ТЭЦ. Особенности формирования выбросов при использовании различных видов топлива

Уголь. Уголь, используемый в народном хозяйстве, делится на каменный и бурый. Главное их отличие друг от друга — количество теплоты, выделяющейся при сго­рании, которое может различаться в 2—5 раз. В целом, теплота сгорания, выделя­ющаяся при сжигании 1 т условного топлива (тут) — высококачественного камен­ного угля, в 1,2 раза меньше, чем при сжигании 1 тут газа, и в 1,4 раза меньше, чем при сжигании природного газа. Особенности загрязнения окружающей среды при сжигании угля характери­зуются следующими направлениями:

1) Газообразные вещества. Как правило, при сжигании каменного угля выде­ляется в 5—10 раз больше оксидов азота, чем при сжигании других видов топлива (табл. 1), причем выброс при использовании каменного угля в 6 раз больше, чем при использовании бурого.

Таблица 1

Выбросы в атмосферу при сжигании топлива, г/кВтч

Загрязнители	Виды топлива
	Каменный уголь	Бурый уголь	Мазут	Природный газ
SO2		7,7	7,4	0,002
Твердые частицы	1,4	2,4	0,7
NOX		3,45	2,45	1,9

Но оксида серы (II) выбрасывается меньше, чем при сжигании мазута. Лишь сернистость низкокачественных бурых углей больше, чем мазута. Наибольшую сернистость имеют подмосковные и украинские бурые, донецкий, кизеловский, интинский каменные угли, эстонские горючие сланцы. Сибирские угли, как пра­вило, имеют небольшое содержание серы, измеряемое десятыми и даже сотыми долями процента.

2) Твердые частицы. Выброс при сжигании бурых углей почти в два раза превышает выброс каменных углей, который в свою очередь в два раза превыша­ет выброс нефти. С природным газом по этому параметру уголь конкурировать не может, так как при сжигании газа твердых частиц не выделяется. Специфиче­ское твердое вещество - оксид ванадия (V₂O₅) — выделяется только при сжигании угля.

3) Радиоактивные выбросы. Огромная радиоактивность золы и выбрасывае­мых в атмосферу твердых частиц приводит к рассеиванию радиоактивных эле­ментов через трубы теплоэнергоцентралей (ТЭЦ) и разносу радиоактивной пыли с золоотвалов. При сжигании таких углей на ТЭС за счет термохимических процессов в выбросах возрастает содержание радия-226 и свинца-210, причем последний накапливается в золе. После сжигания угля концентрация в золе свинца-210 увеличивается в 5-10 раз, а радия-226 — в 3-6 раз.

Следовательно, при сжигании каменного угля больше всего образуется окси­дов азота (21 г/кВт-ч), далее идут оксиды серы (6 г/кВт-ч), а потом твердые части­цы (1,4). При сжигании бурого угля соотношение основных веществ другое: мак­симум приходится на оксиды серы (7,7), далее идут оксиды азота (3,45), а замы­кают список твердые частицы (2,4). Отсюда можно сделать вывод, что в абсолютном выражении доля выбросов твердых частиц при сжигании угля мень­ше, чем других основных веществ, но в абсолютном значении среди прочих ви­дов топлива уголь по выбросу твердых частиц в атмосферу занимает первое место.

Нефть. Для сжигания в котле электростанции используется "нефтяная грязь" — ма­зут. Он выделяется с помощью перегонки нефти, т.е. выделение содержащихся в ней продуктов методом раздельной конденсации паров углеводородов с различ­ными температурами кипения и давлениями конденсации. Поэтому ТЭС, исполь­зующие в качестве топлива мазут, тяготеют к центрам нефтеперерабатывающей промышленности (Кириши Ленинградской обл., некоторые теплоэлектростанции Поволжья, Рязанской обл.). Некоторые станции также расположены в районах добычи нефти (Печорская и Западно-Сибирская нефтегазоносные провинции). Но, в основном, мазут на ТЭС используется как вспомогательное топливо и дос­тавляется железной дорогой. Особенности загрязнения атмосферы выбросами ТЭС, использующими мазут, проявляются прежде всего в структуре выбросов.

1)Газообразные вещества. При сжигании нефти образуется достаточно боль­шое количество оксидов серы. Особенно высокую сернистость имеют мазуты, получаемые из нефти Волго-Уральского района, а мазуты, полу­чаемые из нефти сибирских месторождений, имеют низкую сернистость. Выход окислов азота при сжигании мазута больше, чем у газа, но меньше, чем у угля.

2)Твердые частицы. В нефти их содержится меньше, чем в угле. Но, все равно, их количество по сравнению с газом значительно.

3)Специфические вещества. При сжигании мазута выделяются окислы раз­личных элементов: V₂O₅, NiO₃, MnO₂, A1₂O₅, F₂O₅, SiO₂, MgO. Высок также выход бенз(а)пирена.

