Болятко Основы екологии и охраны окружаюсчей 2008

Перспективу использования любого ресурса для обеспечения энергетики обозримого будущего удобно оценивать временем, определяемым следующим образом. Отношением запасов рассматриваемого источника к величине половины предполагаемого ежегодного энергопотребления середины столетия, т.е. к величине порядка 15 млрд тут/год.

Неопределенность в оценке прогнозируемых запасов нефти (от 300 до 600 млрд т) и газа (от 400 до 650 трлн м3) обусловлена во многом политическими и рыночными причинами. Верхняя оценка даст человечеству энергии примерно на 140 лет. Хотя подтвержденных к настоящему времени мировых запасов нефти 162,2 млрд т при современном их потреблении хватит приблизительно на 40 лет.

На рис. 7.3 показан ход времени исчерпания ресурса нефти за последние годы. Принимая во внимание показанную зависимость, и учитывая, что более 60% доказанных мировых запасов сосредоточены в странах Ближнего Востока, можно предположить, что возможные неразведанные запасы нефти не превышают имеющиеся резервы. Новые месторождения, открытые за последние 20 лет, не компенсируют ежегодные потери нефти. В любом случае «эпоха нефти» закончится в первой половине этого столетия.

Рис. 7.3. Время исчерпания мировых запасов нефти

221

Разведанные мировые запасы природного газа оцениваются на начало XXI в. в 150 трлн м3. При современном уровне потребления их должно хватить более чем на 60 лет. Однако перспективы увеличения имеющихся запасов природного газа значительно оптимистичнее. Природный газ в первой половине XXI в. станет доминирующим энергоносителем, но и «эпоха газа», как основного компонента ТЭБ закончится в нынешнем столетии.

Три четверти имеющихся литосферных запасов источников энергии составляет уголь, являющийся с экологической точки зрения самым «грязным» видом топлива, а также оказывающий большое влияние на усиление парникового эффекта, что с неизбежностью потребует ограничения его потребления. Большая часть абсолютного роста потребления угля в ближайшие десятилетия придется на две страны – Индию и Китай (75% современного прироста).

Суммарные запасы литосферных природных ископаемых могут обеспечить энергией человеческое сообщество на современном техническом уровне даже при неизменном текущем потреблении чуть более одного столетия. Тем не менее ежегодное потребление традиционных источников энергии возрастает более чем на 1,5% для каждого вида, и альтернативы данной тенденции в ближайшей перспективе не видно.

Ядерная энергетика с реакторами на тепловых нейтронах (РТН) пока играет при этом только вспомогательную роль дополнительного сырьевого источника. Ресурсные ограничения обуславливают необходимость структурной перестройки существующих энергетических технологий уже в первой половине наступившего столетия.

Анализ динамики развития и смены основных энерготехнологий прошлого свидетельствует об инерционности создания новых и замены существующих технологий, внедрения и завоевания заметной доли в общем производстве энергии новых источников. Масштаб времени для выхода той или иной технологии на лидирующие позиции в производстве энергии составляет более

100 лет, а время появления новых значимых технологий около 50 лет.

222

7.2.2.Альтернативные источники энергии

Ссамого начала повышенного внимания к альтернативным источникам энергии рядом ученых высказывались серьезные сомнения относительно возможности обеспечить ими растущие потребности в энергопотреблении человеческого сообщества. Существует ряд принципиальных препятствий на пути возможности поддержания требуемых потоков энергетики альтернативными источниками.

По своим валовым показателям выйти на необходимый

уровень производства энергии в будущем могут только солнечная и частично ветровая энергетика. В начале XXI в. суммарные установленные мощности солнечной фотоэлектрической энергетики

достигли 5 ГВт, геотермальных электростанций около 6 ГВт, а мощность всех ветрогенераторов составила 94 ГВт.

