Хорошо, — скажет нам на это читатель, — роль тепловых электрических станций в народном хозяйстве нашей страны никаких сомнений не вызывает. Но ведь работа этих электрических станций основана на сжигании топлива, а запасы этого последнего ограничены. Может быть запасы топлива сравнительно скоро будут исчерпаны и тогда не будет возможности использовать тепловые электрические станции? Если же это действительно так, то есть ли смысл строить теперь новые?
Конечно, — ответим мы читателю, — запасы угля и других видов топлива (торфа, нефти, природного газа), имеющиеся на нашей планете, не безграничны. Можно считать даже, что эти естественные запасы практически не восполняются, так как для образования угля, нефти и природного газа требуется весьма длительное время. Так, например, для образования каменного угля требуются миллионы лет. Что касается древесного топлива, то, как сказано выше, в настоящее время оно вовсе не используется для нужд энергетики.
Каковы же естественные запасы перечисленных топлив? На долго ли хватит этих запасов человечеству?
Особенно большое значение для энергетики имеет бурый и каменный уголь. Запасы угля на Земле весьма велики. Попытки хотя бы ориентировочного определения запасов угля производились неоднократно. Международный геологический конгресс, происходивший в 1913 г., определил запасы угля примерно в 4 500 кубических километров (точнее в 7 300 000 000 000 тонн). В эту цифру входили все предполагаемые запасы угля на глубине, не превышающей 1800 метров. Потребление угля в 1913 г. составляло около 0,75 кубического километра в год (точнее, 1 200 000 000 тонн в год). Таким образом, при неизменном потреблении угля запасов его должно было бы хватить примерно на 6 000 лет.
Оказывается невозможным использовать весь уголь, залегающий на глубине до 1 800 метров. Во-первых, некоторые пласты угля являются настолько тонкими, что разработка их экономически не оправдывается. Во-вторых, часть угля при разработке пластов всегда теряется. И, наконец, в-третьих, добыча угля на большой глубине—свыше полутора километров — связана с весьма большими трудностями, ставящими под сомнение целесообразность ее.
Правда, нужно учесть и то обстоятельство, что далеко не все залежи угля разведаны даже и в настоящее время. Тем более это справедливо по отношению к 1913 г. На территории Советского Союза, например, серьезное исследование и изучение природных ресурсов, в том числе и топливных, началось только после Великой Октябрьской социалистической революции. За годы советской власти были открыты Карагандинский, Печорский, Бурейский, Канский и Тунгусский угольные бассейны. Разведанные запасы угля на территории СССР оказались поэтому в 1939 г. в 7 раз превышающими разведанные запасы угля в 1913 г. До сего времени в Африке, Америке и Азии имеются огромные неразведанные пространства.
Учитывая все сказанное, академик П. П. Лазарев определил, что имеющихся на Земле запасов каменного угля человечеству хватит еще на 1500—2000 лет.
Россия по своим энергетическим ресурсам является богатейшей в мире страной. По запасам нефти, природного газа и торфа, по лесным и гидроэнергетическим ресурсам Россия занимает первое место среди всех стран мира, а по запасам угля — второе.
Какой же итог можно подвести на основе всего сказанного? Угрожает ли человечеству в будущем топливный голод? Есть ли расчет и в дальнейшем сооружать тепловые электрические станции?
На все эти вопросы можно ответить с полной уверенностью. Имеющихся на Земле запасов топлива, прежде всего угля, хватит еще на очень большой срок, порядка 2000 лет, с учетом возможного возрастания его потребления. Поэтому работа тепловых электрических станций, дальнейший рост мощности этих станций могут считаться обеспеченными на весьма долгий период времени. Более того, следует полагать также, что и по истечении весьма длительного периода времени, скажем, 2000 лет, человечеству не придется столкнуться с проблемой топливного голода. В настоящее время наука развивается столь быстрыми темпами, что через такой значительный промежуток времени, бесспорно, станет возможным использовать, и при этом в крупных масштабах и с большим экономическим эффектом, другие источники энергии.
К источникам энергии, которые, в принципе, могут быть использованы взамен химической энергии топлива, относятся: гидравлическая энергия рек и водопадов, именуемая часто белым углем; энергия ветра, или, как ее иногда называют, голубой уголь; энергия морских приливов и отливов; солнечная энергия, поступающая на землю в виде солнечных лучей; атомная или ядерная энергия, о которой мы говорили выше.
