2. Проблеми енергетики

Сучасний період розвитку людства іноді характеризують через три «Е»: енергетика, економіка, екологія. Енергетика в цьому ряду займає особливе місце. Вона є визначальною і для економіки, і для екології. Від неї у вирішальній мірі залежить економічний потенціал держав і добробут людей. Вона ж робить найбільш сильний вплив на навколишнє середовище, екосистеми та біосферу в цілому. Найгостріші екологічні проблеми (зміна клімату, кислотні опади, загальне забруднення середовища та інші) прямо або опосередковано пов'язані з виробництвом, або з використанням енергії. Енергетики належить першість не тільки в хімічному, але і в інших видах забруднення: тепловому, аерозольному, електромагнітне, радіоактивне. Тому не буде перебільшенням сказати, що від вирішення енергетичних проблем залежить можливість вирішення основних екологічних проблем. Енергетика - це та галузь виробництва, яка небачено розвивається швидкими темпами. Якщо чисельність населення в умовах сучасного демографічного вибуху подвоюється за 40-50 років, то у виробництві і споживанні енергії це відбувається через кожні 12-15 років. При такому співвідношенні темпів зростання населення та енергетики, енергооснащеність лавиноподібно збільшується не тільки в сумарному вираженні, але й у розрахунку на душу населення.

Ні підстави очікувати, що темпи виробництва та споживання енергії в найближчій перспективі істотно зміняться (деяке уповільнення їх в промислово розвинених країнах компенсується зростанням енергоозброєності країн третього світу), тому важливо отримати відповіді на такі питання:

- який вплив на біосферу та окремі її елементи надають основні види сучасної (теплової, водному, атомної) енергетики і як буде змінюватися співвідношення цих видів в енергетичному балансі в найближчій і віддаленій перспективі;

- чи можна зменшити негативний вплив на середу сучасних (традиційних) методів отримання і використання енергії;

- які можливості виробництва енергії за рахунок альтернативних (нетрадиційних) ресурсів, таких як енергія сонця, вітру, термальних вод та інших джерел, які відносяться до невичерпних і екологічно чистим.

В даний час енергетичні потреби забезпечуються в основному за рахунок трьох видів енергоресурсів: органічного палива, води і атомного ядра. Енергія води і атомна енергія використовуються людиною після перетворення її в електричну енергію. У той же час значна кількість енергії, укладеної в органічному паливі, використовується у вигляді теплової і тільки частина її перетворюється на електричну. Однак і в тому і в іншому випадку вивільнення енергії з органічного палива пов'язане з його спалюванням, а, отже, і з надходженням продуктів горіння в навколишнє середовище. Познайомимося з основними екологічними наслідками сучасних способів отримання і використання енергії.

2.1. Екологічні проблеми теплової енергетики

Виробництво електроенергії на ТЕС супроводжується виділенням великої кількості теплоти, тому такі станції, як правило, будуються поблизу міст і промислових центрів для використання (утилізації) цієї теплоти. Зважаючи на обмеженість світових запасів мінерального палива, вчені й техно­логи продовжують працювати над поліпшенням параметрів енергоблоків, підвищенням їхніх коефіцієнтів корисної дії (ККД), що забезпечує ощадливіше витрачання палива. Так, істот­ну економію палива дає збільшення одиничної потужності енер­гоблоків. Сьогодні на ТЕС установлюються енергоблоки по­тужністю 1000—1200 МВт. Сучасна технологія дає змогу підвищи­ти цю потужність до 3000 МВт, що заощадить кілька процентів палива. Подальше зростання потужності блоків (до 5000 МВт) можливе в разі запровадження так званих кріогенних генераторів, які охолоджуються зрідженим гелієм.

Знизити питому витрату палива вдається також підвищенням ККД генераторів ТЕС. Нині максимальне значення ККД стано­вить близько 40 %, але в принципі його можна збільшити до 60 % за рахунок упровадження перспективних магнітогідроди­намічних (МГД) генераторів, дослідні зразки яких сьогодні випробовуються в ряді країн.

За рахунок спалювання палива (включаючи дрова та інші біоресурси) в даний час виробляється близько 90% енергії. Частка теплових джерел зменшується до 80-85% у виробництві електроенергії. При цьому в промислово розвинених країнах нафту і нафтопродукти використовуються в основному для забезпечення потреб транспорту. Наприклад, у США (дані на 1995 р.) нафту в загальному енергобалансі країни становила 44%, а в отриманні електроенергії-тільки 3%. Для вугілля характерна протилежна закономірність: при 22% в загальному енергобалансі він є основним у отриманні електроенергії (52%). У Китаї частка вугілля в отриманні електроенергії близька до 75%, в той же час в Росії переважним джерелом отримання електроенергії є природний газ (близько 40%), а на частку вугілля доводиться тільки 18% одержуваної енергії, частка нафти не перевищує 10%.

