2. Экологическая характеристика предприятий энергетики

1. Общие сведения

Энергетические потребности экономики Республики Беларусь удовлетворяются в основном за счет использо­вания органического топлива, большая часть которого импортируется из-за рубежа. Традиционные способы вы­работки тепло- и электроэнергии в котельных и ТЭС, ис­пользование топлива в топливопотребляющих технологи­ческих установках сопряжены с разносторонним локаль­ным и глобальным воздействием на окружающую среду.

Например, электростанция мощностью 1000 МВт еже­годно выбрасывает в окружающую среду более 1 млн т углекислого газа (в пересчете на углерод), со сточными водами удаляется около 66 т органических веществ, 82 т серной кислоты, 26 т хлоридов, 41 т фосфатов и почти 500 т взвешенных веществ. В зависимости от вида то­плива в атмосферу выбрасываются другие загрязняющие вещества (табл. 3.10).

В настоящее время в республике в структуре котель­но-печного топлива на природный газ приходится около 78,7 % по сравнению с 42,2 % в 1990 г.; доля мазута сократилась с 47,7 % в 1990 г. до 7,9 % в 2004 г. Значи­тельно вырос удельный вес других видов топлива, преи­мущественно местных - древесного топлива, торфа, го­рючих отходов производства и вторичных энергоресурсов (около 12 %).

Преобладание природного газа в топливном балансе республики, снижение потребления мазута, полное отсут­ствие электростанций на угле, низкая доля использова­ния угля в котельных объясняют снижение в 2 раза ин­тенсивности выбросов в атмосферу в Республике Беларусь по сравнению с 1990 г.

2. Энергия в природе, ее виды и качество

Уровень благополучия любого общества определяет­ся в первую очередь умением рационально использовать энергию, а затем уже создавать новые ее источники.

Энергия (от греч. energeia - действие, деятельность) представляет собой общую количественную меру движе­ния и взаимодействия различных форм материи.

В природе существует около 20 научно обоснованных видов энергии. Наиболее широко используются механи­ческая, тепловая, электрическая, химическая, магнитная,

Глава 3. Экологическая и энергетическая характеристика производства

электромагнитная, ядерная (атомная), гравитационная и другие виды энергии.

На практике непосредственно применяются всего че­тыре вида: тепловая (около 70-75 %), механическая (око­ло 20-22%), электрическая (около 3-5 %) и электромаг­нитная — световая (менее 15 %).

Более двух третей всей потребляемой энергии исполь­зуется в виде теплоты для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть - в виде механи­ческой, прежде всего в транспортных установках, и элек­трической энергии. Причем доля использования послед­ней с каждым годом все более возрастает.

Механическая энергия проявляется при взаимодей­ствии, движении отдельных тел или частиц. К ней отно­сят энергию движения или вращения тел, энергию дефор­мации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко ис­пользуется в различных машинах и механизмах.

Тепловая энергия представляет собой энергию неупо­рядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ. Она широко используется в виде энер­гии пара, горячей воды, продуктов сжигания топлива.

Электрическая энергия - энергия движущихся по элек­трической цепи электронов (электрического тока). Она яв­ляется одним из наиболее совершенных видов благодаря следующим факторам:

• возможности получения ее в больших количествах вблизи месторождений горючих ископаемых или водных источников;

• удобству транспортировки ее на дальние расстоя­ния с относительно небольшими потерями;

• способности трансформации в другие виды энергии - механическую, тепловую, химическую, световую и др.;

• отсутствию химического загрязнения окружающей среды;

3.4, Экологическая характеристика предприятий энергетики

• возможности создания принципиально новых тех­нологических процессов с высокой степенью автоматиза­ции и роботизации производства.

Химическая энергия - это энергия атомов веществ, которая высвобождается или поглощается при химиче­ских реакциях между ними. Химическая энергия может выделяться в виде теплоты при проведении экзотермиче­ских реакций (горение топлива) либо преобразовываться в электрическую в гальванических элементах и аккуму­ляторах.

Магнитная энергия - это энергия постоянных маг­нитов, обладающих большим потенциалом, но отдающим ее очень сложно.

При прохождении электрического тока по цепи вокруг проводника создаются магнитные поля. Поэтому электри­ческая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны между собой и чаще на практике используется понятие электро­магнитной энергии.

