Математическое моделирование в экологии:
Историко-методологический анализ

2.2. Энергетическая проблема

Глобальных экологических (в широком смысле слова) проблем существует более чем достаточно: озоновый слой земной атмосферы и использование фреонов; использование ядохимикатов и химических удобрений в сельском хозяйстве; загрязнение окружающей среды отходами производства и т. д. Из этих проблем мы более или менее произвольно выбираем проблему энергетики вообще и электроэнергетики в частности.

Человечество использует много энергии, но вокруг нас пропадает и обесценивается намного большее ее количество: энергия солнечной радиации, ветра, морских приливов и т. д. Проблема состоит в том, что эту даром пропадающую энергию мы не можем взять: слишком мала ее концентрация. Для справки: лошадь при массе 500 кг (соответственно, объеме 0,5 м³) может при длительной работе отдать мощность порядка 0,5 кВт, т. е. концентрация энергии порядка 1 кВт в 1 м³. Если, с другой стороны, подсчитать энерговыделение в горящем костре, то получится величина порядка 1 кВт в 1 дм³, т. е. в 1000 раз выше. Прометей, научивший людей пользоваться огнем, позволил сделать один очень важный шаг, который, разумеется, возможен только потому, что живые лесные растения сначала сконцентрировали энергию солнечной радиации, а потом человек превратил их в дрова для костра.

Интересно отметить, что по порядку величины концентрация энергии в паровой машине, в двигателе внутреннего сгорания, в электромоторе и, наконец, в энергетическом ядерном реакторе РБМК — примерно такова же, как и в костре. Разные технические устройства, конечно, могут в несколько раз (но не в тысячу раз) отличаться друг от друга по концентрации энергии. Например, для двигателя внутреннего сгорания этот показатель несколько выше, чем для паровой машины. В результате на двигателе внутреннего сгорания можно летать, а на паровой машине — вряд ли. С помощью двигателя внутреннего сгорания самолет не может достичь сверхзвуковой скорости, а с помощью турбореактивного двигателя — может. В то же время все так называемые «возобновляемые» источники энергии типа солнечной радиации, ветра, морских течений и т. д. имеют такую концентрацию энергии, которая хуже, чем у лошади. Тот, кто бывал на Беломорской биологической станции МГУ, мог увидеть огромных размеров ветряк, который, как говорят, никогда не работал, хотя ветра на Белом море достаточно. Большие размеры и сложная конструкция тех устройств, которые призваны черпать энергию из якобы даровых источников, делают настолько сложным их техническое обслуживание, что требуется совершенно исключительный энтузиазм для их эксплуатации.

Среди общей массы энергии, используемой человечеством, электрическая энергия составляет, вероятно, довольно скромную долю, но ввиду ее особых удобств является чрезвычайно важной. Как известно, в Москве нет улицы М. О. Доливо-Добровольского. А между тем, этот русский инженер (работавший, впрочем, в Германии) заложил примерно 100 лет назад основы той энергетической системы, которой мы сейчас пользуемся (первая передача трехфазного тока на большие расстояния была им продемонстрирована в 1891 году). На территории обширного региона (например: Европейская часть Советского Союза) построены многочисленные электростанции: тепловые, атомные и гидростанции. Они связаны друг с другом линиями электропередачи, вход в которые и выход из которых осуществляется через трансформаторы. Одновременно в системе работает что-то порядка тысячи генераторов. Все их роторы вращаются абсолютно синхронно, как если бы они были связаны жесткой механической передачей вроде шестеренчатой. Точно сосуды кровеносной системы, которые постепенно дробятся на все более мелкие, электрические провода доходят до любого закоулка, где только могут быть люди. Чтобы подключиться к этому животворному потоку достаточно щелкнуть выключателем или воткнуть вилку в розетку.

