3.13. Экологические проблемы энергетики

Цель занятия: ознакомиться с современными экологическими проблемами энергетики, изучить альтернативные источники получения энергии.

Энергетика – это отрасль производства, которая на сегодняшний день развивается наиболее быстро и динамично. Потребление энергии в мире увеличивается в два раза через каждые 12-15 лет.

Существуют четыре основных направления использования энергии:

• транспорт – автомобили, автобусы, самолеты, поезда, корабли, трактора, бульдозеры и т. д.;

• промышленность – металлургия, химический синтез, производство других материалов, изготовление готовых изделий;

• температурный контроль – отопление и охлаждение (кондиционирование) помещений, горячее водоснабжение;

• производство электроэнергии, необходимой для работы электромоторов, приводящих в действие самое различное оборудование, освещение, бытовой и промышленной электроники.

Нет основания ожидать, что темпы производства и потребления энергии в ближайшей перспективе существенно изменятся, поэтому важно получить ответы на некоторые вопросы:

• какое влияние на биосферу и ее отдельные элементы оказывают основные виды (тепловой, водной, атомной) энергетики и как будет изменяться соотношение этих видов в энергетическом балансе в ближайшей и отдаленной перспективе;

• можно ли уменьшить отрицательное воздействие на экологическую среду современных (традиционных) методов получения и использования энергии;

• каковы возможности производства энергии за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких как энергия солнца, ветра, термальных вод и других источников, запасы которых огромны и экологически безопасны.

В настоящее время энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. доля нефти составляет 44% общего энергопотребления, природного газа – 21, угля – 22%. Ядерное топливо, гидростанции и другие энергоресурсы дают 13%.

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

Хотя каменный уголь, нефть и природный газ имеют биотическое происхождение, пополнение их запасов для современного общества исключено. Потребление горючих ископаемых идет со скоростью, намного превышающей скорость необходимую для их образования. Подсчитано, что количество сырой нефти, которое расходуется в современном мире за сутки, формировалось естественным путем в течение одной тысячи лет.

Экологические проблемы тепловой энергетики

За счет сжигания топлива (включая дрова и другие биоресурсы) в настоящее время производится около 90% энергии. в производстве электроэнергии доля тепловых источников сейчас уменьшилась до 80%. При этом в промышленно развитых странах нефть и нефтепродукты используются в основном для обеспечения нужд транспорта. Например, в США нефть в общем энергобалансе страны составляла 44%, а в получении электроэнергии - только 3%. Для угля характерна противоположная закономерность: при 22% в общем энергобалансе он является основным в получении электроэнергии (52%). В Китае доля угля в получении электроэнергии близка к 75%, в то же время в России преобладающим источником получения электроэнергии является природный газ (около 40%), а на долю угля приходится только 18% получаемой энергии, доля нефти не превышает 10%.

В мировом масштабе гидроресурсы обеспечивают получение около 5-6% электроэнергии, в России 20,5%. атомная энергетика дает 17-18% электроэнергии. В России ее доля близка к 12%, а в ряде стран она является преобладающей в энергетическом балансе (Франция - 74%, Бельгия - 61%, Швеция - 45%).

Сжигание топлива – не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду загрязняющих веществ. Сравнение удельных выбросов в атмосферу от различных типов электростанций показывает, что особо сильное загрязнение создается при сжигании угля. Воздействие тепловых угольных станций сказывается на загрязнении атмосферы, водных источников, земельных угодий. Особую опасность представляют выбросы окислов углерода, серы и азота. Моноксид углерода образуется при неполном сгорании углесодержащих веществ. Диоксид углерода образуется при полном окислении кислородсодержащего топлива. Попавший в атмосферу диоксид углерода остается в ней в среднем 2-4 года. В это время он повсеместно распространяется по земной поверхности. Его влияние отражается не только в токсическом действии на живые организмы, но и в способности поглощать инфракрасные лучи. При нагревании солнечными лучами земной поверхности часть тепла в виде инфракрасного излучения отражается обратно в мировое

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

пространство. Отраженное тепло частично перехватывается газами, поглощающими инфракрасное излучение. Если это явление происходит в тропосфере, то наблюдающийся рост температуры может приводить к климатическим изменениям – «парниковому эффекту», то есть к потеплению климата.

