3. Газообразное топливо.

Это прежде всего – природный газ. Природный газ - смесь углеводородов, основу которых составляет метан, кроме того, в газе разных месторождений содержится небольшое количество азота, высших углеводородов, диоксида углерода. При добыче природный газ очищают от сернистых соединений. Газ добывают из чисто газовых месторождений, как попутный газ нефтяных месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и т. д.

При добыче нефти выделяется попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты.

В промышленности и быту широко применяется сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов.

Природный газ располагается в залежах, представляющих собой "купола" из водонепроницаемого слоя, под которым в пористой породе под давлением находится газ. Данный вид топлива более экологичен, чем предыдущие (практически не выделяет оксидов серы и в 5 раз меньше оксидов азота, чем нефть), но проблем все равно много.

Основной путь транспорта - газопроводы. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компрессоров, установленных через каждые 100-150 м. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ. Общий расход газа на поддержание давления в газопроводе составляет 10-12 % от всего прокачиваемого.

Экологические проблемы: Отчуждение земель под строительство газопроводов, опасность утечек (парниковый газ) и взрывов. При сжигании в атмосферу поступают вредные газы. При производстве одинакового количества энергии из горючего сланца и газа, объем выбросов СО₂ в 2 раза меньше. Природный газ практически не содержит серы.

Существует и транспортировка на танкерах, однако возникают трудности - необходимо перевести газ в жидкую форму - удорожание, опасность взрыва.

А) Метан, связанный с углем. В угольных бассейнах России содержится не менее 60 трлн м³ метана. Это почти 30% ресурсов традиционных газовых месторождений страны. Действующие в России шахты угольной отрасли ежегодно выбрасывают в атмосферу 7 млрд м³ метана. Из них около 1 млрд извлекается дегазационными установками. Наиболее рациональное использование этого газа - в мобильных установках малой энергетики, генерирующих электроэнергию и тепло.

Б) Глубинный метан - газ, растворенный в соленой воде, заполняющий подземные пустоты на большой глубине. Эксперты считают, что он существует, но не знают, как добывать.

В) Метан из нефтеносных песков. (США программа Ножны) Горные породы содержат небольшие разделенные пустоты, заполненные газом. Проводились подземные ядерные взрывы, которые дробят стенки горных пород для освобождения газа. Однако газ оказался радиоактивным и его добычу приостановили. Нужны другие технологии добычи.

4. Ядерное топливо.

Единственный природный вид ядерного топлива – тяжелые ядра урана и тория. Энергия в виде теплоты выделяется при делении изотопа (уран 235), который составляет в природном уране 1/140 часть.

При сжигании 1 кг каменного угля можно получить 8 кВт*ч электроэнергии, а при расходе 1 кг ядерного топлива вырабатывается 23 млн кВт*ч электроэнергии.

Ядерный реактор. Ядерное топливо сжигается в реак­торах атомных электростанций и теплоцентралей. При бомбардировке 235 U тепловыми нейтронами ядро атома захватывает и поглощает нейтроны, а затем распа­дается на два осколка. При каждом акте деления в сред­нем выделяются два-три быстрых нейтрона и энергия 200 МэВ в виде теплоты. Теплота передается теплоносителю: воде, водяному пару, газу или жидкому металлу. Для возникновения и поддержа­ния цепного деления необходима загрузка в активную зону ядерного топлива в количестве, равном критической массе. Она зависит от энергии нейтронов, геометрической формы урана, концентрации изотопа U и наличия отражателей. Замедлитель служит для уменьшения энер­гии быстрых нейтронов до тепловых («0,025 эВ). Система управления и защиты (СУЗ) служит для управления реак­тором путем изменения площади поглощающих регули­рующих стержней для захвата нейтронов. Биологическая защита обеспечивает безопасность персонала и окружаю­щей среды.

Недостатки атомной энергетики (экологические проблемы).

– в процессе работы ядерного реактора образуются жидкие, газообразные, аэрозольные и твердые радиоактивные отходы.

Короткоживущие изотопы (сохраняют опасность несколько лет) хранятся в резервуарах с водой на территории АЭС.

