Электронная онлайн библиотека

 
 Основы экологии

4.2. Энергетика


Альтернатива безудержном наращиванию энергетических бицепсов существует. Она заключается в повышении энергоэффективности: лучше меньше, да лучше. А. Шейндлин, российский академик, энергетик).
Развитие человеческой цивилизации базируется на энергетике. От состояния топливно-энергетического комплекса зависят темпы научно-технического прогресса и производства, а следовательно, жизненный уровень людей. Как уже отмечалось, темпы роста производства энергии в мире сегодня являются более высокими, чем темпы прироста населения, что связано с индустриализацией, увеличением энергозатрат на единицу продукции в сельском хозяйстве, в горнорудной промышленности и т. д.
Источники энергии, которые использует человечество, делятся на возобновляемые - энергия Солнца, ветра, морских приливов, гидроэнергия рек, внутреннего тепла Земли - и невосстанавливаемые - ископаемое минеральное топливо и ядерная энергия. Первые не нарушают теплового баланса Земли, поскольку во время их использования происходит превращение одних видов энергии в другие (скажем, энергия Солнца превращается сначала на электроэнергию и только потом переходит в тепло). Зато использование вторых вызывает дополнительное нагрева атмосферы и гидросферы. Это опасно, потому что может привести к изменению уровня воды в Мировом океане, что, в свою очередь, изменит соотношение площади суши и водного зеркала, повлияет на климат Земли, на животный и растительный мир (см. гл. 3).
Итак, есть тепловая граница, которую человечество не должно переступать, иначе это будет иметь для него катастрофические последствия. По расчетам ученых, опасной черте будет достигнуто в случае использования невозобновляемых источников энергии в количестве, которая превысит 0,1% мощности потока солнечной энергии, поступающей на Землю, то есть более 100 млрд. кВт. Сегодня на базе возобновляемых источников энергии производится в 10 раз меньше предельно допустимое количество. Если темпы увеличения производства энергии запишаються такими же, то тепловой предел будет достигнут примерно в середине XXI века. А человечество еще и наращивает темпы, и в настоящее время 70% всей энергии оно получает за счет сжигания угля, нефти и газа плюс 7% - за счет работы атомных электростанций.
В энергетических расчетах применяется специальная единица - произведена масса топлива (условного): 1 т условного топлива эквивалентна 1 т каменного угля, или 2,5 т бурого угля, или 0,7 т нефти, или 770-850 м природного газа (в зависимости от его состава и соответственно к теплоте сгорания). Теплота сгорания 1 кг условного топлива равна 29,3 ГДж.
В масштабных прогнозных расчетах используется также условная единица 0, что равняется 36 млрд. т условного топлива. По данным геологов, мировые разведанные запасы угля составляют 17,7, нефти - 30, газа - 20, урана - 3,7.
Если минеральное топливо и дальше сжигаться сегодняшними темпами, то, по расчетам, все его запасы будут исчерпаны через 130 лет.
Необходимо подчеркнуть, что сжигания минерального сырья - крайне нерациональный способ использования природных ресурсов. Нефть, например, - очень ценное сырье для химического синтеза (сегодня из нее получают множество нужных материалов - синтетические ткани и каучук, пластмассы, удобрения, краски и тысячи других). Еще выдающийся российский химик Д. И. Менделеев с возмущением говорил: «Нефть - не топливо, топить можно и ассигнациями!»
Кроме углеводородного топлива и урана, в природе есть еще одно невідновлюване источник энергии. Это дейтерий, или тяжелый водород, - потенциальное топливо для термоядерных электростанций будущего. Запасы его в Мировом океане оцениваются в 19000.
Запасы энергии возобновляемых источников составляют: ветра - 0,40, морских приливов и волн - 0,2-0,30, внутреннего тепла Земли - 0,20, солнечного излучения - 20000.
Топливная проблема - одна из самых злободневных для независимой Украины. По данным ученых, наше государство обеспечена собственным углем на 95%, нефти - на 8% и природным газом - на 22%.
Влияние на окружающую среду ТЭС.
Производство электроэнергии на ТЭС сопровождается выделением большого количества теплоты, поэтому такие станции, как правило, строятся вблизи городов и промышленных центров для использования (утилизации) этой теплоты. Учитывая ограниченность мировых запасов минерального топлива, ученые и технологи продолжают работать над улучшением параметров энергоблоков, повышением их коэффициентов полезного действия (КПД), что обеспечивает экономнее расходования топлива. Так, существенную экономию топлива дает увеличение единичной мощности энергоблоков. Сегодня на ТЭС устанавливаются энергоблока мощностью 1000-1200 МВт. Современная технология позволяет повысить эту мощность до 3000 МВт, что сэкономит несколько процентов топлива. Дальнейший рост мощности блоков (до 5000 МВт) возможно в случае введения так называемых криогенных генераторов, которые охлаждаются сжиженным гелием.
Снизить удельный расход топлива удалось также повышением КПД генераторов ТЭС. В настоящее время максимальное значение КПД составляет около 40%, но в принципе его можно увеличить до 60% за счет внедрения перспективных магнитогидродинамических (МГД) генераторов, опытные образцы которых сегодня испытываются в ряде стран.
Сжигания минерального топлива сопровождается сильными загрязнениями окружающей среды. Рассмотрим главные из них.
Загрязнение атмосферы газовыми и пылевыми выбросами.
Во время сжигания углеводородного топлива в топках ТЭС, а также в двигателях внутреннего сгорания выделяется углекислый газ, концентрация которого в атмосфере увеличивается примерно на 0,25% за год. Это вызывает разогрев атмосферы за счет парникового эффекта (см. гл. 3). Из труб ТЭС и выхлопных труб автомобилей в атмосферу выбрасываются также оксиды серы и азота, в результате чего выпадают кислотные дожди (см. гл. 3). Атмосфера загрязняется и мелкими твердыми частицами золы, шлака, не полностью сгоревшего топлива (сажа) (табл. 4. 1.).

