Экологические ограничения использования невозобновляемых источников энергии

Уже указывалось, что наряду с истощением запасов полезных ископаемых невозобновляемая энергетика имеет отрицательные экологические последствия, к основным из которых следует отнести:

• тепловое загрязнение атмосферы;

• повышенный расход атмосферного кислорода при эксплуатации транспорта и энергоустановками;

• загрязнение окружающей среды вредными выбросами;

• опасность возникновения техногенных катастроф, связанных с использованием ядерной энергии.

Тепловое загрязнение атмосферы. Основным источником теплового загрязнения Земли является теплоэнергетика, т.е. получение необходимых видов энергии путем преобразования теплоты, выделенной при сгорании ископаемых энергоносителей. В результате в атмосферу выбрасывается такое количество теплоты, которая изменяет ее температурный режим. По имеющимся расчетам, при ежегодном росте производства энергии на 6% в середине ХХI в. начнется стабильное повышение средней планетарной температуры воздуха в атмосфере.

На современном этапе цивилизации тепловое загрязнение атмосферы в основном связано с возникновением так называемых «островов теплоты», т.е. грандиозных промышленно-городских конгломератов, занимающих площадь до сотни квадратных километров. Они характеризуются мощной концентрацией энергии при ее производстве, но в большей степени при потреблении (с тепловыделением от 10 до 200 Вт/м²). Температура воздуха внутри «островов тепла» устойчиво превышает на 1-4⁰С естественную температуру воздуха вокруг них, что приводит к возникновению сильной вертикальной конвекции и, как следствие, к увеличению облачности, которая сопровождается повышением интенсивности выпадающих осадков (в том числе и кислых дождей), а в совокупности с продуктами сгорания приводит к образованию влажного смога (типа лондонского).

Загрязнение биосферы продуктами сгорания. Известно, что су­ществующая технология энергетики на угле и нефти наносит вред природе и человеку вследствие выбросов летучей золы, сернистого газа, оксидов азота и некоторых углеводородов. Природный газ − самое чистое ископаемое топливо − при сгорании образует лишь оксиды азота, которые, однако, практически исключаются применением экологически чистых технологий его сжигания.

Химические примеси, попавшие в атмосферу, переносятся на значительные расстояния от источника загрязнения, причем наряду с их переносом происходит самоочищение атмосферы, т.е. частичное восстановление естественного состава ее как следствие удаления примесей под воздействием природных процессов, и в первую очередь выпадения и вымывания примесей. Их выпадение происходит под воздействием гравитационных сил, а вымывание - при образовании облаков, туманов и выпадении атмосферных осадков.

Указанные процессы приводят к тому, что в воздухе больших городов и над целыми регионами мира содержание примесей превышает предельно допустимые концентрации, что неблагоприятно сказывается на здоровье людей, состоянии фауны и флоры. Обнаружено, что концентрация примесей в воздухе среднего по численности населения города в 20 раз выше, чем над сельской местностью, и в 150 раз выше, чем над океаном.

Кроме того, первичные примеси, находясь в атмосфере, подвергаются физическим и химическим изменениям под влиянием природных и антропогенных факторов, а также в результате взаимодействия между собой, что приводит к образованию вторичных примесей. Из вторичных примесей наиболее опасными в экологическом отношении являются кислотные дожди и смог.

Отечественные ТЭС, очень слабо оснащенные природоохранным оборудованием, сегодня дают более 27% всех промышленных выбросов в стране, в том числе 60% оксидов азота и 45% оксидов серы. Это приводит к выпадению кислотных дождей, а значит, к окислению почв и пресноводных водоемов, гибели части флоры и фауны. Окислы азота очень опасны и для ­человека.

Поскольку подобные загрязнения достигли сейчас планетарных масштабов, остро встала проблема очистки газов, отходящих от ТЭС. Это требует дополнительных затрат, составляющих 20 ... 30% стоимости угольных электростанций. Таким образом, чтобы исключить выбросы оксидов серы и азота, нужно выделить лишь средства на очистку отходящих газов ТЭС.

