2. Биосфера и технический прогресс

Понятие биосферы впервые было введено в начале XX в. акад. В. И. Вернадским. Под биосферой понимает­ся область, занятая живым веществом. Она охватывает часть суши (литосферу), атмосферу и полностью гидро­сферу (Мировой океан).

Атмосферой, или воздушным океаном, называется слой газов, следующий за суточным движением Земли. Атмосфера распространяется от поверхности Земли на несколько тысяч километров. Общая масса атмосферы равна примерно (5 — 6)10¹⁵ т, что составляет около од­ной миллионной массы Земли. Несмотря на относитель­но большую вертикальную протяженность атмосферы, более половины общей массы ее сосредоточено в слоях ниже 5 км.

В состав сухой атмосферы входят следующие газы: азот (79 — 80% по объему), кислород (19 — 20%), а также аргон, углекислый газ и некоторые другие эле­менты (около 1%). Кроме названных газов в атмосфере находятся водяные пары и другие примеси. Атмосфера выполняет функции защитного покрова, предохраняю­щего Землю от чрезмерного остывания и нагревания. Наличие в ней водяных паров и углекислого газа ока­зывает сильное влияние на тепловой режим Земли. Со­держание углекислого газа в атмосфере оценивается величиной 0,03%. Эта величина изменяется в зависимо­сти от интенсивности жизнедеятельности организмов и процессов горения.

В крупных городах процентное содержание углекис­лого газа достигает 0,07|% и более. Предполагается, что ежегодно сжигается 5—10 млрд. т кислорода (что пока практически незаметно).

Природная среда изменяется в результате хозяйст­венной деятельности человека. Известно, что состав воз­духа меняется очень медленно. Однако эти изменения зачастую носят необратимый характер. Особенно боль­шую тревогу вызывает заметное увеличение в атмосфе­ре углекислого газа. За последнее столетие, как пока­зывают наблюдения и расчеты, содержание углекислого газа увеличилось на 15%, что составляет 360 млрд. т. По оценкам ООН, к 2000 г. ожидается увеличение углеки­слого газа в атмосфере на 50%, что объясняется возра­стающим сжиганием органического топлива на электро­станциях, в 'промышленности и на автотранспорте.

Накопление углекислоты в атмосфере объясняется сокращением площади растительного покрова и загряз­нением океана нефтепродуктами. За последние несколь­ко столетий было вырублено более 50% леса. Если пол­ностью вырубить лес, то это может привести, как полага­ют, к нарушению газового состава атмосферы, так как лес имеет существенное значение в процессах потребле­ния из атмосферы углекислого газа и выработки кисло­рода.

Сокращение естественного растительного покрова Земли объясняется увеличением площади под пашни, города, транспортные сооружения, искусственные водо­емы. Кроме того, происходит значительное тепловое за­грязнение водоемов при сбрасывании в них нагретой воды. На поверхности Земли осаждаются отходы в виде золы, серы и других твердых частиц.

К руговорот энергии, запасенной в органическом топ­ливе, и загрязнение окружающей среды (продуктами его сгорания схематично показаны на рис. 5.2. Эта схема имеет принципиальное теоретическое значение, так как процессы накопления топлива и его потребления про­текают с несоизмеримыми скоростями. Практически, как

Солнце '

00_г, выделяющаяся при сжигании горючи* д Теплота ископаемых 4

Окись

углерода

Окислы серы Углеводороды

Окислы азота

Твердые

частицы

СО_г, ! выделят - щаяся при дыхании

тш*Ш

• Мертвая органта консументы

Рис. 5.2. Схема круговорота энергии в природе при сжигании го­рючих ископаемых

отмечалось ранее, органическое топливо в виде угля и нефти относится к невозобновляемым источникам энер­гии.

В настоящее время ежегодно в моря -и океаны попа­дает от 6 до 12 млн. т нефти из-за потерь в морских не­фтяных скважинах, аварий танкеров и их очистки. Одна тонна нефти покрывает пленкой до 12 ikm² акватории. Нефтяной пленкой уже сейчас покрыта почти 1/5 по­верхности Мирового океана, что ограничивает взаимосвя­зи океанов с атмосферой.

Значительный вред растительности и живым организ­мам океанов наносят отравляющие вещества, рассеивае­

мые на полях для борьбы с вредителями сельскохозяйст­венных растений. Много лет назад, наблюдая пагубное воздействие цивилизации на природу, Жан-Жак Руссо говорил о том, что все хорошо, выходя из рук Творца вещей, но все вырождается в руках человека. Сейчас интенсивность этих воздействий резко выросла. Одно только повышение содержания углекислого газа в ат­мосфере, если оно будет идти теми же темпами, может вызвать катастрофические изменения условий жизни на Земле. Углекислый газ поглощает длинноволновое излу­чение нагретой поверхности Земли, нагревается и тем са­мым способствует сохранению на ней теплоты. Увеличе­ние доли углекислого газа в атмосфере вместе с ростом выработки электроэнергии может привести к увеличению на несколько градусов температуры низких слоев атмо­сферы, а это может привести к 'таянию ледников Грен­ландии и Антарктиды и затоплению части суши, на ко­торой сейчас проживает почти ^lU часть населения.

