Энергетика и экология

Юрий Почанин

Энергетика и экология

Введение

В настоящее время энергия играет решающую роль в развитии человеческой цивилизации. Энергетика имеет большое значение в жизни человека, а уровень ее развития отражает уровень развития жизни людей. В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей. В то же время энергетика – один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ). Несмотря на отмеченные факторы отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду, рост потребления энергии не вызывал особой тревоги у широкой общественности. Так продолжалось до середины 70-х годов, когда в руках специалистов оказались многочисленные данные, свидетельствующие о сильном антропогенном давлении на климатическую систему, что таит угрозу глобальной катастрофы при неконтролируемом росте энергопотребления. С тех пор ни одна другая научная проблема не привлекает такого пристального внимания, как проблема настоящих, а в особенности предстоящих изменений климата

Считается, что одной из главных причин этого изменения является энергетика. Под энергетикой при этом понимается любая область человеческой деятельности, связанная с производством и потреблением энергии. Значительная часть энергетики обеспечивается потреблением энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого топлива (нефти, угля и газа), что, в свою очередь, приводит к выбросу в атмосферу огромного количества загрязняющих веществ. Это упрощенный подход. Помимо парникового эффекта, ответственность за который, частично лежит на энергетике, на климат планеты оказывает влияние ряд естественных причин. Корректный анализ проблемы возможен лишь с учетом всех факторов.

Источники загрязнения атмосферы принято подразделять на два вида: естественные, сюда относятся извергающиеся вулканы, выветривание, пылевые бури, лесные пожары и т. д. и искусственные, создаваемые человеком. Основными искусственными источниками загрязнений являются автотранспорт, промышленные предприятия и объекты энергетики. Загрязнители бывают физические (механические, шумовые и тепловые), химические (газовые) и биологические (бактериальные).

Ключевое место в процессе загрязнения занимают предприятия промышленности. На их долю приходится более 50% от общего числа вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу. Процесс сжигания топлива в промышленных установках никогда не бывает полным. Помимо угарного газа, с дымом в воздух попадают различные несгоревшие частицы: сажа, зола и пыль, которые оседают на землю в ближайших районах. Чтобы избежать вредного воздействия отравляющих веществ на людей, промышленные предприятия все чаще выносятся за пределы населенных пунктов. Промышленность также является источником выброса в атмосферу мельчайшей пыли, особенно это касается цементных заводов. Следует отметить, что введение высокотехнологичных пылеулавливателей позволило снизить выброс этого загрязнителя в несколько раз.

Второе место по количеству загрязняющих атмосферу выбросов занимает автотранспорт. Специалистами было установлено, что ежегодно один легковой автомобиль поглощает более 4 т кислорода, выбрасывая при этом свыше 1 т вредных веществ (около 800 кг окиси углерода, 100 кг окиси азота и 200 кг различных примесей). Учитывая тот факт, что по дорогам мира передвигается более 800 млн автомобилей, легко представить весь ужас возможных последствий. Необходимо приложить максимальные усилия к уменьшению объемов вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу.

Роль экологического фактора в энергетике возрастает по мере увеличения энергопотребления, которое вызвано ростом населения. Увеличивается нагрузка на окружающую среду от выбросов СО2, вызванных разработкой традиционных видов энергоносителей. Очевидно, что деятельность топливно-энергетического комплекса (ТЭК) наносит вред окружающей среде и является одним из катализаторов глобального потепления. Если предположить, что энергопотребление населения планеты будет расти, то энергетика в ее современном виде может стать одной из главных причин экологической катастрофы.

Мировая тенденция роста антропогенного влияния на природу заключается в том, что эмиссия CO2 составляет 40 млрд т в год. Концентрация CO2 в атмосфере ежегодно нарастает со скоростью 2,9 ppm в год. В июне 2014 г. она достигла 397,52 ppm, в июне 2015-го приблизилась к критическому значению 400 ppm, которое соответствует росту среднегодовой температуры на 2°С. Дальнейшее потепление вызовет резкое усиление колебаний погоды, рост силы и частоты аномальных явлений на больших территориях. Следствием станет подъем уровня Мирового океана, что приведет к необходимости переселения сотен миллионов человек, к вымиранию многих видов растений и животных. Повышение глобальной поверхностной температуры планеты под влиянием антропогенных факторов делает погоду более изменчивой, а климатические стихийные бедствия – более разрушительными. В десятки раз возрос ущерб, наносимый стихийными бедствиями. За первое десятилетие XXI века от климатических катастроф в развивающихся странах пострадало более 3,5 млрд человек, или 80% общей численности населения, а число «экологических беженцев» превысило 25 млн. Самые крупные экономики мира обеспечивают свой рост за счет пренебрежения экологическими нормами. Китай и США – чемпионы по выбросам углекислого газа. Они поставляют 8 и 6 млрд т в год соответственно (в сумме эти две страны дают 28% объема всех мировых выбросов). Все больший объем парниковых газов производят развивающиеся страны, в частности Индия. При этом Индия и Китай под действие Киотского протокола не подпадают, ибо входят в категорию развивающихся стран.

