Проблемы использования традиционных и природных источников энергии. – 2 часа

Одной из проблем использования традиционных источников энергии является ограниченность их запасов, что, в конце концов, приведет к полному истощению ископаемого топлива. Проблема настолько очевидна, что не нуждается в доказательстве. В настоящее время обсуждается лишь время, в течение которого запасы ископаемого углеводородного топлива иссякнут. По пессимистическим прогнозам этих запасов осталось на 30 – 40 лет. Существуют и более оптимистические прогнозы, но все они не превышают ста лет. Это значит, что не позднее последней четверти текущего столетия наступит энергетический кризис использования традиционных источников энергии.

Проблема истощения запасов ископаемого топлива выдвинула задачу поиска его заменителей, в связи с чем, 21 век станет веком поиска новых источников энергии, способных удовлетворять растущие энергетические потребности человечества.

Сейчас большие надежды возлагаются на атомные электростанции и на изыскание практических способов использования для этих целей урана ²³⁸U, основного изотопа природного урана.

Однако уран, как и всякое ископаемое топливо, имеет конечные запасы, и, не смотря на его большой энергетический потенциал, так же подвержен истощению. Это значит, что применение ядерной энергии не решает проблему истощения, а лишь отодвигает кризисные явления, хотя потенциально и на очень большое время.

Истощение запасов углеводородного топлива породило вторую проблему, которую невозможно устранить путем использования ядерного топлива. Эта проблема состоит в интенсивном росте стоимости энергии, получаемой путем сжигания традиционного топлива.

Цены на нефть и нефтепродукты растут немыслимыми темпами и за 2005 – 2006 год выросли почти в десять раз. Несмотря на значительное увеличение, цены на этот вид топлива продолжают увеличиваться и превышают все прогнозы по их динамике. Росту цен способствует также и нестабильная политическая обстановка в странах поставщиках нефти. Непрерывное ведение боевых действий в нефтеносных регионах ускоряет расходование (уничтожение) мировых запасов нефти.

Повышение цен на нефть и нефтепродукты увеличило спрос, а, следовательно, и цены на другие традиционные носители энергии, хотя и в меньшей степени. В итоге повышаются цены на электроэнергию и тепло.

Здесь следует отметить, что стоимость электроэнергии, производимой атомными электростанциями, вопреки ожиданиям, оказалась наиболее высокой. И это без учета предстоящих затрат на утилизацию отходов ядерного топлива и повышение безопасности АЭС. То есть, атомная энергия, решая в значительной мере первую проблему традиционной энергетики (истощение запасов ископаемого топлива), обостряет вторую проблему (быстрое увеличение стоимости энергии, получаемой от традиционных источников).

Наконец, третья проблема, которая быстро переходит в разряд первостепенных, является экологической, обусловленной негативным влиянием на окружающую среду традиционной энергетики.

Известно, что вся энергия, производимая и потребляемая в любой форме, в конечном итоге превращается в теплоту.

По ряду независимых оценок, хорошо согласующихся между собой, производство теплоты, выделяемое в окружающую среду составляет около 5·10¹² Дж/с. Эта величина очень мала по сравнению с количеством теплоты, поглощаемой нашей планетой, и составляет менее 0,025 %. Искусственно выделяемая теплота практически не влияла бы на климат Земли, если бы она была равномерно распределена по всей территории Земного шара, включая и океаны.

В действительности искусственные тепловыделения сконцентрированы в определенных местах, что связано не только с потреблением энергии, но и с ее производством и преобразованием. Например, к.п.д. тепловых электростанций составляет около 35 % (причем в лучших случаях), то есть, более 65 % энергии топлива в конечном итоге уходит во внешнюю среду. В местах производства энергии больших мощностей выделение тепла может в несколько раз превышать средние значения в Мире. Так, в районе Лос-Анджелеса выделяется до 0,5% теплоты по сравнению с теплотой, поступающей от Солнца в этом же месте, и выделение теплоты продолжает расти. В таких случаях искусственное тепловыделение способно заметно повлиять на тепловой баланс в данной местности. Существуют гипотезы, что причиной разрушительных ураганов, обрушившихся на побережье Америки в 2005 году, были местные тепловыделения в промышленных районах США.

