью солнечной энергии?

Не будем спешить с таким выводом. Деревня на Цейлоне — экспериментальная. Она создана под эгидой ООН и на деньги международных фондов. До полной окупаемости этому солнечному комплексу еще далеко. Множество подобных исследовательских центров работает ныне в разных концах земного шара.

Например, один из них открыт в городе Сантьяго-де-Куба. Здесь при содействии советских ученых создана электростанция на фотоэлементах, которая может снабжать энергией жилые дома.

В нашей стране построены опытные солнечные центры вблизи Дербента, в Узбекистане, под Киевом, в Таджикистане. Каковы же перспективы использования солнечной энергии у нас в стране?

Оценим сначала ее количество, доступное человеку. Ежегодно солнечные лучи доносят до Земли энергию, эквивалентную 50 триллионам тонн топлива, а это в несколько тысяч раз больше, чем потребляет человечество. Но плотность ее на поверхности земного шара невелика — 600–1000 ватт, а в среднем с учетом суточно-годовых колебаний и облачности — всего 150–250 ватт на квадратный метр. Для сравнения: когда домашний чайник стоит на газовой плите, плотность поступающей в него энергии в тысячу раз больше. Другими словами, рассеянные солнечные лучи трудно и потому дорого использовать для получения необходимого тепла и электричества.

Тем не менее заманчиво научиться собирать и утилизировать энергию нашего светила. Ведь Солнце — это неиссякаемый, или, как говорят энергетики, возобновляемый источник энергии. Когда сжигают органическое топливо, извлекаемое из недр, оно не восполняется, а если и возобновляется, то очень медленно, даже по геологическим меркам, тогда как термоядерный реактор у нас над головой будет действовать еще миллиарды лет.

Его лучи не перегревают Землю, являются «недобавляющим» источником энергии. Они не нарушают тепловой баланс всей планеты. Вероятно, это качество окажется важным в перспективе, когда деятельность человека начнет сказываться на тепловом режиме всего земного шара или какого-либо отдельного его региона.

Солнечная топка порождает и поддерживает другие виды возобновляемых энергетических ресурсов, например ветра. Если бы направить все ветры в турбины электрогенераторов, то удалось бы сэкономить 40–80 миллиардов тонн условного топлива в год. Ведь мощность ветрового потока в среднем на планете — больше 500 киловатт на квадратный километр площади.

Приливы и потоки в морях и океанах, если их полностью утилизировать, позволили бы сэкономить около 4 миллиардов тонн условного топлива в год. Зато фотосинтез может дать до 200 миллиардов тонн условного топлива. Из них только на долю лесов приходится около 25 миллиардов тонн.

Энергетическая программа не оставляет в стороне все эти нетрадиционные источники энергии. За их счет намечается производить от 20 до 40 миллионов тонн условного топлива. Примерно столько энергии давали в 1970 году все гидростанции страны.

Предлагается по-разному использовать солнечную топку. Поиск пока идет очень широким фронтом. Уже сегодня нередки солнечные коллекторы для подогрева воды, солнечные фотоэлементы на часах, в космосе. На повестке дня — солнечные орбитальные электростанции и океанские электрогенераторы, эксплуатирующие напор океанских течений или перепад температур на поверхности и в глубине океана.

Наиболее проработан на сегодняшний день традиционный способ получения электричества из солнечного излучения — через разогрев того или иного рабочего тела (теплоносителя). Ядерные и термоядерные котлы действуют по такому же принципу. Нагретый теплоноситель (например, вода) используется затем в паровом цикле преобразования тепла в электроэнергию: котел — пар — турбина — электрогенератор. Солнечная энергия концентрируется зеркалами. Если в фокусе параболического отражателя разместить трубу с теплоносителем, то получится котел, в котором и будет генерироваться пар. В мире уже работает несколько подобных установок.

Однако стоимость параболических зеркал чересчур высока. Чтобы удешевить солнечную энергетику, предлагается несколько путей. Судя по всему, лучший из них — переход на системы башенного типа. Эту идею еще в предвоенные годы выдвинул в нашей стране инженер Н. Алницкий. Ныне башенные станции получили мировое признание. Американцы создали в Барстоу экспериментальную установку мощностью в 10 мегаватт. В Италии у подножия вулкана Этна функционирует «солнечная башня» мощностью в 1 мегаватт.

В СССР недалеко от Керчи сооружена станция мощностью в 5 мегаватт. Вокруг башни концентрическими кругами размещены 1600 зеркал, направляющих солнечные лучи на паровой котел, который венчает 70-метровую башню. Зеркала площадью 25 квадратных метров каждое с помощью автоматики и электроприводов следят за Солнцем и отражают концентрированную солнечную энергию точно на поверхность котла, обеспечивая ее плотность потока в 150 раз большую, чем Солнце на поверхности Земли. В котле при давлении 40 атмосфер генерируется пар с температурой 250 °C, поступающий на паровую турбину. В специальных емкостях-аккумуляторах под давлением содержится горячая вода, накапливающая тепло для работы по ночам и в пасмурную погоду. Благодаря этим аккумуляторам станция может работать еще три-четыре часа после захода Солнца, а на половинной мощности — около полусуток.

Казалось бы, добывать так энергию просто! На самом деле проблем хватает. Например, как обеспечить автоматическое слежение за Солнцем? Если перед каждым зеркалом поставить оптическую трубу, которая с помощью фотодатчика следила бы за освещенностью, то достаточно какому-либо случайному облаку закрыть солнце, как автоматика выйдет из строя. Нацеливание зеркал на светило требует дополнительных затрат энергии, и конструкторами принято другое решение — не искать Солнце. Ведь траекторию его движения можно задать уравнениями, ввести их в ЭВМ и соответственно поворачивать зеркала. Такой способ слежения за потоком солнечного излучения оказался самым подходящим.

Еще один путь преобразования солнечных фотонов в электроэнергию — фотоэлектрический. Немецкий физик Г. Герц открыл в 1887 году, что фотон может выбить электрон из атома металла. Если собрать освободившиеся электроны на какой-то другой металлической поверхности, соединив ее с освещаемым катодом, то по образовавшейся цепи потечет ток. Фотоэмиссионный генератор заработает.

Захватывающие перспективы открываются перед полупроводниковыми генераторами на кремнии. Здесь электрон, получив от фотона энергию порядка одного электрон-вольта, попадает в энергетическую зону проводимости. Большой части фотонов солнечного излучения как раз по силам осуществить подобные переходы электронов кремния. Значит, КПД полупроводникового кремниевого генератора может теоретически достигать почти 100 процентов. К тому же здесь отсутствует тепловая стадия. Однако из-за множества различных причин реальный достигнутый КПД не превышает пока 10–15 процентов.

Фотоэлектрические полупроводниковые элементы применяются сегодня в различной бытовой технике, не требующей больших количеств энергии: для питания электронных часов, микроЭВМ и др. Но уже построены крупные экспериментальные станции мощностью до нескольких тысяч киловатт. Для такой энергетики возводятся заводы по массовому производству фотопанелей. В Японии на одном из заводов выпускают солнечные батареи, представляющие собой ленты нержавеющей стали, на которой последовательно нанесены тонкие пленки аморфного кремния, фтора и водорода. Ширина лент — 0,3 метра. По мнению специалистов, стоимость подобных фотопанелей будет раз в десять меньше по сравнению с солнечными батареями из кристаллического кремния. Фотоэлектрические преобразователи особенно выгодны в удаленных труднодоступных районах.

Как солнечные башни, так и станции с фотоэлектрическими панелями занимают значительные территории. Скажем, под крупную установку мощностью 5 миллионов киловатт при десятипроцентном КПД солнечных панелей необходимо не менее 400 квадратных километров! Да еще земля нужна под аккумулирующие емкости с горячей водой. Поэтому ныне взгляды конструкторов все чаще обращаются в околоземное пространство, где целесообразно размещать спутниковые солнечные электростанции (ССЭС).

Проект впечатляет. На геостационарную орбиту выводится грандиозное сооружение. Один только коллектор для собирания и преобразования солнечной энергии имеет площадь около 50 квадратных километров. Мощность станции составит 5 миллионов киловатт, а масса достигнет 20–60 тысяч тонн. Вырабатываемый здесь электрический ток преобразуется в сверхвысокочастотное электромагнитное излучение и с помощью полуторакилометровой антенны передается на приемную наземную антенну, распростершуюся на площади 15 квадратных километров. В лабораторных условиях удается подобным способом передавать до 50–60 процентов вырабатываемой энергии. Экономичность ССЭС подсчитывается специалистами весьма приближенно. По-видимому, стоимость электроэнергии, производимой на орбите, может сравняться с ее стоимостью на земных тепловых электростанциях, если удастся на порядок удешевить солнечные панели и их доставку на орбиту.

Проблемы. Как их решить?

Можно перечислить еще много различных вариантов использования энергии Солнца, но прежде познакомимся с нерешенными проблемами солнечной энергетики.

Несколько лет назад в книге по ядерной энергетике я привел сравнительные данные о вредном влиянии различных источников энергии на человека и окружающую среду. Ведь производство каждого киловатт-часа энергии сопровождается выбросами пыли и вредных газов, которые загрязняют атмосферу, ухудшают самочувствие человека, уменьшают его трудоспособность и сокращают срок жизни. И вот удивительный факт — по оценкам канадского специалиста Инхабера, люди страдают от электростанций с использованием энергии ветра или солнечной энергии в тысячу раз больше, чем от электростанций на газе или ядерной энергии!

Дело в том, что плотность ветровой или солнечной энергии мала, и для ее выработки нужно разместить на поверхности земли очень много приемных и преобразующих устройств. А для их изготовления необходима масса разнообразных материалов, производство которых на химических, металлургических и прочих заводах приведет к выбросу огромного количества вредных веществ. Значит, в конце концов, выработка электроэнергии на солнечной или ветростанции оказывает вредное влияние на человека?

К сожалению, эти данные были почерпнуты мной не из оригинального научно-исследовательского отчета Инхабера, а из краткого сообщения в американском журнале «Энергия». Но вот один из моих товарищей по институту привез с международной конференции по энергетике многостраничный отчет под названием «Риск, связанный с возобновляемыми источниками энергии». А ниже подзаголовок: «Критика отчета Инхабера». Это было совместное исследование специалистов университета в Беркли и института по исследованию ресурсов в Гонолулу.

По мнению американских ученых, при одном наборе исходных данных и предположений потери в человекоднях при использовании солнечной энергии в три раза больше, чем при эксплуатации АЭС, и в 30 раз меньше, если принять другие исходные данные. Почти все источники возобновляемой энергии меньше воздействуют на окружающую среду, чем, например, ядерные реакторы. Авторы детально проанализировали недостатки расчетов Инхабера.

Не берусь судить, кто прав, а кто ошибается. Скорее всего истина лежит где-то посередине между крайними точками зрения. Нужно тщательно исследовать пути воздействия энергетических источников на окружающую среду.

Однако почти всем возобновляемым источникам энергии в этом смысле не везет. Правда, рано или поздно новые виды энергетических установок подвергаются критическому рассмотрению, позволяющему выявить имеющиеся в них недостатки и находить пути совершенствования.

А минусов у возобновляемых источников много. Они действительно занимают значительные территории, отличаются большей материалоемкостью и высокой стоимостью. Конечно, вынос солнечных установок в космос смягчает одни проблемы, но усугубляет другие. Так, из-за большого количества ракет, необходимых для доставки материалов на орбиту, сильно загрязняется атмосфера. Небезопасны и мощные потоки СВЧ-излучения, используемые для передачи энергии на Землю. Самое же главное — пока еще совершенно неприемлема стоимость ССЭС.

Суперчерные поверхности

Несколько лет назад появилась заметка о создании в США небольшой солнечной установки, использующей двигатель Стирлинга. Он удобен тем, что в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания тепло для его работы подводится извне. Сложнее всего здесь создать и отработать надежную конструкцию. В общем, порадовался я успеху американских коллег и забыл о нем.

Однажды во время отпуска в Чимганских горах вблизи Ташкента я побывал на выставке достижений народного хозяйства Узбекистана. У одного из стендов я заметил солнечный рефлектор, «Макет солнечной электростанции с двигателем Стирлинга, созданный учеными физико-технического института имени Стародубцева города Ташкента» — гласила табличка.

Оказывается, ташкентская установка заработала за несколько лет до американской. Сейчас на ее основе выпускается вполне экономичный автономный передвижной насос для подъема воды из колодцев. Получаемой электроэнергии достаточно для того, чтобы с глубины 20 метров выкачивать три с половиной кубометра воды в час.

По многим проблемам гелиотехники, особенно в области теории, наши исследователи идут впереди. Обидно, когда рожденные у нас идеи впервые воплощаются в металл где-то за рубежом.

Получение электроэнергии — довольно сложное направление утилизации солнечной энергии. Сейчас в нашей стране солнечные фотоэлементы используются на десятках электрогенераторов малой мощности, установленных на маяках, буях, навигационных знаках.

Распространеннее солнечные установки для получения горячей воды. Простейшее устройство выглядит так. Падающие солнечные лучи поглощаются черным металлическим листом; от него тепло передается трубам с нагреваемой водой, которые тесно прижаты к поглощающей поверхности. Задняя и боковые стороны листа закрыты теплоизоляцией, уменьшающей потери тепла. Температура воды поднимается до 70 градусов.

Подобные коллекторы все время совершенствуются с тем, чтобы можно было улавливать побольше солнечных лучей и достичь более высокой температуры. Недостаточно создать суперчерную поверхность с максимальным коэффициентом поглощения фотонов. Ведь суперчерное тело отличается и очень высокой излучательной способностью. Коллектор не только будет накапливать солнечную энергию, но и отдавать ее уже в виде длинноволнового инфракрасного излучения.

Простейший способ удержать накопленное тепло — это расположить перед коллектором стекло. Оно несколько ослабит солнечный свет, но зато не пропустит назад тепловое излучение. Именно так делается в теплицах.

Есть и более изощренные способы. На полированную металлическую поверхность, у которой весьма мал коэффициент излучения, наносится очень тонкая пленка окиси никеля или меди. Этот тонкий слой почти черного цвета обладает высокой поглощательной способностью в коротковолновой части спектра. В то же время для инфракрасных лучей, длина волны которых больше толщины пленки, этот слой прозрачен. Значит, тепловое излучение будет определяться коэффициентом излучения полированного металла, а он очень низок. В итоге достигаются температуры до 150 °C.

Однако коллектор подобного типа достаточно дорог — несколько десятков рублей за квадратный метр. Столь высокая цена — большое препятствие для широкого внедрения. Вот если бы удешевить коллекторы в 4–5 раз!..

Впрочем, обнадеживающие конструкции уже появляются. Например, в ФРГ научились изготовлять плоские черные пластмассовые ленточные коллекторы. Каналы для воды заключены между двумя профилированными слоями пластика. Лента поглощает тепло, вода в каналах нагревается и в подогретом виде поступает в плавательные бассейны.

А нельзя ли концентрировать солнечную энергию в условиях рассеянного излучения, когда не срабатывают зеркала-рефлекторы и линзы? Оказывается, можно, если между двумя стеклянными или прозрачными пластмассовыми пластинами поместить раствор с флуоресцентным красителем. В коллекторе этого типа используется свойство раствора поглощать свет в широком диапазоне длин волн, а потом направленно излучать его в узкой коротковолновой части.

В нашей стране немало мест, где выгодно устанавливать коллекторы солнечной энергии. Так, в Казахстане и Средней Азии в отдаленных районах на пастбищах не хватает пресной воды, хотя много минерализованной. Сделать из обычного коллектора опреснитель просто. Над плоскостью наклонно к ней помещается стеклянный лист. Бока закрываются изолирующими щитами. На дно такой установки наливается минерализованная вода. Испаряясь, она конденсируется на более холодной стеклянной поверхности и стекает в приемник.

Солнечное тепло используется для обогрева в холодных районах страны. Интересный опыт накоплен, например, в далеком, но знаменитом городке Тынде. В зоне БАМа с ее суровым климатом число солнечных дней в году все же составляет около 150. Почему бы не построить специальный экспериментальный дом с подогревом от Солнца? В стене на южном фасаде смонтировали гофрированный экран из металла, окрашенного в черный цвет. Через этот экран днем нагревался воздух помещений. На ночь внутри помещения за экраном устанавливались утепленные ставни. В результате удается сэкономить 25 процентов электроэнергии.

Пока солнечные коллекторы, облегчающие бремя теплоснабжения, не получили должного распространения. И все же можно надеяться, что в ближайшие десятилетия с помощью более совершенных светоулавливающих систем удастся освоить солнечную энергию, эквивалентную нескольким миллионам тонн топлива в год.

Разрабатываются и испытываются различные устройства для промышленного использования солнечного тепла. Например, инженеры из Дортмундского университета в ФРГ спроектировали солнечную печь для обжига кирпича, в которой двухкаскадная зеркальная система создает в рабочей камере температуру до 1000 °C. Как известно, несколько тысячелетий назад люди не обжигали, а сушили кирпичи на солнце. Современная техника возвращается к солнечной «сушке», но на более высоком уровне.

Уникальный солнечный концентратор под названием «Солнце» строится в Узбекистане в предгорьях Тянь-Шаня. Там тоже применена двухкаскадная зеркальная система, создающая в печи температуру 3000 градусов. В установке можно плавить даже тугоплавкие металлы.

Тепло Земли

Не только над нашей головой, но и под нашими ногами — неисчерпаемый источник энергии. Это — тепло земных недр. Геотермальная энергетика перспективнее остальных возобновляемых теплоисточников, если не считать гидроэнергии.

Из-под земли можно извлечь тепло, эквивалентное десяткам миллионов тонн условного топлива. Запасы термальных вод рассеяны по всей территории страны, но в основном в Западной Сибири, затем на Кавказе, в Крыму, Средней Азии, Казахстане. Всего доступно для эксплуатации свыше 20 миллионов кубометров кипятка в сутки.

Температура термальных вод и пара бывает очень высокой и достигает 350 °C. Но столь горячие источники составляют лишь несколько процентов от всех гидротермальных ресурсов. Преобладает семидесятиградусная вода — две трети подземных водопаровых «котлов».

Очень интересны и многообещающи камчатские кладовые. Именно на Камчатке в 1941 году открыли Долину гейзеров. Сенсация облетела весь мир. Ведь раньше на планете были известны всего три «гейзерных» места — в Исландии, Йеллоустонском парке в США и в Новой Зеландии.

А совсем недавно, в 1983 году, обнаружена еще одна «долина гейзеров» — в Забайкалье, в ущельях Удоканского хребта. Правда, гейзерное поле здесь не такое мощное, как на Камчатке. Одна из причин — малое количество осадков в резко континентальном климате Забайкалья, тогда как Камчатку природа водой не обидела. Поэтому на ней вблизи огнедышащих вулканов много как гейзеров, так и горячих термальных вод.

Неудивительно, что там на реке Паужетке и была построена в 1967 году первая в СССР Паужетская геотермальная электростанция мощностью 5 тысяч киловатт. Температура пароводяной смеси в ее скважинах достигает 200 °C.

Паужетский район стал «экспериментальным полигоном» исследований по утилизации подземного кипятка. Сбросная вода электростанции обогревает радиаторы жилых зданий поселка, течет из кранов. Бетонное шоссе, соединяющее поселок и электростанцию, чистое от наледей и заносов даже в снежные зимы, потому что обогревается горячими водными сбросами.

Сейчас на повестке дня — создание более мощных станций. Соответствующие подземные «котлы» имеются. Так, вблизи вулкана Мутновский, в ста километрах южнее Петропавловска-Камчатского, найдено большое гидротермальное месторождение. Давление — 40 атмосфер, а температура пара — 270 градусов. Здесь можно построить электростанцию мощностью до 200 мегаватт.

