Екологізація енергетики

План:

Вступ…2

1. Плюси і мінуси галузі з точки зору екології…3−5

2. Проблеми енергетики…6−11

2.1. Екологічні проблеми теплової енергетики…6−9

2.2. Екологічні проблеми гідроенергетики…9−11

3. Шляхи вирішення проблем сучасної енергетики…12−13

Висновок…14

Використана література…15

Вступ

Існує образний вираз, що ми живемо в епоху трьох «Е»: економіка, енергетика, екологія. При цьому екологія як наука і спосіб мислення залучає усе більш пильну увагу людства.

Екологію розглядають як науку і навчальну дисципліну, що покликана вивчати взаємини організмів і середовища у всій їхній розмаїтості. При цьому під середовищем розуміється не тільки світ неживої природи, а і вплив одних організмів чи їхніх співтовариств на інші організми і співтовариства.

Термін «екологія» був введений німецьким натуралістом Э. Геккелем у 1866 році й у дослівному перекладі з грецького означає науку про будинок (ойкос — будинок, житло; логос — навчання).

В даний час термін «екологія» істотно трансформувався. Вона стала більше орієнтована на людину в зв’язку з її винятково масштабним і специфічним впливом на середовище.

Сказане дозволяє доповнити визначення «екології» і назвати задачі, які вона покликана вирішувати в даний час. Сучасну екологію можна розглядати як науку, що займається вивченням взаємин організмів, у тому числі і людини, із середовищем, визначенням масштабів і припустимих меж впливу людського суспільства на середовище, можливостей зменшення цих впливів чи їхньої повної нейтралізації. У стратегічному плані - це наука про виживання людства і вихід з екологічної кризи, що здобувала глобальні масштаби — у межах усієї планети Земля.

Стає усе більш ясним, що людина дуже мало знає про середовище, у якому вона живе, особливо про механізми, що формують і зберігають середовище. Розкриття цих механізмів (закономірностей) — одна з найважливіших задач сучасної екології й екологічного утворення. Ясно, що вона може зважуватися лише за умови вивчення не тільки «Будинку», але і його мешканців, їхнього способу життя.

1. Плюси і мінуси галузі з точки зору екології

Традиційно людство для отримання енергії користувалося лише двома джерелами. Спочатку це було спалювання деревини, пізніше — викопного палива, їх лише частково доповнювало використання енергії текучої води. Отримання енергії за рахунок спалювання викопного палива супроводжується значним забрудненням природного середовища. Тому наприкінці XX століття було висунуто на порядок денний пошук альтернативних засобів отримання енергії — перш за все, електрики та тепла. Але як традиційні, так і альтернативні енергоджерела мають свої плюси та мінуси з точки зору екології.

Атомна енергетика. Атомні електростанції (АЕС) мають чимало уявних переваг: займають мало площі, маловідходні, у них немає безпосередніх викидів пилу, вуглекислого газу, окислів сірки та азоту і т.п. Паливо, на якому вони працюють, має високу теплотворну здатність, має властивість бридінгу, тобто відтворюється в процесі роботи АЕС. За станом на 1990 рік у світі працювало 430 атомних реакторів, які виробляли приблизно 400 МВт енергії.

Але є в атомної енергетики чимало вразливих місць. ККД сучасних АЕС щодо випалювання палива всього 30−40%. АЕС потужністю в 1 тисячу МВт за рік споживає 3 т урану й дає у вигляді відходів 300 кг плутонію і 1100 кг інших речовин, що розкладаються. До цього часу не розроблені способи їхнього знешкодження. При роботі АЕС вилучається досить багато води. Йдуть й експлуатаційні радіоактивні викиди. Відходи від АЕС по суті становлять велику небезпеку для людства, більшу, ніж навіть окремі аварії на них.

Гідроенергетика. ГЕС — виводить з ладу великі площі землі, цінної для сільського господарства. Наприклад, будівництво греблі на Дніпрі призвело до втрати величезних територій заплавних високородючих земель. Але екологічно ГЕС чисті та маловідходні.