Проблема состоит в том, что энергетическая система склонна работать по принципу «всё или ничего». Речь в данном случае не идет о мелких авариях, в результате которых отдельная квартира или даже отдельный многоквартирный жилой дом может на несколько часов остаться без электричества. Оказывается, что при аварии какого-нибудь отдельного элемента системы, вся система, которая исправна на 99.9%, может, тем не менее, развалиться в том смысле, что все ее генераторы за считанные минуты будут автоматически остановлены. (В Москве последний такой случай был в 1946 году.)

Полное выключение электропитания в современном большом городе — это картина эсхатологическая. (Никаких резервных источников электропитания практически не существует.)

Предвидел или нет Доливо-Добровольский возможность такой картины, сказать трудно. Дело заключается в том, что кроме генераторов, трансформаторов и линий электропередачи, энергетическая система непременно должна включать и устройства защиты. Принципиально устройство защиты делает следующее: оно отключает какой-то выключатель, если ток в определенном месте превосходит определенный предел. Например, плавкий предохранитель на 10 ампер довольно быстро расплавится, если ток составит 20 ампер. Более совершенная защита — релейная, которая срабатывает за сотые доли секунды, Быстрое срабатывание — очень полезное свойство.

Что произойдет, например, если пьяный охотник, так и не добыв ни одного зайца, с тоски влепит заряд крупной дроби в гирлянду изоляторов высоковольтной ЛЭП? Один из проводов упадет на землю, земляная защита обнаружит слишком большой ток и даст сигнал срабатывания высоковольтного выключателя. Молния, вспыхнувшая между проводом и землей, скоро погаснет; охотник, полюбовавшись ею, спокойно уйдет, а на место происшествия будет добираться ремонтная бригада. Но высоковольтный выключатель — машина не вполне надежная: при размыкании контактов образуется дуга, которую должно погасить специальное устройство. Если все же дуга не погаснет, то выключатель взорвется, возникший непорядок в системе обнаружит следующая ступень защиты и будет отключаться следующий выключатель. Если даже он и не взорвется, все-таки в системе возникнут нестандартные токи, на которые могут реагировать какие-то звенья релейной защиты. Тут быстрота срабатывания может стать роковой: если подождать не 0,01 сек, а 0,1 сек, то, возможно, всё успокоится. Но релейная защита ждать не обучена — лавина отключений нарастает. Придя домой, охотник обнаруживает, что лишен возможности посмотреть телевизор. Он наказан, но какой ценой?

Что же нужно сделать, чтобы уменьшить вероятность подобных катастрофических явлений в энергосистеме? Устойчивость работы системы резко падает, если возникает дефицит мощности. Установленная мощность, т. е. мощность всех генераторов системы (как работающих в данный момент, так и не работающих) составляет (для России) примерно 1 кВт на душу населения. Для сравнения: мощность электрического чайника — 1–1,5 кВт, мощность электроплиты — 8 кВт, мощность современной стиральной машины — 2–4 кВт. Таким образом, если все бытовые электроприемники (без учета промышленности и транспорта) будут одновременно задействованы хотя бы наполовину, то энергосистема неизбежно развалится. Впрочем, если бы в самом деле осуществить подобную попытку, то, вполне вероятно, дело бы кончилось лишь отдельным пожаром и/или локальным отключением энергосетей. Фактически одновременного включения слишком большого числа бытовых аппаратов, к счастью, не происходит. Но с учетом всех нагрузок каждую зиму в момент максимальной потребности в электроэнергии мы вплотную подходим к опасному пределу.

Об этом нетрудно узнать, включив в любую розетку прибор, называемый частотомером. При дефиците мощности в системе падает частота. Было бы неплохо установить частотомер в зале заседаний парламента. Если частота составляет 49,9 Гц (при номинале 50 Гц), то можно спокойно обсуждать животрепещущие вопросы: например, законодательно устанавливать границу между порнографией и эротикой. Но если частотомер показывает 49,5 Гц, то депутаты Думы должны что-нибудь сделать. А сделать они могут лишь одно: опуститься на колени и от всего сердца молить Бога, чтобы и на этот раз как-нибудь пронесло, иначе будет не до порнографии. Предпринимать какие-либо действия может лишь персонал энергосистемы. (На худой конец отключаются какие-то потребители: вплоть до небольших городов.)