Для уменьшения вреда от этих загрязнений прибегают к таким технологических мероприятий:
- перед его сжиганием угля в топках ТЭС очищают от соединений серы;
- улавливают из дыма ТЭС оксиды серы и азота, пропуская его сквозь специальные поглотители;
- частицы золы и сажи улавливают с помощью установок типа «Циклон» и другими способами;
- для уменьшения токсичности выхлопных газов автомобилей применяют регулирования двигателей, переходят на «экологически чистые» марки топлива, устанавливают на автомобили специальные катализаторы, что допалюють угарный газ до углекислого, и т. д.
Радиоактивное загрязнение. В ископаемом угле и пустых породах содержатся примеси естественных радиоактивных элементов (урана, тория и др.). После сжигания угля эти элементы концентрируются в частицах золы, которая оказывается более радиоактивным, чем исходное угля и пустые породы (др). Таким образом происходит радиоактивное загрязнение атмосферы и земной поверхности. Правда, оно не столь опасно, как радиоактивное загрязнение от АЭС (см. ниже), поскольку в угле и угольных породах содержатся радиоактивные изотопы, что существуют в биосфере на протяжении миллиардов лет, и к ним живой мир приспособился. Большинство растений и животных не накапливают эти изотопы в своем организме, в отличие от искусственных радионуклидов, которые выбрасываются АЭС. Разработаны методы очистки отходящих газов ТЭС от частиц золы дают возможность уменьшить это загрязнение в 100-200 раз и свести его в такой способ почти до фонового уровня.
Загрязнение земной поверхности отвалами шлака и карьерами.
После сжигания в топках ТЭС угля остается много твердых отходов (шлака, золы). Они забирают большие площади земли, загрязняют подземные и поверхностные воды вредными веществами. Еще большие участки земли нарушаются огромными угольными карьерами. Так, шлаковые отвалы и терриконы пустых пород лишь в Донбассе занимают площадь более 50 тыс. га, и она все увеличивается.
Уменьшение вреда от такого загрязнения достигается утилизацией (полезным использованием) шлаков и пустых пород, из которых изготавливают строительные материалы, засыпают ними овраги, болота и карьеры во время рекультивации. Эффективными являются и экономические санкции, в частности введение высокой платы за нарушения земель, особенно плодородных. Благодаря этим ограничениям в большинстве западных стран отказались от карьерного способа добычи полезных ископаемых в сельскохозяйственных районах, поскольку плата за землю оказывается выше, чем та выгода, которую может дать открытый способ разработки месторождения по сравнению с шахтным. В Украине вопрос о отвода сельскохозяйственных земель под строительство большого карьеру или ТЭС решает высший законодательный орган страны - Верховная Рада.
Влияние на окружающую среду АЭС.
По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), в 26 странах мира эксплуатируется 416 ядерных энергоблоков, которые производят около 16% всей электроэнергии. Некоторые страны основную ставку сделали именно на АЭС. Например, во Франции АЭС производят более 70% электроэнергии. Но другие страны (Швеция, Дания, Австрия, Филиппины) заявили о своем намерении полностью отказаться от АЭС и демонтировал ты ядерные блоки, которые работают там. Жаркие споры особенно усилились после катастрофы на Чернобыльской АЭС в 1986 г. Одни ученые, энергетики и политические деятели отстаивают мнение, что без атомной энергетики человечество не сможет обойтись, и следует лишь сделать все возможное, чтобы свести риск аварии на АЭС до минимума. Как доказательство в пользу атомной энергетики приводятся данные о том, что АЭС используют мало «топлива» по сравнению с ТЭС (суточный расход мазута на тепловой электростанции мощностью 2000 МВт составляет 8,3 тыс. т, угля - 10 тыс. т, а урана на атомной - 180 кг). Отечественные энергетики-атомщики в течение длительного времени доказывали также, что электроэнергия, вырабатываемой АЭС, дешевле той, которую производят ТЭС и АЭС, мол, меньше загрязняют окружающую среду, чем ТЭС.
Противники АЭС (их значительно увеличилось после аварии на Чернобыльской АЭС и рассекречивание материалов, связанных с деятельностью Мінатоменерго бывшего СССР) настаивают на скорейшей запрету этого способа добывания энергии как вредного и опасного для биосферы.
Сегодня доказано: утверждение о «дешевизне» атомной энергии (считалось, что в бывшем СССР она стоила в три раза меньше, чем в развитых странах Запада) - это намеренная фальсификация. Дело в том, что проектировщики отечественных АЭС не вносили в стоимость «атомного» киловатта такие затраты, как переработка и захоронение радиоактивных отходов, а по оценкам специалистов, они составляют более 75% стоимости всего топливного цикла АЭС. Не учитывалась также стоимость демонтажа АЭС, а впрочем АЭС через 25-30 лет работы должна быть остановлена, разобрана или похоронена, поскольку радиоактивность ее агрегатов и оборудования превысит нормы. А стоимость демонтажа, по оценкам западных специалистов, равна стоимости ее строительства. Не были учтены и другие затраты, связанные с эксплуатацией АЭС, в том числе обусловленные требованиями по безопасности ее работы на АЭС, функционирующих в развитых странах, эти требования были намного жестче, чем на советских). Доказано, что стоимость «атомного» киловатта на самом деле втрое выше, чем «газового», и вдвое, чем «угольного». Как пишут немецкие эксперты в этой области, «атомная энергия дешевая лишь там, где безопасность стоит на втором плане, и до тех пор, пока человечество мирится с тем, что его сегодняшнее расточительство по электроэнергии угрожает будущим поколениям адским радиоактивным ужасом».
Самое же главное заключается в том, что атомная энергетика настолько пагубно влияет на биосферу, а потенциальная опасность аварии на АЭС такая большая (ведь это - техника, и нельзя дать стопроцентной гарантии ее безотказности), что отстаивать этот способ добывания энергии недопустимо и аморально.