Теплові електростанції. ТЕС працюють на викопному паливі. Виробництво енергії на ТЕС є екологічно найбруднішим: спалювання 1 т кам’яного вугілля приводить до утворення 1,5 кг окислів азоту, 9 кг оксиду вуглецю та 13 кг окислів сірки. Великі ТЕЦ скидають до 90 м3/с теплої води. Хоча можливості зниження екологічних збитків від них більші, оскільки паливо можна готувати до спалювання, збагачувати, очищати від сірки. У майбутньому, безумовно, доведеться відмовитися від прямого спалювання кам’яного вугілля. Його доцільно попередньо газифікувати, що робить нешкідливими продукти згорання та дозволяє отримувати корисні матеріали: смоли, масла, аміак, сірка.

Вітрові електростанції. ВЕС — екологічно чисті і дають дешеву енергію. Але ідея не нова. Перший проект промислової ВЕС на 12 МВт був розроблений Ю. В. Кондратюком ще у 1932 році. Перша вітрова електростанція потужністю на 100 кВт була запущена у Криму в 1931 році. Вона пропрацювала до 1942 року. На сучасних ВЕС в Данії вартість одного кіловата енергії можна порівняти з електростанцією, що працює на вугіллі, і нижча, ніж на ЕС, що працює на нафті. Досить великі ВЕС займають велику площу, досить шумні, створюють радіоперешкоди та небезпечні для птахів.

Сонячні електростанції. СЕС, що користуються невичерпним джерелом енергії — сонячною радіацією, мають чималу перспективу. Хоча вони займають великі площі (для електростанції в 1 млн. кВт необхідна була б площа у 35 км2) та матеріалоємні, але в процесі експлуатації СЕС найбільш екологічно чисті. Вони не мають рухомих частин, довговічні, не створюють небезпечних відходів. Зараз у світі загальна площа СЕС вже досягла 750 тисяч м2 і більше 1 млн. м2 житла опалюється та освітлюється за рахунок СЕС.

У ряді районів екологічно та економічно вигідними можуть бути:

а) геотермальні електростанції, що працюють за рахунок теплового градієнту;

б) електростанції, що використовують глибинний градієнт температури морської води;

в) електростанції, які працюють за рахунок енергії припливів та відпливів.

Але геотермальні електростанції збільшують сейсмічну активність району, можуть викликати локальні осідання ґрунту, а їхня робота супроводжується тією чи іншою кількістю токсичних газів, що викидаються до атмосфери. Собівартість геотермальної енергії зростає через швидку корозію обладнання, оскільки геотермальні води звичайно мають високий вміст сірки.

Вибираючи стратегічні шляхи розвитку енергетики, доводиться враховувати, що отримання енергії з невідновлюваних джерел обмежене наявністю сировини. Екологічна конверсія висуває на порядок денний біоенергетику. Деревина та інші види біомаси непогане джерело енергії, її можна:

а) спалювати;

б) перероблювати на біогаз;

в) перероблювати на спирт, який придатний для спалювання у двигунах внутрішнього згорання.

Як енергетична сировина, дуже вигідний етанол. Він найменше забруднює навколишнє середовище продуктами згорання, енергоємний, але дорогий у виробництві.

Серйозно вивчаються можливості водневої енергетики. Водень можна отримувати гідролізом води з використанням сонячних електростанцій, а потім транспортувати у місця споживання. Спалювання водню практично не дає шкідливих викидів. Вивчається можливість отримання водню і біотехнологічним способом, за рахунок життєдіяльності фотосинтезуючих бактерій.

2. Проблеми енергетики

Енергетика — це та галузь виробництва, що розвивається небачено швидкими темпами. Якщо чисельність населення в умовах сучасного демографічного вибуху подвоюється за 40−50 років, то у виробництві і споживанні енергії це відбувається через кожні 12−15 років. При такому співвідношенні темпів росту населення й енергетики, енергооснащеність збільшується не тільки в сумарному виразі, але й у розрахунку на душу населення.

