Большая часть энергии, необходимой для жизни людей и приведения в движение машин, обогревания и охлаждения зданий, обеспечения промышленности и торговли, производится при сжигании нефти, угля и газа; сжигание дров, получение энергии на гидроэлектростанциях и атомных электростанциях составляет в целом небольшую, но важную долю производства энергии. Вклад в общее производство энергии других источников, таких, как Солнце, тепло Земли, ветер, составляет меньше 1%.
Большинство экспертов полагают, что в ближайшие десятилетия запасы сырой нефти и газа значительно уменьшатся и эти виды сырья будут постоянно дорожать. Ожидается, что к началу будущего столетия уголь и атомная энергия станут основными источниками получения электроэнергии. Однако энергия Солнца и другие пока еще экзотические виды энергии, очевидно, не смогут к 2000 году удовлетворять более 10% потребности в энергии Соединенных Штатов даже при условии колоссального увеличения ассигнований на их производство.
Энергия и окружающая среда
В последние годы в Соединенных Штатах наблюдался достойный сожаления регресс в области строительства атомных электростанций. Причина этого заключается в страхе — осознанном или неосознанном-перед радиоактивностью. Многие люди очень беспокоятся из-за возможности аварий на атомной электростанции. В прессе появлялись сообщения о том, что могло бы произойти на атомной электростанции «Три Майл Айленд» в марте 1979 г., а кинофильм «Китайский синдром», в котором изображалась авария, сходная с той, которая произошла на этой электростанции, вызвал глубокую озабоченность. В то же время реальные трудности утилизации радиоактивных отходов, тревога, вызываемая случаями утраты ядерных материалов при транспортировке, предостережения различных кандидатов во время телевизионных дискуссий способствовали созданию ощущения уязвимости всех и каждого в случае возможной аварии на атомной электростанции.
Что же тогда можно сказать по поводу огромных запасов угля, залегающих в различных районах Соединенных Штатов? Основная причина столь малого использования угля в настоящее время заключается в основном в заботе об охране окружающей среды. При сжигании угля в воздух летят сажа и газообразные двуокись серы и двуокись углерода. Принятые в настоящее время правительственные стандарты качества воздуха требуют уменьшения действовавших ранее предельно допустимых выбросов в атмосферу двуокиси серы и частиц сажи. В результате этого предприятия, на которых производится сжигание угля, должны устанавливать на дымовых трубах осадители и газоочистители для улавливания вредных газов и частиц. Это приводит к увеличению производственных расходов на таких электростанциях, и как следствие этого, к повышению себестоимости вырабатываемой на них электроэнергии.
При оценке последствий эмиссии газов и аэрозолей необходимо принимать во внимание способность атмосферы к разбавлению загрязняющих веществ. Если устанавливается область высокого атмосферного давления-антициклон, дуют преимущественно слабые ветры, а температурная инверсия держится на низком уровне в течение нескольких дней, то выброшенные в атмосферу загрязняющие вещества могут накапливаться в небольшом по высоте слое воздуха вблизи земли и причинять серьезный вред здоровью. Кроме того, как упоминалось ранее, двуокись серы является одним из основных веществ, вызывающих закисление осадков.
Для того чтобы поддерживать качество воздуха на приемлемом уровне, федеральное правительство приняло постановления, ограничивающие эмиссию в атмосферу загрязняющих веществ, в частности двуокиси серы и аэрозоля. В 60-е и 70-е годы накладываемые ограничения заставили многие компании по производству электроэнергии перейти с угля на нефть и газ, которые содержат меньше серы и считаются поэтому более «чистыми». После проведения в 70-х годах резкого повышения цен на сырую нефть Организацией стран-экспортеров нефти (ОПЕК) и нескольких случаев нехватки бензина и нефтепродуктов в различных районах Соединенных Штатов, федеральное правительство субсидировало проведение нескольких программ по экономии энергии и использованию топлива не нефтяного происхождения.
В настоящее время компании по производству электроэнергии используют природный газ и уголь шире, чем раньше. Ожидается, что в будущем переход от генераторов, работающих на нефти, к генераторам, в которых сжигается природный газ и уголь, будет проводиться в еще больших масштабах. При использовании топлива с высоким содержанием серы необходимо тщательно следить за метеорологическими параметрами и более точно прогнозировать их. Необходимо уменьшать выбросы из дымовых труб, когда ожидается низкая температурная инверсия и высокая стабильность атмосферы, т. е. когда последствия загрязнения воздуха могут быть особенно опасными.
