Энергетический кризис – явление, возникающее, когда спрос на энергоносители значительно выше их предложения. Его причины могут находиться в области логистики, политики или физического дефицита.
Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продолжительности и улучшения условий его жизни.
История цивилизации – история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и в конечном итоге увеличения энергопотребления.
Первый скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и мускульная сила человека. Следующий важный этап связан с изобретением колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного производства.
воздействие на окружающую среду в связи со строительством
К XV веку средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, – оно возросло в 30 раз и достигло в 1998 г. 13.7 Гигатонн условного топлива в год. Человек индустриального общества потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек.
В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей.
В то же время энергетика – один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ).
Несмотря на отмеченные факторы отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду, рост потребления энергии не вызывал особой тревоги у широкой общественности. Так продолжалось до середины 70-х годов, когда в руках специалистов оказались многочисленные данные, свидетельствующие о сильном антропогенном давлении на климатическую систему, что таит угрозу глобальной катастрофы при неконтролируемом росте энергопотребления. С тех пор ни одна другая научная проблема не привлекает такого пристального внимания, как проблема настоящих, а в особенности предстоящих изменений климата.
Считается, что одной из главных причин этого изменения является энергетика. Под энергетикой при этом понимается любая область человеческой деятельности, связанная с производством и потреблением энергии. Значительная часть энергетики обеспечивается потреблением энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого топлива (нефти, угля и газа), что, в свою очередь, приводит к выбросу в атмосферу огромного количества загрязняющих веществ.
Экологические проблемы транспорта. Гениальное решение Skyway
Такой упрощенный подход уже наносит реальный вред мировой экономике и может нанести смертельный удар по экономике тех стран, которые еще не достигли необходимого для завершения индустриальной стадии развития уровня потребления энергии, в том числе России. В действительности все обстоит гораздо сложнее. Помимо парникового эффекта, ответственность за который, частично лежит на энергетике, на климат планеты оказывает влияние ряд естественных причин, к числу важнейших из которых относятся солнечная активность, вулканическая деятельность, параметры орбиты Земли, автоколебания в системе атмосфера-океан. Корректный анализ проблемы возможен лишь с учетом всех факторов, при этом, разумеется, необходимо внести ясность в вопрос, как будет вести себя мировое энергопотребление в ближайшем будущем, действительно ли человечеству следует установить жесткие самоограничения в потреблении энергии с тем, чтобы избежать катастрофы глобального потепления.
Современные тенденции развития энергетики
| Рис. 5.37. Мировое потребление коммерческой энергии Е и численность населения Р во второй половине XX столетия |
Общепринятая классификация подразделяет источники первичной энергии на коммерческие и некоммерческие .
Коммерческие источники энергии включают в себя твердые (каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, битуминозные пески), жидкие (нефть и газовый конденсат), газообразные (природный газ) виды топлива и первичное электричество (электроэнергия, произведенная на ядерных, гидро-, ветровых, геотермальных, солнечных, приливных и волновых станциях).
К некоммерческим относят все остальные источники энергии (дрова, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила рабочего скота и собственно человека).
Мировая энергетика в целом на протяжении всей индустриальной фазы развития общества основана преимущественно на коммерческих энергоресурсах (около 90% общего потребления энергии). Хотя следует отметить, что существует целая группа стран (экваториальная зона Африки, Юго-Восточная Азия), многочисленное население которых поддерживает свое существование почти исключительно за счет некоммерческих источников энергии.
Различного рода прогнозы потребления энергии, базирующиеся на данных за последние 50-60 лет предполагают, что примерно до 2025 г. ожидается сохранение современного умеренного темпа роста мирового потребления энергии – около 1.5% в год и проявившая себя в последние 20 лет стабилизация мирового душевого потребления на уровне 2.3-2.4 т усл.топл./(чел.-год). После 2030 г. по прогнозу начнется медленное снижение среднемирового уровня душевого потребления энергии к 2100 г. При этом общее потребление энергии обнаруживает явную тенденцию к стабилизации после 2050 г. и даже слабого уменьшения к концу века.
Одним из важнейших факторов, учитывавшихся при разработке прогноза, является обеспеченность ресурсами мировой энергетики, базирующейся на сжигании ископаемого органического топлива.
В рамках рассматриваемого прогноза, безусловно, относящегося к категории умеренных по абсолютным цифрам потребления энергии, исчерпание разведанных извлекаемых запасов нефти и газа наступит не ранее 2050 г., а с учетом дополнительных извлекаемых ресурсов – после 2100 г. Если принять во внимание, что разведанные извлекаемые запасы угля значительно превосходят запасы нефти и газа, вместе взятые, то можно утверждать, что развитие мировой энергетики по данному сценарию обеспечено в ресурсном отношении более чем на столетие.
Вместе с тем, результаты прогнозов дают значительный разброс, что хорошо видно из подборки некоторых опубликованных данных прогнозов на 2000 г.
Таблица 5.7. Некоторые недавние прогнозы энергопотребления на 2000 г.
(в скобках – год публикации) и его действительное значение.
| Институт атомной энергии (1987) | 21.2 |
| Международный институт прикладного системного анализа (IIASA) (1981) | 20.0 |
| Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) (1981) | 18.7 |
| Окриджская национальная лаборатория (ORNL) (1985) | 18.3 |
| Международная комиссия по изменению климата (IPCC) (1992) | 15.9 |
| Лаборатория глобальных проблем энергетики ИБРАЭ РАН–МЭИ (1990) | 14.5 |
| Действительное энергопотребление | 14.3 |
Уменьшение энергопотребления по отношению к прогнозируемому связаны, прежде всего, с переходом от экстенсивных путей ее развития, от энергетической эйфории к энергетической политике, основанной на повышении эффективности использования энергии и всемерной ее экономии.
Поводом для этих изменений стали энергетические кризисы 1973 и 1979 годов, стабилизация запасов ископаемых топлив и удорожание их добычи, желание уменьшить обусловленную экспортом энергоресурсов зависимость экономики от политической нестабильности в мире.
Табл.5.8. Стоимость электроэнергии от различных источников в США в 2000 г. (долл./кВт.ч).
| АЭС | 0.14–0.15 |
| ТЭС (уголь) | 0.07–0.09 |
| ГЭС (большие) | 0.04 |
| ГЭС (малые) | 0.10–0.12 |
| ТЭС (газовые) | 0.04–0.06 |
| ТЭС (биомасса) | 0.07–0.10 |
| ТЭС (геотермальные) | 0.04 |
| ВЭС (ветроустановки) | 0.06–0.10 |
| ГТЭС (гелиоустановки) | 0.10–0.20 |
Вместе с тем, говоря о потреблении энергии, следует отметить, что в постиндустриальном обществе должна быть решена еще одна основополагающая задача – стабилизация численности населения.
Современное общество, не решившее эту проблему или, по крайней мере, не предпринимающее усилий для ее решения, не может считаться ни развитым, ни цивилизованным, поскольку совершенно очевидно, что бесконтрольный рост населения ставит непосредственную угрозу существования человека как биологического вида.
Итак, потребление энергии на душу населения в мире обнаруживает явную тенденцию к стабилизации. Следует отметить, что этот процесс начался еще около 25 лет тому назад, т.е. задолго до нынешних спекуляций на глобальном изменении климата. Такое явление в мирное время наблюдается впервые с начала индустриальной эпохи и связано с массовым переходом стран мира в новую, постиндустриальную стадию развития, в которой потребление энергии на душу населения остается постоянным. Указанный факт имеет весьма важное значение, поскольку в результате и величина общего потребления энергии в мире растет гораздо более медленными темпами. Можно утверждать, что серьезное замедление темпов роста энергопотребления оказалось полной неожиданностью для многих прогнозистов.
Кризис топливных ресурсов
В начале 70-х годов страницы газет запестрели заголовками: «Энергетический кризис!», «Надолго ли хватит органического топлива?», «Конец нефтяного века!», «Энергетический хаос». Этой теме до сих пор большое внимание уделяют все средства массовой информации – печать, радио, телевидение. Основания для такой тревоги есть, ибо человечество вступило в сложный и достаточно долгий период мощного развития своей энергетической базы. Поэтому следуете просто расходовать известные сегодня запасы топлива, но расширяя масштабы современной энергетики, отыскивать новые источники энергии и развивать новые способы её преобразования.
Прогнозов о развитии энергетики сейчас очень много. Тем не менее, несмотря на улучшившуюся методику прогнозирования, специалисты, занимающиеся прогнозами, не застрахованы от просчетов, и не имеют достаточных оснований говорить о большой точности своих прогнозов для такого временного интервала, каким являются 40-50 лет.
Человек всегда будет стремиться обладать как можно большим количеством энергии, обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получать энергию во всевозрастающих объемах. Но, как показывает историческое развитие, обязательно будут появляться новые открытия и изобретения, которые помогут человечеству сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям ещё более быстрыми шагами.