Є підстави очікувати, що темпи виробництва і споживання енергії в найближчій перспективі істотно зміняться (деяке уповільнення їх у промислово розвитих країнах компенсується ростом енергооснащеності країн третього світу), тому важливо одержати відповіді на наступні питання:

— який вплив на біосферу й окремі її елементи роблять основні види сучасної енергетики (теплова, водяна, атомна) і як буде змінюватися співвідношення цих видів в енергетичному балансі в найближчій і віддаленій перспективі;

— чи можна зменшити негативний вплив на середовище сучасних (традиційних) методів одержання і використання енергії;

— які можливості виробництва енергії за рахунок альтернативних (нетрадиційних) ресурсів, таких як енергія сонця, вітру, термальних вод і інших джерел, що відносяться до невичерпних й екологічно чистих.

В даний час енергетичні потреби забезпечуються в основному за рахунок трьох видів енергоресурсів: органічного топлива, води й атомного ядра. Енергія води й атомна енергія використовуються людиною після перетворення її в електричну енергію. У той же час значна кількість енергії, що є в органічному паливі, використовується у вигляді теплової і тільки частина її перетворюється в електричну. Однак і в тому і в іншому випадку вивільнення енергії з органічного палива пов’язано з його спалюванням, а отже, і з надходженням продуктів горіння в навколишнє середовище.

2.1. Екологічні проблеми теплової енергетики

За рахунок спалювання палива (включаючи дрова й інші біоресурси) у даний час виробляється близько 90% енергії. Частка теплових джерел зменшується до 80−85% у виробництві електроенергії. При цьому в промислово розвитих країнах нафта і нафтопродукти використовуються в основному для забезпечення нестатків транспорту. Наприклад, у США (дані на 1995 р.) нафта в загальному енергобалансі країни складала 44%, а в одержанні електроенергії - тільки 3%. Для вугілля характерна протилежна закономірність: при 22% у загальному енергобалансі він є основним в одержанні електроенергії - 52%). У Китаї частка вугілля в одержанні електроенергії близька до 75%, у той же час у Росії переважним джерелом одержання електроенергії є природний газ (близько 40%), а на долю вугілля приходиться тільки 18% одержуваної енергії, частка нафти не перевищує 10%.

У світовому масштабі гідроресурси забезпечують одержання близько 5−6% електроенергії (у Росії 20,5%), атомна енергетика, дає 17−18% електроенергії. У Росії її частка близька до 12%, а в ряді країн вона є переважно в енергетичному балансі (Франція — 74%, Бельгія -61%, Швеція — 45%).

Спалювання палива — не тільки основне джерело енергії, але і найважливіший постачальник у середовище забруднюючих речовин. Теплові електростанції найбільшою мірою «відповідальні» за парниковий ефект, що підсилюється, і випадання кислотних опадів. Вони, разом із транспортом, поставляють в атмосферу основну частку техногенного вуглецю (в основному у вигляді З2), близько 50% двоокису сірки, 35% - окислів азоту і близько 35% пилу. Теплові електростанції в 2−4 рази сильніше забруднюють середовище радіоактивними речовинами, чим АЕС такої ж потужності.

Можна вважати, що теплова енергетика впливає практично на всі елементи середовища, а також на людину, інші організми і їхні співтовариства.

Разом з тим вплив енергетики на середовище і її мешканців у більшій мірі залежить від виду використовуваних енергоносіїв (палива). Найбільш чистим паливом є природний газ, нафта (мазут), кам’яне вугілля, буре вугілля, сланці, торф.

Хоча в даний час значна частка електроенергії виробляється за рахунок чистих видів палива (газ, нафта), однак закономірною є тенденція зменшення їхньої частки. За прогнозами, ці енергоносії втратять своє ведуче значення вже в першій чверті XXI сторіччя. Тут доречно згадати висловлення Д. І. Менделєєва про неприпустимість використання нафти як палива: «нафта не паливо — топити можна й асигнаціями».