При сжигании ископаемых топлив — нефти, газа и угля — в атмосферу выделяется двуокись углерода. Концентрация этого неядовитого газа (время жизни которого в атмосфере составляет около четырех лет) непрерывно увеличивается в течение последнего столетия. В 1890 г. она составляла около 300 частей на миллион частей воздуха и, если сжигание ископаемого топлива останется основным способом получения энергии на земном шаре, она может удвоиться к середине следующего столетия.
Исследования показывают, что эта тенденция может привести к глобальному потеплению и, возможно, к катастрофическим социальным последствиям. Если это подтвердится, то общественное мнение должно быть направлено на то, чтобы разработать-как можно скорее и сколько бы это ни стоило-такие способы получения энергии, при которых выброс в атмосферу двуокиси углерода существенно сократился бы или прекратился совсем, или же на то, чтобы найти экономичные способы уменьшения содержания двуокиси углерода в воздухе. В настоящее же время общественное мнение считает, что деятельность компаний по производству энергии должна отвечать сиюминутным потребностям общества.
Климат и потребность в энергии
Значительная доля энергии, потребляемой в Соединенных Штатах, расходуется на обогревание жилых домов, предприятий и учреждений. Это значит, что максимальная потребность в энергии приходится на зиму. Поставщики топлива определили, что потребность в энергии можно оценить с помощью подсчета характерного для данного района среднегодового числа градусо-дней нагревания. Число градусо-дней нагревания в течение одного дня есть число градусов, на которое среднесуточная температура опускается ниже +18°С. В течение каждой конкретной зимы фактическое число градусо-дней нагревания может быть выше или ниже среднего климатического значения. Потребность в топливе возрастает, если увеличивается скорость ветра или солнце прячется за облаками, однако при оценке потребности в энергии для обогревания какого-либо здания или целого города температура остается самым важным фактором, значительно опережающим по значению все остальные.
В районах с теплым климатом электроэнергия расходуется в основном на охлаждение, а не на обогрев. При конструировании систем кондиционирования воздуха и расчете количества и стоимости топлива, необходимого для их работы, инженеры пользуются средним и прогнозируемым числом градусо-дней охлаждения. Число градусо-дней охлаждения в течение одного дня есть число градусов, на которое среднесуточная температура поднимается выше +18°С. Ветер и солнечный свет усиливают влияние высокой температуры на нагревание здания; чем сильнее ветер и чем больше солнечной радиации поступает на землю, тем больше энергии расходуется на охлаждение.
Однако при любом климате одно правило остается постоянным: чем лучше теплоизоляция какого-либо строения, тем меньше перенос тепла в него или из него и тем меньше затраты энергии на поддержание комфортной температуры внутри строения.
Погода и топливо
Эффективная и своевременная доставка топлива зависит от планирования, основанного на анализе погоды в данный момент, прогнозе погоды и информации о климате.
При обслуживании крупного рынка с низкими и изменчивыми зимними температурами (например, Чикаго) поставщик природного газа должен иметь возможность хранить большие его запасы. К наступлению отопительного сезона газгольдеры и подземные хранилища должны содержать достаточное количество газа, чтобы можно было быстро удовлетворить внезапно возникающие в нем потребности. Необходимое с наибольшей вероятностью количество газа будет зависеть от количества и типа потребителей и от климатических особенностей района. Хорошим подспорьем при определении средней потребности служат данные по использованию газа в предыдущие годы. При оценке того, сколько энергии будет необходимо в будущем, должны использоваться и данные прогноза погоды. Прогнозирование на несколько суток температуры, ветра и облачности проводится с достаточно высокой степенью точности и имеет большое значение при прогнозе потребления энергии.
Прогнозирование погоды на месяц вперед хотя и не особенно надежно, все-таки представляет интерес, если используется вместе со среднемноголетними значениями. Если компетентные метеорологи предсказывают наступление пониженной температуры, то поставщики должны приготовиться к увеличенному спросу путем увеличения запасов газа в хранилищах. Многие компании по производству энергии оплачивают услуги метеорологов-консультантов, которые хорошо понимают особенности этой области промышленности и составляют прогнозы погоды с учетом ее специфики.
