Экологические аспекты ресурсосбережения
На сегодняшний день энергетика развивается очень быстрыми темпами. Энергопотребление удваивается примерно через каждые 12-15 лет. Нет основания полагать, что темпы производства и потребления энергии в ближайшей перспективе существенно изменятся, т.к. численность населения, а значит и численность потребителей энергии также быстро возрастает.
Энергетические системы оказывают влияние на состояние окружающей среды. Уровень влияния отдельных видов энергетики существенно различается друг от друга. В настоящее время энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия используются человеком после превращения ее в электрическую энергию. В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой и только часть ее превращается в электрическую. Однако и в том и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду. Доля альтернативной энергетики в общем энергобалансе пока не велика.
Рассмотрим влияние традиционной и альтернативной энергетики на окружающую среду и человека.
Отрицательное воздействие энергетики на окружающую среду начинается уже на стадии добычи энергетических ресурсов.
Разработка месторождений топливно-энергетических ресурсов, залежи которых находятся недалеко от земной поверхности (уголь, горючие сланцы, торф), производится путем поверхностной добычи. При расположении ТЭР далеко под поверхностью земли они извлекаются методом подземной добычи.
Добыча, обработка углеводородного энергосырья вызывает нарушение почвенного покрова и эрозию, загрязняет воздух и воду. Подземная добыча – более опасный и дорогостоящий процесс, чем поверхностная, но он в гораздо меньшей степени нарушает почвенный покров. При подземной добыче может происходить загрязнение водных ресурсов в силу шахтного кислородного дренажа. В большинстве случаев территории, на которых осуществляется добыча удается восстановить, но это дорогостоящий процесс
За счет сжигания топлива (включая уголь, дрова и другие биоресурсы) в настоящее время производится около 90% энергии. Сжигание топлива — не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду загрязняющих веществ. Тепловые электростанции в наибольшей степени «ответственны» за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных осадков. Они, вместе с транспортом, поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО2), около 50% двуокиси серы, 35% — окислов азота и около 35% пыли. Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.
В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа-400 млн. доз, магния -1,5 млн. доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем.
Можно считать, что тепловая энергетика оказывает отрицательное влияние практически на все элементы среды, а также на человека, другие организмы и их сообщества.
Вместе с тем влияние энергетики на среду и ее обитателей в большей мере зависит от вида используемых энергоносителей (топлива). Наиболее чистым топливом является природный газ, далее следует нефть (мазут), каменные угли, бурые угли, сланцы, торф.
Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС — золой и шлаками. Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. тонн мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменить баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков; а, попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания.
Выбросы ТЭС являются существенным источником такого сильного канцерогенного вещества, как бензопирен. С его действием связано увеличение онкологических заболеваний. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушать легочную ткань и вызывать такое заболевание, как силикоз.
Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и ишаков. Для этого требуются значительные территории, которые долгое время не используются, а также являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности.
ТЭС — существенный источник подогретых вод, которые используются здесь как охлаждающий агент. Эти воды нередко попадают в реки и другие водоемы, обусловливая их тепловое загрязнение и сопутствующие ему цепные природные реакции (размножение водорослей, потерю кислорода, гибель гидробионтов, превращение типично водных экосистем в болотные и т. п.).
Одно из важнейших воздействий гидроэнергетики связано с отчуждением значительных площадей плодородных (пойменных) земель под водохранилища, не говоря уже об изменении ландшафтов, что также относится к экологическим проблемам. За счет использования гидроресурсов производится не более 20% электроэнергии, а при строительстве и эксплуатации ГЭС затопляется миллионы гектаров земель. На их месте уничтожены естественные экосистемы.
Значительные площади земель вблизи водохранилищ испытывают подтопление в результате повышения уровня грунтовых вод. Эти земли, как правило, переходят в категорию заболоченных. В равнинных условиях подтопленные земли могут составлять десять и более процентов от затопленных. Уничтожение земель и свойственных им экосистем происходит также их разрушения водой при формировании (абразии) береговой линии. Абразионные процессы обычно продолжаются десятилетиями, имеют следствием переработку больших масс почвогрунтов, загрязнение вод, заиление водохранилищ. Таким образом, со строением водохранилищ связано резкое нарушение гидрологического режима рек, свойственных им экосистем и видового состава гидробиотонов.
В водохранилищах ГЭС происходит ухудшение качества воды. Это происходит по различным причинам. В водохранилищах резко увеличивается количество органических веществ как за счет ушедших под воду экосистем (древесина, другие растительные остатки, гумус и т.д.), так и вследствие их накопления в результате замедленного водообмена. Это своего рода отстойники и аккумуляторы веществ, поступающих с водосборов.
В водохранилищах резко усиливается прогревание вод, что интенсифицирует потерю ими кислорода и другие процессы, обусловливаемые тепловым загрязнением. Последнее, совместно с накоплением биогенных веществ, создает условия для зарастания водоемов и интенсивного развития водорослей, в том числе и ядовитых синезеленых. По этим причинам, а также вследствие медленной обновляемости вод резко снижается их способность к самоочищению. Ухудшение качества воды ведет к гибели многих ее обитателей.