Топливный цикл власти АЭС предусматривает добычу урановой руды и извлечения из нее урана, переработки этого сырья на ядерное топливо (обогащения урана), использование топлива в ядерных реакторах, химической регенерации отработанного топлива, обработку и захоронения радиоактивных отходов. Все эти операции (рис. 4. 1.) сопровождаются опасным радиоактивным загрязнением природной среды.

Ни один из предложенных методов хранения радиоактивных отходов в настоящее время не является удовлетворительным. Проблему необходимо решить до того, как резко увеличится количество атомных электростанций, что закрываются.
Выводы экспертов «Рэнд корпорейшн», одного из ведущих «мозговых трестов» США.
Загрязнение начинается на стадии добычи сырья, то есть на урановых рудниках. После извлечения урана из руды остаются огромные отвалы слабо радиоактивных пустых пород - до 90% добытой из недр породы. Эти отвалы загрязняют атмосферу радиоактивным газом радоном, опасным для биоты (например, медики доказали, что в результате вдыхания воздуха с повышенным содержанием радона в млекопитающих развивается рак легких).
Количество радиоактивных отходов растет на стадии обогащения урановой руды, из которой изготавливают твэлы - специальные элементы, которые выделяют тепло, которые затем поступают на АЭС. В реактор типа РБМК (пресловутый после аварии на Чернобыльской АЭС) загружается около 180 т таких твэлов, которые в результате работы реактора превращаются в високорадіоактивні отходы. АЭС - это, по сути, предприятие, которое наряду с электроэнергией производит огромное количество крайне опасных веществ. Только в США накопилось около 12 тыс. т таких отработанных твэлов, а в начале XXI в. к ним добавится еще 40 тыс. т этого адского материала.
Отработанные твэлы несколько лет хранятся на территории АЭС в специальных бассейнах с водой, пока немного снизится их радиоактивность, после чего в особых контейнерах специальными поездами их перевозят на фабрику для регенерации ядерного топлива. Здесь твэлы обрабатывают, изымая из них уран, который еще не «выгорел», и делают из него новые твэлы.
Сторонники атомной энергетики долго убеждали в большом преимуществе АЭС: мол, отработанное топливо можно многократно переделывать и снова использовать в реакторе, пока не выгорит весь уран. На самом деле уже после второго такого цикла регенерации остатки топлива в твелах насыщаются большим количеством сторонних изотопов и продуктов расщепления, а это делает невозможным использование их в реакторе в третий раз. «Выгорает» лишь 2% урана, который был в твэле первого цикла. А сам твэл становится чрезвычайно опасным радиоактивным материалом, который нужно где хранить сотни и тысячи лет.
Радиация имеет очень негативную особенность: все, что контактирует с радиоактивным веществом (и машины, и контейнеры, и оборудование, и помещения, и даже одежда персонала), само становится радиоактивным, а следовательно, опасным. Радиацию невозможно остановить, «выключить» или уничтожить. Все эти отработанные радиоактивные материалы необходимо около надежно хранить, пока не распадутся радиоактивные изотопы. Но среди них много таких, период полураспада которых исчисляется тысячами лет! В процессе хранения контейнерах с отходами нельзя контактировать с подземными водами, хранилища необходимо вентилировать (сотни лет!), потому что за счет выделения из отходов тепла контейнеры нагреваются до температуры 200 градусов и могут растрескаться. Кроме того, эти хранилища надо надежно охранять (сотни лет!), чтобы до них не проникли посторонние люди или злоумышленники.
Сегодня на всех АЭС Украины накоплено до 70 тыс. м3 радиоактивных отходов, 65,5 млн. т - в добывающей и перерабатывающей урановой промышленности, 5 тыс. м3 - в Украинском государственном объединении «Радон» и 1,1 млрд. м3 отходов содержится в зоне отчуждения ЧАЭС. Около 85-90% радиоактивных отходов относятся к категории низко - и среднеактивных.
Сказанное полностью относится и самих АЭС. Через 25-30 лет эксплуатации все их оборудование, аппаратура, емкости, помещения, транспортные средства и т. д. становятся настолько радиоактивными, что их необходимо демонтировать и похоронить на сотни лет. А для захоронения лишь одного реактора требуется около 40 га земли.
Нет никакого другого энергоносителя, использование которого оставляло бы хоть примерно столько отходов, сколько дает ядерная энергетика, и нет таких отходов, которые по степени опасности хотя бы приблизительно напоминали продукты расщепления. (Е. Гауль, немецкий ученый-атомщик).
Анализ, проведенный ведущими специалистами мира в области энергетики, показал, что в ближайшие десятилетия атомная энергетика все еще будет играть значительную роль в жизни человечества, а для некоторых стран (Франция, Япония, Китай и др.) будет основным источником энергообеспечения. Ряд важных факторов, прежде всего экономических, не позволяет в ближайшей перспективе отказаться от атомной энергетики и в Украине. Поэтому возникает необходимость повышать экологическую безопасность отрасли.
Опыт убедительно свидетельствует, что одной из основных проблем, связанных с использованием атомной энергии, является захоронение ядерных отходов. Эта проблема со временем становится острее и с региональной перерастает в глобальную. В странах, где функционирует много атомных электростанций (США, Франция, Великобритания, Китай, Россия, Япония), в настоящее время накоплено огромное количество как твердых, так и жидких ядерных отходов, представляющих все более серьезную опасность для окружающей среды. Атомные энергетические компании вынуждены тратить все большие средства на расширение площадей ядерных хранилищ и захоронений, на обеспечение их безопасности, на переработку отходов ядерного топлива (ОЯТ), которая, по мнению ученых, связана с большим риском для окружающей природной среды.
В развитых странах (США, Япония) прорабатываются различные проекты захоронения и обезвреживания ОЯТ, даже такой, как строительство могильника на Луне. Наиболее реальными из них считаются сооружение большого подземного хранилища в недрах горы Юкка на юге США (в пустыне Невада, в 140 км от Лас-Вегаса), а также захоронения ОЯТ в специальных хранилищах в Сибири (Новосибирская область), на что Россия соглашается, несмотря на громкие протесты общественности.