Очень холодные и снежные зимы могут серьезно затруднить доставку угля с помощью поездов или на баржах по судоходным в обычных условиях рекам и озерам. В холодную погоду уголь может смерзаться в большие твердые глыбы, которые перед загрузкой в печи необходимо измельчать, что стоит немалых средств.
Благоразумие требует оценивать с помощью климатических параметров вероятность наступления очень холодной погоды и на основании этого регулировать создающиеся запасы угля. Во время зимы 1976/77 г. река Огайо и ее притоки замерзли. В результате поставки угля на промышленные предприятия оказались сорванными, что привело к закрытию многих из них. На основании же точного долгосрочного прогноза погоды можно было создать большие запасы угля, уменьшив тем самым неблагоприятные последствия наступления суровых холодов.
Гидроэлектроэнергия
Мощность гидроэлектростанций в Соединенных Штатах составляет около 54000 МВт. Хотя это составляет всего около 3% общего производства электроэнергии, вырабатываемой в основном при сжигании ископаемого топлива, тем не менее электричество, вырабатываемое гидрогенераторами, играет исключительно важную роль в экономике страны. Гидроэлектроэнергия является чистой в том смысле, что при ее производстве в окружающую среду не выбрасываются загрязняющие вещества. Кроме того, этот вид энергии является возобновимым, если выпадает количество дождя и снега достаточное, чтобы уровень воды в водохранилище обеспечивал загрузку гидрогенераторов. Во время засух выработка электроэнергии на гидроэлектростанциях часто не может обеспечивать потребности прилегающего района, как это произошло в Калифорнии в 1976 и 1977 гг. — самых засушливых годах за все время наблюдений в этом районе. В результате засухи сильно понизился уровень воды в водохранилищах и, следовательно, сократилось производство электроэнергии.
Руководители компаний по производству гидроэлектроэнергии с помощью долгосрочных прогнозов погоды стараются заранее оценить, будут ли запасы снега данной зимой больше или меньше нормы. Такие оценки имеют только вспомогательное значение и должны дополняться постоянными наблюдениями за осадками. Определение глубины снежного покрова в бассейне водохранилища позволяет сделать хорошую оценку количества воды, которое поступит в него весной.
На западе Соединенных Штатов различные компании по производству электроэнергии, такие, как Тихоокеанская компания по добыче газа и производству электроэнергии и Эдисоновская компания Южной Калифорнии, в течение многих лет оплачивают проведение программ по засеву облаков с целью увеличения количества выпадающего снега. Вопрос о том, достигается эта цель или нет, является предметом разногласий среди научной общественности, однако сами клиенты убеждены, что исполнители программ деньги получают не даром.
Передача электроэнергии
На передачу электроэнергии на расстояние часто влияют опасные метеорологические явления. Наиболее распространенным из них является молния, которая при ударах в находящиеся под напряжением провода или трансформаторы или путем наведения в линиях электропередачи резких скачков тока вызывает ежегодно бесчисленные аварии. Электричество подается с электростанций по высоковольтным линиям электропередачи в низковольтные распределительные системы, снабжающие крупные и мелкие города, сельские поселки. В Соединенных Штатах линии электропередачи монтируются на высоких опорах, а с целью защиты их от молний поверх проводов под напряжением натягиваются заземленные тросы. Для предотвращения перегорания трансформаторов и электропроводки в тех случаях, когда молния все-таки ударит в линию электропередачи, используются мощные прерыватели. Линии, которые подводят электричество непосредственно к жилым домам, предприятиям и учреждениям, оснащены прерывателями и грозовыми разрядниками. Последние должны приводиться в действие при быстром возрастании напряжения и скачках тока.
Несмотря на принимаемые защитные меры, аварии все-таки продолжают происходить. Мало что можно сделать в тех случаях, когда молния попадает в трансформатор, вызывает его пожар или расплавляет провода. В последние годы стало очевидно (благодаря исследованиям Е. Ф. Крайдера, Университет шт. Аризона, и его сотрудников), что существует еще более серьезная проблема, связанная с тем, что нарастание тока при ударе молнии происходит значительно быстрее, чем предполагалось при расчете наиболее распространенных защитных устройств. Этим может объясняться тот факт, что прерыватели и грозовые разрядники слишком часто не успевают срабатывать, в результате чего резкие скачки тока и напряжения приводят к авариям в электрораспределительных системах.
