 |
Энергетика и окружающая среда
|
|
|
|
Значение энергетики
Чтобы понять значение чего-либо, необходимо представить, что этого нет. Какова станет наша жизнь?
Значение энергетики переоценить сложно, ведь это:
ü Промышленность (оборудование, технологии)
ü Освещение
ü Транспорт
ü Быт (холодильник, стиральная машина, утюг, телевизор, пылесос, фен, магнитофон, компьютер,…)
ü Тепло, пищеприготовление,…
Виды энергетики
1. Традиционная
2. Альтернативная (нетрадиционная)
Традиционная энергетика
I. Теплоэнергетика
Большинство электроэнергии мира до сих пор вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС) – в мире > 60 % (63), в СНГ > 70 %, в КР < 20 % (все данные без учета АЭС)
Механизм преобразования энергии на ТЭС: тепловая энергия à механическая à электрическая
Главный недостаток всех ТЭС – использование невозобновляемых источников энергии.
1. Конденсационные электростанции (КЭС ) составляют большую часть предприятий теплоэнергетики, поэтому их часто так и называют ТЭС.
Рассмотрим негативные стороны КЭС
- интенсивное загрязнение атмосферы на относительно небольшой территории (к тому же на КЭС чаще используют низкосортный высокозольный уголь, что усугубляет ситуацию)
- истощение природных богатств (ценного органического сырья)
Это были экологические минусы, но т.к. природопользование это «экономика + экология», необходимо рассмотреть и экономическую сторону вопроса
- низкий КПД (30-35 %)
- КЭС сильно привязаны к источникам топлива, т.к. перевозить некачественный уголь (с содержанием углерода около 30 %) невыгодно. Поэтому его сжигают на местах добычи, а транспортируют уже электроэнергию
- удаленность от потребителя (большинство месторождений угля находится далеко от центров экономики – главного потребителя электроэнергии, а имеющиеся близ пром.центров ресурсы давно исчерпаны)
|
|
|
- потери электроэнергии при транспортировке (в СССР в 1990 г – 3 %)
Кроме отрицательных сторон у КЭС имеются и положительные
+ равномерная выработка энергии независимо от природных условий, сезонов года и времени суток
+ удаленность от потребителя способствует загрязнению атмосферы в малонаселенных районах (где мало других источников загрязнения – что удовлетворяет принципу равномерности распределения отходов), что способствует лучшему самоочищению атмосферы и не сказывается отрицательно на здоровье больших масс людей
2. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ)
+ Кроме электроэнергии вырабатывают тепло в виде горячей воды (бытовые нужды, отопление) и водяного пара (химическая промышленность, строительство) =>
+ КПД около 70%
- тяготеют к потребителю (привязанность),строятся не далее чем в 20-30 км от потребителя
- загрязняют атмосферу в местах массового скопления людей (особенно работающие на угле, газ – чище)
- значительные расходы на доставку топлива
- зависимость от других стран и регионов
3. Атомная энергетика
Специфичная отрасль теплоэнергетики, поэтому часто выделяется в самостоятельную отрасль.
Механизм преобразования энергии на АЭС несколько усложняется: атомная (ядерная) энергия à тепловая à механическая à электрическая.
При грамотном подходе может быть самой экологически чистой отраслью энергетики.
Реакция деления урана была открыта в 1939 году. «Испытания» первых атомных бомб прошли 6 и 9 августа 1945 года в Хиросиме и Нагасаки. В СССР атомная бомба была создана в 1949 году (на каджисайском уране – Киргизия). Первая АЭС в мире была пущена в июне 1954 года в СССР – Обнинская АЭС, мощностью 5 000 кВт. Мощность современных АЭС достигает 4 млн. кВт (Ленинградская, Курская)
|
|
|
Сейчас АЭС имеются более чем в 30 странах мира и производят они около 17 % электроэнергии мира. Доля АЭС в этих странах различна: Литва – 80 %, Франция – 78 % (1997 г. – 91 %), ФРГ – 35 %, ЕС – 34 %, США – 33 %, Япония – 30 %, РФ – 10 %, б. СССР – 12 %, КР – 0 %.
Атомная энергетика использует уран-235 (изотоп), ведутся разработки по урану-238. По выделяемой энергии 1 кг урана-235 эквивалентен 2.500.000 кг лучшего угля.