Особо следует рассмотреть выбросы золы. Зола - пылевидные частицы осадочных пород земли (песок, глинозем и др.), включенные в уголь, как и любая порода, содержит разнообразные металлы и естественные радионуклиды. При сжигании угля зола несет в своем составе больше металлов, чем их добывается из недр Земли. Например, магния - в 1,5 раза, молибдена - в 3, мышьяка - в 7, урана и титана - в 10. алюминия, йода и кобальта - в 15, ртути - в 50 раз, лития, ванадия, стронция, бериллии, циркония - в сотни раз, галлия и германия - в тысячи раз.

Мощными загрязнителями окружающей среды становятся золошлаковые отвалы и сточные воды ТЭС. Сейчас выход золы и шлака в России на ТЭС превышает 100 млн.т. в год; под золоотвалы отчуждено более 300 км² земель, часто весьма ценных для сельского хозяйства.

Для снижения мощности выбросов химических примесей в атмосферу наиболее широко используют следующие три метода:

• замену экологически вредных топлив экологичными;

• сжигание топлив по специальной технологии;

• очистку выбросов.

Первый метод заключается в использовании топлива с более низким баллом загрязнения атмосферы. Поскольку такие показатели сжигания различных топлив, как зольность, количество диоксида серы и оксидов азота в выбросах, могут сильно различаться между собой, для сравнения степени вредности для человека выбрасываемых в атмосферу веществ введен суммарный показатель загрязнения атмосферы в баллах. Так, для сланцев он равен 3,16, подмосковного угля - 2,02, экибастузского угля - 1,85, бе­резовского угля - 0,50, природного газа - 0,04.

Таким образом, уменьшение мощности выброса возможно, если применять топливо с более низким баллом или предварительно обрабатывать его перед сжиганием. Первое направление реализуется по схеме: применение углей с более низким баллом, далее использование вместо угля нефтяного топлива, а если требования к снижению мощности выбросов растут, переход на использование природного газа. Природный газ имеет то дополнительное преимущество, что при его сжигании минимальны выбросы твердых частиц. В первую очередь предварительно обрабатывают топливо для удаления серы из углей, содержащих более 3% серы. В США, например, более 50% углей для ТЭС подвергают предварительной очистке, а в Норвегии в 1978г. был принят закон, в соответствии с которым могут применяться угли с содержанием серы менее 1 %.

Сжигание топлив по специальной технологии осуществляется использованием либо кипящего (псевдоожиженного) слоя, либо предварительной их газификации. Для уменьшения мощности выброса соединений серы твердое порошкообразное или жидкое топливо сжигают в кипящем слое, который формируется из твердых частиц золы, песка или других веществ. Твердые частицы вдуваются в проходящие газы, где они завихряются, интенсивно перемешиваются и образуют принудительно равновесный поток, в целом обладающий свойствами жидкости. Таким способом Япония сумела весьма существенно сократить выбросы от крупных ТЭС, работающих на угле.

Природный газ занимает пока сравнительно скромное место в энергетическом балансе мира - в среднем около 19%. В нашей стране обеспеченность газом вдвое выше, чем в среднем по всему миру. При уровне нынешней мощности 1 млрд кВт это может обеспечить всю энергетику нашей страны на 90 лет. А если принять долю газа в общем энергетическом балансе страны за 40% (сейчас 30%), то его хватит на 225 лет. Причем это наиболее чистое топливо, в котором нет примесей серы, и соответствующая технология сжигания практически исключает образование её оксидов.

Кроме того, используемые для производства энергии современные комбинированные парогазовые установки гораздо экономичнее и производительнее других ТЭС. Достаточно сказать, что КПД у них на 52% ­выше, чем и у ТЭС и у АЭС, а строительство их обходиться в 2,5 раза дешевле.