Охрана труда и основы энергосбережения

Таблица 9.5.2

Виды топлива, получаемые в результате переработки биомассы

Биомасса — наиболее перспективный и значительный возобновляемый источник энергии в республике, который может обеспечивать до 15% ее потребностей в топливе.

Весьма многообещающе для Беларуси использование в качестве биомассы отходов животноводческих ферм И ком­ плексов. Получение из них биогаза может составить около 890 млн.м3 в год, что эквивалентно 160 тыс. т у. т. Энергосо­ держание 1 м3 биогаза (60-75% метана, 30-40% углеки­ слого газа, 1,5% сероводорода) составляет 22,3 МДж, что эквивалентно 0,5 м3 очищенного природного газа, 0,5 кг дизельного топлива, 0,76 кг условного топлива. Сдержи­ вающим фактором развития биогазовых установок в рес­ публике являются продолжительные зимы, большая ме­ таллоемкость установок, неполная обеззараженность ор­ ганических удобрений. Важным условием реализации по­ тенциала биомассы является создание соответствующей инфраструктуры —от заготовки, сбора сырья до доставки конечной продукции потребителю. Биоэнергоустановку

170

рассматривают, в первую очередь, как установку для про­ изводства органических удобрений и, попутно, —для по­ лучения биотоплива, позволяющего получить тепловую и электрическую энергию.

Гидроэнергетическиересурсы. Гидроэнергетика —это об­ ласть наиболее развитой на сегодня энергетики на возоб­ новляемых ресурсах, использующая энергию падающей воды, волн (амплитуда волн в некоторых районах мирово­ го океана достигает 10 м) и приливов. Цель гидроэнергети­ ческих установок —преобразование потенциальной энергии воды в механическую энергию вращения гидротурбины.

Преобразование гидроэнергии в электрическую стало возможным в конце XIX века. Крупные гидроэлектростан­ ции (ГЭС) начали строиться на рубеже XIX и XX веков. Наносимый окружающей среде их водохранилищами ущерб: уничтожение флоры, фауны, плодородных земель в результате затопления, климатические изменения, по­ тенциальная угроза землетрясений и др., заиливание гид­ ротурбин, их коррозия, большие капитальные затраты на сооружение — вот наиболее сложные проблемы, связан­ ные с сооружением и эксплуатацией ГЭС. Вырабатывае­ мую ГЭС энергию легко регулировать, и она преимущест­ венно используется для покрытия пиковой части графика нагрузки энергосистем с целью улучшения работы базис­ ных электростанций (ТЭС, КЭС, АЭС).

Республика Беларусь - преимущественно равнинная стра­ на, тем не менее, ее гидроэнергетические ресурсы оценива­ ются в 850—1000 МВт. Однако практически реализуемый по­ тенциал малых рек и водотоков составляет едва ли 10% этой величины, что эквивалентно экономии 0,1 млн. т у. т./год. Для .достижения большего пришлось бы затопить значи­ тельные площади из-за равнинного характера рек.

К концу 60-х гг. в Беларуси эксплуатировалось около 180 малых ГЭС (МГЭС) общей мощностью 21 МВт. В на­ стоящее время осталось лишь 6 действующих МГЭС. Ос­ новные направления развития гидроэнергетики республи­ ки: восстановление старых МГЭС путем капитального ре­ монта и частичной замены оборудования; сооружение но­ вых МГЭС на водохранилищах неэнергетического (ком­ плексного) назначения, на промышленных водосбросах; строительство бесплотинных ГЭС на реках со значитель­

171

ным расходом воды. Работы по восстановлению МГЭС уже начаты. В 1992—2000 годах в республике восстановлены сле­ дующие ГЭС:

—Добромыслянская (Витебская обл.) —200 кВт;

—Гонолес (Минская обл.) — 250 кВт;

—Войтощизненская (Гродненская обл.) —150 кВт;

—Жемыславльская (Гродненская обл.) — 160 кВт;

—1-я очередь Вилейской ГЭС (Минская обл.) —900 кВт;

—Богинская (Витебская обл.) —300 кВт;

—Ольховка (Гродненская обл.) — 100 кВт; —Тетеринская (Могилевская обл.) —600 кВт. Проведенный анализ показывает, что в перспективе на

притоках рек Западная Двина, Неман, Вилия, Днестр, Припять и Западный Буг может быть построено около 50 малых ГЭС суммарной мощностью 50 тыс. кВт и средне­ годовой выработкой электроэнергии 160 млн. кВт ч.