Тем не менее, пока проблема истощения энергетических ресурсов остается. Ресурсы, которыми обладает Земля, делятся на возобновляемые и невозобновляемые . К первым относятся солнечная энергия, тепло Земли, приливы океанов, леса. Они не прекратят существования, пока будут Солнце и Земля.
Невозобновляемые ресурсы не восполняются природой или восполняются очень медленно, гораздо медленнее, чем их расходуют люди. Скорость образования новых горючих ископаемых в недрах Земли определить довольно трудно. В связи с этим оценки специалистов различаются более чем в 50 раз.
Если даже принять самое большое это число, то все равно скорость накопления топлива в недрах Земли в тысячу раз меньше скорости его потребления. Поэтому такие ресурсы и называют невозобновляемыми. Оценка запасов и потребления основных из них приведена в табл.5.44. В таблице приведены потенциальные ресурсы.
Поэтому при существующих сегодня методах добычи из них можно извлечь только около половины. Другая половина остается в недрах. Именно поэтому, часто утверждают, что запасов хватит на 120-160 лет. Большую тревогу вызывает намечающееся истощение нефти и газа, которого (по имеющимся оценкам) может хватить всего на 40-60 лет.
С углем свои проблемы. Во-первых, его транспортировка – дело весьма трудоемкое. Так в России, основные запасы угля сосредоточены на востоке, а основное потребление – в европейской части. Во-вторых, широкое использование угля связано с серьезным загрязнением атмосферы, засорением поверхности земли и ухудшением почвы.
В разных странах все перечисленные проблемы выглядят различно, но решение их почти везде было одно – внедрение атомной энергетики. Запасы уранового сырья тоже ограничены. Однако если говорить о современных тепловых реакторах усовершенствованного типа, то для них, вследствие достаточно большой их эффективности, можно считать запасы урана практически безграничными.
Так почему же люди заговорили об энергетическом кризисе, если запасов только органического топлива хватит на сотни лет, а в резерве ещё ядерное?
Весь вопрос в том, сколько оно стоит. И именно с этой стороны нужно рассматривать сейчас энергетическую проблему. в недрах земли ещё много, но их добыча Нефти, газа стоит все дороже и дороже, так как эту энергию приходится добывать из более бедных и глубоко залегающих пластов, из небогатых месторождений, открытых в необжитых, труднодоступных районах. Гораздо больше приходится и придется вкладывать средств для того, чтобы свести к минимуму экологические последствия использования органического топлива.
Атомная энергия внедряется сейчас не потому, что она обеспечена топливом на столетия и тысячелетия, а, скорее из-за экономии и сохранения на будущее нефти и газа, а также из-за возможности уменьшения экологической нагрузки на биосферу.
Существует распространенное мнение, что стоимость электроэнергии АЭС значительно ниже стоимости энергии, вырабатываемой на угольных, а в перспективе – и газовых электростанциях. Но если подробно рассмотреть весь цикл атомной энергетики (от добычи сырья до утилизации РАО, включая расходы на строительство самой АЭС), то эксплуатация АЭС и обеспечение ее безопасной работы оказываются дороже, чем строительство и работа станции такой же мощности на традиционных источниках энергии (табл.5.8 на примере экономики США).
Поэтому в последнее время все больший акцент делается на энергосберегающих технологиях и возобновляемых источниках – таких как солнце, ветер, водная стихия. Например, в Европейском союзе поставлена цель к 2010-2012 гг. получать 22% электроэнергии с помощью новых источников. В Германии, например, уже в 2001 г. энергия, производимая от возобновимых источников, была равносильна работе 8 атомных реакторов, или 3.5% всей электроэнергии.
Многие считают, что будущее принадлежит дарам Солнца. Однако, оказывается и здесь все не так просто. Пока стоимость получения электроэнергии с применением современных солнечных фотоэлектрических элементов в 100 раз выше, чем на обычных электростанциях. Однако специалисты, занимающиеся фотоэлементами, полны оптимизма, и считают, что им удастся существенно снизить их стоимость.
Точки зрения специалистов на перспективы использования возобновляемых источников энергии очень различаются. Комитет по науке и технике в Англии, проанализировав перспективы освоения таких источников энергии, пришел к выводу, что их использование на базе современных технологий пока минимум в два-четыре раза дороже строительства АЭС.
Другие специалисты в различных прогнозах этим источникам энергии уже в недалеком будущем. По-видимому, источники возобновляемой энергии будут применяться в отдельных районах мира, благоприятных для их эффективного и экономичного использования, но в крайне ограниченных масштабах. Основную долю энергетических потребностей человечества должны обеспечить уголь и атомная энергетика. Правда, пока нет настолько дешевого источника, который позволил бы развивать энергетику такими быстрыми темпами, как бы этого хотелось.
Сейчас и на предстоящие десятилетия наиболее экологичным источником энергии представляются ядерные, а затем, возможно, и термоядерные редакторы. С их помощью человек и будет двигаться по ступеням технического прогресса. Будет двигаться до тех пор, пока не откроет и не освоит какой-либо другой, более удобный источник энергии.
На рис.5.38 приведен график роста мощности АЭС в мире и производства электроэнергии за 1971-2006 гг., и прогнозы развития на 2020-30 гг. Помимо упомянутых выше, несколько развивающихся стран, таких, как Индонезия, Египет, Иордания и Вьетнам, заявили о возможности создания АЭС и сделали первые шаги в этом направлении.
Рис.5.38. (наверху) Рост мощности АЭС и производства электроэнергии за 1971-2006 гг. по данным МАГАТЭ и прогнозы мощности АЭС в Мире на 2020-2030 гг. (внизу)
Экологический кризис энергетики
Основные формы влияния энергетики на окружающую среду состоят в следующем.
- Основной объем энергии человечество пока получает за счет использования невозобновимых ресурсов.
- Загрязнение атмосферы: тепловой эффект, выделение в атмосферу газов и пыли.
- 3. Загрязнение гидросферы: тепловое загрязнение водоемов, выбросы загрязняющих веществ.
- Загрязнение литосферы при транспортировке энергоносителей и захоронении отходов, при производстве энергии.
- Загрязнение радиоактивными и токсичными отходами окружающей среды.
- Изменение гидрологического режима рек гидроэлектростанциями и как следствие загрязнение на территории водотока.
- Создание электромагнитных полей вокруг линий электропередач.
Согласовать постоянный рост энергопотребления с ростом отрицательных последствий энергетики, учитывая, что в ближайшее время человечество ощутит ограниченность ископаемого топлива, можно, по-видимому, двумя способами
- Экономия энергии. Степень влияния прогресса на экономию энергии можно продемонстрировать на примере паровых машин. Как известно, КПД паровых машин 100 лет назад составлял 3-5%, а сейчас достигает 40%. Развитие мировой экономики после энергетического кризиса 70 годов также показало, что на этом пути у человечества есть значительные резервы. Применение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий обеспечило значительное сокращение потребления топлива и материалов в развитых странах.
- Развитие экологически более чистых видов производства энергии. Решить проблему, вероятно, способно развитие альтернативных видов энергетики, особенно базирующихся на использовании возобновляемых источников. Однако пути реализации данного направления пока не очевидны. Пока возобновимые источники дают не более 20 % общемирового потребления энергии. Основной вклад в эти 20% дают использование биомассы и гидроэнергетика.
Экологические проблемы традиционной энергетики
Основная часть электроэнергии производится в настоящее время на тепловых электростанциях (ТЭС). Далее обычно идут гидроэлектростанции (ГЭС) и атомные электростанции (АЭС).
1) Тепловые электростанции
В большинстве стран мира доля электроэнергии, вырабатываемой на ТЭС больше 50%. В качестве топлива на ТЭС обычно используются уголь, мазут, газ, сланцы. Ископаемое топливо относится к невозобновимым ресурсам. Согласно многим оценкам угля на планете хватит на 100-300 лет, нефти на 40-80 лет, природного газа на 50-120 лет.
Коэффициент полезного действия ТЭС составляет в среднем 36-39%. Наряду с топливом ТЭС потребляет значительное количество воды. Типичная ТЭС мощностью 2 млн. кВт ежесуточно потребляет 18 000 т угля, 2500 т мазута, 150 000 м 3 воды. На охлаждение отработанного пара на ТЭС используются ежесуточно 7 млн. м 3 воды, что приводит к тепловому загрязнению водоема-охладителя.
Для ТЭС характерно высокое радиационное и токсичное загрязнение окружающей среды. Это обусловлено тем, что обычный уголь, его зола содержат микропримеси урана и ряда токсичных элементов в значительно больших концентрациях, чем земная кора.
При строительстве крупных ТЭС или их комплексов загрязнение еще более значительно. При этом могут возникать новые эффекты, например, обусловленные превышением скорости сжигания кислорода над скоростью его образования за счет фотосинтеза земных растений на данной территории, или вызванные увеличением концентрации углекислого газа в приземном слое.
