Экологические проблемы энергетики

Существует  образное выражение, что мы живем  в эпоху трех «Э»: экономика, энергетика, экология. При этом экология как  наука и образ мышления привлекает все более и более пристальное  внимание человечества.

Экологию  рассматривают как науку и  учебную дисциплину, которая призвана изучать взаимоотношения организмов и среды во всем их разнообразии. При этом под средой понимается не только мир неживой природы, а  и воздействие одних организмов или их сообществ на другие организмы  и сообщества. Экологию иногда связывают  только с учением о среде обитания или окружающей среде. Последнее  в основе правильно с той, однако, существенной поправкой, что среду  нельзя рассматривать в отрыве от организмов, как и организмы вне  их среды обитания. Это составные  части единого функционального  целого, что и подчеркивается приведенным  выше определением экологии как науки  о взаимоотношениях организмов и  среды. В настоящее время термин «экология» существенно трансформировался. Она стала больше ориентированной на человека в связи с его исключительно масштабным и специфическим влиянием на среду.

Проблемы энергетики

Энергетика - это та отрасль производства, которая  развивается невиданно быстрыми темпами. Если численность населения  в условиях современного демографического взрыва удваивается за 40-50 лет, то в  производстве и потреблении энергии  это происходит через каждые 12-15 лет. При таком соотношении темпов роста населения и энергетики, энерговооруженность лавинообразно  увеличивается не только в суммарном  выражении, но и в расчете на душу населения.

В настоящее  время энергетические потребности  обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического  топлива, воды и атомного ядра. Энергия  воды и атомная энергия используются человеком после превращения  ее в электрическую энергию. В  то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой и только часть ее превращается в электрическую. Однако и в том и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду.

Экологические проблемы тепловой энергетики

За счет сжигания топлива (включая уголь, дрова и  другие биоресурсы) в настоящее время  производится около 90% энергии. Доля тепловых источников уменьшается до 80-85% в  производстве электроэнергии. При этом в промышленно развитых странах  нефть и нефтепродукты используются в основном для обеспечения нужд транспорта. 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, атомная энергетика, дает 17-18% электроэнергии.

Сжигание  топлива - не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик  в среду загрязняющих веществ. Тепловые электростанции в наибольшей степени  «ответственны» за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных  осадков. Они, вместе с транспортом, поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО2), около 50% двуокиси серы, 35% - окислов азота и около 35% пыли. Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.

В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений. При пересчете  на смертельные дозы в годовых  выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт  содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа-400 млн. доз, магния -1,5 млн. доз. Летальный эффект этих загрязнителей  не проявляется только потому, что  они попадают в организмы в  незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния  через воду, почвы и другие звенья экосистем.

Можно считать, что тепловая энергетика оказывает  отрицательное влияние практически  на все элементы среды, а также  на человека, другие организмы и  их сообщества.

Вместе с  тем влияние энергетики на среду  и ее обитателей в большей мере зависит от вида используемых энергоносителей (топлива). Наиболее чистым топливом является природный газ, далее следует  нефть (мазут), каменные угли, бурые  угли, сланцы, торф.

Выбросы ТЭС  являются существенным источником такого сильного канцерогенного вещества, как  бензопирен. С его действием связано увеличение онкологических заболеваний. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушать легочную ткань и вызывать такое заболевание, как силикоз.

Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и ишаков. Для  этого требуются значительные территории, которые долгое время не используются, а также являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности.

Имеются данные, что если бы вся сегодняшняя энергетика базировалась на угле, то выбросы СО, составляли бы 20 млрд. тонн в год (сейчас они близки к 6 млрд. т/год). Это тот  предел, за которым прогнозируются такие изменения климата, которые  обусловят катастрофические последствия  для биосферы.

Экологические проблемы гидроэнергетики

Одно из важнейших  воздействий гидроэнергетики связано  с отчуждением значительных площадей плодородных (пойменных) земель под  водохранилища. В России, где за счет использования гидроресурсов производится не более 20% электрической энергии, при строительстве ГЭС затоплено  не менее 6 млн. га земель. На их месте  уничтожены естественные экосистемы. Значительные площади земель вблизи водохранилищ испытывают подтопление  в результате повышения уровня грунтовых  вод. Эти земли, как правило, переходят  в категорию заболоченных. В равнинных условиях подтопленные земли могут составлять 10% и более от затопленных. Уничтожение земель и свойственных им экосистем происходит также в результате их разрушения водой (абразии) при формировании береговой линии. Таким образом, со строительством водохранилищ связано резкое нарушение гидрологического режима рек, свойственных им экосистем и видового состава гидробионтов.

Ухудшение качества воды в водохранилищах происходит по различным причинам. В них резко  увеличивается количество органических веществ как за счет ушедших под  воду экосистем (древесина, другие растительные остатки, гумус почв и т. п.), так  и вследствие их накопления в результате замедленного водообмена. Это своего рода отстойники и аккумуляторы веществ, поступающих с водосборов. Ухудшение качества воды ведет к гибели многих ее обитателей. Возрастает заболеваемость рыбного стада, особенно поражение гельминтами. Снижаются вкусовые качества обитателей водной среды. Нарушаются пути миграции рыб, идет разрушение кормовых угодий, нерестилищ и т. п.