Таким образом, тепловые электростанции могут оказывать существенное локальное влияние на климат, и следует установить, как изменение теплового баланса сказывается на экологии.

Расчеты, проведенные различными авторитетными организациями (в том числе и независимыми, состоящими при ООН), показали, что повышение температуры приземного слоя атмосферы только на 1 градус повлечет существенное изменение границ климатических зон. При увеличении температуры на 3 градуса начнется таяние ледяных шапок Земли, и большинство территорий окажется под водой. Например, затопленным окажется полуостров Флорида. Аналогичная участь может постигнуть и Приэльбрусье. Вследствие повышения уровня воды в Мировом океане, уменьшатся площади пляжей и других прибрежных территорий. Могут измениться в сторону уменьшения и территории вечной мерзлоты. Учитывая, что в России северные населенные пункты возводились с учетом вечной мерзлоты грунта, таяние может создать значительные проблемы устойчивости строительных фундаментов.

Предполагается, что глобальное потепление может привести к изменению океанских течений и начнется своего рода цепная реакция изменения климата Земли. Механизм изменения океанских течений состоит в следующем. Талые воды с полюсов по законам механики устремятся к экватору, то есть, навстречу теплым океаническим течениям, что уже приведет к замедлению их течения. А так как талые воды более пресные, чем вода океана, то они и менее плотные. Следовательно, легкие талые воды будут находиться сверху вод океанических течений и экранировать их.

Следует подчеркнуть, что такие изменения температуры носят локальный характер. Глобальное повышение температуры менее интенсивно. Однако локальные изменения также могут привести к катастрофическим последствиям. Реальными примерами служат участившиеся на планете ураганы, ливни, смерчи (центральная часть России, Европа, черноморское побережье в районе Новороссийска и Анапы и др.), таяние и сход ледников (Северная Осетия).

Кроме того, проведенные теми же организациями расчеты не дают повода для успокоения. Так, при локальном приросте теплоты только на 4%, глобальная температура у поверхности Земли возрастет на 1 градус уже через 100 - 150 лет, а это не такое уж отдаленное будущее. Кроме того, те же расчеты показывают, что, при интенсивной замене органического топлива на ядерное, приращение выделяемой теплоты на 4% является заниженной оценкой[3].

Здесь еще раз следует остановиться на особенностях атомных электростанций.

Атомные электростанции, работая в проектном режиме, являются наиболее экологически чистыми электростанциями. Однако последствия возможных аварий значительно серьезнее аварий на других электростанциях, использующих традиционные источники энергии.

Реальная авария на Чернобыльской АЭС подтвердила ту огромную опасность, которую представляет ядерное топливо, и напомнила связанные с его использованием экологические проблемы. Так, в результате Чернобыльской аварии было выведено из оборота около 5 млн. га сельскохозяйственных угодий, переселено более 250 тыс. человек, онкологические заболевания в зараженных районах увеличились в 2 раза /5, 6/.

Не улучшает экологическую ситуацию и хранение ядерного топлива, и захоронение ядерных отходов.

Учитывая массовую опасность аварий на атомных электростанциях, их изучению придавалось большое значение, но при этом основными методами являлись теоретические, в ходе которых на ЭВМ моделировались процессы протекания аварийных ситуаций. Применение машинного моделирования аварийных процессов на атомных электростанциях обусловлено весьма большой сложностью провести активный физический эксперимент. Тем не менее, в США в 1971 году дважды были проведены реальные испытания небольших АЭС в аварийном режиме по неполному процессу /8/. В обоих случаях аварии развивались по совершенно непредвиденному сценарию. Это привело к тому, что США фактически отказались от ввода в действие атомных электростанций, по крайней мере, с 1978 года и до конца 80-х годов прошлого века в этой стране не было выдано ни одного патента на ввод в действие новых атомных реакторов[4].

В Швеции по тем же причинам к 2010 году планируется закрыть 12 атомных электростанций, заменить которые предполагается ветроэнергетическими установками.

Следует отметить, что далеко не все страны намерены сворачивать атомную энергетику, а некоторые наоборот увеличивают ее долю в общем энергобалансе. Так, например, Иран, имея очень большие нефтяные запасы и являясь крупнейшим экспортером этого топлива, прилагает весьма большие усилия по развитию атомной энергетики, планируя ввести в строй не менее 20 атомных электростанций.

