«В. А. Маляренко ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Харьков Издательство САГА 2008 УДК 625.311:502.5 М21 Рекомендовано Ученым Советом Харьковской национальной академии городского хозяйства ...»

СЕРІЯ

НАУКОВО-ТЕХНІЧНА ОСВІТА:

ЕНЕРГЕТИКА, ДОВКІЛЛЯ, ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ

министерство образования и науки украины

Харьковская наЦионаЛьная академия городского Хозяйства

В. А. Маляренко

ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ

ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Харьков Издательство САГА 2008 УДК 625.311:502.5 М21 Рекомендовано Ученым Советом Харьковской национальной академии городского хозяйства (Протокол № 3 от 29 декабря 2000 г.) Рецензенты:

заведующий кафедрой теплогазоснабжения, вентиляции и ТГВ Харьковского государственного университета строительства и архитектуры д. т. н., профессор А. Ф. Редько заведующий кафедрой электрических станций Национального технического университета «ХПИ», профессор В. У. Кизилов Маляренко В. А.

М21 Введение в инженерную экологию энергетики. Учебное пособие. – Второе издание– Х.: Издательство САГА, 2008. – с. з ил.

ISBN 978-966-2918-63-2.

Изложены общие сведения об энергетике, ее роли в жизни человечества, состоянии и перспективах развития топливноэнергетического комплекса, базовых и альтернативных источниках энергии.

Рассмотрены основные аспекты взаимодействия энергетических объектов и окружающей среды, а также главные направления уменьшения негативного воздействия энергетики на экологию, в том числе, такие как энергосбережение, энергетический аудит и менеджмент.

Для студентов, аспирантов, преподавателей, научных и инженерно-технических работников.

ISBN 978-966-2918-63-2 © Маляренко В. А., © Издательство САГА,

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОмУ ИзДАНИЮ

С момента выхода в свет первого издания [1] прошло почти десять лет. Автор долго раздумывал: стоит ли публиковать то, что было написано на пороге третьего тысячелетия? Может быть, следует исправить, внести соответствующие дополнения? Однако, при более детальном размышлении, пришел к выводу: пусть все останется так, как данная проблема виделась в то время. Тем более, что за прошедшие годы ситуация во взаимоотношениях «энергетикаэкология» не изменилась к лучшему. Мало того, она обострилась и приняла ещё более угрожающий характер.

В чём же причины? Отметим лишь главные из них. С одной стороны, резкий рост количества энергии, производимой странами «третьего мира», в первую очередь, такими как Китай и Индия, растущая глобализация и нежелание «цивилизованного мира» делиться с развивающимися странами «благами цивилизации», основой которых является энергетика, энергопроизводство и энергоснабжение. С другой, ограниченность углеводородного сырья, постоянный рост цен на первичные энергетические ресурсы, такие как нефть, природный газ и, как следствие, на конечные энергоресурсы – электрическую и тепловую энергию. И все это в условиях функционирования энергетических систем, установок и оборудования, которые нуждаются не только в совершенствовании и модернизации, но и в поиске новых альтернативных энерготехнологических решений.

Не менее важную роль играет недостаточно активная пропаганда знаний в области производства и потребления энергии, а также разъяснение связанных с этим негативных экологических последствий. К сожалению, приходится констатировать отсутствие должной экологической культуры у основной массы потребителей энергии, в том числе, у значительной части лиц, обличенных властью, материальными и финансовыми ресурсами, осознание того бесВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ спорного факта, что «терпение природы» не безгранично: человечество фактически подошло к грани, за которой последствия техногенной деятельности и воздействия на экологию могут принять необратимый характер.

Развитие современного техногеза связано с ростом народонаселения, экономики и, особенно, энергетики. Цивилизация активно влияет на атмосферу, выжигая свободный кислород, производя и выделяя огромные количества «парниковых» газов, в частности, СО при употреблении первичного органического топлива. Для того, чтобы осознать масштабы этого влияния, достаточно отметить следующий факт. Если в 1900 году всей мировой экономикой было сожжено примерно 4·1011 кг угля и нефти, то в течении ХХ века потребление углеводородного топлива возросло более, чем в 30 раз и к концу столетия превысило 12·1012 кг в год.

И это при том, что коэффициент полезного действия большинства энерготехнологий не превышает 30–40 %. Как следствие, значительная часть энергии и энтропии энергетических производств поставляется в окружающую природную среду. В результате нарушается равновесие планеты как термодинамической системы, сложившееся на протяжении предшествующих десятков тысяч лет, в которую вносится беспорядок и хаос за счет уменьшения свободной энергии и увеличения энтропии.

Таким образом, если вернуться к содержанию первого издания «Введения в инженерную экологию энергетики», то оно ни в коей мере не устарело: все затронутые вопросы остались такими же актуальными и злободневными.

Несколько слов о предыстории написания данной работы. Первая редакция книги предполагалась как конспект лекций базового курса «Энергетика и экология» в рамках совместного проекта Европейского Сообщества TEMPUS–TAСIS Joint European Project T JEP-10485– «Environment and Energy», который выполнялся Харьковской национальной академией городского хозяйства (Украина) совместно с Политехническим университетом г. Вааса (Финляндия) и университетом Аберти г. Данди (Великобритания, Шотландия).

Результатом явилась разработка единых учебных программ подготовки студентов технических вузов в направлении «Энергетика и

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

экология», адаптируемых к условиям Украины и стран ЕС. С целью их практической реализации в учебном процессе стран – участников проекта был разработан и опубликован ряд учебных пособий для студентов и аспирантов специальностей «Энергетика» и «Экология и охрана окружающей среды» [2–7].

Цель, поставленная в проекте, была достигнута и, казалось, на этом можно было поставить точку. Однако, важность рассматриваемой проблемы и отсутствие в Украине достаточного количества научной и учебной литературы, посвященной этой проблеме, заставили автора как самостоятельно, так и совместно с коллегами, вновь и вновь возвращаться к ней. Результатом явились опубликованные в последние годы монографии, учебники, учебные пособия и статьи, в которых в той или иной мере затронуты и рассмотрены экологические аспекты энергетики и энергетические аспекты экологии [70–90].

Итогом проведенной работы явилось издание по инициативе «Издательства САГА» и Центра энергосберегающих технологий ХНАГХ научно – технической серии «Енергетика. Довкілля.

Енергозбереження».

В данную серию для общего ознакомления с рассматриваемой проблемой вошло и предлагаемое вниманию читателя второе издание «Введения в инженерную экологию энергетики», минимально переработанное и дополненное, главным образом, фактическим материалом, характеризующим состоянием мировой энергетики и Украины, в частности, после 2000 года [63–66, 91–93].

Основные экологические аспекты энергетики и энергетические аспекты экологии, затронутые в данном издании, более детально рассмотрены в указанных выше работах, в том числе, предлагаемых серией «Енергетика. Довкілля. Енергозбереження».

Со всеми вопросами, предложениями и пожеланиями просьба обращаться по адресу:

E-mail:[email protected]; [email protected];

E-mail:[email protected];

6 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

ВВЕДЕНИЕ

«Экология» породил «экологизацию» современных научных дисциплин и стал «Тепловое загрязнение» планеты, «парниковый эффект», «кислородное голодание», кислотные дожди, истощение озонового слоя, масштабные загрязнения токсичными химическими веществами и радионуклидами, быстрое сокращение биологического разнообразия – вот далеко не полный набор бедствий, которыми человечество расплачивается за представленный цивилизацией комфорт. В основе этого комфорта и всех связанных с ним негативных последствий лежит, в первую очередь, производство и использование энергии, преобразование ее из одной формы в другую, реализуемое объектами топливно-энергетического комплекса.

На современном этапе развития человечества проблема взаимодействия энергетики и окружающей среды приобретает новые черты, распространяя влияние на огромные территории, большинство рек и озер, громадные объемы атмосферы и гидросферы Земли. Еще более значительные масштабы развития энергоснабжения и энергопотребления в обозримом будущем предопределяют дальнейший интенсивный рост их разнообразных воздействий на все компоненты окружающей природной среды в глобальном масштабе.

С развитием атомной энергетики возникли принципиально новые проблемы взаимодействия энергетики с окружающей средой.

Конец ХХ века ознаменован энергетической катастрофой планетарного масштаба – аварией на Чернобыльской АЭС, которая, пожаВВЕДЕНИЕ луй, впервые заставила человечество задуматься: «Куда ведет мир погоня за Энергией? Где предел все возрастающей погони за первичными энергоресурсами и постоянного наращивания энергетических мощностей, их воздействия на окружающую среду?»

К сожалению, в последнее время это взаимодействие стало приобретать угрожающий характер. Научно-техническая революция, ставшая возможной в результате великих открытий в биологии, химии, физике и многих других науках, намного расширила возможности интенсивного использования природных ресурсов. В то же время она усложнила и все более возрастающими темпами продолжает усложнять взаимодействие Человека с окружающей средой, внося заметные и непредвиденные изменения в экологические системы, в регуляцию биосферы в целом.

Биолог Н. Реймерс утверждает: «Нас (человечество) сейчас отделяет от тепловой смерти лишь один порядок величин. Будем использовать в 10 раз больше энергии, чем сейчас, погибнем». В последние годы ученые мира со все большим беспокойством говорят о повышении концентрации СО2 в атмосфере, следствием чего является «парниковый эффект» – повышение температуры Земли.

Если эти опасения подтвердятся, человечеству в не таком уж отдаленном будущем придется резко ограничить потребление углеродосодержащих топлив. Кроме выбросов СО2, топливосжигающие и теплоэнергетические установки производят тепловые (выбросы нагретой воды и газов) и химические (оксиды серы и азота) загрязнения, золу и сажу, которые с увеличением масштаба производства также создают серьезные проблемы. Исключить эти выбросы или хотя бы свести к минимуму можно только на основе глубокого понимания процессов преобразования энергии на всех этапах цепи «источник – потребитель», начиная с добычи первичных энергоресурсов и заканчивая использованием энергии в ее конечном виде.

Фактически экология поставила человечество перед необходимостью перехода к «безотходному» энергопроизводству.

Другой важнейшей стороной проблемы взаимодействия энергетики и окружающей среды в новых условиях является определяющая роль природной среды в решении практических задач энергоснабжения (выбора типа энергетических установок, дислокации

8 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

предприятий, единичных мощностей энергетического оборудования и энергоресурсов, учет их влияния на окружающую среду, применение энергосберегающих технологий и мероприятий и др).

Как видим, проблема взаимодействия энергетики и окружающей среды является весьма многосторонней. Она находится в авангарде научно-технической мысли и требует к себе особого внимания.