Следовательно, при сжигании мазута больше всего образуется оксидов серы (7,4 г/кВтч), на втором месте - оксиды азота (2,45), а выбросы твердых веществ незначительны (0,7).

Нефть как топливо для ТЭС используется неохотно по многим причинам:

• ценность нефти как универсального сырья для химической промышленности;

• ценность нефти как топлива в различных транспортных средствах (от бен­зина для автомобиля до ракетного топлива);

• конкуренция со стороны других видов топлива. Поэтому целесообразность сжигания нефти на ТЭС имеется только в том слу­чае, если рядом расположен НПЗ большой мощности. Постройка ТЭС в районах добычи опасна для окружающей среды, так как это районы с ранимой природой, главным образом тундра и северная тайга. Но в целом нефть используется как резервное топливо и как переходное при переводе с угля на природный газ.

Природный газ.Природный газ - самое распространенное в данный момент топливо. Сейчас доля потребления природного газа в объеме топливопотребления составила 50%, а в европейской части - 80%. В производстве энергии доля газа превысила 60%. Причины большого распространения природного газа в качестве топлива на ТЭС заключаются в следующем.

Во-первых, природный газ - экологически более чистое топливо по сравне­нию с мазутом и углем. При его сжигании вообще не выбрасывается твердых частиц, выбросы оксидов серы ничтожны (только при­родный газ Астраханского и Оренбургского месторождений обладает высокой сернистостью, а газ Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции серы прак­тически не содержит), и лишь оксиды азота выбрасываются в незначительном количестве (в более чем 10 раз меньше, чем у каменного угля и в 1,3 раза - чем при сжигании мазута). Но, в целом, при сжигании природного газа выбрасываются оксиды азота (1,9 г/кВт-ч). Поэтому теплоэнергетика высокоурбанизированных и промышленно развитых территорий базируется на природном газе. Лишь в депрессивных районах, зарож­дение которых было связано с добычей угля, сохраняется высокое потребление угля. Для улучшения экологической ситуации необходим перевод и этих станций на природ­ный газ.

Во-вторых, это свобода размещения ТЭС на природном газе по сравнению с ТЭС, потребляющими другие виды топлива. Это связано прежде всего с легко­стью транспортирования газа с помощью газопровода к станции, а для угля нуж­на железная дорога, да и транспортные издержки велики, а для нефти — это необ­ходимость близости к НПЗ или железной дороге.

Именно по этим причинам с 80-х годов на многих электростанциях, находя­щихся в экологически неблагополучных местах, наметилась переориентировка с угля на природный газ.

Основными факторами загрязнения атмосферы при работе ТЭЦ являются:

1. Вид используемого топлива.

2. Качество сжигаемого топлива. В зависимости от месторождения различные виды топлива имеют свои ха­рактеристики, а именно, содержание различных химических веществ и соединений. Большую роль играет содержание серы (сернистость топлива) и твердых частиц.

3. Тип энергоустановки. Как правило, при сжигании топлива в одних, технически отсталых, энергоус­тановках, выбросы вредных веществ больше, чем на технически усовершенствованных. Но вне зависимости от типа топки количе­ство образующихся окислов серы всегда пропорционально содержанию серы в топливе. В связи с этим сокращение выбросов этого компонента в атмосферу возможно либо при уменьшении сернистости сжигаемого топлива, с предваритель­ной очисткой его, либо при организации системы улавливания серы из уходящих газов котлов.

4. Возраст энергоустановки. Более старые топки представляют большую опасность для окружающей сре­ды по ряду технических параметров ввиду физического и морального износа по сравнению с усовершенствованными новыми топками. Они также используются, главным образом, в электростанциях старопромышленных районов и поэтому эти ГРЭС лидируют по выбросам вредных веществ в окружающую среду. Энергетические установки для сжигания угля, как правило, являются сильно устаревшими и нуждаются либо в реконструкции, либо в закрытии, что создает дополнительные проблемы отрасли. Например, в России в последнее время многие угольные станции переводятся на другой вид топлива, главным образом природный газ. Это выгодно для районов, удаленных от крупных угольных бассейнов, так как газ легче транспортировать. Но для типично угольных районов это большая пробле­ма. В угольной инфраструктуре занято огромное количество трудоспособного населения, которое вследствие уменьшения объема добычи угля и, следователь­но, закрытия не только малорентабельных и нерентабельных мелких шахт, но и росту безработицы. Как правило, угольные электро­станции расположены в неблагополучных в экологическом плане районах. По­этому данная ситуация тормозит переход на более экологически чистые техноло­гии и улучшение экологической ситуации.

Твердые отходы от предприятий теплоэлектроэнергетики.При использовании таких видов топлива, как уголь и мазут, образуется огромное количесво золошлаков. Зола, представляющая собой летучую компоненту, образующуюся при сжигании топлива, также относится к числу вредных примесей. Она имеет сложный химический состав, при этом из оксидов в свободном состоянии в ней могут находиться только оксид кальция и диоксид кремния. Последний из них является сильным канцерогеном и может вызвать рак легких. К тому же, многочисленные золошлакоотвалы являются источником загрязнения подземных вод.