Кроме непосредственного тепловыделения на тепловой баланс Земли оказывают влияние различные выбросы, попадающие в атмосферу.

В результате работы тепловых электростанций в атмосферу наиболее интенсивно по сравнению с другими газами выбрасывается углекислый газ СО₂. Углекислый газ формально не является вредным выбросом, поскольку не вступает в фотохимические реакции и не образует смога, а при определенных концентрациях даже оказывает положительное воздействие на флору.

Однако двуокись углерода является хорошим поглотителем инфракрасного излучения и повышает температуру атмосферы. С 1957 года (Международный геофизический год) проводятся тщательные измерения концентрации СО₂ в атмосфере[5]. По данным этих исследований, около половины выбросов углекислого газа накапливается в атмосфере. Таким образом, при сохранении тенденции роста энергетики на ископаемом углеродном топливе, концентрация двуокиси углерода до середины нынешнего столетия возрастет в 4 раза /8/. Пока не выяснено, смогут ли флора и океаны самортизировать такое увеличение, но что оно заметно отразится на тепловом балансе Земного шара – бесспорно.

То же самое относится и к парам и молекулам воды, которые в избытке выделяются в результате работы градирен тепловых электростанций и в ходе сжигания углеводородов. Тепловая электростанция мощностью 1000 МВт ежесуточно превращает в пар 38 тыс. м ³ воды, что равно суточному потреблению города с населением около 1 млн. человек. Водяные пары в атмосфере (особенно в виде облаков) существенно изменяют альбедо Земли.

Кроме влияния на тепловой баланс, традиционная энергетика загрязняет атмосферу. Наиболее массовым вредным выбросом является окись углерода СО. Ежегодное поступление в атмосферу окиси углерода составляет более 100 млн. тонн, причем менее десятой части этой массы обусловлено лесными пожарами, а источники остального поступления являются искусственными. Окись углерода наиболее интенсивно выделяется двигателями внутреннего сгорания транспортных средств и передвижных электростанций. Участие в этом загрязнении крупных электростанций менее значительно.

Следует отметить, что влияния на тепловой баланс планеты окись углерода практически не оказывает, но при высоких концентрациях оказывает существенный вред для здоровья.

Для объективности заметим, что в настоящее время в атмосфере, видимо, достаточно естественных поглотителей окиси углерода, так как его концентрация не увеличивалась при увеличении концентрации углекислого газа. В этой связи, окись углерода сейчас представляет только локальную угрозу в местах его интенсивного выделения. Однако его естественные поглотители неизвестны. Если в результате увеличения температуры эти неизвестные поглотители окиси углерода будут ущемлены, то его нарастающий выброс приведет к катастрофе. Кроме того, существуют опасения, что окись углерода может проникать в стратосферу и вступать в реакции с озоном, что приведет к крайне тяжелым последствиям.

В процессе сжигания органического топлива выделяются и другие газообразные элементы, такие, как окислы серы и азота. Эти соединения играют важную роль в образовании смога. Кроме того, соединяясь с водой, они образуют соответствующие кислоты, для которых характерна большая гигроскопичность. Конденсируя пары воды и растворяясь в конденсате, они являются причиной столь участившихся в последнее время кислотных дождей.

Кроме влияния на атмосферу, традиционная энергетика влияет и на геосферу. Это влияние связано с добычей топлива из недр Земли. Рассмотрим, в этой связи, некоторые распространенные способы добычи нефти. Примерно до конца девятнадцатого века нефть добывалась путем бурения нефтяных скважин и непосредственной выкачки нефти (часто – под естественным давлением). По мере увеличения глубины нефтяных скважин, затраты на добычу нефти по сравнению с ее оптовыми ценами росли опережающими темпами. В этой связи, преимущество стали получать способы, так называемого выдавливания нефти граничащими с ней средами (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. Способ добычи нефти выдавливанием

Этот способ предполагает закачку близлежащей (например, грунтовой или артезианской) воды и воздуха атмосферы в бассейн месторождения нефти (в зону содержания воды и газа соответственно). Избыточное давление воды и газа выдавливает нефть на поверхность. В нашей стране такие способы имею место в северных нефтяных районах.