Сложившаяся на границе тысячелетий ситуация может рассматриваться как предельно конфликтная с окружающей природной средой. Поэтому экологические аспекты энергетики и энергетические аспекты экологии, принципы взаимозависимости и гармонии человека и природы, должны учитываться на всех этапах научнотехнического прогресса. Отсюда следует прямая связь экологии с хозяйственной деятельностью человека, особенно с такими масштабными производствами как энергетика, топливно- и ресурсодобывающие комплексы, транспорт, сельское хозяйство и др. Именно экология призвана стать основой оптимизации взаимоотношений хозяйственной деятельности человека с биосферой, а экологические занятия – насущной необходимостью сегодняшнего дня.

Специфика современной экологии заключается в том, что из строго биологической науки она превратилась в цикл знаний, выбравших в себя, по сути дела, разделы всех известных научных дисциплин.

Появились новые научно-практические дисциплины на стыке экологии и сферы практической деятельности человека, объединенные термином «прикладная экология». Изучение взаимодействия процесса общественного производства с окружающей средой привело к развитию нового научного направления на стыке технических, естественных и социальных наук, называемого инженерной экологией. Важной особенностью инженерно-экологических исследований является их прикладной характер. Экология здесь является теоретической базой, устанавливающей ограничения на параметры производства, а инженерные дисциплины – базой реализации технических решений по данному производству для выполнения экологических ограничений.

Таким образом, прикладная (инженерная) экология в отличие от всех других научных дисциплин, изучающих взаимодействие общества с природой, базируется на полном и глубоком знании технологии производства. Это в полной мере относится к ее отраслевым составВВЕДЕНИЕ ляющим, в частности, к инженерной экологии энергетики, введение в которую и является предметом данного учебного пособия.

В настоящее время возросла потребность в специалистах энергетического и экологического профиля, обладающих соответствующим объемом знаний воспитанных и обученных с учетом новых подходов к решению экологических проблем энергетики. Последнее, в свою очередь, возможно лишь при условии наличия соответствующих учебников и учебных пособий.

Настоящее учебное пособие содержит информацию о роли энергетики в жизни человечества, состоянии и перспективах развития топливно-энергетического комплекса, традиционных и альтернативных источниках энергии. Рассмотрены главные аспекты взаимодействия объектов энергетики и окружающей среды, а также основные направления уменьшения возможных негативных последствий, в первую очередь, такие основополагающие, как энергосбережение, энергетический аудит и менеджмент.

При написании настоящего учебного пособия использован отечественный и зарубежный опыт преподавания энерго- экологических дисциплин, в том числе, с учетом тенденций и направлений развития энергетики на современном этапе как в Украине, так и в передовых странах Западной Европы.

Учебное пособие подготовлено при частичной поддержке Европейского союза в рамках образовательного проекта TEMPUS-TACIS.

Master’s Degree Programme TEMPUS-TACIS Joint European

Title: INTRODUCTION TO THE ENVIRONMENTAL

ENGINEERING &MANAGEMENT FOR ENERGY

Optional; letters «EE» mean «Environment and Energy», the first digit means year of studying, the second digit -number of credits, the next two digits – the order number of the module in the Decree Programme: the last digit means

10 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Description: The module is a part of the bachelor degree Aims: To get understood energy fundamentals of the and non-traditional, renewable and non-renewable Learning outcomes:

distinguish between traditional and non-traditional, Master’s Degree Programme TEMPUS-TACIS Joint European

ВВЕДЕНИЕ

Module syllabus Energy and Life. Energy and Civilization. Main stages of use of natural energy sources and development of power engineering. Limits of growth. Global aspects of energy Basic terms. Chains of energy transformation. The fuel Natural sources. Organic fuel: origin, composition, combustion and its toxic products, environmental aspects.

Energy generating facilities. Heat power stations.

Nuclear power stations. Hydraulic power stations. Small power generating facilities. Structure of primary energy traditional power engineering. Basic principles. Heat power engineering and the environment. Nuclear power engineering and the environment. Hydraulic power Non-traditional and renewable energy sources Solar energy. Wind energy. Hydraulic power engineering on small rivers and other watercourses. Bio-energy.

Geothermal energy. Secondary renewable energy sources. Environmental aspects of non-traditional power Energy and the Environmental Situation Energy and An integrated utilising primary and secondary energy Efficiency of energy use. Improvement of existing energy generating processes and facilities. Searching for more effective ways and facilities of energy transformation.

Prospects in power engineering. Environmental

12 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Раздел 1.

ЭНЕРГЕТИКА И бУДУщЕЕ зЕмЛИ одно из замечательных явлений природы, зависящих от постоянного притока концентрированной энергии солнечного излучения».

1.1. ОснОвные пОнятия и Определения 1.1.1. Энергия и Энергетика максимальная эффективность достигается в районах, где v > 5 м/с.

К таким районам относятся Азово – Приднечерноморская зона, Донецкая, Луганская, Запорожская область, район Карпат. Здесь наблюдается максимум возможного использования энергии ветра: время работы ветродвигателя приближается к 600 ч/месяц.

Минимальная энергия ветра приходится на среднее течение Днепра и северо-западную часть Украины (январь – 500 часов). Простые расчеты показали, что в приморской зоне Украины, в Донбассе и Южной части степей ВЭУ будут работать 180200 полных рабочих дней при скорости ветра v = 5 м/с. Соответственно, запасы ветровой энергии составят 22,5 тыс. кВт – год/м2. Анализ данных по ветровой эффективности Украины свидетельствует о больших потенциальных возможностях и необходимости развития ветроэнергетики для элекро- и теплоснабжения, в первую очередь, автономных сельРАЗДЕЛ 7. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ скохозяйственных потребителей. ВЭР мощностью до 10 кВт достаточно для обеспечения энергией подсобного хозяйства. Серия установок общей мощностью 150–200 кВт обеспечит 50% потребности в электроэнергии поселка с населением 1000 человек, позволит сэкономить до 300 тыс. кВт в год. Установка мощностью 50 60 кВт решит остальные проблемы его энергоснабжения (теплом, водой и т.д.), при этом экономится еще до 200 тыс. кВт/год электроэнергии.

Пример ветроагрегатов и установок для тепло- и электроснабжения. Энергию ветра для теплоснабжения наиболее перспективно использовать автономным потребителям, особенно в сельской местности. В небольшом индивидуальном фермерском хозяйстве рентабельно применять автономные маломощные (до 10 кВт) ветроэнергетические агрегаты. Подобное хозяйство потребляет за год 3000 кВтч электроэнергии. Если используется электроотопление, расходы возрастают до 20 000 кВтч. При среднегодовой мощности 10 кВт за 2000 часов ветроагрегат вырабатывает электроэнергии, достаточной для обеспечения всех потребностей данного хозяйства.

Ветроагрегаты могут работать в комплексе с гелиоустановками и аккумуляторами тепла. Возможно их применение и для прямого производства тепла на основе использования гидродинамических теплогенераторных (ТГ) установок. В этом случае применение механического привода от ветроустановки позволяет упростить технологию производства тепла и организовать движение теплоносителя в системе теплоснабжения. Гидродинамические теплогенераторы могут работать непосредственно от электроэнергии вырабатываемой ветроустановкой.

Для получения электроэнергии предлагается ветротурбина мощностью 10 кВт, генерирующая около 1900 кВтч электроэнергии в месяц (средний дом потребляет от 700 до 1200 кВтч в месяц).

Генерируется постоянный ток при скорости ветра от 7 до 10 м/с, которая передается по проводам на инвертор, где преобразуется в переменный ток со стандартным напряжением и частотой (220 В, 50 Гц). Ток поступает в домашнюю сеть и используется для питания потребителей (телевизора, холодильника, стиральной машины и других бытовых приборов). Излишек электроэнергии может быть возвращен в местную электрическую сеть.

166 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Суммарная площадь, на которой целесообразно получение электроэнергии от ветроустановки, составляет около 20% всей площади Украины, а возможный годовой энергетический потенциал эффективного использования ВЭР – 300 600 млрд. кВт.ч электроэнергии.

Для сравнения, всеми электростанциями Украины в 1992 г. произведено 282,6 млрд. кВт.ч электроэнергии. В перспективе объем электроэнергии, производимой ВЭР Украины, может составить 1520% от общего количества, производимого традиционными электростанциями. Следовательно, использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным и привлекательным способом утилизации ветровой энергии. Тем самым она будет способствовать уменьшению отрицательного влияния традиционной энергетики на экологию отдельных регионов, в том числе, таких напряженных, как Донбасс, курортных зон Крыма и, в целом, Черноморского и Азовского побережья.

Автономные ветро-гелиоводородные установки [76]. При всей привлекательности солнечной (гелио-) и ветроэнергетики нельзя не отметить существенный недостаток, связанный с неравномерностью поступления энергии, что обуславливает необходимость поиска рациональных технологий, обеспечивающих выработку энергии в периоды их отсутствия, а, следовательно, создание системы, обеспечивающей аккумулирование и последующую генерацию энергии. Указанные проблемы могут быть решены с помощью автономной ветро-гелиоводородной установки (АВГУ), которая состоит из следующих элементов, взаимоувязанных по своим функциональным параметрам: ветрогенератора (ВЭУ), фотопреобразователя, электолизера для получения водорода и кислорода, системы хранения сжатых газов и топливного элемента.

Проблема нерегулярного поступления энергии решена следующим способом. Полученная от ВЭУ или солнечного преобразователя электрическая энергия поступает в электролизер, обеспечивающий потребление некондиционной электроэнергии.

Это позволяет избежать потребления электроэнергии от сети и открывает широкие перспективы создания автономных энергокомплексов малой и средней мощности для индивидуальных потребителей.

РАЗДЕЛ 7. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

АВГУ с водородным накопителем энергии предназначена для преобразования гелиоинсоляции и энергии ветра при скорости > 3 м/с в электрическую энергию переменного тока напряжением 220/380 В частотой 50 Гц и мощностью 200–600 кВт, а также для производства экологически чистого энергоносителя – водорода в качестве коммерческого продукта. В предлагаемой конструкции электролизера используется новый способ разделения процессов выделения газов (водорода и кислорода) во времени, т. е. процесс работы электролитической системы становится циклическим, состоящим из чередующихся периодов выделения водорода и кислорода.

Разделение во времени процессов газовыделения возможно благодаря накоплению одного из продуктов электролиза воды в электрохимически активном соединении, находящемся в электрохимической ячейке в твердой фазе. Особенностью предлагаемой технологии является то, что используется электрохимическая система регенерации, позволяющая периодически восстанавливать высокую активность губчатых электродов. Вся система работает под высоким (15 МПа) давлением и снабжена специальной системой управления, обеспечивающей надежную и безопасную работу.

