И альтернативных источников энергии.
Энергетика является одной из наиболее крупномасштабных отраслей промышленного производства. Это основа развития всех отраслей промышленности, определяющих прогресс в целом (рис. 1.29). Вместе с тем самым серьезным фактором загрязнения природной среды является добыча и использование ископаемых энергоносителей, прежде всего нефти, угля и природного газа, обеспечивающего более 90% мировой потребности в энергии. Приведем экологические характеристики тепловой, атомной, гидроэнергетики и альтернативных источников энергии.
В тепловой электростанции (ТЭС) происходит сжигание углеродсодержащего топлива и под действием этого тепла в котле возникает пар с температурой Т = 600°С, который приводит в движение турбину, связанную с ротором генератора. На зажимах генератора создается напряжение, и электрическая энергия от генератора по линиям электропередачи передается к потребителям. Пар после турбины поступает в конденсатор, теплообменный аппарат, где он охлаждается проточной водой, превращается в воду, которая с помощью насоса вновь поступает в котел. Необходимость использования проточной воды, которая от пара нагревается, приводит к тепловому загрязнению окружающей среды. Создание, передача и использование электрической энергии ведут к электромагнитному загрязнению. Сжигание углеродсодержащих топлив приводит к появлению диоксида углерода СО2, оксидов серы и азота.
ТЭС на угле, вырабатывающая электроэнергию мощностью 1 ГВт, ежегодно потребляет 3 млн. т. угля, выбрасывая в окружающую среду 7 млн. т. диоксида углерода, 120 тыс. т диоксида серы, 20 тыс. т оксидов азота и 750 тыс. т золы. В каменном угле и летучей золе содержатся значительные количества радиоактивных примесей (226Ra, 228Ra и др.). Тепловая энергетика требует изъятия территорий для добычи топлива, его транспортировки, размещения электростанций и линий электропередач, для отвалов со шлаком.
В наиболее распространенных атомных электростанциях на тепловых нейтронах через реактор, в котором находятся тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) с обогащенным ураном, протекает теплоноситель, обычно вода (рис. 1.30). В результате распада атомов 235U под действием тепловых нейтронов в ТВЭЛах происходит выделение энергии, и температура протекающей воды повышается. Далее вода поступает в парогенератор. Возникает пар, который действует на турбину, связанную с ротором генератора, где генерируется электрическая энергия, направляющаяся по линиям электропередач к потребителям. Пар охлаждается в конденсаторе теплообменника с помощью воды и возвращается в парогенератор.
При использование ядерного топлива в окружающую среду не выбрасываются диоксид углерода (т. е. не способствует развитию парникового эффекта), оксиды серы и азота (приводящие к кислотным дождям). Теплотворная способность ядерного топлива примерно в 2 млн. раз выше, чем у углеродсодержащего топлива. Эксплуатация АЭС позволяет экономить в мире 400 млн. т. нефти ежегодно. Себестоимость энергии на АЭС в нашей стране в 1,5-2 раза меньше, чем на ТЭС.
Вместе с тем, наличие большого количества АЭС требует переработки (остекловывание и захоронение в глубинных формациях) отходов, транспортировки и захоронения в шахтах или на дне моря больших количеств продуктов радиоактивного распада, способных уничтожить все человечество. Опасность для людей представляют и аварии на АЭС, сопровождающиеся выбросом радиоактивных продуктов распада в атмосферу.
Гидроэлектростанции (ГЭС) являются старым источником электроэнергии. При их строительстве река перегораживается плотиной, создается водохранилище, и вода по трубам направляется к турбинам. Вращающиеся турбины приводят в движение роторы генераторов. На зажимах статоров возникает напряжение, а электрическая энергия по линиям электропередачи направляется к потребителям.
Гидроэнергия непрерывно возобновляется и будет существовать до тех пор, пока энергия Солнца поступает на Землю. Однако работа ГЭС имеет ряд экологических недостатков: затопление земель, пригодных для сельского хозяйства; изменение климата в зонах водохранилищ; сокращение рыбных запасов; создание условий к наведенной сейсмичности.