Нам следует осознать, что мы все являемся заложниками Доливо-Добровольского (тем более уместно назвать улицу его именем). Конечно, человечество в целом оказалось заложником своих технических достижений, например, ядерного оружия. Но с ядерным оружием намечается какая-то перспектива его обуздания. Более того, обсуждаются перспективы его мирного использования. Например, известно, что в околосолнечном пространстве движется немало космических тел, которые могут представить опасность в случае столкновения с Землей. И вот, если для военных целей создать прекрасное ядерное оружие, прекрасные космические средства его доставки, да еще иметь и прекрасные радиолокаторы, то космические тела, представляющие потенциальную опасность для Земли, быть может, удастся обнаружить достаточно далеко и повлиять на их траектории путем ядерного взрыва. Правда, если мы при этом немного ошибемся, то поправим траекторию неудачно: вызовем столкновение в такой ситуации, когда оно само по себе, может быть, и не произошло бы, а небесное тело окажется еще и высоко радиоактивным. Но обсуждать данную проблему можно.

Другое дело электроэнергетика: мы обречены на то, чтобы постоянно заботиться о поддержании надежного электроснабжения, а, следовательно, о неуклонном росте мощности энергосистем. Источников энергии для производства электроэнергии принципиально три: энергия рек, энергия ископаемого топлива и ядерная энергия. Нам чрезвычайно досадно создавать большие водохранилища для гидроэлектростанций, но важная их роль определяется тем, что гидрогенератор можно запустить за несколько минут. Достаточно открыть затвор для подачи воды на турбину, и она завертится. Еще нужно возбудить магнитное поле в гидрогенераторе и синхронизировать его с системой, но это сравнительно недолго. Таким образом, гидростанции способны принимать на себя пиковые нагрузки, например, в вечерние часы.

Тепловые и атомные электростанции принципиально состоят из двух элементов: большого самовара, в котором вода превращается в пар, и турбины с генератором, которые вращаются посредством этого пара. Для включения в работу турбогенератора нужно сначала вскипятить самовар. Это довольно долго для тепловой станции и еще гораздо дольше для атомной. Атомные электростанции принимают на себя базовую нагрузку энергосистем.

Как известно, афиняне приносили царю Миносу в жертву семь юношей и семь девушек, которых сжирал Минотавр, пока Тесей не прекратил этого безобразия. Добыча топлива как для тепловых, так и для атомных электростанций сходна с принесением человеческой жертвы с той разницей, что прихода Тесея не ожидается. В худшем варианте тепловая станция работает на угле. Работа шахтера в угольной шахте не только трудна и протекает во вредных для здоровья условиях, но и связана с реальным риском гибели. Об условиях работы в урановых рудниках известно меньше, но понятно, что и это не здравница. Вполне возможно, что в настоящее время труд заключенных (т. е. в прямом смысле рабский труд) на этих работах не используется. Однако для определенных категорий населения исторически сложилась и поддерживается такая социальная ситуация, когда — будучи юридически свободными — они, тем не менее, работают там, где работают. Рабство в XX веке фактически существует, и это касается всех стран мира без исключения. Радикального изменения здесь не предвидится, и можно думать лишь о постепенном улучшении условий труда и сокращении числа людей, которые трудятся в особо плохих условиях, за счет научно-технического прогресса.

Употребление добытого топлива — горючих ископаемых и урана — связано с крупнейшими экологическими проблемами. После 26 апреля 1986 года эти проблемы рассматриваются с точки зрения чернобыльской катастрофы. Примем и мы эту точку зрения.