Как влияет энергетика на окружающую среду. Энергетические ресурсы

ЛЕКЦИЯ. Тема: Экологические проблемы энергетики

1. Источники энергии.

2. Экологические проблемы традиционной энергетики.

3. Альтернативные источники энергии.

4. Энергосбережение.

Источники энергии

Основой развития цивилизации является энергетика. От ее состояния зависят темпы научно-технического прогресса, интенсификации производства и жизненный уровень людей.

Источники энергии, используемые для производства энергии, разделяют на возобновляемые и не возобновляемые .

К не возобновляемым источникам энергии относят ископаемое топливо: уголь, нефть, газ, торф, горючие сланцы и ядерную энергию деления урана и тория.

Возобновляемые источники энергии: энергия солнца, ветра, геотермальная энергия, гидроэнергия рек, разные виды океанической энергии (морских волн, приливов и отливов, разницы температур воды и др.).

Возобновляемые источники неисчерпаемы и их использование не нарушает тепловой баланс Земли.

Использование не возобновляемых источников энергии приводит к повышению температуры на Земле, истощению этих ресурсов, загрязнению окружающей среды.

Экологические проблемы традиционной энергетики

Основным способом получения энергии на сегодня является сжигание угля, нефти (мазута), природного газа, горючих сланцев на тепловых станциях (ТЭС) . Примерно 70% электроэнергии вырабатывается на ТЭС. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) кроме электрической электроэнергии вырабатывают тепловую энергию в виде подогретой воды и пара.

В мировом масштабе гидравлические станции (ГЭС) обеспечивают получение около 7% электроэнергии.

Атомные электростанции (АЭС) вырабатывают около 20% электроэнергии, причем в ряде стран она является преобладающей (Франция ~ 74%, Бельгия ~ 61%, Швеция ~ 45%).

Воздействие тепловой энергетики на окружающую среду

Влияние тепловой энергетики на окружающую среду зависит от вида используемого топлива. Наиболее чистым топливом является природный газ, далее следуют нефть (мазут), каменный уголь, бурый уголь, сланцы.

В результате работы ТЭС в связи с недостаточной очисткой топочных газов и сжиганием низкосортного топлива, в атмосферу поступают различные газообразные загрязнители : основные из них: угарный газ (СО), углекислый газ (СО 2) , оксиды азота (NO, NO 2), углеводороды (C m H n). а также высокотоксичное вещество бензапирен. ТЭС, работающие на угле, являются также источником выбросов диоксида серы (SO 2). Поступление загрязнителей в атмосферу вызывает массу экологических проблем (парниковый эффект, смоги, кислотные дожди, нарушение озонового слоя и др.).

При сжигании угля образуются также зола и шлаки, для складирования, которых требуются огромные территории земель . Зола и шлак в некоторых случаях содержат в своем составе, кроме нетоксичных составляющих, тяжелые металлы, радиоактивные элементы , которые разносятся ветром и накапливаются на прилегающей территории.

Большие объемы воды расходуются на ТЭС на охлаждение агрегатов.

ТЭС является источником теплового загрязнения . Вода, используемая для охлаждения агрегатов, проходит охлаждение в градирнях, прудах–охладителях и зачастую недостаточно охлажденная, сбрасывается в водные объекты, обусловливая их тепловое загрязнение. Выбросы большого количества тепла и углекислого газа способствуют повышению температуры на Земле.

Значительные территории земель отводятся при добыче угля для складирования пустой породы. Отвалы пустых пород пылят, часто самовозгораются и являются источников выбросов в атмосферу продуктов их горения.

Воздействие ядерной энергетики на окружающую среду

Ядерная энергетика до недавнего времени рассматривалась как наиболее перспективная.

Первая АЭС была введена в эксплуатацию в Обнинске под Москвой в 1954 году. Мощность ее составляла 5000 квт. В середине 80-х годов в мире насчитывалось более 400 АЭС. Основными преимуществами атомной энергетики, по сравнению с тепловой, является меньший объем потребляемого топлива и отсутствие постоянных выбросов в атмосферу продуктов сгорания.

За 30 лет существования АЭС в мире произошло три больших аварии: в 1957 г. – в Великобритании; в 1979 г. в США и особенно в 1986 г. на Чернобыльской АЭС (крупнейшая катастрофа в мире).

Во время аварии в Чернобыле в атмосферу поступило около 450 типов радионуклидов. Наиболее распространенные радионуклиды: короткоживущие йод – 131 и долгоживущие – стронций-90, цезий-131, усваиваемые живыми организмами. Искусственный элемент плутоний, который образуется в реакторах АЭС, наиболее токсичное вещество, созданное человеком.

После Чернобыльской катастрофы главную опасность АЭС стали связывать с возможностью аварий . Отдельные страны приняли решение о полном запрете на строительство АЭС. В их числе Бразилия, Швеция, Италия, Мексика.

Топливно-энергетический комплекс АЭС включает добычу урановой руды, выделение из нее урана (обогащение), производство ядерного топлива, производство энергии на АЭС, обработку, транспортировку и захоронение радиоактивных отходов.

Радиоактивные отходы образуются на всех стадиях топливно-энергетического цикла и требуют специальных методов обращения с ними. Наиболее опасным является отработанное в реакторе топливо. В процессе выгорания ядерного топлива выгорает лишь 0,5 – 1,5%, остальную массу составляют радиоактивные отходы. Часть их подвергается переработке, основная же масса – захоронению. Технология захоронения очень сложная и дорогостоящая.

АЭС является источником теплового загрязнения . На единицу выпускаемой продукции, на АЭС в атмосферу выбрасывается в 2 – 2,5 раза больше тепла, чем на ТЭС. Объем подогретых вод на АЭС также значительно больше.

Срок эксплуатации АЭС составляет около 30 лет. Значительные затраты требуются для вывода АЭС из эксплуатации . Основное решение этого вопроса заключается в устройстве саркофага над ними и дальнейшего обслуживания его в течение длительного времени.

Взаимодействие энергетического предприятия с окружающей средой происходит на всех стадиях добычи и использования топлива, преобразования и передачи энергии. Тепловой электростанцией активно потребляется воздух.

Образующиеся продукты сгорания передают основную часть теплоты рабочему телу энергетической установки, часть теплоты рассеивается в окружающую среду, а часть - уносится с продуктами сгорания через дымовую трубу в атмосферу. Продукты сгорания, выбрасываемые в атмосферу, содержат оксиды азота, углерода, серы, углеводорода, пары воды и др. вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Удаляемые из топки зола и шлак образуют золошлакоотвалы на поверхности литосферы. В паропроводах от парогенератора к турбогенератору, в самом турбогенераторе происходит потеря тепла в окружающую среду. В конденсаторе, а также в системе регенеративного подогрева питательной воды теплота конденсации и переохлаждения конденсата воспринимается охлаждаемой водой внешнего водоема. Кроме конденсаторов турбогенераторов,

потребителями охлаждающей воды являются маслоохладители, системы смыва золы и шлака и другие вспомогательные системы, выделяющие сливы на поверхность воды или в гидросферу.

Одним из факторов воздействия угольных станций на окружающую среду являются выбросы систем складирования топлива, его транспортировки, пылеприготовления и золоудаления. При транспортировке и складировании возможны не только пылевое загрязнение, но и выделения продуктов окисления топлива на складах.

Распространение перечисленных выбросов в атмосферу зависит от рельефа местности, скорости ветра, перегрева их по отношению к температуре окружающей среды, высоты облачности, фазового состояния осадков и их интенсивности. Так, крупные градирни в системе охлаждения конденсаторов электростанций существенно увлажняют микроклимат в районе станций, способствуют образованию низкой облачности, туманов, снижению солнечной освещенности, вызывают моросящие дожди, а в зимнее время - иней и гололед. Взаимодействие выбросов с туманом приводит к образованию устойчивого сильно загрязненного мелкодисперсного облака - смога, наиболее плотного у поверхности земли. Одним из видов воздействия станций на атмосферу является всё возрастающее потребление воздуха, необходимого для сжигания топлива.

Взаимодействие тепловой станции с гидросферой характеризуется в основном потреблением воды системами технического водоснабжения, в том числе безвозвратным потреблением воды.