Не виключена імовірність істотного збільшення у світовому енергобалансі використання вугілля. По наявних розрахунках, запаси вугіль такі, що вони можуть забезпечувати світові потреби в енергії протягом 200−300 років. Можливий видобуток вугілля, з обліком розвіданих і прогнозних запасів, оцінюється більш ніж у 7 трильйонів тон. При цьому більш 1/3 світових запасів вугілля знаходиться на території Росії. Тому закономірно очікувати збільшення частки вугілля чи продуктів його переробки (наприклад, газу) в одержанні енергії, а отже, і в забрудненні середовища. Вугілля містять від 0,2 до десятків відсотків сірки в основному у виді піриту, сульфату, закисного заліза і гіпсу. Наявні способи вилучення сірки при спалюванні палива далеко не завжди використовуються через складність і дорожнечу. Тому значна кількість її надходить і, очевидно, буде надходити в найближчій перспективі в навколишнє середовище. Серйозні екологічні проблеми пов’язані з твердими відходами ТЕС — золою і шлаками. Хоча зола в основній масі уловлюється різними фільтрами, все-таки в атмосферу у вигляді викидів ТЕС щорічно надходить близько 250 млн. т дрібнодиспесних аерозолей. Останні здатні помітно змінювати баланс сонячної радіації в земної поверхні. Вони ж є ядрами конденсації для пар води і формування опадів; а потрапляючи в органи дихання людини й інших організмів, викликають різні респіраторні захворювання.

Викиди ТЕС є істотним джерелом такої сильної канцерогенної речовини, як бензопирен. З його дією пов’язане збільшення онкологічних захворювань. У викидах вугільних ТЕС містяться також окисли кремнію й алюмінію. Ці матеріали здатні руйнувати легеневу тканину і викликати таке захворювання, як силікоз, яким раніше хворіли шахтарі. Зараз випадки захворювання силікозом реєструються в дітей, що проживають поблизу вугільних ТЕС.

Серйозну проблему поблизу ТЕС представляє наявність золи й ішаків. Для цього вимагаються значні території, що довгий час не використовуються, а також є вогнищами нагромадження важких металів і підвищеної радіоактивності.

2.2. Екологічні проблеми гідроенергетики

Один з найважливіших впливів гідроенергетики пов’язаний з відчуженням значних площ родючих (заплавних) земель під водоймища. У Росії, де за рахунок використання гідроресурсів виробляється не більш 20% електричної енергії, при будівництві ГЕС затоплено не менш 6 млн. га земель. На їхньому місці знищені природні екосистеми.

Значні площі земель поблизу водоймищ випробують підтоплення в результаті підвищення рівня ґрунтових вод. Ці землі, як правило, переходять у категорію заболочених. У рівнинних умовах підтоплені землі можуть складати 10% і більш від затоплених. Знищення земель і властивих їм екосистем відбувається також у результаті їхнього руйнування водою при формуванні берегової лінії. Ці процеси звичайно продовжуються десятиліттями, мають як наслідок переробку великих мас грунтів, забруднення вод, замулення водоймищ. Таким чином, з будівництвом водоймищ пов’язане різке порушення гідрологічного режиму рік, властивих їм екосистем і видового складу гідробіонтів. Так, Волга практично практично перетворена в безупинну систему водоймищ.

Погіршення якості води у водоймищах відбувається по різним причинам. У них різко збільшується кількість органічних речовин як за рахунок поглинутих під воду екосистем (деревина, інші рослинні залишки, гумус ґрунтів і т.п.), так і внаслідок їхнього нагромадження в результаті уповільненого водообміну. Це свого роду відстійники й акумулятори речовин, що надходять з водозборів.

У водоймищах різко підсилюється прогрівання вод, що інтенсифікує втрату ними кисню й інші процеси, що обумовлюються тепловим забрудненням. Останнє, разом з нагромадженням біогенних речовин, створює умови для заростання водойм і інтенсивного розвитку водоростей, у тому числі й отрутних. З цих причин різко знижується їхня здатність до самоочищення. Погіршення якості води веде до загибелі багатьох її мешканців. Зростає захворюваність рибної череди. Знижуються смакові якості мешканців водяного середовища.