Стоимость первого из указанных проектов - 58 млрд. долларов. Научные исследования, на которые было потрачено почти 7 млрд. долларов, продолжались 20 лет и завершились выбором именно г. Юкка, где можно будет похоронить около 80 тыс. т ядерных отходов, предотвратить их негативному влиянию на окружающую среду, осуществлять многолетний экологический мониторинг и разместить соответствующие службы научно-технического обеспечения и контроля. Сегодня ОЯТ хранятся в более 130 различных хранилищах по всей территории США. Американские специалисты гарантируют надежность хранилища ОЯТ в пустыне Невада на 10 тыс. лет. Единственная опасность - это привлекательность объекта для террористов.
В Украине за годы независимости не удалось создать замкнутого цикла производства топлива для АЭС и захоронения ядерных отходов.
Проблема захоронения ОЯТ для нашего государства не менее острая, чем для США. Была попытка организовать хранилища ОЯТ в соляных шахтах м. Артемовска (Донбасс), есть проекты захоронения в недрах Украинского кристаллического щита - в специально созданных хранилищах в гранитных толщах. В Институте геологических наук НАНУ ведутся поисковые работы (они продлятся до 2005 г.) безопасного, из всех взглядов, места захоронения ОЯТ. А пока что ОЯТ наших АЭС отправляются на временное хранение в Россию, откуда эти отходы Украина должна забрать назад в 2010 г.
АЭС производят сотни видов радиоактивных веществ, которых ранее не было в биосфере, и в которых живые существа не приспособлены. Так, после аварии на Чернобыльской АЭС в атмосферу было выброшено около 450 видов радионуклидов. Среди них много долгоживущих, таких как цезий-137 (период полураспада 80 тыс. лет) и стронций-90 (период полураспада 20 тыс. лет). Они по своим химическим свойствам подобны калия и кальция, которые играют большую роль в биохимических процессах. Живые организмы не могут отличить эти изотопы от калия и кальция и складывают их, что является причиной самого опасного внутреннего облучения, которое вызывает тяжелые заболевания и вредные мутации.
Искусственный элемент плутоний (период полураспада превышает 20 тыс. лет!), который накапливается в атомных реакторах, - это найтоксичніша вещество из всех, что когда-либо созданные человеком: 450 г плутония (по объему это шарик размером с апельсин) достаточно, чтобы убить 10 млрд. человек; 1 мкг этого вещества вызывает рак легких у человека. А ныне на Земле в ядерных боеголовках, отработанных твелах и других отходах АЭС накоплено тысячи тонн этой суперотрути.
Накопления в природе несвойственных для нее радиоактивных веществ крайне вредно действует на биосферу. В зонах, загрязненных вследствие аварии на ЧАЭС, уже сегодня наблюдаются массовые аномалии: у растений - гигантизм листья деревьев, такие изменения некоторых растений, что трудно определить их вид; у животных - рождения нежизнеспособных мутантов (поросят без глаз, жеребят с восемью конечностями и т.п.); у людей и животных - угнетение функции иммунной системы, в результате чего усложнился течение таких заболеваний, как грипп, воспаление легких, увеличилась смертность от «обычных» заболеваний.
«Мирный атом» обострил вопрос об ответственности ученых, заставил задуматься о такие понятия, как совесть, человечность, порядочность, о том, имеем ли мы право ради сегодняшних иллюзорных выгод рисковать здоровьем и жизнью будущих поколений.
Всемогущество и бессилие человека продемонстрировал Чернобыль. И предостерег: не увлекайся своим могуществом, человек, не шути с ней. Потому что ты и причина, ты и следствие. (Г. О. Медведсв, российский публицист).
К сказанному следует добавить, что АЭС вызывают также большое тепловое загрязнение, особенно гидросферы. Лишь малая часть теплоты, выделяющейся во время работы реакторов, может быть утилизирована и превращена на электроэнергию. Львиная же ее пайка в виде горячей (45 градусов С) воды и пара выбрасывается в водоемы и в воздух. Выше уже приводился пример Хмельницкой АЭС. которая использует для охлаждения своих реакторов всю воду реки Горынь.
Термоядерная энергетика.
В связи с огромной потенциальной опасностью АЭС для биосферы ученые и энергетики сегодня возлагают надежды на иной способ извлечения энергии, а именно с помощью термоядерных электростанций (ТЯЕС). И хотя в мире пока не действует ни одна ТЯЕС, является убеждение (особенно на Западе), что этот способ добывания энергии станет основным в XXI в. и вытеснит АЭС и ТЭС.
На ТЯЕС энергия будет добываться не за счет расщепления тяжелых ядер урана, а в результате слияния легких ядер изотопов водорода (дейтерия и трития) и образование из них ядер гелия. Такие реакции питают энергией Солнце и бесчисленное количество других звезд во Вселенной.
Сейчас над разработкой промышленных термоядерных реакторов работают ученые многих стран: Европейского Союза, США, России, Японии, Канады. Как считает большинство ученых, занятых этой проблемой, первый прототип коммерческого термоядерного реактора планируется создать в первой четверти XXI века.
Этот способ добывания электроэнергии будет иметь безусловные преимущества над теми, что используются сегодня на ТЯЕС и АЭС:
- ТЯЕС будут характеризоваться высокой степенью безопасности работы, потому что конструкция термоядерного реактора такая, что за любого ее повреждения или нарушения режима автоматически прекращается термоядерная реакция и выключается реактор;
- в термоядерном реакторе в то же время будет содержаться лишь несколько граммов «топлива» - дейтерия и трития, что является относительно низко-радиоактивными (сравните с 180 т урана, который загружается в реактор АЭС!);
- запасы одного из компонентов топлива для ТЯЕС - дейтерия - на Земле огромны: их достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией человечество на несколько миллионов лет (например, дейтерия, содержащегося в 500 л воды из любого водоема, достаточно для удовлетворения всех энергетических потребностей одного человека в течение всей его жизни);
- в результате термоядерной реакции не образуются радионуклиды - продуктом реакции является нерадиоактивное газ гелий;
- ТЯЕС не забруднюватимуть атмосферу веществами, способными вызвать кислотные дожди, парниковый эффект и разрушение озонового слоя.