Загрязнение водных источников от ТЭС.Электроэнергетика является отраслью промышленности, потребляющей ог­ромное количество свежей воды: 77% от общепромышленного объема водопотребления. Большая часть воды расходуется на охлаждение различных агрегатов, в связи с чем тепловые электростанции являются источниками теплового загряз­нения. Выбросы больших объемов тепла и влаги непосредственно в атмосферу приводят к увеличению влажности, облачности, количеству осадков, туманов, гололедов в радиусе до 3 км, особенно в осенне-весенний период. Факелы гради­рен содержат некоторое количество солей вследствие выноса части минеральных веществ, содержащихся в воде, и коррозии металла. В связи с этим возможно засоление почв. Другим крупным потребителем воды, загрязняющим водоемы и подземные воды, являются системы гидрозолоудаления ТЭЦ, использующие твердое топли­во - угли, сланцы, торф.

Со сточными водами в водные объекты сбрасываются загрязняющие веще­ства, нефтепродукты, хлориды, сульфаты, соли тяжелых металлов, специфиче­ские вещества (сероводород, капролактам, формальдегид).

Таким образом, анализ последствий, связанных с работой теплоэлектростан­ций, показывает, что наиболее значимым является атмосферное загрязнение.

Атомная энергетика. Быстро растущие потребности в электроэнергии, трудности, связанные с на­ращиванием производства электроэнергии на тепловых станциях вызвали необ­ходимость создания атомной энергетики. Для многих стран, особенно не имею­щих собственных топливных ресурсов, определяющим стало развитие ядерной энергетики. Немаловажное значение в развитии ядерной энергетики имел и эко­логический фактор - необходимость сокращения все нарастающих выбросов на предприятиях тепловой энергетики.

В настоящее время, например в России действует 30 реакторов АЭС с установленной мощностью 22,2 КВт. Доля ядерной энергетики в производстве энергии составля­ет 14%, а в общем энергобалансе - примерно 3%. За 2001-2010 годы предполага­ется закончить строительство пяти реакторов и построить еще пять новых, увеличив тем самым установленную мощность АЭС на 10 ГВт. Это означает, что доля АЭС будет доведена до 20%. В ряде стран эта доля значительно выше — Литва - 83,4%, Франция - 77,4, Бельгия - 57,2, Словакия - 44,5, Швейцария -44,4, Украина - 43,8. В России доля АЭС в производстве энергии составляет лишь 13%, однако по отдельным районам она существенно меняется. В Мурманской области - 65%, центральных районах европейской части - до 25%, на Дальнем Востоке - менее 1 %.

Воздействие самих атомных электростанций на окружающую среду относительно невелико: в атмосферу попадает небольшое количество летучих веществ и аэрозолей (строго нормированное по ПДВ) - это тритий, радиоактивные изото­пы ксенона, криптона, йода, осколки деления ядер, продукты активации. Газовые сбросы в атмосферу предварительно очищаются от радионуклидов. Объемы жидких отходов, образующихся на АЭС, могут достигать 100 тыс. м³/год на энергоблок с реактором РБМК-1000 и 40 тыс. м³/год на энергоблоке с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. Объем твердых отходов ежегодно достига­ет на АЭС 2000-3000 м³. Основным видом твердых отходов является отработан­ное топливо. Ежегодно заменяют примерно 1/3 действующих тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) новыми. Как правило, большая часть твердых и жидких ра­диоактивных отходов (РО) хранится в специально оборудованных на станциях хранилищах. Но заполненность хранилищ жидкими и твердыми РО высока и
уже достигает 83,5% на Кольской и Белоярской АЭС.

При работе АЭС происходит сильное тепловое загрязнение поверхностных вод, что вызвано технологическими особенностями. Поскольку тепловыделение на единицу израсходованного топлива существенно выше, чем у ТЭС, то и расход воды на атомных станциях в 1,5 раза выше и составляет 50 м³/с. Сбрасываемые воды являются условно чистыми, но приводят к увеличению температуры водоема, что в свою очередь приводит к гибели живых организмов, уменьшению содержания кислорода, увеличению скорости воспроизводства орга­нического вещества. Уровень экологической опасности для водоемов наиболее высок для крайних северных и южных широт. Наименьшая уязвимость на 56-60° с.ш. Влияние водоемов-ох­ладителей на окружающую территорию особенно сильно в зимнее время, когда они представляют незамерзающие или частично замерзающие акватории, из-за большой разницы температуры воды в водоеме и воздуха образуются сильные туманы. Вблизи водоема выпадает чрезмерное количество осадков в виде снега или изморози. Обмерзают линии высоковольтных передач.

В некотором отдалении от АЭС всегда создаются города или поселки го­родского типа, поэтому прямое воздействие на население ограничено.