В сельских районах с устаревшим оборудованием грозы и молнии часто вызывают перерывы в электроснабжении. Сопровождающие грозы сильные ветры зачастую приносят больше вреда, особенно там, где высокие деревья растут около линий электропередачи — ветер ломает или валит деревья, которые падают на провода и рвут их. Можно уменьшить неудобства и ущерб, причиняемые перерывами в электроснабжении, с помощью установки вдоль линий электропередачи современного оборудования для оповещения о грозах и бьющих из облаков на землю молний. Передаваемая им информация позволит своевременно доставлять ремонтные бригады в районы, где может произойти авария.
Прогнозирование вероятности гроз приносит большую пользу. Поскольку такое прогнозирование дает количественную характеристику ожидаемой в течение определенного промежутка времени распространенности гроз, его можно использовать при определении необходимой численности резервных ремонтных бригад. Так, если вероятность гроз составляет всего 10%, то со всеми могущими возникнуть неожиданностями справится небольшая бригада. С другой стороны, если прогноз дает вероятность 60%, то необходимо заранее распределить большое число рабочих по всей территории, на которой может случиться пробой трансформаторов или обрыв проводов. Конечно, прогнозирование вероятности наступления гроз пока еще далеко от идеала. Однако теоретически использование его количественных оценок при планировании численности и порядка размещения ремонтных бригад может повысить эффективность эксплуатационных расходов.
Последствия дождя с образованием гололеда очень красочны, если их наблюдать на следующее утро в солнечную погоду. Линии электропередачи и телефонные провода, покрытые сверкающим льдом, напоминают гирлянды кристаллов, развешанные между мачтами. К сожалению, эта красота обычно сопровождается отсутствием электроэнергии со всеми вытекающими отсюда последствиями. В районах, где часты дожди с образованием гололеда, необходимо предусматривать использование конструкций, которые могли бы противостоять огромной тяжести наросшего на проводах льда. В некоторых случаях выгодна прокладка подземных кабелей, которые недоступны воздействию ни дождей с образованием гололеда, ни других опасных погодных явлений.
Метеорологи, работающие в компаниях по производству электроэнергии, обращают особое внимание на зимние циклоны, которые могут вызывать дожди с образованием гололеда. Иногда небольшое изменение траектории шквала может обозначать, что вместо безобидных дождя или снега выпадает опасный из-за своих последствий дождь с образованием гололеда. В первом случае ремонтным бригадам практически нечего делать; во втором случае необходимо держать наготове полный состав бригад для восстановления прерванного электроснабжения.
Солнечная и ветровая энергии
Несмотря на очень небольшой вклад солнечной энергии и энергии ветра в энергопотребление на земном шаре, в некоторых случаях их использование весьма выгодно с экономической точки зрения. Это в основном относится к районам, удаленным от залежей ископаемого топлива и электростанций.
Количество поступающей солнечной радиации в каждой точке земного шара зависит от географической широты, времени года и облачности. Возможность работы солнечной энергетической установки в данном месте зависит не только от суммарной инсоляции в течение года, но и от ее равномерности. Даже в пустынях южной части шт. Аризона бывает дождливый зимний период, когда образовавшиеся во время циклона шкваловые облака могут закрыть солнце на много дней подряд. Для того чтобы не остаться без энергии в облачные дни, обогреваемые солнечным теплом здания должны иметь дополнительный источник тепла, работающий на доступном топливе. Тип и размер этого источника зависят от оцениваемой потребности в энергии как в отдельные облачные дни, так и во время более длительных периодов, когда облачность выше средней.
Ветряные мельницы используются с давних времен для того, чтобы качать воду, а в последние десятилетия и для получения электричества. К сожалению, за исключением некоторых горных вершин, на земле очень мало мест, где скорость ветра была бы достаточно велика и постоянна, чтобы производство электроэнергии было экономически целесообразным. Более того, большие трудности создает сильное обледенение расположенных высоко в горах ветряных двигателей.
Самое большое неудобство при использовании ветряных двигателей заключается в том, что количество вырабатываемой электроэнергии плохо связано с потребностями в ней. До сих пор не существует приемлемого способа сохранения большого количества электроэнергии, которая могла бы быть выработана ночью, когда дуют более сильные ветры, а потребность в энергии мала. Наиболее целесообразно строить электростанции, использующие энергию ветра, в отдаленных районах с небольшой потребностью в электроэнергии. В этом случае в качестве хранилищ электричества, которые накапливают энергию и сглаживают максимумы и минимумы в ее производстве, можно использовать аккумуляторные батареи.