Основными потребителями воды на ТЭС и АЭС являются конденсаторы турбин. Расход воды зависит от начальных и конечных параметров пара и от системы технического водоснабжения.

При промывке поверхностей нагрева котлоагрегатов образуются разбавленные растворы соляной кислоты, едкого натра, аммиака, солей аммония, железа и других веществ.

Основными факторами воздействия ТЭС на гидросферу являются выбросы теплоты, следствиями которых могут быть: локальное постоянное повышение температуры в водоеме; временное общее повышение температуры; изменение условий ледостава, зимнего гидрологического режима; изменение условий паводков; изменение распределения осадков, испарений, туманов. Наряду с нарушением климата тепловые выбросы приводят к зарастанию водоемов водорослями, нарушению кислородного баланса, что создает угрозу для жизни обитателей рек и озер.

Основными факторами воздействия ТЭС на литосферу является осаждение на её поверхности твердых частиц и жидких растворов - продуктов выбросов в атмосферу, потребление ресурсов литосферы, в т.ч.

Вырубка лесов, добыча топлива, изъятие из сельскохозяйственного оборота пахотных земель и лугов под строительство ТЭС и для устройства золоотвалов. Следствием этих преобразований является изменение ландшафта.

При нормальной эксплуатации АЭС дают значительно меньше вредных выбросов в атмосферу, чем ТЭС, работающие на органическом топливе. Так, работа АЭС не влияет на содержание кислорода и углеродного газа в атмосфере, не меняет её химического состояния. Основными факторами загрязнения окружающей среды здесь выступают радиационные показатели. Радиоактивность контура ядерного реактора обусловлена активизацией продуктов коррозии и проникновением продуктов деления в теплоноситель, а также наличием трития. Наведенной активности подвергаются практически все вещества, взаимодействующие с радиоактивными излучениями. Прямой выход радиоактивных отходов ядерных реакций в окружающую среду предотвращается многоступенчатой системой радиационной защиты. Наибольшую опасность представляют аварии на АЭС и неконтролируемое распространение радиации.

Вторая проблема эксплуатации АЭС - тепловое загрязнение. Основное тепловыделение АЭС в окружающую среду, как и на ТЭС, происходит в конденсаторах паротурбинных установок. Однако большие удельные расходы пара у АЭС определяют

и большие удельные расходы воды. Сбросы охлаждающей воды ядерных энергетических установок не исключают их радиационного воздействия на водную среду, в частности, поступления радионуклидов в гидросферу.

Важными особенностями возможного воздействия АЭС на окружающую среду являются переработка"радиоактивных отходов, которые образуются не только на АЭС, но и на всех предприятиях топливного цикла, а также необходимость демонтажа и захоронения элементов оборудования, обладающих радиоактивностью.

ГЭС оказывают существенное влияние на природную среду, которое проявляется как в период строительства, так и при эксплуатации. Сооружение водохранилищ перед плотинами ГЭС приводит к затоплению территорий. Изменение гидрологического режима и затопление территорий вызывают изменения гидрохимического, гидробиологического и гидрогеологического режимов водных масс. При интенсивном испарении влаги с поверхности водохранилищ возможны локальные изменения климата: повышение влажности воздуха, образование туманов, усиление ветров и т.п.

Сооружения ГЭС существенно влияют на ледовый режим водных масс: на сроки ледостава, толщину ледяного покрова и т.п.

При сооружении крупных водохранилищ ГЭС создаются условия для развития сейсмической активности, что обусловлено возникновением дополнительной нагрузки на земную кору и интенсификацией тектонических процессов.

Чистая окружающая среда является ограниченным ресурсом наряду с трудом, капиталом и знаниями. Топливно-энергетический комплекс занимает ведущее место по степени воздействия на окружающую природную среду среди объектов техногенного воздействия. Специфика объектов ТЭК как источника загрязнения окружающей среды характеризуется высокой пожаро- и взрывоопасностью добываемых и транспортируемых продуктов, значительной удаленностью потребителей от производителей, а, следовательно, большой протяженностью систем транспорта энергоресурсов, изменчивостью природного ландшафта, климатических, геокриологических и др. условий, в которых строятся и эксплуатируются объекты комплекса. Энергетические предприятия оказывают значительное влияние и на климат планеты, поскольку выбрасываемые ими в атмосферу вещества способствуют деградации озонового слоя Земли и нарастанию парникового эффекта: 70% парниковых газов поступают в атмосферу с выбросами предприятий ТЭК.

Исследованием проблем топливно-энергетического комплекса России и его взаимодействием с окружающей средой занимаются многие отечественные и зарубежные специалисты. Основной целью этих исследований является выработка направлений снижения отрицательного воздействия ТЭК на окружающую среду при прогнозировании его развития.

Функционирование ТЭК сопровождается образованием различных типов отходов, которые проявляются в виде выбросов в атмосферу, сбросов загрязненных сточных вод и жидких отходов, образованием твердых отходов. Оказывая значительное воздействие на окружающую среду, ТЭК является также источником техногенной опасности возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций в результате значительного износа основных фондов, что обусловливает загрязнение природной среды по всем перечисленным направлениям.

Рассмотрим три основных направления воздействия ТЭК на объекты окружающей среды:

ВОЗДУХ → Выбросы в атмосферу

ВОДА → Сброс загрязненных сточных вод

ЗЕМЛЯ → Твердые отходы

Анализ воздействия основных секторов ТЭК по каждому направлению показывает, что за период 2005-2015 г. наблюдалась устойчивая тенденция сокращения выбросов загрязняющих веществ отраслями ТЭК и промышленностью в целом, при росте доли ТЭК в общих выбросах промышленности. Объемы выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников промышленности уменьшились почти в 2 раза, по ТЭК – в 1,8 раза, доля отраслей ТЭК возросла с 44,8% до 48,8%. По объемам сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водоемы отмечается аналогичная тенденция: снижение объемов сброса загрязненных вод на 43% и увеличение доли ТЭК в структуре выбросов промышленности с 22% до – 24%. Начавшийся рост промышленного производства в 2015 г. происходил в условиях сокращения валового выброса вредных веществ в атмосферу от стационарных источников: в целом по Российской Федерации на 0,7% (до 18,5 млн. т) по сравнению с 2014 г.

Крупными источниками загрязнения окружающей среды являются нефтегазовые месторождения и магистральные газопроводы, где основными загрязняющими компонентами являются нефть и ее пары, сточные воды, а также продукты сгорания.

Рассмотрим воздействие отраслей ТЭК на основные сферы окружающей среды.

1. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу

· Электроэнергетика

По суммарным выбросам загрязняющих веществ в атмосферу «лидирует» электроэнергетика, ее доля в суммарных выбросах стационарными источниками промышленности за рассматриваемый период превысила 25% и достигла в 2015 г. 26,8%. В 2015 г. выбросы ЗВ составили 3,9 млн. т, что ниже уровня 2014 г. на 56 тыс. Сохранение устойчивой тенденции сокращения выбросов обусловлено увеличением до 64% доли природного газа в структуре ТЭБ; повышением экологической культуры эксплуатации тепловых станций - внедрение эффективных золоулавливающих установок; введением в действие ГОСТа (Р50831-95), устанавливающего нормативы удельных выбросов для вновь вводимых котельных установок на уровне мировых стандартов.

Нефтедобывающая промышленность макроэкономический анализ: методы и результаты.

Объемы выбросов ЗВ в атмосферу сократились за 2005-2015 гг. в 1.8 раза, однако доля отрасли в выбросах промышленности в 2015 г. превысила уровень 2005 г. и составляла 9% от выбросов стационарными объектами промышленности. Основными ЗВ в нефтедобывающей промышленности являются углеводороды – 48%, оксид углерода – 44% и твердые вещества – 4,4%. Рост доли нефтедобычи в выбросах промышленности обусловлен в значительной степени сжиганием в факелах добываемого попутного газа. В настоящее время в целом по отрасли в факелах сжигается около 20% всего добываемого попутного газа, на отдельных месторождениях ОАО «Томскнефть», «ВНК», ОАО «НК «Юкос» этот показатель достигает 70%, что связано с незначительным объемом ресурсов попутного газа на отдельных месторождениях, а также их удаленностью от потребителей.