Доклад, подготовленный специалистами Международного энергетического агентства (МЭА), содержит прогноз роста выбросов углекислого газа в связи с увеличением энергопотребления в мире. Несмотря на рост низко углеродных источников энергии, в структуре мировых энергоресурсов продолжают преобладать ископаемые виды топлива, поддерживаемые субсидиями. В 2011 г. они составили 523 млрд долл., что на 30% больше, чем в 2010 г., и в 6 раз больше, чем субсидии для возобновляемых источников.

Климатический саммит в Париже в декабре 2015 г. принял протокол, в котором намечены пути остановки глобального потепления за счет развития низко углеродной экономики и в перспективе – отказ от углеводородного топлива. Парижская конференция должна также помочь развитым странам собирать по 100 млрд долл. в год начиная с 2020 г. (частично через «Зеленый фонд» для помощи в борьбе с климатическими изменениями). На климатическом саммите некоторые страны отрицательно высказались по вопросам сокращения вредных выбросов в окружающую среду за счет постепенного отказа от углеводородов. О переориентации экономики на возобновляемые источники энергии и слышать не хотят в государствах Персидского залива и в Венесуэле. Против выступает и Индия, которая видит в сохранении своей нынешней модели залог экономического роста.

Парижское соглашение требует от каждой страны предоставить и постоянно обновлять стратегию низкоуглеродного развития к 2050 г. К этому времени все государства обязаны достичь климатической нейтральности: выбросы должны равняться поглощению или абсорбции парниковых газов.

Международное сообщество пока не разработало единого документа по охране окружающей среды, который соблюдали бы все страны. Киотский протокол устанавливает снижение совокупного среднего уровня 6 типов газов на 5,2%.

Ведущие экономики мира предпринимают определенные шаги по сокращению выбросов в атмосферу парниковых газов, которые вызывают глобальное потепление.

ГЛАВА 1. РОЛЬ И ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

В природе запасы энергии огромны. Её несут солнечные лучи, ветры и движущиеся массы воды, она хранится в древесине, в залежах газа, нефти, каменного угля. Практически безграничная энергия, «запечатанная» в ядрах атома вещества. Но не все её формы пригодны для прямого использования.

Энергетика– это совокупность отраслей топливной промышленности, электроэнергетики, охватывающая выработку, преобразования, передачу и использование разных видов энергии. В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей. До последнего времени энергетика развивалась опережающими по сравнению с большинством отраслей промышленности темпами, так как энергоёмкость производства в эпоху НТР росла быстрыми темпами. Лишь в XX веке использование энергии в мире увеличилось как минимум в 15 раз. Сильно изменился в XX веке и топливно-энергетический баланс (ТЭБ) мира. Если в начале века в нём всецело доминировал уголь, то впоследствии он был заметно потеснён нефтью, газом, ядерной энергией.

Кратко источники электроэнергии можно разделить на три основных типа:

–полезные ископаемые (газ, нефть, уголь, сланцы);

–возобновляемые ресурсы (вода, ветер, солнце, термальные воды);

–расщепление атома.

Производство электроэнергии в мире ведется на тепловых станциях, использующих традиционные виды топлива (уголь, газ, сланцы, мазут), гидроэлектростанциях, а также на АЭС. Оно растёт быстрее других секторов топливно-энергетического хозяйства, т.е. электроэнергетика – является ведущей отраслью энергетики.

Основная часть производимой в мире энергии приходится на тепловые станции.