Из ископаемых источников топлива наиболее перспективным является уголь (его запасы огромны по сравнению с запасами нефти и газа). Основные мировые запасы угля сосредоточены в России, Китае и США. При этом основное количество энергии в настоящее время вырабатывается на ТЭС за счет использования нефтепродуктов.
Таким образом, структура запасов ископаемого топлива не соответствует структуре его современного потребления при производстве энергии. В перспективе – переход на новую структуру потребления ископаемого топлива (угля) вызовет значительные экологические проблемы, материальные затраты и изменения во всей промышленности. Ряд стран уже начал структурную перестройку энергетики.
Рис.5.39. Дивногорская ГЭС.
2) Гидроэлектростанции
Основные достоинства ГЭС – низкая себестоимость вырабатываемой электроэнергии, быстрая окупаемость (себестоимость примерно в 4 раза ниже, а окупаемость в 3-4 раза быстрее, чем на ТЭС), высокая маневренность, что очень важно в периоды пиковых нагрузок, возможность аккумуляции энергии.
Но даже при полном использовании потенциала всех рек Земли можно обеспечить не более четверти современных потребностей человечества. В России используется менее 20 % гидроэнергетического потенциала. В развитых странах эффективность использования гидроресурсов в 2-3 раза выше, т.е. здесь у России есть определенные резервы. Однако сооружение ГЭС (особенно на равнинных реках) приводит ко многим экологическим проблемам. Водохранилища, необходимые для обеспечения равномерной работы ГЭС, вызывают изменения климата на прилегающих территориях на расстояниях до сотен километров, являются естественными накопителями загрязнений.
В водохранилищах развиваются сине-зеленые водоросли, ускоряются процессы эфтрофикации, что приводит к ухудшению качества воды, нарушает функционирование экосистем. При строительстве водохранилищ нарушаются естественные нерестилища, происходит затопление плодородных земель, изменяется уровень подземных вод.
Более перспективным является сооружение ГЭС на горных реках. Это обусловлено более высоким гидроэнергетическим потенциалом горных рек по сравнению с равнинными реками. При сооружении водохранилищ в горных районах не изымаются из землепользования большие площади плодородных земель.
Рис.5.40. Балаковская АЭС.
3) Атомные электростанции
АЭС не вырабатывают углекислого газа, объем других загрязнений атмосферы по сравнению с ТЭС также мал. Количество радиоактивных веществ, образующихся в период эксплуатации АЭС, сравнительно невелико. В течение длительного времени АЭС представлялись как наиболее экологически чистый вид электростанций и как перспективная замена ТЭС, оказывающих влияние на глобальное потепление. Однако процесс безопасной эксплуатации АЭС еще не решен. С другой стороны, замена основной массы ТЭС на АЭС для устранения их вклада в загрязнение атмосферы в масштабе планеты не осуществима из-за огромных экономических затрат.
Чернобыльская катастрофа привела к коренному изменению отношения населения к АЭС в регионах размещения станций или возможного их строительства. Поэтому перспектива развития атомной энергетики в ближайшие годы неясна. Среди основных проблем использования АЭС можно выделить следующие.
1. Безопасность реакторов. Все современные типы реакторов ставят человечество под угрозу риска глобальной аварии, подобной Чернобыльской. Такая авария может произойти по вине конструкторов, из-за ошибки оператора или в результате террористического акта.
Принцип внутренней самозащищенности активной зоны реактора в случае развития аварии по худшему сценарию с расплавлением активной зоны должен быть непреложным требованием при проектировании реакторов. Ядерная технология сложна. Потребовались годы анализа и накопленного опыта, чтобы просто осознать возможность возникновения некоторых типов аварий.
Неопределенности в отношении безопасности никогда не будут полностью разрешены заранее. Большое их количество будет обнаружено только во время эксплуатации новых реакторов.
3. Снижение эмиссии диоксида углерода. Считается, что вытеснение тепловых электростанций атомными поможет решить проблему снижения выбросов диоксида углерода, одного из главных парниковых газов, способствующих потеплению климата на планете. Однако, на самом деле, электростанции с комбинированным циклом на природном газе не только намного экономичнее, чем АЭС, но и при одних и тех же затратах достигается значительно большее снижение выбросов диоксида углерода, чем при использовании атомной энергии с учетом всего топливного цикла (потребление энергии при добыче и обогащении урана, изготовлении ядерного топлива и других затрат на «входе» и «выходе»).
4. Снятие с эксплуатации реакторов на АЭС. К 2010 г. половина из работающих в мире АЭС имела возраст 25 лет и более. После этого предполагается процедура снятия с эксплуатации реакторов. По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), более 130 промышленных ядерных установок уже выведены из эксплуатации, либо ожидают этой процедуры.
И во всех случаях возникает проблема утилизации радиоактивных отходов, которые надо надежно изолировать и хранить длительный срок в специальных хранилищах. Многие эксперты считают, что эти расходы могут сравняться с расходами на строительство АЭС.
5. Опасность использования АЭС для распространения ядерного оружия. Каждый реактор производит ежегодно плутоний в количестве, достаточном для создания нескольких атомных бомб. В отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), которое регулярно выгружается из реакторов, содержится не только плутоний, но и целый набор опасных радиационных элементов. Поэтому МАГАТЭ старается держать под контролем весь цикл обращения с отработавшим ядерным топливом во всех странах, где работают АЭС.
Примитивную атомную бомбу можно сделать из отработавшего ядерного топлива любой АЭС. Если для создания бомбы необходимы сложное производство, специальное оборудование и подготовленные специалисты, то для создания так называемых грязных ядерных взрывных устройств – все намного проще, и здесь опасность очень велика. При использовании такой «самоделки» ядерного взрыва, конечно, не будет, но будет сильное радиоактивное заражение. Такие устройства террористы и экстремисты могут изготовить самостоятельно, приобретя на ядерном черном рынке необходимые расщепляющие материалы. Такой рынок, как это ни прискорбно, существует, и атомная промышленность является потенциальным поставщиком таких материалов.
Эколого-экономическая характеристика основных возобновимых и альтернативных источников энергии
Считается, что возобновимые источники энергии (ветровые, солнечные, геотермальные, волновые и др.), модульные станции на природном газе с использованием топливных элементов, утилизация сбросного тепла и отработанного пара, как и многое другое,– реальные пути защиты от изменения климата без создания новых угроз для ныне живущих и будущих поколений. Рассмотрим эти вопросы более подробно.
1) Прямое использование солнечной энергии
Мощность солнечной радиации, поглощенной атмосферой и земной поверхностью, составляют 10 5 ТВт (10 17 Вт). Эта величина кажется огромной по сравнению с современным мировым энергопотреблением, равным 10 ТВт. Поэтому ее считают наиболее перспективным видом нетрадиционной (альтернативной) энергетики.
К основным методам преобразования солнечной энергии относятся, прежде всего, методы прямого использования солнечной энергии – фотоэлектрическое преобразование и термодинамический цикл , а также биоконверсия .
Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии основан на особенностях взаимодействия полупроводниковых материалов со световым излучением. В фотоэлектрическом преобразователе свободные носители образуются в результате поглощения светового кванта полупроводником, разделение зарядов производится под действием электрического поля, возникающего внутри полупроводника. Теоретически КПД преобразователя может достигать 28%.
Низкая плотность солнечного излучения является одним из препятствий его широкого использования. Для устранения этого недостатка при конструировании фотоэлектрических преобразователей используются различного рода концентраторы излучения. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключается в том, что они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, производство – технологично. К их недостаткам можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленности, необходимость разработки сложных методов очистки батарей от загрязнения. Все это ограничивает срок службы фотоэлектрических преобразователей.
Гибридные станции, состоящие из фотоэлектрических преобразователей и дизельных генераторов, уже широко используются для электроснабжения на территориях, где нет распределительных электрических сетей. Например, система такого типа обеспечивает электроэнергией жителей Кокосового острова, расположенного в Торресовом проливе.
Рис.5.41. Схема термодинамического преобразователя солнечной энергии: а – схема с теплообменником, б – схема без теплообменника.
Энергию получают из солнечной энергии методом термодинамического преобразования практически так же как из других источников. Однако такие особенности солнечного излучения как низкая мощность, суточная и сезонная изменчивость, зависимость от погодных условий, накладывают определенные ограничения на конструкцию термодинамических преобразователей.
Обычный термодинамический преобразователь солнечной энергии содержит (рис.5.41) систему улавливания солнечной радиации, которая предназначена частично скомпенсировать низкую плотность солнечного излучения; приемную систему, которая преобразует солнечную энергию в энергию теплоносителя; систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к теплообменнику; тепловой аккумулятор, который обеспечивает смягчение зависимости от суточной изменчивости и погодных условий; теплообменники, образующие нагревательный и охладительный источники тепловой машины.
