4.Энергия воды

Многие тысячелетия, верно, служит человеку энергия, заклю­ченная в текущей воде. Запасы ее на Земле колоссальны. Огромным аккумулятором энергии слу­жит Мировой океан, поглощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. Здесь плещут волны, происходят приливы и отли­вы, возникают могучие океанские течения. Рождаются могучие ре­ки,  несущие огромные массы воды в моря и океаны. Понятно, что человечество  в поисках энергии не могло пройти мимо столь ги­гантских ее запасов. Раньше всего люди научились использовать энергию рек. Преимущества гидроэлектростанций очевидны постоянно во­зобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуата­ции, отсутствие загрязнения окружающей среды. Однако здесь имеются свои недостатки экологического плана, которые ранее при строительстве плотины крупной гидро­электростанции учитывались не в полном объёме, что в дальнейшем сказалось как на сельскохозяйственном производстве, так и на ихтиологии водных бассейнов. Уже в историческом плане ГОЭЛРО предусматривалось строи­тельство крупных гидроэлектростанций. В 1926 году в строй вош­ла Волховская ГЭС, в следующем началось строительство знамени­той Днепровской. Дальновидная энергетическая политика, проводя­щаяся в нашей стране,  привела к тому, что у нас, как ни в од­ной стране мира,  развита  система  мощных  гидроэлектростанций. Ни одно государство не может похвастаться такими энергетическими гигантами, как Волжские, Красноярская и Братс­кая, Саяно-Шушенская ГЭС. Эти станции, дающие буквально океаны энергии, стали центрами, вокруг которых развились мощные про­мышленные комплексы. В тоже время строительство водохранилищ этих гигантов породили необратимые процессы, такие как заболачивание местности, подтопление подпочвенными водами, нарушение естественных нерестилищ и т.д. Издавна люди знают  о  стихийных  проявлениях  гигантской энергии,  таящейся в недрах земного шара.  Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унес­ших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле.  Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощ­ность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном  использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится нет пока у лю­дей  возможностей  обуздать  эту  непокорную стихию,  да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это про­явления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохот­ная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огне­дышащие жерла вулканов. Маленькая европейская  страна  Исландия "страна  льда"  в дословном переводе, полностью обеспечивает себя помидорами, яб­локами и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы по­лучают энергию от тепла земли. Других местных источников  энер­гии  в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла  под­земных источников (еще древние римляне к знаменитым баням-тер­мам Каракаллы подвели воду из-под земли), жители этой малень­кой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно. Столица - Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источ­ников. Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция,  совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инжене­ра Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект исполь­зования многочисленных в этом районе горячих источников. Пос­тепенно  мощность  электростанции росла,  в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в  наши дни мощность станции достигла уже внушительной величи­ны - 360 тысяч киловатт. Тяжёлый экономический кризис, разразившийся в нашей стране в августе 1998 года со всей остротой показал недоработки в нашей энергетике в районах Сахалина и Камчатки где большое количество горячих подземных источников позволило бы своевременно и без больших затрат обеспечить население и промышленность данных регионов электричеством и теплом. Дальнейшее развитие геотермальной энергетики, позволили бы обеспечивать электроэнергией и соседние регионы. Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссаль­ны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перег­реву поверхностных вод океана по сравнению с донными,  скажем, на 20 градусов,  имеет величину порядка 10^26 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка  10^18 Дж. Однако пока что люди умеют утилизовать лишь ничтожные долитой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся ка­питаловложений, так  что  такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной. Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ис­копаемых топлив (прежде всего нефти и газа), использование ко­торых к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды (включая сюда также и тепловое "загрязнение", и грозящее климатическими  последствиями повышение уровня атмосферной уг­лекислоты), резкая ограниченность запасов урана (энергетичес­кое использование которых к тому же порождает опасные радиоак­тивные отходы) и неопределенность как сроков,  так и  экологи­ческих  последствий  промышленного  использования термоядерной энергии заставляет ученых и инженеров уделять все большее вни­мание поискам  возможностей рентабельной утилизации обширных и безвредных источников энергии и не только перепадов уровня во­ды в реках,  но и солнечного тепла,  ветра и энергии в Мировом океане. Широкая общественность, да и многие специалисты еще не знают, что поисковые работы по извлечению энергии из морей и океанов приобрели в последние годы в ряде стран уже довольно большие масштабы и что их перспективы становятся  все  более обещающими. Наиболее очевидным способом использования океанской энер­гии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС). С 1967 г. в устье реки Ранс во Франции на приливах высотой до 13 метров работает  ПЭС мощностью 240 тыс.  кВт с годовой отдачей 540 тыс. кВт/ч. Советский инженер Бернштейн разработал удобный способ постройки блоков ПЭС, буксируемых на плаву в нужные места, и рассчитал рентабельную процедуру включения ПЭС в энергосети в часы их максимальной нагрузки потребителями. Его идеи проверены на ПЭС,  построенной в 1968 году в Кислой Губе около Мурманска; своей очереди ждет ПЭС на 6 млн. кВт в Мезенском заливе на Баренцевом море. Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водо­рослей келп, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. По имеющимся оценкам, для  полного обеспечения энергией каждого человека - потребителя достаточно одного гектара плантаций келпа. Таким образом,  в  океане,  который составляет 71% поверхности планеты, потенциально имеются различные виды энер­гии -  энергия волн и приливов;  энергия химических связей га­зов, питательных веществ,  солей и других  минералов;  скрытая энергия водорода, находящегося в молекулах воды; энергия тече­ний, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях оке­ана; удивительная по запасам энергия,  которую можно получать, используя разницу температур воды океана на  поверхности  и  в глубине, и их можно преобразовать в стандартные виды топлива.