Однако в ТЯЕС будут и недостатки:
- теплота, которая в большом количестве выделяется в результате термоядерной реакции, по законам термодинамики, не может быть полностью преобразована на электроэнергию и вызывает подогрева атмосферы и гидросферы Земли;
- на развитие термоядерной энергетики накладывается то же ограничения, что и на использование других невозобновляемых источников энергии, - это тепловой рубеж;
- работа термоядерного реактора сопровождается очень мощным нейтронным потоком, а следовательно, происходит радиоактивное загрязнение конструкций, поэтому по некотором времени необходимо его разбирать и прятать (как и реакторы АЭС);
- к компонентам «топлива» для ТЯЕС, кроме дейтерия, принадлежит литий, запасы которого на Земле очень небольшие, а месторождения небогатые и случаются очень редко, или тритий, что производится искусственно, с большими затратами энергии.
Влияние на окружающую среду ГЭС. В наше время ГЭС вырабатывают около 20% электроэнергии в мире. Некоторые страны с горным рельефом и быстрыми реками (Норвегия, Таджикистан, Кыргызстан) свои потребности в электроэнергии удовлетворяют преимущественно за счет ГЭС.
Гидроэнергетический потенциал Украины составляет 44,7 млрд. кВт/ч, однако лишь 21,5 млрд. кВт/ч приходится на ресурсы, которые технически возможно использовать (46% их сконцентрировано в бассейне Днепра, по 20% - в бассейнах Днестра и Тисы, 14% - других рек). Относительно экономически целесообразных для использования гидроенергоресурсив, то они в целом не превышают 16-17 млрд. кВт/ч (61% сосредоточено в бассейне Днепра, 22% - Тисы, 17% - Днестра). Итак, по запасам гидроенергоресурсив Украина занимает довольно скромное место среди других государств мира, Европы и СНГ.
Установленная мощность ГЭС составляет 4,7 млн. кВт, 98% которого приходится на гидроэлектростанции Днепровского каскада и Днестровской ГЭС.
По сравнению с ТЭС и АЭС гидроэлектростанции имеют ряд преимуществ:
- они совсем не загрязняют атмосферу;
- улучшают условия работы речного транспорта;
- работая в паре с ТЭС, берут на себя нагрузку во время максимального (пикового потребления) электроэнергии;
- агрегаты ГЭС вводятся в действие очень быстро, в отличие от агрегатов ТЭС, которым нужно несколько часов для разогрева и выхода на рабочий режим (или же надо удерживать один из агрегатов ТЭС в «горячем» режиме, тратя дефицитное топливо). Вместе с тем ГЭС, особенно те из них, которые построены на равнинных реках, наносящих вреда окружающей среде.
На Днепре, например, водохранилищами затоплены огромные площади самых плодородных в Европе земель: Киевским - 922 км2, Каневским - 675, Кременчугским - 2250, Днепродзержинским - 567, Днепровским - 410, Каховским - 2155 км2. В сумме это составляет почти 7000 км2 - четверть территории Бельгии! Трудно представить, сколько сельскохозяйственной продукции недополучила Украина через это. С затопляемых участков пришлось отселять жителей сотен сел, прокладывать новые дороги и коммуникации и т.д. Ушло под воду много исторических и ландшафтных памятников.
В местностях, расположенных вблизи водохранилищ, поднимается уровень грунтовых вод, заболочується территория, выводятся из севооборотов большие площади земли.
На водохранилищах продолжаются обвалы берегов, которые на отдельных участках отступили уже на сотни метров.
Плотины превратили Днепр на ряд застойных озер, которые имеют слабый водообмен и плохую самоочищаемость и становятся ловля промышленных загрязнений.
Очень страдают от плотин обитатели рек - планктон и рыба. Рыба не может проходить сквозь плотины до своих привычных мест нерестилищ, которые к тому же становятся непригодными для нереста через углубление. Много рыбы и планктона погибает в лопастях турбин. Водохранилища, загрязнены стоками и удобрениями, которые смываются с полей, летом нередко «цветут», что вызывает массовую гибель рыбы и других обитателей водоемов.
Если подсчитать все эти убытки от строительства и работы ГЭС на равнинных территориях, становится понятно, что утверждение о «самый дешевый киловатт», который якобы дают ГЭС, не соответствует действительности. Очевидно, что крупные ГЭС рационально строить лишь в горных районах. Возможно, в будущем нам или нашим потомкам придется спускать воду из некоторых «рукотворных морей» на том же Днепре.
Альтернативные источники энергии - это энергия ветра, морей и океанов, внутреннего тепла Земли, Солнца.
Энергия ветра.
По оценкам ученых, общий ветроэнергетический потенциал Земли в 30 раз превышает годовое потребление энергии человечеством. Однако используется лишь мизерная часть этой энергии. Так было не всегда. По данным статистики, до революции в каждом втором селе Украины работал ветряк. Но паровая машина, а затем двигатель внутреннего сгорания вытеснили этих скромных тружеников. Хорошо известно также, что до появления пароходов все морские перевозки осуществлялись парусниками.
Возможности использования энергии ветра в разных местах Земли неодинаковы. Для нормальной работы ветроэлектрических двигателей скорость ветра в среднем за год должна быть не менее 4-5 м/с, а лучше, когда она составляет 6-8 м/с. В Украине к таким зонам относятся побережья Черного моря, особенно Крым, а также Карпаты и южные степные районы.
Пионером строительства ветроэлектростанций (ВЭС) был выдающийся украинский ученый и инженер, один из основоположников космонавтики Ю. Кондратюк. Построенная им в 1931 г. вблизи Севастополя ВЭС мощностью 100 кВт более 10 лет обеспечивала город электроэнергией.
