Александр Проценко - Энергетика сегодня и завтра
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 п различные неточности. Ведь значительная часть зерна используется как корм в самом сельском хозяйстве для получения мяса, молока, птицы, япц. 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?