Однако воздействие АЭС нельзя рассматривать изолированно от других ста­дий ядерного топливного цикла (ЯТЦ). ЯТЦ включает следующие взаимосвязан­ные производства: добычу урановой руды, ее переработку с получением урано­вых концентратов и гексафторида урана; разделение изотопов (обогащение) ура­на; изготовление ТВЭЛов; регенерацию отработавшего ядерного топлива на радиохимических заводах, хранение, отработку и захоронение отходов высокой и низкой удельной активности; транспортировку топлива и радиоактивных отхо­дов между различными предприятиями ЯТЦ.

Стратегическим направлением развития атомной энергетики является замыкание ядерного топливного цикла. Намечены модернизация радиохимического завода по переработке отработанного ядерного.

Переработка отработанного топлива.Переработка отработанного топлива является самой опасной частью цик­ла, так как свыше 99% продуктов деления попадает в высокоактивные отходы. Поэтому радиохимические заводы относятся к наиболее опасным стадиям ЯТЦ. При размещении этих заводов как наиболее опасных предприятий ЯТЦ в России не были учтены возможности аварийных ситуаций, которые могут оказать сильное воздействие как на окружающую территорию, так и на население. Все заводы находятся в непосредственной близости от крупных городов, два из них - в вер­ховьях крупнейших рек России. Красноярский ГХК расположен в 40-50 км от Красноярска, под землей. Его покрывает 250-метровый каменный колпак. Это предприятие определяет радиационную обстановку в бассейне р. Енисей на всем ее протяжении - от г. Красноярска до устья. На правом берегу р. Енисей, в 60 км от Красноярска ниже по течению расположен полигон "Северный" для хранения жидких среднеактивных отходов. Жидкие промстоки передаются на полигон ма­гистральным трубопроводом длиной 15 км. Отходы закачиваются под землю в водоносные песчано-глинистые горизонты на глубину 400-500 и 130-220 м. Хра­нилище за время своего существования приняло миллионы кубометров отходов общей активностью около 10⁸ Ки.

Сибирский химический комбинат (СКХ) расположен около города Северска (Томск-7), в 15-20 км от Томска. Комплекс включает пять реакторов с графито­выми замедлителями и химкомбинат. Комбинат имеет полный цикл переработки - первичное обогащение, наработка плутония, установка для отделения плутония от высокорадиоактивных продуктов распада, вторичная переработка отработан­ного урана с использованием технологии фторирования.

Использование комбинатом современных новейших технологий, в том числе и плазменных, позволяет получать обогащенный уран высокого качества.

Существенному воздействию подвергся ряд городов при авариях. В 1957 г. на ПО "Маяк" произошел взрыв одного из хранилищ жидких радиоактивных отхо­дов. В результате переноса продуктов аварии в северо-восточном направлении образовался Восточно-Уральский радиоактивный след. Загрязненными оказались участки Челябинской, Екатеринбургской, Тюменской областей. В выбросах пре­обладали стронций-90, цезий-144, цезий-137.

Авария на Чернобыльской АЭС в значительной степени определила экологи­ческую обстановку в г. Чернобыль, который был полностью отселен, а также в г. Гомель и Могилев в Белоруссии, Плавск, Клинцы, Новозыбков в России, где наиболее высокие уровни загрязнения почвы ¹³⁷Cs наблюдались на западе Брян­ской области, на отдельных участках - свыше 100 Ku/км². Чернобыльская авария привела к необходимости пересмотра стратегии развития атомной энергетики.

Гидроэлектроэнергетика. Россия и страны Содружества располагают значительными гидроэнергоресурсами, которые оцениваются в 3942 кВт-ч/год, из них экономический потенци­ал составляет 1095 кВт-ч.

ГЭС в отличие от рассмотренных типов станций не загрязняют ни воздушный ни водный бассейны. С одной стороны, ГЭС - один из самых экологически чистых способов производства энергии. Но с другой - водохранилище изменяет берега, усиливает воздействие на береговую линию, усиливает эрозию, подтопле­ние территории, изменяет гидрологический режим. Площадь некоторых водохра­нилищ столь велика, что они затопили части городов или даже город целиком. Крупные гидроэнергетические сооружения в потенциале несут в себе опас­ность крупных катастроф. Ежегодно в мире происходит более трех тысяч аварий на различных плотинах, из них каждая седьмая - в странах СНГ. При аварийном разрушении плотины возникает так называемая волна прорыва, которая затапли­вает огромные территории и приносит большой материальный и экологический ущерб. Критерий остроты, масштабов последствий зависит от высоты волны прорыва, от того, насколько она превышает максимальную высоту в створе плотины, а так же от времени добегания гребня волны прорыва. Особо большая опасность существует для рек, на которых сооружены каскады гидроэлектростанций. Важным для городов дислокации ГЭС является незамерзание реки зимой ниже плотины, и как следствие повышение влажности воздуха. Что негативно сказывается как на здоровье населения, так и на конструкциях зданий, сооруже­ний. К тому же повышенная влажность резко ухудшает потенциал самоочищения атмосферы.