Такие количества энергии, многообразие ее форм гарантируют, что в будущем человечество не будет испытывать в ней не­достатка. В то же время не возникает необходимости зависеть от одного - двух основных источников энергии, какими, например, являются давно использующиеся ископаемые виды топлива и  ядер­ного горючего, методы, получения которого были разработаны не­давно.   

И тем не менее, несмотря на то, что извлечение энергии оке­ана находятся на стадии экспериментов и процесс ограничен и дорогостоящ, факт остается фактом, что по мере развития науч­но-технического прогресса энергия в будущем может в значитель­ной степени добываться из моря. Когда - зависит от того, как скоро эти процессы станут достаточно дешевыми. В конечном ито­ге дело  упирается не в возможность извлечения из океана энер­гии в различных формах, а в стоимость такого извлечения, кото­рая определит, насколько быстро будет развиваться тот или иной способ добычи.

Когда бы это время ни наступило,  переход к использованию энергии океана принесет двойную пользу: сэкономит общественные средства и сделает более жизнеспособной третью планету Солнечной системы - нашу Землю.

Впервые удар  по общественному карману был нанесен в 1973 году подъемом цен на ископаемые виды топлива.

Экономика, однако, лишь одна сторона дела. Другая сторона относится к странам развивающимся,  которые стараются  достичь уровня жизни  промышленно развитых стран,  определяющегося ис­пользованием большого количества энергии. Сегодня народы Азии, Африки и  Латинской  Америки стремятся перейти от общества,  в котором используется в основном физический труд,  к обществу с развитой индустрией.

Для того чтобы удовлетворить потребность  в  равноправном распределении дешевой энергии между всеми странами, потребует­ся такое ее количество, которое, возможно, в тысячи раз превы­сит сегодняшний  уровень потребления,  и биосфера уже не спра­вится с загрязнением,  вызываемым использованием обычных видов топлива. Тем  не менее президент Института исследований иссле­дований в области электроэнергии  в  Пало Альто (Калифорния) Чонси Старр полагает: "Необходимо признать, что мировое пот­ребление энергии будет развиваться именно в этом направлении и так быстро, как только позволят политические, экономические и технические факторы".

