Енергетика

Джерела енергії, які використовує людство, поділяються на відновлювані — енергія Сонця, вітру, морських припливів, гідроенергія річок, внутрішнього тепла Землі — й невідновлювані — викопне мінеральне паливо та ядерна енергія. Перші не порушують теплового балансу Землі, оскільки під час їх використання відбувається лише перетворення одних видів енергії на інші (скажімо, енергія Сонця перетворюється спочатку на електроенергію й тільки потім переходить у тепло). Зате використання других спричинює додаткове нагрівання атмосфери й гідросфери. Це небезпечно, бо може призвести до зміни рівня води у Світовому океані, що, своєю чергою, змінить співвідношення площі суші й водного дзеркала, вплине на клімат Землі, на тваринний і рослинний світ (див. гл. 3).

Отже, є теплова межа, яку людство не повинне переступати, інакше це матиме для нього катастрофічні наслідки. За розрахунками вчених, небезпечної межі буде досягнуто в разі використання невідновлюваних джерел енергії в кількості, яка перевищить 0,1 % потужності потоку сонячної енергії, що надходить на Землю, тобто більш як 100 млрд кВт. Сьогодні на базі невідновлюваних джерел виробляється енергії в 10 разів менше за гранич-но допустиму кількість. Якщо темпи збільшення виробництва енергії залишаться такими самими, то теплової межі буде досягнуто приблизно в середині XXI cm. А людство ще й нарощує темпи, і нині 70 % усієї енергії воно отримує за рахунок спалювання вугілля, нафти й газу плюс 7 % — за рахунок роботи атомних електростанцій.

Ш Вплив на довкілля ТЕС. 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.

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 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.

Радіоактивне забруднення. У викопному вугіллі й пустих породах містяться домішки природних радіоактивних елементів (урану, торію та ін.). Після спалювання вугілля ці елементи 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.

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.

Ш Вплив на довкілля АЕС. За даними Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ), у 26 країнах світу експлуатується 416 ядерних енергоблоків, які виробляють близько 16 % усієї електроенергії. Деякі країни основну ставку зробили саме на АЕС. Наприклад, у Франції АЕС виробляють більш як 70 % електроенергії. Але інші країни (Швеція, Данія, Австрія, Філіппіни) заявили про свій намір цілком відмовитися від АЕС і демонтувати ядерні блоки, які працюють там. Палкі суперечки особливо посилилися після катастрофи на Чорнобильській АЕС у 1986 р. Одні вчені, енергетики й політичні діячі обстоюють думку, що без атомної енергетики людство не зможе обійтися, і слід лише зробити все можливе, щоб звести ризик аварії на АЕС до мінімуму. Як доказ на користь атомної енергетики наводяться дані про те, що АЕС використовують мало «палива» порівняно з ТЕС (добова витрата мазуту на тепловій електростанції потужністю 2000 МВт становить 8,3 тис. т, вугілля — 10 тис. т, а урану на атомній — 180 кг).

Противники АЕС (їх значно побільшало після аварії на Чорнобильській АЕС і розсекречення матеріалів, пов'язаних із діяльністю Мінатоменерго колишнього СРСР) наполягають на якнайшвидшій забороні цього способу добування енергії як шкідливого й небезпечного для біосфери.

Сьогодні на всіх АЕС України нагромаджено до 70 тис. м³ радіоактивних відходів, 65,5 млн т — у видобувній та переробній урановій промисловості, 5 тис. м³ — в Українському державному об'єднанні «Радон» та 1,1 млрд м³ відходів міститься в зоні відчуження ЧАЕС. Близько 85—90 % радіоактивних відходів належать до категорії низько- та середньоактивних.

Сказане цілком стосується й самих АЕС. Через 25—30 років експлуатації все їхнє обладнання, апаратура, місткості, приміщення, транспортні засоби й т. д. стають настільки радіоактивними, що їх необхідно демонтувати й поховати на сотні років. А для поховання лише одного реактора потрібно близько 40 га землі.

