Ресурсы биосферы

      Солнечная энергия по сравнению с другими видами энергии обладает исключительными свойствами: практически неисчерпаема, экологически чиста, управляема, а по величине в тысячи раз превосходит всю энергию других источников, которые может использовать человечество. Потенциал эксплуатационного ресурса солнечной энергии оценивается по мощности от 100 до 500 ТВт. Из-за малой плотности этой энергии техносфера потребляет ничтожную ее часть. Некоторое количество используется в пассивной форме - для создания благоприятного теплового режима в системах закрытого грунта. Эта форма использования, а также совершенствование технических средств теплового аккумулирования солнечной энергии и тепловых насосов имеет очень большую перспективу. Однако гелиоэнергетиков больше интересуют способы концентрирования солнечной энергии и ее прямое преобразование в электроэнергию. При этом решающее значение имеют такие факторы, как энергетическая освещенность, площадь улавливания, КПД преобразования и эффективность аккумулирования. Технический потенциал использования солнечной энергии оценивается в 500 ГВт. Общая мощность систем прямого преобразования солнечной энергии в настоящее время достигала 4 ГВт, в том числе наземных фотоэлектрических преобразователей - 100 МВт.

      Данные  по гидроэнергетике включают мощности других возобновимых (альтернативных) источников энергии. 1 ГВт соответствует 1076,4 тыс. т у.т. в год

Рис. 5.6. Стриктура энергетического баланса техносферы в 1995 г. (ГВт) 

      Общая структура использования  энергоресурсов современной техносферы представлена на рис. 5.6. Относительный вклад различных энергоносителей в общее использование энергии характеризуется такими средними величинами: уголь - 27%, нефть - 34%, газ - 17%, гидроэнергия - 6%, ядерная энергия - 8,5%, прочие источники - 7,5%.

      Электроэнергетика занимает в настоящее время более 25% энергобаланса техносферы: 3520 ГВт идут на выработку электроэнергии и попутного тепла, причем более 55% теряется в процессе преобразования, а выработанные 1580 ГВт распределяются между электроэнергией и полезным теплом в' соотношении 2:1. Доля электроэнергии в конечном потреблении составляет 9,7%.

      Остальная суммарная мощность сжигания топлив в различных процессах превышает 9,2 ТВт. Почти половина этой мощности обеспечивается нефтью и нефтепродуктами, на втором месте уголь (24%), затем следует газ (18%) и некоммерческое растительное топливо (10%). В конечном потреблении эксплуатационной мощности первое место занимает производство (46%), второе - коммунальное хозяйство вместе со сферами обслуживания, управления и коммерции (37%) и третье - транспорт (17%). Суммарный КПД энергетики техносферы равен 30%. Энергетическая мощность современной техносферы по величине приблизительно равна 6% продукционной мощности биосферы (по энергии первичной брутто-продукции) и обладает таким же КПД, но использует во много раз более концентрированные и «грязные» источники.

      Усредненная глобальная картина складывается из очень различных энергетик разных стран и регионов. Диапазон различий плотности энергетических потоков (относительно площади или населения разных территорий, стран) очень велик: почти от 0 до 2 МВт/км² (Бельгия) и от 0,5 до 18 МВт на человека (США). Обеспеченность энергией тесно коррелирует с уровнем жизни населения разных стран. Резко различается и качественная структура энергетик: от преобладания растительного сырья в топливном балансе до 65-процентной доли в балансе электроэнергии, получаемой в основном на ГЭС (Норвегия).

      В XX в. технический прогресс сопровождался стремительным ростом энергоемкости различных нужд человека и в настоящее время в развитых странах, несмотря на идеологию и практику энергосбережения, люди буквально купаются в энергии. За 100 лет удельные затраты энергии на кондиционирование среды и приготовление пищи увеличились в 8-10 раз, на перемещение (1 человеке- или тонно-километр) - в 15-20 раз.

      Известно, к каким глубоким изменениям в  мировой экономике привели энергетический кризис 70-х годов и повышение  цен на нефть. Резко изменилось отношение  темпов прироста потребления энергии  и валовых национальных продуктов (ВНП). С 1970 по 1985 г. энергоемкость ВНП США снизилась на 71%, Франции - на 70%, Великобритании - на 72%, Японии - на 78%. Это, однако, не означало снижения потребления энергии. Оно продолжало расти.

      В этой исторической ситуации наша экономика  оказалась менее эластичной: энергоемкость  национального дохода СССР за тот  же период снизилась только на 15%. В результате в середине 80-х годов на единицу национального дохода мы тратили топливных ресурсов в 4,5 раза больше, чем США, и в 6 раз больше, чем Япония. Правда, значительная часть этой разницы неизбежна и обусловлена климатическими условиями России - самой холодной из обитаемых стран. (Жесткость климата эффективной территории Финляндии, Норвегии, Исландии, Канады меньше, чем России).

      Энергетика  России по количественным параметрам достигла максимума в 1986 г. За последующие 10 лет большинство количественных показателей существенно снизились. В 1996 г. выработано 847 млрд кВт "ч электроэнергии и отпущено потребителям 1321 млрд Гкал тепловой энергии. В общем производстве первичных энергоресурсов доля газа составила 50%, нефти - 31%, угля - 13%, электроэнергии, выработанной на атомных и гидроэлектростанциях, - 6%. Хотя объем добычи ископаемого топлива снижается, оно продолжает играть решающую роль в производстве электрической и тепловой энергии.