В конечном счете, перекрытые водохранилищами  речные системы из транзитных превращаются в транзитноаккумулятивные. Кроме биогенных веществ, здесь аккумулируются тяжелые металлы, радиоактивные элементы и многие ядохимикаты с длительным периодом жизни. Продукты аккумуляции делают проблематичным возможность использования территорий, занимаемых водохранилищами, после их ликвидации.

Водохранилища оказывают заметное влияние на атмосферные  процессы. Например, в засушливых (аридных) районах, испарение с поверхности  водохранилищ превышает испарение  с равновеликой поверхности суши в десятки раз. Издержки гидростроительства для среды заметно меньше в  горных районах, где водохранилища  обычно невелики по площади. Однако в  сейсмоопасных горных районах водохранилища  могут провоцировать землетрясения. Увеличивается вероятность оползневых явлений и вероятность катастроф  в результате возможного разрушения плотин. Так, в 1960 г. в Индии (штат Гунжарат) в результате прорыва плотины вода унесла 15 тысяч жизней людей.

Экологические проблемы ядерной энергетики

Ядерная энергетика до недавнего времени  рассматривалась как наиболее перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так  и со щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится также  возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи  с малыми объемами. Достаточно отметить, что 0,5 кг ядерного топлива позволяет  получать столько же энергии, сколько  сжигание 1000 тонн каменного угля.

До недавнего  времени основные экологические  проблемы АЭС связывались с захоронением отработанного топлива, а также  с ликвидацией самих АЭС после  окончания допустимых сроков эксплуатации. Имеются данные, что стоимость  таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС.

При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в среду крайне незначительны. В среднем они в 2-4 раза меньше, чем от ТЭС одинаковой мощности.

К маю 1986г. 400 энергоблоков, работавших в мире и  дававших более 17% электроэнергии, увеличили  природный фон радиоактивности  не более чем на 0,02%. До Чернобыльской  катастрофы не в только в мире, но и в России никакая отрасль производства не имела меньшего уровня производственного травматизма, чем АЭС. За 30 лет до трагедии при авариях, и то по нерадиационным причинам, погибло 17 человек. После 1986 г. главную экологическую опасность АЭС стали связывать с возможностью аварий. Хотя вероятность их на современных АЭС и невелика, но и она не исключается.

В процессе ядерных реакций выгорает лишь 0,5-1,5% ядерного топлива. Ядерный реактор  мощностью 1000 МВт за год работы выделяет около 60 т радиоактивных отходов. Часть их подвергается переработке, а основная масса требует захоронения. Отработанное топливо обычно перегружается  в бассейны выдержки, где за несколько  лет существенно снижается радиоактивность  и тепловыделение.

Неизбежный  результат работы АЭС - тепловое загрязнение. На единицу получаемой энергии здесь  оно в 2-2,5 раза больше, чем на ТЭС, где значительно больше тепла  отводится в атмосферу.

В целом можно  назвать следующие воздействия  АЭС на среду:

• разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных структур и т. п.) в местах добычи руд (особенно при открытом способе);
• изъятие земель под строительство самих АЭС. Особенно значительные территории отчуждаются под строительство сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800-900 га. Пруды могут заменяться гигантскими градирнями с диаметром у основания 100-120 м и высотой, равной 40-этажному зданию;
• изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс подогретых вод. Если эти воды попадают в реки и другие источники, в них наблюдается потеря кислорода, увеличивается вероятность цветения, возрастают явления теплового стресса у гидробионтов;
• не исключено радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в процессе добычи и транспортировки сырья, а также при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях.

Некоторые пути решения  проблем современной энергетики

Несомненно, что в ближайшей перспективе  тепловая энергетика будет оставаться преобладающей в энергетическом балансе мира и отдельных стран.

1. Использование  и совершенствование очистных  устройств. В настоящее время  на многих ТЭС улавливаются  в основном твердые выбросы  с помощью различного вида  фильтров.

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

3. Большие  и реальные возможности уменьшения  или стабилизации поступления  загрязнений в среду связаны  с экономией электроэнергии. Особенно  велики такие возможности за  счет снижения энергоемкости  получаемых изделий. 

4. Не менее  значимы возможности экономии  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.

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.

Альтернативные источники  получения энергии

Основные  современные источники получения  энергии (особенно ископаемое топливо) можно рассматривать в качестве средства решения энергетических проблем  на ближайшую перспективу. Это связано  с их исчерпанием и неизбежным загрязнением среды. В этой связи  важно познакомиться с возможностями  использования новых источников энергии, которые позволили бы заменить существующие. К таким источникам относится энергия солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и  других источников.

Солнце как источник тепловой энергии

Это практически  неисчерпаемый источник энергии. Ее можно использовать прямо (посредством  улавливания техническими устройствами) или опосредствованно через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, которые обусловливаются солнечными явлениями.

Использование солнечного тепла - наиболее простой и дешевый путь решения  отдельных энергетических проблем.

Наиболее распространено улавливание  солнечной энергии посредством  различного вида коллекторов. В простейшем виде это темного цвета поверхности  для улавливания тепла и приспособления для его накопления и удержания.