2.К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) относятся солнечная энергия, энергия ветра, биомассы малых рек, приливная, волновая, энергия океана. Доля возобновляемых источников в общем производстве состав­ляет сейчас в России 0,1%. Несмотря на огромный объем нетрадиционных источ­ников энергии, особенно ветра и биомассы, технически освоенный и экономичес­ки оправданный потенциал намного ниже. Поэтому планируется поднять эту долю до 0,8-1,0% (Европейский союз, например, намерен к 2010 г. довести ее до 12% общего энергопотребления).

Основными недостатками НВИЭ являются: 1) малая плотность потоков энер­гии и как следствие землеемкость; 2) высокая себестоимость; 3) непостоянство во времени, особенно солнечной и ветровой энергии. Есть также особенности каж­дого конкретного способа получения энергии. Так, для производства электроэнер­гии на солнечных и геотермальных станциях к воде добавляют многочисленные ингибиторы коррозии (хроматы, нитриты, нитраты, сульфаты, сульфиты, фосфа­ты и т.д.). Использование ветра создает дополнительные шумы и вибрации, а также электромагнитные излучения, способные вызвать теле- и радиопомехи, поэтому ветроэлектростанции должны быть окружены санитарной зоной, что требует отчуждения земель. Приливные станции приводят к нарушению экосис­темы в верхней части станции.

Ветровая энергетика— это получение механической энергии от ветра с последующим преобразованием ее в электричес­кую. Имеются ветровые двигатели с вертикальной и горизон­тальной осью вращения. Энергию ветра можно успешно исполь­зовать при скорости более 5 м/с. Недостатком является шум. Ориентиром в определении технического потенциала Рес­публики Беларусь могут служить официальные оценки воз­можной доли ветроэнергетики в сложившейся структуре электропотребления таких стран, как Великобритания и Герма­ния. Доля ветроэнергетики в этих странах оценена в 20 %. Потенциал энергии ветра в мире огромен. Теоретически эта энергия могла бы удовлетворить все потребности Европы. Последние инженерные успехи в строительстве ветровых генера­торов, способных работать при низких скоростях, делают использование ветра экономически оправданным. Однако ограничения на строительство ВЭС, особенно в густонаселенных районах, значительно снижают потенциал этого источника анергии.

Наибольшая доля (до 3 %) в производстве электроэнергии ИЭС получена в 1993 г. в Дании, где ветровые турбины рассея­ны по всей стране. Строительство современных ВЭС началось здесь в конце 70-х годов. А в начале 80-х в штате Калифорния (США) наблюдался особенно интенсивный рост ВЭС.

Стоимость ветровой энергии снижается на 15 % в год и да­лже сегодня может конкурировать на рынке, а главное — имеет перспективы дальнейшего снижения в отличие от стоимости энергии, получаемой на АЭС (последняя повышается на 5 % в год); при этом темпы роста ветроэнергетики в настоящее вре­мя превышают 25 % в год.

Опыт освоения энергии ветра в развитых государствах по­казывает, что наиболее оптимальными являются ветроустановки мощностью более 100 кВт, особенно в диапазоне 200—500 кВт. При этом в Дании, например, стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, произведенной на ветроэлектростанции, де­шевле, чем на теплоэлектростанции.

Хотя средняя скорость ветра в Республике Беларусь счита­ется недостаточной для массового развития ветроэнергетики, у нас существуют сотни отдельных мест и территорий, на кото­рых можно устанавливать современные ветроустановки.

По оценкам комитета экономики ТЭК и химпрома Минэко­номики Республики Беларусь потенциал ветровой энергии в Беларуси составляет 150 МВт. Однако средняя скорость ветра в нашей стране — 4,1 м/с (в Голландии — до 15 м/с). Кроме то­го, энергия ветра — величина непостоянная, помимо ветряков, необходимо ставить резервные мощности по производству электроэнергии. В настоящее время кадастр ветроэнергетических площадок включает 800 позиций на территории Рес­публики Беларусь.

Например, в деревне Дружная Мядельского района Минской области уже установлена и работает ВЭУ мощностью 250 кВт. Роторная ветроэнергетическая установка по исползованию энергетического потенциала ветра на сегодняшний день пока является нетрадиционным источником энергии, своего рода ноу-хау в области энергосбережения. По своим техническим характеристикам она не имеет аналогов в мире. Установка способна работать при скорости ветра 3 метра в се­кунду, что характерно для континентального климата Белару­си. В ближайшие два года в республике можно будет создать 1840 площадок для ветроэнергетических установок. Есть гото­вые проекты ВЭУ на 10, 20, 50 и 300 кВт, разработанные Бело­русским государственным научно-исследовательским Тепло­энергетическим институтом (БелТЭИ).