Сегодня на Западе, особенно в Дании и США, серийно выпускаются ВЭС мощностью от 1,5 до 100 кВт, действует также несколько экспериментальных мощностью до 30 тыс. кВт.
В донецком Приазовье строится крупнейшая в Украине ВЕС - Новоазовска. В степи уже смонтирован комплекс из 15 генераторов. Планируется, что к 2005 г. мощность этой прибрежной станции достигнет 50 МВт. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией крупнейший в области Новоазовский сельскохозяйственный район, где расположено более ста здравниц и баз отдыха. Интересно, что в этой части Приазовской низменности более трехсот дней в году напористо дует «калмык» - стабильный ветер из Калмыцких и Сальських степей (своеобразная «ветровая труба», по определению синоптиков).
Вслед за Новоазовською планируется сооружение подобных ВЕС в Володарском и Первомайском районах.
Ветроэлектростанции не загрязняют окружающую среду. Единственный негативный фактор - низкочастотный шум (гул) во время работы ВЭС и еще единичные случаи гибели птиц, которые попадают в лопасти ветродвигателей.
Мысли инженеров и ученых возвращаются и к, казалось бы, давно забытых парусников.
Известный океанолог Же. -И. Кусто в конце 80-х годов сконструировал и испытал грузовое судно, у которого, кроме дизельного двигателя, есть и паруса. Правда, этот парусник мало похож на воспетые бригантины прошлых веков - его паруса представляют собой вертикальные напівциліндричні конструкции из алюминиевого сплава, которыми управляет компьютер. Использование этих парусов во время трансокеанічного плавание позволяет экономить значительное (до 70% за благоприятного ветра) количество топлива.
Энергия морей и океанов.
Мировой океан содержит колоссальные запасы энергии. Во-первых, это энергия солнечного излучения, поглощенная океанской водой, которая оказывается в энергии морских течений, волн прибоя, разницы температур различных слоев воды. Во-вторых, это энергия притяжения Луны и Солнца, что вызывает морские приливы и отливы. Используется этот экологически чистый потенциал еще очень мало.
Первыми объектами такой энергетики можно считать морские волновые электростанции, которые аккумулируют энергию вертикальных колебаний воды. Волна метровой высоты обеспечивает от 25 до 35 кВт энергии, даже волна высотой всего 35 см может вращать специальную турбину и давать электрический ток. Одна из первых волновых электростанций мощностью 350 кВт вот уже около 30 лет успешно действует вблизи норвежского города Берген.
Построен также первые морские электростанции, утилизирующих энергию приливов и отливов, - на побережье Ла-Манша во Франции мощностью 240 тыс. кВт и в Кольском заливе (Россия) мощностью 400 кВт.
А на тихоокеанском острове Науну действует электростанция мощностью 100 кВт, которая использует (по принципу термопары) разницу температур нагретого тропическим солнцем поверхностного слоя воды и холодного придонного.
Энергия внутреннего тепла Земли.
С глубиной повышается температура в земной коре (в среднем на 30 градусов С на 1 км, а в вулканических районах - гораздо быстрее). По оценкам геологов, до глубин 7-10 км общее количество теплоты в 5000 раз превышает теплоемкость всех видов минерального топлива, что есть на Земле. Теоретически только 1% этого тепла достаточно, чтобы обеспечить человечество энергией на ближайшие 4000 лет. И на практике это источник энергии используется еще очень мало. Наилучшие результаты достигаются в районах активной вулканической деятельности (Исландия, Камчатка, Гавайские острова), где близко к поверхности являются термальные воды. Сквозь скважины горячая водяной пар поступает в турбины, вырабатывающие электроэнергию. Отработана горячая вода идет на обогрев теплиц, жилья и т.д. В холодной Исландии в таких оранжереях выращивают овощи и даже бананы, а столица страны Рейкьявик уже более 40 лет вся обеспечивается теплом за счет этого источника.
В Украине до сих пор нет установок такого типа, хотя у нас есть перспективные зоны для применения геотермальной энергии - Карпаты, Закарпатье и Крым.
В случае потребления геотермальной энергии возникает проблема отработанных подземных вод. Они сильно минерализованные, и их нельзя спускать в водостоки. Поэтому отработанные воды снова закачивают в подземные горизонты для повторного использования. С некоторых таких рассолов добывают йод, бром, литий и некоторые другие элементы.
Энергия Солнца.
Солнце - мощнейший источник экологически чистой энергии, и человечество должно сосредоточить свои усилия на разработке методов ее утилизации. Основное препятствие заключается в розсіяності солнечной энергии: на широтах Украины, например, на каждый квадратный метр поверхности за год поступает лишь около 1900 кВт солнечной энергии. Утилизация солнечной энергии сдерживается также высокой стоимостью установок, а следовательно, и сравнительно высокой себестоимостью электроэнергии.
Солнечную энергию можно применять для добычи электроэнергии, бытового тепла, высокотемпературного тепла в промышленности, на транспорте. Наибольших успехов достигнуто в таких странах, как США, Франция, Туркменистан, причем преимущественно в области так называемой «малой» энергетики.
Для добывания электроэнергии от Солнца применяется несколько методов, самый перспективный из которых заключается в непосредственном преобразовании солнечного излучения в электричество с помощью полупроводниковых фотоэлектрических генераторов (солнечных батарей). КПД современных их типов сегодня составляет 25-30%. Через высокую стоимость такие батареи пока используются мало - на космических спутниках и станциях, в ретрансляторах, навигационных маяках, телефонных станциях в пустынных местностях, для питания небольших радиостанций, в мікрокалькуляторах, электронных игрушках и т.д.
Электроэнергию от Солнца добывают также с помощью паротурбинных генераторов.
Одну из таких солнечных электростанций (СЭС) мощностью 1200 кВт построен в Крыму близ Керчи. В центре круга диаметром 500 м установлено 70-метровую башню с парогенератором на верхівці. ее окружают 1600 подвижных зеркал (гелиостатов). Следя за помощью ЭВМ за движением Солнца, они отражают его лучи на парогенератор, нагревая в нем воду к образованию пары температурой 300 Ос. Пар подается на турбину с електрогенератором.