По предварительным расчетам, предельно допусти­мое значение вырабатываемой на Земле в течение года энергии не должно превышать 3 — 5% от энергии, пере­даваемой на Землю Солнцем (как было указано выше, сейчас это менее сотых долей процента, и до катастро­фического положения пока еще далеко!).

Наряду с увеличением содержания углекислого газа происходит уменьшение доли кислорода в (атмосфере. Потребление кислорода промышленностью для сжигания топлива постоянно растет. Ежегодно при сжигании топ­лива расходуется 10— 13 млрд. т свободного кислорода из атмосферы. Один только самолет типа «Боинг» при перелете из Парижа в Нью-Йорк использует 35 т кисло­рода, а при взлете выбрасывает столько же ядовитых веществ, сколько 5000 — 6000 автомобилей. Автомобиль средней мощности, пробегая 1000 км, расходует годовую норму потребления кислорода человеком.

Несмотря на то что процентное содержание кислоро­да в атмосфере велико, высказываются опасения, что при 5%-ном приросте сжигаемого топлива примерно через 50— 100 лет доля свободного кислорода может понизить­ся с 23,3 масс. ед. до критических для человека 17 масс, ед. Кроме того, в атмосферу выбрасываются различные вредные вещества, количество которых растет вместе с развитием промышленности.

Особенно вредное воздействие на животных и расти­тельный 'мир оказывает загрязнение атмосферы окисью

серы. Содержание сернистого газа в количестве 20 мг/м³ вызывает раздражение дыхательных путей, а содержа' ние 400—500 мг/м³ представляет опасность для жизна людей.

Наибольшее загрязнение атмосферы серой приходит­ся на долю электростанций и отопительных установок. Приведенные в табл. 5.1 данные были собраны в США. Однако примерно такие же соотношения справедливы и для других развитых в техническом отношении стран.

Таблица 5.1

Источники загрязнений	Общее за­грязнение атмосферы, %	Выбросы серы, %	Выбросы окиси угле­рода, %
Автомобили	60	5	90
Промышленность	15	30	3
Электростанции и отопление	22	60	5
Мусоросжигание	3	5	2

Большую тревогу вызывает сильное 'загрязнение ат­мосферы выхлопными газами автомобилей (на их долю приходится 60% от общего количества выбрасываемой в атмосферу окиси углерода, которая образуется при неполном сжигании углеродистых веществ). Вредное действие окиси углерода на человека и животных состо­ит в том, что она, соединяясь о гемоглобином крови, быстро лишает организм кислорода. Общий выброс в атмосферу окиси углерода в мире более 2,5-10^й кг/год.

Некоторые содинения углеводородов, выбрасываемые автомобилями, обладают канцерогенными свойствами. В крупных городах насчитываются миллионы автома­шин, выбрасывающих в атмосферу огромные количества вредных веществ. Например, в Лос-Анджелесе более

3. млн. автомобилей ежегодно засоряют воздух более чем 9 тыс. т угарного газа, 450 т окиси серы, 190 т оки­си азота и многими другими вредными веществами. Город, некогда славившийся прозрачным и чистым воз­духом, теперь печально знаменит своими ядовитыми ту­манами.

Сейчас в мире эксплуатируется более 200 млн. авто­мобилей, на долю которых приходится значительная часть грузооборота и более половины пассажирских пе­ревозок. Ожидается большое увеличение числа автомо­билей и в будущем. В связи с этим одна из насущных про­блем современности состоит в совершенствовании авто­мобилей, направленном на уменьшение загрязнения ими окружающей среды. Перспективно в этом отношении создание электромобилей с хорошими техническими и экономическими показателями.

В связи с указанными задачами ведутся поиски но­вых видов топлива или видоизменяются известные топ­лива. В этом отношении интерес представляет метанол который, возможно, получит большее применение. Мета­нол— это метиловый спирт, получаемый из природного газа, а также из каменного угля и извести. Он значитель­но дешевле бензина. Для ряда стран, которые импорти­руют огромное количество нефти и нефтепродуктов, проблема дешевого автомобильного горючего исключи­тельно велика. К тому же один из видов сырья, необхо­димого для производства метанола,— каменный уголь — имеется в достаточном количестве. Еще одно немаловаж­ное преимущество метанола заключается в том, что от­работанные его газы значительно меньше -загрязняют воздух, чем бензиновые.