Эффективным решением проблемы утилизации попутного газа является его использование на малогабаритных газогенераторных электростанциях, что позволит обеспечить потребности промыслов в электроэнергии и снизить эмиссию парниковых газов. Для улучшения экологической ситуации в нефтедобыче требуется ремонт и замена устаревшего оборудования добывающих предприятий, внутрипромысловых трубопроводов, использование труб с повышенными антикоррозийными свойствами. Решение этой проблемы, на наш взгляд, требует разработки и принятия соответствующей законодательной базы, а также федеральной Программы утилизации попутного нефтяного газа на объектах ТЭК.

В нефтепереработке состав основных ЗВ тот же, что и в нефтедобыче, их общее количество сократилось к 2015 г. почти в 2 раза до 748 тыс. т. Доля отрасли составляет 5% от выбросов промышленности.

· Газовая промышленность

Объемы выбросов ЗВ в атмосферный воздух от стационарных источников за 2005-2015 гг. сократились более чем в 3 раза. Доля отрасли в общем объеме выбросов промышленности также сократилась на 1% и составила в 2015 г. 3%. Следует отметить, что несмотря на незначительное уменьшение уровня добычи природного газа в 2015 г. (составил 590 млрд. м 3) и проводимую работу по снижению загрязнения атмосферного воздуха, выбросы ЗВ по газовой промышленности увеличились на 6,5% и составили более 456,3 тыс. т. Основной причиной являются аварии на магистральных газопроводах, происходящие вследствие старения оборудования. В 2015 г. в отрасли произошло 26 аварий. Наблюдается увеличение углеродов до 70,6% в общем объеме выбросов ЗВ, что обусловлено преимущественно ростом выбросов метана до 9%, который является одним из «парниковых газов». Эмиссия метана и углекислого газа в газовой отрасли происходит на всех стадиях технологического процесса. Доминирующее влияние оказывает газотранспортная система, на долю которой приходится 70% всех выбросов.

Согласно расчетам специалистов ОАО "Газпром" потери метана в газовой промышленности России колеблются от 1,03 до 1,54% и в среднем составляют примерно 1,3% от объема добычи природного газа . Доля потерь газа из распределительных газопроводов ОАО "Газпром" составляет 25 - 29% от суммарной эмиссии метана по отрасли в целом (в США в 2005 – 2015 гг. она составляла 24-43%), потери природного газа в атмосферу для различных подземных хранилищ газа находятся в интервале 0,7 - 3% от активного объема хранимого газа .

В настоящее время в газовой промышленности реализуется международный ―Проект снижения выбросов парниковых газов при производстве и потреблении метана в России, а также специальная программа работ по снижению потерь на период до 2005 г. Прогнозируется, что реализация предусмотренных мер позволит снизить потери природного газа на 3 млрд. м 3 .

· Угольная промышленность

В рамках реструктуризации угольной промышленности, проводимой с 2011 г., ликвидируются нерентабельные производства, ведется реконструкция и техническое перевооружение ряда перспективных шахт в Кузбассе, в республике Коми, на Дальнем Востоке и в Ростовской области. В результате выбросы в атмосферу вредных веществ за макроэкономическийанализ: методы и результаты: рассматриваемый период снизились в 2,4 раза, при росте доли отрасли в выбросах промышленности с 0,8% до 3,8%. В 2014-2015 г. общий объем выбросов ЗВ в атмосферный воздух увеличился на 2% и составил более 614 тыс. т, что было обусловлено ростом добычи угля на 7,7%, а также значительным увеличением сжигания метана в отвалах. Ресурсы метана в шахтных забоях возросли до 400 млн. м 3 , в этой связи увеличилось количество взрывоопасных ситуаций и реальных аварий на угольных шахтах, в 2015 г. горело около 60 отвалов.

Общие ресурсы метана в Кузбассе по оценкам экспертов составляют 10-13 трлн. м 3 (газовыделение углей составляет 20-25 м 3 на 1 т угля), промышленные запасы метана Печорского угольного бассейна достигают 2 трлн. м3. Использование метана угольных пластов в энергетике позволит снизить затраты на теплоснабжение и улучшить экологическую ситуацию за счет отказа от сжигания угля. Уголь содержит наибольшее количество серы по сравнению с другими энергоносителями - 0,2-7%, в нефти и мазуте ее содержание почти в 2 раза меньше – 0,5-4,0%, дизельное топливо содержит 0,3-0,9%, а в природном газе сера практически отсутствует .

2. Сброс загрязненных сточных вод.

· Электроэнергетика

Электроэнергетика потребляет около 70% общего объема воды, используемой промышленностью. Отрасль является лидером по суммарным выбросам загрязняющих сточных вод в поверхностные водоемы, ее доля в 1999 г. была на уровне 2005 г. и составляла 15,4%. Объем сброса загрязненных сточных вод 2005-2015 гг. сократился в 1,8 раза, в т.ч. за 2015 г. - на 31%, несмотря на увеличение выработки электроэнергии и потребления свежей воды на 500,3 млн. м 3 . Снижение выбросов обусловлено в значительной степени повышением экологической культуры эксплуатации тепловых станций, а также увеличением доли природного газа в структуре ТЭБ.

· Угольная промышленность

Сброс сточных вод за рассматриваемый 9 –летний период сократился почти в 1,5 раза и составил 396 млн. м3, что на 12% меньше уровня 2014 г. Доля отрасли в общем объеме сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водоемы промышленностью возросла с 4,5% в 1991г. до 6,1% в 2015г.

· Нефтеперерабатывающая промышленность

Доля отрасли в объеме сброса загрязненных сточных вод промышленностью в 2013-2015 гг. оставалась на уровне 2005 г. и составляла 2,6%. За рассматриваемый период произошло снижение сброса почти в 2 раза. В 1999 г. отраслью сброшено в поверхностные воды на 11% меньше загрязненных сточных вод (164,4 млн. м 3) в сравнении с уровнем предыдущего года, что достигнуто в результате увеличения объемов использования очищенных стоков.

· Газовая промышленность

Отрасль потребляет и сбрасывает в поверхностные воды незначительное количество загрязненных сточных вод, ее доля составляет около 0,05% от объемов сброса промышленностью в целом. К 2015 г. объем загрязненных сточных вод уменьшился в 1,5 раза по сравнению с 2005 г. и составил 3,15 млн. м 3 . При этом общий объем водопотребления сократился в 2 раза.

· Нефтедобывающая промышленность

В отрасли за анализируемый период произошло сокращение сброса загрязненных сточных вод в 5,5 раза, в т.ч. за 2014-2015 гг. почти в 5 раз. При этом доля отрасли сократилась с 0,2% в 2015 г. до 0,07% к 2005 г. За 2015 г. на 18% снизилось общее количество использования воды в результате проведения политики водосбережения при поддержании пластового давления (снижение закачки свежей воды), мероприятий по оптимизации схемы водного хозяйства, увеличения повторно-последовательного использования воды. Загрязнение поверхностных вод и питьевых источников происходит также вследствие разливов нефти и нефтепродуктов, что в значительной степени макроэкономический анализ: методы и результаты обусловлено старением трубопроводов, повышенной обводненностью нефтяных пластов, наличием сероводородных примесей. В 1999 г. общее количество порывов на межпромысловых и внутрипромысловых трубопроводах достигло 53,8 тыс. случаев.

3. Твердые отходы

Угольная промышленность является "лидером" среди отраслей ТЭК России по выбросу в атмосферу твердых веществ. Значительные выбросы угольной пыли происходят при транспорте угля и составляют 15 кг/т у.т. На угольных разрезах Кузбасса ежегодно в атмосферу поступает более 238 тыс. т пылевидных частиц.

В электроэнергетике основная часть твердых отходов связана с золошлаковыми отходами, в 2015 г. их количество составило 2,4 млн. т., при общем количестве порядка 40 млн. т, на основе данных ).

На предприятиях нефтедобывающей промышленности в 2015 г. образовалось 604 тыс. т твердых отходов, в нефтепереработке – 696,8 тыс. т, что на 19% больше уровня 2014 г., из которых 37,1% - нефтяные шламы.

В добыче газа за 2015 г. объем твердых отходов составил 143 тыс. т, часть которых обезврежена, передана другим предприятиям и размещена в местах постоянного хранения.