Несмотря на неблагоприятное отношение к атомной энергетике у большинства населения Земли, она имеет массу положительныхчерт и преимуществ:
+ АЭС строят там, где нет других источников энергии
+ возможность максимально приблизить к потребителю
+ низкая себестоимость производимой энергии
+ сравнительно небольшие транспортные расходы
+ сбережение исчерпаемых и невозобновляемых, но очень необходимых человеку топливных ресурсов (которые давно уже пора перевести из топливных в органическое сырьё – не зря ещё Д.И. Менделеев заметил, что сжигать нефть - то же, что топить печь ассигнациями)
+ огромные, практически неисчерпаемые запасы сырья (1014 т при ежегодном потреблении не более 104 т)
+ не потребляет кислорода
+ требует минимальных транспортных расходов
+ относительно небольшое количество отходов, возможность их обогащения и повторного использования
Негативных черт у АЭС значительно меньше (но каковы!):
- качество отходов, их опасность и стойкость, радиоактивные захоронения
- тяжелейшие последствия аварий
Однако современные достижения НТР позволяют свести негатив АЭС к минимуму.
Радиоактивные отходы (РАО)
Изначально РАО захоранивали в контейнерах в глубоководных частях Мирового океана, много отходов осталось в хвостохранилищах (в Кыргызстане известны Майлисайское, Каджисайское). Контейнеры в океане уже начали разрушаться, хвостохранилища занимают огромные площади, размываются паводками, грозя попасть (и попадая) в водоемы. Это настоящее бедствие, борьба с которым требует колоссальных средств. Однако сейчас найдены более достойные варианты распоряжения РАО.
1. Твёрдые. Идеальный вариант и вторичное использование (если ещё недавно это было довольно дорогостояще, то сейчас имеются относительно недорогие технологии). Это также позволяет экономить ценное сырьё. Если все-таки решили захоронить (по принципу «умерла, так умерла» или «доктор сказал в морг, значит в морг»), то необходимо строить подземные хранилища РАО или экономически выгодно использовать отработанные шахты, заключая отходы в свинцово-железобетонный саркофаг.
|
|
|
2. Жидкие (самые распространенные). Выпаривают, смешивают с цементом, бетоном или битумом, превращая в твердые, а далее, как с твердыми.
3. Газообразные (наиболее редки). Фильтруются, опять-таки превращаясь в твердые и т.д.
Аварии на АЭС
Международное агентство по атомной энергетике (МАГАТЭ) разработало (в 1989 году) Международную (7-уровневую) шкалу аварий на АЭС. Первые три уровня называют происшествиями, т.к. не представляют значимой опасности для здоровья населения и для окружающей среды. Такая опасность начинает резко возрастать с четвёртого уровня – это уже аварии.
1-й – незначительные происшествия на АЭС
2-й – происшествия средней тяжести
3-й – серьёзные происшествия
4-й – аварии в пределах АЭС
5-й – аварии с риском для окружающей среды
6-й – тяжелые аварии
7-й – глобальная авария (катастрофа)
Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности. Наиболее характерные из них: в 1957 г. – в Уиндскейле (Англия), в 1959 г. – в Санта-Сюзанне (США), в 1961 г. – в Айдахо-Фолсе (США), в 1979 г. – на АЭС Три-Майл-Айленд (5-й уровень – США), в 1986 г. – на Чернобыльской АЭС (7-й уровень, катастрофа – бывший СССР, сейчас Украина). Это и вызывает огромное недоверия у большинства жителей Земли к довольно перспективной отрасли энергетики.
К теплоэнергетике (а порой и к гидро) относят и геотермальные электростанции (геоТЭС), использующие нетрадиционные источники энергии, поэтому мы их рассмотрим в разделе «Альтернативная энергетика».
II. Гидроэнергетика (ГЭ)
ГЭ использует энергию напора падающей или текущей воды, превращая при этом механическую энергию в электрическую. Доля ГЭС в мировом производстве неизменно снижается с 80-х годов ХХ века, когда она была равна 20 %. Но в ряде стран она занимает ведущее место: Норвегия – около 100 %, в Бразилии, Канаде, Швеции – более 50 %, в КР – более 80 %.
|
|
|
1. Гидроэлектростанции (ГЭС), строятся на реках. Что имеет массу как положительных, так и отрицательных последствий.