Приспособить существующие автомобили для работы на новом топливе не представляет большого труда. Есть сообщения, что в США усиленно работают над методом получения жидкого топлива из упля с высоким содержа­нием серы, запасы которого велики во многих странах мира. Однако использование его осложнено (например, в результате сильного загрязнения атмосферы при его сжигании). Жидкое топливо получается следующим об­разом. Уголь размалывается в порошок, обрабатывает­ся растворителем и в полученную смесь добавляется водород. В результате протекающего при этом процес­са из 1 т угля получается -около 650 л похожей на нефть жидкости, из которой можно вырабатывать бензин и другое жидкое топливо. Работы этого направления очень важны, так как выбрасывание вредных веществ в атмосферу особенно при неблагоприятных атмосфер­ных условиях приводит к появлению ядовитых туманов, так называемых смогов. В некоторых городах смоги резко повышали смертность от болезней дыхательных путей и сердечно-сосудистой системы. Так, в Лондоне в 1952 г. смог в условиях сильного загрязнения воздуха сернистыми соединениями унес около 4000 человеческих жизней. Этот лондонский туман сравнивают с эпидеми­ей холеры в 1849 г., когда из миллиона человек еже­дневно умирало 570, от тумана же — 440. Сильные ту­маны, содержащие примеси вредных веществ и сопро­вождаемые человеческими жертвами, повторялись в Лондоне и других городах — Нью-Йорке, Лос-Анджеле­се, Чикаго, Токио ¹.

Особое место среди прочих загрязнителей занимают продукты искусственного радиоактивного распада. Дей­ствие радиоактивного излучения исключительно опасно для нормального развития флоры ,и фауны и угрожает жизни человека. Сильные заражения окружающей среды происходят при ядерных взрывах.

Человек в результате своей деятельности в различ­ных областях всегда меняет окружающую -среду. Однако эти изменения в современном мире достигают столь больших масштабов, что некоторые отрицательные воз­действия на биосферу могут вызвать условия, опасные для жизни человека. Поэтому неизбежное воздействие на природу, которое не может быть приостановлено, дол­жно регулироваться в соответствии с законами природы и условиями гармонического развития человеческого общества. Несомненно, могут быть найдены рациональ­ные решения этой проблемы. Так, например, живой ор­ганизм может существовать в среде, наполненной вред­ными химическими веществами, при чрезмерном шуме, в среде эмоционально возбуждающей, однако при этом он не может полноценно функционировать, не исполь­зуя защитные приспособления. Человеку свойственна биологическая стабильность и неверно представление о возможности без ущерба для своей эволюции приспосо­биться к изменяющимся неблагоприятным условиям среды, вызванным техническим прогрессом. Эти приспо­собленческие реакции приводят к побочным явлениям, которые в конечном счете оказываются вредными.

Часто думают, что прогресс в цивилизации зависит от способности человека «покорять природу». В дейст­вительности его существование связано с удовлетворе­нием биологических и эмоциональных потребностей, которое происходит не в процессе покорения природы, а в гармоническом содружестве с ее силами. Человек должен стремиться к такому воздействию на окружаю­щую среду и такому ее изменению, чтобы она способст­вовала его физическому и духовному развитих и про­грессу дивилизации. Нельзя следовать фаустовской кон­цепции о безграничном могуществе человека и его по­стоянном стремлении господствовать над внешним ми­ром. Человек зависит от окружающей среды и форми­руется ею, поэтому он должен находиться во взаимо­действии с окружающей средой, которая для него без­условно должна быть не храмом, а мастерской.

Можно и нужно проводить рациональное планирова­ние окружающей среды и управление ее развитием. Та­кое планирование будет благоприятствовать наиболее полному и гармоничному сочетанию прогресса и допу­скать те изменения в природе, которые наиболее соот­ветствуют физической и духовной эволюции человека. Разумеется, при этом должна соблюдаться большая ос­торожность.

В капиталистических странах меры по охране окру­жающей человека среды часто носят рефлексирующий характер и принимаются после какой-нибудь катастро­фы, в атмосфере всеобщей паники. Такие разрозненные меры направлены большей частью на устранение симп­томов болезни, а не самой болезни. В настоящее время пока не удается осуществить международные планомер­ные (с учетом большого комплекса взаимосвязанных проблем) действия по охране окружающей среды. Это объясняется существованием неблагоприятных сложных факторов различного характера: социальных, экономи­ческих, психологических и т. д.

По мнению специалистов, для успешного решения проблемы рационального использования и охраны ре­сурсов биосферы необходимо углубить знания о конеч­ном влиянии неблагоприятных изменений в окружающей среде на физическое и умственное здоровье человека. Это, в свою очередь, потребует развития науки о жизни человека, .‘подвергающегося воздействию окружающей среды. ' V

Численность населения на земном шаре быстро воз­растает и в этих условиях становится недопустимой сти­хийная эксплуатация природных ресурсов Земли. Пов= семестцо должно осуществляться разумное их исполь­зование.

Создание космических аппаратов и полеты на дру­гие планеты, длительное пребывание в лабораториях под водой не изменят того факта, что существование человека определено узкоограниченными физическими и химическими условиями. Человек появился на Земле, развился на ней под влиянием окружающей среды и неразрывно с нею связан.