Аварийные и чрезвычайные ситуации

Одной из основных проблем ТЭК является загрязнение ОС в результате аварийных и чрезвычайных ситуаций. По данным Госгортехнадзора за 2011-2013 гг. на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири происходило до 40 тыс. аварий в год со значительным разливом нефти и ее попаданием в водоемы и заболоченные территории. В 2015 г. общее количество порывов на нефтепроводах составило 19 тыс. случаев, в т. ч. по причине коррозии 96,4%, что обусловлено в значительной мере высокой степенью изношенности трубопроводов: старением труб, их внутренней коррозией, увеличением общего срока службы нефтепромыслов, значительной обводненностью нефти, агрессивностью перекачиваемой среды, включая наличие примесей, содержащих сероводород.

На магистральных газопроводах в 2015 г. произошло 26 аварий, в результате которых объем эмиссии природного газа достиг 100 млн. м 3 . Основная причина - старение газопроводов и отсутствие средств на капитальный ремонт.

4. Парниковые газы

В последнее время большое значение имеет проблема эмиссии парниковых газов. Наибольшую значимость эта проблема приобрела в связи с подписанием Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК) и Киотского протокола. Страны-участники Киотского протокола на Третьей конференции сторон РКИК (Киото, 1-10 декабря 2013 г.) установили ограничения и квоты на выбросы по 6 видам парниковых газов: двуокиси углерода (СО 2 или карбон диоксида), метана, закиси азота, гидро- и перфторуглеродов и гексафторида серы, среди которых ведущее место занимает СО2. Основной объем выбросов углекислого газа приходится на энергетическую сферу, в его выбросах по России доля сжигания ископаемого топлива составляет 98,6%. Аналогичная структура характерна и для мирового сообщества в целом.

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).

Глобальное потребление топлива возросло в 30 раз почти за 200 лет, прошедших со времени начала индустриальной эпохи, и достигло в 1994 г. 13,07 Гт у. т/год.

Подобный рост потребления энергии происходил спонтанно, независимо от воли человека. Это не только не вызывало тревоги у широкой общественности, но и рассматривалось как благоприятный фактор развития человечества.

Общепринятая классификация подразделяет источники первичной энергии на коммерческие и некоммерческие.

Коммерческие источники энергии включают в себя твердые (каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, битуминозные пески), жидкие (нефть и газовый конденсат), газообразные (природный газ) виды топлива и электроэнергию, произведенную на ядерных, гидравлических, ветровых, геотермальных, солнечных и приливных электростанциях).

К некоммерческим относят все остальные источники энергии (дрова, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила рабочего скота и собственно человека).

Мировая энергетика в целом основана преимущественно на коммерческих энергоресурсах (свыше 90 % общего потребления энергии в 1995 г.).

Подобный акцент характерен для длительной индустриальной фазы развития общества в прошлом и, вне всякого сомнения, сохранится и в ближайшие десятилетия.

Однако в последующую четверть XX в. произошли значительные изменения в мировой энергетике, связанные прежде всего с переходом от экстенсивных путей ее развития, от энергетической эйфории к энергетической политике, основанной на повышении эффективности использования энергии и всемерной ее экономии. Поводом для этих изменений стали энергетические кризисы 1973 и 1979 гг., стабилизация запасов ископаемого топлива и удорожание его добычи, желание уменьшить обусловленную экспортом энергоресурсов зависимость экономики от политической нестабильности в мире. К этому стоит добавить всевозрастающее осознание правительствами цивилизованных стран потенциальной опасности крупномасштабных последствий развития энергетики и озабоченность по поводу растущей деградации условий жизни в связи с экологическим прессом на локальном уровне (кислотные дожди, загрязнение воздуха и воды, тепловое загрязнение

В течение первой половины прошедшего столетия уголь с явным преимуществом держал первенство среди источников коммерческой энергий (более 60 % до 1950 г.). Однако резко увеличивается добыча нефти, что связано с открытием новых месторождений и с колоссальными потребительскими достоинствами этого вида ископаемого топлива.

Тепловые электростанции и окружающая среда

ТЭС производят электрическую (до 75% общей выработки электроэнергии мира) и тепловую энергию, при этом вся материальная масса топлива превращается в отходы, поступающие в окружающую среду в виде газообразных и твердых продуктов сгорания (рис. 2). Эти отходы в несколько раз (при сжигании газа в 5, а при сжигании антрацита в 4 раза) превышают массу использованного топлива.

Рис. 2. Влияние ТЭС на окружающую среду:

Котел; 2 - дымовая труба; 3 - турбина; 4 - генератор; 5 - подстанция; 6 - конденсатор; 7 - конденсатный насос; 8 - питательный насос; 9 - линия электропередачи; 10 - потребители электроэнергии.

Выбрасываемые в окружающую среду продукты сгорания определяются видом и качеством топлива, а также методом его сжигания. В настоящее время около 70% общего производства электроэнергии ТЭС обеспечивается конденсационными электростанциями.

Вся тепловая энергетика мира ежегодно выбрасывает в атмосферу Земли более 200 млн. т оксида углерода, более 50 млн. т различных углеводородов, почти 150 млн. диоксида серы, свыше 50 млн. т оксида азота, 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей. Ни у кого не вызывает сомнения, что подобная "деятельность" тепловой энергетики вносит существенный вклад в нарушение баланса установившихся в биосфере круговых процессов, которое все отчетливее стало проявляться в последние годы. Нарушение баланса отмечается не только вредным веществам (оксиды серы и азота), но и по углекислому газу. Этот дисбаланс с увеличением масштабов производства электроэнергии на базе органического топлива может, как теперь многие считают, в отдаленной перспективе привести к значительным экологическим последствиям для всей планеты.

Процессу производства электроэнергии на ТЭС сопутствует также появление различных загрязняющих стоков, связанных с процессом водоподготовки, консервацией и промывкой оборудования, гидротранспортом золошлаковых отходов и т.п. Эти стоки при сбросах в водоёмы губительно влияют на их флору и фауну. В результате создания замкнутых систем водоснабжения это влияние снижается или устраняется.

Большое количество воды используется ТЭС в различных теплообменных устройствах для конденсации отработавшего пара, водо-, масло-, газо- и воздухоохлаждения. Для этих целей вода забирается из какого-либо поверхностного источника и при прямоточной схеме после использования в указанных устройствах возвращается обратно в те же источники. Эта вода вносит в используемый водоем большое количество теплоты и создает так называемое тепловое загрязнение его. Такого рода загрязнение воздействует на биологические и химические процессы, определяющие жизнедеятельность растительных и животных организмов, населяющих естественные водоемы, и нередко приводит к их гибели, интенсивному испарению воды с поверхностей водоемов, изменению гидрологических характеристик стока, повышению растворимости пород в ложах водоемов, ухудшению их санитарного состояния и к изменению микроклимата в отдельных районах.

Основными источниками теплового загрязнения водоемов являются конденсаторы турбин. Из них отводится приблизительно от половины до двух третей всего количества теплоты, получаемой от сгорания органического топлива, что эквивалентно 35--40 % энергии используемого топлива.

Считается, что для конденсации пара на каждую турбину типа К-300-240 требуется до 10 м 3 /с воды, а для турбины К-800-240 -- уже 22 м 3 /с, и все это количество воды покидает конденсатор с температурой не менее 30°С.

Агрессивность и вредное влияние на природу теплой и горячей воды значительно усиливаются одновременным ее отравлением сбросами загрязненных стоков от других источников.

Следует, однако, отметить, что при использовании оборотной системы водоснабжения повышение температуры в водохранилищах-охладителях ТЭС в определенных условиях может оказаться для народного хозяйства экономически вполне оправданным. Известно, например, что в средней полосе России такие водохранилища можно заселять теплолюбивыми растительноядными рыбами, обеспечивающими питательную продукцию 25--30 ц/га в год. Подогретая вода может использоваться также для обогрева теплиц и т. п. Использование отходов теплоты позволяет в этом случае создавать так называемые энергобиологические комплексы, над развитием и совершенствованием которых работает широкий круг ученых.

Вместе с тепловым загрязнением водоемов наблюдается аналогичное загрязнение и воздушного бассейна. Только примерно 30 % потенциальной энергии топлива превращается сегодня на ТЭС в электроэнергию, а 70 % ее рассеивается в окружающей среде, из них 10 % приходится на горячие газы, выбрасываемые через дымовые трубы.