АЕС виробляють сотні видів радіоактивних речовин, яких раніше не було в біосфері, й до яких живі істоти не пристосовані. Так, після аварії на Чорнобильській АЕС в атмосферу було викинуто близько 450 видів радіонуклідів. Серед них багато довгоіснуючих, таких як цезій-137 (період напіврозпаду 80 тис. років) і стронцій-90 (період напіврозпаду 20 тис. років). Вони за своїми хімічними властивостями подібні до калію й кальцію, які відіграють велику роль у біохімічних процесах. Живі організми не можуть відрізнити ці ізотопи від калію та кальцію й нагромаджують їх, що є причиною найнебезпечнішого внутрішнього опромінення, яке викликає тяжкі захворювання й шкідливі мутації.

ф Штучний елемент плутоній (період напіврозпаду перевищує 20 тис. років!), який нагромаджується в атомних реакторах, — це найтоксичніша речовина з усіх, що будь-коли створені людиною: 450 г плутонію (за об'ємом це кулька розміром з апельсин) достатньо, щоб убити 10 млрд людей; 1 мкг цієї речовини викликає рак легень у людини. А нині на Землі в ядерних боєголовках, відпрацьованих твелах та інших відходах АЕС накопичено тисячі тонн цієї суперотрути.

Ш Термоядерна енергетика. У зв'язку з величезною потенційною небезпекою АЕС для біосфери вчені та енергетики сьогодні покладають надії на інший спосіб добування енергії, а саме з допомогою термоядерних електростанцій (ТЯЕС).

На ТЯЕС енергія добуватиметься не за рахунок розщеплення важких ядер урану, а внаслідок злиття легких ядер ізотопів водню (дейтерію й тритію) та утворення з них ядер гелію. Такі реакції живлять енергією Сонце й незліченну кількість інших зірок у Всесвіті.

Нині над розробкою промислових термоядерних реакторів працюють учені багатьох країн: Європейського Союзу, США, Росії, Японії, Канади. Як вважає більшість учених, зайнятих цією проблемою, перший прототип комерційного термоядерного реактора планується створити в першій чверті XXI ст.

Цей спосіб добування електроенергії матиме безумовні переваги над тими, що використовуються сьогодні на ТЕС і АЕС:

• ТЯЕС характеризуватимуться високим ступенем безпеки роботи, бо конструкція термоядерного реактора така, що за будь-якого її пошкодження чи порушення режиму автоматичноприпиняється термоядерна реакція й вимикається реактор;

• у термоядерному реакторі водночас міститиметься лише кількаграмів «палива» — дейтерію й тритію, що є відносно низько-радіоактивними (порівняйте з 180 т урану, який завантажуєтьсяв реактор АЕС!);

• запаси одного з компонентів палива для ТЯЕС — дейтерію —на Землі величезні: їх достатньо, аби забезпечити електроенергією людство на кілька мільйонів років (наприклад,дейтерію, що міститься у 500 л води з будь-якої водойми,достатньо для задоволення всіх енергетичних потреб однієїлюдини протягом усього її життя);

• внаслідок термоядерної реакції не утворюються радіонукліди —продуктом реакції є нерадіоактивний газ гелій;

• ТЯЕС не забруднюватимуть атмосферу речовинами, здатнимиспричинити кислотні дощі, парниковий ефект або руйнуванняозонового шару.Проте в ТЯЕС будуть і недоліки:

• теплота, яка у великій кількості виділяється внаслідок термоядерної реакції, за законами термодинаміки, не може бутицілком перетворена на електроенергію й спричинює підігрівання атмосфери й гідросфери Землі; тому на розвиток термоядерної енергетики накладається те саме обмеження, що й навикористання інших невідновлюваних джерел енергії, — цетепловий рубіж;

• робота термоядерного реактора супроводжується дуже потужним нейтронним потоком, а отже, відбувається радіоактивнезабруднення конструкцій, тому по певному часі необхідно йогорозбирати й ховати (як і реактори АЕС);

• до компонентів «палива» для ТЯЕС, крім дейтерію, належитьлітій, запаси якого на Землі дуже невеликі, а родовища небагаті й трапляються дуже рідко, або тритій, що виробляєтьсяштучно, з великими затратами енергії.