Такая добыча нефти, имея явные технико-экономические преимущества (нет необходимости в опускании погружных насосов с силовым кабелем, создании нескольких уровней подъема и т.д.), оказывает влияние на геосферу. Это влияние заключается в размывании верхнего горизонта. При этом расширяются каналы хода воды, что приводит к перераспределению грунтовых и близко лежащих вод, то есть, к повышению или понижению их уровня. Такое перераспределение создает проблемы в сельскохозяйственном производстве, строительстве и быту.

Опасна, с экологической точки зрения, также добыча нефти с морских платформ и транспортировка танкерами. Многочисленные аварии танкеров и опрокидывания платформ уже нанесли ощутимый вред акватории и прибрежным районам. Показательным примером может быть катастрофа с танкером "Prestig" у берегов Испании.

Некоторые авторитетные и независимые международные организации на основании проведенных исследований предполагают, что, при сохранении темпов использования ископаемого топлива, катастрофические экологические изменения могут наступить уже в двадцать первом веке. Для объективности следует отметить, что такие утверждения базируются тоже на результатах теоретических исследований и машинного моделирования. Тем не менее, практически установленный факт того, что любые преобразования ископаемого топлива для производства энергии приводят к различным загрязнениям окружающей среды (включая атмосферу, геосферу, гидросферу и биосферу), не дает повода для сомнений в качестве прогноза крупных экологических проблем.

В заключение отметим, что экологическую чистоту традиционных источников энергии можно повысить путем совершенствования фильтров и ловушек вредных выбросов, повышения уровня защиты АЭС, увеличения эффективности утилизации ядерных отходов, что, однако, потребует значительных затрат. Уменьшить влияние традиционных источников энергии на тепловой баланс Земли можно только путем сокращения масштабов их применения, так как тепло, в конце концов, все равно попадает в окружающую среду.

Проблемы использования нетрадиционных источников энергии

Характерной особенностью большинства нетрадиционных и возобновляемых источников энергии является их низкая плотность и неуправляемость. Исключение составляют гидроэнергия рек, биотопливо и приливы. Это создает проблемы их применения в большой энергетике и должно учитываться при определении условий эффективного применения возобновляемых источников энергии.

Возобновляемые источники энергии, совершенно очевидно, не подвержены истощению, следовательно, эта часть энергетической проблемы может быть устранена. Кроме того, считается, что возобновляемые источники энергии практически не оказывают вредного влияния на экологию. Однако к этому утверждению следует относиться весьма осторожно. Так создание мощных системных электростанций даже на таких “чистых” возобновляемых источниках энергии, какими являются солнечное излучение или ветер, может оказать заметное влияние на изменение климата (по крайней мере, локальное). Причинами могут стать изменение альбедо поверхности Земли в месте расположения большого количества солнечных коллекторов, или изменение ветровых потоков в местах расположения мощных многоагрегатных ветровых электростанций. Использование небольших электростанций на возобновляемых источниках энергии, рассредоточенных на большой территории, не может привести к экологическим изменениям (исключение могут составить электростанции, использующие биотопливо при неправильном его получении и гидроэлектростанции).

Таким образом, широкомасштабное применение возобновляемых источников энергии позволило бы предотвратить или существенно смягчить назревающие проблемы энергетики. Однако массовое применение возобновляемых источников энергии для энергоснабжения тоже встречается с рядом проблем, в основном технико-экономического характера. Так электроэнергия, получаемая от возобновляемых источников энергии, в настоящее время достаточно дорогая, и ее стоимость в большинстве случаев превышает стоимость электроэнергии, получаемой традиционными способами. Это приводит к тому, что применение преобразователей энергии возобновляемых источников в энергосистемах (в качестве разгрузочных источников электроснабжения) в настоящее время может оказаться экономически невыгодным. То есть, экономия электроэнергии, получаемая за счет использования возобновляемых источников энергии, не превышает затрат на сооружение энергоустановок на основе ВИЭ.

Мало того, некоторые расчеты показывают, что глобальная замена традиционных источников энергии на возобновляемые встречается с очень принципиальными проблемами.