Но прежде нужно решить многие проблемы, связанные с использованием термальных вод. Например, трубы и краны у экспериментальных скважин оказалась покрыты белыми натеками. Дело в том, что из минерализованного раствора выделяются различные вещества. Особенно разъедают металл кремниевая кислота и сероводород, образующие серную кислоту. Нужны специальная арматура, приборы, кабели. Остается неясным, как закачивать использованную воду обратно в пласт. Ведь из многих термальных скважин поступает токсичная «минералка», содержащая фенолы, и сброс ее в водные бассейны не допустим.

В 40–50 километрах от Петропавловска Камчатского на реке Паратунке расположено одно из крупнейших гидротермальных месторождений. Однако температура подземной воды — всего 80 градусов. Чтобы изучить ее эксплуатационные характеристики, была построена первая в мире Паратунская низкотемпературная станция. В паровом цикле решено было вместо воды использовать низкокипящую жидкость фреон.

Геотермальные воды особенно удобны для отопления и водоснабжения. Для этих целей они уже используются в городах и поселках Дагестана, Грузии, Камчатки. Около 300 тысяч человек сейчас пользуются геотермальной энергетикой. На очереди — обогрев крупных жилых массивов Алма-Аты, Омска, Тюмени, Ташкента, поскольку вблизи этих городов расположены громадные запасы подземных горячих вод. Там и развернется строительство мощных гидротермальных систем теплоснабжения.

И в европейской части СССР есть местности, богатые подземным кипятком. Например — Прибалтика. Почти на всей территории Прибалтийских республик обнаружен подогретый артезианский бассейн. Температура воды меняется от 20–25 градусов в районе Риги до 70 градусов под Клайпедой. К сожалению, в ней содержится много различных солей. Но если есть возможность их экономично извлечь, то эффективность использования гидротермальных ресурсов возрастает. Так, из прибалтийских гидрозалежей рентабельно добывать бром.

Термальными водами можно отапливать не только жилища, но и теплицы. Сейчас таких «парников» немного — всего 50 гектаров в Краснодарском крае, в Грозном, Махачкале, Петропавловске-Камчатском. Но не утопия — расширить площади до сотен и тысяч гектаров.

Гидротермальные месторождения, расположенные в основном в зонах сегодняшней или давней вулканической деятельности, хранят много энергии. Но еще больше тепла содержат прогретые массы пород в глубинах земли там, где подземный кипяток отсутствует. Такое тепло называют петрогеотермальным.

С каждого квадратного метра поверхности Земли в космос улетучивается тепловой поток мощностью около 0,06 ватта. Другими словами, через территорию нашей страны уходит в пространство поток в полтора миллиарда киловатт. Однако недрам планеты не грозит остывание. Они прогреваются в основном снизу, из горячего ядра земли. Благодаря плохой теплопроводности глубинных пород на поверхности земного шара царит приемлемая для жизни температура. Чем глубже в земную кору, тем «горячее». Но температура меняется медленно — на каждые 30 метров вниз она возрастает на один градус. В некоторых же местах она повышается гораздо быстрее — на один градус через каждые 2–3 метра вглубь. Здесь-то и выгодно извлекать петрогеотермальную энергию.

Наука о тепловом состоянии земли — геотермика — родилась относительно недавно. В середине прошлого века лорд Томсон (лорд Кельвин) исследовал в своей диссертации, как скоро охладится тело планеты, надеясь на основе вычислений определить ее возраст. Однако задачу удалось решить только после открытия радиоактивности.

Поток радиоактивного тепла из ядра земли на глубинах 4–6 километров в тысячи раз больше всей энергии, потребляемой народным хозяйством СССР. Можно ли его утилизовать?

Способ есть, и в принципе он очень простой. Пробурите ряд скважин. После этого в одни нужно закачивать холодную воду, а из других отбирать подогретую. Если на глубине встретится развитая поверхность теплоотдачи, этот способ окажется вполне эффективным.

Пористые пласты или зоны естественной трещиноватости — удобные породы для отвода тепла. Но ведь не всегда такие породы бывают именно там, где особенно нужно тепло. Поэтому заманчиво создать искусственную трещиноватость.

Нельзя ли применить метод искусственных гидроразрывов, как это делается и при интенсификации добычи нефти? Затем в образующуюся при гидроразрыве трещину пробурить скважины для подачи и отбора воды. Подобная экспериментальная система для извлечения тепла из горячих пород разработана в США. Однако, несмотря на полученные интересные результаты и открывающиеся перспективы, стоимость извлекаемого тепла оказалась очень высокой. С петрогеотермальными станциями придется подождать.

Второе дыхание ветра

Вернемся опять в Крым, где получали апробацию многие необычные энергоустановки. В 1931 году около Севастополя была построена и проработала до 1942 года самая мощная по тем временам 100-киловаттная ветроэлектрическая станция. В те годы и вплоть до 60-х годов тысячи ветряков — эоловых работников — производили электроэнергию в разных концах нашей страны. А еще раньше в России, по подсчетам любителей статистики и истории, вертелись лопасти около 250 тысяч ветряков-мельниц.

И это неудивительно. Ведь местностей, где на протяжении 200 и даже 300 (!) дней в году скорость ветра в приземном слое достигает 5–10 метров в секунду, в нашей стране много. Это и Крайний Север, и юг вдоль Черного, Азовского и Каспийского морей. Прибавьте также Тихоокеанское и Балтийское побережья. Даже там, где ветер не отличается постоянством и силой, его все же можно использовать для промышленных и хозяйственных нужд.

И тем не менее в 60-е годы эоловы станции отступили под натиском более дешевых источников энергии на нефти, а потом и на газе. Такая же картина наблюдалась и во многих других индустриальных странах: в ФРГ, США, Испании и в самой «ветреной» стране Европы — Голландии, где поныне украшают ландшафт около тысячи ветряков — памятников старины.

Только ли дешевизна газа и нефти стала причиной неконкурентоспособности ветровых станций? Вряд ли. Немаловажно, что на протяжении сотен лет ветродвигатели совершенствовались несравненно медленнее, чем энергетические установки других видов.

Ветряные мельницы появились в Европе в VII–XI веках. Пришли они с Востока и Юга. В Китае, Персии, Египте они существовали задолго до нашей эры. Основные элементы их — башня, редуктор, вертикальная и горизонтальная оси, четыре-шесть лопастей — менялись незначительно на протяжении веков. Конечно, кое-что улучшалось, но ветрякам далеко было до того аэродинамического совершенства, которым обладают крылья самолетов. Лишь в XVIII веке Бернулли и Эйлер, а затем Жуковский заложили основы теории ветровых станций. Сейчас испытания лопастей и ветряных колес ведутся в аэродинамических трубах, создаются все более эффективные конструкции.

Наступило время «второго дыхания» ветра. Вновь начинается массовое строительство ветряков. Пример подает все та же Голландия. Там объявлено о проекте строительства ветроэнергетической установки, состоящей из 10 или 20 ветродвигателей мощностью по 300–500 киловатт. Планируется и создание ветродвигателей мощностью в несколько мегаватт.

Основная трудность связана с переменной силой ветра. Мощность ветростанции пропорциональна скорости воздушных струй в третьей степени. Предположим, станция с диаметром колеса 50 метров при не очень большой скорости ветрового потока — 8 метров в секунду — имеет мощность около 1000 киловатт. Если же скорость понизится вдвое, то мощность упадет сразу до 120 киловатт, а то и ниже. Станция практически перестает работать.

С другой стороны, при возрастании скорости ветра резко повышается мощность, и чтобы ее регулировать, сначала достаточно изменить угол атаки лопастей, а потом при некоторой критической величине нужно останавливать ветроколесо. Естественно, башня должна сдерживать напор бурь и ураганов. С этим связана ее большая металлоемкость и дороговизна.

Энергия ветров пока дорога, но кое-где она вполне рентабельна. Так, соединив ветродвигатель с компрессором, можно экономично аэрировать водоемы, вентилировать овощехранилища. Во многих районах ветродвигатели целесообразно сочетать с опреснительными установками. Станции малой мощности способны обслуживать водопойные пункты в степях. В СССР уже налажено производство четырехкиловаттных станций, смонтированных на семиметровой башне. Для орошения оазисов нужны установки с мощностью в десятки и даже сотни киловатт.

Разработан проект большого ветродвигателя мощностью 2500 киловатт в виде огромного двухлопастного колеса диаметром 100 метров, установленного на 60-метровой башне. Пока столь большие мощности доступны лишь в экспериментальных или опытно-промышленных установках. А вот установки мощностью 100–300 киловатт и сейчас можно эффективно использовать, например, в прибрежной 100-километровой полосе вдоль Северного Ледовитого океана — в первую очередь в районах Надымского и Тазовского газовых месторождений, где средняя скорость ветра 5 метров в секунду, а на севере Ямала — вдвое больше.

Существует также проект ветростанции башенного типа с восемью ветровыми двигателями. Башня закреплена на вращающейся тележке и с помощью специального электродвигателя всегда ориентирует ветроколеса в оптимальном направлении. По оценкам проектантов, себестоимость электроэнергии составит всего 0,4 копейки за киловатт-час. Между тем электроэнергия, вырабатываемая на Севере дизельной электростанцией, обходится в 10 раз дороже. Правда, расчеты себестоимости сделаны при допущении, что ветер будет беспрерывно дуть с постоянной скоростью. А ведь ветродвигатель даже в «ветреных» северных районах вряд ли проработает на номинальной расчетной мощности больше 2500–4000 часов. Значит, необходимы аккумуляторы энергии, а они стоят недешево.

Предложено еще несколько интересных конструкций ветродвигателей, в которых изобретатели стараются преодолеть недостатки лопастных ветростанций башенного типа.

Например, по кольцевому рельсовому пути ветер гоняет тележки, снабженные алюминиевыми крыльями-парусами. Колеса тележек соединены с электрогенераторами, отдающими через рельсы ток в сеть. Уже построена небольшая опытная установка с крыльями высотой около 10 метров.

В конструкции, которая получила название «яйцесбивалка», ось ветродвигателя — вертикальная. На ней размещено эллипсовидное алюминиевое кольцо длиной 27 и шириной 5 метров, которое и есть привычная нам лопасть. Высота созданной экспериментальной установки 19 метров (большая ось эллипса), а ширина — 5 метров (малая ось). Мощность двигателя — 100 киловатт.

У этой конструкции — ряд преимуществ. Она использует ветер, дующий с любой стороны. Отпадает необходимость в оборудовании для фиксации и поворота ветродвигателей. Алюминиевые плоскости кольца в пять раз дешевле лопастей из композитных материалов, применяемых в привычных нам ветродвигателях. Кроме того, становится ненужной башня. Впрочем, от дорогостоящей башни удалось избавиться и в другой установке, предложенной немецким инженером Г. Вагнером.

Представьте себе две лопасти с углом между ними 110 градусов. Они вращаются вокруг оси, наклоненной к горизонту под углом 55 градусов. Благодаря такой геометрии башня оказывается лишней. Когда при вращении оси одна лопасть смотрит вверх, то другая проходит над землей горизонтально.

Ветряки Вагнера, автоматически принимающие необходимое положение по отношению к ветру, можно размещать на судах и понтонах. На понтоне в Северном море уже работает опытный образец. Есть у этой конструкции и недостатки. С потоком ветра встречается всегда только одна лопасть, и ее длину для получения большой мощности нужно существенно увеличивать. Изобретатель предлагает убрать одну из двух дорогих лопастей, установить вместо нее только противовес. Тем самым можно сэкономить на изготовлении крыла сложного профиля и редукторе, так как ветряк станет вращаться вдвое быстрее.

Разговор о ветре закончим проектом будущего. Примерно раз в месяц на черноморский город Новороссийск обрушивается сильнейший ураган — бора. Раз в год он приобретает катастрофический характер. Виной всему — тянущийся вдоль Цемесской бухты Вакадский хребет. Он не пропускает с Кубанской низменности, расположенной за хребтом, холодный воздух к морю. Но вблизи от города в хребте есть одна низкая точка — седло, через которое время от времени и устремляются скопившиеся воздушные массы.

Специалисты-энтузиасты предлагают «спасти» город от напасти и заодно использовать силу боры. Для этого сквозь хребет нужно пробить три шахты, которые соединяются в один туннель под склоном, обращенным к морю. Затем достаточно установить в туннеле воздушную турбину.

Интересный, красивый и, будем надеяться, осуществимый проект.

Океаны энергии

Океан — огромная кладовая беспокойной энергии. Здесь рождаются приливы и отливы, текут такие могучие реки, которых не знает суша, плещут волны.

Мощность океанских течений Куросио и Гольфстрим достигает трех миллиардов киловатт. Еще несколько десятилетий назад появились предложения об использовании энергии этих гигантских океанских «рек». Сегодня разработаны и конкретные проекты. Так, по мнению американских энтузиастов-энергетиков, при скорости течения 5–7 километров в час турбина диаметром 170 метров и длиной 80 метров, закрепленная якорем на глубине 30 метров под поверхностью океана, сможет обеспечить мощность 50 тысяч киловатт. Американские энтузиасты-энергетики предложили проект, согласно которому двести алюминиевых турбин, установленных под водой в 30 километрах от побережья Флориды, будто бы дадут 10 миллионов киловатт.

Не все специалисты уверены в правильности расчетов.

«Нужно изучить, как изменится скорость течения и его температура. Не погубят ли рыбу вращающиеся лопасти алюминиевых турбин?» — тревожатся океанологи. «Не дорого ли передавать энергию из-под воды на расстояние десятков километров? Смогут ли станции проработать 30 лет в океане?» — вопрошают оппоненты. Пока решено построить опытную установку с турбиной диаметром 10 метров.

Океан аккумулирует много солнечной энергии, но распределяется она неравномерно. Вода нагревается в тропических и субтропических зонах и оттуда растекается к полюсам. Холодная вода от полюсов течет в обратном направлении, но уже в глубине океана. Разница температур между поверхностью океана и на полукилометровой глубине может составлять 30 градусов. Если имеется столь значительная разность температур, то в принципе несложно создать электрогенератор.

Устройство для получения электроэнергии не отличается принципиально от существующих тепловых электростанций. Нагретая солнцем океанская вода с температурой 24–28 градусов в теплообменнике испаряет аммиак. Пары аммиака вращают турбину электрогенератора и поступают в другой теплообменник, где охлаждаются пятиградусной водой и конденсируются. Одна из основных трудностей — как поднять с полукилометровой или километровой глубины громадные массы холодной воды. Скажем, электростанция мощностью 200–400 мегаватт потребует для своей работы 5 тысяч кубических метров такого охладителя в секунду, что лишь немного уступает стоку Волги. Труба, пропускающая этот огромный водный поток, должна будет иметь диаметр около 30 метров.

Предлагается использовать вместо аммиака теплую морскую воду. Чтобы превратить ее в пар, с помощью вакуум-насосов в 15 раз понижается атмосферное давление. Вода закипает, пары направляются в турбину, а из нее попадают в конденсатор, охлаждаемый морской водой с глубины. Достоинство этой схемы — не нужен аммиак или фреон. Кроме того, в конденсаторе побочно получается пресная вода. Но не будут ли выделяющиеся при испарении морской воды растворенные в ней газы препятствовать созданию необходимого вакуума? Не уйдет ли вся генерируемая полезная мощность на вакуум-насосы?

А самое главное препятствие — при вскипании морской воды резко возрастает концентрация солей, которыми забивается оборудование, и оно из-за коррозии быстрее выходит из строя.

Таким образом, еще не пришло время в широких масштабах практически использовать для производства электроэнергии течения и разницу температур. А вот волны и приливы уже сейчас дают энергию.

Чем круче и мощнее волна, чем чаще она накатывает, тем больше полезной работы она способна совершить. Во внутренних морях типа Каспийского и Черного расстояние между соседними гребнями достигает 60 метров, а высота волн — 6–7 метров, в Средиземном же море — соответственно 250 и 9 метров. В открытом океане встречаются и полуторакилометровые волны высотой 12–15, а иногда и 20 метров. Размеры волн во многом зависят от силы ветра.

В 1806 году английским адмиралом Бофортом была разработана шкала для измерения силы ветра. Ноль баллов — мертвый штиль, а 12 баллов — скорость ветра 30 метров в секунду. Этой скорости соответствует волнение моря 9 баллов. Кстати, многие связывают легендарный девятый вал с 9 баллами. Однако исследования показали, что отнюдь не всегда девятая волна — самая мощная. Американцы самой сильной волной считают седьмую, древние римляне — десятую, а греки — третью.

Потенциальная мощность всех морских и океанских валов оценивается в 10^8–10^10 мегаватт. Однако реально можно попытаться использовать лишь 10^7 мегаватт. Здесь важна мощность, приходящаяся на погонный метр фронта волны. Кое-где она достигает 70 киловатт. В морях нашей страны она меняется от 6 киловатт для Черного моря до 30 для Баренцева.

Первая волновая станция была построена во Франции еще в 1910 году, а теперь устройств, преобразующих энергию волн в электричество, придумано множество. Тут и плавучие резервуары, в которых волна сжимает воздух, а тот, в свою очередь, вращает воздушную турбину, и каплеобразные поплавки, качающиеся на волне и приводящие в действие гидронасосы, и соединенные шарнирами плотики, угол между которыми изменяется в соответствии с формой волны.

В Истринском отделении Института электромеханики разработана плавучая установка с ветроколесом, одновременно использующая энергию и волн и ветра.

Еще один оригинальный проект осуществлен вблизи японского города Цуруока. Небольшая бухточка перекрыта колпаком с отверстием вверху. Над отверстием смонтирована воздушная турбина с электрогенератором. Турбина вращается потоком воздуха, возникающим при колебании уровня воды в бухточке. При однометровой высоте волн мощность генератора — 3 киловатта, а при двухметровой — в четыре раза больше. По очень похожему проекту сооружается станция, использующая прибой, в Норвегии.

На океанские берега ежедневно набегает гигантская волна приливов, рожденная притяжением Луны. Запасы приливной энергии в нашей стране равны примерно 200 миллиардам киловатт-часов в год. В одной Мезенской губе на Белом море можно соорудить приливную ГЭС, вырабатывающую 90 миллиардов киловатт-часов. Для этого губу следует перегородить стокилометровой плотиной высотой 20 метров. При установке в ней 1000–1500 турбин будет вырабатываться мощность в 25 миллионов киловатт. Перспективно сооружение приливных станций и на Мурманском побережье; для некоторых его мест уже разработан ряд проектов. Огромны запасы энергии в Пенжинском и Гижигинском заливах, где амплитуда приливов достигает 13 метров.

Рассматриваются проекты приливных плотин, которые приведут вдобавок к климатическим изменениям. Например, в проливе Невельского между островом Сахалин и мысом Лазарева (ширина около 8 километров, глубина — 7 метров) каждые шесть часов попеременно прилив сменяется отливом, в результате чего сначала теплая вода из Японского моря устремляется в Охотское, а затем холодные водные массы Охотского моря проникают на юг. Перегородить пролив дамбой технически несложно. Затраты вряд ли превысят стоимость сооружения крупной речной плотины. Но зато если пропускать воду через шлюзы только в северном направлении, одновременно получая электроэнергию, то за год Охотское море получит четыре теплых годовых стока Волги, а Японское море будет наполняться еще более теплой водой течения Куросио.

Сейчас в мире работают две приливные станция. Одна из них сооружена во Франции на берегу Ла-Манша в устье реки Ранс в 1967 году. Ее максимальная мощность — 240 мегаватт. При перемене течения лопасти турбин поворачиваются, чтобы использовать отлив. В течение года средняя мощность станции составляет всего четверть от максимальной.

Годом позже вблизи Мурманска в Кислой губе вступила в строй экспериментальная приливная станция мощностью 400 киловатт. Основная цель проекта — проверить, как проявят себя в суровых условиях Севера конструкции с применением новых технологических решений. Станция монтировалась на мысе Притыка, где расположен порт с необходимой производственной базой. Все системы станции были размещены на плавучем кессоне, который затем отбуксировали в Кислую губу и затопили там в горловине залива. Кессон по бокам был надстроен заранее заготовленными секциями плотины.

В небольшой книжке «Океан энергии» американец Д. Голдин писал: «В случае успеха русские, известные как практичные мечтатели, планировали создать сеть небольших приливных электростанций на побережье Белого моря для получения дешевой энергии».