Электромагнитная энергия - это энергия электромаг­нитных волн, т. е. движущихся электрического и магнит­ных полей. В зависимости от длины волны (Л) она включает радиоволны с А > 10² см; световые волны (инфракрасные с А ~ 2 • 10 *-7,4 • 10'⁵ см, видимый свет с А ~ 7,4 • 10 ⁵-4 • 10⁵ см, ультрафиолетовые с А ~ 4 • 10 ⁵-10⁶ см); рентгеновское из­лучение с А ~ 10 ⁵-10¹² см; гамма-излучение с А < 10⁸ см.

Ядерная энергия представляет собой энергию, скон­центрированную в ядрах атомов радиоактивных веществ.

Гравитационная энергия - это энергия, обусловлен­ная взаимодействием (тяготением) массивных тел. Эта энер­гия наиболее ощутима в космосе, в земных условиях она является силой тяжести тела, поднятого на определенную высоту.

Часто в особые виды энергии выделяют биологиче­скую и психическую. Биологические процессы - это осо­бая группа физико-химических процессов, в которых уча­ствуют все те же виды энергии, что и в других.

Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джо­уль). Для измерения количества теплоты часто исполь­зуют старую отмененную единицу 1 кал (калорию), рав­ную 4,18 Дж. Для измерения механической энергии применяют величину 1 кг-м = 9,8 Дж, электрической - 1 кВт-ч = 3,6 МДж (1 Дж = 1 Вт-с).

Энергия всех видов после выполнения полезной ра­боты превращается в теплоту с более низкой температу­рой, которая практически непригодна для дальнейшего использования.

Энергия, содержащаяся в природных источниках (энер­горесурсах), называется первичной или энергетическим топливом (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Классификация первичной энергии

К традиционным видам первичной энергии или энер­горесурсам относятся органическое топливо (уголь, нефть, газ, торф, сланцы, дрова и пр.), гидроэнергия рек и ядерное топливо (уран, торий и др.). Органическое топливо по агре­гатному составу подразделяют на газообразное, жидкое и твердое (кусковое или пылевидное). Топливо обычно вклю­чает углерод, водород, кислород, азот, серу, золу и влагу.

В балансе первичной энергии Земли выделяют пото­ки солнечной радиации на поверхность планеты, а также коротковолнового и длинноволнового (теплового) излуче­ний в окружающую среду (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Круговорот первичной энергии на земном шаре

Коротковолновое излучение связано с прямым отра­жением солнечной радиации, а длинноволновое является результатом природных процессов и антропогенной дея­тельности.

К природным процессам относят:

• прямое преобразование солнечного излучения в те­плоту;

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

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

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

• выделение тепловой энергии из Земли (тепловое из­лучение и выброс разогретых сред из вулканов, геотер­мальных вод и пр.).

Качество различных видов энергии оценивается эксер- гией - величиной, определяющей максимальную способ­ность материи (вещества) к совершению работы в таком процессе, конечное состояние которого определяется усло­виями термодинамического равновесия с окружающей сре­дой. Например, для получения 1 кДж теплоты достаточно иметь 1 кДж механической или электрической энергии, но для получения этого же количества механической или электрической энергии потребуется более 1 кДж теплоты. Это связано с тем, что тепловая энергия является суммой энергий электронов, атомов, молекул, находящихся в со­стоянии неупорядоченного движения. Упорядочить хаос гораздо сложнее, на это нужно затратить энергию. Вот почему тепловая энергия не полностью превращается в другие виды энергии.

Отличительные особенности тепловой энергии и усло­вия ее превращения в другие виды энергии определяются вторым началом термодинамики (п. 1.3.3.2). Согласно этому

закону, процессы, связанные с теплообменом при конечной разности температур, необратимы, т. е. могут протекать са­мопроизвольно только в одном направлении - от горячих к холодным телам с установлением равновесия в системе.

Для оценки практической пригодности энергии, со­держащейся в материи, важно знать не только количество эксергии, но и ее концентрацию, т. е. отношение эксергии к объему термодинамического агента (энергоносителя).

Чем выше концентрация эксергии, т. е. плотность энер­гетического потока, тем лучше показатели устройства и эксплуатации энергетических установок. Например, 1 Дж электрической энергии имеет большую ценность для по­требителя, чем такое же количество энергии в виде низ­котемпературного источника - теплой воды.