В условиях ограниченности Земли и ее ресурсов экономика в различных областях должна основываться на экологических факторах, под которыми понимаются факторы внешней среды, оказывающие влияние на расте­ния и животных. Впервые понятие экологии было вве­дено в науку более ста лет назад Геккелем. Именно тогда, т. е. исторически сравнительно недавно, человек осознал, что и он сам, и все компоненты в природе вза­имосвязаны.

В 'процессе эволюции у человека формировалось такое сознание, что окружающая природа не имеет гра­ниц. Складывающийся исторический опыт не учитывал опасных последствий в изменениях экологических усло­вий, вызванных ограниченностью нашей планеты.

Человек находится в состоянии динамического рав­новесия с окружающей его экологической средой. По­стоянно вносимые им (изменения в окружающую среду изменяют формы жизни всех организмов, в том числе и человека, т. е. искусственные изменения в окружающей среде и биосфере не могут быть бесконтрольными. В животном мире равновесие определяется стихийными силами. Человек 'способен обеспечить равновесие в ре­зультате предварительных рациональных суждений.

Решение большинства проблем, направленных на до­стижение положительного результата в одних областях, как правило, приводит к отрицательным последствиям в других. Создание двигателя -внутреннего сгорания суще­ственно расширило возможности человека и явилось большим стимулом в развитии прогресса, но это привело к загрязнению атмосферы.

По мере роста потребления природных ресурсов в силу естественных законов увеличиваются и отходы. Проблема отходов требует эффективного решения, и вполне оправдана такая постановка вопроса: количе­ство отходов должно определять использование ресурсов.

Под влиянием отрицательных воздействий техниче­ского прогресса на биосферу, способных катастрофиче­ски изменить условия жизни на Земле, в западных стра­нах появились пессимистические взгляды на будущее че­ловечества. Для того чтобы избежать мрачных послед­ствий, якобы ожидающих человечество в будущем, неко­торые буржуазные философы предлагают затормозить развитие цивилизации и тем самым уменьшить ее пагуб­ное влияние на окружающую среду.

Философская позиция отечественных исследователей, исключающая неоправданный пессимизм, состоит в том, что человек способен разумно управлять своей деятель­ностью и процессами в биосфере для обеспечения необхо­димого экологического равновесия в природе. Здесь влия­ние живых организмов, в том числе и человека, всегда было существенным. Сама оболочка биосферы формиро­валась при их определяющем воздействии. В соответст­вии с центральной идеей учения Вернадского можно утверждать, что химическое состояние наружной коры нашей планеты и состояние биосферы всецело находят­ся под влиянием жизни, определяются живыми организ­мами. Высшей организацией жизни является человече­ское обществе и именно его производительная деятель­ность имеет огромное планетарное — геохимическое — значение, воздействующее на геофизические процессы.

2. РАЗВИТИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ.

ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО

И ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Современные энергетические системы находятся в тесной взаимосвязи со всеми аспектами деятельности человека. Они непосредственно влияют на различные от­расли народного хозяйства (промышленность, транспорт, сельское хозяйство), социальные условия, состояние био­сферы и т. п. Существует также обратное влияние раз­личных факторов деятельности человека на состояние и развитие энергетики. Именно поэтому энергетические системы и следует рассматривать как подсистемы еди­ной глобальной системы функционирования человеческо­го общества (рис. 5.3, а, б).

При управлении работой энергетической системы, прогнозировании и проектировании ее развития, а также проведении научных исследований необходимо учитывать взаимовлияние энергетической системы, связанных с ней систем народного хозяйства и биосферы.

Влияние экологических условий на работу энергетиче­ских систем некоторых промышленно развитых стран (например, США) проявляется, например, в том, что часть ТЭС, работающих на органическом топливе, прихо­дится использовать на неполную мощность или даже ос­танавливать из-за чрезвычайно больших загрязнений атмосферы отходами от топлива этих станций, в то время как по «техническим» и узко понимаемым «экономиче-

Энергоснабжение и

<1——I Газоснабжение I О

¹ J

водоснабжение <^—\Цефтесна5жение I {>

гпппппЗ ■ I I

Энергоснабжение и водоснабжение сельских района!

<Ь~Ч>

т__г=_^

-{> Энергоснабжение промышленности

3!

-> Энергоснабжение транспорта

Отработавшее тепло при преобразовании знергии

Конденсация (дождь)

Рис. 5.3. Структурные схемы энергетической системы и ее связи с другими системами: а — схема энергетики как составной части глобальной системы народного хозяйства; б —схема связей энергетики с биосферой

ским» соображениям именно эти электростанции наибо­лее желательно использовать на полную мощность.

При оценке работы современных энергетических си­стем приходится считаться еще и с тем обстоятельством, что они охватывают обширные территории отдельных

/

I

стран или групп стран и имеют исключительно важное значение в обеспечении нормальной жизни общества. По­этому к надежности их работы предъявляют чрезвычай­но высокие требования. Аварии в энергетических систе­мах, как правило, влекут тяжелые социальные и мате­риальные последствия.