Порушуються шляхи міграції риб, йде руйнування кормових угідь, нерестовищ і т.п. Волга багато в чому утратила своє значення як нерестовище для осетрових Каспію після будівництва на ній каскаду ГЕС.

У кінцевому рахунку перекриті водоймищами річкові системи з транзитних перетворюються в транзитноаккумулятивні. Продукти акумуляції роблять проблематичним можливість використання територій, займаних водоймищами, після їхньої ліквідації. В результаті замулення рівнинні водоймища втрачають свою цінність як енергетичні об'єкти через 50−100 років після їхнього будівництва. Наприклад, підраховано, що велика Асуанська гребля, побудована на Нілу в 60-і роки, буде наполовину замулена вже до 2025 року. Незважаючи на відносну дешевину енергії, одержуваної за рахунок гідроресурсів, частка їх в енергетичному балансі поступово зменшується. Це пов’язано як з вичерпанням найбільш дешевих ресурсів, так і з великою територіальною ємністю рівнинних водоймищ. Вважається, що в перспективі світове виробництво енергії на ГЕС не буде перевищувати 5% від загальної.

Водоймища впливають на атмосферні процеси. Наприклад, у посушливих районах, випар з поверхні водоймищ перевищує випар з рівновеликої поверхні суші в десятки разів. Тільки з каскаду Волзько-Камських водоймищ щорічно випаровується близько 6 км³. Це приблизно 2−3 річні норми споживання води Москвою. З підвищеним випаром пов’язане зниження температури повітря, збільшення мрячних явищ. Розходження теплових балансів водоймищ і прилягаючої суші обумовлює формування місцевих вітрів типу бризів. Ці, а також інші явища мають як наслідок зміну экосистем (не завжди позитивну), зміна погоди. У ряді випадків у зоні водоймищ приходиться змінювати напрямок сільського господарства. Наприклад, у південних районах нашої країни деякі теплолюбні культури (баштанні) не встигають дозрівати, підвищується захворюваність рослин, погіршується якість продукції.

Витрати гідробудівництва для середовища помітно менше в гірських районах, де водоймища звичайно невеликі по площі. Однак у сейсмонебезпечних гірських районах водоймища можуть провокувати землетрус. Збільшується імовірність зсувних явищ і імовірність катастроф у результаті можливого руйнування гребель. Так, у 1960 р. в Індії (штат Гунжарат) у результаті прориву греблі вода забрала 15 тисяч життів людей.

3. Шляхи вирішення проблем сучасної енергетики

Безсумнівно, що в найближчій перспективі теплова енергетика буде залишатися переважною в енергетичному балансі світу й окремих країн. Велика імовірність збільшення частки вугіль і інших видів менш чистого палива в одержанні енергії. У цьому зв’язку розглянемо деякі шляхи і способи їхнього використання, що дозволяють істотно зменшувати негативний вплив на середовище. Ці способи базуються в основному на удосконалюванні технологій підготовки палива й уловлювання шкідливих відходів. Розглянемо найбільш вживані способи:

1. Використання й удосконалювання очисних пристроїв. В даний час на багатьох ТЕС уловлюються в основному тверді викиди за допомогою різного виду фільтрів. Найбільш агресивний забруднювач — сірчистий ангідрид на багатьох ТЕС не уловлюється чи уловлюється в обмеженій кількості. У той же час є ТЕС (США, Японія), на яких виробляється практично повне очищення від даного забруднювача, а також від окисленого азоту й інших шкідливих речовин. Для цього використовуються спеціальні десульфураційні (для уловлювання діоксиду і тріоксиду сірки) і денітрифікаційні (для уловлювання окисленого азоту) установки. Найбільш широке уловлювання окисленої сірки й азоту здійснюється за допомогою пропущення димових газів через розчин аміаку. Кінцевими продуктами такого процесу є аміачна селітра, що використовується як мінеральне добриво чи розчин сульфіту натрію (сировина для хімічної промисловості). Такими установками уловлюється до 96% окисленої сірки і 80% оксидів азоту. Існують і інші методи очищення від названих газів.