Расчеты, выполненные специалистами показали, что энергия ветра может позволить ежегодно производить 6,5—7,0 млрд кВт-ч электрической энергии, что эквивалентно использованию око­ло 2 млн т у.т. в год.

Однако следует учитывать, что ветроагрегаты используют не весь потенциал энергии ветра, поэтому при внедрении важно определить количественные показатели ВЭУ по степени утилизации ветроэнергоресурсов. Уже сейчас экономически целесообразна установка ВЭУ на Минской возвышенности, в Верхнедвинской зоне, возле Солигорска, озера Нарочь.

Гелиоэнергетика— получение энергии от Солнца. Имеет несколько технологий солнечной энергетики. Фотоэлектро-генераторы для прямого преобразования энергии излучения Солнца, собранные из большого числа последовательно и па­раллельно соединенных элементов, получили название сол­нечных батарей.

Получение электроэнергии от лучей Солнца не дает вред­ных выбросов в атмосферу, производство стандартных сили­коновых солнечных батарей также причиняет мало вреда. Но производство в широких масштабах многослойных элементов с использованием таких экзотических материалов, как арсенид галлия или сульфид кадмия, сопровождается вредными выбросами.

Солнечные батареи занимают много места. Однако в срав­нении с другими источниками, например с углем, они вполне приемлемы. Более того, солнечные батареи могут помещаться на крышах домов, вдоль шоссейных дорог, а также использоваться в богатых солнцем пустынях.

Особенности солнечных батарей позволяют располагать их на значительном расстоянии, а модульные конструкции мож­но легко транспортировать и устанавливать в другом месте. Поэтому солнечные батареи, применяемые в сельской мест­ности и в отдаленных районах, дают более дешевую электроэнергию.

Главной причиной, сдерживающей использование солнеч­ных батарей, является их высокая стоимость, которая в буду­щим, вероятно, снизится благодаря развитию более эффектив­ный и дешевых технологий.

Возможно использование солнечной энергии для получения тепловой, в частности, для отопления жилищ. Однако в условиях нашей страны 80 % энергии Солнца приходится на летний период, когда нет необходимости отапливать жилье, кроме того, солнечных дней в году недостаточно, чтобы использование солнечных батарей стало экономически целесообразным.

На основании двадцатилетнего периода наблюдения уста­новлено, что средняя продолжительность солнечного сияния в Беларуси составляет 1815 часов в год. Годовой приход суммар­ной солнечной радиации на горизонтальную поверхность — 980—1180 кВт-ч/м². Наиболее благоприятным для применения теплосистем является период с апреля по сентябрь. Прове­денный сравнительный анализ продолжительности солнечно­го сияния и прихода суммарной солнечной радиации в странах Западной Европы с умеренным климатом, расположенных между 50 и 60°с.ш., показал, что Беларусь по продолжительности солнечного сияния имеет близкие значения с этими странами, а по приходу среднемесячной солнечной радиации даже превосходит северную часть Германии, Швецию, Данию, Великобританию. Эти государства наряду с "солнечными странами" считаются лидирующими в Европе по выпуску и применению гелиоэнергетического оборудования. В Республике Беларусь целесообразны три варианта ис­пользования солнечной энергии:

1) пассивное использование солнечной энергии методом строительства домов "солнечной архитектуры". Расчеты пока­зывают, что количество энергии, падающей на южную сторо­ну крыши домов площадью 100 м² на широте Минска, вполне хватает даже для отопления зимой (при том, что 10 % солнеч­ной энергии аккумулируется летом и затраты на отопление квадратного метра в отопительный сезон составляют 70 кВтч при хорошей теплоизоляции стен, полов, потолков). Размеры дешевого гравийного теплового аккумулятора под домом при этом вполне приемлемы: 10х10 1,5 м³. Однако в настоящее время полностью игнорируются даже принципы пассивного солнечного отопления. Единственное здание в Беларуси, пос­троенное с использованием этого принципа — немецкий Меж­дународный Образовательный Центр (IBB) в Минске;

2) использование солнечной энергии для целей горячего водоснабжения и отопления с помощью солнечных коллекторов;

3) использование солнечной энергии для производства электроэнергии с помощью фотоэлектрических установок.

На теплоснабжение зданий используется около 40 % всего расходуемого топлива. В Беларуси существующие дома имеют теплопотребление более 250 кВт-ч/м². Если проектирование зданий проводить с учетом энергетического потенциала кли­мата местности и условий для саморегулирования теплового режима зданий, то расход энергии на теплоснабжение можно сократить на 20—60 %. Так, строительство на принципах "солнечной архитектуры" может снизить удельное годовое теплопотребление до 70—80 кВт-ч/м².

Солнечные коллекторы позволяют обеспечить такие дома теплом, а также теплой водой для нужд проживающих в них людей.

Биоэнергетика— это энергетика, основанная на использовании биотоплива. Она включает использование растительных отходов, искусственное выращивание биомассы (водорослей, быстрорастущих деревьев) и получение биогаза.