Пока самый удобный

Самый удобный и освоенный из возобновляемых источников энергии — реки. На территории Советского Союза сосредоточено почти 12 процентов мировых запасов гидроэнергии, что эквивалентно примерно 400 миллионам тонн условного топлива в год.

Причем речь идет не о теоретических запасах, а о так называемых экономических. Их выгодно эксплуатировать уже сегодня.

Освоено из них пока около 70 миллионов тонн условного топлива, так что неиспользованной гидроэнергии еще немало, причем не только на востоке страны. Так, в европейской части введена в оборот лишь приблизительно одна треть доступных ресурсов. Больше же половины ГЭС расположено на востоке страны.

Интересно, что современная гидроэнергетика унаследовала многие идеи и рекомендации разработчиков плана ГОЭЛРО. Еще не закончилась гражданская война, а уже велись геологические изыскания для Днепрогэса. Строка из протокола заседания комиссии по ГОЭЛРО гласила: «…заслушан доклад о водных силах Ангары — участок выше Братского имеет все данные для развития». Сейчас мощность Братской ГЭС — 4500 мегаватт.

Ныне Советский Союз — в числе передовых стран в гидростроении. При создании ГЭС используются самые прогрессивные методы. Например, каскады ГЭС позволяют полностью задействовать напор рек и осуществить регулирование стоков. Мы научились строить ГЭС в суровых климатических условиях Севера. Впервые в мире в нашей стране возведены крупные равнинные ГЭС, разработаны и осуществлены защитные меры по уменьшению площади затапливаемых территорий. За последние 20 лет площадь земель, уходящих под воду, уменьшилась в пять раз в подсчете на один киловатт установленной мощности. Уникальны некоторые плотины наших ГЭС. Так, самая высокая в мире арочная бетонная плотина Ингури-ГЭС — 272 метра! Еще выше — на 300 метров — взметнулась каменно-земляная Нурекская дамба.

Однако гидростроители не решили всех своих проблем. Еще в плане ГОЭЛРО есть раздел, предостерегающий от бездумной траты якобы «даровой энергии воды». При создании гидроэлектростанций следует учитывать некоторые тревожащие факторы, не всегда пока поддающиеся экономической оценке.

В недавно вышедшей книге «Современные проблемы энергетики» в разделе «Перспективы развития ГЭС и ГАЭС» отмечается, что «к числу негативных явлений, вызываемых строительством ГЭС и ГАЭС, можно отнести: усложнение задачи сохранения необходимого по санитарным правилам качества воды в водоемах, активизацию деятельности синезеленых водорослей, изменение уровенных и ледовых режимов в нижних бьефах в сезонном и суточном разрезах». Кроме того, образование водохранилищ перед плотинами ГЭС приводит к потерям пахотной земли, гибели рыбы, изменению климата.

Конечно, наши проектировщики стремятся создавать ГЭС не только как энергетическое предприятие; обычно предусматривается улучшение условий для работы речного транспорта, расширение ирригационных систем и возможностей для рыбохозяйств. Одновременно решаются проблемы промышленного водоснабжения, защиты от наводнений, создания зон отдыха. Тем не менее не все отрицательные последствия гидростроительства удается преодолеть.

Возрастающую роль играют гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Они работают благодаря большой разнице уровней водостока, большому водонапору. Исследование возможных площадок для их строительства показало, что наиболее распространен умеренный перепад высот от 80 до 120 метров. Между тем чем больше разница по высоте, тем меньше стоимость станции. Однако потребность в ГАЭС настолько велика, что приемлемы и умеренные перепады. Намечено в первую очередь построить около 10 «гидроаккумуляторов» мощностью от 1000 до 2500 мегаватт, работающих на обратимых гидроагрегатах мощностью 200 мегаватт.

Некоторый опыт создания и эксплуатации ГАЭС уже имеется. В 1970 году на Киевском гидроузле была сооружена первая в стране опытная гидроаккумуляторная станция с напором 70 метров. На ней были установлены гидроагрегаты мощностью 33 мегаватта. Сейчас сооружается Загорская ГАЭС под Москвой мощностью 1200 мегаватт. Запланированы Кайшядорская на 1600 мегаватт, работающая в связке с Игналинской атомной станцией, и Южно-Украинская на 1800 мегаватт. В ближайшие годы начнется строительство Ленинградской, Центральной, Днестровской и Каневской ГАЭС.

В двенадцатой и последующих пятилетках, как намечено в принятых XXVII съездом КПСС основных направлениях развития страны, будет продолжаться интенсивное освоение гидроресурсов Закавказья, Сибири, Дальнего Востока, Средней Азии и Северо-Запада европейской части. Наряду с возведением ГЭС-гигантов развертывается и сооружение малых ГЭС.

Конечно, малая энергетика не заменит большую. Но последние достижения техники позволяют по-новому взглянуть на возможности небольших гидростанций. Оказывается, они могут быть вполне эффективными на многих водохранилищах неэнергетического назначения, на малых реках, перепадах оросительных каналов. Они рентабельны в районах, куда невыгодно прокладывать линии электропередачи от мощных электростанций, где дороже обойдутся дизельные электрогенераторы. Для того чтобы обеспечить электроэнергией территории Севера, Востока, Средней Азии и Кавказа, необходимо произвести несколько тысяч гидроагрегатов.

Опыт строительства малых ГЭС накоплен в Чехословакии, а также в Китае, где работает более 90 тысяч станций. У нас в предвоенные и особенно в послевоенные годы они тоже получили широкое распространение, но затем многие из них были законсервированы или демонтированы. Сейчас же в стране небольших ГЭС мощностью менее 30 мегаватт (их называют МГЭС) насчитывается около 300, а их суммарная мощность едва достигает 1,5 миллиона киловатт.

Просматривая список действующих МГЭС, я с удивлением обнаружил, что две были построены в 1900–1910 годах, а еще десятки — до 1930 года. Значит, они добросовестно трудятся по 70–80 лет и, видимо, вполне себя оправдывают. Конечно, для малых станций требуется оборудование, простое в обслуживании и ремонте. Ведь чем малочисленное обслуживающий персонал, тем рентабельнее установка. Пока же доля зарплаты в стоимости электроэнергии на действующих неавтоматизированных МГЭС доходит до 60 процентов. Конструкторам и инженерам приходится ныне активизировать работу по совершенствованию нетрадиционных ГЭС.

Хочешь изобилия — будь экономным

Чтобы в доме было тепло и прохладно

Четверть энергии, производимой в стране, потребляют наши жилища и коммунально-бытовые предприятия. Растет население, увеличиваются число и размеры квартир, высота зданий, и с ними растут расходы топлива на поддержание комфортных условий в жилищах.

О высоте упоминается не случайно. Потери тепла пропорциональны поверхности здания. Чем больше поверхность, тем больше потери тепла. Значит, самый выгодный дом должен быть в виде шара. У него наименьшее отношение поверхности к объему. Внутри можно разместить много комнат. Однако жилым такой дом делать нельзя: внутренние комнаты не будут иметь доступа к дневному свету. Поэтому архитекторы и стараются часть помещений, в которых необязателен дневной свет (коридоры, ванные, санузлы, шахты для лифтов, лестничные клетки), размещать в центральных частях зданий.

Через наружные стены уходит до 40 процентов тепла. Тут никаких хитростей не придумаешь; нужно просто увеличить термическое сопротивление стен. Делать это можно по-разному. В ряде стран используются трехслойные панели: между двумя железобетонными плитами располагается теплоизоляция. Потери тепла в этих панелях уменьшаются не менее чем в полтора раза.

У нас в стране пока такие панели не делают. Указываются две причины. Архитекторы и строители не удовлетворены теми решениями, которые предлагаются для соединения таких панелей между собой. Другая причина — и более простая, и более сложная — нет достаточного количества хороших теплоизоляционных материалов. Более простая потому, что организовать достаточно масштабное производство теплоизоляции можно и трудностей здесь нет. А вот сложная оттого, что теплоизоляционных материалов мало и они очень дороги, тогда как такая тепловая изоляция нужна не только домам: ждут ее трубопроводы с горячим теплоносителем, всевозможные печи, химическое и технологическое оборудование, автомашины, самолеты и зимняя одежда. Это важнейшая проблема. Решить ее — дело исследователей разных специальностей. Внесли и внесут свой вклад даже биологи.

В далекой северо-восточной точке нашей страны, на реке Колыме, есть единственный в мире стационар для оленей — Рангифер. Ученые Магаданского института биологических проблем Севера изучают секреты оленя. Каким образом он, единственная зимняя пища которого всего-навсего — подснежный ягель, способен пережить суровую зиму Севера? Тайн здесь много, не все они еще раскрыты. Но вот один из выводов: у северного оленя идеальная тепловая изоляция. Его мех состоит не из сплошных волосков, а из полых. Если величину теплоизоляции у оленя принять за 10 единиц, то по сравнению с ним белка просто раздета — всего 3 единицы. Но и это не все. Зимой кончики волосков как бы разбухают, утолщаются и не пускают холодный воздух к коже. Мех становится тепловой броней. Есть чему поучиться человеку!

Использовать хорошую тепловую изоляцию можно по-разному: наклеить на стены теплоизолирующие обои (так делают в ФРГ) или разместить ее снаружи, закрыв защитными листами (так поступают в Англии). У нас при реконструкции домов на стены напыляют смесь асбеста, минеральной теплоизоляции и цемента.

Одни из наиболее емких потребителей теплоизоляции — теплотрассы. Таких трубопроводов у нас в стране более 200 тысяч километров. Изоляция для них должна быть прочной и не разрушаться, пока трубы везут с завода. Она должна защищать металл от коррозии и не поглощать влагу. Пока еще нет удовлетворительных решений всех этих задач. Иногда изоляцию делают многослойной: один слой теплоизоляционный, другой просто изоляционный, третий — прочный. (Такие теплотрассы очень дороги. Например, один ее километр от атомной станции теплоснабжения мощностью миллион киловатт стоит пока около миллиона рублей.)

Теплопровод укладывается в специальный гидроизолированный канал с бетонными или кирпичными стенками. Однако все же грунтовые воды довольно быстро проникают в канал, изоляция намокает и разрушается, потери тепла возрастают в несколько раз. По оценкам Всесоюзного научно-исследовательского и проектного института энергетики, в промышленности только по этой причине ежегодные потери достигают 10–15 миллионов тонн условного топлива, то есть около 5 процентов тепла, требующегося для обогрева жилья и коммунально-бытовых предприятий. Неудивительно, что с этими потерями борются все и всюду. Но ведь это так и нужно: не везде оптимальные решения должны быть одинаковыми.

Вот известия из Кирова. В фенолформальдегидные смолы для вспенивания добавляют местное сырье — отходы сланцевой промышленности — гидрохлорид. В качестве наполнителя используют мелкую щепу — отходы фанерного шпона. Получается теплоизоляция с хорошими свойствами. В Тюменской области теплоизоляция — дефицитный материал. Вязкость тюменской нефти при низкой температуре велика, и чтобы ее перекачать, нужно подогреть. Поэтому нефтепровод изолируется. Необходимо изолировать и газопроводы. В общем, изоляция нужна. А минеральных ископаемых для производства изоляции в Тюмени нет. В Тюменском институте изоляционных материалов нашли выход: на основе торфа, имеющегося в избытке вокруг промыслов, научились получать теплоизоляционные материалы. Из смеси торфяной крошки, жидкого стекла, золы топок получили гранулы для изготовления теплоизоляционных материалов. Из торфяной крошки и обычных невспенивающихся глин стали производить керамзит — заполнитель легких бетонов.

Во многих районах теплоизоляция производится из материалов, имеющихся в изобилии вокруг. Попыток было много. Однако различные виды армопенобетона, битумоперлита, фенольного поропласта быстро увлажнялись, старели. Сейчас по способу, разработанному во ВНИИэнергопроме, строятся цеха для производства труб диаметром 300–400 миллиметров, покрытых изоляцией из пенополимербетона. Создателям удалось сделать изоляцию с закрытой пористостью. Поры в материале обусловливают хорошие теплоизолирующие свойства, но если они соединены между собой, то такой материал подвержен быстрому увлажнению.

При создании изоляции смесь готовится в стандартном растворосмесителе и заливается в форму, в которую уложена труба. После процесса вспенивания в течение получаса оболочка остывает и твердеет. Процесс полимеризации завершается через несколько суток.

Если надежды, связанные с этим способом создания изоляции, оправдаются, это будет большим успехом в деле экономии энергии и создания дешевых средств передачи тепла на большие расстояния.

Атака на материалы продолжается. Сообщение из Польши — «Огнеупорная броня». Польские ученые создали материал, который по теплоизоляционным свойствам в 600 раз лучше огнеупорного кирпича. Это пористая угольная пена. Она не горит и легко обрабатывается. На воздухе легко выдерживает температуру до 300 градусов Цельсия.

Газета «Социалистическая индустрия» в заметке «Черный снег» сообщает, что в институте электроугольных изделий разработан способ получения «вспученного», или термически расщепленного, графита. Графитовые частицы, прошедшие специальную обработку серной кислотой под действием теплового удара, взрывообразно вспучиваются, увеличиваясь в объеме в 100–200 раз. Из этого материала можно получить почти невесомые толстые теплоизоляционные плиты, выдерживающие в бескислородной среде температуру до 3 тысяч градусов Цельсия.

Такой поток сообщений и радует и настораживает. Часто желаемое выдается за достигнутое. А ведь любой научный вывод требует многократной проверки «на прочность». Скажем, материал с теплопроводностью, меньшей в 600 раз теплопроводности огнеупорного кирпича, должен быть лучшим теплоизолятором, чем воздух. А такое вряд ли возможно. Но это, пожалуй, другая тема, которую развивать здесь мы не собирались. Вернемся в квартиру.

Любое здание должно вентилироваться. В жилых домах это происходит за счет естественной конвекции воздуха. Дом — как тяговая печная труба: снизу через лестничные клетки, через различные неплотности в него поступает холодный, а главное, свежий воздух, а через специальные вентиляционные каналы из здания выходит грязный и подогретый. Понятно, с ним уходит и тепло, но с этим почти ничего не сделаешь. Кухни, ванные, санузлы нужно вентилировать. Использовать это уходящее тепло в жилых зданиях и камеральных административных помещениях пока неэкономично. Нужно только позаботиться, чтобы вентиляция не была избыточной, то есть чтобы не уходил лишний подогретый воздух.

Если же говорить о промышленных зданиях и цехах, то картина меняется. Здесь количество выбрасываемого тепла с вентиляцией возрастает, поскольку интенсивность замены воздуха часто должна быть очень высокой.

В первую очередь это относится к производствам, технология которых связана с сильным загрязнением воздуха. Здесь становится выгодным организовать отбор тепла от выбрасываемого из цеха воздуха и подогревать его при входе.

Есть и такие виды технологий, для которых целесообразно организовать полную замкнутую систему циркуляции воздуха.

Во многих гостиничных и административных помещениях, в которых воздух почти не загрязняется, а также в промышленных зданиях со специальной технологией, требующей воздуха особой чистоты, целесообразно организовать замкнутые системы циркуляции воздуха с его очисткой, охлаждением или подогревом. Здесь также нужно предусматривать регенерацию тепла зимой.

Через окна в наши дома вливаются свет и воздух. А зимой через эти же окна уходит до 40–50 процентов тепла. Как уменьшить эти потери? Ранее наши предки просто делали маленькие окошки. Сейчас — напротив. В некоторых административных зданиях стены состоят целиком из стекла. Отдельные архитекторы утверждают, что это не только светло, но красиво и дешево. Спору нет. Но летом жарко и душно. А зимой? Потери тепла возрастают многократно. Следовательно, остекление должно быть оптимальным, и здесь недопустимо шараханье. Сейчас выработана такая норма: площадь окон не должна быть больше 15 процентов площади комнат. Оптимальна ли такая норма с точки зрения создания комфортных условий?

Время покажет. Сейчас же идут поиски способов, применив которые можно несколько примирить противоречивые требования к размерам остекления. Один из них — создание трехслойных окон. При этом световой поток немного уменьшится, ухудшатся условия эксплуатации, но потери тепла через окна уменьшатся на одну треть.

Это предложение родилось давно, но сам я трехслойных окон еще не видел. Хотя обещания ответственных за это лиц применять их читал. Конечно, такие окна дороже. Но у них есть еще одно качество, ценное для больших городов: уменьшение шума в административных и жилых помещениях. Вот в этих городах мы и должны в первую очередь увидеть такое новшество. Да и жители сурового климата не откажутся от него.

Рождаются и новые идеи. Несколько лет назад на конкурсе по экономии энергии, проводившемся за рубежом, победило изобретенное нового вида стекло, которое, свободно пропуская подавляющую часть светового спектра, не дает уходить из помещения тепловому излучению. С помощью таких стекол комнаты превращаются в хорошие ловушки для солнечной энергии. Достигается это специальной обработкой, называемой металлизацией стекла.

Изобретение получило широкое признание зарубежных специалистов. А ведь, по сути дела, оно было сделано у нас в стране более трех пятилеток назад. Более того, две пятилетки назад наша промышленность уже выпускала «теплое» стекло. Это обычное стекло, покрытое тонкой пленкой из двуокиси олова, резко уменьшало поток тепла из комнат. Эксперимент, проведенный в 1974 году на одной из новостроек Москвы, показал, что при установке в доме этих стекол поток тепла уменьшился вдвое.

К сожалению, сейчас такие стекла не выпускаются. Как сказано в одной из статей журналистки Л. Великановой в «Литературной газете», проводившей обсуждение проблем по экономии энергии, «секрет его изготовления утрачен». Звучит анекдотично, но близко к истине. Министерство промышленности строительных материалов до сих пор не развернуло промышленного изготовления подобных стекол. А зарубежные проспекты рекламируют: «Покупайте теплоотражающее стекло „термоплюс“».

Теперь — об экономике. Поскольку стекло не выпускается, то и стоимости его нет. Но в уже упомянутой статье одно число приведено. Дополнительные затраты составляют 25 копеек на квадратный метр стекла. Приняв, что на десять квадратных метров площади помещения достаточно 1,5 квадратного метра окна, получим, что в пересчете на один квадратный метр площади дополнительные затраты составят около 3 копеек. Расходы тепловой энергии на тот же квадратный метр помещения существенно зависят от климатических условий. Возьмем некоторую среднюю величину расхода, скажем, 50 килограммов условного топлива в год. Если «теплое» стекло сэкономит 15 процентов, то есть 7 килограммов в год, то только по стоимости топлива это дает около 20 копеек, а с учетом всех других затрат на производство энергии — 30 копеек на квадратный метр зданий.

Вернемся к жилым домам. Большинству знакома такая ситуация: светит солнце, температура на улице начала подниматься, радиаторы в комнатах тоже горячие, и сверх нормы начинает расти температура. Единственный выход — открыть форточку или даже окно и выпустить тепло наружу.

Работа системы обогрева жилых помещений городского микрорайона не так проста, как кажется на первый взгляд. Распределение горячей воды отрегулировано на определенный тепловой оптимум. Но вот условия изменились. Подул ветер — значит, в одних квартирах стало прохладнее, вышло яркое солнце — в других стало теплее. И если на теплоэлектростанции вдвое уменьшить расход горячей воды, то это не значит, что во всех квартирах температура уменьшится во столько же раз. Все будет сложнее, и в разных точках системы подвод тепла изменится разным образом.

Все это говорится для того, чтобы было понятно, что только регулированием расхода горячей воды, отпускаемого котельной или теплоэлектростанцией, создать нужное распределение тепла невозможно. Квартиры находятся в разных условиях.

Решение как будто бы лежит на поверхности. Нужно установить регулятор расхода горячей воды в каждой квартире, а еще лучше — в каждой комнате: ведь иногда в квартире одни окна выходят на юг, а другие на север.

Такой регулятор должен состоять из регулирующего вентиля, его электропривода, датчика температуры и релейного устройства, дающего команду на включение и выключение двигателя. Перечислен, конечно, очень упрощенный набор. Создать его нетрудно даже из выпускаемых нашей промышленностью узлов.