По техническому уровню, простоте монтажа и обслуживания, надежности и безопасности подобная установка превосходит традиционные ветроэнергоустановки аналогичной мощности, предлагаемые мировым рынком. Преимущество использования водородного накопителя состоит в том, что он может аккумулировать водород при высоком давлении, а при отсутствии ветра и солнечной инсоляции, вырабатывать электрическую энергию, работая в качестве топливного элемента. Полученный водород можно использовать:

для обогрева теплиц посредством каталитического сжигания;

для обеспечения рабочим телом водород-кислородных горелок для пайки, сварки, резки и термообработки металлоизделий;

для обогрева жилых помещений с помощью каталитических нагревателей;

в качестве моторного топлива;

в качестве газа-наполнителя метеорологических шаров-зондов;

в качестве топлива в электрохимических генераторах.

168 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Эксплуатация комбинированных энергетических АВГУ даже в условиях северо-восточных областей Украины обеспечивает экономию почти трети органического топлива, необходимого для энергоснабжения индивидуальных фермерских хозяйств. Системы аккумулирования повышают коэффициент полезного использования ветровых и солнечных энергоустановок на 30 – 50 %.

Таким образом, минимум треть энергии, которая не могла быть использована, переходит в приемлемое для потребителя качество.

Благодаря этому в комбинированных энергосистемах можно применить энергоустановки на основе возобновляемой энергии меньшей мощности, чем при единичном их использовании. Соответственно, капиталовложения, которые для установок нетрадиционной энергетики в настоящее время достаточно велики, существенно сокращаются.

7.4. малая гидрОЭнергетика В начале 20-х годов в Украине насчитывалось 84 гидроэлектростанции общей мощностью 4000 кВт, в конце 1929 года – уже станций общей мощностью 8400 кВт. В 1934 году введена в эксплуатацию Корсунь – Шевченковская ГЭС (1650 кВт), которая по своим техническим характеристикам была одной из лучших станций того времени.

В этот и послевоенный период электрификация сельского хозяйства основывалась на увеличении мощности и улучшении технико-экономических показателей малых ГЭС, количество которых к началу 50-х годов составило 956 единиц общей мощностью 30 тыс. кВт. С развитием электрификации и централизованного энергоснабжения страны на базе тепло- и гидростанций строительство малых ГЭС было приостановлено.

Опыт зарубежных стран, а также резко изменившаяся экономическая, энергетическая и экологическая ситуация в стране (высокая стоимость и дефицит ТЭР, наметившаяся тенденция к децентралиРАЗДЕЛ 7. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ зации энергоснабжения, переход на рыночные отношения) заставили вновь повернуться лицом к малой гидроэнергетике. Проведенное обследование технического состояния оборудования и сооружений малой ГЭС показал, что на территории Украины сохранилось малых ГЭС, из которых действующих – 49 единиц.

Все малые ГЭС, также как и гидроресурсы в целом, распределены по территории Украины неравномерно: большинство – в центральном и западном регионах. Суммарная мощность составляет 119,2 тыс. кВт (248,9 млн. кВт.ч), из которых 75% размещено на действующих ГЭС.

Общие потенциальные ресурсы 202 основных рек Украины оцениваются в 4880 МВт, а потенциальные ресурсы приток больших рек, средних и малых речек – около 2600 МВт. На них уже создано более 20 тыс. малых и больших водохранилищ. Около 260 водохранилищ имеют емкость 10100 млн. м3, на которых возможно сооружение малых ГЭС с напорами 510 м (единичной мощностью 0,52,0 МВт).

Малая энергетика Украины в связи с ее незначительным удельным весом (до 0,2%) в общем энергобалансе не может существенно влиять на условия энергообеспечения страны, однако позволяет производить около 250 млн. кВт·ч электроэнергии. Это эквивалентно ежегодной экономии до 75 тыс. т дефицитного органического топлива.

Мини - и микро ТЭС могут стать массовыми, равномерно распределенными по территории Украины. Развитие малой гидроэнергетики следует рассматривать как одно из направлений политики энергосбережения и улучшения экологической обстановки в Украине.

Пример использования гидроэнергетических ресурсов. Для автономного и централизованного теплоснабжения возможно использование мини – и микро-ГЭС мощностью 5–100 кВт. Их количество с каждым годом растет, поскольку в настоящее время активно восстанавливаются ГЭС, остановленные в 60–70-е годы прошлого века.

Использование гидроэнергии от мини – и микро-ГЭС для теплоснабжения осуществляется с помощью электроТЭНов, электрокалориферов, электрокотлов и др. Также можно использовать гидродинамические нагреватели с прямым механическим приводом от гидротурбины или с приводом от электрогенератора ГЭС.

170 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

1, 2 – лопасти; 3 – вал; 4 – гибкая передача; 5 – редуктор;

6 – электрогенератор; 7 – платформа; 8 – понтон Современные гидроэнергетические установки разной мощности для мини - и микроГЭС производит известное харьковское предприятие “Турбоатом”. Так, изготавливаются микро-ГЭС мощностью 5 кВт в полной заводской готовности для индивидуальных, в частности, сельских, потребителей. Они пригодны для обогрева помещений объемом 120 м3 с использованием электроотопления.

Энергия текучей среды малых рек с успехом может быть преобразована при помощи микроГЭС для многочисленных индивидуальных потребителей. Например, при скорости течения реки 2 … 3,5 м/с и размерах гидротурбины всего 2,52,5 м мощность установки составит 5…10 кВт. Этого вполне достаточно для обеспечения бытового хозяйства (полива, откорма животных, обогрева дома, теплицы и т. п.). В качестве аналога может служить микроГЭС мощностью 5 кВт, разработанная Харьковским аэрокосмическим университетом «ХАИ» (рис. 7.2) [67–69, 76].

РАЗДЕЛ 7. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Вода при течении со скоростью 1,5…2,5 м/с воздействует на лопасти 1 и 2 гидротурбины, заставляя их вращаться. Момент вращения гидротурбины барабанного типа передается на вал 3, затем через гибкую передачу 4 и редуктор 5 – на электрогенератор 6, который вырабатывает электроэнергию для передачи на берег. Вся установка гидроэлектрогенератора расположена на платформе 7 и понтоне 8.

Если принять диаметр гидротурбины и высоту равными 2 м, то ее мощность при скорости течения V = 2,5 м/с составит 5 кВт.

Данную гидротурбину можно использовать и для водоподачи из реки в усадебный дом. В этом случае момент вращения от турбины передается на вал поршневого насоса, и вода на берег подается по трубам.

7.5. биОЭнергетика Получение энергии из биомассы (древесины, древесных отходов, соломы, навоза, сельскохозяйственных отходов, органической части твердых бытовых отходов) является динамично развивающейся отраслью во многих странах мира. Этому способствуют следующие свойства биомассы (БМ) как топлива: большой потенциал и возобновляемый характер, надежность систем энергоснабжения на ее основе, возможность значительного снижения выбросов СО в атмосферу, значительный вклад в решение экологических проблем за счет использования различных отходов, весомый вклад в решение социальных проблем и экономическое развитие регионов.

В настоящее время БМ покрывает в среднем 15% общего потребления первичных энергоресурсов в мире: в развивающихся странах – 48%, в промышленно развитых странах – в среднем 2-3% (США – 3,2%; Дания – 6%; Австрия – 12%; Швеция – 18%;

Финляндия – 23%) табл.7.6.

Как видим, ресурсы биомассы являются эффективным возобновляемым источником энергии и в различных видах имеются практически во всех регионах. В каждом из них может быть налаВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ жена ее переработка в энергию и топливо. На современном уровне за счет биомассы можно перекрыть 6 – 10% от общего количества энергетических потребностей промышленно развитых стран.

Биомасса, главным образом в форме древесного топлива, является основным источником энергии приблизительно для 2 млрд. человек. Для большинства жителей сельских районов «третьего мира»

она представляет собой единственно доступный источник энергии.

Биомасса как источник энергии играет важнейшую роль и в развитых странах. В целом биомасса дает седьмую часть мирового объема топлива, а по количеству полученной энергии занимает наряду с природным газом третье место. Из биомассы получают в 4 раза больше энергии, чем дает ядерная энергетика.

Таблица 7.6– Уровень развития биоэнергетики в различных странах (конец ХХ ст.) потреблении энергоресурсов Доля различных видов БМ в общей выработке энергии из БМ%:

отходы Стратегия развития биоэнергетики существенно отличается в различных странах ЕС. Так, Австрия и Италия концентрируют свои усилия на строительстве тепловых станций мощностью 0,510,

РАЗДЕЛ 7. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

МВт, использующих в качестве топлива отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности. В Финляндии, Дании и Швеции около 70% полученной из БМ энергии преобразуются в тепловую и электрическую энергию на крупных теплофиакационных ТЭЦ, остальная часть – на больших тепловых станциях. В большинстве случаев это ТЭЦ мощностью 1080 МВт, использующие в качестве первичных энергетических ресурсов БМ и традиционные топлива.

В США почти все станции, работающие на БМ, вырабатывают электроэнергию. Сводные данные о энергетическом использовании БМ в различных странах представлены в табл.7.6.

Наиболее близкой по потенциалу и концепции развития биоэнергетики представляется Дания, поскольку обе страны имеют достаточно малую территорию, покрытую лесом (около 14%), и высокоразвитый сельскохозяйственный сектор. В Дании эксплуатируется 50 тепловых электрических станций и 5 крупных ТЭЦ использующих древесину (в том или ином виде) как топливо; эксплуатируется 8000 фермерских установок (0,11,0 МВт), 62 ТЭС ( МВт) и 9 ТЭЦ, сжигающих солому; действуют 18 централизованных биогазовых установок, вырабатывающих ежегодно 4045 млн.м (0,02 млн.т.н.э) биогаза. В целом, за счет применение биогаза покрывается 6% потребности страны в энергоресурсах. Дания наглядно демонстрирует Украине, какие результаты могут быть достигнуты в данном перспективном направлении.

Действительно, в Украине только на крупных свиноводческих и птицеводческих предприятиях ежегодно образуется более 3 млн. т органических отходов по сухому веществу, переработка которых позволит получить около 1 млн. т у.т. в виде биогаза, что эквивалентно 8 млрд. кВт.ч. электроэнергии. Кроме того, имеется около 2 млн. негазифицированных семейных подворий. Опыт стран, не обеспеченных природным газом, например, КНР, показывает, что отдаленные сельские местности целесообразно газифицировать с помощью малых биоустановок, работающих на органических отходах семейных подворий. Так, внедрение 2 млн. подобных установок в Украине позволило бы получить около 2 млрд. м3 биогаза в год, что эквивалентно 13 млрд. кВт·ч энергии и обеспечило бы семейные усадьбы органическим удобрением в количестве 10 млн. тонн в год.