Биомасса — наиболее дешевая и крупномасштабная форма аккумулирования возобновляемой энергии. Под терми­ном "биомасса" подразумеваются любые материалы биологи­ческого происхождения, продукты жизнедеятельности и отходы органического происхождения. Ежегодный прирост орга­нического вещества на Земле эквивалентен производству такого количества энергии, которое в десять раз больше годово­го потребления энергии всем человечеством на современном этапе.

Источники биомассы, характерные для нашей республики, могут быть разделены на несколько основных групп.

1. Продукты естественной вегетации (древесина, древесные отходы, торф, листья и т.п.).

2. Отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность (твердые бытовые отходы, отходы промышленного производства и др.).

3. Отходы сельскохозяйственного производства (навоз, ку­риный помет, стебли, ботва и т.д.). Специально выращиваемые высокоурожайные агро­культуры и растения.

Однако наличие биомассы даже в большом количестве не означает решения проблемы получения из нее различ­ных продуктов и веществ, в том числе топлива. Непереработанная же биомасса приносит непоправимый вред окружаю­щей среде.

В настоящее время древесные отходы уже находят применение: созданы установки, осваивается технология производства генераторного газа и его сжигание. Специалисты считают, что при правильном использовании древесины, древесных отходов и быстрорастущих лесных насаждений может быть покрыто 15 % потребностей в топливе. При современном объеме потребления это составит около 6 млн. т у.т.

В настоящее время использование биомассы дает в Китае 6 % всей потребляемой тепловой энергии, в США — 6 %, в странах ЕС — 5,7 %, в Бразилии — 32,9 %, в Беларуси —1 %.

Переработка биомассы в топливо осуществляется по нескольким направлениям.

Первое: биоконверсия, или разложение органических веществ растительного или животного происхождения в анаэробных условиях специальными видами бактерий с образованием газообразного топлива (биогаза) и/или жидкого топлива (этанола, бутанола и т.д.). В настоя­щее время в Бразилии на этаноле, полученном в результате разложения биомассы из отходов сахарного тростника, работает городской автотранспорт и многие личные автомобили. В США этанол получают из отходов кукурузы. К биоконверсии относится также получение тепловой энергии при аэробном микробиологическом окислении орга­нических веществ - компостирование.

Второе: термохимическая конверсия (пиролиз, быстрый пиролиз) твердых органических веществ. Третье: сжигание отходов вкотлах и печах специальных конструкций. В мире сотни миллионом тонн таких отходов сжигаются с регенерацией энергии. Теплобрикеты бумаги, картона, древесины по теплотворной спо­собности сравнимы с бурым углем.

К настояще­му времени на свалках в Беларуси скопилось столько отходов, что если их перевести в нефтяной эквивалент, то получится около 600—700 тыс. т нефти в год. К этому направлению мож­но было бы отнести и сжигание дров в бытовых печах. В условиях Беларуси развитие биоэнергетики наиболее экономически целесообразно и технически осуществимо, так как биомасса — вид топлива, которого у нас с избытком и не использовать который было бы непростительной ошибкой.

Малая гидроэнергетика. В настоящее время признанных единых критериев причисления ГЭС к категории малых гидростанций не существует. У нас принято считать малыми гидростанции мощностью от 0,1 до 30 МВт, при этом введено ограничение по диаметру рабочего колеса гидротурбины до 2 м и по единичной мощности гид­роагрегата — до 10 МВт. ГЭС установленной мощностью менее 0,1 МВт выделены в категории микро-ГЭС. Малая гидроэнергетика в мире в настоящее время пережи­вает третий виток в истории своего развития. Строительство первых ГЭС началось еще в прошлом веке, когда они предназ­начались для энергоснабжения отдельных заводов и поселков. Затем темпы их строительства замедлились из-за конкурен­ции небольших тепловых электростанций. Второй этап массо­вого строительства малых ГЭС пришелся на конец 40-х — на­чало 50-х гг. XX в., когда тысячи малых гидростанций строи­лись колхозами, совхозами, предприятиями и государством. В 80—70-х гг. сотни и тысячи малых ГЭС были выведены из эксплуатации либо законсервированы, либо ликвидированы из-за быстрого развития большой энергетики на базе крупных тепловых гидравлических и атомных станций.

На третьем витке возрождение малых ГЭС, естественно, происходит на новом техническом уровне основного энергети­ческого оборудования, степени автоматизации и компьютери­зации.