Надежность энергетики, как и вообще ее техническое совершенство, определяется успехами энергетической на­уки, которая взаимосвязана с другими науками: фунда­ментальными и прикладными, естественными и техни­ческими. Развитие энергетической науки оказывает, в свою очередь, влияние на смежные науки, например, та­кие, как кибернетика, математика, физика, химия и т. д., и в то же время достижения этих наук сказыва­ются на развитии энергетики.

Энергетическая наука, как и любая другая, постоян­но развивается. Некоторые из положений энергетиче­ской науки со временем подвергаются критическому анализу с позиции новых результатов и могут быть при­знаны неудовлетворительными, требующими дальней­шего совершенствования и приведения в соответствие с теми количественными и качественными сдвигами, кото­рые произошли в этой области знаний. Современная энергетическая наука рассматривает энергетику как большую систему, свойства которой должны изучаться с применением системного подхода. Для любой большой системы и большой системы энергетики в частности ха­рактерно наличие глубоких прямых и обратных связей между отдельными подсистемами и элементами, которые делают невозможным «расчленение» системы на отдель­ные элементы при изучении их свойств.

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. Однако справедливо также и то, что человек мо­жет регулировать уровень побочных влияний. Такие влияния прежде всего возникают на ТЭС, преобразую­щих энергию различных видов органического топлива в электрическую. Здесь необходимо найти пути снижения вредных выбросов в атмосферу газов и твердых частиц и уменьшения теплового загрязнения воды в реках и озерах.

Сооружение гидроэлектростанций сопровождается затоплением обширных территорий, переносом населен­ных пунктов. Создание искусственных водоемов приво­дит к резкому изменению экологии района, повышению давления воды на сушу и уровней грунтовых вод, что отрицательно сказывается на флоре и фауне. Замедле­ние течения рек из-за сооружения плотин электростан­ций ведет к загрязнению воды, появлению вредных си­незеленых водорослей, способствует размножению бакте­рий, несущих эпидемии, нарушению половодий и исчез­новению вследствие этого заливных лугов, в некоторых случаях происходит засоление почвы (например, вблизи Астрахани).

На рис. 5.4 показано, как загрязнялась бы террито­рия нашей страны и росла бы площадь S, занятая под города, промышленность, транспорт и затопления, если не учитывать прогресс в развитии электростанций, городов и промышленности. В этом случае к 2000 г. ТЭС ежегод­но загрязняли бы территорию примерно такую же, как и обжитая часть нашей страны, 360 млн. т золы и други­ми отходами сгоревшего в огромном количестве угля —

3. млрд. т. Кроме того, «тепловое загрязнение» водоемов, ориентировочно оцениваемое выбросами 4,19-10¹⁰ ГДж теплоты, привело бы к повышению температуры водоемов примерно до 30°С. В действительности за счет примене­ния новой техники решения будут более благоприят­ными.

Показатели загрязнений окружающей среды стан­циями различного типа мощностью по 1 ГВт каждая по­казаны на рис. 5.5, где выбросы в атмосферу газов и зо­лы приведены в т/сут, а активность радиоактивных эле­ментов в с^-1. Станции, работающие на угле, потребляют его в больших количествах и больше всего выбрасывают загрязняющих атмосферу веществ. Выбросы в атмосфе­ру зависят от качества угля. Приведенные на рисунке ха­рактеристики соответствуют углю средней калорийности. Знак вопроса на рис. 5.5 расшифровывается в зависимос­ти от решения проблемы радиоактивных отходов. 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.

Оджитая территория СССР и З-Юмлн. км^г Уголь 4000

Теплота

19 ВО

1370-

1980

1390 20ОО

[оды

Рис. 5.4. Условные графики увеличения расходуемой территории и показатели отрицательного воздействия на окружающую среду

Д

Радиоактидные

536000м³

вуокись

серы Окись Пиит,

S.^a3ama _ ^3о/ш угперада

Атомное

топлиВо

Отходы и 2 кг

Рис. 5.5. Показатели загрязнения атмосферы электростанция­ми различных типов

В прошлом, когда появились первые ядерные реакто­ры^ некоторые специалисты в США предлагали сбрасы­вать радиоактивные отходы на дно Черного моря. Выбор пал на Черное море, так как 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.

Применяется и так называемое «отвердение» жидких радиоактивных отходов путем их нагревания и выпари­вания. При существующей технологии 1000 л жидких от­ходов с высоким уровнем радиоактивности можно пере­работать в менее чем 0,01 м³ твердых отходов. Твердые отходы помещаются в герметические металлические кон­тейнеры, которые хранятся 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.