Необходимость установки автоматических регуляторов в некоторых странах уже диктуется законом.

Несколько лет назад в Москве в Доме дружбы с народами зарубежных стран проходил советско-итальянский симпозиум по энергетике. На одной из секций речь шла об энергетической политике в странах, в частности об экономии энергии. Итальянские коллеги познакомили нас с вышедшим в Италии законом по экономии энергии при отоплении помещений. Передо мной этот документ: закон № 373 от 30 апреля 1976 года. Вот два пункта из этого закона.

«Проектируемая температура воздуха в отапливаемых помещениях не может превышать 20 градусов, за исключением помещений, предназначенных для специального использования, где требования к более высокой температуре должны быть тщательно обоснованы в проекте».

Пункты, подобные этому, существуют и в нашем законодательстве для проектантов — СНИП (строительные нормы и правила). Этими же правилами оговариваются и требования к тепловой изоляции зданий различного назначения.

Но вот следующего пункта, содержащегося в итальянском законодательстве, у нас пока нет. Звучит он так: «Обязательное (!) автоматическое регулирование тепла, подаваемого в использующие приборы, чтобы его количество соответствовало наружной температуре. Такое автоматическое регулирование обязательно для новых устройств с тепловой мощностью топки не менее 50 тысяч ккал в час и для существующих устройств с мощностью не менее 100 тысяч ккал в час».

В этой статье закона очень важное место — число «50 тысяч ккал в час». В чем смысл этого предела?

А вот в чем. Скажем, на обогрев одной комнаты при мощности радиаторов 1500 ккал в час в год будет истрачена одна тонна условного топлива. Установив регулятор, мы сэкономим 20 процентов топлива, то есть 5–10 рублей в год. А регулирующее устройство обойдется в несколько сот рублей. Такая дорогостоящая экономия топлива нецелесообразна. Выход, хотя и частичный, все же есть. Проводить регулирование не для одной комнаты или квартиры, а для нескольких квартир. Скажем, для одной стороны дома — южной — один регулятор, для другой — северной — другой. Большая часть экономии может быть получена даже при подобном коллективном регулировании.

Примерно такой подход к экономии топлива за счет автоматического регулирования принят и в нашей стране. В Москве уже действуют более 100 автоматизированных центральных тепловых пунктов отопления и пунктов пофасадного регулирования.

А как же быть с отдельными квартирами, комнатами? Пока использовать автоматическое регулирование невыгодно, а вот обычное, ручное, необходимо. И то, что этого мы делать не можем из-за плохого качества регуляторов на батареях отопления или даже отсутствия их в новых конструкциях, не украшает ни проектантов, ни строителей.

Насколько разнообразны источники потерь тепла, настолько и различны пути его экономии. Иногда они неожиданны и требуют технических средств, а иногда почти беззатратны.

Обнаружено, что в больших по площади и высоких помещениях (залах, библиотеках, кинозалах, театрах) прохладно, несмотря на, казалось бы, достаточное количество источников тепла. Происходит это по понятной причине — горячий воздух уходит вверх. Разница температур внизу и под потолком достигает 10 градусов. Если организовать циркуляцию воздуха с помощью специальной системы вентиляторов, можно сэкономить до 30 процентов энергии.

Во многих административных зданиях существенной экономии тепла можно добиться, ограничивая подогрев помещения ночью и восстанавливая его к утру. Более того, на субботу и воскресенье можно снижать подачу тепла и в некоторые неработающие предприятия. Подсчеты показывают, что так можно сэкономить до 15 процентов топлива. Разработаны микроэлектронные устройства, которые должны управлять регуляторами тепла по заданной программе.

Древнегреческому драматургу Эсхилу принадлежат слова о том, что цивилизованные народы отличаются от варваров тем, что их дома «обращены лицом к солнцу».

Способов использования солнца для того, чтобы в доме было тепло и прохладно, — множество. О части из них мы уже говорили. Для получения горячей воды такие системы используются сейчас довольно широко. Во многих зонах страны полезно сочетание котельных установок с солнечными водонагревателями. В симферопольской гостинице «Турист» солнечные водонагреватели на 40 процентов сократили расход топлива.

В США таких солнечных коллекторов смонтировано около двух миллионов квадратных метров. А чтобы система работала и в пасмурные дни, в индивидуальных домах монтируют аккумуляторы тепла. Это баки с водой емкостью 1–2 кубических метра. Накопленного в них тепла хватает на несколько дней. Такие системы существуют и у нас в стране.

И все же использование солнечной энергии для отопления довольно сложно. Главная проблема очевидна: солнечная энергия нужна для отопления не летом, а зимой, когда солнце светит слабо и тепла его не хватает. Значит, трудности в том, чтобы отыскать экономичный способ длительного хранения тепла: от жарких летних дней до зимних.

Рассматриваются различные системы аккумулирования тепла: горячую воду закачивают в скальные пещеры, бурятся скважины, и в них закачивается вода, которая разогревает скальные породы, или закачивается в водоносные горизонты, подогревая в них воду летом и отбирая зимой. Предлагается также использовать стальные теплоизолированные баки с водой. В общем, в разных условиях могут оказаться выгодными различные системы.

Нужно сказать, что перечисленные проекты существуют не только на бумаге. В Швеции построено и эксплуатируется около 15 таких систем — сообщил делегат этой страны на заседании рабочей группы по аккумулированию солнечного тепла, действующей под эгидой ЮНЕСКО. Эта встреча проходила в 1985 году в Институте высоких температур Академии наук СССР.

Среди этих систем: скальная пещера объемом 100 тысяч кубических метров для теплоснабжения 500 домов; заполненный водой теплоизолированный котлован, обеспечивающий 65 жилых домов; на крышке теплоизолятора, плавающего на воде, расположены параболоцентрические коллекторы, отслеживающие положение солнца и нагревающие воду. По подобному проекту намереваются построить и в нашей стране (в городе Судаке) станцию теплоснабжения жилого дома.

В Физико-техническом институте Академии наук Узбекской ССР исследуются водоемы, заполненные рассолами разной концентрации. Самый плотный и тяжелый раствор располагается у дна. Температура воды в нем поднимается до 90–95 градусов. Если отделить этот нижний слой прозрачной пленкой, то температура его поднимется еще на 5 градусов. Такие солнечные бассейны могут сохранять тепло несколько месяцев. Воду из них можно направлять как на отопление, так и на абсорбционную холодильную машину.

Кроме воды, в качестве теплоаккумулирующего вещества предлагается использовать другие материалы, в которых можно использовать теплоту фазового перехода. Например, в США были проведены исследования по применению глауберовой соли, которая, плавясь при 38 градусах, поглощает энергию, а кристаллизуясь — отдает ее. Однако оказалось, что глауберова соль после многих циклов «плавление — затвердевание» меняет в худшую сторону свои теплофизические свойства.

Поиски лучшей системы продолжаются. Большой интерес вызывают у исследователей системы хемотермической аккумуляции. Тепловая энергия здесь используется для проведения химических реакций с поглощением тепла. Полученные вещества могут долго храниться, а затем реакцию можно провести в обратном направлении с образованием исходных веществ и выделением энергии. Один из возможных вариантов — раствотрение аммиака в воде (выделение тепла), а затем разгонка раствора аммиака (поглощение тепла).

Еще одна область применения энергии Солнца — солнечные кондиционеры. Пока они не распространены. Американские исследователи полагают, что до 1990 года они не будут достаточно экономичными.

Не менее дорого обходится и охлаждение помещений жарким летом. Предлагается использовать для этих целей ветер. Но технологическая цепочка при этом получается длинная и сложная: сначала строится ветроэлектростанция, а потом — кондиционер. Нельзя ли все это упростить?

Вот пример из давней истории. Археологи обнаружили в древнеиндийском городе Мохенджо-Даро, существовавшем на рубеже третьего и второго тысячелетий до нашей эры, странные сооружения для отлова ветра: на плоских крышах высоких домов без окон находились какие-то шкафы. Такие же дома были изображены на сохранившихся глиняных печатях. Однако местных рабочих, набранных в экспедицию, эти сооружения не удивили.

— Это для ветра. Чтобы в доме было прохладно, — пояснили они и пригласили в ближайший город Тхатту. Там были такие же дома со шкафами на крыше. В шкафах были отверстия, обращенные в сторону моря.

— Мангх, — объяснил один из рабочих, — ветер ловит.

Отверстия могут открываться и закрываться в зависимости от направления и силы ветра. Воздух поступает в низкую чердачную каморку, где установлены глиняные плоские чаны с водой. Когда сухой горячий воздух попадает в помещение, он насыщается влагой, охлаждается и через систему отверстий, пробуренных в толстых стенах, опускается в жилые помещения. При сорокаградусной жаре в домах царит приятная прохлада.

Вот еще один способ создания комфортных условий в жилищах: зеленые насаждения. Американские исследователи выяснили, что деревья не только очищают воздух, но и снижают его температуру. Если деревья посадить вблизи кондиционеров, то расход энергии в них уменьшается на 10–20 процентов. Довольно неожиданный факт! Исследователи не сообщают причины. Думаю, что охлаждение воздуха вызывается процессом испарения воды, высасываемой деревьями из почвы.

Все в женских руках

Экономия энергии — насущный вопрос не только для стран средних широт, но и для самого жаркого материка земного шара — Африки. Не удивляйтесь. Именно в Африке, в столице Кении — Найроби, состоялась конференция ООН по новым и возобновляемым источникам энергии. И вот что примечательно — на конференции работала специальная секция: «Роль женщины в экономии энергии».

Организаторы конференции как бы вспомнили древнюю роль женщины — хранительницы огня. Мать огня — так ее называли в Сибири. А древние римляне почитали в этой роли богиню Весту. Ее помощницы на земле — жрицы-весталки — следили за поддержанием огня. Кстати, отсюда — вестибюль: у входа в дом горел огонь весталок. В Греции покровительницей огня домашнего очага была Геста.

В Африке энергетические бытовые потребности обеспечиваются в основном сжиганием дров в примитивных печках или просто в кострах. Но это еще не беда, ведь лесов в Африке много, по крайней мере там, где ими пользуются как топливом. Беда в другом: коэффициент полезного действия печей очень низок — не более 15–20 процентов. Это и дало повод академику М. Стыриковичу, присутствовавшему на конференции, заявить: «Более совершенные печки спасут леса Африки!» Действительно, при теперешних темпах вырубки тропические леса исчезнут менее чем через 100 лет.

Заинтересованность африканцев в простых и экономичных печах продемонстрировала выставка «Энергия-81», организованная устроителями конференции в Найроби.

У новых печей было особенно многолюдно. Еще бы! Их КПД вдвое выше, чем у традиционных. Кенийцы живо обсуждали их достоинства и тут же оформляли заказы на покупку. Хороший метод быстрого внедрения технического новшества!

Более совершенные печки создать совсем нетрудно. У наших русских печей КПД существенно выше — до 60–70 процентов. Самую совершенную бытовую печку создал Фритьоф Нансен. Готовясь к санному походу на Северный полюс, он взял с собой обогреваемую примусом печку, КПД которой составлял 90–93 процента! Пожалуй, сделать потери еще меньшими трудно. А устроена она просто: над примусом расположена кастрюля для варки пищи, а вокруг нее и сверху — сосуды со льдом и снегом. Горячие газы, проходящие мимо этих сосудов, растапливали лед и обеспечивали путешественника водой.

Использование тепла отходящих газов — распространенное решение как в промышленных, так и в бытовых отопительных печах.

Сейчас у нас еще достаточно дровяных и угольных бытовых печей. Хозяйничают около них большей частью женщины. Однако сегодня совершенствоваться должны в первую очередь газовые и электрические бытовые плиты.

Бытовые газовые плиты, которые стоят в наших домах, потребляют ежегодно около 15 миллиардов кубометров газа. Мощность одной газовой горелки на наших кухнях от 1500 до 2500 килокалорий в час, то есть 2–3 киловатта! Мы сетовали, и вполне справедливо, на то, что часто в квартире бесполезно горит электрическая лампочка мощностью 100 ватт, и забыли о бесполезно горящей газовой горелке. А ведь она потребляет в 10 раз больше энергии, чем ее тратится на генерацию электроэнергии для лампочки.

Лет 25 назад исчезли последние газовые счетчики из квартир, и газ теперь расходуется в быту бесконтрольно. Жилые дома и бытовые предприятия «съедают» до 10 процентов всего газа, сжигаемого в различного рода печах.

Уменьшить бесполезный его расход, конечно, можно, да, пожалуй, и нужно, установив в квартирах газовые счетчики. Но гораздо экономичнее, если контроль станут осуществлять сами хозяйки. Думаю, что они непременно это делали бы, если бы знали, что лишняя бесполезно горящая горелка — это дополнительный ущерб для ее здоровья и здоровья семьи. А об этом говорить мы почему-то стесняемся. Однако вот данные, которые приведены в научно-популярном журнале Академии наук СССР «Энергия». Ссылаясь на американский ежемесячник «Ридерс дайджест», журнал пишет: «В современных американских домах и учреждениях воздух загрязнен настолько, что на любом производственном предприятии подобная концентрация вредных веществ в окружающей среде считалась бы с точки зрения принятых санитарных норм, безусловно, недопустимой».

Одна из главных причин загрязнения воздуха — газовые приборы. Некоторые продукты сгорания газа могут быть для человека гораздо опаснее, чем считалось ранее. Исследования, проведенные национальной Академией наук США, показали: только за один час работы обычная кухонная плита загрязняет воздух настолько, что содержание в нем окиси углерода может вырасти до 50 ррм (50 молекул окиси углерода на миллион молекул воздуха). Безопасной же нормой для человека, находящегося в помещении 8 часов, является 9 ррм. Но уже при 15–30 ррм окись углерода оказывает отрицательное воздействие на организм.

Кроме того, при сжигании газа образуется и двуокись азота. Среди американских медиков распространено мнение, что именно двуокись азота является первопричиной острых респираторных заболеваний среди людей, регулярно пользующихся газовыми приборами. Число таких заболеваний у детей, живущих в квартирах с газовыми плитами, на 15 процентов больше, чем в квартирах с электроплитами.

Конечно, трудно прямо сопоставить условия в наших и американских жилищах. Как правило, в США в квартирах потребляется больше газа, чем у нас, так как газ используется для калориферов и сушилок. В большинстве американских домов отсутствует вентиляция. В последние годы американцы закупили миллионы портативных печек, работающих на керосине, и это принесло в их квартиры еще и двуокись серы.

Все это так. И тем не менее у меня твердое убеждение, что если бы над каждой газовой плитой в обязательном порядке (как надпись о вреде курения на пачке сигарет) висела, например, такая табличка: «Бесполезно горящая горелка излишне загрязняет воздух и ваши легкие», — потребление газа в быту снизилось бы на 10–15 процентов.

У хозяек есть в руках и другое средство — скороварки. Трудно назвать еще столь же эффективное средство экономии энергии, которое было изобретено так давно и до сих пор так слабо внедрилось в наш быт. В 1675 году 28-летний Дени Папен, доктор медицинских наук, продемонстрировал преимущество термической обработки продуктов при повышенной температуре в герметически закрытом сосуде. Правда, и первая и вторая демонстрации окончились неудачно — сосуды взорвались. Особенно не к месту был второй взрыв. И обозленные члены Лондонского королевского общества отказались присутствовать на следующей демонстрации. В опубликованном трактате Д. Папен писал: «Посредством машины, о которой здесь пойдет речь, из самого жесткого мяса можно приготовить блюдо настолько нежное и вкусное, как если бы оно было приготовлено из мяса самых лучших сортов».

Затем о скороварках забыли, и только через 200 лет они появились вновь. Однако делались кастрюли-скороварки из серого литейного чугуна и весили до 20 килограммов. Так что и тогда скороварки не получили распространения. Только с появлением алюминиевых сплавов они полегчали и стали шире применяться. Использование высокопрочных хромоникелевых сплавов существенно облегчило уход за ними. Время приготовления различных продуктов уменьшается в два-три раза. А значит, почти во столько же раз уменьшаются и затраты энергии.

Очень простой способ экономии энергии и времени! Теперь дело за домохозяйками, промышленностью и торговлей. А над чем еще должны думать конструкторы бытовой техники?

Прежде всего над эффективностью сжигания газа. Какова же она у сегодняшней газовой бытовой плиты?

Результат моего личного эксперимента таков: на конфорках разной мощности и степени регулировки (наличие желтого пламени) КПД при кипячении воды в моем чайнике — 45–55 процентов. Слова «в моем чайнике» не случайны: КПД будет зависеть и от формы чайника, и от вида его поверхности, и от режима разогрева (горелка на полную мощность или частичную). К сожалению, ничего этого хозяйки, как правило, не знают. А стоило бы их ознакомить.

А что же с КПД газовых плит и образованием вредных газов?

Давно известны газовые горелки инфракрасного излучения. Чем они отличаются от обычных? В обычных газ поступает смешанным только с 40 процентами воздуха, нужного для полного сгорания. Остальной попадает в зону горения извне в процессе самого горения. При этом температура пламени повышается, образуя больше окислов азота.

В инфракрасную горелку (ее иногда называют беспламенной) подается смесь газа уже со всем необходимым воздухом, она воспламеняется, протекая через сантиметровой толщины перфорированный керамический диск, который разогревается до 800 градусов. Образующиеся при этом продукты сгорания и инфракрасное излучение проходят еще через один такой же диск, расположенный над первым на расстоянии нескольких миллиметров. Температура его достигает 1100 градусов.

Излучением и разогретыми газами в стоящую над горелкой кастрюлю передается до 75 процентов энергии, выделяемой при сгорании газа. Значит, по сравнению с обычной плитой экономится его 30–50 процентов. В такой горелке образуется на 40 процентов меньше окислов азота. Кроме того, из-за высокого КПД около такой плиты не так жарко, как у обычной.

В ряде стран выпускаются сейчас газовые плиты закрытого типа. Устройство их простое. Над газовыми горелками установлен жаропрочный стальной лист. Конечно, такая плита требует специальной вытяжки, и устанавливать их целесообразно в новых домах. Но у них есть и другое преимущество. Если на обычную газовую плиту поставить сковороду, то языки пламени греют не только дно, но лижут и края. А это плохо. Масло на дне сковородки разлито тонким слоем и не подгорает, а на бортах отдельные капельки от брызг сгорают, загрязняя воздух и образуя вредные концерогенные вещества. На газовой же плите закрытого типа расход масла уменьшается почти на треть. Правда, сейчас выпускаются сковородки с антипригарным покрытием.

Электроплиты — достойные конкуренты газовых. Коэффициент полезного использования электроэнергии на них существенно выше, чем на газовых, и достигает 80–90 процентов, а время разогрева почти такое же.

Электроплиты имеют множество других неоспоримых преимуществ: они не загрязняют воздух, пожаро- и взрывобезопасны, не нужно проводить газовые трассы к домам и внутри их. Для выработки электроэнергии необязательно использовать в качестве топлива газ. Это может быть и гидроэнергия, и ядерное топливо, и уголь.

Но у электроплит есть и недостаток — большие затраты первичной энергии. Средний КПД при производстве электроэнергии около 35 процентов. Значит, первичного топлива, сжигаемого на электростанциях, на единицу тепла, выделяемого в конфорке плиты, тратилось бы почти в 3 раза больше. С учетом же большей эффективности электроплиты затраты первичной энергии всего в полтора-два раза выше. Все эти рассуждения приведены для идеального случая. В реальных домашних условиях потери еще больше. Вызвано это тем, что нет специальной посуды для приготовления пищи на электроплитах.

В случае когда нет хорошего контакта между поверхностью конфорки и дном посуды, существенно увеличивается термическое сопротивление теплу, идущему от электроконфорки, удлиняется время приготовления пищи, возрастают потери. При зазоре между конфоркой и посудой только в 1 миллиметр потери на 20 процентов выше, а в 3 миллиметра — уже на 50 процентов.