Атомные электростанции и окружающая среда

Атомная энергетика (5,9% мирового потребления коммерческой энергии) после периода быстрого роста в 70-е годы и начале 80-х испытывает жесточайший кризис, чему причиной всплеск социальных противоречий, экологическая и политическая оппозиция во многих странах, технические трудности обеспечения возросших требований безопасности АЭС и проблема захоронения радиоактивных отходов, перерасход затрат на строительство и сильный рост себестоимости электроэнергии, произведенной на АЭС. Тем не менее у атомной энергетики есть хорошее будущее, причем, по-видимому, путь к успеху лежит на пути к реализации новых физических принципов. В последнее десятилетие количество работающих в мире реакторов и их установленная мощность растут чрезвычайно медленно (на 1 января 1996г. число их составило 437 при мощности 344 ГВт против 426 и 318 ГВт на 1 января 1990г.). В мире есть большое количество стран, энергетика которых в значительной мере основана на атомной энергии (Литва, Франция, Бельгия, Швеция, Болгария, Словакия, Венгрия имеют долю "атомного" электропотребления свыше 40%).

Атомные электростанции осуществляют значительно большие сбросы теплоты в водные бассейны, чем ТЭС, при одинаковых параметрах, что повышает интенсивность теплового загрязнения водоемов. Считается, что потребление охлаждающей воды на АЭС примерно в 3 раза больше, чем на современных ТЭС. Однако более высокий КПД АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (40--42%), чем у АЭС на тепловых нейтронах (32-34%), позволяет примерно на одну треть сократить сброс теплоты в окружающую среду по сравнению со сбросом теплоты АЭС с водоохлаждаемыми реакторами.

Проблема радиационной безопасности эксплуатации АЭС является многоплановой и достаточно сложной. Главным источником возникновения опасной радиации является ядерное горючее. Изоляция его от окружающей среды должна быть достаточно надежной. С этой целью сначала ядерное топливо формируется в брикеты, материал матрицы которых удерживает большую часть продуктов деления радиоактивных веществ. Брикеты, в свою очередь, размещаются в тепловыделяющих элементах (твэлах), выполненных в виде герметически запаянных трубок из циркониевого сплава. Если все же произойдет хотя бы незначительная утечка продуктов деления из твэлов вследствие возникших в них неисправностей (что само по себе маловероятно), то они попадут в охлаждающий реактор реагент, циркулирующий по замкнутому контуру.

Реактор способен выдерживать огромные давления. Но и это не все: реактор окружает мощная железобетонная оболочка, способная выдержать самые сильные когда-либо отмечавшиеся ураганы и землетрясения и даже прямое попадание потерпевшего аварию самолета.

Наконец, для полной безопасности населения окружающего района осуществляется защита расстоянием, т.е. АЭС размещается на некотором удалении от жилых массивов.

Другим источником радиационной опасности являются различные радиоактивные отходы, неизбежно возникающие во время эксплуатации реакторов. Различают три вида отходов: газообразные, жидкие и твердые.

Загрязнение атмосферы газообразными (летучими) радиоактивными отходами через вентиляционную трубу ничтожно. В худшем случае оно не превышает нескольких % предельно допустимого уровня, установленного нашим законодательством и Международной комиссией по радиологической защите, требования которой значительно ниже. Это достигается путем использования высокоэффективной системы очистки газов, имеющейся на каждой АЭС.

Таким образом, с точки зрения сохранения чистоты атмосферы АЭС оказались несравненно благоприятнее ТЭС.

Вода, загрязненная низкоактивными радиоактивными веществами, дезактивируется и используется повторно, и лишь незначительное количество ее сливается в бытовую канализационную систему, при этом загрязнение от нее не превышает максимальных уровней, допустимых для питьевой воды.

Несколько сложнее решается проблема с очисткой и хранением высокоактивных жидких и твердых отходов. Трудность здесь состоит в том, что такие радиоактивные отходы не могут быть искусственно нейтрализованы. Естественный радиоактивный распад, который для некоторых из них длится сотни лет, является пока единственным средством устранения их радиоактивности.

Вследствие этого высокоактивные жидкие отходы должны быть надежно захоронены специально для этого в приспособленных камерах. Предварительно отходы подвергают "отвердению" путем нагрева и выпаривания, что позволяет значительно (в сотни раз) уменьшить их объем.

Твердыми отходами АЭС являются детали демонтированного оборудования инструмент, отработавшие фильтры для очистки воздуха, спецодежда, мусор и т.д.

Эти отходы после сжигания и прессования для уменьшения габаритов помещаются в металлические контейнеры и также захораниваются в подземных камерах (траншеях).

Основными радиоактивными отходами АЭС являются отработавшие твэлы, которые содержат уран и продукты деления, в основном плутоний, остающийся опасным в течение сотен лет. Они также подлежат захоронению в специальных подземных камерах. Чтобы предотвратить растекание радиоактивных отходов при возможных разрушениях подземных камер, отходы предварительно превращают в твердую стеклообразную массу. Создаются также специальные установки для переработки р/а отходов.

Некоторые страны, в частности Англия и отчасти США, производят захоронение отходов в специальных контейнерах, опускаемых на дно морей и океанов. Такой способ захоронения отходов таит в себе громадную потенциальную опасность радиационного загрязнения морей в случае разрушения контейнеров под воздействием коррозии.

Чтобы полностью устранить радиационную опасность АЭС, их ядерные реакторы снабжают практически безотказной аварийной защитой; резервными системами охлаждения, срабатывающими при внезапном повышении температуры; устройствами, удерживающими осколки радиоактивных веществ; запасными резервуарами на случай выброса радиоактивных газов. Все это при надлежащем уровне надежности оборудования и его эксплуатации приводит к тому, что атомные электростанции практически не оказывают загрязняющего воздействия на окружающую среду (Менеджмент …, 2007).

Однако потенциальная опасность выброса в атмосферу значительного количества радиоактивных продуктов все же имеется. Она реально может возникнуть при аварийном нарушении герметичности защитных барьеров, которые воздвигаются на пути возможного распространения радиоактивных веществ.

Радиационная безопасность АЭС для окружающей среды в этом случае определяется надежностью указанных защитных барьеров, а также эффективностью работы технологических схем, осуществляющих последующее поглощение и удаление радиоактивных веществ, проникающих через указанные барьеры.

На рис. 3 изображена общая схема воздействия АЭС на окружающую среду.

Рассмотренные некоторые вопросы радиационной безопасности касаются только АЭС, работающих на тепловых нейтронах. Для АЭС на быстрых нейтронах возникают дополнительные проблемы обеспечения радиационной безопасности, связанные, в частности, с необходимостью захоронения таких нарабатываемых как америций и кюрий.

Рис. 3. Влияние АЭС на окружающую среду:

/ -- реактор; 2 -- парогенератор; 3 -- турбина; 4 -- генератор; 5 -- подстанция; 6 -- конденсатор; 7 -- конденсатный насос; 8 -- регенеративный водоподогреватель; 9 -- питательный насос; 10,12 -- циркуляционные насосы; 11 -- градирня; 13 -- линия электропередачи; 14 -- потребители электроэнергии.

Гидроэлектростанции и окружающая среда

Гидроэнергетика (около 6,7%) динамично развивавшаяся, также переживает трудный период. Одна из наиболее серьезных проблем связана с затоплением земель при строительстве ГЭС. В развитых странах, где значительная часть гидроэнергетического потенциала уже освоена (в Северной Америке -- более 60 %, в Европе -- более 40 %), практически нет подходящих для строительства ГЭС мест.

Проектирование и строительство крупных ГЭС ведется преимущественно в развивающихся странах, а наиболее крупные программы реализуются в Бразилии и Китае. Однако использование оставшегося достаточно большого гидроэнергетического потенциала в развивающихся странах ограничивается острой нехваткой инвестиционного капитала в связи с ростом внешнего долга и экологическими проблемами гидроэнергетики. По-видимому, трудно ожидать в будущем заметного увеличения роли гидроэнергии в мировом энергобалансе, хотя для целого ряда стран, прежде всего развивающихся, именно гидроэнергетика может дать существенный импульс экономике.