Тепловая электростанция (ТЭС)– вырабатывает электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Основные типы ТЭС: паротурбинные (преобладают), газотурбинные и дизельные. Иногда к ТЭС условно относят атомные, геотермальные и с магнитогидродинамическими генераторами.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) дают не только электроэнергию, но и тепло, которое с электростанций подводится в виде горячей воды к предприятиям и жилым зданиям. В настоящее время в странах, обеспеченных топливными ресурсами, ТЭС – основной источник электроэнергии. В России, США, Англии, Германии на ТЭС вырабатывается основная часть электроэнергии. Это объясняется тем, что на сооружение ТЭС затрачивается значительно меньше времени и средств, чем на ГЭС. Они обеспечивают равномерную выработку электроэнергии в течение всего года, и мощность их можно увеличивать в соответствии с потребностями в электроэнергии. Строительство ТЭЦ, дающих не только электроэнергию, но и тепло, повышает эффективность использования топлива и удешевляет стоимость электроэнергии.

По данным источника (BP Statistical Review of World Energy 2020) производство электроэнергии в мире в 2019 году выглядило следующим образом, рис. 1.1. Самые крупные экономики мира обеспечивают свой рост за счет пренебрежения экологическими нормами. Китай и США – чемпионы по выбросам углекислого газа. Они поставляют 8 и 6 млрд т в год соответственно (в сумме эти две страны дают 28% объема всех мировых выбросов).

Все больший объем парниковых газов производят развивающиеся страны, в частности Индия. При этом Индия и Китай под действие Киотского протокола не подпадают, ибо входят в категорию развивающихся стран.

Рис.1.1. Производство электроэнергии в мире в 2019 году (% и ТВтч)

В качестве топлива на тепловых электростанциях используют уголь, нефть и нефтепродукты, природный газ и реже древесину и торф. Основными компонентами горючих материалов являются углерод, водород и кислород, в меньших количествах содержится сера и азот, присутствуют также следы металлов и их соединений (чаще всего оксиды и сульфиды).

В теплоэнергетике источником массированных атмосферных выбросов и крупнотоннажных твердых отходов являются теплоэлектростанции, предприятия и установки паросилового хозяйства, т.е. любые предприятия, работа которых связана с сжиганием топлива. В состав отходящих дымовых газов входят диоксид углерода, диоксид и триоксид серы и ряд других компонентов, поступление которых в воздушную среду наносит большой ущерб, как всем основным компонентам биосферы, так и предприятиям, объектам городского хозяйства, транспорту и населению городов.

Коэффициент полезного действия энергетических установок пока невелик и составляет 30-40%, большая часть топлива сжигается впустую. Полученная энергия тем или иным способом используется и превращается, в конечном счете, в тепловую, т.е. помимо химического в биосферу поступает тепловое загрязнение.

Загрязнение и отходы энергетических объектов в виде газовой, жидкой и твердой фазы распределяются на два потока: один вызывает глобальные изменения, а другой – региональные и локальные.

Энергетика и сжигание ископаемого топлива остаются источником основных глобальных загрязнителей. Они поступают в атмосферу, и за счет их накопления изменяется концентрация малых газовых составляющих атмосферы, в том числе парниковых газов. В атмосфере появились газы, которые ранее в ней практически отсутствовали – хлорфторуглероды. Это глобальные загрязнители, имеющие высокий парниковый эффект и в то же время участвующие в разрушении озонового экрана стратосферы. В то же время энергетика – один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ). Что касается влияния энергии ТЭС на экологию, то можно отметить, как главный фактор, выделение вредных веществ в виде закиси углерода, соединений азота, свинца и значительного количества тепла. В странах мира ежегодно сжигается 5 млрд т угля и более 3 млн т нефти, что сопровождается гигантским выбросом в атмосферу тепла.

Мировой опыт показывает, что масштабное использование природных энергоресурсов для производства энергии на тепловых электростанциях приводит к значительной трансформации окружающей среды. Функционирование не возобновляемой углеродной энергетики сопровождается отрицательными экологическими последствиями, к основным из которых следует отнести:

–загрязнение природной среды вредными химическими веществами;

–повышенный расход атмосферного кислорода транспортом и энергоустановками;

– тепловое загрязнение среды обитания;

–опасность возникновения техногенных катастроф.

Влияние энергетики на экологию связано с добычей угля и засолением водных ресурсов. Помимо этого, откаченная вода содержит радон и изотопы радия. Атмосфера загрязняется продуктами сжигания угля в виде оксидов серы – 120 тыс. т, окислов азота – 20 тыс. т, пепла – 1,5 тыс. т, оксида углерода – 7 млн т. При горении образуется более 300 тыс. т золы, включающей в себя 400 т токсичных металлов в виде ртути, мышьяка, свинца и кадмия.

Электростанция мощностью 1 ГВт ежегодно выбрасывает в атмосферу более 1 млн т углекислого газа (в пересчете на углерод), провоцирующего парниковый эффект. Со сточными водами в окружающую среду попадает около 66 т органических веществ, 83 т серной кислоты, 26 т хлоридов, 41 т фосфатов и почти 500 т взвешенных веществ. Газопылевые выбросы ТЭС загрязняют атмосферу углекислым газом, золой, оксидами азота, углерода и серы, тяжелыми металлами, бензапиреном и другими вредными веществами. Причем количество загрязняющих веществ напрямую зависит от вида, используемого станцией топлива, таблица 1.1.

Таблица 1.1. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу электростанцией мощностью 1 ГВт в зависимости от вида топлива, т/год

Выбросы

Топливо

уголь

нефть

природный газ

СхНх

400

470

34

СО

2 000

700

–

NOх

27 000

25 000

20 000

SO2

110 000

37 000

20,4

Взвешенные частицы

3 000

1 200

500

При сгорании каменного угля выделяется в 3–8 раз больше оксидов NOх, чем при сжигании других видов топлива (например, в 6 раз больше, чем при использовании бурового угля). Однако оксидов серы выбрасывается меньше, чем при сжигании мазута. Лишь сернистость низкокачественных бурых углей больше, чем мазута.

Выброс твердых частиц при сжигании бурых углей почти в два раза превышает таковой при использовании каменных углей, которые, в свою очередь, в три раза превышают этот показатель для мазута. К тому же уголь обладает небольшой природной радиоактивностью, а поскольку на ТЭС это топливо сжигается в огромных объемах, то суммарные радиоактивные выбросы превышают те, которые возникают при эксплуатации АЭС. Наибольшей радиоактивностью характеризуются угли Кузбасса, Донбасса и Экибастуза. При их сжигании в выбросах возрастает содержание радия-226 и свинца-210, причем последний накапливается в золе. После сжигания угля концентрация свинца в золе увеличивается в 5–10 раз, радия – в 3–6 раз. При сжигании мазута в воздух попадают диоксид и оксид углерода, сернистый газ, оксиды азота, сажа, углеводороды, твердые частицы, в состав которых входят оксиды различных химических элементов (табл. 1.2). Выход оксидов азота при сжигании мазута больше, чем у природного газа, но меньше, чем у угля. Твердых веществ при сгорании мазута образуется существенно меньше, нежели при использовании углей. Однако выделяются оксиды различных элементов, некоторые из них относятся к I и II классам опасности.

Зона влияния выбросов ТЭС на окружающую среду распространяется на расстояния до 50 км от станции. На промышленных площадках ТЭС, территория которых достигает 3–4 км2, полностью изменяются рельеф местности, воздушные течения, поверхностный сток, нарушаются почвенный слой, растительный покров и режим грунтовых вод.

Таблица 1.2. Состав золы уноса, образующейся при сжигании мазута на ТЭС

Вещество

Содержание,

%

Класс опасности

V2O3

30–36

I

NiO

8–10

I

МоО2

1

II

РbО2

0,5

I

Cr2O3

0,5–1

I

ZnO

0,5–2,5

II

Аl2О3

10

IV

Fe2O3

3–10

IV

MgO

1–3

III

SiO2

10

IV

Технологический цикл тепловой электростанции предусматривает, что более 95% воды, используемой для охлаждения турбин, нагревается на 8–12°С и сбрасывается в водоемы (в крупных ТЭС – до 250–300 тыс. м3/ч). Для охлаждения турбин угольных ТЭС тратится до 60% энергии, содержащейся в топливе. Сточные воды и ливневые стоки с территории ТЭС загрязняются отходами технологических циклов энергоустановок (нефтепродукты, шлаки, обмывочные воды). Их сброс в водоемы может привести к гибели водных организмов, снизить способность водоема к самоочищению.

Главными проблемами сегодня являются: растущая из-за сжигания топлива концентрация СО2 в атмосфере, аэрозоли в атмосфере, влияющие на её охлаждение.

Ключевое место в процессе загрязнения занимают предприятия промышленности. Процесс сжигания топлива в промышленных установках никогда не бывает полным. Помимо угарного газа, с дымом в воздух попадают различные несгоревшие частицы: сажа, зола и пыль, которые оседают на землю в ближайших районах. Чтобы избежать вредного воздействия отравляющих веществ на людей, промышленные предприятия все чаще выносятся за пределы населенных пунктов. Промышленность также является источником выброса в атмосферу мельчайшей пыли, особенно это касается цементных заводов. Выбросы вредных веществ представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3. Выбросы вредных веществ

Сильным загрязнителем воздуха является и автотранспорт. Причем значительная доля вредных выбросов приходится на грузовой и автобусный автопарки. Специалистами было установлено, что ежегодно один легковой автомобиль поглощает более 4 т кислорода, выбрасывая при этом свыше 1 т вредных веществ (около 800 кг окиси углерода, 100 кг окиси азота и 200 кг различных примесей).

Выброс вредных веществ при сгорании различных топлив представлен в таблице 1.4.

Таблица 1.4. Выброс вредных веществ при сгорании топлива

В настоящее время возросла концентрация метана и фреонов в атмосферном воздухе по сравнению с прединдустриальной концентрацией.

С экологической точки зрения наиболее чистыми среди энергообъектов являются атомные электростанции. В процессе эксплуатации АЭС образуются газообразные, жидкие и твердые радиоактивные отходы. В газообразных выбросах АЭС содержится небольшое количество трития, радиоактивных изотопов ксенона, криптона, йода, осколки деления ядер, продукты активации, которые незначительно влияют на окружающую среду и не повышают природного радиоактивного фона территории.

Объем твердых отходов АЭС, основным видом которых является отработанное ядерное топливо (ОЯТ), ежегодно достигает 2–3 км3. В жидких и твердых отходах АЭС содержатся долгоживущие радионуклиды с большим периодом полураспада, поэтому ОЯТ необходимо хранить в специальных хранилищах, которые требуют особого технического обслуживания. При соблюдении всех правил хранения окружающая среда не страдает. Вместе с тем АЭС оказывает сильное тепловое воздействие на окружающую среду, особенно на естественные водоемы. Сброс тепла от АЭС в 1,5–1,8 раза превышает сбросное тепло ТЭС, что объясняется разницей в значениях КПД. Расход воды на охлаждение мощной АЭС достигает 180м3/с, причем температура охлаждающей воды, поступающей в водоемы после завершения технологического цикла, составляет 40–45°С, что может приводить к изменению теплового режима рек и озер и гибели водных организмов. Продолжительность эксплуатации (расчетный срок службы) АЭС составляет около 60 лет. После этого должен быть произведен демонтаж оборудования, зданий, сооружений, рекультивирована промышленная площадка.

Выбросы отходов газов в атмосферу в виде различных ядовитых оксидов загрязняют нижний слой атмосферы, вызывая кислотные дожди (диоксид серы) и уменьшения количества кислорода. Диоксид серы влияет самым негативным образом на растительность и, следовательно, животный мир. Вспомните кислотные кристально – чистые озёра в Америке.

Оксид углерода отрицательно влияет на перенесение кровью в ткани мышц кислорода. При дыхании он связывается с гемоглобином крови и вызывает сердечно – сосудистые заболевания, нарушение дыхательной функции у человека. Повышение выше 10% в составе крови ведёт к коме и дальнейшей смерти.

Если теплоэлектростанция работает на угле, вокруг неё всегда радиационный фон повышен. Это происходит из-за того, что в угле присутствуют микроизотопы, которые высвобождаются при сгорании угля.

Специалисты Испанской ассоциации производителей возобновляемой энергии провели исследование воздействия на окружающую среду выбросов, образующихся при производстве электроэнергии. Эксперты количественно определили ущерб, наносимый генерацией электроэнергии с использованием 8 различных источников энергии: бурого и каменного угля, нефтяного топлива, природного газа, ядерного топлива, ветра, малых ГЭС и солнечных фотоэлементов. Результаты исследования показали, что выработка электроэнергии на основе возобновляемых источников энергии наносит в 31 раз меньший ущерб окружающей среды, чем при применении традиционных видов топлива, а 1 кВтч, выработанный малыми ГЭС, в 300 раз «чище», чем при сжигании бурого угля.

В качестве единицы сравнения исследователи использовали штрафной экологический балл. Баллы рассчитывались с учетом глобального потепления, истощения озонового слоя, закисления почвы, эвтрофикации, загрязнения тяжелыми металлами, эмиссии канцерогенных веществ в атмосферу, формирования зимнего и летнего смога, воздействия на экологию промышленных, радиоактивных отходов и радиоактивных выбросов, а также истощения источников энергии (табл.1.5). Следует отметить, что оценка ущерба окружающей среде по другим методикам приводит к аналогичным выводам.

Таблица 1.5. Штрафной экологический балл для различных способов генерации электроэнергии

Топливо/технология