Д

Р, МВт

Рис. 5.6. Примерные экономи­ческие показатели работы АЭС и ТЭС (порядок величин)

оля электроэнергии, вырабатываемой на АЭС, с те­чением времени будет возрастать по мере увеличения их единичных мощностей. За­висимости удельных расхо­дов на выработку 1 кВт-ч электроэнергии з от мощно­сти Р ТЭС и АЭС приведе­ны на рис. 5.6.

Начиная примерно с 1000 МВт, а по последним данным даже с меньших мощностей, оказывается экономически выгодно

строить и эксплуатировать именно АЭС, а не ТЭС. Хо­тя, как показано выше (§ 2.9), стоимость АЭС более чем втрое выше стоимости ТЭС. Развитие всех электриче­ских станций идет по пути увеличения мощностей еди­ничных агрегатов, и поэтому в относительно недалекой перспективе следует ожидать широкого применения

АЭС. Увеличение мощностей агрегатов станций, непре­рывное совершенствование конструкций приводят к от­носительному уменьшению необходимых площадей s и объемов v, приходящихся на 1 кВт установленной/ мощ­ности (рис. 5.7). Резкое уменьшение объемов (штрихо­вая линия) происходит за счет использования за­крытых конструкций, за­полненных электроизоли­рующим газом, в которые помещают электрообору­дование и в которых мож­но существенно умень­шить расстояние между токоведущими частями.

Б

S_} м У кВт; V, (м У кВт) Ю'²\

1... ' I 1 .

то 1910 1920 1930 1340 1950 I960 1970 19ВО 1990 Годы

Рис. 5.7. Графики изменения удельных показателей, отра­жающие прогресс в развитии энергетических установок

олее крупные стан­ции обладают лучшими техническими характери­стиками, они в большей степени поддаются авто­матизации и механизации процессов, что позволяет существенно повышать удель­ные мощности р, рассчитанные на одного человека об­служивающего персонала.

В настоящее время уменьшение вредного влияния на окружающую среду различных технических устройств, в том числе и энергетических, приобрело решающее значе­ние при определении их характеристик.

В развитии атомной энергетики актуальна проблема ликвидации отработавших свой срок АЭС, которые через 35—40 лет должны быть разобраны и захоронены в без­опасных местах. Работы по разборке и захоронению радиоактивного оборудования АЭС оцениваются в 20— 30% от общей суммы издержек.

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

Таким образом, среди всех видов электрических стан­ций ТЭС, работающие на ограническом топливе, более всего загрязняют атмосферу. В ряде стран современная техническая политика снижения загрязнений, в том числе наибольшего рассеивания выбросов на ТЭС, 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 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_г например, для энергетического блока мощностью 550 МВт на ТЭС «Widow’s Сгееск» стоимостью 65 млн. долл. потребовалась 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 могут в значительной мере ограничить выброс вредных веществ в атмосферу. Использование природного газа для топок_г а также установка очистительных сооружений позволяют значительно уменьшить вредные выбросы в окружающую среду.

В связи с 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).

Уменьшить загрязнение атмосферы можно также за счет ограничения в энергопотреблении, которое станет возможным при увеличении эффективности использова­ния энергии. Так, предполагается, что улучшение тепло­изоляции жилых, производственных и прочих сооруже­ний позволит примерно в 2 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 и повышение вследствие этого их температуры приводят к нарушению экологического равновесия, установивше­гося в естественных условиях, что неблагоприятно влия­ет на флору и фауну.

Следует, однако, отметить, что в некоторых случаях можно извлечь пользу от повышения температуры водо­емов, например, разводя в таких водоемах рыбу, приспо­собленную к жизни при повышенной температуре. В ре-

У

зультате введения новых норм на АЭС «Brown Ferry» (США) в процессе ее строительства пришлось проекти­ровать и устанавливать дополнительные сооружения по охлаждению воды, на которые потребовалось 36 млн. долл. Тепловое загрязнение водоемов может уменьшить переход на замкнутые циклы использования воды.

При сооружении гидроэлектростанций необходимо учитывать комплекс проблем, связанных с изменением экологической среды, затоплением территории, влиянием на 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 электропередачи создают электромагнитные излуче­ния, вызывающие помехи в работе систем связи.

Иногда высказываются суждения о том, что ЛЭП пор­тят ландшафт местности. Эти суждения в какой-то мере справедливы, но часто они носят временный и сугубо субъективный характер. Можно вспомнить, что первона­чально 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 ЛЭП электромагнитное поле неблагоприятно действует на ор­ганизм человека. Исследования показывают, что в нор­мальном человеческом организме заряд меняется с пе­риодами в 6 ч и 27 сут. 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) влияние на живые организмы.

Влияние сильных электромагнитных полей (изменяю­щихся с промышленной частотой 50 Гц) на человека 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) эффек- с, там, пока еще также не вполне изученным. Однако уже очевидно, что вредные последствия пребывания че­ловека в сильном электро­магнитном поле зависят от напряженности Е поля и продолжительности его воз­действия Т. Чем больше на­пряженность поля, тем мень­шая допускается продолжи­тельность пребывания в нем человека (Т

М

кВ/м

Рис. 5.8. Графики изменения напряженности электромагнит­ного поля в зависимости от допускаемой продолжитель­ности пребывания в нем жи­вых организмов

ИН ) (рис. 5.8).