Однако наиболее значительный вклад гидроэнергетики в общий энергетический баланс республики может внести строительство каскада ГЭС на реках Западная Двина в рай­ оне Витебска, Полоцка, Верхнедвинска, Бешенковичей и Немане в районе г. Гродно и д. Немново.

Эти гидроэлектростанции при относительно небольшом затоплении пойменной территории позволят получить до 800 млн. кВт ч в год электроэнергии при установленной мощности около 240 МВт.

Реальный ежегодный потенциал гидроэнергетики при­ веден в таблице 9.5.1.

Ветроэнергетические ресурсы. Ветер представляет собой движение воздушных масс земной атмосферы, вызванное перепадом температур в атмосфере из-за неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем.

Устройства, преобразующие энергию ветра в полезные виды энергии (механическую, электрическую или тепло­ вую), называются ветроэнергетическими установками (ВЭУ), или ветроустановками.

Энергия ветра на земном шаре оценивается в 175— 219тыс.ТВт ч в год. Это примерно в 2,7 раза больше сум­ марного расхода энергии на планете. Постоянные воздуш­ ные течения к экватору со стороны северного и южного полушарий образуют систему пассатов. Существуют перио­ дические движения воздуха с моря на сушу и обратно в

172

течение суток (бризы) и года (муссоны). Полезно может быть использовано лишь 5% указанной величины энергии ветра. Используется же значительно меньше. Выявим при­ чины этого и перспективы развития ветроэнергетики.

Наиболее эффективный способ использования энергии ветра —производство электроэнергии. В ветроэнергетиче­ ской установке (ВЭУ) кинетическая энергия движения воздуха превращается в энергию вращения ротора генера­ тора, который вырабатывает электроэнергию. Выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ротора и скорости ветра в кубе. Поэтому ВЭУ большой мощности оказываются крупногабаритными, ведь скорость ветра в среднем бывает небольшой. Для защиты от разрушения сильными случайными порывами ветра ус­ тановки проектируются со значительным запасом проч­ ности. Трудности в использовании ВЭУ связаны с непо­ стоянством скорости ветра. Приходится управлять часто­ той вращения ветроколеса и согласовывать ее с частотой вращения электрогенератора. Кроме того, в периоды без­ ветрия электроэнергия не производится. Для исключения перерывов в электроснабжении, ВЭУ должны иметь акку­ муляторы энергии. Крупномасштабное применение ВЭУ в каком-то одном районе может вызвать значительные кли­ матические изменения, испортить ландшафт. ВЭУ созда­ ют шум и электромагнитные помехи.

Научные разработки и исследования ориентированы на использование ВЭУ по двум направлениям: в региональ­ ных энергосистемах и для местного (автономного) энер­ госнабжения. Функционируют ВЭУ мощностью до 200 кВт, и созданы установки мощностью 3— МВт. Срок службы таких генераторов около 20 лет. Стоимость вырабатывае­ мой ими электроэнергии будет меньше, чем ТЭС на жид­ ком топливе. Устанавливаться такие ВЭУ могут на откры­ тых равнинных местах. Ветроустановки мощностью от 10 до 100 кВт для автономного энергоснабжения жилых по­ мещений, ферм и других потребителей могут применять­ ся в странах с высоким жизненным уровнем.