Согласно водноэнергетическому кадастру 1960 г, потенциальная мощность рек Беларуси, подсчитанная на основании данных об их падении и водоносности, составляет 855 МВт или 7,5 млрд. кВт-ч в год. Технически возможные к использованию гидроэнергоресурсы оцениваются в 3 млрд. кВт-ч в год. Освоение гидроэнергетического потенциала Беларуси по­лучило существенное развитие в 1950-е гг. за счет строи­тельства малых гидроэлектростанций, в числе которых в 1954 г. введена в эксплуатацию крупнейшая из них, ныне действующая Осиповичская ГЭС на р.Свислочь. Всего в республике в начале 1960-х гг. действова­ло 179 ГЭС общей установленной мощностью 21 тыс. кВт с годовой выработкой электроэнергии в средний по водности год 88 млн. кВт-ч.

Однако дальнейшее проектирование и строительство ГЭС в условиях Беларуси было свернуто в конце 50-х гг, XX в., к чему и основном побудили представившиеся возможности электрос­набжения сельского хозяйства путем подключения сельских потребителей к государственным энергосистемам. Оставшиеся к на­чалу 90-х гг. ГЭС вырабатывали 18,6 млн кВт-ч в год. Име­ется возможность дальнейшего освоения потенциала малых рек за счет восстановления ранее действующих ГЭС, строи­тельства новых малых ГЭС без дополнительного затопления земельных угодий и за счет освоения промышленных водос­бросов.

В Беларуси технически возможно и экономически целесо­образно восстановить и соорудить новые ГЭС общей электри­ческой мощностью 100—120 МВт, что эквивалентно ежегод­ной выработке электроэнергии 300—360 млн кВт-ч или ежегодной экономии 100 тыс. т у.т. Кроме того, можно использовать гидроэнергетический по­тенциал существующих на малых реках водохранилищ неэнергетического назначения путем пристройки к ним ГЭС об­щей установленной мощностью 6 тыс. кВт с годовой выработ­кой электроэнергии 21 млн. кВт-ч.

В планах энергетиков — строительство каскада гидроэлек­тростанций на Западной Двине (Полоцкой, Верхнедвинской, Бешенковичской и Витебской ГЭС). Начато строительство первой из них мощностью 28 МВт. Запланированы две ГЭС на Немане мощностью 45 МВт.

Завершена разработка проекта по сооружению каскада малых ГЭС на реке Котра, что неподалеку от Гродно. По оценке специалистов, за счет ма­лых ГЭС только на Гродненщине можно получать ежегодно несколько десятков миллионов киловатт-часов электроэнер­гии. Здесь разработана программа развития малой и нетради­ционной энергетики, которая рассчитана до 2010 г. Предус­мотрено сооружение более двух десятков малых ГЭС на реках и водохранилищах, а также свыше 10 ветроэнергетических установок.

В настоящее время суммарная мощность белорусских ГЭС составляет около 9 тыс. кВт, или менеее 1 % ее возможных к техническому использованию гидроэнергоресурсов. Для сравнения в Китае их освоено 12 %.

В современных условиях Беларуси использование энергии течения рек представляется перспективным путем решения проблемы уменьшения зависимости энергетики республики отимпорта топлива. При этом планируется довести выработку электроэнергии на реках Беларуси до 250 тыс. кВт.

Геотермальная энергетика— получение энергии от внутреннего тепла Земли. Различают естественную и искусствен­ную геотермальную энергию — от природных термальных ис­точников и от закачки в недра Земли воды, других жидкостей или газообразных веществ ("сухая" и "мокрая" геотермальная энергетика). Данный вид энергетики широко применяется для отопительных целей и отопления теплиц. Недостаток — токсичность термальных вод и химическая агрессивность жидкостей и газов.

Космическая энергетика— получение солнечной энергии на специальных геостационарных спутниках Земли с узконаправленной передачей энергии на наземные приемники. На этих спутниках солнечная энергия трансформируется в электрическую и в виде электромагнитного луча сверхвысокой частоты передается, на приемные станции на Земле, где преобразуется в электрическую энергию. Мощность одной ор­битальной станции может составить от 3000 до 15 000 МВт.

Морская энергетикабазируется на энергии приливов и отливов (Кислогубская ЭС на Кольском полуострове), морских тече­ний и разности температур в различных слоях морской воды. Иногда к ней относят волновую энергетику. Пока морская энер­гетика малорентабельна из-за разрушающего воздействия на оборудование морской воды. Приливная энергетика рентабельна на побережьях морей с исключительно высокими приливами.

Низкотемпературная энергетика— получение энергии с использованием низкотемпературного тепла Земли, вернее разности в температурах их различных слоев. Промышленное получение энергии с использованием разнос­ти температур на поверхности и в глубинах океана пока не выходит за рамки опытных установок.

Контрольные вопросы:

1. Взаимодействие традиционной энергетики с окружающей средой.

2. Экологические аспекты эксплуатации тепловых электрических станций.

3. Экологические аспекты создания и эксплуатации атомных электрических станций.

4. Экологические аспекты создания и эксплуатации гидроэлектростанций.

5. Нетрадиционные источники энергии и их взаимодействие с окружающей природной средой.

6. Перспективы использования нетрадиционных видов энергии на территории Республики Беларусь.

Лабораторная работа № 7