Ш Вплив на довкілля ГЕС. У наш час ГЕС виробляють близько 20 % електроенергії у світі. Деякі країни з гірським рельєфом і швидкими річками (Норвегія, Таджикистан, Киргизстан) свої потреби в електроенергії задовольняють переважно за рахунок ГЕС.

Гідроенергетичний потенціал України становить 44,7 млрд кВт • год, проте лише 21,5 млрд кВт • год припадає на ресурси, які технічно можливо використати (46 % їх сконцентровано в басейні Дніпра, по 20 % — у басейнах Дністра й Тиси, 14 % — інших річок). Щодо економічно доцільних для використання гідроенергоресурсів, то вони загалом не перевищують 16—17 млрд кВт • год (61 % зосереджено в басейні Дніпра, 22 % — Тиси, 17 % — Дністра). Отже, за запасами гідроенергоресурсів Україна посідає досить скромне місце серед інших держав світу, Європи та СНД.

Установлена потужність ГЕС України становить 4,7 млн кВт, 98 % якої припадає на гідроелектростанції Дніпровського каскаду та Дністровської ГЕС.

Порівняно з ТЕС і АЕС гідроелектростанції мають низку переваг:

• вони зовсім не забруднюють атмосферу;

• поліпшують умови роботи річкового транспорту;

• працюючи в парі з ТЕС, беруть на себе навантаження під часмаксимального (пікового) споживання електроенергії;

• агрегати ГЕС уводяться в дію дуже швидко, на відміну від агрегатів ТЕС, яким потрібно кілька годин для розігрівання й виходу на робочий режим (або ж треба утримувати один з агрегатів ТЕС у «гарячому» режимі, витрачаючи дефіцитне паливо).

Разом із тим ГЕС, особливо ті з них, що побудовані на рівнинних річках, завдають шкоди довкіллю.

• На Дніпрі, наприклад, водосховищами затоплено величезніплощі^найродючіших у Європі земель: Київським — 922 км²,Канівським — 675, Кременчуцьким — 2250, Дніпродзер-жинським — 567, Дніпровським — 410, Каховським — 2155 км².У сумі це становить майже 7000 км² — чверть території Бельгії!

• У місцевостях, розташованих поблизу водосховищ, піднімається рівень ґрунтових вод, заболочується територія, виводяться із сівозмін великі площі землі.

• На водосховищах тривають обвали берегів, які на окремихділянках відступили вже на сотні метрів.

Ш Альтернативні джерела енергії — це енергія вітру, морів та океанів, внутрішнього тепла Землі, Сонця. Енергія вітру. За оцінками вчених, загальний вітроенергетичний потенціал Землі в ЗО разів перевищує річне споживання енергії людством. Однак використовується лише мізерна частка цієї енергії.

Енергія морів та океанів. Світовий океан містить колосальні запаси енергії.

По-перше, це енергія сонячного випромінювання, поглинута океанською водою, яка виявляється в енергії морських течій, хвиль, прибою, різниці температур різних шарів води. По-друге, це енергія тяжіння Місяця й Сонця, що спричинює морські припливи й відпливи. Використовується цей екологічно чистий потенціал іще дуже мало.

Першими об'єктами такої енергетики можна вважати морські хвильові електростанції, які акумулюють енергію вертикальних коливань води. Хвиля метрової висоти забезпечує від 25 до 35 кВт енергії, навіть хвиля заввишки всього 35 см може обертати спеціальну турбіну й давати електричний струм.

Енергія внутрішнього тепла Землі. З глибиною підвищується температура в земній корі (в середньому на ЗО °С на 1 км, а у вулканічних районах — набагато швидше). За оцінками геологів, до глибин 7—10 км загальна кількість теплоти в 5000 разів перевищує теплоємність усіх видів мінерального палива, що є на Землі. Теоретично лише 1 % цього тепла достатньо, аби забезпечити людство енергією на найближчі 4000 років. Та на практиці це джерело енергії використовується ще дуже мало. Найкращі результати досягаються в районах активної вулканічної діяльності (Ісландія, Камчатка, Гаванські острови), де близько до поверхніє термальні води. Крізь свердловини гаряча водяна пара надходить у турбіни, що виробляють електроенергію. Відпрацьована гаряча вода йде на обігрівання теплиць, житла тощо. В холодній Ісландії в таких оранжереях вирощують овочі й навіть банани, а столиця країни Рейк'явік уже понад 40 років уся забезпечується теплом за рахунок цього джерела.