Для долгоживущих изотопов изоляция не разработана. Считается, что нужно залить их отвердевающим веществом, поместить в герметичные контейнеры, захоронить на большой глубине в устойчивых толщах пород.

Изоляция – несколько метров бетона.

Нестабильным может стать все внутри и вокруг реактора.

– Захоронение твердых отходов осуществляют в специальных траншеях, где обеспечивают полный радиоактивный распад без контакта с биосферой. Твердыми отходами считаются детали, загрязненные радиоактивными веществами демонтированного оборудования, отработанные фильтры для очистки воздуха, сорбенты, спецодежда, мусор.

– радиоактивные воды АЭС подвергаются специальной водоочистке (принцип работы – испарение воды, осаждение твердой фазы и ионный обмен), образующиеся концентраты и растворы направляют в специальные хранилища.

– газообразные отходы подвергают очистке на многоступенчатых фильтрах, выдержке в очистных устройствах и для выброса в атмосферу устанавливают высокие трубы (100-150 м).

– перед захоронением отходы подвергают отверждению (битумируют или остекловывают) для связывания радиоактивных веществ.

– возможность аварий.

– экономические проблемы атомной энергетики.

Ядерная энергетика до недавнего времени рассматривалась как наиболее перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так и со щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится также возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи с малыми объемами. Достаточно отметить, что 0,5 кг ядерного топлива позволяет получать столько же энергии, сколько сжигание 1000 тонн каменного угля.

До середины 80-х годов человечество в ядерной энергетике видело один из выходов из энергетического тупика. Только за 20 лет (с середины 60-х до середины 80-х годов) мировая доля энергетики, получаемой на АЭС, возросла практически с нулевых значений до 15-17%, а в ряде стран она стала превалирующей. Ни один другой вид энергетики не имел таких темпов роста. До недавнего времени основные экологические проблемы АЭС связывались с захоронением отработанного топлива, а также с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации. Имеются данные, что стоимость таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС.

При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в среду крайне незначительны. В среднем они в 2-4 раза меньше, чем от ТЭС одинаковой мощности.

В целом можно назвать следующие воздействия АЭС на среду:

• разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных структур и т. п.) в местах добычи руд;

• изъятие земель под строительство самих АЭС. Особенно значительные территории отчуждаются под строительство сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800-900га. Пруды могут заменяться гигантскими градирнями с диаметром у основания 100-120м и высотой, равной 40-этажному зданию;

• изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс подогретых вод. Если эти воды попадают в реки и другие источники, в них наблюдается потеря кислорода, увеличивается вероятность цветения, возрастают явления теплового стресса у гидробионтов;

• не исключено радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в процессе добычи и транспортировки сырья, а также при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях.

ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРВИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ

Первичная энергия (первичный энергоресурс) - это

энергия, которая содержится в природных источниках и может быть преобразована во вторичную (электрическую, тепловую, механическую) энергию. В балансе первичной энергии на земном шаре можно выделить (рис. 1.1):

• поток солнечной радиации на земную поверхность;

• коротковолновое и длинноволновое (тепловое) излу­чение в окружающее пространство.

Если коротковолновое излучение связано с прямым от­ражением солнечной радиации, то длинноволновое излу­чение является результатом природных процессов и техногенной деятельности человека.

К природным процессам следует отнести:

• прямое преобразование солнечного излучения в теп­лоту;

• испарение осадков и, как следствие, преобразование в энергию движения водных сред (рек, морских волн и т.п.);

• преобразование первичной энергии в атмосферные те­чения (ветровая энергия);

• накопление растительной и животной биомассы с последующим разделением ее на тепловую энергию и по­тенциальную химическую энергию ископаемого топлива;

• поток тепловой энергии от поверхности Земли (вклю­чая тепловое излучение и выброс геотермальных вод).

С техногенной деятельностью человека в первую оче­редь связано преобразование в тепловую энергию хими­ческой энергии органического топлива и ядерной энер­гии. Данные технологии преобразования первичной энер­гии называются традиционными технологиями.