Екологічний вплив ТЕС

ІНФОРМАЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ПЕДАГОГА

Енергетика

Основою розвитку людської цивілізації є енергетика, або паливно-енергетичний комплекс. Від стану енергетики залежать темпи науково-технічного прогресу та виробництва й життєвий рівень людей. Темпи зростання виробництва енергії в світі сьогодні перевищують темпи приросту населення, що обумовлене індустріалізацією, зростанням енергозатрат на одиницю продукції в сільському господарстві й гірничорудній промисловості тощо.

Джерела енергії, що їх використовує людство, поділяються на відновлювані й невідновлювані. До перших належать енергія Сонця, вітру, гідроенергія рік, внутрішнє тепло Землі, морських припливів і відпливів тощо, а до других — викопне мінеральне паливо, ядерна енергія. Відновлювані джерела енергії не змі­нюють теплового балансу Землі, оскільки при використанні їх людиною має місце лише трансформація одних видів енергії в інші (скажімо, енергія Сонця перетворюється спочатку на електроенергію, а лише потім переходить у тепло). Використання ж не­відновлюваних джерел енергії спричинює додаткове нагрівання атмосфери й гідросфери. Це небезпечно, бо може викликати небажані наслідки для клімату Землі, розподілу на ній суші й моря, вплинути на тваринний і рослинний світ. Отже, є теплова межа, яку людство не повинне переходити, оскільки інакше це буде загрожувати йому катастрофічними наслідками. За розрахунками вчених, небезпечна межа настане в разі використання людством невідновлюваних джерел енергії у кількості, що переви­щить 0,1 % потужності потоку сонячної енергії, яка надходить на Землю, тобто в кількості, більшій 100 млрд. кВт. Сьогодні людство виробляє енергії на базі невідновлюваних джерел потужністю в 10 разів менше гранично допустимої межі. Якщо такі темпи росту виробництва енергії на базі невідновних джерел збережуться й надалі, то допустимої теплової межі буде досягнуто десь в середині XXI ст. Проте людство продовжує нарощувати темпи виробництва енергії на базі невідновних джерел, і нині 70 % усієї енергії воно отримує за рахунок спалювання вугілля, нафти й газу, близько 7 % — за рахунок роботи атомних електростанцій.

При енергетичних розрахунках використовується спеціальна одиниця — 1т умовного палива (ТУП), яка дорівнює 1 т кам'яного вугілля, або 2,5 т бурого вугілля, або 0,7 т нафти, або 770— 850 м³ природного газу (залежно від його складу). Теплота згоряння 1 ТУП становить 29 330 кДж/кг. В масштабних прогнозних розрахунках використовується також умовна одиниця, що дорівнює 36 млрд. ТУП. За даними геологів, світові запаси (розвіда­ні) мінерального палива становлять: вугілля — 17,7, нафти — З, газу — 2, урану — 3,7 умовних одиниць. Якщо мінеральне паливо й далі буде спалюватись такими ж темпами, як це робиться сьогодні, то всі його запаси будуть вичерпані, як показують розрахунки, за 130 років.

Треба також наголосити, що спалювання мінерального палива — надзвичайно нераціональний метод отримання енергії. Ця сировина, особливо нафта, є дуже цінною для хімічного синтезу — сьогодні з нафти отримують сотні цінних матеріалів — синтетичні тканини й каучук, пластмаси, добрива, фарби та ін.

Крім вуглеводневого палива й урану, в природі є ще один вид невідновлюваної енергетичної сировини, яку дехто вважає сировиною майбутнього. Це — дейтерій, або важкий водень, потенційне паливо для термоядерних реакторів, поки що не створених. Запаси цієї сировини, присутньої у водах Світового океану, оцінюються в 1900. Проте на шляху до використання термоядерної енергетики є великі перепони. По-перше, промислові термоядерні установки не створено, невідомо, наскільки вони будуть ефективними, економічними й головне — безпечними. По-друге, для таких уста­новок потрібен інший компонент — тритій, якого в природі нема — він отримується штучно із значними затратами енергії, або літій — метал, запаси якого на Землі дуже незначні. І, нарешті, по-третє, термоядерні електростанції, навіть якщо їх і буде створено, матимуть ті ж обмеження, що й теплові, тобто виробництво енергії на них не зможе нарощуватись необмежено через теплову межу.

Запаси енергії відновлюваних джерел становлять: вітер — 0,4, морські припливи і хвилі — 0,2—0,3, внутрішнє тепло Землі — 0,2, сонячне випромінювання — 2000 умовних одиниць.