СЭС не загрязняют окружающую среду. Правда, для будущих мощных СЭС на солнечных батареях понадобятся большие площади. Но на нашей планете - около 20 млн. км2 пустынь, где земли непригодные для сельского хозяйства, поток солнечной энергии мощнейший, а количество облачных дней в течение года минимальная. Чтобы удовлетворить энергетические потребности человечества, надо разместить батареи на площади от 1 до 3 млн. км2, т.е. достаточно занять лишь 5-15% площади пустынь.
Солнечная энергия используется также для извлечения бытового тепла (100-150 Ос), которое идет на отопление помещений, приготовления пищи, опреснения воды и т.д.
Разработано достаточно удобные устройства для таких нужд (например, параболическое зеркало-печь диаметром 1,5 м, в фокусе которого вода в трехлитровой чайнике закипает за 10 мин.).
Для промышленных целей (плавления проб металлов, выращивание кристаллов из расплава и т. п.) создано солнечные печи, в фокусе зеркала которых температура достигает 3800. Одна из таких установок действует во Франции.
Солнечная энергия может применяться и на транспорте - для энергопитания автомобилей, небольших судов и даже самолетов. С площади в кілька1 квадратных метров (крышу микроавтобуса) можно собрать энергию для питания автомобильного аккумулятора.
В 1982 г. такой автомобиль, не потратив ни капли бензина, пересек Австралию, преодолев за два месяца расстояние в 4000 км.
На самолете, верхнюю плоскость крыла которого были покрыты солнечными батареями, осуществлен перелет через Ла-Манш.
На юге Австралии строится экологически чистая солнечно-ветровая электростанция, или так называемый «солнечный дымоход», мощностью 200 МВт. Она, кстати, станет самым высоким сооружением в мире. Конструктивно это будет бетонная труба высотой 1 км, окруженная стеклянным кожухом. По принципу действия эта электростанция подобная ГЭС, но движущей силой ее турбин будет не вода, а восходящий поток нагретого солнцем воздуха. Нагретый солнцем в стеклянном кожухе воздуха будет подниматься вверх трубой и предоставлять движение генераторам электростанции. Сооружение станции должно завершиться в 2005 г. Она обеспечит экологически чистой электроэнергией около 200 тыс. жителей этого района. Ночью генераторы станции будут действовать от горячего воздуха, что будет нагреваться в специальных водяных коллекторах, которые в течение дня запасатимуть тепло за счет нагрева солнцем.
Биоэнергетические технологии.
Жизнь и деятельность людей сопровождаются образованием большого количества органических отходов (бытовой мусор, канализационные стоки, отходы производства сельскохозяйственной продукции - солома, лузга и т. д., деревообработки - опилки, обрезки, ветви хвоя и т.п.). Свалки вокруг крупных городов забирают огромные площади (так, близ Нью-Йорка оно по объему уже равняется 25 пирамидам Хеопса!), загрязняют воздух и воду. А тем временем разработаны технологии, позволяющие добывать из этих отходов энергию (сконструирован, например, установки, в которых отходы сжигаются, давая тепло и электроэнергию), а также различные полезные материалы (стекло, металлы и др.).
Есть и другая перспективная технология переработки отходов - с помощью метанобактерій. Эти микроорганизмы активно размножаются в любых органических остатках, продуцируя в результате своей жизнедеятельности ценное энергетическое сырье - биогаз (смесь метана и угарного газа). Технология добычи биогаза очень проста. Бетонные емкости или колодцы любого объема заполняют навозом, мусором, листьями, опилками и т. п. Емкость должна быть плотно закрыта, чтобы не было доступа кислорода. Газ, который образуется в результате брожения, отводится в приемное устройство или непосредственно в газовую плиту. После процесса брожения остается удобрение - знезаражене, без запаха, ценнее навоз.
Сегодня такая технология широко применяется в Китае и Индии, где функционируют миллионы подобных установок. А в Румынии проведены успешные опыты по использованию биогаза в качестве топлива для тракторов.
В последнее время все шире разрабатываются технологии добычи топлива для двигателей внутреннего сгорания из органических веществ, продуцируемых растениями.
Так, в Бразилии из отходов производства сахара из сахарного тростника добывают технический спирт, который используется как топливо для автомобилей (причем стоимость этого топлива ниже, чем бензина, а загрязнение воздуха в результате его сгорания - меньше).
В Австралии успешно изготавливают так называемую «зеленую нефть» - продукт переработки специальных микроскопических водорослей, которые выращиваются в искусственных бассейнах.
Для Украины особое значение имеет технология извлечения топлива из рапсового масла. Рапс, это неприхотливое растение дает до 1 т масла с гектара, причем его можно выращивать на землях, непригодных ни для чего другого, например на полях орошения, где нейтрализуются канализационные стоки, и даже на землях 30-километровой зоны отчуждения вокруг Чернобыльской АЭС, потому что, как выяснили ученые, радионуклиды не накапливаются в ріпаковій масла. ее можно либо непосредственно заливать в баки дизелей (которые, правда, в этом случае надо модернизировать), или же из нее можно производить специальное дизельное топливо - «голубой ангел», которое по всем характеристикам вроде солярової масла, но при этом экологически чище и дешевле; наконец, это масло можно добавлять в солярову масло (до 20%), что не меняет ни энергетических, ни экологических показателей двигателей.
Водородная энергетика.