Что касается гидравлической энергии рек и водопадов, то об ее использовании более подробно говорится в следующем разделе. Здесь же мы скажем только, что гидравлическая энергия с успехом используется в настоящее время для получения электрической энергии на гидростанциях. Однако можно с уверенностью сказать, что колоссальная, непрерывно растущая потребность в электрической энергии не может быть удовлетворена с нужным экономическим эффектом только лишь за счет гидроэлектростанций.
Энергия ветра, или энергия движущихся масс воздуха, начала использоваться людьми с древних времен. Использование ветра для передвижения морских и речных судов дало возможность совершить много замечательных открытий, перевезти громадное количество грузов. Ветряные мельницы, крылья которых приводятся в движение за счет энергии движущегося воздуха, также получили распространение весьма давно.
Некоторые воздушные течения отличаются относительным постоянством, что облегчает их использование. К числу их относятся прежде всего воздушные течения, носящие наименование пассатов. Ветры, именуемые пассатами, дуют из обоих умеренных поясов к югу и к северу, т. е. из северного умеренного пояса в направлении экватора и северного полюса, а из южного умеренного пояса — в направлении экватора и южного полюса. Возникновение пассатов объясняется главным образом тем, что в районе экватора большие массы воздуха поднимаются вверх, а на место их поступают новые количества воздуха, движение которых и создает более или менее постоянно дующие ветры. Подъем больших масс воздуха в районе экватора объясняется двумя причинами. Главная из них — это вращение Земли «вокруг своей собственной оси.Пассаты дуют в направлении меридианов, т. е. с севера на юг или с юга на север.
Периодически действующие воздушные течения образуются за счет различного нагревания суши и воды в морях и океанах. В дневные часы поверхность суши имеет температуру, значительно более высокую, чем температура верхних слоев моря. Поэтому воздух, находящийся над поверхностью суши, также нагревается больше и поднимается. На его место поступает воздух с моря, образуется воздушное течение — дневной бриз — ветер, дующий от моря к суше. Наоборот, ночью поверхность суши принимает температуру, более низкую, чем поверхность моря. Находящийся над морем более теплый воздух поднимается. На его место поступает воздух с суши. Так образуется ночной бриз — ветер, дующий от суши к морю. То, что верхние слои воды морей и океанов охлаждаются и нагреваются медленнее, чем поверхность суши, объясняется очень просто. Во-первых, вода имеет большую теплоемкость, чем скалы или земля, и, во-вторых, поверхность воды менее способна к поглощению или излучению тепла, чем поверхность суши. Море всегда сохраняет более постоянную температуру, чем суша. Отсюда, как известно, и различие между морским и континентальным климатом.
Итак, бриз возникает в результате неодинаковой температуры суши и моря в дневное и ночное время. Еще одна разновидность периодически действующих воздушных течений — муссоны — образуется вследствие различия температуры между поверхностью суши и морем в зависимости от времени года. Нетрудно догадаться, что летом поверхность суши может разогреться более, чем верхние слои моря. Зимой, наоборот, поверхность суши может в большей мере охладиться. Это является причиной для возникновения муссонов: летнего муссона, дующего от моря к суше, и зимнего муссона, дующего от суши к морю. Бризы изменяют свое направление в зависимости от времени суток, муссоны — в зависимости от времени года.
Энергия движущихся слоев воздуха — энергия ветра — очень велика. Академик П. П. Лазарев писал, что если бы энергия всех ветров, дующих на земле, была использована, то она более чем в 3000 раз превысила бы энергию, получаемую за счет сжигания топлива. Нет сомнения, что в будущем энергия ветра будет использоваться значительно шире. Большие работы по использованию энергии ветра ведутся в России.
К сожалению, использование энергии ветра наталкивается на очень значительные трудности. Это прежде всего непостоянство силы воздушных течений, изменяющихся в очень широких границах. Кроме того, для получения больших мощностей ветросиловые установки по необходимости должны быть очень большими и громоздкими. Можно предполагать поэтому, что в дальнейшем получат распространение главным образом такие электростанции, использующие силу ветра, мощность которых будет сравнительно небольшой.
Морские приливы и отливы, возникновение которых объясняется притяжением Солнца и главным образом Луны, представляют собой периодические колебания уровня моря. За время несколько более суток (за так называемые лунные сутки — 24 часа 50 минут) происходит дважды наибольший подъем уровня воды и наибольший его спад. Б различных частях света величина приливов различна. Обычно приливы и отливы делаются почти незаметными на широтах свыше 65° к северу и югу от экватора. Кроме того, колебания уровня воды зависят от характера прибрежной полосы. Наибольший подъем воды, достигающий 21 метра, наблюдается у берегов Северной Америки. В России приливы значительны (до 10 метров) на побережье Баренцева, Белого и Охотского морей.