Технологический процесс производства гидроэнергии экологически безвреден. При нормальном состоянии оборудования ГЭС отсутствуют какие-либо вредные выбросы в окружающую среду. Но создание крупных водохранилищ ГЭС на равнинных реках (Россия -- единственная страна мира, где осуществлено массовое строительство мощных ГЭС на таких реках) практически всегда влечет за собой ряд изменений в природных условиях и объектах народного хозяйства затрагиваемой территории.

Положительное значение водохранилищ как регуляторов стока распространяется на территории значительно больше, чем те, на которых оно располагается. Так, энергетический эффект регулирования стока проявляется не только в тех энергосистемах, в которых работает данная ГЭС, но при достаточно высокой ее мощности и в их объединениях. Орошение земель и защита плодородных угодий от наводнений, осуществляемые с помощью водохранилищ ГЭС, охватывают площади, в ряде случаев значительно превышающие площади затоплений.

Орошение земель, осуществляемое с помощью Волгоградского водохранилища, охватывает огромную территорию Заволжья и Прикаспийской низменности. Однако нередко естественные неуправляемые процессы, происходящие в водохранилищах, приводят к неблагоприятным последствиям, иногда достаточно широкого плана.

Различают прямое и косвенное воздействие водохранилищ на окружающую природу. Прямое воздействие проявляется прежде всего в постоянном и временном затоплении и подтоплении земель. Большая часть этих земель относится к высокопродуктивным с/х и лесным угодьям. Так, доля с/х земель, затопленных водохранилищами Волжско-Камского каскада ГЭС, составляет 48% всей затопленной территории, причем некоторые из них расположены в пойменной зоне, отличающейся высоким плодородием. Около 38% затопленных земель составили леса и кустарники. В пустынной и полупустынной зонах три четверти всех затопленных земель приходится на пастбища.

Косвенные воздействия водохранилищ на окружающую среду изучены не так полно, как прямые, но некоторые формы их проявления очевидны и сейчас. Так обстоит дело, например, с изменением климата, проявляющимся в зоне влияния водохранилища в повышении влажности воздуха и образовании довольно частых туманов, уменьшении облачности в дневное время над акваторией и уменьшения там среднегодовых сумм осадков, изменении направления и скорости ветра, уменьшении амплитуды колебания температуры воздуха в течение суток и года.

Опыт эксплуатации отечественных водохранилищ показывает также, что количество осадков в прибрежной зоне заметно увеличивается, а среднегодовая температура воздуха в зоне крупных южных водохранилищ несколько снижается. Наблюдаются изменения и других метеорологических показателей. Изменение климата вместе с подтоплением и переформированием берегов иногда ведет к ухудшению состояния прибрежной древесной растительности и даже ее гибели.

К косвенным воздействиям водохранилищ следует отнести также появление территорий, которые становятся менее пригодными для использования в хозяйственных целях (например, острова в верхнем бьефе, осуходоленные поймы в нижнем бьефе и др.). Нельзя также не отметить влияния создания водохранилищ на рыбное хозяйство. Здесь следует указать два обстоятельства. С одной стороны, сооружение плотины ГЭС препятствует проходу рыбы к местам нерестилищ, а с другой, требования рыбного хозяйства к режиму стока полностью противоречат задачам регулирования стока, т.е. той цели, для которой и создается водохранилище.

Конечно, было бы неправильно утверждать, что все прямые и косвенные воздействия водохранилищ ГЭС на окружающую среду (а их гораздо больше, чем здесь рассмотрено) имеют только негативную сторону. Обычно каждое из них и совокупность обладают комплексом как отрицательных, так и положительных свойств. Другие источники первичного электричества (солнечная, ветровая, геотермальная энергия) находясь лишь на пути к промышленному освоению, и в настоящее время их суммарный вклад в мировой энергобаланс измеряется долями %. Такое положение вызывается причинами экономического характера. Однако по мере технического прогресса, появление новых технологических разработок и перехода к массовому производству оборудования себестоимость электроэнергии снижается, приближаясь к уровню, характерному для традиционной энергетики (Менеджмент …, 2007).

Любая деятельность человека, требующая произ­водства энергии и ее превращения в форму, пригодную для конеч­ного использования в жилищах, на предприятиях или в средствах транспорта, оказывает побочные влияния, которые при достижении определенного уровня наносят ущерб одному или нескольким аспектам окружающей среды. Это, конечно, так, но справедливо также и то, что человек может регулировать уровень побочных влияний. Такие влияния, прежде всего, возникают на тепловых элек­трических станциях, преобразующих энергию различных видов органического топлива в электрическую. Здесь необходимо найти пути уменьшения вредных выбросов в атмосферу газов и твердых частиц и уменьшения теплового загрязнения воды в реках и озерах.

Гидроэлектростанции долгое время считались чистыми и безвредными предприятиями, однако затем они стали подвергаться справедливой критике из-за затопления обширных территорий, необходимости переносить населенные пункты. Создание искусствен­ных водоемов приводит к резкому изменению экологии района, из­менению давления на сушу и уровней грунтовых вод, что отрица­тельно сказывается на близрасположенной флоре и фауне. Замед­ление течения рек из-за сооружения плотин электростанций ведет к загрязнению воды, появлению вредных сине-зеленых водорослей, способствует размножению бактерий, несущих эпидемии, наруше­нию половодий и исчезновению вследствие этого заливных лугов, в некоторых случаях происходит засоление почвы (например, вбли­зи Астрахани).

Рис. 1. Загрязнение атмосферы электростанциями различного типа

Объемы загрязнений тепловыми электростанциями окружающей среды и вид загрязнений зависят от типа и мощности станций. На рис. 1 приведены показатели загрязнений окружающей среды станциями различного типа мощностью по 1 ГВт каждая. Выбросы в атмосферу газов и золы даны на рисунке в тоннах в сутки, а ак­тивность радиоактивных элементов в секундах в минус первой сте­пени. Станции, работающие на угле, потребляют его в больших количествах и больше всего выбрасывают загрязняющих атмосфе­ру веществ. Выбросы в атмосферу зависят откачества угля. При­веденные на рисунке характеристики соответствуют углю средней калорийности.

Атомные электростанции, долгое время бывшие объектами тща­тельных наблюдений, практически не оказывают вредного влияния на биосферу при условии, что решается проблема безопасного сохранения радиоактивных отходов.Относящийся к ним знак во­проса на рис. 1 расшифровывается в зависимости от решений, проблемы радиоактивных отходов. Английские атомные станции сбрасывали радиоактивные отходы в Северное море, что, конечно, недопустимо и осуждалось мировой общественностью. Иногда ра­диоактивные отходы в специальных контейнерах опускаются на дно морей и океанов. В этом случае, однако, не исключается полно­стью опасность заражения воды. Поэтому выбросы радиоактивных отходов в моря и океаны вызывают резкие протесты со стороны стран, расположенных на побережье.

В порядке курьеза можно вспомнить, что в прошлом, когда появились первые ядерные реакторы, некоторые специалисты в США предлагали сбрасывать радиоактивные отходы на дно Чер­ного моря. Выбор пал на Черное море, поскольку в нем наиболее медленно происходит циркуляция воды между верхними и нижними слоями. Нижние слои достигают поверхности примерно за 100 лет. Совершенно ясно, что такое предложение не могло считаться удовлетворительным и было категорически отклонено. В действительно­сти достаточно безопасно можно хранить радиоактивные отходы под землей в жидком состоянии в специальных резервуарах или предварительно зацементированными. При цементировании дости­гаются две цели: улучшается защита отходов и уменьшается их объем.

Перспективно так называемое «отвердение» жидких радиоак­тивных отходов путем их нагрева и выпаривания. При существую­щей технологии 1000 л жидких отходов с высоким уровнем радио­активности можно переработать в менее чем 0,01 м 3 твердых отхо­дов. Твердые отходы помещаются в герметические металлические контейнеры. Такие контейнеры удобно хранить в соляных шахтах глубоко под землей, так как в мощные соляные пласты не прони­кают грунтовые воды и вследствие их пластичности уменьшается опасность появления трещин и разрывов во время землетрясений. Доля электроэнергии, вырабатываемой на атомных электростан­циях, с течением времени будет возрастать по мере увеличения их единичных мощностей. Зависимости удельных расходов на выра­ботку 1 кВт·ч электроэнергии (з ) от мощности (Р) тепловых и атомных станций приведены на рис.2.