174 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Полученный практический опыт показал, что производство биогаза является для Украины наиболее перспективным направлением использования энергии биомассы. Главные потенциальные источники, кроме отмеченных выше: городские коммунальные очистные сооружения, органические отходы некоторых промышленных отраслей, полигоны твердых бытовых отходов городов (свалки).

Предварительные оценки потенциальных запасов биогаза (табл.7.7) в Украине свидетельствуют, что при максимальном использовании органических отходов и внедрении современной техники получения биогаза его часть в общем использовании горючих газов может составить около 10%.

Потенциал анаэробной ферментации Украины позволяет покрыть 30% потребности в энергии животноводческих комплексов.

При этом кроме биогаза будут получены высококачественные удобрения.

Если в целом энергетические ресурсы нетрадиционных энергетических источников Украины составляют 78,2 млн.т.у.т./год, то из них на долю биоэнергетики приходится 21,2 млн.т.у.т/год (27% потенциала ВИЭ).

Согласно «Протоколу о совместных усилиях по снижению эмиссии парниковых газов в атмосферу» (г.Кито, Япония, 1997 г.) промышленно развитые страны должны к 2010 г. снизить эмиссию парниковых газов в среднем на 5,2% по сравнению с 1990 г. (страны ЕС – на 8%, США – на 7%, Япония – на 6%). Использование БМ как топлива вносит существенный вклад в решении этого вопроса, так как БМ является СО2 – нейтральной. При ее сжигании выделяется такое же количество СО2, которое было поглощено в процессе ее роста. Если, при сжигании угля выбросы парниковых газов (СО2, СН4, N2O) в пересчете на СО2 – эквивалент составляют около 200 т/ТДж полезной энергии, то при сжигании древесной щепы – всего 10 т/ТДж/кг.

Представленные в табл. 7.7 данные свидетельствуют, что рациональное использование биомассы может обеспечить не менее 10 % потребления энергоносителей. Однако подобное развитие биоэнергетики возможно лишь при условии обеспечения:

Технической базы (обеспечения разработки, изготовления и эксплуатации новых, более совершенных биоустановок).

Таблица 7.7– Энергетический потенциал биомассы в Украине (конец ХХ ст.) культуры а зерно

РАЗДЕЛ 7. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

свекла вещество)

176 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Экономической базы (предоставление беспроцентных ссуд, стимулов, выраженных в виде льготного налогообложения, выделения дотаций на строительство биоустановок, или потребления энергии, выработанной с помощью ВИЭ).

Правовой базы (разработки соответствующей законодательной базы и четкой государственной политики в области нетрадиционных источников энергии).

7.6. геОтермальная Энергетика Начало промышленному освоению геотермальных ресурсов (энергии горячих глубинных вод и пара) было положено в 1916 году, когда в Италии была введена в эксплуатацию первая геотермальная электростанция мощностью 7,5 МВт.

За прошедшее время накоплен значительный опыт в области практического освоения геотермальных энергоресурсов. Общая установленная мощность действующих геотермальных электростанций (ГеоТЭС) составила: 1975 г. – 1278 МВт, в 1990 г. - МВт. Наибольший прогресс достигнут в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии.

Технико-экономические параметры ГеоТЭС изменяются в очень широких пределах и зависят от геологических характеристик месторождения (глубины залегания, параметров рабочего тела, его состава и т.д.). Для большинства введенных в эксплуатацию ГеоТЭС себестоимость электроэнергии приближается к себестоимости электроэнергии, получаемой на угольных ТЭС и составляет 1200 2000 дол. США/кВт.

Украина располагает значительными ресурсами геотермальной энергии, потенциальные запасы которой оцениваются величиной 1022 Дж. Это эквивалентно запасам топлива 3,41011 т.у.т.

Потенциальная мощность ГеоТЭС с учетом извлекаемости запасов и кпд преобразования энергии составляет 230 ГВт.

Приоритетными районами первоочередного строительства являются: Керченский полуостров, Предкарпатье (Львовская область),

РАЗДЕЛ 7. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

отдельные месторождения в Харьковской, Полтавской и Донецкой областях. Значительными ресурсами геотермальной энергии располагает Крым, где наблюдаются наибольшие геотермические градиенты, а температура горных пород в отдельных районах на глубине 3,54 км достигает 160 180°С.

В центральной части Украины только на глубине 1400 м встречаются воды с температурой выше 20°С. Однако в связи с малым дебитом практического значения они не имеют. Частично термальные воды Украины используются для систем геотермального теплоснабжения различных объектов агропромышленного комплекса. Особый интерес в этом плане представляют термальные воды Крыма. По предварительным оценкам только использование потенциала Сивашского водохранилища с температурой 65°С позволит сэкономить 1 млн. т.у.т. Наличие в Закарпатье зон с температурой воды 200°С и пластовым давлением 45 МПа на глубине 4 тыс.

м инициировали исследования по использованию тепла сухих горных пород и строительство Закарпатской ГеоТЭС.

Суммарная мощность ГеоТЭС, предполагаемых к строительству, составляет: с вводом в эксплуатацию в 2000 г. – 60 МВт, в 2005 г. – 270280 МВт, а в 2010 г. – 620650 МВт. Экономия органического топлива за счет эксплуатации ГеоТЭС составит: в 2000 г. – 150 тыс.

т.у.т., в 2005 г. – 460 тыс. т.у.т., в 2010 г. – 1 млн. т.у.т.

Из представленных данных видно, что вовлечение геотермальных источников в систему энергоснабжения способствует улучшению топливно-энергетического баланса, а также снижению негативного влияния традиционной энергетики на экологическую обстановку, в том числе, наиболее напряженных регионов Украины.

7.7. втОричные вОзОбнОвляемые ресурсы (вЭр) ВЭР – энергетический потенциал продукции, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах (установках), который теряется в самом агрегате, но может

178 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

быть частично или полностью использован для энергоснабжения.

Рациональное их использование является одним из крупнейших резервов экономии топлива, способствующих снижению топливои энергоемкости промышленной продукции. Достаточно сказать, что в рамках бывшего Союза потенциальные запасы ВЭР оценивались более чем в 1000 млн. ГДж.

ВЭР могут быть востребованы непосредственно без изменения вида энергоносителя (для удовлетворения потребности в теплоте и топливе) или с изменением вида энергоносителя путем выработки теплоты, электроэнергии, холода или механической работы в утилизационных установках.

Многие отрасли народного хозяйства располагают значительным резервом топливных и тепловых ВЭР, занимающих значительное место в их топливно-энергетическом балансе. Наибольшими тепловыми ВЭР располагают предприятия черной и цветной металлургии, химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, промышленности строительных материалов, газовой промышленности, тяжелого машиностроения.

Именно в этих отраслях широко используется теплота высокого, среднего и низкого потенциалов. Из почти 90% теплоты высокого потенциала ( > 623 К): около 33% идет на плавку, 40% - на нагрев и около 20% - на обжиг руд и минерального сырья. Большая часть теплоты высокого потенциала обеспечивается за счет сжигания различных видов топлива непосредственно в технологических установках.

Теплота среднего (373 – 622 К) и низкого (323 – 423 К) потенциала применяется для теплоснабжения потребителей, требующих повышенных значений температуры и давления. Свыше 90% его полезного потребления расходуется в промышленности (~ 45%) и в жилищно-коммунальном секторе (~ 48,5%). Основными энергоносителями, обеспечивающими энергией средне- и низкотемпературные процессы, являются пар и горячая вода.

Предприятия тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения Украины располагает огромным потенциалом ВЭР в виде физической теплоты уходящих газов мартеновских, нагревательных и термических печей, вагранок, теплоты испарительного

РАЗДЕЛ 7. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

охлаждения печей, теплоты отработанного рабочего тела прессов и молотов.

Имеют вторичные возобновляемые энергоресурсы на предприятиях других отраслей народного хозяйства. Поэтому одной из важнейших задач совершенствования любой отрасли является выявление резервов ВЭР, экономически и экологически обоснованное их использование для целей производства и удовлетворения нужд бытового потребления.

Наряду с повышением эффективности использования топливноэнергетических ресурсов, утилизация ВЭР позволяет снизить воздействие энергоснабжения и энергопотребления на окружающую среду. В частности, уменьшается выброс тепловых отходов (тепловое загрязнение), а также содержание вредных выбросов в продуктах сгорания.

180 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Раздел 8.

ВОзДЕйСТВИЕ ЭНЕРГЕТИчЕСКИХ ОбъЕКТОВ

НА ОКРУЖАЮщУЮ СРЕДУ

8.1. Общие вОпрОсы взаимОдействия традициОннОй Энергетики с Окружающей средОй Под традиционной энергетикой будем понимать энергогенерирующие мощности, которые являются в настоящее время и останутся, как минимум, на ближайшие 20ч50 лет, основой существования и развития цивилизации. Остановимся на той части проблемы, которая связана с энергогенерирующими установками: электростанциями (ТЭС, ГЭС, и АЭС), отопительными и отопительнопроизводственными котельными – главными источниками энергоснабжения.

Воздействие на окружающую среду разных типов энергоустановок различно. Это наглядно видно на рис.8.1 и из табл.8.1., где показана обобщенная схема основных видов воздействия энергетики на окружающую природную среду и ее компоненты.

По данным влияния энергетических объектов на биосферу можно выделить несколько групп наиболее важных взаимодействий энергоустановок с компонентами среды обитания. Основные из них следующие:

Водопотребление и водоиспользование, обуславливающее изменение естественного материального баланса водной среды (перенос солей, питательных веществ и др.)

РАЗДЕЛ 8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

ТЕПЛОВЫЕ СБРОСЫ

Рис. 8.1– Основные виды воздействия энергетики на окружающую Таблица 8.1 – Основные факторы влияния энергетических объектов на компоненты окружающей среды 1. Расход кисло- 1. Выбросы газоо- 1. Испарение вла- 1.Электророда бразных отходов ги с поверхности магнитные поля 2. Выбросы NOx, COx, SOx, H2O, твердых честиц, аэрозолей 3. Тепловое загрязнение

182 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Таблица 8.1 – Продолжение 4. Расход воды 2. Расход воды 2. Изменение 2. Образование 5. Выбросы сточ- 3. Слив радиоак- 3. Гидроных вод тивных отходов геологические 6. Тепловое за-4. Тепловое загрязнение грязнение 7. Изъятие терри- 5. Изменение 4. Изъятие терри- 3. Изъятие территорий ландшафта торий торий 8. Загрязнение 6. Изъятие терри- 5. Изменение 4. Вырубка лесов 9. Изменение 7. Захоронение 6. Изменение сег- 5. Образование Осаждение на поверхности твердых выбросов продуктов сгорания органических топлив из атмосферы, вызывающее изменение свойств воды, ее цветности, альбедо и пр.