Так, например, для удовлетворения всех потребностей человечества в тепле только за счет энергии солнечного излучения, под солнечными коллекторами потребуется занять площадь порядка 130 тыс. км² /6/. Кроме того, это будет связано с очень большими материальными затратами. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 100 км², требует примерно 10⁸ тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы алюминия оцениваются в 1,17·10⁹ тонн.

Если же предположить, что все потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечного излучения, то потребуется площадь от 1 до 3 млн. км². В то же время площадь пахотных земель в Мире составляет примерно 13 млн. км².

Заметим, что эти расчеты неизбежно изменяться в будущем в пользу солнечных энергоустановок, за счет разведки новых месторождений алюминия, замены его другими материалами (в том числе и искусственными полимерными), повышения к.п.д. солнечных преобразователей, использования "занятых" площадей, например крыш зданий, охранных территорий и т.п. Кроме того, необходимо учесть сокращение расходов алюминия на производство электропроводов.

Тем не менее, даже с учетом возможных улучшений, реально в этом столетии можно ожидать некоторое увеличение доли атомных электростанций (в 2 – 2,5 раза), некоторое уменьшение топливных электростанций (причем с заметным уменьшением доли нефтепродуктов), и увеличение доли возобновляемых источников энергии до 20 – 25%. То есть, централизованное электроснабжение будет иметь традиционное состояние (с увеличением доли природного газа, атомного топлива, угля), но с некоторым увеличением возобновляемых источников энергии.

Однако следует отметить, что для некоторых объектов, удаленных от энергосистем на значительные расстояния, возможно только автономное электроснабжение, так как подключение их к централизованной системе требует больших капитальных затрат, связанных со строительством и эксплуатацией протяженных линий электропередачи. Для таких объектов стоимость электроэнергии, получаемой от возобновляемых источников энергии, становится соизмеримой со стоимостью электроэнергии, получаемой от энергосистем, и этот фактор перестает быть сдерживающим для применения возобновляемых источников энергии. Кроме того, автономные топливные электростанции имеют более низкое качество электроэнергии, и в этой связи энергоустановки на возобновляемых источниках энергии приобретают бόльшие перспективы выдержать конкуренцию.

Тем не менее, применение возобновляемых источников энергии для электроснабжения удаленных объектов все же остается проблематичным. Остаются такие препятствия, как малая плотность энергии многих возобновляемых источников, их нерегулярность и неуправляемость.

Малая плотность возобновляемых источников энергии в настоящее время создает практически непреодолимые препятствия при электроснабжении мощных потребителей с экономической точки зрения. Мощные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии в настоящее время весьма дорогие и, тем не менее, не могут обеспечить высокую надежность электроснабжения в автономном режиме.

Следует отметить, что надежность автономного электроснабжения может быть увеличена за счет повышения мощности электростанций и применения аккумуляторов энергии. Однако это неблагоприятно скажется на стоимости электроэнергии.

Проблему малой плотности возобновляемых источников энергии усугубляют низкие к.п.д. многих преобразователей энергии. Так, к.п.д. современных фотоэлектрических преобразователей энергии солнечного излучения, самого мощного вида энергии возобновляемых источников, не превышает 27% для лабораторных условий. Коммерческие установки на фотоэлектрических преобразователях имеют к.п.д. всего 10 – 14%.

При использовании возобновляемых источников энергии совместно с традиционными источниками энергии в единой энергосистеме проблема нерегулярности поступления мощности от ВИЭ в значительной степени устраняется за счет размещения нетрадиционных энергоустановок в разных климатических зонах и использовании их в качестве разгрузочных. Однако при этом возникают проблемы обеспечения необходимого качества получаемой электроэнергии. Эти проблемы объясняются сильной неравномерностью поступления энергии в энергетические периоды. Так ветер над материками обладает значительной порывистостью, что требует специальных мер по поддержанию частоты вращения генераторов переменного тока, солнечное излучение имеет сильную зависимость от состояния атмосферы.

Гидроэнергия и биотопливо свободны от проблем нерегулярности и неуправляемости, однако, их использование может породить проблемы экологического характера. Эти проблемы обусловлены следующими обстоятельствами.

Для повышения плотности гидроэнергии рек строятся специальные сооружения (рисунок 2.2), обеспечивающие накопление энергии перед ее использованием и увеличивающие энергетический потенциал в период ее использования.