Значит, дело за промышленностью: выпуск специальной посуды для электроплит — простейший путь экономии энергии в быту. Ведь уже сейчас количество таких плит в нашей стране достигает нескольких миллионов, и ежегодный выпуск составляет еще около восьмисот тысяч.

Разными путями идут конструкторы для улучшения работы электроплит. Несколько лет назад были изобретены специальные прокладки. Между двумя сетками прокладывается специальный сплав олова: при включении конфорок он настолько размягчается, что легко деформируется, ликвидируя зазоры между дном посуды и поверхностью конфорки.

И еще раз вернемся к домохозяйкам. Что могут сделать они?

Если есть время, лучше готовить пищу и кипятить воду на конфорке меньшей мощности.

Диаметр посуды должен быть не меньше, чем диаметр конфорки.

Перед готовкой пищи обязательно надо протереть конфорку и дно посуды — убрать крошки, чтобы был меньший зазор.

И наконец, из имеющейся посуды целесообразно использовать ту, у которой наиболее плоское дно.

Хотелось бы, чтобы таблички с такими или подобными рекомендациями были на плитах и всегда напоминали об экономии энергии.

Говоря о приготовлении пищи, нельзя обойти вниманием микроволновые печи, в которых для разогрева используются электромагнитные колебания сверхвысокой частоты (СВЧ). Более шестидесяти лет назад была подана заявка на изобретение интересного циркового аппарата. На арене иллюзионист брал тарелку с сервировочного столика. Разбивал в нее несколько яиц и на глазах изумленной публики на тарелке «сама собой» зажаривалась яичница.

Теперь такой фокус мало кого удивит. О СВЧ-печах знают многие. С цирковой арены идея перекочевала в кухню. Сверхвысокие электромагнитные колебания отражаются от металлических поверхностей, не взаимодействуя со стеклом, фаянсом, бумагой. В то же время, проникая в глубину различных пищевых продуктов, они раскачивают молекулы воды, являющиеся основой практически всех продуктов питания, и разогревают их изнутри. В СВЧ-печах продукты разогреваются равномерно по всему объему и не подгорают. Всего пять-десять минут нужно для приготовления блюд из птицы, мяса, овощей. У нас уже выпускаются бытовые СВЧ-печи «Электроника». Пока большой популярностью они не пользуются. Причина? Может быть, еще дороговаты.

В них источником сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний является электровакуумный прибор — магнетрон, КПД которого около 75 процентов. Но уже появились твердотельные источники СВЧ-поля. При замене электровакуумных приборов на такие полупроводниковые генераторы печи станут и экономичнее и дешевле.

Есть и другая причина небольшой популярности СВЧ-печей. Например, наша семья не приобретает «Электронику» потому, что в ней еще нет гриля — устройства инфракрасного теплового излучения, а проще — обычной электрической спирали. Без него приготовленная в «Электронике» пища выглядит как вареная. А с грилем курица, допустим, будет иметь такую же аппетитную поджаристую корочку, как и при обычном приготовлении, например, в духовом шкафу газовой или электрической плиты. Но разница по времени приготовления и затраченной энергии — громадная. В электродуховке курицу нужно готовить около часа, затратить при этом приблизительно 1,5–2 кВт·ч электроэнергии, а в СВЧ-печи — 7–10 минут и 0,3 кВт·ч.

Уверен, что в ближайшем будущем эти печи будут нарасхват, как когда-то это было, например, с холодильниками.

У СВЧ-печей есть еще одно интересное качество. Как утверждают специалисты-дегустаторы, приготовленные в СВЧ-печах блюда из замороженных продуктов, извлеченных из камеры холодильника с температурой минус 18 градусов, иногда трудно отличить от блюд, приготовленных из свежих продуктов. Объясняют это так.

При медленной разморозке протекающие различные биохимические процессы существенно меняют питательные, диетические и вкусовые качества продуктов. А быстрая разморозка в СВЧ-печи мгновенно прерывает эти нежелательные процессы. К сожалению, пока так нельзя размораживать готовые блюда, продающиеся в нашей торговой сети. Причина? Они упакованы в металлическую фольгу, не пропускающую электромагнитное излучение. Нужно менять упаковку, как это уже сделано в ряде стран.

Поговорим еще об одной стороне жизнедеятельности человека, о которой мы почти ничего не знаем. Всевозможные упаковки от пищи, различные банки, бумага, старые вещи, в общем отходы, которые мы выносим из наших жилищ, доставляют много хлопот.

Мы благодарны нашим далеким предкам за те «культурные слои», которые они оставили после себя. Свалки — благодатный материал для археологов. Они очень много могут рассказать о быте древних, их обычаях, уровне культуры. Но нас потомки вряд ли будут благодарить. Современную цивилизацию все чаще называют «цивилизацией мусора». Никогда не представлял себе, что каждый житель современного города производит в год около полутонны мусора. Эти пятьсот килограммов — не только потери многих нужных материалов, но и ущерб для ценнейших земель, которых всегда не хватает вблизи городов, источник загрязнения почвенных вод иногда на десятки километров. Удаление отходов, их переработка требуют больших затрат энергии и труда.

К сожалению, пока еще уровень техники не позволяет экономично замкнуть систему полностью и вернуть отходы в производство, подобно круговороту веществ в природе, но сделать основные шаги в этом направлении мы должны и можем. Сжигание мусора еще практикуется, но специалисты считают это столь же дорогой и неразумной процедурой, как и сжигание нефти.

Свалки в больших городах — очень дорогое удовольствие. Для Москвы они должны быть удалены на 60 километров от пригородной зоны. А ведь нужно перевезти за день до 10–15 тысяч тонн! Правильно говорят работники коммунально-бытовых предприятий, что отходы получаются воистину «золотыми». Что можно сделать?

Многое. Расскажем о том, как поступают в Ленинграде. Там действует опытный завод по переработке бытовых отходов, полностью окупающий свою работу, и это уже очень большое достижение. Слово «опытный» — не совсем точное, потому что уже сейчас он перерабатывает более трети всех отходов города. И все же он еще опытный.

За рубежом существуют заводы по утилизации отходов. В США на них сжигают в сутки до 12 тысяч тонн предварительно обработанных отходов, которые оказываются неплохим топливом, близким по калорийности к бурому углю.

Но ленинградский завод переработку ведет наиболее комплексно. Из мусора отбираются черные металлы — до тысяч тонн в год. Проектируется цех, в котором можно будет извлекать до 20–30 тонн олова. Готовится линия по выделению из отходов меди, латуни, цинка. С помощью активного анаэробного процесса, продолжающегося всего двое суток (естественный процесс разрушения таких же отходов длится годы), получается биологически активное вещество — компост. Благодаря проходящим в нем биологическим процессам в течение длительного времени выделяется тепло. Следовательно, компост можно закладывать в теплицы и выращивать в них за счет этого тепла два урожая. Затем компост (а его набирается 150 тысяч тонн в год) направляется на поля.

В процессе высокотемпературного сжигания резины, пластмасс, дерева на заводе получают хороший топливный газ, битумные смолы и пользующиеся особым спросом твердые соединения углерода.

Пока завод потребляет энергию. Но ее меньше, чем понадобилось бы для транспортировки отходов. Кстати, большая часть их попадает на завод по одиннадцатикилометровому пневмотранспортному контейнерному трубопроводу.

Стоимость трех слов — миллион

Мы уже привыкли к ставшей почти традиционной фразе, которую произносят дикторы телевидения: «Выключите ненужные электроприборы». Иногда после этого в Мосэнерго оказывались излишние мощности в 100, а иногда в 200 тысяч киловатт!

Отключенная мощность в 200 тысяч киловатт за 2,5 часа позволит сэкономить только в Москве полмиллиона киловатт-часов электроэнергии, а ведь электроприборы работают не только в Москве! Такое внимание к нашим жилищам со стороны телевидения не случайно.

Шестую часть всей вырабатываемой электроэнергии в стране потребляют наши квартиры и коммунально-бытовые предприятия. Только на освещение квартир в год уходит 30 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Нужно сказать, что электроэнергии в быту в нашей стране используется меньше, чем, скажем, в США, в шесть раз. Немалую роль в этом играет ее экономное расходование, отсутствие расточительства. Кроме того, в США гораздо шире используются электроплиты, кондиционеры, электроотопление. Громадное количество ее тратится там на рекламу и освещение.

В последние годы в быту продолжается лавинообразный рост количества разнообразных приборов. До конца века электронасыщенность его возрастет в полтора раза. Научить, убедить экономно пользоваться электричеством в быту — задача непростая. Ведь цена на него невысока, и соблазн бесконтрольно его расходовать — велик. Вот и приходится напоминать ежедневно с экранов телевизоров о необходимости энергосбережения.

Конечно, не все в руках жителей домов. Допустим, лампы освещения в подъездах и на лестничных клетках горят по 12 часов, а то и полные сутки. А ведь сделать автомат выключения более чем просто. Вошел в подъезд, нажал кнопку — свет загорелся; через три минуты реле времени его выключит. Такие устройства уже есть в некоторых кооперативных домах, однако производится их совершенно недостаточно.

Расход электроэнергии в квартирах можно уменьшить, устанавливая лампы именно там, где нужен свет. Выпускается целый набор светильников: настольные лампы, бра, торшеры.

До 30 процентов экономии электроэнергии может дать плавный светорегулятор.

Пока все эти меры предлагается применять жителям. А ведь неплохо бы подумать над этим и проектантам и запланировать оборудование системами оптимального освещения домов еще перед въездом жильцов.

Энергию на освещение можно экономить и другим, уже хорошо нам известным способом: в летние месяцы целесообразно начинать работу раньше. Однако изменение часов работы сопряжено с ломкой расписаний транспорта, радио, телевидения и даже с нарушением привычек человека. Но есть способ проще. Сохраняя привычные расписание и уклад жизни, передвинуть стрелки часов на один час вперед. Это и было сделано во Франции в апреле 1916 года. Вскоре другие последовали примеру французов. Осенью часы возвращали назад, но потом решили, что не имеет смысла производить обратный перевод стрелок, так как этим ничего не выигрывается.

В Москве в апреле 1930 года стрелки циферблатов тоже были переведены на час вперед, а осенью их не тронули. С тех пор мы, находясь на краю второго часового пояса, живем на час вперед по времени третьего. Это и есть так называемое декретное время.

В основном на производстве середина рабочего времени приходится на 13 часов. Если считать, что в среднем мы встаем в 7 часов, а ложимся в 23 часа, то середина нашего активного дня близка к 15 часам. Значит, нужно было бы еще приблизить ее к полудню. Для этого надо снова передвинуть часы еще на один добавочный час летом, что и делается в последнее время у нас каждый год.

Понятно, что наибольший смысл это имеет для средних широт, так как в экваториальных странах летнее время не отличается от зимнего. Введению летнего времени у нас в стране предшествовало исследование множества вариантов. При их выборе учитывалась и необходимость равномерной нагрузки энергетической системы страны.

До введения нового отсчета времени на пульте управления Единой энергетической системы можно было наблюдать такую картину. Начиная с утра рабочего дня, нагрузки возрастают достаточно плавно. Движется солнце, и вместе с ним включаются поочередно часовые пояса страны и возрастают нагрузки. Но вот подходит время четвертого часового пояса, где много мощных энергетических потребителей, а нагрузка возрастает слабо. Наступает очередь третьего — то же самое. И вдруг, когда подошло время второго часового пояса, в котором расположена Москва, нагрузки резко пошли вверх, гораздо резче, чем этого можно было ожидать.

Оказывается, такую перегрузку вызвали «нарушители времени» — области, которые не подчинились декретному времени и захотели жить по времени, одинаковому с московским. Такие области и вызывают перегрузку энергетической системы. Кроме того, в них расходуется больше энергии на освещение в вечерние часы. Попытки уйти из своего часового пояса наблюдаются и сейчас. Как правило, это недопустимо. Соблюдение декретного времени — залог экономии электроэнергии.

Кстати, при обсуждении различных вариантов перехода на летнее время телевидение выступило с предложением, которое вопреки его вечерним призывам приводило бы к перерасходу энергии. «Давайте объединим два часовых пояса в один, — говорили работники телевидения, — тогда одновременно одна и та же передача будет идти на территории в два раза больше, что удобнее для телевещания». Такое предложение энергетики не поддержали из-за больших перегрузок в системе. А перегрузки неизбежно связаны с потерями энергии.

После просчета ряда вариантов оказался оптимальным принятый теперь: сохранять постоянный декретный час и вводить один час временный — летний. Только переход на летнее время дает экономию более 2 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. При учете постоянно действующего декретного часа общая экономия составляет уже около 7 миллиардов киловатт-часов. А ведь это почти четвертая часть энергии, тратящейся на освещение в жилых домах страны.

Возможно, в будущем придется еще раз вернуться к этой проблеме, поскольку существует ряд неучтенных факторов. Например, летнее время вводится во всех районах нашей страны одновременно, а само лето в иных местах приходит на месяц-два раньше, а в других позже. Со временем из-за изменения размещения производительных сил и электростанций, совершенствования Единой энергетической системы ситуация может поменяться и оптимальным станет другой вариант.

Летнее время не только экономит энергию, но и самым непосредственным образом влияет на здоровье и активность человека. Медицина уверенно говорит о благотворном влиянии ультрафиолетовой части солнечного излучения. В умеренных дозах она усиливает способность организма по усвоению белков и минеральных веществ, способствует образованию антител, защищающих нас от инфекции. Ультрафиолет нормализует соотношение возбудительных и тормозных процессов в коре головного мозга. Особенно необходим он детям.

Исследователи-медики доказали, что благотворное влияние оказывает не только ультрафиолетовая, но и видимая часть солнечного излучения, то есть собственно солнечный свет.

Замена его (даже прошедшего через оконное стекло, обедненного ультрафиолетом) искусственным ухудшает психическое и физическое состояние людей, ускоряет утомление. При искусственном свете тяжелее выполнять зрительную работу.

Эти абзацы о пользе солнечного света переписаны из медицинских книг не случайно. Речь пойдет о лампах дневного света. Ведь это сейчас наиболее экономичные источники света. Люминесцентная лампа расходует электроэнергии в 4–5 раз меньше, чем лампа накаливания. Устроена она просто. Стеклянная трубка, покрытая изнутри люминофором, заполняется инертным газом с небольшим количеством ртути. С обеих концов в трубку вводятся электроды. При подаче на них напряжения в трубке возникает разряд, в котором энергия электронов передается атомам ртути. Последние возбуждаются и испускают потоки квантов, но в невидимой глазом части спектра. Далее в работу вступает люминофор. Поглощая эти невидимые кванты излучения, он взамен испускает другие с меньшей энергией, а значит, и с большей длиной волны. А это уже кванты видимого света.

К сожалению, ничто не дается даром. Для работы этой простой лампы нужно еще пусковое устройство. А чтобы регулировать силу тока, нужно последовательно подключить еще и дроссель. Сюда и уходит до 30 процентов энергии.

Некачественно изготовленные дроссели еще и гудят. Рассказывают, что при внедрении люминесцентных ламп в порядке эксперимента на новое освещение перевели одну из московских школ. Был получен неожиданный результат: под монотонный гул дросселей школьники начали чаще клевать носом.

Но это в прошлом, хотя лампы дневного света иногда и сейчас продолжают гудеть. Главное в том, что распространяются экономичные лампы дневного света все еще очень плохо. Одна из причин — ее легко устранить — для домашних условий не подходят светильники только прямоугольной формы. Другое препятствие — необходимо переделывать уже установленную электроарматуру для использования ламп дневного света.

Многим дневной свет кажется искусственным, холодным. А мы привыкли к желтовато-красному, который дают наиболее распространенные лампы накаливания. Однако сейчас и люминесцентные лампы излучают свет многих оттенков. Подбором люминофоров можно придать дневному свету и желтовато-красный оттенок.

Думаю, что есть еще одна причина малого распространения люминесцентных ламп — плохая реклама их достоинств. А ведь срок их службы достигает 15 тысяч часов — это в 5–15 раз больше, чем у ламп накаливания.

Главное же достоинство люминесцентной лампы не только в существенной экономии энергии, а и в том, что это лампа дневного (!) света. В длительном процессе эволюции человеческий глаз сформировался для функционирования при солнечном освещении. Пока специалистам по электротехнике не удается создать такой источник света, который удовлетворял бы медиков, но уже разработаны лампы, цветовая температура которых близка к 6000 градусов. Но все же спектр такого света не совсем солнечный. Вспомним, что температура поверхности Солнца — около 6500 градусов.

Исследователи продолжают поиски. Видимо, скоро появятся компактные люминесцентные лампы, которые можно будет ввертывать в патрон как обычную лампу накаливания. Они уже выпускаются в ряде стран, например в Германской Демократической Республике, где около 65 процентов искусственного освещения обеспечивается люминесцентными лампами, налажено производство таких небольших ламп с двойной трубкой (длиной от 13 до 20 сантиметров) и мощностью от 7 до 11 ватт. Эквивалентная мощность ламп накаливания равна 40–75 ваттам.

Люди разными путями идут к экономии энергии в деле освещения. Нужно знать их, чтобы не повторять ошибок прошлого.

Два с половиной столетия назад указом сената в Москве введено искусственное освещение. Это были жестяные плошки с недешевым конопляным маслом и фитилем (мощность их — две свечи), горевшие неровно и тускло. Через столетие масло заменили на керосин. Еще через 20 лет сначала в Петербурге, а затем и в Москве было введено газовое освещение. Это была сенсация, и поэтому светильный газ нашел широкое применение для освещения.

Примерно в это же время была изобретена первая в мире керосиновая лампа. Произошло это событие во Львове. Многие знают, наверное, львовскую аптеку-музей, одну из старейших аптек Европы. Совсем недалеко от нее, на улице Коперника, расположилась еще одна менее известная аптека. Но именно с ней связана история создания лампы, происшедшая в 1852 году.

Фармацевты из этой аптеки Игнасий Лукасевич и Иван Зех занялись перегонкой нефти, пытаясь получить спирт и фармацевтическую мазь. Спирта извлечь не удалось, но энтузиасты выяснили, что одна из фракций нефти при горении дает хорошее освещение. Впоследствии эту фракцию назвали керосином. Тогда они и сконструировали первую в мире керосиновую лампу, имевшую почти все компоненты теперешней — фитиль, резервуар для керосина, расположенный в отличие от существовавших тогда масляных ламп, ниже горелки, фонарь из слюды. В 1853 году в городской больнице была проведена первая ночная операция при керосиновом освещении.

И. Зех продолжил работы по перегонке нефти. К сожалению, кончились они трагично: в 1858 году в его лаборатории произошел взрыв. В пламени огня погибли помогавшие И. Зеху жена и свояченица. Над их могилой на Лычаковском кладбище во Львове стоит памятник: две прижавшиеся друг к другу женщины пытаются оторваться от объятого пламенем шара.

В 1873 году на Одесской улице в Петербурге зажглись электрические лампочки Лодыгина с угольным стержнем накаливания. Толпы петербуржцев стремились той ночью посмотреть на новое чудо. Известный изобретатель Т. Эдисон в то время еще и не думал о таком источнике света.

Двумя годами позже Яблочков предложил электродуговую лампу. Ее назвали «русским светом» на Всемирной выставке в Париже в 1879 году. А лампы накаливания приобрели современный вид, когда в 1890 году А. Н. Лодыгин применил нити из тугоплавких металлов — вольфрама и молибдена.

Но вот история делает крутой поворот; пожалуй, слово «история» звучит слишком громко, скорее это исторический курьез. Судите сами. Совсем недавно муниципалитет города Палермо заказал 500 газовых фонарей для замены в центре города электрического освещения газовым. Причина возврата к этим фонарям не дань моде на старину, а дешевизна газа по сравнению с электричеством.

Решение это не перспективное. Нет сомнений, что разница в стоимости газа и электроэнергии будет со временем изменяться в пользу электроэнергии. Использование люминесцентных ламп с высоким КПД еще больше ухудшит шансы газового освещения. Нет, не дальновидны отцы города Палермо.