В очень перспективных источников получения тепловой и электрической энергии принадлежит водород, который имеет высокую теплотворную способность, может успешно заменить природный газ и при этом является экологически чистым топливом, поскольку в результате его сгорания образуется лишь водяной пар. Следовательно, перевод ТЭС и других потребителей газового топлива на водород уменьшило бы выбросы в атмосферу углекислого газа и других вредных соединений. Широкое использование водорода как источника энергии до последнего времени сдерживалось его высокой стоимостью по сравнению с природным газом, несмотря на то, что есть многочисленные методы извлечения водорода. Но недавно в некоторых странах, в частности в США, разработаны технологии извлечения водорода из глюкозы или глюкозовмісних веществ, таких как крахмал и целлюлоза (древесина). После обработки глюкозы или ее полимеров специальными ферментами, добытыми из бактерий, она превращается в глюкуронову кислоту, и при этом выделяется водород. По сообщениям прессы, в настоящее время указанные технологии еще несовершенны (выход водорода пока составляет только 12% от теоретически возможного), и продолжаются интенсивные работы в этой перспективной отрасли. Кстати, глюкуроновая кислота - отход производства - является ценным сырьем для химической промышленности.
Энергосбережения, внедрения новых технологий, которые требуют меньших затрат энергии, должны стать основными ориентирами дальнейшего развития экономики. По расчетам ученых снижение удельной энергоемкости национального продукта Украины вдвое позволит сохранить потребление энергии в первой четверти XXI в. на теперешнем уровне. И это задача вполне реальная. Украина импортирует 55% необходимых для нее энергоресурсов, тогда как при условии использования всех потенциальных средств энергосбережения она могла бы экономить 48% энергоресурсов и стала бы практически независимой от внешних их источников. В США благодаря большому вниманию, которое было уделено энергосбережению после нефтяного кризиса 1973 г., потребление энергоресурсов за десять лет после кризиса уменьшилось на несколько процентов, валовой национальный продукт страны за этот период вырос на 25%.
Однако до последнего времени призывы к бережному, хозяйственного использования сырья, энергоресурсов, которые периодически появляются на страницах прессы, звучат в выступлениях ученых, не давали желаемых результатов: когда все было «наше» и ничего «моего», когда производитель был отчужден от собственности - не существовало никаких стимулов экономить что бы то ни было. До тех пор, пока земля и все, что есть на ней, не будет иметь настоящего хозяина, призывы к сохранению ресурсов останутся «гласом вопиющего в пустыне».
А впрочем у нас есть огромные резервы для экономии энергии. Так, в большинстве стран на освещение расходуется около 13% производимой электроэнергии. А в Украине этот показатель в 1,5 раза выше, чем в западных странах. Причина заключается в том, что у нас используются преимущественно очень неэкономные источники света - лампы накаливания, которые превращают на свет лишь 5-8% энергии. В развитых же странах применяются люминесцентные лампы, КПД которых составляет 20%, а новейших типов - до 30%. Расчеты свидетельствуют, что переход на применение таких ламп дал бы возможность сэкономить около 70% электроэнергии.
Чрезвычайно много электроэнергии потребляет наша бытовая техника. Если бы отечественные телевизоры, пылесосы, стиральные машины и т.д имели такие же показатели, как лучшие мировые образцы бытовой техники, то Украина могла бы отказаться от всех АЭС на ее территории.
Специалисты утверждают, что потребление энергии можно сократить:
- в быту - на 34%;
- на транспорте - на 24%;
- в маленьком товарном производстве - на 22%;
- в промышленности - на 13-33%.
С потребляемой в быту энергии 79% приходится на отопление помещений (снижение температуры воздуха в помещениях лишь на 1% позволит экономить 5% энергии на отопление), 15% - на тепловые процессы (нагрев воды, приготовления пищи, стирки и т.д.), 5% потребляется бытовой техникой, 1% тратится на освещение, работу телевизора и радиоприемника.
«Оживить» цифры помогут такие примеры. 1 кВт/ч энергии можно использовать по-разному:
- 100 ч. бриться электробритвой;
- 50 ч. слушать радио;
- на 17 час. оставить гореть электрическую лампочку мощностью 60 Вт;
- 12 ч. смотреть цветной телевизор;
- 2 ч. убирать квартиру пылесосом;
- 5 мин. принимать душ.
Автомобиль «Жигули» тратит 8-10 л бензина на 100 км, тогда как большинство западных легковых автомобилей - от 4,3 до 5,9 л, а шведская компания «Вольво» разработала модель, которая потребляет лишь 3,6 л на 100 км. Нетрудно представить, какую экономию дефицитного топлива должна была бы наша страна, если бы приблизила характеристики своих автомобилей до этих показателей.
Украина унаследовала от бывшего СССР чрезвычайно неэффективной, энергоемкую и матеріаломістку промышленность. Например, для производства 1 т цемента мы тратим 274 кг условного топлива, а японцы - 142. Удельные затраты энергии в черной металлургии Японии. 20-30% ниже, чем у нас, причем, как это ни парадоксально, преимущественно за счет внедрения таких передовых технологий, как непрерывная разливка стали, сухое тушение кокса, утилизация тепла газов доменных печей. Эти технологии были разработаны в нас, японцы приобрели лицензии на их применения и имеют от них немалую выгоду, а в отечественной металлургии они практически не внедрены.
В крупных потребителей энергии принадлежит сельское хозяйство. Такие неуклюжие «динозавры», как трактор К-700, не только поглощают огромное количество топлива, но и сильно нарушают почвы своей багатотонною массой. Огромное количество топлива потребляют наши зерноуборочные комбайны, которые к тому же оставляют на поле много зерна.
Чтобы произвести 1 кг средств химической защиты растений, мы тратим около 4 л условного топлива, а на 1 га сада по действующих норм опрыскивания - более 1 т. А тем временем селекционеры вывели сорта яблонь и других фруктовых деревьев, устойчивы против грибковых заболеваний и нуждаются лишь в профилактической обработки и втрое меньше химикатов.
Другой аспект этой проблемы - морально-этический. Расточительство энергетических и материальных ресурсов во многом обусловлено отношением к природе и ее богатствам как к чему которого, предназначенное удовлетворять наши прихоти. Мало кто из людей задумывается: целесообразно ли выбрасывать на помойку еще вполне пригодные вещи ради модных или таких, которые имеют изысканный дизайн, окружать себя множеством малоупотребительных, а то и вовсе ненужных предметов. Ведь на их изготовление тратятся драгоценные ресурсы, энергия, труд людей.


Назад