Так как  соревнование  за  обладание истощающимися видами топлива обостряется, расход общественных средств будет расти. Рост этот продолжится, так как необходимо бороться с загрязне­нием воздуха и воды, теплотой, выделяющейся при сгорании иско­паемых видов топлива.

Но стоит ли волноваться в поисках новых источников  иско­паемого топлива? Зачем дискутировать по вопросу о строитель­стве ядерных реакторов? Океан наполнен энергией, чистой, бе­зопасной и неиссякаемой. Она там, в океане, только и ждет выс­вобождения. И это - преимущество номер один.

Второе преимущество заключается в том,  что использование энергии океана позволит Земле быть в дальнейшем обитаемой пла­нетой. А вот альтернативный вариант,  предусматривающий увели­чение использования органических и ядерных видов  топлива,  по мнению некоторых специалистов,  может привести к катастрофе: в атмосферу станет выделяться слишком большое  количество  угле­кислого газа и теплоты,  что грозит смертельной опасностью че­ловечеству.

51. Какие оказывают воздействия различные виды топлива на окружающую природную среду

Влияние вредных выбросов ТЭС и ТЭЦ на атмосферу при использовании различных видов топлива. Атмосфера - воздушная среда. Является наиболее уязвимой составляющей окружающей среды. Без нее невозможна жизнедеятельность человека, существование и развитие животного и растительного мира, так как в ней содержится основная часть кислорода - воздуха, имеющегося на планете. Атмосфере человеческой деятельностью причиняется огромный и невосполнимый ущерб. Вследствие тесной и неразрывной взаимосвязи всех природных составляющих окружающей среды, загрязнение атмосферы неизбежно отражается на других средах: гидросфере, литосфере, биосфере. Выбросы вредных веществ в атмосферу постоянно растут с ростом урбанизации, строительством новых заводов и фабрик.  Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха происходит вследствие выбросов в атмосферу вредных веществ при работе энергетических установок, работающих на углеводородном топливе (бензин, керосин, мазут, дизельное топливо, уголь).  Одним из основных и самых крупномасштабных источников загрязнения атмосферы являются ТЭС и ТЭЦ ^ 4.1 Воздействие на атмосферу при использовании твердого топлива. Предприятия угольной промышленности оказывают существенное отрицательное влияние на водные и земельные ресурсы. Основные источники выброса вредных веществ в атмосферу – промышленные, вентиляционные и аспирационные системы шахт и обогатительных фабрик  и др. Загрязнение воздушного бассейна в процессе открытой и подземной добычи угля, транспортировки и обогащения каменного угля вызвано буровзрывными работами, работой двигателей внутреннего сгорания и котельных, пылением угольных складов и породных отвалов и другими источниками. В 2002 году объём выбросов вредных веществ в атмосферу от предприятий отрасли возрос относительно 1995 года на 30 процентов, главным образом, из-за вновь учитываемых выбросов метана от вентиляционных и дегазационных установок на шахтах.  По объёму выбросов вредных веществ угольная отрасль занимает шестое место в промышленности Российской Федерации (вклад на уровне 5%). Степень улавливания и обезвреживания загрязняющих веществ крайне низка (9,1%), при этом не улавливаются углеводороды и ЛОС.  В 2002 году выросли выбросы углеводородов (на 45,5 тыс. т), метана (на 40,6 тыс. т.), сажи (на 1,7 тыс. т), ряда других веществ; отмечено снижение выбросов ЛОС (на 5,2 тыс. т), диоксида серы (на 2,8 тыс. т), твёрдых веществ (на 2,2 тыс. т).  Зональность угля, поступающего от отдельных поставщиков на ТЭС, превышает 79% (в Великобритании она в соответствии с законодательством – 22%, в США – 9%). И увеличение выброса летучей золы в атмосферу продолжается. Между тем электрофильтры для золоулавливания производит лишь один Семибратовский завод, удовлетворяя ежегодные потребности в них не более чем на 5%.  