Тепловая энергетика дает около 50% выбросов окислов азота в атмосферу. В количественном отношении выбросов окислов азота в 3-5 раз ниже, чем двуокиси серы. Однако они более токсичны, способствуют образованию фотохимического смога, приводят к накоплению в приземном слое озона, усиливают парниковый эффект. Окислы азота обладают резко выраженным раздражающим действием, особенно на слизистые оболочки.

Более сильным негативным действием является сочетание отдельных элементов – сказывается эффект суммации, так как образуется своеобразный "коктейль" из загрязняющих веществ. От тепловых электростанций наиболее опасной является суммация сернистого газа и двуокиси азота.

Поступление оксидов азота и серы в атмосферу вызывает «кислотные» дожди. Диоксид серы в атмосфере претерпевает ряд химических превращений, важнейшее из них – окисление и образование кислоты. Диоксид серы, сернистая кислота в несколько промежуточных стадий могут превращаться в серную кислоту с помощью ионов металлов, присутствующих в воздухе и облаках. Негативное влияние кислотных осадков можно проследить в нескольких направлениях: 1) гибнут водные экосистемы; 2) происходит деградация лесов; 3) просачиваясь сквозь почву, вызывают выщелачивание алюминия и тяжелых металлов, которые оказывают сильное токсическое воздействие как на растения, так и на животных.

Выбросы вредных элементов от сжигания нефтяного топлива (мазута) значительно меньше, чем при сжигании угля. Однако при сжигании мазута выделяются окислы различных металлов – ванадия, алюминия, магния, марганца, железа.

Наиболее экологически безопасным видом топлива является природный газ. При его сжигании существенно сокращаются объемы сернистых соединений, отсутствуют выбросы твердых частиц. Однако электростанции, использующие газ, могут внести свой вклад в потепление климата. Метан, входящий в состав природного газа относится к газам, вызывающих парниковый эффект.

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

Существует ряд способов уменьшения вредного воздействия от тепловых станций, связанного с загрязнением атмосферы. Один из них – очистка топлива, которая уменьшает вредность выбрасываемых газов. Наиболее сложно снизить объем выбросов оксидов серы. Работы по уменьшению количества вредных выбросов теплом от электростанций связаны со значительным удорожанием 1 кВт установленной мощности, составляющим 2-5% при установке оборудования для улавливания твердых частиц и 25-30% при оснащении установками для поглощения двуоксида серы.

Радиус воздействия тепловых электростанций на окружающую территорию велик и зависит от высоты трубы и особенностей метеорологической ситуации. При высоте трубы 300 м он достигает 50 км.

Тепловые электростанции являются крупным потребителем водных ресурсов. Основной расход воды связан с охлаждением турбогенератора – около 3 л воды на каждый кВт/ч. Сбрасываемые сточные воды имеют повышенную температуру, вызывают тепловое загрязнение, которое, в свою очередь, ведет к изменению биоты под воздействием выпуска нагретых вод. В связи с этим более чем в 1,5 раза увеличивается биологическая потребность кислорода, растет количество основных форм азота, более активно проявляются токсические свойства различных химических веществ, попадающих водоемы. Повышение температуры водоема способствует росту микроорганизмов, ухудшению условий нереста рыбы, эпидемиологической обстановки. Для уменьшения теплового загрязнения крупных водных систем используют подводные брызгальные устройства, отвод теплых вод на большую глубину, искусственную аэрацию водоемов. Наиболее эффективно применение оборотной системы водоснабжения на водохранилищах-охладителях и градирнях.

Сооружение тепловых электростанций приводит к существенному изъятию земельных ресурсов – большие площади отводятся под склады топлива, для хранения золы и шлака.

