Энергоэкологические системы

Сегодня для нахождения оптимальных путей комплексного повышения энергоэффективности и экологической чистоты человеческой деятельности внутри различных систем необходим научный энергоэкологический подход. Он должен предусматривать: разработку и формулировку понятия “энергоэкологическая система”; классификацию принципиальных систем, схем и циклов по энергоэкологическому принципу; их анализ, выявление сущностных энергетических и экологических характеристик и определение всех теоретически возможных направлений повышения энергоэкологического КПД. Это позволит сформировать системный подход для совместного решения энергоэкологических вопросов различных объектов и систем деятельности человека. В дальнейшем (ниже) указанное научное направление будет называться энергоэкология.

Однако нельзя говорить только о прикладном характере предлагаемого направления. Очевидно, что энергоэкология лежит на стыке многих взаимосвязанных этим направлением естественных наук, и работы по ее формированию и развитию должны вестись с использованием всего научного багажа этих дисциплин. В этом отношении энергоэкология во многом сродни синергетике, которая занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем различной природы (от атомов – до животных, людей, транспортных средств и т.д.), и выявлением того, каким образом взаимодействие таких подсистем приводит к возникновению пространственно-временных структур в макроскопическом масштабе. Энергоэкология – это своего рода прикладная синергетика для конкретного многогранного направления. Также следует отметить социальную и философско-мировоззренческую сторону направления: для движения вперед необходимо изменение комплексного отношения к энергетике (в широком смысле) и к экологии, постепенное формирование новой энергоэкологической парадигмы.

Однако сначала необходимо определить, что будет пониматься под энергоэкологической системой, а также сформулировать идеальные (предельные) цели в совершенствовании таких систем, что и сделано ниже.

Базовыми элементами типовых систем жизнедеятельности человека (сельскохозяйственные организации, промышленные поселки и города и т.д.) являются: сам человек (общество внутри системы), внутренняя экосистема (биогеоценоз), а также разнообразная техника, прежде всего технические устройства – преобразователи энергии, которые вырабатывают полезную энергию (электроэнергию, тепло), выполняют полезную работу, преобразуют материальные ресурсы, участвуя в производстве продукции (различные устройства на базе тепловых двигателей, станки, механизмы и пр.). Эти элементы и должны образовывать энергоэкологическую систему. Задача энергоэкологии сформировать принципы и методы гармоничного взаимодействия этих элементов, позволяющие: сохранить экосистему и сделать ее более устойчивой к внешним воздействиям; дать возможность экономически успешно развиваться обществу путем роста эффективной выработки, преобразования и потребления энергии с помощью техники. Сегодня уже можно говорить о первых шагах и начале реального движения в этом направлении, осуществляемом путем внедрения энергоресурсосберегающей техники и технологий.

В общем случае для функционирования любой системы (в том числе эко- или энергосистемы) необходимым условием является подвод на входе в систему энергии (энергоресурсов) и если необходимо для данной системы – материальных ресурсов (вещества); на выходе желательно получение как можно большего количества полезных результатов деятельности системы и как можно меньше вредных выбросов. Таким образом осуществляется энерго- и массообмен с окружающей средой.

Очевидно, что КПД энергоэкологической системы определяется отношением величины результатов полезной деятельности к величине входящих ресурсов. Отсюда видно, что сокращение энергетических потерь и вещественных отходов решает комплексную энергоэкологическую задачу. Здесь следует отметить, что экологическая чистота определяется не только минимальными выбросами, но и грамотным применением входящих в систему ресурсов без нарушения экологического равновесия (недопустимы, в частности: бездумная вырубка лесов как источника энергии и материала; создание огромных ГЭС с затоплением экосистемы и пр.).

Данную схему можно расширить, включив в нее информационную и управляющую составляющие. Однако указанные дополнения, обязательно существующие и необходимые для функционирования и развития системы, серьезно не влияют (в рассматриваемом контексте) на принципиальное решение вопросов повышения энергоэкологической эффективности работы системы. Будем просто считать, что обмен информационными потоками с окружающим миром, управление и организация системы должны максимально содействовать экоэнергоэффективности.

В любой своей деятельности, создавая что-либо, человек обычно брал за эталон природное совершенство. Он уже многое взял от природной организации и продолжает черпать идеи до сих пор. Существует целое направление в кибернетике (бионика), изучающее особенности строения и жизнедеятельности организмов для создания новых приборов, механизмов, систем; развиваются биохимия, биофизика, особенно такие разделы, как биомеханика, биоэнергетика (в рамках которой исследуются вопросы переноса и превращений энергии в живых организмах) и пр. Вполне естественно желание приблизить энергоэкологический круговорот веществ и энергии осуществляемый в процессе человеческой деятельности к природному эталону.

Каким же образом происходит «выработка», преобразование энергии и веществ (массы) в природе? Остановимся на этом подробнее (см. схему ниже).

В верхней части схемы представлено преобразование энергии и энергоресурсов, в нижней части – преобразование (круговорот) веществ, между ними – природные инструменты указанных преобразований.

Основными преобразователями энергии являются зеленые растения (продуценты). В процессе фотосинтеза они аккумулируют солнечную энергию (огромный и единственный для природы источник энергии – в год на 1 см^2 Земли посылается 1 млн. ккал), переводя ее в энергию химических связей различных органических соединений, а затем передают ее другим организмам. Около 1800*10^15 кДж (450*10^15 ккал) энергии накапливают растения в течение одного года, и заключают ее в 100 млрд. т. органического вещества.

Внутри природного цикла обмена массой и энергией с окружающей средой мы видим сразу энергодобывающую (продуценты), энергопотребляющие и энергопреобразующие (консументы и редуценты) системы. Аналогичные виды систем жизнедеятельности сформированы и человеком в процессе техногенеза.

Редуценты являются одновременно и утилизаторами отходов, в результате деятельности которых происходит перевод «ненужных» остатков жизнедеятельности организмов во вновь доступную форму ресурса (полное использование энергетических ресурсов биомассы). Человек же серьезно стал задумываться об утилизации отходов лишь в последнее время.

В процессе передачи энергии от одной ступени к другой естественно не исключены потери. Однако они весьма незначительны (согласно правилу экологической пирамиды около 10%) по сравнению с рассеиванием энергии в индустриальном мире. В результате аккумуляции и преобразования солнечной энергии происходит образование «побочного» продукта – кислорода, без которого жизнь на Земле невозможна, так как он участвует в дыхании и обмене веществ живых организмов (за исключением анаэробных, которые дышат, расщепляя сложные соединения, содержащие кислород), а, следовательно, в круговороте биологического вещества. «Побочные» продукты человеческой деятельности (отходы и выбросы), к сожалению, не только не участвуют в последующем кругообороте, но зачастую становятся причиной нарушения экологического равновесия в системе.

Природа – вот идеал энергоэкологического круговорота, к которому необходимо стремиться и в человеческой жизнедеятельности. А именно:
- КПД преобразований энергии (при выработке полезной энергии или потреблении энергии для выпуска продукции, производства работы и т.д.) должен быть около 90% (сегодня в большинстве случаев 50% являются мечтой).
- потери энергии в экоэнергосистеме при ее преобразовании должны приводить к образованию либо полезных «побочных» продуктов (как кислород в природе), либо отходов, которые должны полноценно участвовать в природном экоэнергетическом цикле.
Человек и техника в идеале должны полностью вписаться в природную экоэнергетическую систему, увеличив объем кругооборота энергии и вещества, а значит и мощность, и устойчивость системы.

Дукаева Э.С., Информационно-аналитический сайт "Энергоэкология и экоэнергетика"