+ использование возобновляемых ресурсов
+ экономия топливных ресурсов (а также средств на их добычу, доставку)
+ обслуживающего персонала в 15 – 20 раз меньше, чем на ТЭС
+ КПД > 80 %
+ себестоимость электроэнергии в 5 – 6 раз ниже, чем на ТЭС
+ возможность регулирования стока воды
+ орошение полей (ирригационное значение)
+ защита прилегающих территорий от наводнений катастрофического характера
+ улучшаются условия судоходства (шлюзы, углубляется фарватер, затопляются пороги)
+ возможность разведения озерных пород рыб
+ рекреационное значение (возможности для развития массового отдыха)
- жесткая привязанность к рекам
- затопление земель (высокопродуктивных лугов, лесных массивов, населенных пунктов), особенно
велико на равнинных реках
- снижение скорости течения реки, замедление водообмена и самоочищения
- подтопление берегов, заболачивание, оползневые процессы
- изменение микроклимата окружающей территории
- сокращение стада ценных промысловых рыб
- повышение сейсмической активности в некоторых районах вследствие меняющегося уровня давления
воды на литосферу
- развитие сине-зеленых водорослей
2. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) строятся лишь в крупных промышленных районах.
+ снижают проблему энергетического голода в дневное время суток
+ минимальный вред окружающей среде, т.к. строятся на искусственных водоёмах
+ экономически обоснованы
- но экономически невыгодны (убыточны), т.к. потребляют электроэнергии больше, чем производят
3. Приливные электростанции по сути относятся к гидроэнергетике, но используют возобновляемые источники энергии, поэтому правильнее их рассматривать в разделе «Альтернативная энергетика».
Альтернативная энергетика
К альтернативным источникам энергии относятся нетрадиционные возобновляемые источники:
1. Солнечная энергия 4. Геотермальная энергия
2. Энергия ветра 5. Энергия биомассы
3. Энергия приливов и др.
1. Солнечная энергия использовалась человеком издавна (душ, сушка,… витамин Д). В 1904 году появился первый солнечный преобразователь. Первые фотоэлектрические элементы появились в 50-х годах ХХ века, однако мощность их была невелика, а себестоимость произведенной ими электроэнергии неимоверна высока. Поэтому единственным потребителем солнечных элементов были производители игрушек и радиоприемников, которые использовали их, чтобы приводить в движение миниатюрные модели корабликов и самолетов, питать маленькие пляжные транзисторы, а позже – калькуляторы. В 60-х годах они получили широкое применение на космических спутниках. В 70-х годах солнечные батареи начали широко применяться в США на маяках береговой охраны, железнодорожных переездах, а в Австралии - на телевизионных и телефонных ретрансляторах. В 80-е годы Франция устанавливает солнечные модули в Сахаре, во Французской Полинезии (Океания). Этот опыт перенимается другими странами Африки и Центральной Америки. В 90-е годы солнечные батареи стали лучше (мощнее) и дешевле.
|
|
|
В СССР 1-я гелиоЭС (СЭС) была введена в 1985 году в Крыму – СЭС-5 (мощностью 5 тыс. кВт).
Сейчас гелиоэнергетические программы приняты более чем в 70 странах мира, лидерами являются США, Япония, Франция, Алжир. В Израиле правительство издало постановление об оснащении каждого дома солнечно-энергетической установкой (уже 2/3 израильтян пользуется «солнечной» горячей водой).
Наиболее распространены СЭС двух типов – 1) на фотоэлектрических элементах; 2) солнечно-газовые электростанции, которые зимой и ночью дают энергию за счёт газа, а днём и летом – за счёт Солнца. На солнечно-газовой электростанции используется система параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем – дифенилом, нагреваемым до 350°С. Желоб поворачивается для слежения за солнцем, фокусируя солнечные лучи на трубе.
- / + + Солнечные элементы – одновременно наиболее сложная и наиболее простая солнечная технология, самый экологически чистый из всех источников энергии имеющихся на данный момент.