Мысль об использовании энергии приливов возникла давно. Принципиальная схема установки, использующей энергию приливов, очень проста. Во время прилива при наибольшем уровне воды заполняются водохранилища, расположенные выше среднего уровня моря. Во время отлива вода из водохранилищ выпускается, а образовавшийся перепад уровней используется для привода в действие гидравлической машины, т. е. для получения электрической энергии. Если принять во внимание, что суточная энергия приливной волны во много раз превышает суточную энергию всех рек и водопадов, то, на первый взгляд, может показаться, что за счет энергии приливов можно полностью обеспечить нужную выработку электрической энергии.
К сожалению, на этом пути нас также ожидают серьезные разочарования. Прежде всего в большинстве мест приливы имеют очень незначительную высоту, измеряемую не метрами, а сантиметрами. Конечно, не может быть и речи о том, чтобы при такой незначительной разности уровней сооружать мощные установки для получения электрической энергии. Кроме того, значительные неудобства создает непрерывное изменение разности уровней и даже необходимость временами (в часы приливов) вовсе останавливать установку.
Суммируя все сказанное, можно предполагать, что использование энергии приливной волны имеет известную перспективу в местах, где происходит значительный подъем воды (порядка 10 метров и более). Можно думать, что в будущем такие установки будут сооружены. Нет основания, однако, предполагать, что энергия приливов сможет заменить энергию топлива.
Солнце представляет собой практически неиссякаемый источник энергии. Тепло, получаемое Землей от Солнца, — ничтожная доля всего того количества тепла, которое Солнце излучает. Но даже эта незначительная доля солнечного тепла громадна. За год Земля получает от Солнца больше энергии, чем ее аккумулировано во всех ископаемых углях нашей планеты. Естественно поэтому, что мысль ученых и инженеров давно уже направлена на то, чтобы использовать хотя бы часть того громадного количества энергии, которое солнечные лучи приносят на Землю.
Но получить электрическую энергию за счет теплоты солнечных лучей оказывается непросто. Любой тепловой двигатель, т. е. машина, превращающая тепловую энергию в энергию механическую, работает достаточно экономично только тогда, когда температура пара или газа в нем значительно выше температуры окружающей среды. Об этом подробнее будет сказано в дальнейшем. Но можно сказать заранее, что современные совершенные тепловые двигатели работают на паре или газе, имеющем температуру порядка 500° С и даже значительно выше. Это значит, что для продуктивного использования солнечного тепла необходимо применить специальные устройства, например систему зеркал, с тем чтобы достигнуть достаточно высоких температур. Но такие устройства получаются весьма громоздкими и дорогими. Значительное неудобство заключается также в том, что работа такой установки зависит не только от времени суток и от времени года, но также и от погоды.
Долголетняя работа советских ученых, направленная на использование солнечной энергии, в частности группы ученых Энергетического института Академии наук, принесла немалые плоды. В настоящее время на юге СССР построены и работают установки, в которых за счет солнечного тепла нагревается вода, используемая для бань, прачечных и других бытовых целей; построены солнечные установки, предназначенные для сушки фруктов.
Но для того чтобы использовать тепло солнечных лучей для получения электрической энергии, необходимо еще много работать. Возможно, что наиболее перспективным в этом отношении является использование метода фотохимических реакций, т. е. искусственного воспроизведения реакций такого характера, как совершающиеся в зеленых листьях растений. Читатель помнит, что зеленые листья растений с помощью особого вещества — хлорофилла — обладают способностью поглощения энергии солнечных лучей и превращения ее в химическую энергию органических тканей.
Особенно большие перспективы имеет использование ядерной (атомной) энергии.
Трудно, конечно, сказать, что будет представлять собой техника и, в частности, энергетика, скажем, через 2000 лет, но можно думать, что в качестве практически неиссякаемого источника энергии будет использоваться ядерная энергия. Есть все основания полагать, что для экономически выгодного использования ядерной энергии для целей энергетики потребуется не 2 000 лет, а во много раз меньшее время.
Можно предположить также, Что при использовании ядерной энергии для энергетических целей тепловые электрические станции, конечно, существенно измененные, будут представлять не меньшее значение.
Из сказанного никак нельзя сделать вывод, что экономия угля является лишним делом. Это далеко не так. Не говоря уже о том, что добыча угля требует большого труда, следует помнить, что уголь является не только важным энергетическим топливом, но и весьма ценным сырьем для ряда отраслей промышленности. В еще большей мере сказанное относится к нефти. В нашем социалистическом государстве использование топливных и других природных ресурсов поставлено на научную основу, ведется планово и экономно.