Для среднетемпературного аккумулирования (от 100 до 550 0 С) используются гидраты оксидов щелочноземельных металлов. Высокотемпературное аккумулирование (температура выше 550 0 С) осуществляется с помощью обратимых экзо-эндотермических реакций.
В настоящее время идеи термодинамического преобразования реализуются в схемах двух типов: гелиостаты башенного типа и станции с распределенным приемником энергии.
На гелиостанции башенного типа энергия от каждого гелиостата передается оптическим способом. Управление гелиостатами осуществляет ЭВМ. До 80% стоимости станции составляет стоимость гелиостатов. Система сбора и передачи энергии в установках башенного типа оказывается очень дорогой. Поэтому такие установки не получили широкого распространения.
В Мексике, США, работают установки такого типа мощностью 10 Мвт.
Станции с распределенными приемниками солнечной энергии оказались более перспективными. Концентраторы параболического типа, вращающиеся вокруг оси, передают энергию трубчатым приемникам, находящимся на фокальной линии. В качестве теплоносителя обычно используется масло. Нерешенной проблемой в гелиостанциях является вопрос о длительном хранении электроэнергии. Правда следует отметить, что этот вопрос не решен не только в солнечной энергетике, но и вообще в энергетике.
Рис. 5.42. Динамика суммарных установленных мощностей солнечных модулей по регионам мира за 2000-2009 гг.
Более широкому внедрению солнечной энергетики пока препятствует более высокая стоимость производства на солнечных электростанциях по сравнению с традиционными источниками энергии. Солнечная энергетика имеет особенности, которые существенно затрудняют ее широкое использование.
Это, прежде всего низкая плотность потока энергии и ее непостоянство, т.к. интенсивность солнечного излучения зависит от времени года, суток и метеоусловий. Тем не менее, в настоящее время, наблюдается тенденция значительного роста, как вводимых мощностей, так и инвестиций в данную отрасль по всему миру.
В 2008-2009 гг. новые инвестиции превысили половину всех инвестиций в общее производство энергии. В 2010 г. впервые прирост мощностей, основанных на возобновляемых источниках энергии, превысил ввод в действие мощностей традиционных. По показателям имеющихся мощностей и инвестиций по многим параметрам лидируют Китай, США, Германия, Индия и Бразилия. На фоне этого российская цель – 1.5 % к 2010 г. и 4.5 % ВИЭ в производстве электроэнергии к 2020 г. – выглядит очень скромно.
Кроме того, использование энергии солнца предполагает обязательное наличие накопителей электроэнергии достаточной емкости. Как правило, это обычные аккумуляторы. Поэтому, если рассматривать солнечную энергетику полного цикла (с учетом производства датчиков-преобразователей солнечной энергии и, особенно, аккумуляторных батарей), то суммарное влияние такой энергетики на загрязнение окружающего пространства оказывается не таким уж и незначительным.
2) Биоконверсия солнечной энергии
Биомасса, как источник энергии, используется с древнейших времен. В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в виде химической энергии в зеленой массе растений. Запасенная в биомассе энергия может быть использована в виде пищи человеком или животными или для получения энергии в быту и производстве. В настоящее время до 15% энергии в мире производится из биомассы.
Самый древний, и еще широко применяемый, способ получения энергии из биомассы заключается в ее сжигании. В сельской местности до 85% энергии получают этим способом. Как топливо, биомасса имеет ряд преимуществ перед ископаемым топливом. Прежде всего – это возобновимый источник энергии . При сжигании биомассы выделяется в 10-20 раз меньше серы и в 3-5 раз меньше золы, чем при сжигании угля. Количество углекислого газа, выделившегося при сжигании биомассы, равно количеству углекислого газа, затраченного в процессе фотосинтеза.
Энергию биомассы можно получать из специальных сельскохозяйственных культур. Например, в субтропическом поясе России предлагается выращивать карликовые породы быстрорастущего вида папайи. С одного гектара за 6 месяцев на опытных участках получают более 5 т биомассы по сухому весу, которую можно использовать для получения биогаза.
К перспективным видам относятся быстрорастущие деревья, растения, богатые углеводами, которые применяются для получения этилового спирта (например, сахарный тростник). В США разработан способ производства спирта из кукурузы, в Италии ведутся работы над разработкой способа рентабельного производства спирта из сорго. Около 200 автобусов в Стокгольме уже работают на спирте.
Рис.5.43. Водорослевая плантация в тепличном комплексе.
3) Волновая энергетика
Волновая электростанция – установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн.
В последнее время пристальное внимание ученых и конструкторов привлекает использование различных видов энергии Мирового океана. Построены первые приливные электростанции. Разрабатываются методы использования тепловой энергии океана, связанной, например, со значительной разницей температур поверхностного и глубинного слоев океана, достигающей в тропических областях 20°С и более. В настоящее время накоплен значительный объем инструментальных измерений ветрового волнения в Мировом океане. На основе этих данных волновая климатология определяет районы с наиболее интенсивным и постоянным волнением.
Рис.5.44. Конвертеры волновой энергии первой в мире волновой электростанции Pelamis P-750 (Португалия).
Первая заявка на патент волновой электростанции была подана в Париже в 1799 г. Уже в 1890 г. была предпринята первая попытка практического использования энергии волн, хотя первая волновая электростанция мощностью 2,25 МВт вошла в коммерческую эксплуатацию только в 2008 г. в районе Агусадора (Португалия) на расстоянии 5 км от берега (рис.5.44). Проект электростанции принадлежит шотландской компании Pelamis Wave Power , которая в 2005 г. заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции.
Стоимость контракта составила 8 млн. евро. В 2009 г. волновая электростанция была введена в эксплуатацию на Оркнейских островах. В Великобритании строится волновая электростанция мощностью в 20 МВт. Строят такие электростанции и некоторые другие прибрежные государства.
В большинстве проектов волновых электростанций предполагается использовать двухступенчатую схему преобразования. На первом этапе осуществляется передача энергии от волны к телу-поглотителю и решается задача концентрирования волновой энергии. На втором этапе поглощенная энергия преобразуется в вид, удобный для потребления.
Существует три основных типа проектов по извлечению волновой энергии. В первом используется метод повышения концентрации волновой энергии и превращения ее в потенциальную энергию воды. Во втором – тело с несколькими степенями свободы находится у поверхности воды. Волновые силы, действующие на тело, передают ему часть волновой энергии.
Основным недостатком такого проекта является уязвимость тела, находящегося под действием волн. В третьем типе проектов, система, поглощающая энергию, находится под водой. Передача волновой энергии происходит под действием волнового давления или скорости.
В ряде волновых установок для повышения эффективности плотность волновой энергии искусственно повышается. Изменяя рельеф дна в прибрежной зоне, можно сконцентрировать морские волны подобно линзе, фокусирующей световые волны. Если сфокусировать волны с побережья длиной в несколько километров на фронте в 500 м, то высота волны может достигнуть 30 м. Попадая в специальные сооружения, вода поднимается на высоту в 100 м . Энергия поднятой воды может быть использована для работы гидроэлектростанции, расположенной на уровне океана. Волновая электростанция подобного типа используется для обеспечения электроэнергией острова Маврикий, не имеющего традиционных источников энергии.
Ряд устройств по преобразованию волновой энергии использует различные свойства волновых движений: периодические изменения уровня водной поверхности, волнового давления или волновой скорости. Процент использования волновой энергии достигает 40 %. Электроэнергия передается на берег по кабелю. В Японии создан промышленный образец такой системы, имеющей 9 турбин общей мощностью в 2 МВт.
Сила, с которой волны воздействуют на сооружения в береговой зоне, достигает нескольких тонн на квадратный метр. Это силовое воздействие тоже может быть использовано для преобразования волновой энергии.
Волновая энергетика не использует ископаемое топливо, стоимость которого непрерывно растет, а запасы ограничены. Перед волновой энергетикой не стоит в острой форме проблема воздействия на окружающую среду. Однако в настоящее время производство 1 кВт электроэнергии на волновых электростанциях в 5-10 раз выше, чем на АЭС или ТЭС. Кроме того, если значительная часть акватории будет покрыта волновыми преобразователями, это может привести к неприятным экологическим последствиям, так как волны играют важную роль в газообмене атмосферы и океана, в очистке поверхности моря и приводного слоя воздушного потока от загрязнения.
Поэтому волновую энергетику следует рассматривать только как дополнительный к традиционным источник энергии, который может иметь значение только в некоторых районах мира.
4) Приливные электростанции
В прибрежной зоне приливные волны проявляются в периодическом подъеме и опускании уровня. В узостях приливы часто проявляются в виде мощных течений. В некоторых местах высота прилива достигает значительной величины – 12-20 м. Энергия приливных волн огромна.