Выпадение на поверхность в виде твердых частиц и жидких растворов продуктов выбросов в атмосферу, в том числе: кислот и кислотных остатков; металлов и их соединений, канцерогенных Выбросы непосредственно на поверхность суши и воды продуктов сжигания твердых топлив (зола, шлаки), а также продуктов продувок, очистки поверхностей нагрева (сажа, зола и пр.).

РАЗДЕЛ 8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Выбросы на поверхность воды и суши жидких и твердых топлив при транспортировке, переработке, перегрузке.

Выбросы твердых и жидких радиоактивных отходов, характеризуемые условиями их распространения в гидро- и литосфере.

Выбросы теплоты, следствиями которых могут быть: постоянное локальное повышение температуры в водоеме; временное повышение температуры; изменение условий ледостава, зимнего гидрологического режима; изменение условий паводков; изменение распределений осадков, испарений, туманов.

Создание водохранилищ в долинах рек или с использованием естественного рельефа поверхности, а также создание искусственных прудов-охладителей, что вызывает: изменение качественного и количественного состава речных стоков, изменение гидрологии водного бассейна; увеличение давления на дно, проникновение влаги в разломы коры и изменение сейсмичности;

изменение условий рыболовства, развитие планктона и водной растительности; изменение микроклимата; изменение условий отдыха, спортивных занятий, бальнеологических и других факторов водной среды.

Изменение ландшафта при сооружении разнородных энергетических объектов, потреблении ресурсов литосферы, в том числе: вырубка лесов; изъятие из сельскохозяйственного оборота пахотных земель, лугов; взаимодействие берегов с водохранилищами.

Воздействие выбросов, выносов и изменение характера взаимодействия водных бассейнов с сушей на структуру и свойства континентальных шельфов.

Примесные загрязнения могут суммарно воздействовать на естественный круговорот и материальные балансы тех или иных веществ между гидро-, лито- и атмосферой. Общей для всех источников энергии как традиционной, так и нетрадиционной, является проблема тепловых выбросов.

Все указанные взаимодействия связаны между собой, и каждое из них не может рассматриваться изолированно. Кроме того, механизм взаимодействия в каждой из групп основан на разнородных физических и физико-химических процессах и явлениях.

184 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Разнообразие данных факторов, их взаимосвязь, как с воздушной средой, так и с поверхностью и недрами планеты (табл.8.2), обуславливают необходимость многостороннего анализа, учитывающего данные географии, метереологии, климатологии и других научных дисциплин.

Представленные в табл.8.2. данные позволяют, во-первых, качественно оценить влияние соответствующих факторов, о которых было сказано выше. Во-вторых, из них следует, что при рассмотрении антропогенных и естественных процессов в окружающей среде проявляется взаимосвязь всех видов балансов (лучистой энергии, примесей, твердых частиц, теплоты). А это требует обобщенного системного подхода к рассматриваемой проблеме влияния энергетики на экологию, основанного на детальном анализе всех составляющих данного процесса.

Таблица 8.2 – Изменения элементов климата в районах развитой промышленности в сравнении с естественными.

Наличие в воздухе частиц, являющихся ядрами Наличие в воздухе газовых примесей В 5-25 раз больше Туманы Осадки Относительная влажность:

Суммарное ультрафиолетовое поступление зимой На 30% меньше

РАЗДЕЛ 8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Таблица 8.2 – Продолжение Температура:

Скорость ветра 8. 2. взаимОдействие тЭс с Окружающей средОй Из всех типов электростанций наибольшее отрицательное воздействие на окружающую среду оказывают ТЭС. Это связано, главным образом, с экологическими аспектами сжигания органического топлива.

Учитывая комплексный характер рассматриваемой проблемы, воспользуемся методологией системного анализа взаимодействия энергетики и окружающей среды. В этом случае может быть построена характерная схема, увязывающая все взаимодействия современных ТЭС с окружающей средой с учетом данных об элементарных процессах, происходящих при сжигании топлива и при преобразовании тепловой энергии в механическую работу, а затем в электрическую энергию Такая типовая схема приведена на рис.8.2. Cтрелками показаны направления основных характеристик взаимодействий энергетического оборудования ТЭС с атмо-, гидро- и литосферой. Ископаемое топливо извлекается из недр и после обогащения и переработки подается в топку парогенератора ПГ. Для обеспечения сжигания топлива из атмосферы в топку подается воздух. Образующиеся продукты сгорания передают основную часть теплоты рабочему телу энергетической установки, часть теплоты рассеивается в окружающую среду, а часть уносится с продуктами сгорания в дымовую трубу и далее в атмосферу.

186. ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

. 8.2 Рис. 8.2 – Взаимодействие ТЭС с окружающей средой.

В зависимости от исходного состава топлива продукты сгорания, выбрасываемые в атмосферу, содержат окислы азота (NOx), окислы углерода (СОх), окислы серы (SOx), углеводороды, пары воды и другие вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии, которые являются основными загрязнителями окружающей среды (табл.8.3, 8.4).

Загрязнение атмосферы мелкими твердыми частицами золы связано, главным образом, с использованием в качестве топлива угля, который предварительно измельчается в специальных мельницах. Однако, при правильной организации процесса сжигания и применением современных фильтров с к. п. д. 95-99%, их количество может быть сведено до требуемого минимума.

При сжигании жидкого топлива (мазута) с выбросами в атмосферу поступают: окислы серы и азота, газообразные и твердые продукты неполного сгорания топлива, соединения ванадия.

При сжигании природного газа в атмосферу также попадают окислы азота, но образуется их существенно меньше, чем при сжигаТаблица 8.3 - Основные загрязнители атмосферного воздуха SO NOx

РАЗДЕЛ 8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

CxHy

188 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

нии мазута. Это объясняется не только свойствами самого топлива, но и особенностями процессов сжигания. Очевидно, что природный газ сегодня — наиболее чистый вид энергетического топлива.

Таблица 8.4. Усредненные показатели загрязнения атмосферы ТЭС Одним из факторов воздействия угольных ТЭС на окружающую среду являются выбросы системы складирования, транспортировки, пылеприготовления и золоудаления (пылевое загрязнение, выделение продуктов окисления топлива). По-разному воздействуют на окружающую среду системы удаления твердых компонент продуктов сгорания — шлаков и золы, удаляемых из топки и образующих золошлакоотвалы на поверхности литосферы.

В паропроводах от парогенератора к трубоагрегату Т, как и в корпусах и ресиверах трубогенератора, происходит передача теплоты окружающему воздуху. В конденсаторе К, а также в системе регенеративного подогрева питательной воды, включающей регенеративные водоподогреватели РВП, конденсатные КН и питательные насосы ПН, теплота конденсации и переохлаждения конденсата воспринимается охлаждающей водой, подаваемой циркуляционными насосами ЦН. Преобразование механической работы в электрическую энергию в электрогенераторе Г также сопровождается потерями, которые в конечном счете преобразуются в теплоту, передаваемую атмосферному воздуху. Работа вращающихся механизмов, смесительных аппаратов, трансформаторов связана с распространением в окружающей среде акустических воздействий, а работа трансформаторных подстанций ТП, линий электропередач ЛЭП, как и всех электрических машин, связана

РАЗДЕЛ 8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

с воздействием электромагнитных полей и тепловыделениями в окружающую среду.

Особую группу вод, используемых ТЭС, составляют охлаждающие воды, забираемые из водоемов на охлаждение поверхностных теплообменных аппаратов — конденсаторов паровых турбин, водо-, масло-, газо- и воздухоохладителей. Эти воды могут вносить в водоем большое количество тепла. Так, из конденсаторов турбин отводится приблизительно до двух третей всего количества тепла, получаемого при сгорании топлива. Это намного превосходит сумму тепла, отводимого от других охлаждаемых теплообменников. Поэтому с охлаждением конденсаторов связывают обычно, так называемые, «тепловые загрязнения» водоемов сбросными водами ТЭС и АЭС.

О количестве тепла, отводимого с охлаждающей водой отдельных электростанций, можно судить по установленным энергетическим мощностям. Средний расход охлаждающей воды и количество отводимого тепла, приходящиеся на 1000 МВт мощности, составляют для ТЭС соответственно 30 м3/с и 4500 Гдж/ч, а для АЭС с турбинами насыщенного пара среднего давления — 50 м3/с и 7300 Гдж/ч.

Кроме конденсаторов турбоагрегатов, потребителями охлаждающей воды являются маслоохладители МО, системы слива на поверхность почвы или в гидросферу. Остальные потребители технической воды (системы золо- и шлакоудаления, химводоочистки, охлаждения и промывки оборудования) потребляют около 7% общего расхода воды. В то же время именно эти потребители воды являются основными источниками примесного загрязнения. При промывке поверхностей нагрева котлоагрегатов серийных блоков ТЭС мощностью 300 МВт образуется до 10 000 м3 разбавленных растворов соляной кислоты, едкого натра, аммиака, солей аммония, железа и других веществ.

Как один из компонентов, загрязняющих окружающую среду, рассматривается шумовое воздействие. Энергетическое оборудование, как правило, является источником значительного шума. Однако, основные источники шума — такие, как паровые котлы, турбины, генераторы, редукционно-охладительные устройства, – расположены внутри помещения ТЭС. Поэтому, они, как правило, не оказывают значительного влияния на прилегающую к ТЭС территорию.

190 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

От оборудования, расположенного вне главного корпуса, шум может распространяться за пределы территории станции. Это обстоятельство, характерное для всех типов электростанций, наибольшее значение имеет для ТЭЦ, которые расположены обычно в городском массиве. Их влияние на районы жилой застройки может оказаться существенным.

Источником постоянного шума, оказывающим существенное воздействие на окружающий район, являются тягодутьевые машины, газораспределительные пункты, трансформаторы, градирни, места забора воздуха из атмосферы или на выходе из дымовой трубы. Сильными временными источниками шума являются сбросы продувки пара в атмосферу.

8. 3. взаимОдействие аЭс с Окружающей средОй Особенностью атомной энергетики является небольшой расход ядерного топлива, обеспечивающий выделение огромного количества энергии (тепла). Для АЭС мощностью 1 млн. кВт требуется в сутки всего 3 кг U235 вместо 7100 т.у.т, как для ТЭС такой мощности.

Главное различие между ТЭС и АЭС заключается в том, что в схеме последнего вместо котла, работающего на органическом топливе, имеется атомный реактор, а также специфичный парогенератор особой конструкции. Остальное оборудование, а следовательно, и воздействие этой части АЭС на окружающую среду, не отличается от оборудования ТЭС: паровая турбина, электрический генератор, конденсатор, водяной насос и пр.

Развитие ядерной энергетики Украины базируется на АЭС с реакторами, охлаждаемыми водой под давлением (водо- водяные энергетические реакторы ВВЭР), а также с канальными реакторами, охлаждаемыми кипящей водой (реакторы большей мощности канальные — РБМК). Реакторы типа ВВЭР получили в мировой энергетике наиболее широкое применение (около 60%).