Воздавая должное искусственному дневному свету, нельзя забывать о естественном. Авторы цюрихского проекта «Интенсивное использование дневного света» утверждают, что в Швейцарии большинство предприятий используют искусственный свет даже днем. А ведь этого можно избежать.

Так, в некоторых школах Швейцарии (заметьте — новые виды освещения опять апробируются в школах) проходят испытания системы специальных рассеивателей, устанавливаемых на окнах снаружи, которые направляют потоки дневного света в верхнюю часть помещений.

А вот сообщение из Японии. С помощью девятнадцати объединенных в одно целое линз солнечный свет концентрируется и подается в светопроводящий кабель из стеклянных волокон. Он доставляет солнечный свет в туннели, на станции метро, во все темные помещения, которые приходится освещать днем искусственным светом.

Есть предложения о более широком использовании солнечного света не только днем, но и ночью и вечером. Родилось это предложение 50 лет назад и разрабатывается сейчас в нашей стране. В космосе размещается зеркало с регулируемой ориентацией. Солнечный «зайчик» может по вечерам осветить всю Москву. Световой день продлится практически настолько, насколько это необходимо. Ненужным станет искусственное освещение, удлинятся рабочие смены на стройках, облегчится работа транспорта, улучшится здоровье жителей. Согласно расчетам подобная «солнечная лампа» над городом экономически может быть очень эффективной.

Зеленая энергетика

Литр нефти за два литра молока

Ни в одной отрасли нет стольких технологических тайн, как в сельском хозяйстве. С точки зрения энергетика, здесь происходят интереснейшие преобразования различных видов энергии. Многочисленные биохимические и химические взаимодействия в конце концов приводят к созданию пищевых продуктов, дающих калории человеческому организму в виде белков (мясо), углеводов (крахмал, глюкоза), жиров (масло). Совокупность всех этих процессов очень сложна, и многие из них или не могут быть воспроизведены человеком без помощи живой природы, или полученный искусственный продукт энергетически еще очень дорог.

Казалось бы, довольно простое дело — вырастить растение. Почти каждый, даже не связанный с сельским хозяйством, или сажал деревья, или выращивал цветы, овощи. Но когда речь идет не об огороде, а об индустриальном растениеводстве или животноводстве, то возникает множество сложнейших проблем. В каждой технологической цепочке — свои секреты и тонкости, свои возможности по экономии энергии и повышению эффективности ее использования. Только после длительных лабораторных исследований и опытно-промышленных работ отыскивается оптимальный вариант получения какого-либо продукта. Непросто повысить коэффициент полезного действия сельскохозяйственного производства, обеспечить больше качественной продукции при наименьших затратах энергии и труда.

Справедливости ради нужно сказать, что, например, в химической промышленности не меньше потоков энергии и веществ, чем в сельском хозяйстве, причем все детали и элементы промышленных агрегатов человек здесь должен придумать и сотворить сам. В сельском же хозяйстве во многих звеньях основательно трудится природа, облегчая заботы человека. За миллионы лет она достигла такого совершенства, что улучшить что-нибудь существенно очень сложно. И тем не менее человек продолжает познавать ее секреты, открывать новое в давно, казалось бы, известном.

Например, общепринято, что растительные клетки ассимилируют двуокись углерода только через фотосинтез. Когда на растения воздействует солнечный свет, то фотоны поглощаются молекулой порфиринового кольца, состоящего из атомов углерода, водорода, азота, кислорода. В центре кольца находится атом магния. Так устроено хлорофилловое зерно. Кстати, кислород в гемоглобине крови переносится гемом, в котором в такое же порфириновое кольцо вставлен атом железа.

Продолжим путь по энергетической цепочке растения. Энергия поглощенного светового кванта передается электронам, находящимся на внешних электронных орбитах, на более высоких энергетических уровнях. Эта энергия хлорофиллового зерна запускает длинную цепочку биохимических реакций. На выходе цепочки синтезируется глюкоза, состоящая из шести молекул углерода и такого же количества молекул воды. Отсюда происходит название, данное глюкозе и некоторым другим «сладким» веществам, — углеводы. При данной реакции фотосинтеза выделяется и свободный кислород.

Итак, общепринято, что синтез глюкозы совершается в растениях лишь подобным образом. Однако недавно датским исследователем А. Миллером была высказана гипотеза, что синтез может осуществляться не только за счет солнечного света, а и благодаря тепловой энергии. Сверху зеленый лист нагревается солнцем, снизу он охлаждается при испарении влаги. Возникает разность температур. Термоэлектрические преобразователи, которыми могут быть биологические мембраны, инициируют ток, вызывающий химические превращения. Если предположение А. Миллера оправдается, то можно и нужно будет разрабатывать новые пути интенсификации синтеза углеводов и повышения КПД этого процесса. Могут появиться, например, и новые направления тепличного растениеводства. С процессом фотосинтеза и его КПД связан более общий вопрос о производительности всего сельского хозяйства.

Действительно, чтобы повысить эффективность использования энергии в сельскохозяйственном производстве, нужно проследить, куда она направляется сейчас.

В сельском хозяйстве трудно определить, где кончается энергетика и начинается агрономия, селекция, борьба за урожайность. И все же попытаемся выделить энергетическую составляющую.

Сельское хозяйство забирает около одной десятой всех добываемых природных энергетических ресурсов — около 160 миллионов тонн условного топлива. С учетом косвенных затрат энергии на различную продукцию и машины для сельского хозяйства эта величина существенно больше. Только для производства аммиака, используемого непосредственно или при получении азотных удобрений, затрачивается около 20 миллионов тонн условного топлива. Так что общая величина энергии, отдаваемой производителям сельскохозяйственных продуктов, скорее близка к 250–300 миллионам тонн условного топлива.

Сколько же энергии получает страна взамен? Мы не ошиблись — именно энергии. Основные «кирпичики», из которых состоят продукты сельского хозяйства, — углеводы и жиры — это топливо организма. Правда, когда его не хватает, в организме в качестве топлива могут использоваться и белки. Поэтому ценность или объем сельскохозяйственной продукции можно выражать в энергетических единицах — килокалориях или даже тоннах условного топлива. Сделаем такую оценку двумя способами.

Первый способ — по потребностям. Человек потребляет в день в среднем 2 тысячи килокалорий, а в год — 700 тысяч. Значит, все население страны — 270 миллионов человек — потребит за год 200 триллионов килокалорий пищи, то есть около 30 миллионов тонн условного топлива.

На самом деле, если оценивать объем пищевых продуктов по их производству, эта цифра явно занижена. Двести миллионов тонн зерна с калорийностью 200 килокалорий на килограмм — это основная часть сельскохозяйственной продукции, дающая 500 триллионов килокалорий. Затем сто миллионов тонн картофеля добавляют еще 80 триллионов килокалорий. Мясо и молоко дают около 50 триллионов. А еще сахарная свекла, подсолнечник, овощи, фрукты. Всего получится около 700 триллионов килокалорий, или 100 миллионов тонн условного топлива.

Что же получается? Потребляется 30 миллионов тонн условного топлива, а производится 100 миллионов. Конечно, цифры приближенные. В подсчетах допущены и различные неточности. Ведь значительная часть зерна используется как корм в самом сельском хозяйстве для получения мяса, молока, птицы, яиц. Так что часть зерна учтена как бы дважды. Но как бы то ни было, в стране производится сельскохозяйственной продукции по крайней мере в полтора раза больше, чем потребляется. Думаю, что действительная разница еще больше.

Причины две. Во-первых, часть продукции сельского хозяйства используется не для продовольственных, а для технических нужд, во-вторых, очень большая часть просто теряется при транспортировке, первичной переработке, хранении, продаже, потреблении.

О потерях мы поговорим позже, а сейчас подсчитаем энергетический коэффициент полезного действия всего сельского хозяйства. Вкладывается в него 300 миллионов тонн условного топлива, а производится в нем 100 миллионов. Значит, КПД — 30 процентов.

Правда, до потребителя доходит в два раза меньше — скажем, всего 50 миллионов. Тогда КПД равен 15 процентам. Это очень высокая величина. На самом деле мы пока не учли основной энергетической составляющей — цепочки «солнце — фотосинтез — углеводы».

Над атмосферой земного шара мощность светового потока на квадратный метр — 1,4 киловатта. Для района Москвы при учете длительности светового дня, потерь в атмосфере и облаках в зависимости от географической широты эта величина почти в 10 раз меньше — всего 0,15 киловатт на квадратный метр. Если принять эту величину как среднюю для всей территории СССР, то получим, что 200 миллионов гектаров пашни за вегетационный период получают количество тепла, равное 100 миллиардам тонн условного топлива. Напомним, что продукция сельского хозяйства эквивалентна 100 миллионам тонн, то есть в тысячу раз меньше. Таким образом, усредненный КПД преобразования солнечного излучения в продукцию сельского хозяйства равен всего 0,1 процента. Куда же исчезает живительная сила солнца?

Энергобаланс при выращивании растений выглядит приблизительно следующим образом:

— из всего потока солнечной энергии на листья попадает только 20–30 процентов;

— КПД фотосинтеза в полевых условиях — 1,5–2 процента;

— от трети до половины полученной энергии растение тратит на собственные нужды и благодаря дыханию обеспечивает нормальный ток воды через собственные органы, совершает работу по преодолению сопротивления почвы;

— из полученной растительной массы богатые энергией семена или плоды составляют около половины;

— еще 10–30 процентов урожая теряется из-за поражения насекомыми и болезнетворными микроорганизмами.

Учет перечисленных потерь объясняет обнаруженную тысячекратную разницу между количеством поступающей солнечной энергии и ее долей, утилизованной в сельскохозяйственной продукции. Задача сельскохозяйственного производства — уменьшить эти потери.

Подведем промежуточный итог. Сельское хозяйство получает от солнца 100 миллиардов тонн условного топлива, от топливного комплекса — еще 300 миллионов тонн, а энергоемкость производимой им продукции эквивалентна всего 100 миллионам тонн. Мы разобрались, куда «исчезают» 100 миллиардов тонн солнечного топлива, теперь посмотрим, на какие цели тратятся 300 миллионов тонн прямых энергетических затрат.

Мы уже подсчитали биоэнергетический КПД. Без учета вклада солнечной энергии он оказался равным 10–15 процентам, то есть на каждую пищевую килокалорию затрачивается 7–10 килокалорий первичного топлива. Для производства 1 килограмма мяса необходимо истратить 12 килограммов условного топлива. Литр молока можно получить, израсходовав пол-литра нефти, а для производства килограмма наиболее ценной части молока — протеина — потребуется 25–30 килограммов условного топлива.

Во многих развивающихся странах с хорошим климатом биоэнергетические коэффициенты полезного действия существенно больше. Для некоторых же культур растениеводства они превышают единицу. Например, в Судане при выращивании сорго на каждую затраченную калорию энергии получают 14 пищевых калорий, а в Заире при культивировании маниоки биоэнергетический КПД еще больше — 37. Ясно, почему достигаются такие большие величины? Все делает сама природа. Человеку только остается снять плоды. При использовании примитивных орудий труда затраты энергии на уборку урожая невелики. Может быть, имеет смысл повсеместно перестроить сельское хозяйство в духе минимизации энергозатрат?

Нет, делать так нельзя. Главный и решающий недостаток примитивных немеханизированных систем — очень низкий выход продукции с единицы площади земли и очень низкая производительность труда.

Как раз для достижения высокой урожайности и производительности труда и необходим значительный рост энерговооруженности, которая характерна для современных агропромышленных комплексов.

Вернулись мы к общеизвестной истине. Но вопросов остается много. Какой должна быть эта энерговооруженность? Должна ли она расти или нужно стремиться ее снижать, достигая необходимых результатов другими способами?

Увеличивать или уменьшать!

Агропромышленный комплекс страны потребляет около 160 миллионов тонн условного топлива, если не учитывать расход энергии на коммунально-бытовые нужды и косвенные энергетические затраты. Поскольку основные затраты энергии прямо или косвенно связаны с пашней, удобно анализировать удельную величину — затраты энергии, отнесенные на 1 гектар.

В СССР они равны 0,8 тонны условного топлива, а в Соединенных Штатах — 0,4. Значит, в США энергопотребление на гектар в два раза меньше. Возможно, здесь сказывается неодинаковый подход к вычислению затрат. Ведь среди специалистов идут споры, что включать в энергозатраты по сельскому хозяйству, а что нет? Но есть и объективные причины, обуславливающие превосходство США. Так, у американцев лучше, чем у нас, используются энергетические средства. У них создана разветвленная сеть качественных дорог. Сельское хозяйство США отличается более высокой загрузкой сельскохозяйственной техники, и ряд технологических процессов перенесен в город, где дешевле и экономнее обходится и ремонт сельскохозяйственных машин, и приготовление кормов, и заготовка строительных деталей и комплексов. Следует отметить, что по разным причинам энерговооруженность гектара пашни в одних странах мира побольше (Япония, Англия), в других — поменьше (Австралия).

Из 160 миллионов тонн условного топлива, которые потребляются непосредственно в агропромышленном комплексе нашей страны, более одной трети — 65 миллионов тонн — расходуется на машинах, ведущих полевые работы. Еще столько же расходуется на транспорте и в различных тепловых процессах типа сушки. Все это составляет 35 процентов от всего потребления жидкого топлива в народном хозяйстве.

Такова основная составляющая сельскохозяйственных энергозатрат. Увеличить ее в будущем, скажем, в два и даже в полтора раза практически невозможно. Значит, механизация сельского хозяйства имеет предел?

Некоторые специалисты, смешивая понятия энерговооруженности и энергозатрат, склоняются именно к такой точке зрения. Называются цифры оптимальной энерговооруженности, превышать которые, по их мнению, нельзя. Другие специалисты говорят о «биологическом земледелии» как о панацее для сельского хозяйства, отвергают применение химикатов, призывают использовать только «чистую» энергию — солнечную, ветряных мельниц, гидротурбин.

В 1982 году на Филиппинах в Маниле была проведена «Международная конференция по химии и снабжению человечества пищей: новые перспективы». По мнению ученых, курс на механизацию и химизацию сельского хозяйства продолжает оставаться эффективным. Дело в том, что благодаря ему во многих развитых (заметьте, не развивающихся) капиталистических странах себестоимость сельскохозяйственной продукции снизилась за последние годы в полтора-два раза.

И все же какие пути дальнейшего развития сельского хозяйства оптимальны? Ведь проблема сложнейшая. За 40–50 ближайших лет нужно увеличить мировое производство пищи вдвое — примерно на столько же, на сколько оно выросло за последние 10–12 тысяч лет.

Конечно, не беспочвенны рассуждения об отрицательном влиянии машин и химикатов на окружающую среду и даже на качество продуктов. Наконец, совершенно очевидно, что нужно в максимальной степени использовать биологические и энергетические возможности природы. Но отказываться от индустриализации сельского хозяйства, от превращения его в агропромышленное хозяйство — значило бы сделать серьезную ошибку. На этом пути не обеспечить ни нужной производительности труда, ни необходимого объема производства. Ведь количество сельского населения падает. Например, по оценкам демографов, в городах в ближайшие годы будет жить три четверти населения СССР.

Несмотря на существенные успехи сельскохозяйственного машиностроения, мы еще значительно отстаем от США в энерговооруженности полей. Мощность всех видов машин у нас составляет лишь примерно 300 лошадиных сил на 100 гектаров. Поднять ее — важная задача. Причем существен не просто количественный, но качественный рост этой техники, внедрение ее новых видов.

Совершенствование сельскохозяйственных машин имеет прямое отношение к затратам энергии. Сроки службы сельскохозяйственной техники сейчас заметно меньше 10 лет — на треть ниже нормативных. В результате до 40 процентов выпускаемых машин идет на восполнение преждевременно выбывших. Соответственно возрастают косвенные энергозатраты. Они уже сравнимы с прямыми и основными.

А что делается с формально прямыми затратами — с расходом жидкого топлива? Казалось бы, тут ситуация лучше — и претензии не к машиностроителям. Удельные расходы топлива на тракторах неплохие, вполне на уровне современной техники — 170–200 граммов на лошадиную силу в час. Примерно такие же показатели в США. Но ведь в среднем расход энергии на гектар пашни у нас в два раза больше. Одна из причин — худшее состояние техники и дорог. Кроме того, нет четкого технически обоснованного нормирования в расходе топлива, отсутствует сильная заинтересованность в его экономии.

Приведу один пример. В сельской местности функционировали до недавних пор различные организации — сельхозтехника, сельхозстрой, совхозы. Установленные нормы расхода бензина в них различались вдвое (!) — от 106 до 210 граммов на тонно-километр. А ведь каждое ведомство пользовалось одними и теми же дорогами, марками машин, бензозаправочными станциями.

До каких пределов можно снизить расходы топлива на полевых работах? Идей и предложений по решению данной проблемы великое множество. Но прогресс осуществляется медленно. И причины в большинстве случаев как будто бы объективные. Давайте познакомимся с ними.

Ноль-обработка

Для уменьшения энергетических затрат при эксплуатации сельскохозяйственной техники выгодно поднимать ее единичную мощность. Но при этом наряду с выигрышами. Так, если двухсотсильный «Кировец» весил одиннадцать тонн, то, став трехсотсильным, он потяжелел на полторы тонны. И это не случайность — аналогичная история произошла и с минским трактором, и с плугом «Труженик». Короче, сельскохозяйственная техника утяжеляется при повышении ее единичной мощности. Соответственно повышается и расход материалов.

Экономия металла — задача решаемая. Металлоемкость некоторых тракторов, выпускаемых в мире, иногда почти в 1,5 раза ниже. Но беда даже не столько в большом расходе металла.

За каждый проход по полю тяжелого машинного агрегата слой почвы, попадающий под его колеса, уплотняется на глубину 70–90 сантиметров, и вместо нужных сельскохозяйственным культурам мелких комочков земли образуются крупные глыбы. По данным американской газеты «Еженедельник фермера», если по полю, засеянному яровым ячменем, пройдет сельскохозяйственная машина, то урожай снизится с 67 до 39 центнеров на гектар. Таким образом, сэкономив в потреблении топлива почвообрабатывающей техникой и, конечно, выиграв в производительности труда, мы проиграли в энергии, накопленной в урожае. Где же выход? Есть ли он?

Сразу же скажем — предлагаемые и применяемые решения еще не оптимальны. Нужно еще искать лучший вариант. Может быть, поставить машины не на две, а на три, пять осей? Или, оставив две оси, увеличить количество колес, как это сделано во французском тракторе «вандель»? А может быть, вернуться к опыту предков? Пусть машины будут только косить, как косили наши деды-прадеды, и перевозить массу на тока, обмолачивать же урожай станут мощные молотилки, установленные на стационарном пункте. Некоторые специалисты считают, что в этом случае по сравнению с обычной комбайновой технологией затраты труда снижаются вдвое, а расход топлива — на 15–20 процентов.

Оппоненты возражают. Ведь таким жаткам придется перевозить не только зерно, как комбайну, но также колосья и стебли, и нагрузка на почву снова увеличится.

В ответ выдвигается проект передвижных трубопроводов со сжатым воздухом. Предлагается также растянуть на земле капроновую ленту, сложить на нее урожай, а потом подтянуть ее механизмами, стоящими на краю поля.

А обработка почвы? Может быть, попробовать применить реактивный роторный плуг? Мотыги на вращающемся валу поочередно врезаются в землю и помогают своей реакцией перемещаться трактору. Некоторые специалисты утверждают, что усилия при пахоте можно уменьшить с помощью самозатачивающихся лемехов. Другие предлагают надевать на лемеха пластмассовые сменные накладки, уменьшающие трение. В конце концов можно сконструировать трактор на воздушной подушке.

А может быть, вообще не надо вспахивать? Пусть будет ноль-обработка! Только сеять и убирать, не трогая корнеобитаемый слой.

Разными путями движется конструкторская мысль. Один из перспективных путей — шире сделать захват машин. За считанные проезды проводится культивация или сев. При широкозахватной технологии необходимо создать комбайны, способные за один проход выполнить ряд операций. Одна машина заменяет несколько идущих вслед друг за другом. Это улучшает положение, но не намного — ведь утяжеляется трактор, происходит дополнительное уплотнение почвы.