ТЭС, работающие на твёрдом топливе, интенсивно выбрасывают в атмосферу продукты угля и сланцев, содержащих до 50% негорючей массы и вредных примесей. Удельный вес ТЭС в электробалансе страны составляет 79%. Они потребляют до 25% добываемого твёрдого топлива и сбрасывают в среду обитания человека более 15 млн. т золы, шлаков и газообразных веществ. При сжигании твёрдого топлива в котлоагрегатах ТЭС и ТЭЦ образуется большое количество золы, диоксида серы (SO2), оксидов азота. Современные ТЭС и ТЭЦ мощностью 2, 4 млн. кВт. расходуют до 20 тысяч тонн угля в сутки и выбрасывают в атмосферу: 680 тонн SO2 и SO3, 200 тонн оксидов азота, 120-240 тонн золы, пыли, сажи, (данные числовые значения приведены для процентного содержания серы в исходном топливе 1, 7% и при эффективности системы пылеулавливания 94-98 %.  Исследования показали, что вблизи мощных станций и централей, в атмосферу выбрасывается 280-360 тонн SO2 в сутки. Максимальная концентрация диоксида серы с подветренной стороны на расстояниях: 200-500, 500-1000, 1000-2000 метров соответственно составляет: 0, 34, 9; 0, 7-5, 5; 0, 22-2, 8; мГ/м3. Из этого следует, что диоксид серы очень хорошо разносится на расстояние и естественно наблюдается пропорциональное уменьшение его концентрации при удалении от очага загрязнений. Учёными подсчитано, что ТЭС и ТЭЦ выделяют 46% всего сернистого ангидрида и 25% угольной пыли выбрасываемой в атмосферу промышленными предприятиями. Причиной загрязнений такого масштаба является развитие экологически несостоятельных технологических процессов, то есть таких, которые создают удовлетворение потребностей человека в тепловой и электрической энергии, но одновременно с этим и недопустимое загрязнение окружающей среды. Эти процессы развиваются без принятия эффективных мер, предупреждающих загрязнение атмосферы.  Особенно опасны сернистый ангидрид, диоксид серы и оксиды азота, выделяемые в атмосферу ТЭС и ТЭЦ, поскольку они переносятся на большие расстояния и осаждаются, в частности, с осадками на поверхность земли, загрязняя гидросферу и литосферу. Одним из особенно ярких проявлений этой картины являются кислотные дожди. Эти дожди образуются вследствие поступлений от сгорающего топлива и уходящих в атмосферу на большую высоту дымовых газами в, основном двуокиси серы и окислов азота. Получающиеся при этом в атмосфере слабые растворы серной и азотной кислоты могут выпадать в виде осадков иногда через несколько дней в сотнях километров от источника выделения.  Кроме того, загрязнение атмосферы ТЭС и ТЭЦ привело, как полагают учёные, к новому явлению поражению некоторых видов мягких пород деревьев, а также к быстрому и одновременному падению скорости роста, по меньшей мере, шести видов хвойных деревьев.  ТЭС и ТЭЦ являются причиной возникающего в крупных промышленных городах смога: недопустимого загрязнения обитаемой человеком наружной воздушной среды, вследствие выделения в неё указанными источниками вредных веществ при неблагоприятных погодных условиях. ^ 4.2 Влияние на атмосферу при использовании жидкого топлива. В своё время нефть потеснила уголь и вышла на первое место в мировом энергетическом балансе. Однако это чревато определёнными экологическими проблемами.  Так, в 2002 году российские предприятия отрасли выбросили в атмосферу 621 тыс. т загрязняющих веществ (твёрдые вещества, диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота и др.). Сточные воды в объёме до 1302.6 млн. м³ сбрасываются в поверхностные водные объекты и на рельеф.  