2. Ветровая энергия также используется человеком издавна (парусный флот, мельницы – только в России до революции их было около 250 000). Для нормальной работы ВЭС требуется скорость ветра 4 – 5 м/с, а наибольшей эффективности установки достигают при ветре в 6 – 9 м/с. В мире сейчас работает более 30 тысяч ветроустановок разной мощности. Размещать ВЭС выгодно и удобно в областях гор и пустынь, здесь лидерами являются США (чаще крупные ВЭС) и Австралия (небольшие ВЭС на отдаленных фермах). В Западной Европе ветровые установки размещают на прибрежном мелководье и на крышах домов. Здесь лидерами по производству ветроэлектроэнергии являются Германия (10% от всей электроэнергии), Дания, Франция, Великобритания, Бельгия, Нидерланды.
Разработаны и действуют так называемые циклонные электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный “циклон”, который вращает турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей и обычных ветряков.
- ВЭС не безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Однако в сравнении с традиционными ЭС – это несущественный вред экологии.
3. Энергия приливов. ПЭС используют энергию напора, который создается между морем и отсеченным от него заливом. Часть залива отгораживается плотиной. Во время прилива залив наполняется, вращая турбины, а во время отлива происходит обратный процесс, сопровождающийся также выработкой турбинами электроэнергии. Наиболее выгодно использовать для строительства ПЭС длинные, узкие и неглубокие заливы, где высота приливов наиболее высока. Приливная волна достигает 17-18 м в заливе Фанди, 15 м – в проливе Ла-Манш, 13м – в Охотском море (Пенжинская губа на Камчатке), 10 м – в Белом море. ПЭС можно строить и в местах, где приливы достигают и 1-2 метров.
Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. Существуют также проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м.
Подсчитано, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн миллиардов киловатт-часов в год. Для сравнения: это примерно столько же энергии, сколько может дать использование в энергетических целях разведанных запасов каменного и бурого угля, вместе взятых.
+ полностью отсутствует затопление территории
+ возобновляемость
+ экономия топливных ресурсов
+ минимальный вред окружающей среде (немного страдают обитатели моря)
4. Геотермальная энергия. ГеоТЭС используют глубинную энергию Земли.
В СССР первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки (в долине реки Паужетки). В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле, работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (Калифорния, Долина Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой Зеландии, Мексики и Японии. Столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников.
Наиболее широкое применение геотермальная энергия получила в целях санаторно-курортного лечения, отопления домов и теплиц.
+ дешевизна
+ возобновляемость
+ экономия топливных ресурсов
+ экологическая чистота
- жёсткая привязанность к источникам
- недостаточное развитие технологий
5. Энергия биомассы. Сырьё: отходы животноводства, древесные отходы (опилки, ветки, листья), трава, отходы растениеводства, отходы пищевой промышленности (виноделие, сахарный тростник и т.п.), пищевые отходы, отфильтрованная субстанция канализационных отходов,…
При гниении биомассы (навоз, умершие организмы, растения) выделяется биогаз с высоким содержанием метана, который и используется для обогрева, пищеприготовления, выработки электроэнергии и пр.
Кстати, в конце процесса остаётся сухой остаток - являющийся прекрасным удобрением для полей. Много идей посвящено выращиванию быстрорастущих водорослей и загрузке их в такие же биореакторы, а также подобному использованию других органических отходов (стеблей кукурузы, тростника и пр).
Крупные установки имеются в США, Германии, Бразилии. Большое распространение в некоторых странах (Китай, Индия и др.) получили малые установки, утилизирующие отходы одной семьи (в Китае этих установок уже более 40 млн.).
+ экономия топливных ресурсов
+ кроме всего прочего решается проблема огромных масс отходов
+ удобно использовать в сельских районах, куда тянуть газопровод экономически невыгодно, а сырья здесь, как правило, – немеренно.
+ решается проблема с удобрениями (через 2-3 недели – прекрасное органическое удобрение)
Энергетика Кыргызстана
На территории Киргизии в 1917 году действовало пять электростанций общей мощностью 485 кВт. В 20-е годы был построен ряд мелких электростанций. Лишь в 1934 году в Киргизии была создана сеть ЛЭП. Этот год и считают годом рождения национальной энергетики.
Сейчас в КР действует 20 ЭС общей установленной мощностью 3,5 млн. кВт, которые производят 11 – 14 млрд. кВт.ч электроэнергии в год. Протяженность ЛЭП в КР сейчас около 70 тыс. км. Они объединены в Единую энергосистему (недавно закончено её второе кольцо). Протяженность магистральных тепловых путей около 500 км.
|
|
|