Проблема остается открытой, решенной частично. Идет поиск новых будущих технологий.

Еще в 1931 году московский инженер Правоторов предложил новую оригинальную технологию обработки почвы, которая сейчас привлекает все большее внимание специалистов. Представим, по обе стороны большой и длинной «грядки» проложены дорожки или рельсы. По ним движется П-образный мостовой кран, с которого и осуществляется обработка почвы, уход за растениями. Механизмы приводятся в действие с помощью электроэнергии. Тем самым можно высвободить десятки миллионов тонн жидкого топлива.

На одном кубанском экспериментальном сельскохозяйственном поле применили подобный мост. Урожай увеличился в полтора раза, а при искусственном поливе — втрое. Но у метода Правоторова есть существенные недостатки — большая металлоемкость, привязка к колее.

Как и во многих других областях производства, вряд ли найдется одно-единственное решение, удовлетворяющее всем требованиям растениеводства. Затраты энергии на пахоту и времени на обработку почвы и полив составляют более половины всех затрат. Поэтому закономерен интерес к ноль-обработке почвы — только сеять и убирать. Неплох и промежуточный метод — безотвальная пахота.

При безотвальной пахоте (это не ноль, а минимальная обработка, когда плугом только подрезается слой земли) затраты энергии в полтора-два раза меньше, чем при обычной традиционной пахоте. Безотвальная вспашка экономит много жидкого топлива. Конечно, применять ее нужно с оглядкой, с учетом местных условий. Например, в районах с влажным климатом все же предпочтительнее полная пахота с оборотом пласта. А в засушливом климате минимальная обработка почвы дает прибавку урожая до 20 процентов. Почему это так?

Часть энергии, взятой растениями у солнца, уходит на прокачку воды и работу корневой системы. Минимальная обработка по-разному влияет на содержание влаги и структуру почвы. В некоторых условиях влага — это главное, и потому безотвальная система дает заметную прибавку.

Следует также учитывать, что если не перепахивать землю, то для уничтожения сорняков нужно резко увеличить дозу гербицидов. Но на производство гербицидов тоже требуется энергия, и выигрыш вроде бы уменьшается. И все же общий расход энергии сократится на 20 процентов. Игра стоит свеч. Во-первых, 20 процентов — это огромная экономия. А во-вторых, при производстве гербицидов мы не должны расходовать дефицитное жидкое топливо: можно обойтись газом, электроэнергией АЭС и другими источниками.

Если говорить не только о сиюминутной выгоде, а и о дальней перспективе, то безотвальная вспашка пока чуть ли не единственный способ предотвратить эрозию почвы. Надо уже сейчас думать о сохранении среды, дающей жизнь растениям, иначе в сельском хозяйстве может сложиться тяжелая ситуация.

Нежелательно было бы вскоре столкнуться с проблемой создания искусственной почвы. Между тем опасность истощения земли, резкого падения ее плодородия вполне реальна.

В среднем за 10 лет на каждый гектар пашни вносится около 4 тонн органического вещества (в том числе и за счет естественных процессов), а теряется за счет эрозии почти в десять раз больше — 30 тонн. С 1920 года потери гумуса (органического вещества почвы) в южных черноземных районах составили 24 процента. Подобные опасные явления происходят во всем мире. Земледелие продолжает жить взаймы у природы за счет усиленного расхода энергии солнца, накопленной в пахотном слое.

При использовании минимальной обработки почвы удается не только снизить затраты энергии, а и существенно замедлить эрозию почвы, и в этом ее большой смысл.

Обработка почвы — вещь очень деликатная, и небольшое технологическое усовершенствование иногда способно дать значительный энергетический выигрыш. Приведем один поучительный пример.

Гектар влаголюбивого риса поглощает за сезон 20–30 тысяч кубических метров пресной воды! На возделывание риса уходит около 15 процентов речного стока планеты. Однако только третью его часть забирают растения, остальная вода расходуется впустую — испаряется или уходит в почву.

Многолетние исследования, проведенные в Краснодарском крае, показали: чтобы надежно сократить расход воды, надо выровнять поверхности делянок — чеков, на которых высажен рис. Если перекос плоскости чеков увеличится, например, с 5 до 10 сантиметров, то расход воды возрастет вдвое. Но дело не только в излишнем поливе. Резко колеблется урожайность. При отклонении поверхности чеков от среднего уровня на 3 сантиметра урожай составляет около 60 центнеров. Но когда перекос достигает 10 сантиметров, урожай падает вдвое.

Задача ясна — для сокращения затрат воды и, следовательно, расхода энергии нужно максимально выровнять поверхность чеков. На помощь планировщикам и водителям машин-скреперов пришли ученые Новочеркасского инженерно-мелиоративного института. Они установили посреди чека гелий-неоновый газовый лазер. Лазерный луч направляется на фотоприемник, прикрепленный к машинам мелиораторов. По показаниям прибора-индикатора водители управляют высотой рабочего органа скрепера, проводящего планировку поверхности. Предпосевные работы можно вести и ночью. В результате благодаря увеличению «горизонтальности» уменьшились затраты энергии на полив воды, а урожайность поднялась на 10 центнеров с гектара.

От фитотрона к теплице

Есть ли предел урожайности? В древности земледелец собирал с гектара всего по 3–4 центнера зерна. С появлением железного плуга урожай поднялся почти вдвое. В начале 70-х годов средний сбор по стране составлял 18 центнеров с гектара. В то же время на Кубани удавалось получать 32–35 центнеров с гектара. А рекордного сбора добились в Киргизии. В пересчете на гектар он составил 126 центнеров!

В фитотроне при 16-часовом освещении и 70-суточном вегетационном периоде получают урожаи до 500 центнеров с гектара. Конечно, можно перейти на выращивание культур и в фитотронах, но это будет дорогостоящее дело. Ведь сегодняшний исследовательский фитотрон — очень дорогое сооружение: герметичный бокс, искусственные освещение и почва, регулирование состава воздуха по влажности и содержанию CO_2, исключение различных болезнетворных бактерий, специальная подготовка семенного материала.

Пока в искусственных условиях — в специальных теплицах — выгодно выращивать только отдельные виды овощей. (Упрощенные фитотроны и называются теплицами.)

В 1929 году во Франции была запатентована ветроэлектростанция, одновременно являющаяся оранжереей. А несколько лет назад в Испании, под Мадридом, этот проект воплотился в жизнь. Над участком земли площадью 20 гектаров была на некоторой высоте натянута прозрачная пленка. В центре гигантской теплицы поставили трубу высотой 200 метров. В ней смонтировали турбину мощностью 100 киловатт. Разогретая за день теплица должна создавать воздушную тягу и ночью, а инфракрасное излучение, проходящее через облака, не даст остановиться турбине и в пасмурный день. Получаемую электроэнергию можно использовать для освещения теплицы.

Хотя энергии производится маловато, подобными устройствами заинтересовались страны с жарким климатом и большими свободными площадями — Саудовская Аравия, Марокко. Однако остается неясным, насколько рентабельна сама теплица. Сомнения вызывают ее постоянный поток ветра, нерегулируемость температуры, неконтролируемость состава воздуха.

Между тем для эффективного выращивания растений в теплице нужно регулировать температуру, газовый состав воздуха и его влажность, а также структуру и состав почвы. В перспективе все больше сельскохозяйственной продукции будет производиться в условиях, приближающихся к фитотронным. Теплицы по мере совершенствования также постепенно приблизятся к фитотронам.

Однако не надо забывать, что в фитотроне главная задача одна — получить максимум урожая. Этой цели подчинены все средства. Соответственно суммарные затраты энергии могут быть очень высокими. А теплицы — промышленные предприятия. В них необходимо соизмерять затраченную энергию с полученной пищей. Так что перенимать фитотронные достижения следует с оглядкой: «А сколько это потребует энергии?»

По-видимому, первые теплицы у нас в стране появились на Соловецких островах, заселенных россиянами много веков назад. Цветущее хозяйство возникло в этих краях! Внушительный Соловецкий кремль. Белоснежные громады соборов. Крепостные башни. Каналы. Холод. Низкие синие тучи. Суровая природа Севера. И дымящие заводы — кирпичный, угольный, алебастровый.

Предприимчивые соловецкие монахи завели также в XVI веке оранжереи для выращивания овощей. И не обычные, а с энергосберегающей технологией их обогрева. В теплицы поступало отходящее тепло воскобелильного заведения, производящего свечи для монастыря.

Поныне одна из главных задач при сооружении теплиц — поддерживать в них нужный температурный режим.

Любители зимнего отдыха в горах знают: на пути в красивейшее место Кавказа — Домбай — вдоль асфальтовой дороги на Карачаевских взгорьях длинными бесконечными рядами тянутся теплицы. Еще когда они строились, у многих возникал вопрос: зачем в этом теплом солнечном краю такое необозримое поле стекла? Лишь первая очередь тепличного комбината «Южный» включает миллион квадратных метров теплиц.

Вопросы множились, и когда проезжавшие замечали табличку с надписью: «Моспромстрой». При чем тут московские строители? Напрашивалась догадка: наверное, овощи выращиваются для столицы.

Действительно, значительная часть урожая, особенно в межсезонье, с ноября по март, предназначается для столицы. Овощи нужны круглый год, и зимой выращивать их можно только в парниках, иногда даже в пленочных.

Щедрое южное солнце, а на полях Карачаево-Черкесии оно горячо греет и зимой, позволяет сэкономить топливо. Между тем в среднем почти 70 процентов стоимости тепличных овощей — это стоимость сожженного топлива. Прикинем, сколько энергии сберегается в комбинате «Южный».

Сравним балансы по топливу. На обогрев одного гектара зимних теплиц требуется от 2 до 3 тысяч тонн условного топлива в год и 300–600 тысяч киловатт-часов электроэнергии на освещение. За счет южного солнца экономится 500 тонн топлива. При средней урожайности овощей 30–40 килограммов с квадратного метра получаем, что на выращивании каждого килограмма овощей сберегается около 1,5 килограмма топлива!

Конечно, это много, очень много. Но, может быть, весь этот энергетический выигрыш растеряется при перевозке овощей в центральные районы? Оказывается, далеко нет.

При транспортировке по железной дороге энергетические затраты составляют 0,01–0,015 килограмма условного топлива на 1 тонно-километр. При перевозке на 2000 километров затратится 0,02–0,03 килограмма условного топлива на 1 килограмм овощей.

Автотранспорт дороже: затраты возрастут десятикратно и составят примерно 0,3–0,4 килограмма топлива. Но они все равно существенно меньше, чем энергосбережение благодаря использованию в теплицах солнечной энергии. Правда, если учесть все затраты и провести сравнение в рублях, то экономия в денежном выражении, особенно в случае автоперевозок, не выглядит столь впечатляющей.

Сейчас в нашей стране около 3 тысяч гектаров зимних теплиц. Расходуется на них в год около 7 миллионов тонн условного топлива. А тепличное дело набирает силу.

Качественная продукция овоще-бахчевого хозяйства должна равномерно поступать на стол потребителя в течение года. С учетом возможностей хранения и климатических условий для этого в теплицах нужно производить около 25 процентов овощей. При норме потребления 150 килограммов (с учетом бахчевых культур) количество теплиц нужно увеличить в восемь-десять раз. Тогда они станут потреблять 60 миллионов тонн условного топлива.

Это много, потому что в недавно построенном комбинате «Тепличный» в Ивановской области тратится 3000 тонн условного топлива на гектар, что в 6–7(!) раз превышает количество энергии, приносимой солнцем в летний период.

В то же время это и не так много, потому что 60 миллионов тонн — всего пятая часть тепла, выбрасываемого конденсаторами электростанций СССР. Только АЭС страны в 1990 году сбросят примерно 100 миллионов тонн условного топлива. Отработанное тепло АЭС можно использовать в тепличном хозяйстве, применив водонаполненную кровлю. При этом методе на хорошо герметизированные стеклянные панели подается горячая вода, стекающая тонкой пленкой. Если система водной циркуляции хорошо отлажена, то теплицы становятся как бы конденсаторами турбин.

Конечно, метод приемлем не всегда и не во всех районах страны. Вода забирает часть солнечного света, требуется дополнительно очищать ее, тщательно ухаживать за кровлей. Чем ниже температура сброса, тем выше металлоемкость системы обогрева. Для кипятка нужно в 3–5 раз меньше труб и радиаторов, чем для просто горячей воды.

Если от турбин АЭС отбирать для теплиц пар необходимых параметров, то на выработке электричества это практически не скажется. При АЭС можно с большой экономией энергии развернуть мощное тепличное хозяйство. В одном из постановлений вообще запрещается строительство теплиц на органическом топливе в европейской части СССР вблизи строящихся или действующих атомных электростанций. К сожалению, эта правильная мера не всегда соблюдается.

Чтобы тепло не рассеивалось впустую, в теплицах применяют теплозащитные экраны, специальное остекление и алюминиевые профили, обеспечивающие герметичность. Они оснащаются автоматизированными системами управления микроклиматом, калориферными системами обогрева.

Если теплица или парник оборудуются для обогрева системой циркуляции воздуха, то можно использовать избыточную солнечную энергию. Нагретый днем воздух продувается по специальным каналам сквозь почву или термоаккумулятор, отдающие запасенное тепло по ночам.

Подавляющее большинство предложений по энергосбережению рождается из детального и даже придирчивого анализа технологического процесса.

Проанализировав циркуляцию воды и воздуха в теплице, специалисты Квебекского университета в Канаде предложили обогревать не все пространство парника, а лишь часть его, непосредственно примыкающую к растениям. Для этого вдоль грядок можно прорыть траншеи метровой глубины. Днем они покрыты полиэтиленовой пленкой, под ней воздух накапливает и сохраняет тепло. На ночь, когда становится холодно, полиэтиленовую пленку заменяют алюминиевым полиэфирным «пледом», теплоотдача через который значительно выше, и растения по соседству с траншеей обогреваются излучаемым теплом. Площадь для теплицы при этом методе увеличивается, но затраты энергии на обогрев, утверждают канадские специалисты, уменьшаются в несколько раз.

Основной «хлеб» растений — свет. Посмотрим, какие энергосберегающие ресурсы имеются здесь.

Наука об искусственном освещении — светокультура — находится на стыке биологии и электротехники. Она может очень многое дать как растениеводству, подсказав оптимальные условия для выращивания урожая, так и энергетике, предложив способы минимизировать расход энергии.

Приведем один пример. Московский тепличный комбинат, построенный в 1972 году, расходует 250–230 тысяч киловатт-часов электроэнергии в год, а на комбинате «Тепличный», созданном в последнее время в Ивановской области, электроэнергии расходуется в три раза больше — 600–700 киловатт-часов на гектар. Не будем сразу обвинять проектировщиков или тех, кто работает в тепличных хозяйствах. Ведь условия выращивания растений могут очень различаться по многим причинам. Например, средняя естественная освещенность зависит как от географического расположения, так и от «утепленности» теплицы. Нужно учитывать также температурные условия района. Неодинакового количества света требуют и разные виды овощей. Рассаду необходимо освещать в два раза больше, чем взрослые растения. Причин разного расхода электроэнергии может быть много. И все же разница в три раза слишком велика.

Для жизнедеятельности растения необходимо чередовать периоды освещенности с периодами пребывания в темноте. Длина светового дня должна быть от 8 до 14 часов в зависимости от вида растения и периода созревания. Эти факты общеизвестны. А вот менее известный факт: экспериментально установлено, что фотосинтез лучше совершается при освещении с меняющейся интенсивностью. В совхозе «Тепличный» Челябинской области установили осветительные лампы на каруселях, вращающихся с небольшой скоростью в горизонтальной плоскости. Урожай собирается такой же, как и при непрерывном освещении 8–12-часовой длительности, а расход электроэнергии в несколько (!) раз меньше.

Преобразование неорганических веществ, воды, углекислоты в углеводы и кислород под действием солнечного света — механизм очень сложный. Он не понят еще до конца и на молекулярном, и на клеточном уровне. Фотосинтез очень чувствителен ко многим параметрам внешней среды, и для выявления оптимума требуются точные эксперименты. К сожалению, проводятся они не всегда тщательно, и это часто служит источником ложной информации.

Например, однажды в прессе промелькнуло сообщение, будто достаточно было установить в теплицах одного из совхозов красные светофильтры на осветительные лампы, и урожай повысился в полтора-два (!) раза. Конечно, растение любит красный свет. Ведь именно поэтому его преобладающий цвет — зеленый. Но зачем устанавливать красный фильтр?

Если из видимого солнечного «белого» света извлечь одну компоненту, в данном случае красную часть спектра с длиной волны от 600 до 700 микрометров, то «белое» сменится на «дополнительную» окраску. Дополнительный цвет к красному — зеленый. Растение зеленое именно потому, что из солнечного излучения оно интенсивно поглощает красную компоненту и отражает «дополнительную».

Отсюда вовсе не вытекает, что для роста растения полезно отсекать часть солнечного спектра. А кроме того, дешевых идеальных фильтров нет, а в применяемых частично поглощаются все длины волн.

Растение действительно любит красный свет. Что это значит? Число квантов света на единицу энергии красной части спектра больше, чем в сине-фиолетовом диапазоне, поскольку энергия кванта с увеличением длины волны падает. Но ведь и более «энергичные» кванты также могут осуществлять акты фотосинтеза, хотя и с меньшей эффективностью. Так зачем же их отсекать?

Интересные соображения я нашел в статье доктора биологических наук Б. Гуляева. Он пишет, что, если всего 20 процентов красных лучей заменить на синие, существенно увеличится скорость поглощения листьями углекислого газа. Зеленые лучи лучше проникают сквозь листву и обеспечивают энергией листья нижних ярусов. Очень чувствительны к световому спектру процессы, от которых зависит развитие растения. При полном отсутствии «синих» и «зеленых» фотонов можно выращивать только листовые формы типа салата.

Можно сделать вывод, что для всех высших наземных растений идеальным источником света является солнце. В видимой части спектра его излучение у земной поверхности содержит около 30 процентов синих лучей и примерно по 35 процентов зеленых и красных. Создать лампы, которые имели бы такую спектральную характеристику, пока не удается. Наилучшими «солнцеподобными» параметрами обладают пока люминесцентные лампы разного вида. И все же предпринимаются попытки улучшить естественный солнечный свет.

Для покрытия теплиц предлагается использовать не стекло и не обычную полиэтиленовую пленку, а фоторедуцирующую. Механизм редуцирования света примерно такой же, как и в люминесцентных лампах. В пленку введены люминофоры, которые переводят коротковолновую ультрафиолетовую часть спектра в видимую часть, тем самым как бы несколько увеличивая силу солнца в этой части. Сообщается, что фоторедуцирующая пленка позволяет увеличить урожайность различных культур на 10–60 процентов.

Вряд ли имеет смысл отвергать предлагаемый способ сразу. Ведь «испытания проведены в различных климатических зонах страны». Но для понимания физики и биологии процесса следует помнить, что ультрафиолетовая часть спектра энергетически составляет не более 20 процентов от видимой. И даже если половину ее преобразовать в видимую часть, то общая энергия видимого света увеличится не более чем на 10 процентов. А ведь для растений полезен и ультрафиолет, который отсекается фоторедуцирующей пленкой.

Согласно детальным исследованиям в растениях имеются вещества, активно поглощающие ультрафиолетовые лучи. Обнаружено, что добавка таких лучей к световому потоку вызывает более интенсивный рост и развитие растений. Связь света, температуры и фотосинтеза очень сложная и разная для разных культур.

Вот передо мной графики, показывающие зависимость между интенсивностью фотосинтеза и температурой. Это — кривые с горбом. Значит, существует оптимальная температура. Ниже ее и выше ее фотосинтез идет хуже.