При сжигании жидких топлив (мазута) с дымовыми газами в атмосферный воздух поступают сернистый и серный ангидриды, оксиды азота, газообразные и твёрдые продукты неполного сгорания топлива, соединения ванадия, солей натрия, а также вещества, удаляемые с поверхности котлов при чистке. С экологических позиций жидкое топливо обладает более «гигиеническими» свойствами: отпадает проблема золоотвалов, которые занимают значительные территории, исключают их полезное использование и являются источником постоянных загрязнений атмосферы и районе станции из-за уноса золы с ветрами. В продуктах сгорания жидких видов топлива отсутствует летучая зола. Применение двухтопливных гибридных камер сгорания вместо традиционных однозонных диффузионных КС с использованием частичного замещения части углеводородного топлива водородом (6% от массы углеводородного топлива) снижает расход нефтяного топлива на 17-20%, уровни выброса частиц сажи – на порядок, бензопирена – в 10-15 раз, оксидов азота – в 5 раз)  В большинстве стран запрещено сжигание нефтяного топлива с сернистостью выше 0,5%, в России же половина солярки не укладывается в этот норматив, а сернистость котельного топлива достигает 3%.  Сжигать нефть, говоря словами Д.И. Менделеева, все равно, что топить печь ассигнациями. Поэтому доля использования жидкого топлива в энергетике за последние годы существенно снижается. Зарождающаяся тенденция будет в дальнейшем усиливаться в связи с существенным расширением использования жидкого топлива в других областях народного хозяйства: на транспорте, в химической промышленности, в том числе в производстве пластмасс, смазочных материалов, предметов бытовой химии и т.д. К сожалению, используется нефть не лучшим образом. В 1984 году при мировом производстве нефтепродуктов 2750 млн. т бензина получено 600 млн. т керосина и реактивного топлива – 210, дизельного топлива – 600, мазута – 600 млн. т. ^ 4.3 Влияние на атмосферу при использовании природного газа.  По экологическим критериям природный газ – наиболее оптимальное топливо. В продуктах сгорания отсутствуют зола, копоть и такие канцерогены, как бензопирен.  При сжигании газа единственным существенным загрязнителем атмосферы остаются окислы азота. Однако выброс окислов азота при сжигании на ТЭС природного газа в среднем на 20 процентов ниже, чем при сжигании угля. Это объясняется не свойствам самого топлива, а особенностями процессов их сжигания. Коэффициент избытка воздуха при сжигании угля ниже, чем при сжигании природного газа. Таким образом, природный газ – наиболее экологически чистый вид энергетического топлива и по выделению оксидов азота в процессе горения. Изменения в окружающей среде при транспортировке газа. Современный магистральный трубопровод представляет собой сложное инженерное оборудование, которое помимо линейной части (собственно трубопровода) включает в себя установки для подготовки нефти или газа к перекачке, насосные и компрессорные станции, резервуарные парки, линии связи, систему электрохимической защиты, дороги, идущие вдоль трассы, и подъезды к ним, а также временные жилые посёлки эксплуатационников.  Например, общая протяженность газопроводов в России составляет примерно 140 тыс. км. Выбросы, главным образом метана, распределены по длине газопроводов, в основном вне пределов населённых пунктов. Существенному загрязнению подвергается атмосферный воздух вследствие потерь от больших и малых «дыханий» резервуаров, утечек газа и т.д.  Загрязнение атмосферы в результате аварийного выброса газа или сжигания нефти и нефтепродуктов, различных на поверхности при аварии, характеризуется значительно меньшим периодом воздействия, и его можно отнести к кратковременному.  Атмосферный воздух загрязняется также в результате утечки газа через негерметичные соединения трубопровода, утечки и испарения в процессе хранения и выполнения сливно-наливных операций, потерь на газонефте - и нефтепродуктопроводах и т.д. В результате может подавляться рост растительности и повышаться предельно допустимые концентрации в воздухе. 