При 20 кВ/м воздействие поля проявляется немедленно в виде неприятных ощу­щений и последующих расстройств функций организма. При 5 кВ/м неприятных проявлений не наблюдается. Значение напряженности поля уменьшается с увеличе­нием расстояния от источников излучения поля — про­водов. Важно установить допустимые безопасные рас­стояния от ЛЭП высокого напряжения до жилых по­строек.

При больших напряженностях 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 электропередачи в крупные города. В энергетике перс­пективно применение сверхпроводящих и криогенных ЛЭП. 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 вредного влияния на окружающую среду и в конечном счете на человека. В Японии и США 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.

Защита биосферы от загрязнений рассматривается в чашей стране как государственная задача, для решения которой приняты законодательные акты. Еще в 1949 г. Совет Министров СССР принял постановление «О мерах борьбы с загрязнением атмосферного воздуха и улучше­ния санитарно-гигиенических условий населенных мест». Вопросы загрязнения окружающей среды нашли отраже­ние и в ряде принятых в декабре 1969 г. Верховным Со­ветом СССР «Основах законодательства Союза ССР и союзных республик о здравоохранении».

Таким образом, делается очень много для решения проблемы уменьшения загрязнения среды. В дальнейшем будут проводиться еще более радикальные меры, к кото­рым надо отнести создание замкнутых технологических схем, почти полностью использующих отходы и то, что называется «мусором» ¹, но что более правильно опреде­лить как «вещество, находящееся не на своем месте», ве­щество, которое должно быть использовано². Большое значение имеет прогноз загрязнений, основанный на на­дежном прогнозе погоды. При одном и том же количест­ве вредных выбросов в атмосферу степень загрязнения оказывается различной при разных метеорологических условиях и может регулироваться. Наиболее опасные за­грязнения воздуха возможны при слабом ветре.

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 каждом крупном городе этой страны еже­годно образуются сотни тысяч тонн органических твер­дых отходов. Из этого количества можно было бы полу­чить 19,6 млрд. м³ метана, пригодного для энергетиче­ских целей.

Из органических твердых отходов, содержащих ме­тан, газы можно получать тремя способами: анаэробным разложением, гидрогазификацией и пиролитической конверсией. Есть предложения построить завод, который будет вырабатывать из 0,5 т городского мусора 1500 ку­бических футов метана (1 кубический фут равен 0,028 м³) в день. Стоимость производства метана на та­ком заводе составит около 1 долл. за миллион британ­ских тепловых единиц (1 Btu= 1,055 кДж).

Мусор сначала должен измельчаться для получения частиц примерно одинакового размера, 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 2 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 теплоты, что позволяет превращать городской мусор, содержащий большое количество влаги, в газ без дополнительного нагревания.

Как показали эксперименты, рассмотренным спосо­бом 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 тепловых единиц.

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 Btu 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.

В некоторых странах созданы или создаются установ­ки для переработки отходов в сырье или энергию (рис. 5.9). Так, в Балтиморе построена установка для пироли­за тысяч тонн мусора в день для выработки теплоты, которая используется в теплофикационной сети. В Чика­го созданы 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. человек в бли­жайшие годы 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% от общего потребле­ния энергии в США.

Природные возможности естественной переработки и вторичного использования отходов весьма ограниченны. Поэтому перед человеком возникает настоятельная необ­ходимость в эффективной переработке и вторичном ис-

Рис. 5.9. Схема установки для переработки мусора в топливо

пользовании отходов, которая явилась как бы развитием естественных свойств природы. Решение этой проблемы возможно лишь в том случае, если удастся получить де­шевый источник энергии практически неограниченной мощности. Наиболее реальна перспектива переработки отходов в термоядерной «горелке». Если в поток плазмы с температурой около 100 000°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 сейчас в этом направлении ве­дутся научные исследования.

Труд современного инженера в значительной мере вновь приобретает творческую направленность, что вы­зывается потребностями развития техники, необходимо* стью внедрения в производство новейших научных до­стижений. Инженер должен быть широко эрудирован­ным специалистом, способным оценить различные ас­пекты принимаемых решений, знающим историю разви­тия техники в своей области и умеющим видеть перспек­тивы.

Настоящая книга вводит читателя в мир энергетики. В ней отражено влияние энергетики на развитие циви­лизации и технический прогресс. Рассматриваются во взаимосвязи актуальные проблемы освоения энергетиче­ских ресурсов, повышения эффективности процессов преобразования энергии, разработки новых перспектив­ных способов получения электроэнергии, проблемы ис­пользования ядерных электростанций и т. д. В книге акцентируется внимание на значении открытых физиче­ских и химических эффектов в разработке новых про­мышленных способов получения, преобразования и пере­дачи электроэнергии. Анализируются возможности ис­пользования достижений в освоении космического пространства для создания солнечных электростанций.