Рис.5.45. Приливная электростанция «Аннапорлис» (Канада).
Человек уже давно начал использовать энергию приливов. Так, приливные мельницы использовались в 15 веке в Англии, были широко распространены на северо-восточном побережье Канады в 17 веке.
Для концентрации водного напора на станции плотина отделяет часть акватории. В теле плотины размещаются гидрогенераторы, водопропускные сооружения, здание станции. Величина напора зависит от колебаний уровня по обе стороны плотины. Колебания во внешнем бассейне определяются местным приливом, колебания во внутреннем бассейне определяются расходами воды при работе станции. Приливные станции относятся к низконапорным гидротехническим сооружениям, в которых водяной напор не более 15-20 м.
Первая в мире приливная гидроэлектростанция мощностью 320 МВт была запущена в 1966 г. устье реки Ранс (Франция). Первая приливная электростанция в нашей стране, имеющая два гидроагрегата по 400 кВт каждый, была построена в Кислой губе на Баренцевом море в 1968 г. Несколько приливных станций проектируется и уже построено в заливе Фанди, который характеризуется самыми высокими приливами в мире. Опыт строительства и эксплуатации подобных станций показал, что они экономически оправданы, и издержки их эксплуатации гораздо ниже, чем при эксплуатации обычных ГЭС. Наиболее развитым в мире рынком электроэнергии, выработанной посредством волн и приливов, является Шотландия, где установлены самые большие приливные турбины.
Рис.5.46. Кислогубская ПЭС (СССР), вид с моря, 1968 год.
Использование энергии приливов ограничивается, в основном, высокой стоимостью сооружения. Кроме того, как оказалось, приливные станции характеризуются отрицательным влиянием на окружающую среду. Сооружение плотины приведет к увеличению амплитуды прилива. Даже небольшое повышение амплитуды прилива вызовет значительное изменение распределение грунтовых вод в береговой зоне, увеличит зону затопления, нарушит циркуляцию водных масс, изменит ледовый режим в части бассейна за плотиной и т.д.
Сооружение плотины должно вызвать и важные биологические последствия. В бассейне за плотиной работа станции будет оказывать воздействие на литораль (зона между наивысшей точкой затопления во время прилива и нижней, обнажающейся при отливе). Плотина может оказать вредное воздействие не только на местные сообщества, но и на мигрирующие виды.
Например, по оценкам биологов строительство плотины в Пенжинской губе Охотского моря нанесет непоправимый вред популяции охотоморской сельди. При строительстве плотин в зоне умеренного климата возможно образование зоны сероводородного заражения, подобной тем, которые наблюдаются в заливах и бухтах, имеющих естественные пороги. Фиорды Скандинавского полуострова, имеющие естественный порог, представляют собой классический пример такого естественного сероводородного заражения.
5) Градиент-температурная энергетика
Данный способ получения энергии основан на разности температур. Не слишком распространен. Посредством него можно получать достаточно большое количество энергии при небольшой ее себестоимости. Наибольшее число градиент-температурных электростанций располагается на морском побережье и для работы использует морскую воду. Почти 70% солнечной энергии поглощает мировой океан.
Перепад же температур между водами на глубине в сотни метров и водами на поверхности океана – огромный источник энергии, который оценивается в 20-40 тыс. ТВт, из них можно использовать только 4 ТВт.
Недостатки: выделение большого числа углекислоты, нагрев и снижение давления глубинных вод, и остывание поверхностных вод. Данные процессы негативно влияют на климат, флору и фауну региона.
В настоящее время разрабатывается новая концепция таких энергетических установок, которая даёт основания ожидать от теплоэнергетического модуля эффективной работы не только в наиболее прогретой части тропического океана, но и по всей акватории, где средний градиент температуры составляет примерно 17ºС. Ожидается, что КПД будет отличным от нуля даже при разности температур, стремящейся к нулю. По предварительным расчётам расходы на строительство такой гидроэлектростанции вполне соотносятся с расходами на традиционную ГЭС.
Рис. 5.47. Ветровые электростанции.
Геотермальная энергия – это энергия, внутренних областей Земли, запасенная в горячей воде или водяном паре. В 1966 г. на Камчатке в долине реки Паужетка была пущена первая в СССР геотермальная тепловая станция мощностью 1,1 МВт. В отдаленных районах стоимость энергии, получаемой на геотермальных станциях, оказывается ниже стоимости энергии, получаемой из привозного топлива.
Геотермальные станции успешно функционирует в ряде стран – Италии, Исландии, США. Первая в мире геотермальная электростанция была построена в 1904 г. в Италии. Геотермальная энергия в Исландии начала использоваться в 1944 г. Однако интерес и использование геотермальной энергии резко выросли в 60-70 годы.
Рис.5.48. Схемы получения энергии за счет геотермальных ресурсов: А — использование сухого пара, Б — использование горячей воды, В — использование горячей воды путем нагревания рабочей жидкости.
В США в Калифорнии в начале 90 годов действовало около 30 станций общей мощностью 2400 МВт. Пар для этих станций извлекался с глубин от 300 до 3000 м. В этом штате США за 30 лет мощность геотермальных станций возросла почти в 200 раз. Таковы темпы развития геотермальной энергетики. Наиболее доступна геотермальная энергетика в зонах повышенной вулканической деятельности и землетрясений.
Такая привязка к определенным районам является одним из недостатков геотермальной энергетики. Гейзеры – это хорошо известная форма поступления на поверхность Земли горячей воды и пара. По оценке Геологического управления США разведанные источники геотермальной энергии могли бы дать 5-6% современного потребления электроэнергии в стране.
Оценка перспективных источников дает величину примерно в 10 раз большую. Однако эксплуатация некоторых этих источников пока нерентабельна. Наряду с этими ресурсами, которые могут быть использованы для выработки электроэнергии, в еще большем количестве имеется вода с температурой 90-150 0 С, которая пригодна как источник тепла для обогрева. В перспективе для извлечения энергии из недр Земли можно использовать не только запасы горячей воды и пара, но и тепло сухих горных пород (такие области сухих горных пород с температурой около 300 0 С встречаются значительно чаще, чем водоносные горячие породы), а также энергию магматических очагов, которые в некоторых районах расположены на глубинах в несколько километров.
Наиболее оптимальная форма – сухой пар. Прямое использование смеси пара и воды невозможно, т.к. геотермальная вода содержит обычно большое количество солей, вызывающих коррозию, и капли воды в паре могут повредить турбину. Наиболее частая форма поступления энергии – просто в виде горячей воды, прежде всего для получения тепла. Эта вода может быть использована также для получения пара рабочей жидкости, имеющей более низкую температуру кипения, чем вода. Так как геотермальный пар и вода имеют сравнительно низкую температуру и давление, КПД геотермальных станций не превышает 20%, что значительно ниже атомных (30%) и тепловых работающих на ископаемом топливе (40%).
Использование геотермальной энергии имеет и отрицательные экологические последствия. Строительство геотермальных станций нарушает «работу» гейзеров. Для конденсации пара на геотермальных станциях используется большое количество охлаждающей воды, поэтому геотермальные станции являются источниками теплового загрязнения.
При одинаковой мощности с ТЭС или АЭС геотермальная электростанция потребляет для охлаждения значительно большее количество воды, т.к. ее КПД ниже. Сброс сильно минерализованной геотермальной воды в поверхностные водоемы может привести к нарушению их экосистем. В геотермальных вода в больших количествах содержится сероводород и радон, который вызывает радиоактивные загрязнения окружающей среды.
Источник: nuclphys.sinp.msu.ru
Экологические проблемы эксплуатации ТЭС
Одним из основных источников экологически негативных воздействий на окружающую среду являются предприятия топливно-энергетического комплекса (ТЭК). В России такими комплексами являются Канско-Ачинский (КАТЭК), Кузнецкий и Тюменский. Топливно-энергетический комплекс включает в себя следующие стадии:
начальную (добыча, переработка и транспортирование топлива);
основную (производство энергии в виде теплоты или электричества);
заключительную (транспортирование и переработка топлива и отходов, удаление отходов).
Каждая из названных стадий включает в себя целую технологическую цепь взаимосвязанных процессов. При этом любое звено цепи, в свою очередь оказывает воздействие не только на весь топливный цикл, но и на среду обитания.
Значительные выбросы в атмосферу имеют место с мощных угольных разрезов, которые включают такие ингредиенты, как пыль, углекислый газ, оксиды азота, а также токсичные выбросы, характерные для взрывных работ и работ мощного карьерного автотранспорта. И хотя выбросы с угольных разрезов носят локальный характер (они затухают в зоне 3. 4 км от бортов разреза), их надо суммировать с выбросами близко расположенных от разрезов ТЭС в пределах санитарно-защитной зоны.
ГРЭС комплекса с циркуляционной охлаждающей водой будут выбрасывать в атмосферу и водные источники, по мере ввода оборудования, от 60. 70 млн. Гкал/год до 400. 500 млн. Гкал/год (при полном вводе всех ГРЭС).