Экологические проблемы гидроэнергетики

Гидроэлектростанции, в отличие от других типов станций, не загрязняют атмосферный воздух и водные экосистемы. Основной источник воздействия ГЭС на природу – создаваемые водохранилища с площадью зеркала в тысячи квадратных километров и объемом в десятки и сотни кубических километров. Создание водохранилищ приводит к потере ценных сельскохозяйственных земель, лесов, месторождений полезных ископаемых. Изменяются ландшафты выше и ниже гидроузлов. Подпоры воды резко меняют гидрологические режимы рек.

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

на большом протяжении вверх по течению речные условия сменяются озерными. Снижается скорость течения, повышается частота возникновения ветровых волн, усиливается переработка берегов. Мощные гидроэнергетические сооружения несут потенциальную опасность крупных катастроф.

Экологические проблемы атомной энергетики

Атомные электростанции имеют ряд преимуществ по сравнению с тепловыми, особенно работающими на угле. Существенно различаются потребности в топливе. Для работы АЭС мощностью в 1000 МВт требуется 1,5 т обогащенного урана. Для тепловой станции такой же мощности, работающей на угле, необходимо 3,5 млн т угля в год. АЭС могли бы решить проблемы кислотных осадков, парникового эффекта, создаваемые тепловыми станциями, так как они не выбрасывают углекислого газа, двуокиси серы, оксидов азота. Выбросы радиоактивных элементов при нормальной работе ядерных установок невелики и не изменяют естественный радиационный фон. В атмосферу в основном попадают инертные радиоактивные газы. При применении средств газоочистки, активность газовых выбросов на АЭС становится ниже санитарных норм. Эти преимущества долгое время позволяли считать АЭС экологически безопасными.

Однако и в нормальном, безаварийном режиме работы у АЭС имеются существенные недостатки. Атомная станция для охлаждения реактора требует в 1,5 раза больше воды, чем тепловая. Поэтому и тепловое загрязнение водоемов оказывается сильнее. Более существенным, чем в тепловой энергетике, является изъятие земель для строительства прудов-охладителей, санитарно-защитных зон. Повышенные землеемкость и водоемкость АЭС особенно ощущаются при размещении станций в районах, дефицитных по воде и высоким потенциальным плодородием сельскохозяйственных угодий.

Большой проблемой является хранение твердых и жидких радиоактивных отходов. Объем твердых отходов ежегодно достигает на АЭС 2000-3000 м³. Основным видом твердых отходов является отработанное топливо – ТВЭЛы. Ежегодно на станции заменяют до 1/3 действующих ТВЭЛов новыми. Как правило, большая часть жидких и твердых отходов хранится в специально оборудованных на станциях хранилищах. На электростанциях России, имеющих большой срок эксплуатации, заполненность хранилищ жидкими и твердыми отходами довольно высокая.

Нельзя к тому же рассматривать АЭС изолированно от предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ), включающего взаимосвязанные производства: добычу урановой руды, ее переработку с получением урановых

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

концентратов и гексафторида урана; обогащение урана; изготовление тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов); регенерацию отработанного ядерного топлива на радиохимических заводах; хранение, отработку и захоронение отходов высокой и низкой удельной активности; транспортировку топлива и радиоактивных отходов между различными предприятиями ЯТЦ; демонтаж ядерных установок. Каждое из этих производств является потенциально опасным и вносит определенный вклад в загрязнение среды.

АЭС рассчитана примерно на 30 лет работы, после чего ее нужно демонтировать. Согласно основным положениям снятия АЭС с эксплуатации все технологии демонтажа должны приводить к «зеленой площадке» - то есть к полной очистке территории для последующего неограниченного использования.

В случае аварии АЭС становится источником повышенной опасности для окружающей территории и особенно для человека. Авария на Чернобыльской АЭС (1986 г.) по международной шкале аварий на АЭС была самой крупной, катастрофичной, оцениваемой по масштабам и последствиям для населения и окружающей природной среды как глобальная катастрофа. По экспертным оценкам объем выброса составил от 50 до 100 млн Ки. Авария на Чернобыльской АЭС затронула все Северное полушарие. Особенно пострадали территории Белоруссии, Украины, ряд областей России, особенно Брянская.