52. Самый эффективный, экологически безвредный вид топлива?

3. Некоторые пути решения проблем современной энергетики

Несомненно, что в ближайшей перспективе тепловая энергетика будет оставаться преобладающей в энергетическом балансе мира и отдельных стран. Велика вероятность увеличения доли углей и других видов менее чистого топлива в получении энергии. В этой связи рассмотрим некоторые пути и способы их использования, позволяющие существенно уменьшать отрицательное воздействие на среду. Эти способы базируются в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов. В их числе можно назвать следующие:

1. Использование и совершенствование очистных устройств. В настоящее время на многих ТЭС улавливаются в основном твердые выбросы с помощью различного вида фильтров. Наиболее агрессивный загрязнитель – сернистый ангидрид на многих ТЭС не улавливается или улавливается в ограниченном количестве. В то же время имеются ТЭС (США, Япония), на которых производится практически полная очистка от данного загрязнителя, а также от окислов азота и других вредных полютантов. Для этого используются специальные десульфурационные (для улавливания диоксида и триоксида серы) и денитрификационные (для улавливания окислов азота) установки. Наиболее широко улавливание окислов серы и азота осуществляется посредством пропускания дымовых газов через раствор аммиака. Конечными продуктами такого процесса являются аммиачная селитра, используемая как минеральное удобрение, или раствор сульфита натрия (сырье для химической промышленности). Такими установками улавливается до 96% окислов серы и более 80% оксидов азота. Существуют и другие методы очистки от названных газов.

2. Уменьшение поступления соединений серы в атмосферу посредством предварительного обессеривания (десульфурации) углей и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими или физическими методами. Этими методами удается извлечь из топлива от 50 до 70% серы до момента его сжигания.

3. Большие и реальные возможности уменьшения или стабилизации поступления загрязнений в среду связаны с экономией электроэнергии. Особенно велики такие возможности за счет снижения энергоемкости получаемых изделий. Например, в США на единицу получаемой продукции расходовалось в среднем в 2 раза меньше энергии, чем в бывшем СССР. В Японии такой расход был меньшим в три раза. Не менее реальна экономия энергии за счет уменьшения металлоемкости продукции, повышения ее качества и увеличения продолжительности жизни изделий. Перспективно энергосбережение за счет перехода на наукоемкие технологии, связанные с использованием компьютерных и других слаботочных устройств.

4. Не менее значимы возможности экономии энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Реальную экономию энергии дает замена ламп накаливания с КПД около 5% флуоресцентными, КПД которых в несколько раз выше. Крайне расточительно использование электрической энергии для получения тепла. Важно иметь в виду, что получение электрической энергии на ТЭС связано с потерей примерно 60-65% тепловой энергии, а на АЭС – не менее 70% энергии. Энергия теряется также при передаче ее по проводам на расстояние. Поэтому прямое сжигание топлива для получения тепла, особенно газа, намного рациональнее, чем через превращение его в электричество, а затем вновь в тепло.

5. Заметно повышается также КПД топлива при его использовании вместо ТЭС на ТЭЦ. В последнем случае объекты получения энергии приближаются к местам ее потребления и тем самым уменьшаются потери, связанные с передачей на расстояние. Наряду с электроэнергией на ТЭЦ используется тепло, которое улавливается охлаждающими агентами. При этом заметно сокращается вероятность теплового загрязнения водной среды. Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ (иогенирование) непосредственно в зданиях. В этом случае потери тепловой и электрической энергии снижаются до минимума. Такие способы в отдельных странах находят все большее применение.

55. Альтернативные источники энергии и их перспективы использования в РК.

Альтернати́вная энерге́тика — совокупность перспективных способов получения,передачи и использования энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования и, как правило, низком риске причинения вреда окружающей среде.