В перекрытых водохранилищами реках нарушаются пути миграции рыб, идет разрушение кормовых угодий, нерестилищ. В результате речные системы трансформируются из транзитных в транзитноаккумулятивные. Кроме биогенных веществ в водохранилищах скапливаются тяжелые металлы, радиоактивные элементы, ядохимикаты с длительным периодом разложения и другие токсичные элементы. Продукты, накопившиеся в такой водной системе делают непригодными возможность использования территории и после ликвидации водохранилища.
Водохранилища оказывают ощутимое влияние и на атмосферные процессы. В засушливых регионах испарение с поверхности водохранилища превышает испарение с поверхности суши того же размера в десятки раз. С повышенным испарением связано понижение температуры воздуха, увеличение его влажности и как следствие усиление туманных явлений. Различие тепловых балансов водохранилищ и прилегающей суши обуславливает формирование местных ветров типа бризов. Эти, а также другие явления приводят к смене (не всегда положительной) экологической системы, изменению климатических условий в районе ГЭС. И если даже принять, что последствия строительства ГЭС на организм человека не оказывают непосредственно отрицательного влияния, то всегда наблюдается косвенное воздействие на процесс жизнедеятельности людей. В ряде случаев в зоне водохранилищ приходится менять направление сельскохозяйственной деятельности.
Для горных районов, где водохранилища обычно невелики по площади, издержки гидроэнергетики для окружающей среды несколько меньше. Однако увеличивается вероятность оползневых и сейсмологических явлений.
Ядерная энергетика до недавнего времени рассматривалась как наиболее перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так и со щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится также возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи с малыми объемами. Достаточно отметить, что 0,5 кг ядерного топлива позволяет получать столько же энергии, сколько сжигание 1000 тонн каменного угля.
До недавнего времени основные экологические проблемы АЭС связывались с захоронением отработанного топлива, а также с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации.
При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в среду крайне незначительны.
В процессе ядерных реакций выгорает лишь 0,5-1,5% ядерного топлива. Ядерный реактор мощностью 1000 МВт за год работы выделяет около 60 т радиоактивных отходов. Часть их подвергается переработке, а основная масса требует захоронения. Технология захоронения довольно сложна и дорогостояща. Отработанное топливо обычно перегружается в бассейны выдержки, где за несколько лет существенно снижается радиоактивность и тепловыделение. Захоронение обычно проводится на глубинах не менее 500-600 шурфах. Последние располагаются друг от друга на таком растоянии, чтобы исключалась возможность атомных реакций.
Неизбежный результат работы АЭС — тепловое загрязнение. На единицу получаемой энергии здесь оно в 2-2,5 раза больше, чем на ТЭС, где значительно больше тепла отводится в атмосферу. Выработка 1 млн. кВт электроэнергии на ТЭС дает 1,5 км3 подогретых вод, на АЭС такой же мощности объем подогретых вод достигает 3-3,5 км3.
В целом можно назвать следующие воздействия АЭС на среду:
· разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных структур и т. п.) в местах добычи руд (особенно при открытом способе);
· изъятие земель под строительство самих АЭС. Особенно значительные территории отчуждаются под строительство сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800-900 га. Пруды могут заменяться гигантскими градирнями с диаметром у основания 100-120 м и высотой, равной 40-этажному зданию;
· изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс подогретых вод. Если эти воды попадают в реки и другие источники, в них наблюдается потеря кислорода, увеличивается вероятность цветения, возрастают явления теплового стресса у гидробионтов;
· не исключено радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в процессе добычи и транспортировки сырья, а также при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях.
Солнечная энергетика является достаточно «чистым» видом энергетики. Однако ряд экологических проблем все же возникает.
При работе крупных солнечных систем, в частности солнечных тепловых электростанций на основе традиционного паросилового цикла, из тепловых аккумуляторов и систем теплообмена возможны утечки рабочих жидкостей.
Применение низкокипящих жидкостей в солнечных энергетических системах и неизбежные утечки этих жидкостей в процессе длительной эксплуатации способны привести к загрязнению воды, закислению засолению почв в прилегающих районах. Особую опасность представляют хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами. Кроме того, высококонцентрированные водные растворы используемых солей являются взрываопасными. В солнечных теплообменных системах в жидкости-теплоносители добавляют различные компоненты для улучшения их эксплуатационных характеристик и уменьшения коррозионного воздействия, которые представляют серьезную опасность для человеческого организма. Поскольку данные рабочие жидкости со временем утрачивают свои свойства, предстоит процесс их утилизации, т.к. появление компонентов жидкостей в сточных водах, а затем и в водоемах, может привести к бурному росту сине-зеленых водорослей. Последние в процессе роста потребляют колоссальное количество кислорода, что приводит к гибели всего живого в водоемах.
Другая, не менее опасная проблема солнечной энергетики – это опасность перегрева и возгорания энергосистем систем, содержащих концентраторы солнечной энергии. При возгорании элементы систем могут выделять токсичные продукты горения, такие как пары аммония, соляной кислоты, фторной кислоты и др.