      Минеральные ресурсы. Только кислород, кремний и еще семь химических элементов составляют 99% массы континентальной земной коры. Средняя концентрация остальных элементов очень мала, но некоторые из них образуют скопления в виде рудных месторождений.

      К распространенным металлам, необходимым в первую очередь для металлургии, относятся только алюминий, железо, магний, титан и марганец. Остальные металлы считаются геохимически редкими.

      Важнейшим для экономики минеральным ресурсом является железная руда. Всего в  мире ежегодно добывается около 1 млрд т железной руды. По добыче железной руды Россия занимает четвертое место после Китая, Бразилии и Австралии. Мировые разведанные запасы железной руды оцениваются примерно в 200 млрд т, которых хватит примерно на 200 лет. Рудное сырье добывается в основном двумя способами: открытым и подземным. Открытый способ экологически неприемлем: связан с образованием большого объема отходов пустой породы и нарушением огромных земельных площадей. Вообще функционирование металлургического комплекса сопряжено с образованием огромного объема отходов на всех стадиях - от сырья до готовой продукции.

      Предприятия металлургии выплавляют около 1 млрд т различных металлов в год, и этой массе соответствует почти 7-кратное количество необогащенных руд, для добычи которых приходится извлекать еще на порядок большую массу горных пород и грунтов. К этому добавляется большая энергоемкость добывающих и металлургических производств. 

Рис. 5.7. Выплавка стали в отдельных странах мира (млн т, 1995) 

      Во  всем мире ежегодно выплавляется около 800 млн т стали (рис. 5.7). Россия производит около 7,5 % от мирового объема. Однако устаревшие технологии производства стали поставляют в окружающую среду огромное количество отходов. До сих пор в России 40% стали выплавляется в мартенах, тогда как в США - 3%, а в Великобритании, Франции, Италии, Японии, ФРГ этот способ вообще не применяется.

      Распространенность  редких металлов в земной коре настолько  мала, что для рентабельной добычи необходимо многократное превышение их концентрации в месторождениях над средним содержанием. Для ряда редких металлов существует реальная опасность исчерпания наиболее рентабельных месторождений.

      Техносфера играет роль мощного концентратора редких металлов в пространстве биосферы. Многие из этих элементов и их соединений являются сильными ядами.

      Неметаллические полезные ископаемые и нерудное минеральное  сырье составляет еще большую  массу веществ и материалов, используемых в техносфере. Примерно 1/3 их составляет сырье для химической промышленности и производства минеральных удобрений, а 2/3 - строительные материалы.

      Потребление минеральных удобрений, самых главных из них - фосфорных, калийных и азотных, применяемых обычно в соотношении 1:1,5:3, - неуклонно растет. За 30 лет с 1960 по 1990 гг. их мировое производство увеличилось в 5 раз - с 45 до 230 млн т в год. Источником фосфатов являются месторождения апатитов, фосфоритов и других фосфатных минералов, большая часть которых представляет собой преобразованные морские отложения. Меньшее количество концентрируется в апатитах изверженных горных пород, как у нас на Кольском полуострове. Распространенность фосфора в литосфере довольно велика: около 0,08%. Сумма разведанных мировых запасов фосфора близка к 45 млрд т. Из обогащенного апатита производится главное фосфорное удобрение - суперфосфат. Калий является широко распространенным элементом (1,7% в земной коре) и концентрируется в месторождениях калийных солей морского происхождения, в основном в виде хлорида кальция или в смеси с хлоридами натрия и магния. Эксплуатационные запасы калия превышают 60 млрд т. Ресурс азота практически неисчерпаем, поскольку для производства аммиака, а затем и других соединений используется азот воздуха.

      Важным  сырьем для ряда процессов крупнотоннажной  химии, в частности для производства минеральных удобрений и пестицидов, является сера. Распространенность серы в земной коре равна 0,09%. Приблизительно 30% потребности в сере покрывается за счет месторождений самородной (элементарной) серы вулканического происхождения или скоплений, возникших в результате деятельности серобактерий. Эти запасы невелики по сравнению с темпом их исчерпания. Из других источников наиболее важны: природный газ с высоким содержанием H;S; сульфидные руды и колчеданы, из которых серу получают в качестве побочного продукта; огромны запасы сульфатов морского происхождения. Мировое производство серы из всех источников приближается к 70 млн т в год. Из других видов минерального сырья для неорганической химии важны большие запасы хлоридов и сульфатов натрия, магния и кальция, содержащиеся в скоплениях морских эвапоритов.

      Строительные  материалы - это самая большая по массе и объему группа веществ, извлекаемых для нужд техносферы. Часть из них используется в том виде, в каком добывается, подвергаясь лишь механической обработке. Это бутовый и дробленый строительный камень, песок, гравий. Вторую группу составляют материалы, подвергаемые химической и термической обработке, - глины для производства кирпича и керамики, известняки, доломиты, гипс и другие нерудные материалы для производства цемента, штукатурки, бетонов, стекла, а также слюда и асбест. Месторождения этих материалов широко распространены, запасы велики, ежегодная мировая добыча близка к 4 млрд т.

      Россия  обеспечивает себя практически всеми  видами минеральных ресурсов. По минеральным  ресурсам это самая богатая страна мира. Для большинства важнейших  ископаемых существует высокий относительный  уровень обеспеченности текущей  добычи и высокая потенциальная  ценность (табл. 5.7). Экологические аспекты использования минеральных ресурсов связаны с проблемами загрязнения окружающей среды и с его влиянием на экономику природопользования. 

      Таблица 5.7

      Потенциальная ценность запасов  полезных ископаемых России