Оборотная схема гидрозолошлакоудаления с полным возвратом воды в технологический цикл не решает полностью проблемы, так как только для одной ГРЭС (Березовской ГРЭС-1) требуется отчуждение территории для организации золошлакоотвалов до 400. 500 Га и не гарантирует полного исключения фильтрации токсичных вод. Поэтому для таких комплексов необходимы «сухие» способы удаления золы, ее грануляция и использование гранулированной золы в выработанных пространствах угольных разрезов с последующей засыпкой породой и рекультивацией.
Основными видами органического топлива, используемого на ТЭС, являются газ, нефтетопливо (мазут) и твердое топливо (уголь, сланцы, торф, а также отходы деревообработки и др., — главным образом, уголь). При сжигании указанных видов топлива:
природного газа – в атмосферу выбрасываются оксиды азота (NO, NO2), оксиды углерода (СО) и бенз(а)пирен (С20Н12);
угля – добавляются оксиды серы (SO2 и SO3), зола, токсичные микроэлементы, а также радиационные составляющие минеральной части;
мазута – добавляются оксиды ванадия (V2O5).
Также неблагоприятное воздействие, оказывает хранение и складирование угля. Наиболее негативно на окружающую среду влияет хранение угля на открытых складах. Закрытые склады являются более экологически чистыми, однако требуют повышения капитальных затрат.
Воздействие технологических процессов или техногенное воздействие на окружающую среду весьма разнообразно и по уровню распространения носит различный характер:
локальный (на расстоянии вокруг технологического объекта до нескольких единиц и десятков километров);
региональный (расстояние воздействия достигает сотен и тысяч километров);
глобальный (воздействие оценивается в масштабе полушария или земного шара).
В локальной зоне наблюдаются максимальные приземные концентрации, значения которых не должны превышать нормативных. Соблюдение нормативов может быть обеспечено:
выбором соответствующего места расположения технологического объекта;
мощностью объекта; использованием экологически приемлемого оборудования; применением эффективных способов очистки вредных выбросов и сбросов; рассеиванием в атмосфере остаточных выбросов с помощью источника рассеивания.
Региональное загрязнение определяется условиями:
фоновых концентраций; удельных техногенных нагрузок на окружающую среду; трансграничным переносом выбросов.
Глобальное воздействие определяется:
изменением климата планеты вызванного нарушением радиационного теплового баланса Земли в результате накопления продуктов сгорания органического топлива в атмосфере и усиления парникового эффекта;
воздействием техногенных процессов на озоновый слой планеты; уменьшением дебита пресной воды; увеличенным водопотреблением на технологические нужды, т.е. загрязнение сбрасываемой воды, ее тепловое и микробиологическое влияние на водоемы; уменьшение площади плодородных почв на планете;
снижение рыбных запасов, запасов флоры и фауны в целом
При этом по возможному воздействию на среду выделяют четыре сферы воздействия:
атмосферу (внешняя газообразная оболочка Земли с постоянно убывающей концентрацией газов до высоты 1100. 1400 км)
потребление кислорода (в основе современных энергообеспечивающих, металлургических, химических, транспортных технологий лежат процессы горения);
выброс газов и твердых частиц, полученных при горении;
литосферу (твердая внешняя оболочка Земли средней условной мощностью 16 км, включающая и почвенный слой вместе с биоценозом)
выброс на поверхность почвы твердых частиц и жидких стоков.
гидросферу (прерывиста водная оболочка Земли, включающая поверхностные и подземные воды)
загрязнение жидкими стоками отходов производств, “кислотных дождей” и т.п.;
тепловое воздействие с охлаждающей водой;
радиоактивное воздействие (от АЭС).
биосферу (Без учета человека, так как интересы человека учитываются интересами социума (нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы Земли, населенная живыми существами))
потребление неископаемых видов энергоносителей (щепа, дрова);
нарушение биоценозов (биоценоз – это организованная группа популяций растений (фитоценоз), животных (зооценоз) и микроорганизмов (микробиоценоз), живущих во взаимодействии в одних и тех же условиях среды);
миграции и вымирание животных и растений от различного рода воздействий на них.
Рис. 1. Укрупненная схема взаимодействия ТЭС с окружающей средой: К – котел; Т – турбина; Г – электрогенератор; Р – регенерации система; МО – маслоохладители; ТР – трансформаторные подстанции; ЛЭП – линии электропередач.
Значительное воздействие энергетики на окружающую среду очевидно. Чтобы это воздействие было сведено к минимуму, необходимо создание экологически чистых тепловых электрических станций (ЭЧ ТЭС). Требования к таким ТЭС приведены ниже в таблице 1.
Т а б л и ц а 1
Основные исходные требования к экологически чистой ТЭС [2]
| Показатели | Размерность | ТЭС на Канско-Ачинских углях | ТЭС на кузнецких углях | ТЭС на антрацитовом штыбе | ТЭС на Экибастузких углях |
| Мощность ТЭС | млн., кВт | 4…6,5 | 1,5…2,0 | 1,6…2,4 | 4…5 |
| Число часов использования установленной мощности | ч/год | ||||
| Характеристика исходного топлива на рабочую массу | |||||
| Калорийность Qir | кДЖ/кг | 13500…15630 | 19100…20480 | 17220…18800 | 12660…14580 |
| Зольность Ar | % | 4,7…7,4 | 24…28 | 31,5…36,0 | 45,6…49,0 |
| Влажность Wr | % | 33…38 | 11,5 | 5…8 | |
| Содержание серы Sr | % | 0,2 | 0,4 | 1,5 | 0,6 |
| Экологические требования при избытке воздуха α=1,4 и нормальных условиях (НУ) | |||||
| Золы не более | г/м3 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,1 |
| Оксидов серы | г/м3 | 0,2…0,3 | 0,2…0,3 | 0,2…0,3 | 0,2…0,3 |
| Оксидов азота | г/м3 | 0,15…0,2 | 0,15…0,2 | 0,15…0,2 | 0,15…0,2 |
| Неочищенных жидких стоков | % | ||||
| Доля золы и других твердых отходов, используемых в народном хозяйстве | % |
Снижать вредные выбросы от таких ТЭС в пределах требуемых норм можно, как за счет внедрения технологических способов при сжигании органических топлив и новых технологий, конструкций, способов сжигания, так и за счет специальных способов очистки газов от загрязнителей.
Полностью исключить воздействие топливного цикла на окружающую среду нельзя. Однако принятие мер, таких как, ужесточение норм предельно допустимых концентраций, внедрение экологически чистых ТЭС, применение природоохранных технологий, обеспечит уменьшение влияния на окружающую среду всех стадий топливно-энергетического комплекса.
Источник: megaobuchalka.ru
Загрязнение воздуха ТЭЦ. Экология ТЭЦ
Любая деятельность людей связана с потреблением электрической энергии. Поэтому строительство крупных электростанций (чаще тепловых), начиная с двадцатого века, решало и решает глобальные вопросы нехватки этой самой энергии, без которой невозможен прогресс.
Исчезновение плодородных почв, обмелевшие реки и озера без рыбы, загубленные леса, термальное загрязнение, создаваемое ТЭЦ, рост числа тяжелых заболеваний. Это все итоги развития энергетики, самой загрязняющей отрасли. Будущее человечества зависит от решения двух связанных проблем, таких как: необходимость развития энергетики и загрязнение окружающей среды ТЭЦ. Воздух, почва, вода, растения и животные страдают от потребительского отношения к себе. Загрязнение ТЭЦ нарушает естественное функционирование всех составляющих биосферу компонентов.
А такие катастрофы, как Чернобыль и Фукусима, — это предупреждение, а скорее, даже крик о помощи. Не выполняя экологические требования к ТЭЦ на всех этапах строительства и эксплуатации, люди ставят под угрозу свою жизнь и жизнь будущих поколений вообще.
Источники энергии
Почти три четверти необходимой для жизни энергии дает теплоэнергетика. И она же на сегодняшний день считается экологами самой загрязняющей отраслью. В основе отрасли стоит получение энергии при сжигании горючего сырья.
Топливом могут быть уголь, торф, сланец, нефть или газ. Используют также энергию рек. Это требует строительства водохранилищ и ТЭЦ.
Проблемы нехватки чистой воды
Отрицательный момент от деятельности предприятий ТЭЦ — загрязнение атмосферы и воды в первую очередь. Ежегодно предприятия энергетического комплекса используют свыше тридцати миллиардов кубометров чистой воды. При сооружении на реках водохранилищ происходит затопление прилегающих плодородных земель, а иногда и жилья людей.
Плотины и другие гидросооружения нарушают естественный речной ток, что приводит к обмелению рек и изменению уровня грунтовых вод. Последствия этих изменений — заболачивание и засоление почв, которые становятся непригодными для сельскохозяйственных работ.