Обратим внимание на современные способы примене­ ния энергии ветра в механических целях:

—гоночные яхты, паромы, большие суда для перевоз­ ки грузов с автоматизированным управлением парусами;

—ветряные мельницы;

173

— водяные насосы мощностью до 10 кВт, приводи­ мые в движение ветроколесом и используемые в сель­ ском хозяйстве.

Территория Республики Беларусь находится в умерен­ ной ветровой зоне. Стабильная скорость ветра составляет 4—5 м/с и соответствует нижнему пределу устойчивой ра­ боты отечественных ВЭУ. Это позволяет использовать лишь 1,5—2,5% ветровой энергии. К зонам, благоприятным для развития ветроэнергетики, со среднегодовой скоростью ветра выше 5—5,5 м/с, относится 20% территории страны. Наиболее эффективно можно применять ВЭУ на возвы­ шенностях большей части севера и северо-запада Белару­ си и в центральной части Минской области, включая при­ легающие к ней районы с запада. По некоторым оценкам, возможная установленная мощность ВЭУ к 2010 г. в рес­ публике может составить 1500 кВт. Поэтому ветроэнерге­ тику можно рассматривать в качестве вспомогательного энергоресурса, решающего местные проблемы, например, отдельных фермерских хозяйств.

Основным направлением использования ВЭУ в нашей республике на ближайший период будет применение их для привода насосных установок и как источников энер­ гии для электродвигателей. Перспективны ВЭУ в сочета­ нии с МГЭС для перекачки воды. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качест­ ву электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки. Готовится к серийному выпуску ветроустановка мощностью 5—8 кВт, устойчиво работающая при скорости ветра 3,5 м/с. Разра­ батывается и готовится к испытаниям более мощная ВЭУ с горизонтальным ветроколесом.

По сегодняшним прогнозам вклад ветровой энергети­ ки в общий энергобаланс республики в ближайшей пер­ спективе предполагается незначительным (см. стр. 168, таблица 9.5.1).

Солнечная энергия. Лучистая энергия Солнца, посту­ пающая на Землю —практически неисчерпаемый источник. Огромная энергия образуется на Солнце за счет синтеза легких элементов —водорода и гелия.

Известно два направления использования солнечной энергии. Наиболее реальным, находящим относительно

174

широкое распространение в таких странах, как Австра­ лия, Израиль, США, Япония, является преобразование солнечной энергии в тепловую энергию и использова­ ние в нагревательных системах. Второе направление — системы непрямого и прямого преобразования в элек­ трическую энергию.

Солнечные нагревательные системы могут выполнять ряд функций:

—подогрев воздуха, воды для отопления и горячего водоснабжения зданий;

—сушку пшеницы, риса, кофе, других сельскохозяй­ ственных культур, лесоматериалов для предупреждения их поражения насекомыми и плесневыми грибками;

—поставку теплоты для работы абсорбционных холо­ дильников;

—опреснение воды в солнечных дистилляторах;

—приготовление пищи;

—привод насосов.

Для территории Беларуси свойственны относительно ма­ лая интенсивность солнечной радиации и существенное изменение ее в течение суток и года. В этой связи необхо­ димо отчуждение значительных участков земли для сбора солнечного излучения, весьма большие материальные и трудовые затраты. По оценкам, для обеспечения потреб­ ностей Беларуси в электроэнергии при современном тех­ ническом уровне требуемая площадь фотоэлектрического преобразования составляет 200—600 км2, т. е. 0,1—0,3% пло­ щади республики. Появились предложения об использова­ нии территории Чернобыльской зоны для строительства площадок солнечных и ветровых электростанций.

Для нашей республики реально использование сол­ нечной энергии для сушки кормов, семян, фруктов, овощей, подъема и подогрева воды на технологические и бытовые нужды. В результате возможная экономия ТЭР оценивается всего в 5 тыс. т у. т./год. В республике начат выпуск гелиоводонагревателей и уже накоплен некото­ рый опыт их эксплуатации.