Сравним их возможности с широко используемой во всем мире гидроэнергетикой. Суммарная мощность всех гидростанций составляла в это же время почти 700 ГВт с годовой выработкой 2,6 млн ГВт ч. Мировой гидроэнергетический потенциал оценивается в 40 млн ГВт ч, из которых только 14 млн ГВт ч пригодны к освоению, а 9 млн ГВт ч экономически выгодны для использования в современных условиях.

Например, экологически чистая гидроэнергетика Норвегии обеспечивает практически 100% потребности в энергии. Доля гидроэнергетики велика также в топливном балансе Швейцарии, Австрии и Канады. Однако во многих странах значительная часть гидроэнергетических ресурсов уже освоена и подходящих створов для плотин осталось мало. Расширение использования равнинных рек для строительства гидроэлектростанций не всегда оправдано, так как под водохранилища уходят большие площади сельскохозяйственных угодий.

В СССР в результате реализации общегосударственной программы бурного освоения гидроэнергетических ресурсов затопленными оказались громадные территории и общие потери земель составили около 100000 км2. Переселение людей с обжитых плодородных территорий по своим масштабам даже превысило эвакуацию населения из Чернобыльской зоны.

223

Тезис об экологической чистоте гидроэнергетических технологий со временем также был подвергнут сомнению. Немалую роль играет перераспределение грунтовых вод, цветение воды, уничтожение нерестилищ ценных пород рыб, влияние гигантских водохранилищ (в нашей стране до 6500 км2) на изменение регионального климата. Подъем грунтовых вод, вызванный этими водохранилищами, приводит к подтапливанию, заболачиванию, засолению близлежащих территорий и, как результат, к изъятию сельскохозяйственных угодий. После строительства на Волге каскада из восьми ГЭС места нерестилищ осетровых рыб сократились более чем в 10 раз.

При строительстве станций в горах существуют проблемы, связанные с сейсмостойкостью, возможностью образования трещин в плотине и даже ее разрушением. В 1979 г. в Индии из-за перелива и последующего разрушения плотины произошла крупнейшая катастрофа, жертвами которой стали более 2000 чел.

Общее мировое производство электроэнергии в наше время достигло величины порядка 16 млн ГВт ч в год, из них 17% приходится на гидростанции и, несмотря на строительство новых гидростанций, их доля в производстве энергии снижается.

К принципиальным моментам трудности использования кажущейся неисчерпаемой солнечной и ветровой энергетики относится ее низкая интенсивность. Большинство возобновляемых источников собирают крайне разреженную энергию, требуя снова значительного отчуждения земель (табл. 7.5). Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2.

Таблица 7.5 Площади отчуждаемых земель для выработки 1 МВт/год

За время существования человеческого сообщества количество земель, необходимых для обеспечения жизненных

224

потребностей одного человека сократилось на несколько порядков величины. Достигнуто это было в том числе значительным увеличением энергопотребления на одного человека. Теперь же широкое использование альтернативных источников энергии требует дальнейшего значительного увеличения земельных площадей.

Реально в относительно крупных промышленных масштабах развивается в настоящие дни только ветроэнергетика. Только с 2000 по 2007 г. суммарные установленные мощности ветряной энергетики выросли более чем в пять раз. Ветряные электростанции всего мира в 2007 г. произвели около 200 млрд кВт∙ч, что составило примерно 1,3% мирового потребления электроэнергии. К 2030 г. использование энергии ветра в США сможет покрыть потребность страны в электроэнергии на почти 20%, хотя сейчас ее уровень составляет всего около 1%.

Наивысшего развития ветровая энергетика в наше время достигла в Германии. В 2007 г. в этой стране суммарная установленная мощность эксплуатируемых ветродвигателей достигла величины 22 ГВт и составила более 14% от всей произведенной в Германии электроэнергии за этот год.

В настоящее время комплекс ветроэнергетических установок, эквивалентный по выходу энергии ТЭС мощностью 1000 МВт (эл.), требует эксплуатации более 4000 крупных ветродвигателей и занял бы до 1000 кв. км земли.