Для каждой освещенности — своя кривая. Скажем, для 15 градусов фотосинтез максимален при освещенности 20 тысяч люкс. Если в этих условиях освещенность увеличить в полтора раза, ничего не изменится. Вероятно, фотосинтез даже ухудшится, а количество затраченной энергии увеличится. Этот пример я привожу как раз для того, чтобы показать, насколько сложны механизмы фотосинтеза и как осторожно нужно относиться к различным экспериментам и рекомендациям.

Основное сырье для создания биомассы — вода и углекислый газ. Интенсивность фотосинтеза возрастает при увеличении концентрации углекислого газа в атмосфере. Полезность такой подкормки зависит и от температуры, освещенности, наличия влаги. Как видим, связь очень многопараметрическая, особенно если учесть, что существует еще зависимость от вида растений, состояния почвы.

Некоторые главные связи изучены, разработаны оптимальные технологические приемы. Когда же не учитываются те или иные факторы, неизбежен отрицательным результат.

Например, углекислый газ подается в теплицы из специального устройства, в котором сжигается природный газ, и если температура в теплице начинает расти выше оптимальной, то, несмотря на увеличение концентрация углекислого газа, фотосинтез уменьшается. Значит, природный газ сжигают зря.

Иногда же углекислый газ подают прямо от котельных агрегатов, обогревающих теплицы, не проводя никакой его обработки, что приводит к еще худшим последствиям. Ведь в продуктах сгорания, кроме углекислого газа, содержатся окислы серы и азота, этилен, пропилен, формальдегид, которые задерживают рост растений. По оценкам английского института парниковых культур, ущерб из-за загрязнений тепличной атмосферы в Англии составляет 2 миллиона фунтов стерлингов в год. Что же делать?

Особо действенных рекомендаций нет. Желательно использовать малосернистое топливо, тщательно регулировать горелки. По-видимому, целесообразно воспользоваться методами, которые разработаны энергетиками для очистки отходящих газов или для снижения концентрации окиси азота.

Есть еще один путь — вывести специальные сорта растений, устойчивые к токсичным веществам.

Но это уже взгляд в далекое будущее, когда человек, возможно, уже и не будет производить токсичных веществ. Если говорить о будущем, то давайте лучше помечтаем вместе с биологами.

По их мнению, не вся сельскохозяйственная продукция будет производиться в крупных агропромышленных комплексах. Специалисты из научного центра биологических исследований АН СССР в Пущине, занимающиеся программой «Экополис» (экология города и его пригородов), считают, что частично город может самообеспечиваться продуктами питания, используя свои ресурсы энергии.

В препринте «Экополис. Введение и проблемы» говорится, что даже превращение в заповедник одной десятой части суши позволит сохранить лишь половину фондов мировой фауны. Распахиваются новые земли, а города территориально все больше «расплываются». Какой же выход?

Авторы исходят из того, что каждый горожанин, сознается он в этом или нет, мечтает общаться с природой. Город же изолирует людей от нее. И вот немного фантазии. «Представьте небольшой город, который частично обеспечивает жителей продуктами питания. Солнечная и тепловая энергия, выделяющаяся на его территории, направлена на выращивание пищевых или технических растений. Урожаи в городской черте могут быть даже выше, чем в естественном растительном сообществе. Поможет и дополнительное тепло, и подкормка растений углекислым газом. Наружная часть стен многих домов представляет собой фотосинтетическую пластину. Труба ТЭЦ служит вертикальным каркасом и источником тепла для оранжереи. Снаружи она напоминает застекленную башню».

А где же природа? Совсем близко. Через город текут ручьи, около них буйствует жизнь. На месте привычных газонов раскинулись луга с медоносными и прочими травами. В городе идет сенокос.

Мандариновый бензин

Общая масса «живого» вещества на земле (растительного, животного, бактериального) — 2500 миллиардов тонн. Ежегодно воспроизводится 400 миллиардов тонн, из которых несколько менее половины — растительность. Лишь одни леса дают прирост около 25 миллиардов тонн. Уже в 70–80-е годы человечество расходовало около одной десятой древесного прироста, а к 2000 году эта величина может вырасти вдвое. Особенно быстрыми темпами идет уничтожение влажных тропических зарослей, составляющих половину всех лесов мира. Подсчитано, что при нынешнем темпе их вырубки (30 гектаров в минуту) тропические джунгли могут исчезнуть через 100 лет.

Леса нашей страны, составляющие четверть древесного фонда планеты, расходуются более экономно.

Тревога о лесе связана не только с тем, что в тропиках на их месте возникают пустыни. Самое опасное — на наших глазах исчезают зеленые легкие планеты. Ведь леса в результате фотосинтеза усваивают наряду с фитопланктоном определенную часть выделяющегося в атмосферу углекислого газа и возвращают ей кислород.

При ежегодном сжигании 12 миллиардов тонн условного топлива в атмосферу выбрасывается около 50 миллиардов тонн углекислого газа и потребляется 30 миллиардов тонн кислорода. Это одна пятая часть кислорода, поставляемого планете фотосинтезом, и уже сейчас Северное полушарие Земли подпитывается потоком кислорода из тропиков. Тем не менее пока доля кислорода в атмосфере не уменьшается. Почему?

Во-первых, велико его общее количество в атмосфере, вес которой равен пяти триллионам тонн. А во-вторых, по-видимому, существует еще один источник кислорода, помимо фотосинтеза. Американские ученые, основываясь на спектрографических наблюдениях с космического корабля «Аполлон-16», пришли к заключению, что водяные пары в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетового излучения разлагаются на кислород и водород. Так что пока кислородное голодание нам не грозит.

Если содержание кислорода в атмосфере практически не меняется, то выброс в атмосферу углекислого газа приводит к медленному росту его содержания. По оценкам одних специалистов, увеличение его концентрации вдвое может привести к повышению средней температуры атмосферы на 2–3 градуса. Правда, другие ученые считают, что одновременное повышение запыленности атмосферы будет тормозить рост ее температуры. Однако если средняя температура повысится на 2–3 градуса, климат в ряде районов земли существенно изменится, что нанесет вред растениеводству. «Нет, — говорят оппоненты, — повышение концентрации углекислого газа вызовет бурный рост растительности, как это бывало в истории земли в прошлые геологические эпохи, и это компенсирует ущерб, связанный с изменением климатических зон».

Иногда повышение температуры однозначно связывают и с таянием льдов Антарктиды, и с повышением уровня воды в океане. Не все разделяют и эту точку зрения. Согласно противоположному мнению при потеплении увеличится влажность воздуха над океаном и Антарктидой, а это вызовет рост осадков в виде снега. В результате снежно-ледяная шапка Антарктиды начнет расти, а не таять.

Так или иначе, ждать манны небесной от возрастания концентрации углекислого газа не следует. Стоит задуматься о том, как ограничить его поступление в атмосферу. Предлагаются различные методы связывать углекислоту, переводить ее в твердые вещества. Пока практическая их реализация не стоит на повестке дня. Но будем помнить о грозящей опасности.

Несколько сот миллионов лет назад начался интенсивный процесс образования угля, нефти, газа, в котором большую роль играла и зеленая масса планеты — продукты фотосинтеза. Этот процесс продолжается и сейчас. Однако, по мнению многих специалистов, максимальная скорость возобновления этого органического топлива в мире не превышает 10–20 миллионов тонн в год. Расходуем же мы миллиарды тонн. Нельзя ли сжать время «восполнительных» процессов, интенсифицировать сбор урожая солнечной энергии?

Углеводы, производимые в тканях растений, в основном подобны сахару, но некоторые похожи на нефть. Млечный сок, или латекс, растений-каучуконосов как раз и насыщен «нефтеподобными» молекулами.

В семействе молочаевых на первое место по насыщенности ими претендует молочай чиновидный (масличный молочай). До 10 процентов от его сухой массы составляют подобные углеводы, а это значит, что при благоприятных климатических условиях с гектара легко собирать до 4 тонн бионефти в год!

Современный нефтезавод прорабатывает 5 миллионов тонн нефти в год. Чтобы обеспечить его бионефтью, нужно отдать под выращивание молочая 15–20 тысяч квадратных километров сельскохозяйственных угодий!

Но пригодны и другие растения. В странах, где велика урожайность сахаросодержащих культур, из них можно выработать этиловый спирт и этанол, используемые как топливо в двигателях внутреннего сгорания.

Различных растительных источников бионефти предлагается великое множество. Вот небольшой перечень из обширного потока сообщений.

Австралия: «Создан новый вид картофеля, позволяющий получить с гектара до десяти тысяч литров спирта».

Южная Америка: «В лесах Амазонки растет дерево копайбу из семейства бобовых. Сок этого дерева — углеводород, очень близкий по составу к дизельному топливу. Один надрез дает 10 литров сока в час».

Европа: «Овощ тапинамбур — „земляная груша“ — содержит близкие к крахмалу сахароподобные вещества. Урожайность тапинамбура — 50 тонн с гектара, что может обеспечить до 4 тонн этилового спирта».

Япония: «Японская автомобильная компания „Судзуки мотор“ провела испытания бензина, произведенного из мандариновой кожуры. При сгорании выделяется сладковатый фруктовый запах. Все было бы хорошо, но высоки производственные затраты. Для получения одного литра такого бензина нужна кожура от 11 тысяч мандаринов».

Трудно удержаться, чтобы не прокомментировать последнее анекдотичное сообщение: если каждый японец съест 10 килограммов мандаринов, то Япония получит всего лишь 70 кубометров бензина!

В поле зрения ученых попали не только растения, но и бактерии. Недавно при изучении микроорганизмов, вызывающих пурпурное цветение воды в канадском озере Саскачеван, обнаружено образование «нефтеподобных» углеводородов. Главную роль играют при этом сообщества серных бактерий, живущих в озере. Цепочка превращений, осуществляемых в ходе фотосинтеза с помощью различных бактерий и приводящих к «бактериальной нефти», непроста. В ней участвуют и сероводород, и сера, и глюкоза, и даже серная кислота. В процессе преобразований возникают также различные пигменты, благодаря которым вода озера и приобретает красный цвет.

Исследователи подсчитали, что гектар этого водоема может дать в год больше бионефти, чем гектар суши, засеянный наиболее урожайными растениями. Кроме того, для получения бактериальной нефти не нужно занимать ценные сельскохозяйственные угодья.

По мнению французских биологов, в качестве заменителей нефти перспективны одноклеточные водоросли «ботриококк». Если их выращивать в больших баках, снабжая углекислым газом и минеральными солями, то гарантирован высокий урожай углеводородов.

Используя дизельные фракции нефти, фосфорную кислоту, аммиак и некоторые другие вещества, можно осуществить биосинтез высококачественных кормовых дрожжей — «фермозин». Одновременно получается очищенный нефтяной дистиллят — компонент дизельного топлива. Таков технологический процесс, разработанный советскими специалистами в содружестве с учеными из ГДР.

Вернемся от бактерий к растениям. Наибольший опыт в промышленных масштабах по получению автомобильного топлива из растений имеет Бразилия. В 1975 году там была принята национальная программа по производству спирта из сахарного тростника. Уже тогда в стране таким способом производилось 600 тысяч кубометров спирта — этанола. Этаноловое топливо по многим характеристикам сближается с метанолом — спиртом, получаемым из природного газа или угля.

Их положительные свойства — высокое октановое число, обеспечивающее отсутствие детонации в двигателе, и возможность эффективного сжигания даже обедненной горючей смеси.

Недостатки — пары этанола и метанола нередко закупоривают трубопровод, у них высокая теплота парообразования, они склонны расслаиваться при малых концентрациях в смесях с бензином, и у них вдвое меньшая теплотворная способность, чем у бензина.

Проведенные в нашей стране испытания бензометанольного топлива, сообщает журнал «Автомобильный транспорт», показали, что двигатели ЗИЛ-180 при добавке 14–17 процентов метанола могут работать без переделок. Подобным образом и добавки этанола к бензину до 20 процентов также не требуют переделки и специальной регулировки. Неудивительно, что бразильские специалисты связывают с «биобензином» большие надежды.

Всего за пять лет к 1980 году производство этанола в Бразилии выросло до 4 миллионов тонн, а еще через два года достигло 6 миллионов тонн. Далее через 5–6 лет намечалось почти удвоить производство. Однако бразильская программа не была выполнена. Узким местом, как и следовало ожидать, оказалась сырьевая база — сахарный тростник.

Чтобы вводить новые дополнительные мощности, нужно было каждый год осваивать под сахарный тростник 300–350 тысяч гектаров земли. Эта программа вошла в противоречие с необходимостью иметь площади под иные сельскохозяйственные культуры. Другим тормозом является все же высокая стоимость этилового спирта. Судя по всему, пока не пришло время растительного бензина — нужно повысить урожайность «бензиновых» культур, улучшить КПД фотосинтеза.

Если час бионефти еще не пробил, то биогаз уже широко используется во многих странах. Само слово «биогаз» давно пишется без кавычек.

В сельском хозяйстве на животноводческих фермах, птицефабриках, полях образуется большое количество органических отходов. Они могут стать хорошим удобрением, однако для этого их почти всегда следует предварительно обработать.

Оказалось, что предварительную обработку орготходов очень удобно совместить с процессом так называемой биоконверсии или анаэробной ферментации. Существуют несколько групп бактерий, ферментирующих органические отходы в биогаз и шлам.

Процесс ферментации протекает в специальных баках-метантанках, в которые подаются тепло, вода и органические отходы. Биогаз состоит из метана (50–70 процентов) и углекислого газа.

Шлам — остаток процесса биоконверсии — прекрасное обеззараженное удобрение. Одна его тонна эквивалентна 3–4 тоннам (!) азотно-фосфорных удобрений, выпускаемых промышленностью.

Поскольку процесс идет за счет жизнедеятельности бактерий, необходимо питать их углеродом и азотом, соотношение которых должно быть равно 20:30. Это соотношение в отходах животноводства в 2–3 раза меньше, а полеводства — в 2–5 раз больше. Поэтому для соблюдения нужной пропорции в животноводческие отходы нужно добавлять растительные остатки.

При анаэробной ферментации из килограмма сухого органического вещества можно получить от 0,3 до 0,7 кубометра биогаза. Оптимальная длительность процесса — от 10 до 20 суток.

Производство биогаза наиболее распространено в развивающихся странах. Однако в последние годы в ФРГ, Франции, Италии, Швейцарии вступили в эксплуатацию около 100 биогазовых установок. В КНР же их число достигает нескольких миллионов. По мнению специалистов, в европейских странах в ближайшие годы могут получить развитие только очень простые установки, не требующие специального подогрева и потому более дешевые.

Дальнейшее совершенствование установок призвано решить сразу три задачи: получить биогаз, превратить отходы в высокоэффективные удобрения и обеспечить чистоту полей и воздуха. При переработке уничтожаются различные возбудители заболеваний человека и животных.

Доктором экономических наук Н. Синяком оценен возможный вклад биогаза в топливный баланс нашей страны. Если охватить такими биоустановками 50 процентов всех отходов, то энергия биогаза составит около 20 миллионов тонн условного топлива.

Вместо заключения

Рассказ об Энергетической программе СССР закончился, но осуществление и совершенствование ее продолжаются. Ведь она не только директивный документ, определяющий развитие энергетики страны до 2000 года. В одном из ее разделов даже подчеркивается, что она должна пересматриваться каждые пять лет. Энергетическая программа — это не только постоянно обновляющаяся стратегия, но и философия развития энергетики.

В чем основной смысл и цель этой философии? Пожалуй, лучше всего ответить так: постоянный рост энерговооруженности человека, умноженный на энергичную политику энергосбережения.

Об экономии энергии заботятся не только у нас в стране, но и во всем мире, так что здесь вопросов нет. А вот по поводу необходимости постоянного роста энерговооруженности человека точки зрения расходятся.

Многие специалисты-энергетики, прогнозисты и социологи считают, что народам промышленно развитых стран достаточно увеличить энерговооруженность вдвое, и основные цели человечества в обеспечении уровня жизни будут достигнуты.

Подобная точка зрения имеет за собой некоторые основания. Для человечества наступили трудные времена. Энергия стала дорогой, и ее невозможно добывать такими темпами, как ранее. Даже атомная энергетика не спасает положения. Она не так дорога, как энергетика на органическом топливе, и надолго сможет удовлетворять потребности человека. Но она недешева, требует больших трудовых и материальных затрат.

Осуществление Энергетической программы потребует немалого напряжения и активных действий, которые под силу молодым. И Уренгой, и Ямбург, и Канско-Ачинск, и Нерюнгри, и гиганты атомной энергетики немыслимы без молодежи.

Однако взглянем на будущее оптимистичнее. Ведь впереди — создание различных станций нового типа на возобновляемых и органических источниках энергии, более совершенных атомных энергетических установок. Затем придет очередь термоядерных «котлов», над которыми работают сейчас ученые всего мира. А дальше наверняка появятся какие-то новые источники энергии, о которых пока можно только фантазировать. Может быть, это будут мезонные станции или какие-то виды аннигиляционной или гравитационной энергии. Таковы задачи, которые будут решать молодые инженеры и конструкторы следующего века, нового тысячелетия.

Ясно одно — человек всегда будет стремиться обладать возможно большим количеством энергии, расширяющим его власть над природой и обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получить энергию во все возрастающих объемах. Иногда могут возникать и долго длиться периоды «энергетического застоя» — замедленного поступательного движения. Однако новые открытия и изобретения помогут человечеству сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям еще более быстрыми шагами.

Но даже в периоды бурного прогресса человек будет остро нуждаться в энергии для претворения в жизнь грандиозных проектов, и он всегда будет относиться к ней как к драгоценности, к подлинному чуду природы, без которого не было бы ни современного мира, ни самого человечества.

Содержание

Что делать?

Встревоженный мир … 4

Все для человека … 6

Потоки энергии … 9

Самоограничение? Нет — энергосбережение … 22

Скудеют ли недра?

Сохранить для будущих поколений … 30

Газ вместо нефти … 37

Наступит ли угольный ренессанс? … 44

Энергия для энергии

Эксперимент длительностью пятьдесят лет … 56

Экономная энергетика … 57

Атака на серу … 60

Сбудутся ли предсказания Рамзая? … 64

Водородная энергетика … 69

Флагман энергетики … 75

Энергетические реки текут вспять

Куда исчезает энергия? … 92

Для себя или для внуков? … 102

Поручение Совета Министров … 109

Сборник отличных мыслей … 116

Быстро или медленно? … 121

Почти все от Солнца

Электроэнергия из светового луча … 132

Проблемы. Как их решить? … 136

Суперчерные поверхности … 138

Тепло Земли … 141

Второе дыхание ветра … 145

Океаны энергии … 149

Пока самый удобный … 153

Хочешь изобилия — будь экономным

Чтобы в доме было тепло и прохладно … 158

Все в женских руках … 170

Стоимость трех слов — миллион … 179

Зеленая энергетика

Литр нефти за два литра молока … 188

Увеличивать или уменьшать? … 193

Ноль-обработка … 196

От фитотрона к теплице … 200

Мандариновый бензин … 210

Вместо заключения … 217

Александр Николаевич Проценко

А. Проценко много лет работает в Институте атомной энергии. Здесь он защитил кандидатскую и докторскую диссертации, стал крупным специалистом в области атомной энергии. За успешную работу и деятельность по энергосбережению он награжден орденом «Знак Почета», а также удостоен звания лауреата премии Совета Министров СССР.

Сейчас возглавляемая им молодежная лаборатория, которой присуждалось переходящее Красное знамя ЦК ВЛКСМ «Лучшему молодежному научно-техническому коллективу», занимается вопросами высокотемпературной энергетики.

Ведя большую научно-исследовательскую работу, А. Проценко находит время для популяризации той области знания, которая является для него главной, — освоения атомной энергии. В серии «Эврика» вышла его книга «Энергия будущего». «Энергетика сегодня и завтра» — его вторая книга в этой серии.

Content

Александр Николаевич Проценко
Энергетика сегодня и завтра

Что делать?

Скудеют ли недра?

Энергия для энергии

Энергетические реки текут вспять

Почти все от Солнца

Хочешь изобилия — будь экономным

Зеленая энергетика