Концепция развития атомной энергетики в РФ предусматривает: обеспечение безопасности действующих АЭС, их техническое перевооружение и реконструкцию. При строительстве станций нового поколения предполагается использование новых типов реакторов. доля атомной энергетики в производстве электроэнергии вероятно не будет существенно возрастать и не превысит 12%.

Энергосбережение и перспективы развития современной энергетики

Энергосбережение – это разработка систем, более эффективно использующих энергию, т. е. обеспечивающих такой же или даже более высокий уровень транспортных услуг, освещения, отопления, производительности труда и т. д. при меньших энергозатратах.

Рассмотрим некоторые пути и способы получения энергии, позволяющие существенно уменьшить отрицательное воздействие на среду. Эти способы базируются в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов. В их числе можно назвать следующие:

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

1. Использование и совершенствование очистных устройств. В настоящее время на многих ТЭЦ улавливаются в основном твердые выбросы с помощью различного вида фильтров. Наиболее агрессивный загрязнитель – сернистый ангидрид – на многих ТЭЦ не улавливается или улавливается в ограниченном количестве. В это же время имеются ТЭЦ (США, Япония), на которых производится практически полная очистка от данного загрязнителя, а также от окислов азота и других вредных поллютантов. Для этого используются специальные десульфурационные (для улавливания диоксида и триоксида серы) и денитрификационные (для улавливания окислов азота) установки. Наиболее широко улавливание окислов серы и азота осуществляется посредством пропускания дымовых газов через раствор аммиака. Конечными продуктами такого процесса являются ам­миачная селитра, используемая как минеральное удобрение , или раствор сульфата натрия (сырье для химической промышленности). Такими установками улавливается до 96% окислов серы и более 80% окислов азота. Существуют и другие метод очистки от этих газов.

2. Уменьшение поступления соединений серы в атмосферу посредством предварительного обессеривания углей и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими и физическими методами. Этими методами удается извлечь из топлива от 50 до 70% серы до момента его сжигания.

3. Экономия электроэнергии. Особенно велики такие возможности для России за счет снижения энергоемкости эксплуатируемых изделий. Не менее реальна экономия энергии за счет уменьшения металлоемкости продукции, повышения ее качества и увеличения продолжительности жизни изделий. Перспективно энергосбережение за счет перехода на наукоемкие технологии связанные с использованием компьютерных и других устройств.

4. экономия энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Реальную экономию энергии дает замена ламп накаливания с КПД около 5% флуоресцентными, КПД которых в несколько раз выше. Крайне расточительно использование электрической энергии для получения тепла.

5. Заметно повышается также КПД топлива при его использовании вместо ТЭС на ТЭЦ. В последнем случае объекты получения энергии приближаются к местам ее потребления и тем самым уменьшаются потери, связанные с передачей на расстояние. Наряду с электроэнергией на ТЭЦ используется тепло, которое улавливается охлаждающими агентами. При этом заметно сокращается вероятность теплового загрязнения водной среды. Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ непосредственно в зданиях.

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

Развитие альтернативных источников энергии

Снизить потребление сырой нефти и других традиционных видов топлива можно, заменив их другими источниками энергии. Такой переход неизбежен в долгосрочной перспективе, поскольку возможности энергосбережения ограничены законами термодинамики. А запасы углеводородов очень быстро сокращаются. Солнечная энергия - это кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате термоядерных реакций в недрах Солнца. Ее запасы практически неистощимы. Примерно одного процента солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения всех нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем. По использованию солнечной энергии на душу населения на первом месте в мире стоит Кипр, где 90% коттеджей и большое число отелей и многоквартирных домов располагают солнечными водонагревателями. В Израиле солнечная энергия обеспечивает 65% горячего водоснабжения жилищ.

Основными источниками энергии являются:

* солнечные батареи, изготовленные из особых материалов, в которых попадающая энергия света индуцирует поток электронов, т е. электрический ток;

* энергобашни - зеркала, установленные на площади в несколько гектаров, фокусируют солнечный свет на котле, находящемся на вершине башни. Высокая температура превращает воду в пар, приводящий в движение обычный турбогенератор. По своей рентабельности энергобашни могут конкурировать с АЭС, а кроме того, не загрязняют окружающую среду;

* солнечные пруды – это еще более дешевый способ улавливать и запасать солнечную энергию. Искусственный водоем частично заполняется рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи без помех проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя остывать нижнему. Поскольку солнечный пруд представляет собой высокоэффективный теплоаккумулятор, с его помощью можно получать энергию непрерывно.