2. Зменшення надходження сірки в атмосферу за допомогою попередньої десульфурації вугіль і інших видів палива (нафта, газ, пальні сланці) хімічними чи фізичними методами. Цими методами вдається витягти з палива від 50 до 70% сірки до моменту його спалювання.

3. Великі і реальні можливості зменшення чи стабілізації надходження забруднень у середовище пов’язані з економією електроенергії. Особливо великі такі можливості для Росії за рахунок зниження енергоємності одержуваних виробів. Наприклад, у США на одиницю одержуваної продукції витрачалося в середньому в 2 рази менше енергії, ніж у колишньому СРСР. У Японії така витрата була меншою у три рази. Не менш реальна економія енергії за рахунок зменшення металоємності продукції, підвищення її якості і збільшення тривалості життя виробів. Перспективне енергозбереження за рахунок переходу на наукомісткі технології, пов’язані з використанням комп’ютерних і інших пристроїв.

4. Не менш значимі можливості економії енергії в побуті і на виробництві за рахунок удосконалювання ізоляційних властивостей будинків.

Украй марнотратне використання електричної енергії для одержання тепла. Важливо мати на увазі, що одержання електричної енергії на ТЕС пов’язано з утратою приблизно 60−65% теплової енергії, а на АЕС — не менш 70% енергії. Енергія губиться також при передачі її по проводах на відстань. Тому пряме спалювання палива для одержання тепла, особливо газу, набагато раціональніше, чим через перетворення його в електрику, а потім знову в тепло.

5. Помітно підвищується також КПД палива при його використанні замість ТЕС на ТЭЦ. В останньому випадку об'єкти одержання енергії наближаються до місць її споживання і тим самим зменшуються втрати, пов’язані з передачею на відстань. Поряд з електроенергією на ТЭЦ використовується тепло, що уловлюється охолодними агентами. При цьому помітно скорочується імовірність теплового забруднення водяного середовища. Найбільш економічне одержання енергії на невеликих установках типу ТЭЦ безпосередньо в будинках. У цьому випадку втрати теплової й електричної енергії знижуються до мінімуму. Такі способи в окремих країнах знаходять усе більше застосування.

Висновок

Можна зробити висновок, що сучасний рівень знань, а також наявні і технології, що знаходяться в стадії розробок, дають підставу для оптимістичних прогнозів: людству не загрожує тупикова ситуація ні у відношенні вичерпання енергетичних ресурсів, ні в плані породжуваних енергетикою екологічних проблем. Є реальні можливості для переходу на альтернативні джерела енергії (невичерпні й екологічно чисті). З цих позицій сучасні методи одержання енергії можна розглядати як свого роду перехідні. Питання полягає в тому, яка тривалість цього перехідного періоду і які є можливості для його скорочення.

Проблеми енергетики України можуть бути досить успішно вирішеними вже до 2015 року шляхом:

а) реконструкції усіх гідровузлів;

б) збереження великих ГЕС для задоволення потреб в енергії у години пікових на-вантажень;

в) переходу на отримання енергії, головним чином, в системі малих та середніх ГЕС, які відповідають гідроресурсам України.

І, звісно, будь-які види енергії повинні витрачатися дуже бережливо.

Використана література:

1. Банников А. Г., Рустамов А. К., Вакулин А. А. Охрана природы. М.: Агропромиздат, 1995.

2. Воронков Н. А. Экология общая, социальная, прикладная: Учебник для студентов высших учебных заведений. Пособие для учителей. М.:Агар, 1999.

3. Корнеева А. И. Общество и окружающая среда. — М.: Мысль, 1995.

4. Миллер Тайлер. Жизнь в окружающей среде. Перевод Алексеевой Б. А. под редакцией Г. А. Ягодина. М.: Прогресс. Пангея, 1993.

5. Человек и экология: Сборник / Ред. Н. Филипповский. — М.: Знание, 1990.