РАЗДЕЛ 8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Конструкция реакторов за последние 25 лет практически не претерпела существенных изменений. Эксплуатируемые в Украине АЭС оборудованы блоками мощностью 440МВт с ВВЭР и 1000МВт с ВВЭР и РБМК. Именно реактор ВВЭР стал причиной Чернобыльской катастрофы. Причина аварии — необычайное совпадение самых неблагоприятных факторов и грубые ошибки эксплуатационного персонала. Разработаны и осуществляются мероприятия по повышению безопасности водо-водяных реакторов. Концепция безопасности реакторов ВВЭР второго поколения практически исключает возможности серьезного повреждения активной зоны из-за плавления ядерного топлива или недопустимой скорости выделения энергии. Таким образом, проблема взаимодействия АЭС с окружающей средой, возникшая вместе с атомной энергетикой, занимала и занимает важное место в ТЭК.

На рис.8.3. представлена обобщенная модель взаимодействия АЭС с окружающей средой. Выделение энергии в процессе регулируемой цепной реакции деления атомов урана, тория и плутония происходит в ядерном реакторе (Р).

Преобразование кинетической энергии осколков и продуктов деления происходит в активной зоне реактора, в которой почти вся энергия ядерной реакции передается теплоносителю Прямой выход радиоактивных отходов (р. о.) ядерных реакций в окружающую среду предотвращается многоступенчатой системой радиационной защиты, действующей как в условиях нормальной эксплуатации, так и при аварийных ситуациях. При нормальной эксплуатации АЭС радиоактивность контура ядерного реактора обусловлена активизацией продуктов коррозии и проникновением продуктов деления в теплоноситель. Наведенной активности подвергаются практически все вещества, взаимодействующие с радиоактивными излучениями.

В схемах АЭС предусматриваются необходимые устройства для сбора активных веществ и удаления их в виде жидких, газообразных или твердых отходов. Жидкие отходы содержат радиоактивные изотопы стронция, цезия, водорода и других элементов. Суммарное расчетное значение радиоактивности жидких отходов блока АЭС с реактором ВВЭР мощностью 1000 МВт составляет около 1012 с-1 (

192 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Ки/год по продуктам деления и /коррозии). Радиоактивность жидких и газообразных выбросов у разных АЭС отличается на несколько порядков, но в подавляющем большинстве случаев суммарные выбросы значительно ниже предельно допустимых уровней (ПДУ).

Рис. 8.3 – Схема взаимодействия АЭС с окружающей средой Систематические наблюдения за воздействием АЭС на водную среду при нормальной эксплуатации не обнаружили существенных изменений естественного радиоактивного фона. При установленных допустимых уровнях воздействия ядерной энергетики на гидросферу и существующих методах контроля выбросов действующие типы ядерных энергетических установок не представляют собой угрозы нарушения локальных и глобальных равновесных процессов в гидросфере и ее взаимодействия с другими составляющими географической оболочки Земли.

В соответствии с «Правилами ядерной безопасности АЭС»

МАГАТЭ, проекты всех систем и компонент АЭС, влияющих на ядерную безопасность, должны содержать подробный анализ всех возможных отказов составных элементов с выделением опасных откаРАЗДЕЛ 8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ зов и оценку их последствий. С учетом распространения выбросов при авариях на АЭС устанавливаются санитарно-защитные зоны.

Все другие виды воздействий АЭС на гидро- и литосферу, не связанные с радиоактивностью (влияние системы водоснабжения, подводящих и отводящих каналов, фильтров), качественно не отличаются от аналогичных воздействий ТЭС. Основное тепловыделение АЭС в окружающую среду, как и на ТЭС, происходит в конденсаторах паротурбинных установок. Однако удельные тепловыделения в охлаждающую воду у АЭС значительнее, чем у ТЭС, вследствие большего удельного расхода пара. Это определяет существенные удельные расходы охлаждающей воды. В связи с чем на большинстве новых АЭС предусматривается установка градирен, в которых теплота отводится непосредственно в атмосферу. Затем охлаждающая вода поступает в предохладитель. Это водоем обособленного пользования предназначен для обеспечения замкнутой системы водоснабжения АЭС.

Потребление воздуха на АЭС определяется потребностями разбавления загрязняющих выбросов и обеспечения нормальных условий жизнедеятельности персонала. Расход воздуха на АЭС с тепловыми реакторами оценивается различными авторами в пределах (15ч20)106 м3/год на 1МВт установленной мощности.

Наиболее сложной экологической проблемой при эксплуатации АЭС является захоронение крупнотонажных радиоактивных отходов, образующихся при демонтаже элементов оборудования, обладающих радиоактивностью по окончании срока службы или по другим причинам, а также отработанного ядерного топлива.

Предусматривается несколько вариантов захоронения: помещение всех загрязненных радиоактивностью элементов в шахтные выработки; захоронение только наиболее загрязненных наведенной радиоактивностью элементов с повторным использованием остальных по назначению; периодическая дезактивизация оборудования на месте с захоронением концентрированных отходов и смывов.

Дальнейшее развитие атомной энергетики Украины связано с созданием на территории страны постоянного хранилища крупнотонажных радиоактивных отходов.

194 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

8. 4. взаимОдействие гЭс и Окружающей среды К началу семидесятых годов ХХ в. во всем мире было создано более 315 крупных водохранилищ с площадью зеркала каждого более 100 км2. Суммарная площадь, созданных к этому времени в СССР, крупных водохранилищ составляет 64,4 тыс. км2, что соизмеримо с площадью естественных водоемов. Сюда входят и два крупнейших в Украине водохранилища: Кременчугской ГЭС – 2500 км2 и Каховской ГЭС – 2150 км2. По имеющимся оценкам, объем водохранилищ мира к 2000 г. должен был достигнуть 10 00012000 км2.

Всего несколько десятилетий назад широкое распространение получила точка зрения о том, что ГЭС не могут отрицательно влиять на окружающую среду. Однако со временем стало ясно, что при строительстве и эксплуатации ГЭС окружающей природной (.8.4).

наносится существенный ущерб (рис.8.4).

. 8.4 – Рис. 8.4 – Схема воздействия ГЭС на окружающую.среду.

РАЗДЕЛ 8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Главным бедствием являются водохранилища, большую часть которых составляют мелководья. Площади мелководий особенно велики при зарегулировании равнинных рек, когда плотины ГЭС сооружаются в равнинной местности, например, ГЭС Днепровского каскада. Вода мелководий интенсивно прогревается солнцем, что создает благоприятные условия для развития синезеленых водорослей и других эвтрофикационных процессов. При создании водохранилищ загрязняется территория, равная площади его зеркала.

Для аккумулирования 1 км3 воды в водохранилищах, сооружаемых на равнинных реках, площадь затопления составляет порядка 300320 км2, на горных реках – порядка 80120 км2. Поэтому развитие гидроэнергетики предпочтительней вести в горной местности.

В результате фильтрации воды в водохранилища вокруг него формируется обширная зона подтопления. Волновые явления вызывают переработку берегов и их обрушение, что увеличивает площади мелководья. Мелководья и подтопление способствуют заболачиванию территорий, прилегающих к водохранилищу.

К важнейшим характеристикам водохранилища относятся: размер зеркала водохранилищ, наличие в них мелководий, влияние на местный климат, насколько ценные земли под них отводятся, состояние почв и растительности, а также влияние на рыбное хозяйство и водный (речной) транспорт.

Наиболее существенные факторы влияния на локальные условия следующие: изменение ландшафта, уровня грунтовых вод, переформирование берегов, а также изменение других природных условий (почвы, растительности и животного мира) как в районах водохранилища, так и нижнего бассейна ГЭС.

Изменение гидрогеологического режима рек при сооружении ГЭС характеризуется: изменением перераспределения стока; изменением уровневого режима и его зависимости от ветров; изменением режимов течений, волнового, термического и ледового режимов.

Скорости течения могут уменьшаться в десятки раз, а в отдельных зонах водохранилища возникают полностью застойные зоны. В мелководных частях наблюдаются резкие колебания температуры воды в зависимости от изменения температуры воздуха. Отсюда, неравномерность температур по поверхности водохранилища.

196 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Изменяется тепловой режим в нижнем бьефе водохранилища:

осенью поступает более теплая вода, нагретая в водохранилище за лето, а весной холоднее на 2–4°С в результате охлаждения в зимние месяцы. Эти отклонения от естественных условий распространяются на сотни километров от плотины ГЭС.

Наблюдаются существенные изменения гидрохимического и гидробиологического режимов водных масс. В верхнем бьефе массы воды насыщаются органическими веществами, поступающими с речным стоком и вымываемыми из затопленных почв. В нижнем, напротив, обедняются, так как минеральные вещества из-за малых скоростей течения осаждаются на дно. Как в верхнем, так и в нижнем бьефе изменяется газовый состав и газообмен воды.

Под давлением огромных масс воды, накопленных в водохранилищах, нередко происходят просадки земной поверхности, сопоставимые с землетрясениями силой до 23 баллов. В результате изменения русловых режимов в водохранилищах оседают наносы.

Зарегулирование речного стока отражается на состоянии морской среды. Губительные для Азовского моря оказалось зарегулирование стока рек Дона и Кубани. Сооружение Цимлянского (на Дону) и Краснодарского (на Кубани) водохранилищ уменьшило поступление речного стока в Азовском море примерно на 30%, что привело к понижению уровня моря на 70 см. Черноморская вода с соленостью 14–17% хлынула в акваторию Азовского моря, соленость которого составляла 7–11%. Постепенное уменьшение солености Азовского моря привело к тому, что в течение 1520 лет его рыбные запасы оказались перед угрозой полного исчезновения.

Учитывая многообразие воздействий водохранилищ на окружающую среду, уже сейчас приходят к выводу о сооружении в дальнейшем преимущественно средних и малых водохранилищ.

Объективный ответ на вопрос о влиянии ГЭС на окружающую среду зависит, главным образом, от характеристики будущего водохранилища с учетом всех отмеченных выше факторов. Целесообразность строительства каждой конкретной ГЭС должна рассматриваться индивидуально.

РАЗДЕЛ 8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

8.5. ЭкОлОгические аспекты вОзОбнОвляемОй Энергетики Расширение использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии во многом определяется проблемами развития энергетики, свободной от загрязнения окружающей среды и не связанной с образованием парниковых газов. Это одна из первоочередных задач, стоящих перед наукой и техникой.

При оценке перспектив развития нетрадиционной энергетики, как правило, подчеркивается экологическая чистота ВИЭ, что действительно справедливо, но только для определенных их видов.

В целом же нетрадиционные и возобновляемые источники энергии оказывают определенное воздействие на окружающую среду.

Однако они более приемлемы с точки зрения влияния на экологию, чем источники традиционной энергетики (ТЭС, АЭС, ГЭС, ОПК, дизельные установки и др.).

Переход на ВИЭ связан с освоением новых технологий применения энергии солнца, ветра, биомассы, гидроэнергии и геотермального тепла земли. Особая роль в энергетической структуре ВИЭ на длительную перспективу отводится гидроэнергетике, которая в настоящее время является основным видом возобновляемых источников энергии. Экологические аспекты применения малых ГЭС лишь в отдельных моментах совпадают с проблемами традиционной гидроэнергетики и не идут с ними ни в какое сравнение.

Общие негативные аспекты применения ВИЭ связаны с проблемами землепользования, шума, изменения ландшафта, применения новых материалов, производство которых в отдельных случаях может оказать отрицательное воздействие на окружающую среду (например, получение кремния для солнечной энергетики) и т.д.

Необходимо учитывать, что характер взаимодействия этих установок с окружающей средой принципиально иной при отрицательных воздействиях, характерных для каждого вида ВИЭ. Поэтому анализ возможных последствий должен проводится еще на этапе их разработки и проектирования. Это позволит избежать ошибок, допущенных при освоении традиционных энергоустановок, когда

198 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

сначала были созданы технологические принципы, и лишь затем, в процессе эксплуатации, начались поиски путей подавления отрицательных экологических воздействий.

Наиболее характерными при использовании ВИЭ с точки зрения воздействия на окружающую среду, является следующие аспекты.

Солнечная энергия. Низкотемпературные солнечные системы тепло- и водоснабжения являются наиболее распространенными в данный период как в индустриально развитых, так и развивающихся странах. В экологическом аспекте для низкотемпературных систем при их эксплуатации характерны последствия цикла добычи исходных материалов и их переработки; снижение отрицательных воздействий на окружающую среду выбросов продуктов сгорания замещенных традиционных котельных; снижение теплового загрязнения.

Средне- и высокотемпературные солнечные установки пока еще находятся на стадии интенсивной разработки. В мире создано несколько станций (СЭС) с использованием рассредоточенных параболических систем концентратов (общей мощностью ~400 МВт).

Опыт их эксплуатации показал, что основным экологическим фактором для СЭС по термодинамическому циклу преобразования энергии является блокировка оборудованием значительных земельных территорий. Так, средняя потенциальная возможность СЭС данного цикла оценивается в 30 40 МВт с км2.

Потенциальные возможности получения предельной мощности фотопреобразователей – 45 60 МВт с 1 км2 (при их кпд ~ 15%) и 100 МВт с 1 км2 (при кпд фотопреобразователей – до 25%). В расчете на 1 МВт получаемой мощности, СЭС на фотопреобразователях вдвое экономичнее используют территории, чем СЭС, выполненные по термодинамическому циклу с центральными приемниками.

Ветроэнергетика. К настоящему времени в мире накоплен огромный опыт практической эксплуатации самых разнообразных источников энергии ветра. Достаточно отметить, что к г. в эксплуатации находится свыше 20103 ветроагрегатов, большинство из них в США (Калифорния). Существенными установленными мощностями располагают страны Западной Европы:

Дания – более 100 МВт, Нидерланды – 140 МВт, Германия – 100 МВт, Великобритания – приближаются к 500 МВт, Швеция – 10 МВт и т.д.

РАЗДЕЛ 8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Опыт эксплуатации показал, что в настоящее время экономически предпочтительнее ВЭС в диапазоне мощностей от 100 до 350 кВт. Большинство Европейских стран поддерживает создание ВЭС с учетом экологических требований к энергоустановкам, а также проблем надежности и безопасности энергообеспечения.

Основные экологические факторы воздействия ветроэнергетики следующие: блокировка земельных территорий; шумовые эффекты; высокая металлоемкость ветроустановок, связанная с требованиями предварительного цикла добычи и переработки металлов.

Строительство ВЭС ведет к изменению ландшафта, выводу из сельхозоборота полезных земельных площадей. Достаточно сказать, что стоимость 1 га земли, в зависимости от региона, может составлять сотни и тысячи долларов.

Максимальная мощность, которая может быть получена с 1 км площади, колеблется в широких переделах в зависимости от района использования, типа станции и технологических особенностей конструкции (среднее значение 10 МВт/км2). Шумовой эффект в непосредственной близости от ВЭС может достигать 50 80 дБ.

При этом пороговая выносливость человеческого уха, принятая на основе болевых ощущений, равна 180 дБ. Отдельную экологическую проблему составляют шумовые воздействия установок значительной мощности (более 250 кВт), когда на концах лопаток ветроколес большого диаметра, скорости потока воздуха – сверхзвуковые. При этом возникает инфразвуковой эффект, отрицательно воздействующий на человека и другие биологические субъекты. Работа ВЭС может оказывать влияние и на системы радиосвязи.

Обсуждается потенциальная возможность гибели птиц, которые разбиваются о ВЭУ на пунктах их миграции. Хотя природа и масштабы данной проблемы нуждаются в дополнительном исследовании.

Существенную роль играет показатель затрат металла на единицу мощности, определяющий объемы цикла сырьевой подготовки для производства. В зависимости от уровня мощности этот показатель для ВЭС ориентировочно меняется в диапазоне 50 70 кг/кВт.

В настоящее время имеется тенденция замены элементов металлических конструкций (в первую очередь, лопастей ветроколес) на

200 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

стеклопластиковые. Следовательно, необходим экологический анализ последствий химических производств, связанных с созданием данных конструкционных материалов.

По оценкам Всемирного конгресса Международного общества по солнечной энергии в Денвере (США), если принимать во внимание экологические факторы, то СЭС и ВЭС уже сегодня более экономичны, чем ТЭС и АЭС.

Геотермальная энергия. Использование энергии высокопотенциальных геотермальных источников издавна привлекало человечество. К настоящему времени сложилось следующее распределение установленных мощностей ГеоТЭС в индустриально развитых странах мира: 70% – в США; 28% - в Италии, Япония и Новая Зеландия;

оставшиеся 2% – Франция, Греция, Исландия, Португалия и бывший СССР.

Экологическое воздействие ГеоТЭС и геотермальных технологических установок на окружающую среду сводится: к воздействию минерализованных геотермальных вод и пара; к опусканию земной поверхности (иногда значительному по размерам), находящейся над разрабатываемым геотермальным пластом; к повышенному (в сравнении с ТЭС равной мощности) тепловому воздействию ГеоТЭС на окружающую среду.

В составе выводимых на поверхность вод находятся: нитриды, хлориды и сульфиды некоторых металлов; опасные химические элементы (бор, мышьяк); сероводород (безвредный – в небольших количествах, токсичный – с ростом концентрации). При отсутствии обратной закачки в пласт возникает опасность засоления почв в районе использования и падения пластового давления. Изменение давления в пласте в процессе длительной эксплуатации скважин влияет на уровень грунтовых вод в этом районе и может оказать отрицательное воздействие на работу артезианских скважин и водоснабжение.

Энергия биомассы. Особое значение источники энергии данного типа имеют для развивающихся стран. В энергобалансе стран Африки они составляют в среднем до 60%; Латинской Америки – до 30%; азиатских стран – до 40%; некоторых стран Европы, Ближнего Востока и Северной Африки – до 10% общего энергопотребления. Однако

РАЗДЕЛ 8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

и индустриально развитые страны стимулируют развитие данного направления нетрадиционной энергетики: только США, Дания и Швеция довели производство энергии биомассы до 400 МВт.

При этом значительное развитие получила переработка биомассы, основанная на процессах газификации, пиролиза и получения жидких топлив. Например, в Бразилии, начиная с 1980 года, производство этанола достигло 10 млн. л в год. В ряде стран этанол покрывает от 3 до 15% потребления всего бытового топлива (Кения, Мали, Зимбабве).

В результате процесса ферментизации при переработке биомассы в этанол образуются побочные продукты, в том числе промывочные воды и остатки перегонки. Последние являются серьезным источником экологического загрязнения окружающей среды.

Их масса в несколько раз (до 10) превышает массу производимого продукта, т. е. этилового спирта. Представляют интерес технологии, которые позволяют в процессе очистки этих отходов получать минеральные вещества, используемые в химической промышленности, а также в качестве минеральных удобрений.

Особое место принадлежит «биодизелю» – топливу, на основе жиров растительного, животного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. Сырье – рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое или любое другое масло – сырец, а также отходы пищевых производств.

Вся деятельность по различным направлениям (за исключением «биодизеля») утилизации органических отходов имеет, прежде всего, острую экологическую направленность. В значительной степени она ориентирована на переработку отходов. Ликвидация последних и связанное с этим улучшение экологических и санитарноэпидемиологических условий среды обитания играют даже большую роль, чем энергетический эффект на основе использования этого вида сырьевых ресурсов. Указанное особенно важно для регионов с влажным теплым климатом и крупных городов. Именно здесь технология ликвидации отходов, позволяющая одновременно использовать их энергетический потенциал, играет особую роль.

Мини- и микроГЭС. Как отмечается в обзоре Мирового Энергетического Совета, на основе этих установок возможно экономичеВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ ски рентабельное производство электроэнергии на уровне 6,5% существующего потенциала гидроресурсов. Наибольшую важность для миниГЭС имеет совершенствование гидротурбин, работающих на малых напорах.

Данные установки минимально воздействуют на окружающую среду, так как не требуют строительства плотин, водохранилищ, береговых сооружений. За последние годы достигнуты серьезные успехи в этом направлении, особенно в Китае и Индии.

Выпускаемые в Харькове (Украина) и Сызране (Россия) микроГЭС соответствуют современным научно-техническим и экологическим требованиям. Они востребованы как в Украине, России, так и за рубежом (Китай, Индия, Южная Америка).

Экологические воздействия ВИЭ не идут ни в какое сравнение с последствиями отрицательного влияния на окружающую среду традиционных источников энергии.

Оценка экологических воздействий ВИЭ должна проводиться с системных позиций. Необходимо учитывать весь комплекс разнородных факторов, характерных для различных видов ВИЭ: блокировку территорий; воздействие на экологический процесс занимаемых и прилегающих территорий; влияние на флору и фауну;

высвобождение химических и других материалов; возможности использования этих веществ или продуктов их переработки в качестве сырья последующих производств; ограничение масштабов пахотных земель и сельхозпродуктами для пропитания населения.

РАЗДЕЛ 9. ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Раздел 9.