Енергія Сонця. Сонце — найпотужніше джерело екологічно чистої енергії, і людство має зосередити свої зусилля на розробці методів її утилізації. Основна перешкода полягає в розсіяності сонячної енергії: на широтах України, наприклад, на кожний • квадратний метр поверхні за рік надходить лише близько 1900 кВт сонячної енергії.

Сонячну енергію можна застосовувати для добування електроенергії, побутового тепла, високотемпературного тепла в промисловості, на транспорті. Найбільших успіхів досягнуто в таких країнах, як США, Франція, Туркменистан, причому переважно в галузі так званої «малої» енергетики.

Для добування електроенергії від Сонця застосовується кілька методів, найперспективніший з яких полягає в безпосередньому •перетворенні сонячного випромінювання на електрику за допомогою напівпровідникових фотоелектричних генераторів (сонячних батарей). ККД найсучасніших їх типів сьогодні становить 25—30 %. Через високу вартість такі батареї поки що використовуються мало — на космічних супутниках і станціях, у ретрансляторах, навігаційних маяках, телефонних станціях у пустельних місцевостях, для живлення невеликих радіостанцій, у мікрокалькуляторах, електронних іграшках тощо.

Біоенергетичні технології. Життя та діяльність людей супровод-жуються утворенням великої кількості органічних відходів (побутове сміття, каналізаційні стоки, відходи виробництва сільськогосподарської продукції — солома, лушпиння й т. д., деревообробки — тирса, обрізки, гілки, хвоя тощо). Звалища навколо великих міст забирають величезні площі (так, поблизу Нью-Йорка воно за об'ємом уже дорівнює 25 пірамідам Хеопса!), забруднюють повітря й воду. А тим часом розроблено технології, що дають змогу добувати з цих відходів енергію (сконструйовано, наприклад, установки, в яких відходи спалюються, даючи тепло й електроенергію), а також різні корисні матеріали (скло, метали та ін.). Є й інша перспективна технологія переробки відходів — за допомогою метанобактерій. Ці мікроорганізми активно розмножуються в будь-яких органічних рештках, продукуючи в результаті своєї життєдіяльності цінну енергетичну сировину — біогаз (суміш метану й чадного газу). Технологія добування біогазу дуже проста. Бетонні місткості або колодязі будь-якого об'єму заповнюють гноєм, сміттям, листям, тирсою й т. п. Місткість має бути щільно закритою, щоб не було доступу кисню. Газ, який утворюється в результаті бродіння, відводиться в приймальний пристрій або безпосередньо в газову плиту. Після процесу бродіння залишається добриво — знезаражене, без запаху, цінніше за гній. Сьогодні така технологія широко застосовується в Китаї та Індії, де функціонують мільйони подібних установок. А в Румунії проведено успішні досліди з використання біогазу як палива для тракторів.

Ш Енергозбереження, впровадження нових технологій, що потребують менших затрат енергії, мають стати основними орієнтирами подальшого розвитку економіки. За розрахунками вчених, зниження питомої енергоємності національного продукту України вдвоє дасть змогу зберегти споживання енергії в першій чверті XXI ст. на теперішньому рівні. І це завдання цілком реальне. Україна імпортує 55 % необхідних для неї енергоресурсів, тоді як за умови використання всіх потенційних засобів енергозбереження вона могла б економити 48 % енергоресурсів і стала б практично незалежною від зовнішніх їх джерел.

Надзвичайно багато електроенергії споживає наша побутова техніка. Якби вітчизняні телевізори, пилососи, пральні машини тощо мали такі самі показники, як найкращі світові зразки побутової техніки, то Україна могла б відмовитися від усіх АЕС на її території.

Фахівці стверджують, що споживання енергії можна скоротити:

• у побуті — на 34 %;

• на транспорті — на 24 %;

• у малому товарному виробництві — на 22 %;

• у промисловості — на 13—33 %.