Ограниченность возможности дальнейшей экспансии на суше приводит к необходимости распространить свое влияние и на прибрежные территории. Более 15% ветродвигателей в Германии расположены в прилегающих морях. Добавим, что ветряная энергетика даже в Германии остается до сих пор дотационной: ее цена составляет 9 центов/(кВт ч) при средней цене электроэнергии – 2,5 цента/(кВт ч).

Мощность ветрогенератора зависит от ометаемой поверхности ветроколеса, и она пропорциональна квадрату радиуса лопасти и кубу скорости ветра. Максимальный коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса равен 0,593. В конце 2005 г. был запущен ветродвигатель мощностью 6,0 МВт с диаметром ротора 114 м и высотой башни 124 м. Кроме того, что

устройства для собирания энергии с огромных площадей требуют

225

также значительных материальных затрат. На рис. 7.4 показана динамика используемых ветродвигателей.

Рис. 7.4. Рост мощности и диаметра ветродвигателей

Солнечная энергетика, как и большинство альтернативных источников, относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Согласно расчетам на изготовление простейших коллекторов солнечного излучения площадью 1 кв. км требуется примерно 10000 т алюминия, на получение которого тратится большое количество энергии. Создание глобальной системы гелиоэнергетики поглотило бы, по крайней мере, 20% известных мировых ресурсов железа.

Крупномасштабное использование альтернативной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления различной аппаратуры и их перевозки. Трудовые затраты в альтернативной энергетике по сравнению с традиционной возрастают на порядки.

Еще одним труднопреодолимым препятствием на пути развития альтернативных источников является их низкий коэффициент готовности и уязвимость по отношению к различным природным и погодным условиям. Коэффициент готовности

226

неконтролируемых человеком. В то время как коэффициент готовности гидроэнергетики достигает величины порядка 50%, а соответствующий коэффициент готовности ядерной энергетики достигает 75 80%.

Ветроэнергетика из-за принципиальной зависимости от силы и направления ветра является нерегулируемым источником энергии. Выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезах. Поэтому ветроэнергетика требует наличия резервных мощностей в

неравномерностью работы солнечной или ветряной энергетики, нужно либо использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешенная проблема), либо использовать концепцию водородной энергетики, также не доведенную до промышленной реализации. Следовательно, для устойчивого функционирования крупномасштабной солнечной или ветровой энергетики необходимо иметь как базовую, так и резервную глобальную систему, работающую на альтернативном уже по отношению к ним источнике.

Солнечная энергетика на фотоэлементах связана как с производством ряда опасных и ядовитых веществ: свинца, кадмия, галлия, мышьяка, так и с необходимостью их утилизации после ограниченного срока службы (30 50 лет) в массовом количестве.

Космические солнечные станции за счет использования СВЧ-излучения могут оказывать влияние на климат, создавать помехи теле- и радиосвязи, воздействовать на незащищенные живые организмы, попавшие в зону его влияния. В связи с этим необходимо использовать экологически чистый диапазон волн для передачи энергии на Землю.

Громоздкие ветряные энергетические установки являются источником повышенного шума на значительной территории, создают помехи в приеме теле- и радиосигнала и могут приводить к гибели птиц.

227

Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными электростанциями являются наиболее экологически безопасными. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Например, анаэробная ферментация – эффективное средство не только реализации отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твердые органические вещества теряют запах, в процессе перегнивания разрушаются болезнетворные микроорганизмы и образуется дополнительный корм для скота и удобрения.

Энергетическая ферма используется для производства энергии в качестве основного или дополнительного продукта сельскохозяйственного производства и тех видов промышленной и бытовой деятельности, в результате которых образуются органические отходы.

На рис. 7.5 приведены значения для некоторых возобновляемых видов энергии, которую можно получить с одного гектара площади, а также ее стоимость. С помощью ветровой и солнечной энергии вырабатывается электричество, остальные виды производят биотопливо.