Начиная примерно с 1000 МВт, а по послед­ним данным даже с мень­ших мощностей, оказы­вается экономически вы­годнее строить и эксплуа­тировать именно атомные электростанции, а не теп­ловые. Развитие всех электрических станций идет по пути увеличений мощностей единичных агрегатов, и поэтому в относи­тельно недалекой перспек­тиве следует ожидать широ­кого применения атомных станций. При достаточно больших мощностях они экономически значительно более выгодны. Увеличение мощностей агрегатов стан­ций, непрерывное совершен­ствование конструкций при­водят к относительному уменьшению необходимых площадей s и объемов v, приходящихся на 1 кВт установленной мощности (рис. 3). Резкое уменьшение объемов, требуемых для энергоустановок в 70-е годы (штриховая линия), происходит за счет использования закрытых конструкций, заполненных электроизолирующим газом, в которые помещают электрооборудование и в которых может быть сущест­венно уменьшено расстояние между токоведущими частями.

Рис. 2. Экономические показатели работы АЭС и ТЭС

Более крупные станции обладают лучшими техническими харак­теристиками, они в большей степени поддаются автоматизации и механизации процессов, что позволяет существенно повышать мощ­ности Р, приходящиеся на одного человека обслуживающего персо­нала. Все это, в конечном счете, облегчает решение проблемы со­кращения расходования обжитой территории.

В настоящее время уменьшение вредного влияния различных технических устройств, в том числе и энергетических, приобрело решающее значение при установлении их характеристик. Большие возможности уменьшения вредного влияния энергетики на биосферу безусловно заключаются в использовании электростанций, работающих на ядерном горючем. Этот путь уже сейчас весьма эффективен и будет еще более эффективен, когда в отдаленном будущем появится возможность использовать для целей энергетики управляемую реакцию термоядерного синтеза.

Уже сейчас к атомным электростанциям предъявляют весьма высокие требования в отношении надежности, так как аварийные нарушения в их работе могут сопровождаться интенсивным зара­жением окружающей местности. Так, при аварии на одной из анг­лийских атомных станций произошло заражение травы и близ рас­положенной местности, Из-за чего молоко в течение нескольких месяцев было непригодно к употреблению.

В отношении безопасности работы атомных станций имеются весьма пессимистические высказывания ряда зарубежных ученых. Американский ученый Брэнд Барнаби считает, что развитие ядер­ной энергии создает потенциальную угрозу для жизни всего чело­вечества, так как каждая атомная станция производит радиоак­тивный стронций в таком количестве, которого достаточно, чтобы все человечество получило дозу облучения, превышающую мак­симально допустимый уровень. Один инцидент на атомной станции равносилен бесчисленному множеству природных ка­тастроф.

Рис. 3. Изменение во времени характе­ристик энергоустановок

Под давлением со стороны общественных кругов США в некото­рых штатах создаются затруднения в выделении площадей под атомные станции - их намечают сооружать на баржах в океане.

Советские специалисты считают, что атомные электростанции при надлежащей их конструкции безопасны и не загрязняют окру­жающую среду. В нашей стране не разрешается выбрасывать ра­диоактивные отходы в атмосферу, моря и океаны. Радиоактивные отходы проходят обработку в очистительных сооружениях, где уро­вень радиации снижается до допустимых санитарными нормами величин, а затем подвергаются цементированию и укладыванию в специальные железобетонные сооружения.

Атомная энергетика в нашей стране развивается большими тем­пами, причем одновременно создаются эффективные средства защи­ты и повышается надежность станций. Атомные станции сооружа­ются в Советском Союзе во многих местах, в том числе и вблизи таких крупных городов, как Ленинград, Ереван и др. Существую­щая надежность их работы такова, что практически исключается опасность для жизни и здоровья людей.

Загрязнения окружающей среды почти не происходит при выра­ботке электроэнергии на станциях, использующих геотермическую энергию, энергию солнечной радиации, а также энергию ветра и приливов.

Таким образом, среди всех видов электрических станций тепло­вые станции, работающие на органическом топливе, более всего загрязняют атмосферу. В ряде стран современная техническая политика снижения загрязнений, в том числе наибольшего рассеи­вания выбросов на тепловых станциях, последовала после принятия специальных законодательных мер в отношении допустимого уров­ня загрязнения. Проблема газоочистки приобретает особую акту­альность и на ее решение расходуются значительные средства. Например, общие затраты за последние 5-6 лет в США на иссле­довательские работы по очистке дымовых газов составили 100 млн. долл. В настоящее время трудно точно оценить затраты на очисти­тельные сооружения. По предварительным прогнозам, при исполь­зовании современных технологических систем газоочистки они составят 30-70 долл./кВт. Так, например, для энергетического блока мощностью 550 МВт на ТЭС «Widow’s Creeck» стоимостью 65 млн. долл. запроектирована газоочистительная установка стои­мостью 35 млн. долл. Иными словами, расходы по уменьшению вы­бросов вредных веществ в атмосферу составляют более 50 % от стоимости энергоблока.

Современные газоочистительные установки позволяют в значи­тельной мере ограничить выброс. вредных веществ в атмосферу (рис. 4).

В случае, приведенном на рис. 4, а, отсутствуют газоочисти­тельные сооружения и применяется низкокачественное топливо. Ис­пользование природного газа для топок, а также установка очисти­тельных сооружений позволяют добиться больших успехов в оздо­ровлении окружающей среды (рис. 2.8, б) .

Рис. 4. Уменьшение загрязнения воздуха с помощью очи­стительных сооружений: а и б - до и после включения очистительных сооружений соответ­ственно

В связи е большими расходами на очистительные сооружения остро возникает вопрос об источниках финансирования. По мнению ряда зарубежных специалистов из капиталистических стран, реше­ние вопроса заключается в повышении цен на первичные энергоре­сурсы (нефть, уголь, газ).

Уменьшения загрязнения атмосферы намечается достичь также за счет ограничения в энергопотреблении, которое станет возмож­ным при увеличении эффективности использования энергии. Так, предполагается, что улучшение теплоизоляции жилых, производст­венных и прочих сооружении позволит примерно в два раза сокра­тить расходы на отопление и кондиционирование воздуха.

Помимо загрязнения атмосферы в ряде стран нормируется теп­ловое загрязнение электростанциями водоемов, что вызывает не­обходимость в дополнительных расходах на охлаждение воды.

Сбросы горячей воды в водоемы ио повышение вследствие этого их температуры приводят к нарушению экологического равновесия, установившегося в естественных условиях, что неблагоприятно влияет на флору и фауну.

Следует отметить, что в некоторых случаях можно извлечь пользу от повышения температуры водоемов, например, разводя в таких водоемах рыбу, приспособленную к повышенной темпера­туре. В результате введения новых норм на АЭС «Вгоwп Ferry» (США) в процессе ее строительства пришлось проектировать и ус­танавливать дополнительные сооружения по охлаждению воды, на которые потребовалось 36 млн. долл. I

Тепловое загрязнение водоемов может быть уменьшено с пере­ходом на замкнутые циклы использования воды.

При сооружении гидроэлектростанций необходимо учитывать весь комплекс проблем, связанных с изменением экологической сре­ды, затоплением территории, влиянием на самые различные отрас­ли народного хозяйства. ­

Передача электрической энергии на расстояние в основном осу­ществляется по проводам воздушных линий, которые распростра­няются на многие километры и под которые отводится большая площадь «отчуждения». Линии электропередач создают электромагнитные излучения, вызывающие помехи в работе систем связи.

Иногда высказываются суждения о том, что линии электропередач портят ландшафт местности. Эти суждения в какой-то мере справедливы, но, возможно, часто они носят временный и сугубо субъективный характер. Можно вспомнить, что сразу же после сооружения Эйфелева башня в Париже многими современниками воспринималась как уродливое строение, в то время как сейчас она символизирует Париж и воспринимается как одно из лучших его украшений.