Конечно, в данном учебнике не ставилась задача по­дробного, глубокого рассмотрения процессов или прин­ципов работы и конструктивного выполнения энергети­ческого оборудования. Эти вопросы обстоятельно изу­чаются в специальных дисциплинах. Основная цель заключалась в создании общих впечатлений об энерге­тических системах, их отдельных элементах, основных процессах и о роли энергетики в жизни современного общества. Кроме того, ставилась цель выработки у сту­дентов первого курса навыков работы в вузе с учетом применения современных методических и технических средств активизации учебных занятий.

Веников В. А. Транспорт энергий.— М.: Знание, 1986.

Веников В. А., Журавлев В. Г.. Филиппова Т. А. Энергетика в современном мире.— М.: Знание, 1986.

Кадомцев Б. Б. Земное солнце «термояда»,—М.: Знание, 1986.

Лидоренко Н. С., Стребцов Д. С. Нетрадиционная энергетика,— М.: Знание, 1986.

Народное хозяйство СССР в 1985 г. Статистический ежегодник. М.: Финансы и статистика, 1986.

Непорожний П. С., Обрезков В. И. Гидроэнергетика.— М.: Энергоиздат, 1982.

Летросьянц А. М. Атомная энергетика — новые рубежи,—М.: Знание, 1986.

Саркисов А. А. Особенности энергетической программы СССР.— М.: Знание, 1986.

Стырикович М. А., Шпильрайн Э. Э. Энергетика, проблемы и перспективы.— М.: Знание, 1986.

Ягодин Г. А. Экология в мире технологий.— М.: Знание, 1987.

Аккумулятор 125 Алгоритм управления 202 Аспекты биосферические 11

• технические 7

• экологические 8

• энергетики 7 Атмосфера 211

Байт 20

Биосфера 25, 211 Водород 126

Воспроизводство ядерного го­рючего 100

Выбросы в атмосферу 210 Выключатель 189

Генератор синхронный 178

• термоэлектрический 118

• термоэмиссионный 122

• электрический 78 График нагрузки 168, 193

Двигатель асинхронный 182

• вечный 60

• синхронный 182

• тепловой 66 Доза радиации 104

Жаростойкость 117

Загрязнение атмосферы 209, 214, 227

Закон сохранения материи 59

энергии 59

Запасы топлива геологические 32

достоверные 33

мировые 41

Защита биологическая 99

• биосферы 230

• релейная 196

Изоляторы 185 Инженер 17

Источники энергии радиоизо- топные 121

Катод 123

Качество электроэнергии 171

Линия электропередачи 13, 148 170, 184

Мощность процессов геологиче­ских 23

геофизических 23

• излучения Солнца 23 Мощность установок искусст­венных 23

энергетических 40

Мощность электростанций 25

Надежность 103, 222 Накопление углекислоты 212

• энергии 90 Нейтрон 99

Напряжение сети 174, 197 Напор 81, 86 Насос тепловой 120

Опора анкерная 185

• промежуточная 185 Охрана природы 210

Параметры электрической си­стемы 171

Парогазовые установки 80 Парогенераторы 61, 69 Передача теплоты 57

• энергии 90 Плазма 115, 142 Полупроводники 121, 131 Потери энергии 28 Потребление энергии 164 Превращения энергетические 50 Преобразование энергии 67 Провода 188

Распад радиоактивный 121, 124, 217

Реактор-размножитель 137

• ядерный 96 Реакция синтеза 137

• термоядерная 49, 51

Регулирование возбуждения 203

Режим системы 170 Ресурсы возобновляемые 27

• гидроэнергетические 46

• невозобновляемые 27

• энергетические 2, 5

Системы большие 7

• самонастраивающиеся 204

• самообучающиеся 204

• энергетические 147 Скольжение 183 Сопло 71

Способность пропускная 186, 189

Станция атомная 27, 87

• геотермальная 54, 56, 127

• гидравлическая 81

• космическая 55

• солнечная 131

• тепловая 27

• электрическая 88 Схема 173

Тело рабочее 98 Теплоноситель 96, 128 Теплообменник 99 Топливо органическое 32

• условное 34

• ядерное 96

Трансформаторы 170, 177, 183

Турбина 60, 71

• газовая 66

• паровая 66, 78 Турбогенераторы 177

Уголь 37, 41, 69 Управление режимами 199

• энергетикой 205 Установки аккумулирующие 93

• парогазовые 80

• электрические 94

Фотосинтез 135

Цепь электрическая 122 Цивилизация 20 Цикл Ренкина 60

Частота 86, 99

Эксергия 62 Электрический ток 122 Энергетика 5 Энергия атомная 49

• кинетическая 201

• механическая 83

• мускульная 34

• приливов 48

• Солнца 22, 53, 133

• химическая 57, 127

• электрическая 22

Предисловие Введение . .