В целом вопрос широкомасштабного использования сол­ нечных теплоиспользующих систем различного назначе­ ния требует тщательной проработки и соответствующих инвестиций. Так, для круглогодичного применения сол­

175

нечной энергии для нужд теплоснабжения необходимы сезонные аккумуляторы тепла большой емкости, а фото­ электрические системы требуют значительного уменьше­ ния их стоимости.

В таблице 9.5.1 приведена цифра по годовому использо­ ванию солнечной энергии при нынешних экономических и технических возможностях.

Геотермальныересурсы. В ядре Земли максимальная тем­ пература достигает 4000 °С. Земля непрерывно отдает теп­ лоту, которая восполняется за счет распада радиоактив­ ных элементов. Выход теплоты через твердые породы суши и океанского дна происходит за счет теплопроводности и реже —с потоками расплавленной магмы при извержении вулканов, с потоками воды горячих ключей и гейзеров.

Термальные воды широко применяются для отопле­ ния и горячего водоснабжения в ряде стран: Исландии, Австралии, Новой Зеландии, Италии. Столица Ислан­ дии Рейкьявик почти полностью обогревается теплотой подземных вод.

В Новой Зеландии, Италии, США работают геотермаль­ ные электростанции (ГеоТЭС). Теплота из недр Земли на этих станциях поступает с паром, извлекаемым через про­ буренные скважины или естественные трещины и расще­ лины. Со временем давление и температура в скважине падают, поверхность вокруг нее на площади в 6 км2 оседа­ ет, производительность убывает. Чтобы предотвратить этот процесс, под землю под высоким давлением должна зака­ чиваться вода, что связано с риском возникновения зем­ летрясений.

Температурные условия недр территории Беларуси изу­ чены недостаточно. По предварительным данным, наибо­ лее благоприятные условия для образования термальных вод имеются в Припятской впадине. Температура воды на устье скважин составляет 35—500° С. Относительно низкая температура вод, большая глубина залегания (2000—3000 м), их высокая минерализация (330— 50 г/дм3), низкий дебит скважин (100—150 м3/сутки) не позволяют в настоящее время рассматривать термальные воды в качестве заслу­ живающего внимания источника энергии.

Твердые бытовые отходы. В жилых и общественных зда­ ниях (школах, вузах, детсадах, магазинах, столовых и т. д.) образуются твердые бытовые отходы (ТБО). Содержание

176

органического вещества в них составляет 40—75%, углево­ дов —35— 0%, зольность - 40—70%. Количество горючих компонентов в ТБО равно 50—88%. Их теплотворная спо­ собность —800—2000 ккал/кг. Бытовые отходы содержат так­ же трудно разлагаемые химические элементы, в их числе хлорорганические и токсичные. В большой степени они (ТБО) обогащены кадмием, оловом, свинцом и медью.

В мировой практике получение энергии из ТБО осуще­ ствляется сжиганием или газификацией. В Японии, Дании, Швейцарии сжигается около 70% твердых бытовых отходов, остальная часть складируется на полигонах или компостиру­ ется. В США сжигается около 14% ТБО, в Германии —30%, Италии —25%. В Республике Беларусь общий энергетический потенциал ТБО оценивается в 20—23 млн. т у. т., из них толь­ ко 8—10% перерабатывается и используется в производст­ ве. Ежегодно накапливается 2,4 млн. тонн ТБО с потенци­ альной энергией 470 тыс. т у. т. Учитывая бедность респуб­ лики энергетическими ресурсами, необходимо вовлечь ТБО в ее энергопотенциал путем применения прогрессивных технологий, заимствованных из опыта других стран, либо развернуть исследования и создать собственные техноло­ гии переработки ТБО.

9.6. Атомная энергетика и ее целесообразность

Роль источника тепла на атомных электростанциях (АЭС) играет ядерный реактор, теплота в котором выде­ ляется в результате деления ядерного топлива. Однако ис­ пользование атомной энергии имеет свои преимущества и недостатки.