Развитие энергетики в основном базируется на невозобновляемых источниках энергии: углеродсодержащем или урановом топливе. Экологические недостатки этих источников энергии приводят к разработке и все более широкому использованию нетрадиционных (альтернативных) возобновляемых источников энергии. С этой точки зрения перспективной является энергетика, основанная на использовании солнечной энергии, энергии ветра, малых рек, приливов и волн, течений, геотермальной энергии, энергии биомассы и т.п.
В настоящее время ведутся исследования по использованию солнечной энергии(рис. 1.31).Поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности, в 9 тыс. раз больше суммарной энергии, производимой в мире в настоящее время с помощью органических топлив и урана. Солнечная энергия обладает рядом преимуществ. Она имеется повсюду, практически неисчерпаема и доступна в одной и той же форме на бесконечно долгий период времени. Однако, солнечная энергия обладает низкой плотностью потока (800-1000 Вт/м2), ее интенсивность меняется в течение суток, зависит от сезона и т.д.
Условно можно выделить четыре направления использования солнечной энергии: теплотехническое, фотоэлектрическое, биологическое и химическое. Теплотехническое направление (солнечное теплоснабжение) основано на нагревании теплоносителей, например воды, обычными или сконцентрированными солнечными лучами в специальных устройствах-коллекторах. Это способ уже находит практическое применение для опреснения и подогрева воды, обогрева зданий зимой и охлаждения их летом, сушки различных продуктов и материалов, питания термопреобразователей и т.п.
Большое внимание уделяется фотоэлектрическому способу использования электрической энергии. Созданы фотоэлектрические преобразователи - солнечные батареи, которые ныне широко используются на космических кораблях. КПД батарей составляет 12-15%. Широкое использование полупроводниковых преобразователей в наземной энергетике сдерживается из-за их пока еще слишком высокой стоимости. Экологическими недостатками солнечных электростанций являются большие затраты материалов и нарушения экологического равновесия под солнечными батареями, занимающими площадь в несколько гектаров.
Намечаются пути практического использования уже имеющихся биологических преобразователей солнечной энергии. С точки зрения возможности относительно быстрой реализации наиболее заманчивым представляется следующий двухступенчатый метод: на первом этапе под действием солнечного света на культуру быстрорастущих микроводорослей или других растений следует накапливать органическую биомассу, а затем с помощью специальных бактерий перерабатывать ее в высококалорийное топливо, например метан.
Одним из перспективных представляется процесс разложения воды на водород и кислород под действием солнечной радиации. Водород ценный химический продукт, который можно использовать в виде экологически чистого топлива. Водород является лучшим топливом из всех известных видов: по теплотворности на единицу веса он в 2,6 раза превосходит природный газ и в 3,3 раза - нефть или бензин. Отдельные стадии этого процесса в той или иной степени уже разработаны. Ближайшая задача состоит в том, чтобы соединить эти каталитические системы в единый законченный фотохимический преобразователь.
Все большее внимание привлекает использование энергии ветра, поскольку в масштабах планеты энергия ветра в 1000 раз превышает гидроэнергию (рис. 1.32). В России построено 1500 ветроустановок разной мощности. В качестве экологических недостатков ВЭС отмечают генерацию ими инфразвукового шума, вызывающего чувство дискомфорта и беспокойства. Практически территории, на которых размещаются ВЭС большой мощности, оказываются непригодными для проживания.
Большие ресурсы геотермальной энергии (на базе горячих подземных вод) имеются на Камчатке, Сахалине и Курильских островах, меньше - на Кавказе. Геотермальная энергия может применяться в сельском (обогрев теплиц) и коммунальном (горячее водоснабжение) хозяйствах. Океаны содержат огромный потенциал в виде тепловой энергии температурного градиента по глубине толщи воды (различия температур верхнего и нижнего слоев воды), а также энергию океанических течений, морских волн и приливов.
Перспективно производство энергии биомассы, получаемой в результате переработки органических отходов. Разработаны технологии производства биогаза и этанола, которые можно использовать как топливо, и компоста (органических удобрений) из органических отходов животноводческих комплексов, свинокомплексов, птицефабрик, городских сточных вод, бытовых отходов, отходов деревообрабатывающей промышленности.
Увеличение производства электроэнергии на основе энергии ветра, солнца, биогаза позволит значительно уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу.