Экологические проблемы современной энергетики. Альтернативные источники энергии

Основным загрязнителем  является лидер, т.е. электростанции, которые  работают на сжигании топлива. Они поставляют в атмосферу техногенный углерод (в основном в виде СО₂), около 50% двуокиси серы, 35% окислов азота и столько же пыли. По некоторым данным, тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС той же мощности. В выбросах ТЭЦ содержится значительно количество металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединения свыше 100 млн. доз, железа-400 млн. доз, магния-1,5 млн. доз. Смертельных исходов практически не случаются, т. к. они поступают в организм в незначительных количествах, но здоровье подрывают конкретно. Можно считать, что тепловая энергетика оказывает отрицательное влияние практически на все элементы среды, а также на человека. В обобщенном виде эти воздействия представлены в таблице №1 (См приложение 1).

Влияние энергетики на среду  и её обитателей в большей мере зависит от вида используемых энергоносителей (топлива). Наиболее чистым топливом идет газ, далее следует нефть (мазут), каменные угли, бурые угли, сланцы, торф.

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. Основные воздействия ГЭС на среду, различные звенья экосистем и человека приведены в таблице №2 (См приложение 2). 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. Нарушаются пути миграции рыб, идет разрушение кормовых угодий, нерестилищ и т. п. Волга во многом потеряла свое значение как нерестилище для осетровых Каспия после строительства на ней каскада ГЭС. Имеются данные, в результате заиления равнинные водохранилища теряют свою ценность как энергетические объекты через 50-100 лет после их строительства. Например, подсчитано, что большая Асуанская плотина, построенная на Ниле в 60-е годы, будет наполовину заилена уже к 2025 году. Несмотря на относительную дешевизну энергии, получаемой за счет гидроресурсов, доля их в энергическом балансе постепенно уменьшается. Это связано как с исчерпанием наиболее дешевых ресурсов, так и с большей территориальной емкостью равнинных водохранилищ. Считается, что перспективе мировое производство энергии на ГЭС не будут превышать 5% от общей. Водохранилища оказывают заметное влияние на атмосферные процессы. Например, в засушливых (аридных) районах, испарении с поверхности водохранилищ превышает испарение с равновеликой поверхности суши в десятки раз. Только с каскада Волжско-Камских водохранилищ ежегодно испаряется около 6 км3. Это примерно 2-3 годовые нормы потребления воды Москвой. С повышенным испарением связано понижение температуры воздуха, увеличение туманных явлений. Различие тепловых балансов водохранилищ и прилегающей суши обуславливает формирование местных ветров типа бризов. Эти, а также другие явления имеют следствием смену экосистем (не всегда положительную), изменение погоды. В ряде случаев в зоне водохранилищ приходится менять направления сельского хозяйства. Например, в южных районах нашей страны некоторые теплолюбивые культуры (бахчевые) не успевают вызревать, повышается заболеваемость растений, ухудшается качество продукции.

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 позваляет получать столько же  энергии, сколько сжигание 1000 тонн каменного угля.

До середины 80-х годов  человечество в ядерной энергетике видело один из выходов из энергетического  тупика. Только за 20 лет  (с середины 60-х до середины 80-х годов) мировая  доля энергетики, получаемой на АЭС, возросла практически с нулевых значений до 15-17%, а в ряде стран она стала  превалирующей. Ни один другой вид энергетики не имел таких темпов роста. 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. 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 в нашей стране 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 она и не исключается. В результате аварии на Чернобыльской АЭС радиоактивному загрязнению подверглась территория в радиусе более 2 тыс. км, охватившая более 20 государств. В пределах бывшего СССР пострадало 11 областей, где проживает 17 млн. человек. Общая площадь загрязненных территорий превышает 8 млн. га, или 80000 км2.По различным данным, суммарный выброс продуктов деления от содержащихся в реакторе составил от 3,5% (63 кг) до 28% (50 т). Для сравнения отметим, что бомба, сброшенная на Хиросиму, дала только 740 г радиоактивного вещества.

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.

3. Альтернативные  источники получения энергии.

3.1 Солнечная энергия

Солнечная энергия – это кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку её запасы практически неистощимы (астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще несколько миллионов лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем.

Посчитано, что  примерно такого же процента солнечной  энергии вполне достаточно для обеспечения  нужд транспорта, промышленности и  нашего быта не только сейчас, но и в  обозримом будущем. Более того, вне  зависимости от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии  биосферы это никак не отразится.

Однако солнечная  энергия падает на всю поверхность  Земли, нигде не достигая особой интенсивности. Потому ее нужно уловить на сравнительно большой площади, сконцентрировать и превратить в такую форму, которую  можно использовать для промышленных, бытовых и транспортных нужд.

Кроме того надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение  и ночью, и пасмурные дни. Перечисленные  трудности и затраты, необходимые  для преодоления, привели к мнению о непрактичности этого энергоресурса  по крайней мере сегодня. Однако во многих случаях проблема преувеличивается. Главное – использовать солнечную энергию так, чтобы ее стоимость была минимальна или вообще равнялась нулю. По мере совершенствования технологий и дорожания традиционных энергоресурсов эта энергия будет находить все новые области применения.

Световое излучение  можно улавливать непосредственно, когда оно достигает Земли. Это  называется прямым использованием солнечной  энергии. Кроме того, она обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха  и накопление органического вещества в биосфере. Значит, обращаясь к  этим энергоресурсам, мы по сути дела занимаемся непрямым использованием солнечной  энергии.

Центральные солнечные электростанции.