У світовому масштабі гідроресурси забезпечують отримання близько 5-6% електроенергії (в Росії 20,5%), атомна енергетика дає 17-18% електроенергії. У Росії її частка близька до 12%, а в ряді країн вона є переважною в енергетичному балансі (Франція - 74%, Бельгія -61%, Швеція - 45 %).

Спалювання палива - не тільки основне джерело енергії, але і найважливіший постачальник в середу забруднюючих речовин. Теплові електростанції в найбільшою мірою «Відповідальні» за підсилюється парниковий ефект і випадання кислотних опадів. Вони, разом з транспортом, поставляють в атмосферу основну частку техногенного вуглецю (в основному у вигляді СО), близько 50% двоокису сірки, 35% -- окислів азоту і близько 35% пилу. Є дані, що теплові електростанції в 2-4 рази сильніше забруднюють середовище радіоактивними речовинами, ніж АЕС такої ж потужності.

У викидах ТЕС міститься значна кількість металів та їх сполук. При перерахунку на смертельні дози в річних викидах ТЕС потужністю 1 млн. кВт міститься алюмінію та його сполук понад 100 млн. доз, заліза-400 млн. доз, магнію -1,5 млн. доз. Летальний ефект цих забруднювачів не виявляється тільки тому, що вони потрапляють в організми в незначних кількостях. Це, однак, не виключає їх негативного впливу через воду, грунти та інші ланки екосистем.

Можна вважати, що теплова енергетика негативно впливає практично на всі елементи середовища, а також на особу, інші організми та їх спільноти.

Разом з тим вплив енергетики на середу та її мешканців в більшій мірі залежить від виду використовуваних енергоносіїв (палива). Найбільш чистим паливом є природний газ, далі йде нафта (мазут), кам'яне вугілля, буре вугілля, сланці, торф.

Хоча в даний час значна частка електроенергії виробляється за рахунок відносно чистих видів палива (газ, нафта), однак закономірною є тенденція зменшення їх частки. За наявними прогнозами, ці енергоносії втратять своє провідне значення вже в першій чверті XXI століття. Тут доречно згадати висловлювання Д. І. Менделєєва про неприпустимість використання нафти як палива: «нафта не паливо - топити можна і асигнаціями ». Не виключена ймовірність істотного збільшення в світовому енергобалансі використання вугілля. За наявними розрахунками, запаси вугілля такі, що вони можуть забезпечувати світові потреби в енергії протягом 200-300 років Можлива видобуток вугілля, з урахуванням розвіданих і прогнозних запасів, оцінюється більш ніж в 7 трильйонів тонн. При цьому більш 1/3 світових запасів вугілля знаходиться на території Росії. Тому закономірно очікувати збільшення частки вугілля або продуктів їх переробки (наприклад, газу) в отриманні енергії, а отже, і в забрудненні середовища. Вугілля містять від 0,2 до десятків відсотків сірки в основному у вигляді піриту, сульфату закісного заліза та гіпсу. Наявні способи уловлювання сірки при спалюванні палива далеко не завжди використовуються через складність і дорожнечу. Тому значна кількість її надходить і, очевидно, буде надходити в найближчій перспективі в навколишнє середовище. Серйозні екологічні проблеми пов'язані з твердими відходами ТЕС - золою і шлаками. Хоча зола в основній масі вловлюється різними фільтрами, все ж таки в атмосферу у вигляді викидів ТЕС щорічно надходить близько 250 млн. т. дрібнодисперсних аерозолів. Останні здатні помітно змінювати баланс сонячної радіації в земної поверхні. Вони ж є ядрами конденсації для пари води і формування опадів, а потрапляючи в органи дихання людини та інших організмів, що викликають різні респіраторні захворювання.

Викиди ТЕС є суттєвим джерелом такого сильного канцерогенної речовини, як бензо (а) пірен. З його дією пов'язане збільшення онкологічних захворювань. У викиди вугільних ТЕС містяться також оксиди кремнію і алюмінію. Ці абразивні матеріали здатні руйнувати легеневу тканину і викликати таке захворювання, як силікоз, яким раніше хворіли шахтарі. Зараз випадки захворювання силікоз реєструються у дітей, що проживають поблизу вугільних ТЕС.