Екологічний вплив ТЕС

Забезпечення паливом — одна з найзлободенніших проблем незалежної України. За даними українських вчених, наша держава забезпечена власним вугіллям на 95 %, нафтою — на 8 і при­родним газом — на 22 %.

Виробництво електроенергії на ТЕС супроводжується виділенням великої кількості тепла, тому такі станції намагаються буду­вати недалеко від великих міст і промислових центрів для використання (утилізації) цього тепла. У зв'язку з обмеженістю світових запасів мінерального палива вчені й технологи продовжують працювати над поліпшенням параметрів енергоблоків, підвищенням їх ККД, що дає змогу більш економно витрачати паливо. Так, значна економія палива сприяє збільшенню одиничної потужності енергоблоків. Сьогодні ТЕС обладнані енергоблоками на 1000— 1200 МВт. Сучасна технологія дозволяє підвищити цю потужність до 3000 МВт, що збереже палива на кілька відсотків. Подальше зростання потужності блоків (до 5000 МВт) можливе у разі розробки так званих кріогенних генераторів, які охолоджуються зрідженим гелієм.

Знизити питомі витрати палива можна й шляхом підвищення ККД генераторів на ТЕС. Нині ККД досяг своєї межі близько 40 %, але можливе подальше його збільшення (за розрахунками до 60 %) за рахунок впровадження перспективних магнітогідродинамічних (МГД) генераторів, дослідні зразки яких сьогодні проходять випробування в ряді країн.

Спалювання мінерального палива супроводжується значними забрудненнями природного середовища. Розглянемо головні з них.

Забруднення атмосфери газоподібними й пиловими викидами. В результаті спалювання вуглеводневого палива в топках ТЕС, а також двигунах внутрішнього згоряння в атмосферу викидається вуглекислий газ, концентрація якого зростає приблизно на 0,25 % за рік. Це небезпечно, бо може викликати в майбутньому розігрівання атмосфери за рахунок парникового ефекту. З труб ТЕС і вихлопних труб автомобілів у атмосферу викидають­ся також окиси сірки й азоту, які є причиною виникнення кислот­них дощів. Атмосфера забруднюється також дрібними твердими частками золи, шлаку, неповністю згорілого палива (сажею). Для зменшення шкоди від цих забруднень вугілля очи­щають від сполук сірки перед його спалюванням у топках ТЕС, вловлюють з диму ТЕС оксиди сірки й азоту за допомогою фільт­рів, установок типу "циклон" тощо. Для зменшення токсичності вихлопних газів автомобілів застосовують регулювання двигунів, впроваджують "екологічно чисті" марки пального, встановлюють на автомобілях спеціальні каталізатори, що допалюють чадний газ до вуглекислого тощо.

Радіоактивне забруднення. Оскільки разом з вугіллям у топки ТЕС потрапляє кількість пустих порід (сланців), що містять домішки природних радіоактивних елементів, частинки золи, що вилі­тають із труб ТЕС, є слаборадіоактивними. Отже, має місце радіоактивне зараження атмосфери й земної поверхні. Щоправда, воно не таке шкідливе, як радіоактивне забруднення від АЕС, тому що вугільні породи містять такі природні ізотопи (урану, торію тощо), які існували в біосфері мільйони років і до яких живий світ пристосувався — більшість рослин і тварин не накопи­чують цих ізотопів у своєму організмі на відміну від штучних радіонуклідів, які викидають АЕС. Існуючі методи очищення газів від частинок золи дозволяють зменшити цей вид забруднен­ня в 100—200 разів, таким чином зменшуючи радіоактивне за­бруднення від ТЕС до майже фонового рівня.

Забруднення земної поверхні відвалами шлаків і кар'єрами. Після спалювання в топках ТЕС вугілля залишається багато твердих відходів (шлаку, золи). Ці відвали займають великі площі землі, забруднюють підземні й поверхневі води шкідливими речо­винами. Ще більші ділянки землі порушують величезні вугільні кар'єри. Так, шлакові відвали, терикони пустих порід і відпрацьовані кар'єри лише в Донбасі займають площу 50 тис. га, яка постійно збільшується. Зменшення шкоди від такого забруднення досягається утилізацією шлаків і пустих порід, з яких виготов­ляють будівельні матеріали, засипають ними яри, болота та кар'єри при їх рекультивації. Значний ефект дають економічні методи, зокрема, введення високої оплати за порушення земель, особливо родючих. Такі обмеження в більшості західних країн призвели до відмови використання кар'єрів у сільськогосподарських районах, оскільки плата за землю виявляється вищою, ніж та вигода, яку може дати відкритий метод розробки родовища.