Энергетическая  башня. Древняя легенда повествует, что Архимед спас свой родной город Сиракузы с помощью солнечной энергии. Приказав тысяче солдат повернуть свои щиты к солнцу и выстроив их в линию в форме параболы, Архимед сфокусировал отраженные солнечные лучи на парусах кораблей вторгшегося флота и сжег их. Это и есть принцип действия энергетической башни: лучи солнца концентрируются в одном пункте соответственно расположенными зеркалами. Эти зеркала (гелиостаты) поворачиваются на протяжении дня, чтобы следовать за солнцем в его небесном пути. Они отражают солнечные лучи и фокусируют их на энергетической башне, где огромная концентрация энергии заставляет воду кипеть и превращаться в пар. Пар по трубам поступает в турбину на Землю, вращает ее и вырабатывает электричество.

На Крымском побережье  Азовского моря построена  солнечная  электростанция (СЭС -  5) Мощность этой электростанции – 5000 квт.

СЭС–5 предназначена  главным образом для проведения экспериментов, направленных на отработку  и усовершенствование систем и режимов  эксплуатации крупных СЭС башенного типа с целью разработки новой надежной, эффективной технологии. Вместе с тем, СЭС-5 вырабатывает электроэнергию и выдает ее в Крымскую энергосистему.

Ученые считают, что мощные солнечные электростанции по своей экономичности смогут стать  в один ряд с современными тепловыми  и атомными электростанциями.

Солнечные пруды. Солнечные пруды – еще более дешевый способ улавливать солнечную энергию. Искусственный водоем частично заполняется рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи без помех проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему остывать.

 Иными словами,  в солнечных прудах используется  тот же принцип, что и в  парниках, только земля и стекло  заменены соответственно рассолом и пресной водой. Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещения, или использоваться для выработки электричества; им нагревают жидкости с низкой точкой кипения, которые, испаряясь, приводит в движение турбогенераторы низкого давления. Поскольку солнечный пруд представляет собой высокоэффективный теплоаккумулятор, с его помощью можно получать энергию непрерывно.

К недостаткам  всех перечисленных установок преобразования солнечной энергии относится  то, что для них нужны большие  площади, причем относительно недалеко (в пределах 80 км) от потребителя. Иначе потери при передаче электроэнергии будут недопустимо высоки. Правда, со временем могут появиться сверхпроводящие линии электропередач, которые решат проблему, однако в ближайшем будущем строительство энергобашен и солнечных прудов ограничивается недостатком вблизи крупных городов достаточно обширных свободных территорий. С другой стороны, солнечные батареи можно размещать на крышах зданий.

Использование солнечной  энергии может быть полезно в  нескольких отношениях. Во-первых, при  замене ею ископаемого топлива уменьшается  загрязнение воздуха и воды. Во-вторых, замена ископаемого топлива означает сокращение импорта топлива, особенно нефти. В-третьих, заменяя атомное  топливо, мы снижаем угрозу распространения  атомного оружия. Наконец, солнечные  источники могут обеспечить нам  некоторую защиту, уменьшая нашу зависимость  от бесперебойного снабжения топливом. 

3.2 Гидроэнергия.

Поскольку солнечное  излучение – движущая сила круговорота  воды в природе, энергия воды, или  гидроэнергия, также относится к  преобразованной энергии Солнца. Вода, которую еще в древности  использовали для совершения механической работы, до сих пор остается хорошим  источником энергии – теперь уже  электрической – для нашей  промышленной цивилизации. Энергия  падающей воды, вращающей водяное  колесо, служила непосредственно  для размола зерна, распиливания древесины и производства тканей. Однако мельницы и лесопилки на наших  реках стали исчезать, когда в  восьмидесятых годах позапрошлого века началось производство электроэнергии у водопадов.

Производство  электроэнергии на гидростанциях обычного типа.

Вода из водохранилища  поступает вниз через длинный  прямой канал, называемый напорным трубопроводом, и направляется на горизонтально  вращающиеся лопасти турбины. Вертикальный вал турбины соединен с блоком генератора. На типичной станции используется много турбинно-генераторных агрегатов. Коэффициент полезного действия нередко составляет около 60-70%, т. е. 60-70% энергии падающей воды преобразуется  в электрическую энергию.

Сооружение гидростанций обходится дорого, и они требуют  эксплутационных расходов, но зато работают на бесплатном «топливе», которому не грозит никакая инфляция. Первоисточником энергии служит солнце, испаряющее воду из океанов, озер и рек. Водяной пар конденсируется в виде дождя, выпадающего в возвышенных местностях и стекающего вниз в моря. Гидростанции встают на пути этого стока и перехватывают энергию движущейся воды – энергию, которая иначе была бы израсходована на перенос отложений к морю.

Однако гидроэнергетика  не безвредна для окружающей среды. Когда течение реки замедляется, как это обычно и бывает при  попадании ее вод в водохранилище, взвешенный осадок начинает опускаться на дно. Ниже водохранилища чистая вода, попавшая в реку, гораздо быстрее  размывает речные берега, как бы восстанавливая тот объем осадков, который был утрачен в водохранилище. Усиление эрозии берегов ниже по течению  от водохранилища – обычное явление.

Дно водохранилища  покрывается осадками, принесенными из регионов, расположенных выше по течению. Этот слой осадков периодически выступает на поверхность или  затопляется вновь, когда уровень  водохранилища поднимается и  падает в результате притока или  сброса воды. Постепенно осадков накапливается  столько, что если их регулярно не вычерпывать, то они начинают занимать часть полезного объема водохранилища. Это означает, что водохранилище, сооруженное для хранения запасов  воды или контроля за наводнениями, постепенно утрачивает свою эффективность, если не очищать его от накапливающихся твердых осадков.