Энергетическое использование биомассы

Биомассой называется любая органика, образующаяся за счет фотосинтеза. Е е энергетическое использование – непосредственно применение в виде топлива или его переработка в различные виды. Здесь существует несколько способов:

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

* прямое сжигание – одна треть населения земного шар до сих пор использует древесину как единственный источник тепла и получения энергии, что приводит к загрязнению воздуха;

* получение метана – питание бактерий органикой в анаэробных условиях сопровождается выделением биогаза, на две трети состоящего из метана. Использование биогенеза в качестве источника энергии несет в себе большие возможности;

* получение спирта – когда дрожжи в анаэробных условия питаются сахаром или крахмалом, в качестве побочного продукта выделяется спирт, происходит спиртовое брожение. Нагревая до кипения полученный раствор, получают спирт. Первой страной, начавшей крупномасштабное производство спирта из сахарного тростника как автомобильного горючего, стала Бразилия. В настоящее время многие автомобили там работают на его смеси с бензином.

Энергия ветра

Наряду с энергией воды, ветер также используется людьми с глубокой древности. В настоящее время эти современные машины называют ветротурбинами. Чем больше площадь лопастей ветротурбины, тем больше получается энергии. В большинстве регионов мира есть территории, где ветры дуют практически постоянно, что делает использование ветротурбин вполне рентабельным.

Геотермальная энергия

Поскольку в недрах Земли в результате распада природных радиоактивных веществ идет постоянное высвобождение энергии, внутренняя часть планеты представляет собой расплавленную горную породу, которая время от времени вырывается наружу в виде вулканических извержений и других загрязнителей, в частности, соединений серы. Эти примеси вызывают быструю коррозию турбин и другого оборудования, а, выбрасываясь в конечном итоге в окружающую среду, загрязняют и воздух, и воду. Серосодержащие отходы геотермальных станций можно иногда сравнить по вредности с теми, что выделяют ТЭС, работающие на высокосернистом угле, а горячий рассол, сбрасываемый в реки, способен привести к экологической катастрофе. Число мест с геотермальными водами невелико, и многие из них расположены далеко от потребителей энергии.

Энергия приливов и отливов

Самое простое предложение по использованию энергии приливов и отливов заключается в постройке плотины с турбинами поперек устья морского залива. Вода, проходя во время прилива через отверстия в плотине, приводит турбины в движение, генерируя электроэнергию. При отливе наклон лопастей меняется на противоположный и генераторы продолжают работать без остановки. В настоящее время в мире функционируют две приливно-отливные

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

электростанции – в РФ и во Франции. Выработка электроэнергии на таких установках рентабельна при амплитуде колебаний уровня воды не менее 6 м. На Земле есть около 15 мест, где амплитуда приливов и отливов достигает такой величины. Но и у этого вида энергии есть недостатки экологического характера. Плотины вызывают существенную деградацию среды. Они образуют наносы, мешают миграции морских организмов, нарушают сложившиеся механизмы циркуляции и перемещения морских и пресных вод.

Задание:

1. Заполните таблицы 3.47, 3.48, 3.49, используя теоретический материал.

2. Укажите место РФ в использовании традиционных и нетрадиционных источников энергии.

3.47. Нетрадиционные источники энергии

№ п/п	Нетрадиционные источники энергии	Характеристики источника
1.
2.
3.

3.48. Использование солнечной энергии

Способы использования солнечной энергии	Характеристики способов	Результат	Возможный вред
Физический		Получение экологически безопасной энергии
Биологический

3.49. Использование нетрадиционных источников энергии

в различных странах мира и России

№ п/п	Страны мира	Нетрадиционные способы получения энергии	Примечания
1.
2.
3.
4.

На основании заполненных таблиц сделайте сравнительный вывод:

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

28