Разложение растительности, затопленной при сооружении водохранилищ, приводит к негативным изменениям водной фауны и флоры. Энергию на ТЭС получают от мощнейших турбин, приводимых в движение паром от чистой нагретой воды. Отработанный пар охлаждается и непрерывно сбрасывается в водоемы. Потоки теплой воды образуют источники теплового загрязнения на ТЭЦ.
Масштабы зоны подогрева в реках измеряются несколькими десятками километров «выжженной» в прямом и переносном смыслах реки. Изменение физических свойств воды в реках и водоемах влечет изменение химических составляющих, а дальше — биологических процессов. Страдает экология. ТЭЦ — тому причина.
Проблемы загрязнения воздуха
Загрязнение воздуха ТЭЦ — проблема еще большая. По объемам выброса вредных веществ в атмосферу предприятия теплоэнергетики занимают лидирующее место. Это почти тридцать процентов от общего числа выбросов всех предприятий различных отраслей. А это более шести миллионов тонн пыли, вредных соединений углерода, азота, серы, ванадия, да почти всех элементов таблицы Менделеева.
Закисление почвы кислотными дождями — это следствие такого процесса, как загрязнение воздуха ТЭЦ диоксидом серы. Накопление большого количества углекислого газа в атмосфере приводит к увеличению температуры воздуха на планете, ее среднегодовых показателей, что называется парниковым эффектом. Плохая экология ТЭЦ является причиной скопления в нижних слоях атмосферы аэрозольных химически вредных частиц и органической пыли. Это явление получило название «фотохимический туман», когда в условиях слабых ветров, сильной радиации солнца и повышенной концентрации фотооксидантов в воздухе над городами повисает смог.
Если не принимать меры, это приводит к разрушению озонового слоя Земли. С каждым годом растет процент аллергиков различной степени тяжести. Загрязнение воздуха ТЭЦ крайне опасно для здоровья и жизни жителей городов. Особенно губительно это для дыхательной и сердечно-сосудистой систем организма.
Золошлаковые отходы
В ближайшем будущем для увеличения производительности энергетических отраслей промышленности прогнозируется рост количества сжигаемого твердого топлива. Поэтому все большую актуальность приобретают проблемы утилизации канцерогенных отходов от его сгорания и складирование шлака. Сейчас перерабатывается всего восемь процентов от всех золошлаковых отходов.
Дефицит свободной земли вынуждает выделять под технические зоны энергопредприятий территории, прилежащие к жилым застройкам городов, и увеличивать высоту золоотвальных терриконов. Загрязнение воздуха ТЭЦ в данной ситуации ощущается особо остро, т. к. ветровая эрозия золоотходов приводит к загрязнению значительных территорий. Предприятия и сельское хозяйство не готовы к переработке шлака. Нужны научные и конструкторские разработки по этим вопросам. Решать эти проблемы необходимо безотлагательно.
Проблемы сточных вод
В больших городах в работе теплоэлектроцентралей есть острые и связанные между собой моменты: трубопроводы ТЭЦ и очистка сточных вод ТЭЦ. Система трубопроводов изношена и требует капитальных ремонтов. Аварийный трубопровод грозит загрязнением и окислением почвы, подъемом уровня грунтовых вод, загрязнением воды в ближайших водоемах. Все это влечет за собой с каждым годом ухудшение качества питьевой воды.
Очистка сточных вод проводится разными методами и в несколько этапов, это, в свою очередь, требует энергозатрат и приводит к образованию вторичных отходов, нуждающихся в утилизации. Очистка производственных сточных вод — еще более трудоемкий и энергозатратный процесс. Производственные сточные воды, которые очистке не подлежат вообще, сжигают или закачивают в глубинные скважины. А это притягивает массу экологических проблем.
Государственный вопрос
Экологической безопасностью, вопросами сохранения пригодной для жизни окружающей среды занимаются государственные и общественные организации. Важный аспект их деятельности — нормирование показателей качества, а также контроль их выполнения. Нормативные документы устанавливают допустимые нормы воздействия на среду обитания. Оцениваются физические, химические, биологические и иные показатели качества. Для пользователей природы лимитируются допустимые нормы изъятия природных ископаемых, нормы физического (шум, вибрация, ионизации и др.) воздействия на среду, норм сбросов сточных вод, норм вредных выбросов в атмосферу и других действий с учетом особенностей каждой конкретной территории.
Принцип предосторожности
Чтобы неблагоприятное воздействие от деятельности ТЭЦ минимизировать, разработку мер по защите экологии надо проводить вместе с планированием, разработкой и внедрением новых проектов предприятий. Особенно это касается территорий, соседствующих с охраняемыми заповедными зонами, на которых действуют особые нормативные документы.
Нарушение их приводит к уголовной ответственности. От жилых застроек предприятия обязательно должны отделяться санитарно-защитными зонами. Такие зоны служат для барьера и снижения негативных факторов от промышленных объектов. Размеры таких зон устанавливаются государственными нормами и правилами с учетом ожидаемых негативных действий после экологической экспертизы соответствующих природных объектов.
Возможные способы решения проблем энергетики
Необходимость уменьшения негативного влияния на среду обитания энергетики как никогда остро ставит вопрос экономии энергии. В первую очередь за счет уменьшения энергоемкости всех производственных процессов. Для этого нужны современные разработки, которые примут во внимание следующие моменты:
- экономию энергии в быту;
- приближение объектов выработки энергии к потребителю, что сокращает затраты за счет повышения КПД используемого топлива, одновременно снижая риск от тепловых загрязнений;
- совершенствование физических и химических методов подготовки топлива для доведения его до безопасного и энергетически выгодного горючего;
- модернизацию режимов горения;
- совершенствование и разработка высокоэффективных очистных сооружений.
Альтернативные источники энергии
Экологические и экономические факторы, связанные с энергетикой, вынуждают говорить об использовании альтернативных источников энергии:
- прямом или опосредованном использовании энергии Солнца (накопительных фотоэлементов, получение топлива будущего — водорода из воды и др.);
- использование и совершенствование ветродвигателей в районах с интенсивными ветрами;
- использование энергии морских течений, отливов и приливов, перепадов температур на разной глубине в морях.
Уровень современных разработок вызывает оптимистические прогнозы в вопросе энергетики и в плане экономики, и в плане экологии. Влияние на экологию приобрело глобальный характер и требует таких же решений.
Источник: fb.ru
Энергосистемы. Влияние электростанций на окружающую среду
Из всех, существующих на нынешний день видов электростанций тепловые станции, работающие на органическом топливе, более всего загрязняют атмосферу. Объёмы загрязнения окружающей среды и вид загрязнения зависят от типа и мощности станций.
Результатом работы тепловых станций является загрязнение атмосферы углекислотой, выделяющейся при сжигании топлива, окисью углерода, окислами серы, углеводородами, окислами азота, огромными количествами твёрдых частиц (зола) и другими вредными веществами. Кроме того происходит значительное тепловое загрязнение водоёмов при сбрасывании в них тёплой воды.
Увеличение количества углекислоты в атмосфере Земли ведёт к возникновению так называемого «парникового эффекта». Углекислый газ поглощает длинноволновое излучение нагретой поверхности Земли, нагревается и тем самым способствует сохранению на ней тепла. Увеличение доли углекислого газа в атмосфере может привести к повышению на несколько градусов температуры низких слоёв атмосферы, а это в свою очередь, может привести к таянию ледников Гренландии и Антарктиды и затоплению части суши.
Наряду с увеличением содержания углекислого газа, происходит уменьшение доли кислорода в атмосфере, который расходуется на сжигание топлива на тепловых станциях.
Вредное воздействие на животный и растительный мир оказывает загрязнение атмосферы окисью серы. Наибольшее загрязнение атмосферы серой приходится как раз на долю электростанций и отопительных установок.
Вредное воздействие окиси углерода на человека и животных состоит в том, что она, соединяясь с гемоглобином крови, очень быстро лишает организм кислорода.
Станции, работающие на угле потребляют его в больших количествах и больше всего выбрасывают загрязняющих атмосферу веществ. Выбросы в атмосферу зависят от качества сжигаемого угля.
Сбросы горячей воды в водоёмы и повышение вследствие этого их температуры приводят к нарушению экологического равновесия, установившегося в естественных условиях, что неблагоприятно влияет на флору и фауну. Тепловое загрязнение водоёмов может быть уменьшено с переходом на замкнутые циклы использования воды.
Таким образом мы видим, что влияние ТЭЦ на биосферу огромно и неблагоприятно. Но несмотря на это пока тепловые электростанции и теплоэлектроцентрали остаются преобладающими при производстве электроэнергии и тепла для нужд человека.
5.
Технологическая схема КЭС. Назначение каждого элемента схемы. Основные особенности КЭС.