Серйозну проблему поблизу ТЕС представляє складування золи і шлаків. Для цього потрібні значні території, які довгий час не використовуються, а також є осередками накопичення важких металів і підвищеної радіоактивності.

Є дані, що якби вся сьогоднішня енергетика базувалася на вугіллі, то викиди СО, становили б 20 млрд. тонн на рік (зараз вони близькі до 6 млрд. т/рік). Це та межа, за яким прогнозуються такі зміни клімату, які обумовлять катастрофічні наслідки для біосфери.

ТЕС - істотне джерело підігрітих вод, які використовуються тут як охолоджує агент. Ці води нерідко потрапляють у річки та інші водойми, обумовлюючи їх теплове забруднення й сопутствующіеему ланцюгові природні реакції (розмноження водоростей, втрату кисню, загибель гідробіонтів, перетворення типово водних екосистем в болотні і т. п.).

Спалювання мінерального палива супроводжується сильними забрудненнями довкілля. Розглянемо головні з них.

Забруднення атмосфери газовими й пиловими викидами.

Під час спалювання вуглеводневого палива в топках ТЕС, а також у двигунах внутрішнього згоряння виділяється вуглекислий газ, концентрація якого в атмосфері збільшується приблизно на 0,25 % за рік. Це спричинює розігрівання атмосфери за рахунок парникового ефекту. З труб ТЕС і вихлопних труб автомобілів у атмосферу викидаються також оксиди сірки й азоту, внаслідок чого випадають кислотні дощі. Атмосфера забруднюється й дрібними твердими частинками золи, шлаку, не повністю згорілого палива (сажа).

Для зменшення шкоди від цих забруднень вдаються до таких технологічних заходів: • вугілля перед його спалюванням у топках ТЕС очищають від сполук сірки; • вловлюють із диму ТЕС оксиди сірки й азоту, пропускаючи його крізь спеціальні поглиначі; • частинки золи й сажі вловлюють за допомогою уста­новок типу «Циклон» та іншими способами; • для зменшення токсичності вихлопних газів автомобілів застосовують регулюван­ня двигунів, переходять на «екологічно чисті» марки палива, встановлюють на автомобілях спеціальні каталізатори, що допа­люють чадний газ до вуглекислого, і т. д.

Радіоактивне забруднення.

У викопному вугіллі й пустих поро­дах містяться домішки природних радіоактивних елементів (урану, торію та ін.). Після спалювання вугілля ці ементи кон­центруються в частинках золи, яка виявляється більш радіоактив­ною, ніж вихідне вугілля й пусті породи (сланці тощо). Таким чи­ном відбувається радіоактивне забруднення атмосфери й земної поверхні. Щоправда, воно не настільки небезпечне, як радіоак­тивне забруднення від АЕС, оскільки у вугіллі й вугільних породах містяться радіоактивні ізотопи, що існують у біосфері впродовж мільярдів років, і до них живий світ пристосу­вався. Більшість рослин і тварин не нагромаджують ці ізотопи у своєму організмі, на відміну від штучних радіонуклідів, які вики­даються АЕС. Розроблені методи очищення відходних газів ТЕС від частинок золи дають змогу зменшити це забруднення в 100—200 разів і звести його в такий спосіб майже до фонового рівня.

Забруднення земної поверхні відвалами шлаків і кар'єрами.

Після спалювання в топках ТЕС вугілля залишається багато твер­дих відходів (шлаку, золи). Вони забирають великі площі землі, забруднюють підземні й поверхневі води шкідливими речовина­ми. Ще більші ділянки землі порушуються величезними вугільни­ми кар'єрами. Так, шлакові відвали й терикони пустих порід лише в Донбасі займають площу понад 50 тис. га, і вона дедалі збільшується.

Зменшення шкоди від такого забруднення досягається утилізацією (корисним використанням) шлаків і пустих порід, з яких виготовляють будівельні матеріали, засипають ними яри, болота й кар'єри під час рекультивації. Ефективними є й еко­номічні санкції, зокрема введення високої платні за порушення земель, особливо родючих. Завдяки цим обмеженням у більшості західних країн відмовилися від кар'єрного способу видобування корисних копалин у сільськогосподарських районах, оскільки платня за землю виявляється вищою, ніж та вигода, яку може да­ти відкритий спосіб розробки родовища порівняно з шахтним.