Существующее вблизи проводов высоковольтных линий элект­ропередач электромагнитное поле неблагоприятно действует на организм человека. Исследования показывают, что в нормальном че­ловеческом организме величина заряда меняется с периодами в 6 часов и 27 суток. И на этот процесс окружающее электромаг­нитное поле оказывает заметное влияние. Существует определенная связь между магнитными бурями и состояниями больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Радиоволны с некоторыми частотами оказывают разрушительное влияние на живые клетки. На­пример, имеются данные о том, что при частоте излучений 27 мГц гибнет ряд растений и животных. По мнению биологов, жизнь ­- это тонкий электрический процесс. Возле электромагнитного поля могут изменяться электрохимические, а следовательно, и любые биохимические процессы в клетках. В то же время ни у растений, ни у животных не удалось обнаружить специальных магниточувстви­тельных органов. Однако несомненно, что магнитные и электриче­ские поля оказывают некоторое (не вполне ясное на сегодня) влияние на все живые организмы. .

Влияние сильных электромагнитных полей (изменяющихся с промышленной частотой 50 Гц) на человека к настоящему вре­мени пока мало изучено. Проведенные в нашей стране и за рубе­жом исследования показали, что сильное электромагнитное поле вызывает функциональное нарушение сердечно-сосудистой системы и нарушения невралгического характера. Вредные воздействия на человека сильных полей были замечены при вводе в эксплуатацию высоковольтных подстанций напряжением 400-750 кВ. Повторяю­щееся электромагнитное облучение человека приводит к накапли­вающимся (кумулятивным) эффектам, пока еще также не вполне изученным. Однако уже очевидно, что вредные последствия пребы­вания человека в сильном электромагнитном поле зависят от на­пряженности Е поля и от продолжительности его воздействия Т. Чем больше напряженность поля, тем меньшая продолжительность пребывания в нем человека допускается (рис. 5). При 20 кВ/м воздействие поляпроявляется немедленно в виде неприятных ощу­щений и последующих расстройств функций ор­ганизма. При 5 кВ/м не­приятных проявлений не наблюдается. Величина напряженности поля уменьшается с увеличе­нием расстояния от ис­точников излучения по­ля - проводов. Весьма важно установление до­пустимых безопасных расстояний от линий электропередач высокого напряжения до жилых по­строек.

При больших величинах напряженности электрического поля необходимо применять специальные защитные мероприятия, напри­мер использовать защитные экранирующие костюмы, сетки, умень­шающие эффект поля, и т. д.

Чтобы уменьшить расходы земли под полосы «отчуждения», ис­пользуют кабельные линии при вводах электропередач в крупные города. В энергетике перспективно применение сверхпроводящих и криогенных линий электропередачи. Сопротивление проводов та­ких линий близко к нулю, что позволяет использовать низкое на­пряжение и решить проблему изоляции проводников.

Громоздкие открытые распределительные устройства, занимаю­щие большие территории в городах, в будущем могут сооружаться закрытыми, наполненными изолирующим газом и расположенны­ми под землей.

Размещение электростанций по территории страны должно осу­ществляться с учетом загрязнения ими окружающей среды. Очевид­но, что станции, работающие на низкосортном топливе и наиболее интенсивно загрязняющие атмосферу, должны проектироваться вдали от крупных населенных пунктов. В некоторых странах элект­ростанции строятся в морях и океанах для устранения их вредного влияния на окружающую среду и в конечном счете на человека. В Японии и США уже выполнены проекты сооружения ТЭС и АЭС в море в 5-30 км от берега. Разработаны различные проекты выполнения этих станций: плавучими, на опорных конструкциях и по­груженными в воду в специальных сферических помещениях.

Рис. 5 Воздействие электромагнитного поля на живые организмы

Рис. 6. Схема установки для переработки мусора в топливо

Современная цивилизация сталкивается с проблемой переработ­ки огромных потоков отходов, количество которых с каждым годом возрастает в угрожающих масштабах. Отходы в виде свалок из груд ржавеющего металла, бумаги, дерева, картона, пластмасс ста­новятся неизменными спутниками пригородных ландшафтов. По­мимо твердых отходов увеличиваются выбросы в реки и водоемы жидких отходов. По предварительным подсчетам, в США общий объем жидких отходов к 2000 г. будет примерно равен объему всех рек в континентальной части страны. Только одним жителем стра­ны в течение суток выбрасывается в канализационную систему в среднем около 500 л жидких отходов.

По подсчетам, опубликованным в США в 1971 г., в 100 крупней­ших городах этой страны образовался 71 млн. т органических твер­дых отходов. Из этого количества можно было бы получить19,6 млрд. м 3 метана, пригодного для самых различных энергети­ческих целей.

Из органических твердых отходов, содержащих метан, газы можно получать тремя способами: путем анаэробного разложения, гидрогазификации и пиролитической конверсии.

Есть предложения построить завод, который будет вырабаты­вать из 0,5 т городского мусора 1500 кубических футов метана (1 кубический фут равен 0,028 м 3) в день. Стоимость производства метана на таком заводе составит около 1 долл. за миллион британ­ских единиц тепла (1 Вtu = 1,055 кДж) .

Мусор сначала должен измельчаться для получения однород­ных по размерам частиц, а после извлечения черных металлов с по­мощью мощных магнитов разделяться в воздушном «классифика­торе». Образовавшийся газ будет содержать 50-60 % метана и двуокись углерода и может использоваться в качестве топлива с низкой теплотворной способностью. Чтобы повысить теплотвор­ную способность, из него можно удалить двуокись углерода.

Шлам (лигнин, пластмассы, непереработанная целлюлоза) после фильтрования будет превращаться в брикеты, занимающие в два раза меньший объем, чем исходные материалы до загрузки в автоклав. Эти брикеты можно использовать как топливо на промыш­ленных предприятиях.

Проводятся эксперименты по получению метана из мусора или навоза путем гидрогазификации. Гидрогазификация предусматри­вает реагирование содержащих углерод веществ с водородом с образованием газа, состоящего в основном из метана. Реакция проходит с выделением тепла, что позволяет превращать городской мусор, содержащий большое количество влаги, в газ без дополни­тельного нагрева.

Как показали эксперименты, рассмотренным путем из обычного городского мусора можно получать газ, содержащий 70 % метана, а также этан и водород. При переработке навоза получается газ с 93 % -ным содержанием метана. Стоимость производства такого газа составляет менее 1 долл. за миллион британских единиц тепла.

Одна из американских фирм использует бактериальные топлив­ные элементы для получения из органических отбросов электро­энергии и метана. Электрический ток ионизирует воду, разлагая ее на кислород и водород. Водород, органические отбросы и метан направляются в пиролитический конвертор для производства «сы­рой нефти», горючего газа с теплотворной способностью 500 британ­ских единиц тепла на кубический фут, древесного угля и дегтя.

Результаты лабораторных испытаний показывают, что есть воз­можность получить из 1 т мусора 10-15 тыс. кубических футов га­за, содержащего 50 % метана.

Во многих городах США созданы или создаются установки для переработки отходов в сырье или энергию. Так, в Балтиморе по­строена установка для пиролиза тысяч тонн мусора в день с целью выработки тепла, которое будет использоваться в теплофикацион­ной сети. В Чикаго к концу 1976 г. закончилось строительство ус­тановки для переработки в топливо 1 тыс. Т мусора в день. После пуска этой установки город экономит на топливе 2 млн. долл. в год.

Около 300 американских городов с населением более 10 тыс. человекв течение ближайших 5 лет намерены осуществить проекты утилизации мусора. Теплотворная способность мусора составляет 13,4 МДж на 9,8 Н. Всего по стране в мусоре содержится количест­во энергии, равное 1,5 % общего потребления энергии в США.

Природные возможности естественной переработки и вторичного использования отходов весьма ограничены. Поэтому перед челове­ком возникает настоятельная необходимость в эффективной пере­работке и вторичном использовании отходов, которая явилась как бы развитием естественных свойств природы. Решение этой проблемы возможно будет лишь в том случае, если удастся полу­чить очень дешевый источник энергии практически неограниченной мощности. Наиболее реальна перспектива переработки отходов в термоядерной «горелке». Если в поток плазмы с температурой порядка 100000 0 С, создаваемой в термоядерном реакторе, помес­тить обычное вещество, то в нем произойдет разрушение всех мо­лекулярных связей и частичная ионизация. Перерабатывая отходы в термоядерной горелке, можно будет получать сверхчистые метал­лы, неметаллические вещества, газы и т. д. Реализация таких про­ектов, однако, дело отдаленного будущего. Тем не менее уже сегодня в этом направлении ведутся научные исследования.

.