– котёл (парогенератор) предназначен для получения пара из питательной воды;
– питательный насос – для подачи питательной воды в котёл;
– дутьевой вентилятор – для подачи воздуха в топку котла, для поддерживания процесса горения;
– дымосос – для удаления дымовых газов из котла;
– багерный насос – для удаления золы и шлака из котла;
– пароперегреватель – для получения пара высоких параметров;
– электрический генератор – для выработки электроэнергии;
– конденсатор для охлаждения пара;
– циркуляционный насос – для подачи воды в конденсатор;
– конденсатный насос – для удаления конденсата из конденсатора;
– деаэратор – для удаления газов из конденсата; для восполнения потерь туда же подаётся химически очищенная вода;
– распределительное устройство высокого напряжения (110 кВ и выше)
– трансформатор собственных нужд;
– распределительное устройство собственных нужд – для электропитания двигателей и освещения;
Конденсационные электрические станции КЭС – это тепловые паротурбинные электростанции, в которых теплота, выделяющаяся при сжигании органического топлива превращается сначала в механическую энергию, а затем в электрическую.
Характерный признак КЭС – отработанный в турбине пар не используется для нестанционных нужд, а подвергается охлаждению (конденсации) в специальных устройствах – конденсаторах, после чего направляется обратно в котёл. Для работы КЭС требуется большое количество воды. Поэтому строят их вблизи водоёмов. В качестве топлива на конденсационных электрических станциях используется уголь, нефть или природный газ.
Твёрдое топливо (уголь) сначала дробится специальными дробилками, затем подсушивается и размельчается до пылевидного состояния специальными мельницами. Угольная пыль вместе с воздушным потоком подаётся в топку котла дутьевым вентилятором ДВ
для лучшего сгорания топлива.
Продукты сгорания топлива (дымовые газы) пройдя золоуловители с помощью дымососа Д
выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.
Теплота, получаемая при сжигании топлива, используется для получения пара. Пар из котла (парогенератора) подаётся в пароперегреватель ПП
, где его параметры (температура и давление) доводятся до необходимых величин, а затем по паропроводу поступает на рабочие лопатки паровой турбины
Т
.
Если между рабочими лопатками турбины не происходит расширения пара, то есть давление пара не меняется, то такая турбина называется активной
У реактивной
турбины происходит расширение пара, проходящего через каналы рабочих лопаток. В зависимости от показателей расширения пара турбины характеризуются степенями реактивности. Сейчас турбины выполняют многоступенчатыми, причём в одной турбине могут быть как активные, так и реактивные (с разной степенью реактивности) ступени.
В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора генератора Г
, вырабатывающего электрическую энергию.
Отработавший в турбине пар после своего расширения от начального давления на входе турбины – 30 МПа до конечного на выходе 0,0035 МПа поступает в конденсатор турбины Кр
, где превращается в воду – конденсат, который конденсатным насосом
КН
откачивается и проходит через деаэратор
Да
. Там из воды удаляются газы и к ней добавляется химически очищенная вода, чтобы восполнить потери. После чего вода вновь подаётся в котёл, и затем цикл превращения воды повторяется.
Система технического водоснабжения КЭС включает в себя источник водоснабжения (водоём)
, циркуляционные насосы
ЦН,
которыми охлаждающая вода из водоёма подаётся в конденсатор, а также подводящие и отводящие водоводы.
Основные особенности КЭС:
1. Строится по возможности ближе к месторождениям топлива.
2. Работает по свободному графику выработки электроэнергии (график выработки не зависит от теплового потребления).
3. Низкоманёвренные – разворот турбин и набор нагрузки из холодного состояния требует 3-10 часов).
4. Выработанная электроэнергия отдаётся в электрические сети повышенных напряжений 110 – 750 кВ.
5. Имеют сравнительно низкий КПД: 30 – 40 %, максимум 42 %.
1. Гиршфельд В.Я., Кароль Л.А. «Общий курс электростанций». М. Энергия 1976 г.
2. Поярков К.М. «Электрические станции, подстанции, линии и сети». М. Высшая школа 1983 г.
3. Веников В.А., Путятин Е.В. «Введение в специальность» Электроэнергетика. Высшая школа 1988 г.
Результат действия ТЭС
Каждый отдельный тип электростанции оказывает различное воздействие. По большей части, негативная энергетика вырабатывается от работы тепловых электрических станций. В ходе их функционирования атмосфера загрязняется небольшими элементами золы, поскольку преимущественная часть ТЭС применяет в качестве топлива измельченный уголь.
В целях борьбы с выбросами вредных частиц организовано массовое производство фильтров с КПД 95-99%. Однако это не помогает в полной мере решить проблему, поскольку на многих тепловых станциях, функционирующих на угле, фильтры пребывают в плохом состоянии, в результате чего их КПД сокращается до 80%.
Экология и энергетика
Мир современной энергетики является основополагающим условием для развития разнообразных отраслей промышленности. Промышленно развитые страны отличаются стремительными темпами развития энергетики, которые опережают темпы развития отраслевой промышленности.
В свою очередь, энергетика является серьезным источником неблагоприятного воздействия на человека и окружающую среду. Это влияние сказывается на атмосфере, за счет высокого потребления кислорода, выбросов газов, твердых частиц и влаги.
Гидросфера страдает из-за потребления воды на нужды энергетики, создания искусственных водохранилищ, сбросов жидких отходов, нагретых и загрязненных вод. Существенно изменяется и литосфера по причине чрезмерного потребления ископаемых топливных ресурсов, изменения ландшафтов, выброса токсичных веществ.
Влияние на водные ресурсы
Современные гидроэнергетические технологии отличаются, как преимуществами, так и недостатками. К примеру, количество произведенной электроэнергии зависит от водных ресурсов, которые могут истощаться во время засухи.
Это играет огромную роль для энергетического комплекса страны. Энергетика и экология
– сомнительное сочетание, когда речь идет о строительстве плотин, переселении жителей, заилении водохранилищ, пересыхании русел рек, затоплении огромных территорий, значительной затратности проектов.
Изменение уровня воды в реках приводит к полной гибели растительности, плотины становятся серьезным препятствием для миграции рыб, ГЭС многокаскадного типа уже превратили реки в озера, перерастающие в болота. Россия получает при использовании гидроресурсов не более 20% энергии, а при строительстве только одной ГЭС затапливается более 6 миллионов гектар. Таким образом, энергетика влияет на экологию
, и это неравноценный по потерям для природы обмен.
Истощение, загрязнение
Что касается влияния энергии ТЭС на экологию, то можно отметить, как главный фактор, выделение вредных веществ в виде закиси углерода, соединений азота, свинца и значительного количества тепла. 5 миллиардов тонн угля ежегодно сжигается и более трех миллионов тонн нефти, что сопровождается гигантским выбросом в атмосферу Земли тепла.
Нынешние темпы потребления угля приведут к неминуемому истощению ископаемого через 150 – 200 лет, нефти — через 40 – 50 лет, газа, предположительно, — через 60. Полный спектр работ по добыче, транспортировке и сжигании данного вида топлива сопровождается процессами, ощутимо влияющими на загрязнение окружающей среды.
Влияние энергетики на экологию
связано с добычей угля и засолением водных ресурсов. Помимо этого, откаченная вода содержит радон и изотопы радия. А атмосфера загрязняется продуктами сжигания угля в виде оксидов серы – 120 тысяч тонн, окислов азота – 20 тысяч тонн, пепла 1500 тонн, оксида углерода – 7 миллионов тонн.
Кроме того, происходит при горении образование более 300 тысяч тонн золы, включающей в себя 400 тонн токсичных металлов в виде ртути, мышьяка, свинца и кадмия. Работу ТЭС можно сопоставить, по выбросам в атмосферу радиоактивных веществ, с работой АЭС аналогичной мощности.
Ежегодные выбросы оксидов углерода способствуют повышению температуры на Земле, что может привести к вполне предсказуемым климатическим изменениям.
Влияние энергетики на экологию
, когда речь идет о нефти и газе, достигло катастрофических и глобальных масштабов. Ученые утверждают, что выбросы от сжигания нефти и угля ежегодно влияют на состояние здоровья людей примерно так же, как авария на Чернобыльской АЭС. Этот «тихий Чернобыль», обладает последствиями, результаты которого пока невидимы, но они целенаправленно и постоянно уничтожают экологию.
Как получить энергию без вреда для экологии
Солнце – неисчерпаемый источник тепла. Среди существующих традиционных видов альтернативной энергетики (энергия волн, земли, ветра, приливов, геотермальная энергия, а также энергия из газа от мусорных свалок и навоза на фермах) основным видом является энергия Солнца.
Человеческий мир, постоянно находящийся в поисках энергии, только недавно обратил внимание на источник энергетического изобилия. Использование энергии Солнца для нужд промышленности на данном этапе обходится дорого.
Источник: ecobeltex.ru