Рисунок 2.2. Схема гидроэлектростанции

1 – искусственный водоем с большим объемом воды, 2 – плотина, 3 – гидротурбина, h – уровень воды перед водоемом, H – уровень воды над турбиной. H >> h

Накопление энергии производится за счет увеличения объема воды перед ее подачей на гидротурбину генератора. Это возможно путем создания препятствия естественному течению воды в виде плотины, то есть создания искусственного водоема. Повышение потенциала происходит за счет повышения уровня сбрасываемой на гидротурбину воды, что тоже обеспечивается искусственно созданной плотиной.

Таким образом, гидроэлектростанции требую затопления больших территорий, часто сельскохозяйственных угодий или лесных массивов. При строительстве гидроэлектростанций на реках с малыми течениями (малым уклоном) под водохранилища отводятся особенно большие площади для получения приемлемых энергетических параметров гидроэлектростанции. Большие, искусственно созданные, поверхности открытой воды в результате ее испарения оказывают локальное влияние на состав атмосферы и ее температуру. Концентрация огромных масс воды может приводить к перераспределению грунтовых вод, ухудшая водный баланс почв и ухудшая условия жизни в ближайших населенных пунктах. Наконец, плотины могут стать препятствием движению нерестовых рыб. Кроме того, для сохранения судоходства приходится строить систему шлюзов.

Все это не только отрицательно сказывается на экологии, но и на стоимости вырабатываемой на гидроэлектростанциях электроэнергии.

Наряду с перечисленными отрицательными явлениями строительство гидроэлектростанций имеет и сопутствующие положительные экономические аспекты. Так, водохранилища позволяют внедрять оросительную систему земледелия в засушливых районах. Наличие водохранилищ создает условия для шлюзования и соединения судоходными каналами рек, протекающих на разных уровнях.

На первый взгляд использование биотоплива не может оказывать отрицательного влияния на экологию, так как продукты его сгорания органического происхождения и возвращаются в естественную биосферу. Однако это не всегда так. Если биотопливо использовать с высокой интенсивностью, то естественное его восполнение будет отставать от искусственного расходования, что может привести к истощению биомассы. Зеленая биомасса (флора) участвует в газовом балансе атмосферы Земли, и ее ущербление приведет к негативным экологическим последствиям.

Кроме того, интенсивное использование биотоплива требует смещения производства растительной продукции от продовольственного и социального направления к энергетическому. То есть, при искусственном выращивании биотоплива потребуется уменьшать площади сельхозугодий под традиционными культурами продовольственного и социально-технического назначения.

Считается, что при производстве биотоплива можно получать полезный побочный продукт – питательные органические удобрения. Однако производство биотоплива обычно производится в анаэробных условиях (с ограничением кислорода воздуха). Полученный таким образом побочный продукт в виде твердого остатка после выделения биогаза имеет повышенную кислотность и его применение будет закислять почву. Альтернативный вариант использования пожнивных остатков растительной продукции в виде сидеральных удобрений имеет явные преимущества, так как запаханная не переработанная масса является более ценным удобрением и не закисляет почву.

Тем не менее, учитывая, что у нас в стране и в Мире очень много биомассы в виде различных отходов сжигается без использования получаемого тепла, производство биотоплива следует считать полезным, но само производство необходимо вести с учетом альтернативных вариантов использования земельных площадей и биомассы.

В заключении анализа ВИЭ кратко охарактеризуем особенности применения геотермальной энергии и энергии приливов.

Геотермальная энергия при ее использовании не оказывает отрицательного влияния на экологию, так как ее тепло является низкотемпературным и не нарушает естественный тепловой баланс. Недостатком применения этого вида энергии является то, что на территории Казахстана она доступна в малозаселенных местах и полученное тепло придется транспортировать на значительные расстояния к месту его потребления.

Энергия приливов является наиболее регулярной из всех видов нетрадиционной энергии, поэтому приливные электростанции легко рассчитываются и управляются. Предположительно приливные электростанции не могут нарушать экологию. Однако мест, где могут быть построены приливные электростанции, на Земле не много, что не позволяет предположить значительной доли энергии приливов в мировой и отечественной энергетике.

Лекция 3