Преимущества:

—ядерное топливо обладает высокой теплотворной спо­ собностью. При делении одного грамма урана выделяется энергия равная 2000 кВт-ч. Для получения такого количе­ ства энергии нужно сжечь более 2000 кг угля. В связи с этим при эксплуатации АЭС расходы по доставке и транс­ портировке топлива сведены к минимуму;

—для АЭС основным фактором радиационной опасно­ сти является внешнее ионизирующее излучение. Однако с

177

точки зрения радиационного загрязнения окружающей среды АЭС — более чистые по сравнению с угольными электростанциями: в угле содержатся естественные радио­ активные элементы —радий, торий, уран, полоний и др., которые вместе с золой выбрасываются в атмосферу (пы­ леугольная ТЭС мощностью 1200 МВт, потребляя 3,4 млн. т угля в год, выбрасывает в атмосферу ежегодно 130 тыс. т золы). Их активность составляет 100 мбэр/год, для АЭС аналогичной мощности величина радиоактивных выбро­ сов —0,5—1 мбэр/год.

Недостатки:

—образуются жидкие, газообразные, аэрозольные и твердые радиоактивные отходы в процессе работы ядерного реактора. Присутствие в этих отходах долгоживущих изотопов продолжительное время сохраняет их активность на достаточно высоком уровне. Поэтому АЭС является по­ тенциальным источником радиоактивной опасности для обслуживающего персонала, а также окружающего насе­ ления, что повышает требования к надежности и безопас­ ности ее эксплуатации;

—при эксплуатации АЭС возникает необходимость контроля за образованием радиоактивных отходов, а пе­ ред поступлением их во внешнюю среду необходимо ус­ танавливать многобарьерные системы фильтров и защит­ ных устройств;

—захоронение образовавшихся твердых отходов необ­ ходимо осуществлять в специальных траншеях, где обес­ печивается полный радиоактивный распад вне контакта с биосферой. Твердыми отходами являются детали загрязнен­

ного радиоактивными веществами демонтированного оборудования, отработанные фильтры для очистки возду­ ха, сорбенты, спецодежда, мусор;

—радиоактивные воды АЭС необходимо перерабаты­ вать с помощью специальных водоочисток (принцип ра­ боты —испарение воды, осаждение твердой фазы и ион­ ный обмен), и образующиеся концентраты и растворы реагентов направлять в специальное хранилище жидких отходов.

— газовые и аэрозольные отходы необходимо подвер­ гать очистке на многоступенчатых фильтрах, выдержке в очистных устройствах и для выброса в атмосферу устанав­ ливать высокие трубы (100—150 м);

178

— перед захоронением отходы необходимо подвергать отверждению (битумировать и остекловывать) для связы­ вания радиоактивных веществ. Последующее хранение должно производиться в герметических железобетонных ем­ костях или металлических контейнерах.

Для оценки целесообразности развития атомной энер­ гетики распоряжением Премьер-министра Республики Бе­ ларусь была создана комиссия, в выводах которой сказа­ но, что в течение ближайших 10 лет нецелесообразно на­ чинать строительство атомной станции, но необходимо продолжить работы по подготовке к развитию атомной энергетики в Республике Беларусь.

Сроки строительства АЭС будут определяться Прави­ тельством Республики Беларусь с учетом технических, эко­ логических, социальных и экономических предпосылок.

ВИДЫ, СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ, 1 0 ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ИИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

10.1.Энергия и ее виды. Назначение и использование

Энергия играет решающую роль в развитии челове­ ческой цивилизации. Потребление энергии и накопление информации имеют примерно одинаковый характер из­ менения во времени. Существует тесная связь между рас­ ходом энергии и объемом выпускаемой продукции.

Согласно представлениям физической науки энергия — это способность тела или системы тел совершать работу. Существуют различные классификации видов и форм энер­ гии. Назовем те ее виды, с которыми люди наиболее часто встречаются в своей повседневной жизни: механическая, электрическая, электромагнитная и внутренняя. К внут­ ренней энергии относятся тепловая, химическая и внут­

риядерная (атомная). Внутренняя форма энергии обуслов-

/

179