Строительство солнечных электростанций требует больших территорий. Например, станция мощностью в 100 МВт займет площадь в 5 квадратных километров. И это только поверхности для улавливания солнечных лучей без учета размещения остальных инженерно-технических сооружений и систем. Затемнение солнечными концентраторами больших территорий земли может привести к их деградации.
Необходимо так же отметить экологические последствия в районе солнечных электростанций из-за локального нагрева воздуха при прохождении сконцентрированных потоков солнечного излучения. Это может повлечь за собой изменение теплового баланса, влажности, распределения ветров и т.д.
В солнечных тепловых системах, применяемых для обработки сельскохозяйственной продукции, могут возникнуть следующие проблемы: опасность заражения продуктов токсичными веществами, упомянутыми выше; возможность быстрого развития бактерий и грибков при длительных низкотемпературных процессах (30-60°С) сушки сельскохозяйственной продукции.
Некоторые экологические проблемы возникают при эксплуатации фото- и термоэмиссионных солнечных систем. В процессе их изготовления в атмосферу выбрасывается кремнивая, арсенидо-галлиевая, кадмиевая пыль, представляющая угрозу здоровью человека. Технологические процессы очистки кремния, галлия и других веществ для производства солнечных батарей могут приводить к загрязнению воды щелочами и кислотами.
В целом нежелательные последствия от использования солнечных систем носят локальный характер. Ряд из них можно избежать при точном соблюдении правил техники безопасности.
Ветроэнергетика считается одним из наиболее безопасных с точки зрения экологии источников энергии. Однако этот способ получения энергии не является полностью безопасным для человека и окружающей среды. Под строительство ветроэнергетических систем требуются большие площади. Кроме того, что отдельные установки имеют внушительные размеры, необходимо учитывать тот факт, что ветроагрегаты близко друг к другу распологать нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, «отнимая ветер» друг у друга. Соответственно требуются обширные территории для таких ветроэнергетических систем. Вблизи населенных пунктов, сельскохозяйственных угодий (а тем более на их территории) ВЭУ размещать нельзя из-за создаваемого шума, аэродинамических возмущений, помех радиотелевещанию. Соответственно может потребоваться вырубка леса для получения площадей, что само по себе нежелательно. При этом следует иметь ввиду, что на этой территории уже ничего другого делать будет нельзя. Даже к одному работающему ветроагрегату приближаться опасно, причем с любой стороны. А целая система ветряков уже создает значительные аэродинамические возмущения. Движение воздушных масс существенно искажается, что может привести к непредсказуемым локальным климатическим последствиям. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, в том числе и инфразвуковые колебания с частотой ниже 16 Герц, неслышимые ухом человека, но вредно действующие на людей. Кроме этого, ВЭУ распугивают обитающих в этом регионе птиц и животных, нарушая равновесие в биосистема. Зачастую аэродинамические возмущения настолько сильны, что, попадая в поле действия ветроагрегатов, погибают целые стаи птиц. Таким образом для небольших и густонаселенных стран проблема размещения и развития ветроэнергетики с экологической точки зрения является весьма актуальной.
При использование энергии океана на месте путем производства энергоемкой продукции с применением процессов плавления, рафинирования и синтеза материалов, а также при добыче материальных ресурсов со дна океана могут возникнуть обычные трудности, связанные с возможностью утечек, размещением и утилизации отходов. Нельзя полностью исключить и пиковые выбросы загрязняющих веществ в результате техногенных аварий. Масштабы этих трудностей могут легко превысить масштабы негативного воздействия самого процесса освоения источника энергии.
Экологические проблемы, возникающие при строительстве и эксплуатации геотермальных энергоустановок, нельзя ни в коем случае недооценивать. Горячая вода и пар из земных недр выносят на поверхность множество вредных для организма человека веществ, в числе которых сероводород, соединения мышьяка, пары ртути и др. Вода из геотермальных источников содержит огромное количество солей и минеральных веществ. При сбрасывании отработавшей воды в засушливых регионах может возникнуть засоление почв, а во влажных климатических зонах – заболачивание прилегающих территорий. Кроме того, возможны сейсмические эффекты из-за откачивания из подземных полостей больших объемов воды. Геотермальные электростанции сбрасывают также в атмосферу отработавший пар, находящийся под большим давлением, что сопровождается большим шумом. Однако, на сегодняшний день известны и проверены на практике методы сведения экологического ущерба от ГеоТЭС к минимуму. Такие мероприятия приводят к некоторому удорожанию геотермальных энергосистем, но они все же остаются экономически эффективными.
В целом суммарное нежелательное воздействие объектов альтернативной энергетики на окружающую среду немного меньше по сравнению с воздействием традиционных энергоустановок. Однако нужно отметить, что и объемы нетрадиционной энергетики не велики. С ростом доли солнечной, ветровой, геотермальной и тому подобных видов энергетики, их воздействие на окружающую среду будет возрастать. Но практика показывает, что все же альтернативная энергетика по удельных показателям (на единицу вырабатываемой энергии) характеризуется меньшим отрицательным воздействием на окружающую среду, чем в первую очередь традиционная тепловая энергетика.
|