Рис. 7.5. Полная энергия и ее стоимость для возобновляемых источников

228

Мировой океан – крупнейший естественный коллектор солнечного излучения. В нем между теплыми поглощающими солнечное излучение поверхностными водами и более холодными придонными достигается разность температур до 20 °С, что обеспечивает непрерывно пополняемый запас тепловой энергии, которая принципиально может быть преобразована в другие виды.

Преобразование тепловой энергии, запасенной океаном, в механическую энергию и далее в электроэнергию требует создания тепловой машины, тем или иным способом использующей естественный перепад температур между прогретыми поверхностными и охлажденными глубинными слоями воды.

Приближенная оценка показывает, что при средней по Мировому океану разности температур в 12 °С между поверхностью и глубинами примерно в 400 м общая величина запасенной тепловой энергии составляет 15∙1023 Дж.

Особенность работы полярных ТЭС состоит в использовании перепада температур между холодным воздухом и незамерзающей теплой водой подо льдами Арктики. Расчеты показывают, что удельная мощность, получаемая с 1 кв. м площади океана при разности температур воды и воздуха в 10 °С, составляет примерно 18 кВт/м2, а при разности уже в 30 °С – 125 кВт/м2. Таким образом, полярная ТЭС при мощности в 1 МВт будет возмущать тепловой режим на площади всего около 20 кв. м.

Однако неблагоприятные воздействия на объекты природной среды при энергетическом использовании биомассы имеют место. Наблюдаются выбросы твердых частиц, канцерогенных и токсичных веществ, а также выброс тепла. Происходит истощение и эрозия почв и накопление большого количества отходов.

При преобразовании любых видов океанической энергии неминуемы определенные изменения естественного состояния затрагиваемых экосистем. К отрицательным последствиям гидротермальной энергетики можно отнести возможные утечки загрязняющих океан веществ, выделение CO2 из воды, появление региональных и биологических аномалий.

Строительство приливных электростанций и использование волновой энергетики сказывается неблагоприятно на состоянии побережья, изменяются условия подтопления, засоления, размыва берегов, формирование пляжей и т.д.

229

Основное воздействие на окружающую среду геотермальные электростанции оказывают в период разработки месторождения, строительства паропроводов и здания станций, но оно обычно ограничено районом месторождения. Например, для работы станции мощностью 1000 МВт требуется 150 скважин, которые занимают территорию более 19 кв. км. Геотермальные станции, имея КПД в 2 3 раза меньше, чем АЭС и ТЭС, дают в 2 3 раза больше тепловых выбросов в атмосферу. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов и химических соединений, а также радионуклидов.

Тем не менее альтернативные источники энергии могут сыграть определенную роль в развитии «малой энергетики» и в энергосбережении, например в обогреве домов, освещении, небольших производствах, особенно в тех районах, где позволяют климатические условия, или нет возможности пользоваться коммерческой энергией.

7.2.3. Место и роль ядерной энергетики

Доведены до промышленного воплощения два основных типа ядерных реакторов: реакторы на тепловых нейтронах (РТН) и реакторы на быстрых нейтронах (РБН). Естественной сырьевой базой для РТН является только изотоп урана 235U, которого в природном уране содержится около 0,7%. В РТН сжигается не более 1,5% природного урана, что снижает преимущество ядерной энергетики.

В настоящее время для ядерной энергетики на тепловых нейтронах экономически эффективной и рентабельной считается разработка месторождений урановой руды с содержанием урана не менее 0,1%.

Урана в разведанных и достоверно установленных месторождениях содержится примерно 5 млн т и по оценкам его мировые ресурсы составляют от 15 до 20 млн т.

Реализация в ядерных технологиях не только реакции деления, но и реакции захвата нейтронов компонентами топлива позволяет использовать в качестве горючего не только 235U, но и основной элемент природного сырья 238U, а также в перспективе и торий, что в сотни раз увеличивает сырьевую базу ядерной

230