ЭНЕРГЕТИКА

И ЭКОЛОГИчЕСКАя бЕзОПАСНОСТь 9.1. ЭнергОснабжение и ЭкОлОгическая ситуация В Украине сложилась достаточно напряженная экологическая обстановка. С одной стороны, она связана с общим многолетним накоплением большого количества загрязняющих веществ, особенно, опасных твердых отходов промышленного производства. С другой стороны, несмотря на сложившуюся в последние годы тенденцию сокращения общей техногенной нагрузки на окружающую среду, суммарно в атмосферу, водные и земельные ресурсы в последние годы выбрасываются не менее 60,0 млн. т твердых веществ (табл.9.1–9.3). Практически на всей территории Украины в атмосфере фиксируются 10-кратные и более высокие превышения ПДК отдельных веществ. Техногенная нагрузка на территории Украины в 6–7 раз выше, чем в среднем в развитых странах Европы.

По оценкам Международного института менеджмента окружающей среды (Швейцария), если к 1989 г. размеры ежегодных потерь Украины от ухудшения среды обитания составляли 15–20 % валового национального дохода, то к 1995 г., в связи с снижением последнего, превысили 35 % и стали самыми крупными в мире.

Только на минимизацию последствий аварии на Чернобыльской АЭС, Украина ежегодно расходует около 1 млрд. дол. США.

Даже без учета последствий Чернобыльской катастрофы удельное загрязнение на единицу территории Украины самое большое в

204 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

Европе. Зоны «экологического бедствия» занимают более 15 % всей территории Украины: это Чернобыльская зона, Донбасс, Кривбасс, Приднепровье, Приднестровье, Северный Крым, побережья Черного и Азовского морей.

Таблица 9.1 – Поступление вредных выбросов в окружающую среду.

Поступление загрязняющих веществ, тыс. т:

Поступление загрязняющих веществ, в расчете на душу населения, кг:

* – Загрязнение поверхностных водоемов вредными веществами даны по сухому остатку.

** – В 1997 г к 4 классу безопасности отнесены отходы горнодобывающей промышленности Южного горно-обогатительного комбината г. Кривого Рога.

Таблица 9.2 – Основные показатели защиты атмосферного воздуха.

Количество стационарных ис- 349,4 287,9 339,0 355,0 366, точников выбросов вредных веществ, тыс. единиц Количество выбросов вредных 46867,9 40203,7 25196,5 21063,6 19839, веществ от стационарных источников загрязнения, тыс. т Уловлено (7483,5обезврежено) 34705,0 30764,6 19509,5 16299,8 15306, вредных веществ, тыс. т ных веществ, поступающих от стационарных источников загрязнения

РАЗДЕЛ 9. ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Таблица 9.2 – Продолжение Утилизировано вредных веществ, 15099,9 16081,9 5317,6 4177,2 3548, тыс. т Вредные выбросы в атмосферу, в 18776,9 15549,4 7483,5 6342,3 5966, том числе Стационарными источниками 12163,0 9439,1 5687,0 4763,8 4533, Передвижными средствами 6613,9 6110,3 1796,5 1578,5 1433, На территории Украины можно выделить три экологические зоны (Донецко-Приднепровскую, Южную и Юго-Западную), существенно отличающиеся по антропогенным нагрузкам на воздушный бассейн. Максимальное количество выбросов на единицу площади (35 т / км2 в год) характерно для Донецко-Приднепровской (в Донецкой оласти – 110 т / км2 в год). Южная и Юго-Западная зоны – соответственно, 7,1 и 7,8 т / км2 в год. Количество выбросов в атмосферу для Киева и Севастополя составляют, соответственно 139,9 и 11,3 т / км2 в год.

К началу нового XXI века стационарными источниками и транспортными средствами Украины в атмосферу выбрасывалось около 6 млн. т вредных загрязняющих веществ, из которых около 75 % (4,5 млн. т) попадало в воздушный бассейн от стационарных источников загрязнения. Наибольшее влияние на атмосферный воздух в больших городах имели промышленность и коммунально-бытовое хозяйство (табл.9.3). В 17 городах страны выбросы вредных веществ увеличились.

Из общей массы выбросов в атмосферный воздух, составляющей около 20 млн. т веществ в год, на долю предприятий энергетики Украины приходится до 53 %. Усредненный химический состав следующий: сернистый ангидрид – 19 % (30 %), окись углерода – 42 % (37 %), окислы азота – 8 % (10 %), углеводородные соединения – 7 % (8 %), легкие органические соединения – 4 % (4 %), другие – 20 % (11 %). В скобках указан процентный состав выбросов только от стационарных источников.

Отсутствие необходимого оборудования и эффективных технологий очистки отрицательно влияют на решение проблем улавТаблица 9.3 – Выбросы вредных веществ в атмосферу от стационарных источников загрязнения по отраслям в 1997 г. (тыс. т) Металлургическая промышленность 5657,5 1400,7 1238,9 4256,7 1369, мышленность вающая и газовая промышленность промышленность териалов

ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

РАЗДЕЛ 9. ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

ливания и утилизации вредных веществ. Так, в 1997 г. на очистные сооружения от стационарных источников поступило 16,1 млн.

т. вредных веществ, из которых уловлено 15,3 млн. т. Если в г. было утилизовано более половины всех вредных веществ, то в 1997 г. лишь 23 % (3,5 млн. т).

В структуре уловленных ингредиентов основную часть составляют твердые вещества (94 % или 14,3 млн. т). Лишь 20 % от общего количества образовавшихся газообразных веществ было уловлено очистными сооружениями, тогда как твердых- 95 %.

Отсутствие достаточного обеспечения предприятий сооветствующим оборудованием привело к тому, что часть выбросов поступала непосредственно в атмосферу. Если в целом по Украине без очистки было выброшено 3,8 млн. т. (19 % от общего количества), то в отдельных регионах этот показатель существенно выше: Автономная Республика Крым – 33 %, Херсонская область – 76 %, Закарпатская – 65 %, Волынская – 55 %, Одесская – 51 %, Тернопольская – 43 %, Житомирская – 41 %, Луганская и Полтавская – 33 %.

Чрезмерные выбросы промышленных предприятий и транспортных средств нанесли существенный вред атмосфере таких больших индустриальных городов, как: Донецк, Горловка, Дзержинск, Мариуполь, Макеевка, Славянск, Енакиево, Одесса, Днепропетровск, Харьков, Запорожье, Луцк, Луганск. Высокий уровень загрязнения в этих городах, в основном, обусловлен повышенным содержанием в воздухе специфических вредных веществ (бенз (а) пирена, формальдегида, фенола, аммиака), пыли и двуокиси азота.

Основными источниками загрязнения воздуха являются предприятия энергетической, угольной и металлургической отраслей.

Несмотря на то, что количество предприятий этих отраслей составило лишь 7,3 % от общего числа источников загрязнения атмосферы, от них в окружающую среду поступило 83 % (3,8 млн. т) всех вредных веществ. Если в среднем по Украине одно предприятие выбрасывало 291 тонну вредных веществ, то в металлургии – 7334 тонны, а в энергетике – 6997 тонн.

Таким образом, в настоящее время в Украине наиболее крупным стационарным источником загрязнения атмосферного воздуха является энергетика. Это относится как собственно к энергетике,

208 ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ

использующей до 40 % всего органического топлива, так и к предприятиям малой энергетики.

Как показывают расчеты, ущерб, причиняемый вредными выбросами в атмосферу, поступающими от мелких тепловых установок, на единицу сжигаемого топлива в 5 раз выше, чем от ТЭЦ и КЭС. Это связано со спецификой размещения мелких котельных, промышленных и отопительных печей в зонах с высокой концентрацией населения и отсутствием технических средств, обеспечивающих эффективное сжигание вредных выбросов. Они составляют от 25 до 50 % всех выбросов. В результате уровень загазованности целого ряда крупных промышленных центров остается высоким (от 25 до 50 %). Тем более, что в условиях дефицита ТЭР, практически невозможно обеспечить для теплоснабжения приоритетное выделение природного газа и замещение рядовых углей сортовыми видами топлива. В то же время, при сжигании 1 т. у. т природного газа в мелких котельных и индивидуальных источниках тепла в атмосферу поступает 2,5 кг вредных выбросов, главным образом, оксидов азота. Тогда как, при сжигании донецкого угля в рядовом виде – 219 кг (при слоевом сжигании – несколько меньше).

На долю традиционной энергетики приходится не менее 30 % всех выбросов в атмосферу, в том числе: 30 % твердых веществ, 63 % сернистого ангидрида и 57 % оксидов азота их общего количества. В Донецкой области – 30 % всех выбросов в атмосферу, в Днепропетровской – 24 %, в Луганской – 18 %, в Запорожской – 49 %, в Харьковской – 58 %, в Ивано-Франковской – 73 %, в Киевской – 67 %, в Виницкой – 71 %. ТЭЦ черной металлургической и химической промышленности и ТЭЦ сахарных заводов поставляют еще: 49 % выбросов в Донецкой обл., до 70 % в Днепропетровской и до 85 % в Крыму.

В этих условиях чрезвычайно важна интеграция энергетики и экологии, взаимосвязь экологических аспектов энергетики и энергетических аспектов экологии. Необходимо правильно их формулировать и неукоснительно отслеживать на всех этапах энергоснабжения и энергопотребления. Лишь в этом случае возможна реализация природоохранной стратегии развития энергетики Украины в соответствии с обязательствами, принятыми ею в Рио-де-Жанейро в 1992 г.

РАЗДЕЛ 9. ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

9.2. Энергетические аспекты ЭкОлОгическОй безОпаснОсти Таким образом, одним из приоритетных направлений развития Украины, обеспечения ее экологической безопасности является охрана окружающей среды. Корни экологического кризиса кроются в Чернобыльской катастрофе и непомерной техногенной нагрузке, что привело, в конечном итоге, к резкому снижению ассимиляционных и качественных характеристик окружающей природной среды.

Территория Украины перенасыщена техногенно опасными объектами. Масштабы загрязнения окружающей среды ряда регионов Украины достигли критического уровня. Главными загрязнителями воздуха, как уже отмечалось, являются предприятия энергетики, металлургии и транспорта. Весьма важным является вопрос, какие источники экологической опасности наиболее существенны.

В предыдущих разделах приведен ответ на него. Тем не менее, отметим еще раз вклад основных производств в ухудшение экологической ситуации.

Вредные выбросы во всех странах СНГ к началу 21 века распределяются в среднем следующим образом: ТЭС – 30,7 %, автотранспорт – 22,8 %, черная металлургия – 15,7 %, промышленность строительных материалов – 30,3 %, цветная металлургия – 7,4 %, нефтяная промышленность – 6,3 %, химическая промышленность – 3,8 %.

В целом на электроэнергетику в разных странах приходится от 25 % до 35 % общих выбросов СО2, причем эта часть возрастает с увеличением валового национального продукта. Все ТЭС мира, производя 80 % общих объемов энергии, поставляют 50 % промышленных загрязняющих выбросов в атмосферу. Только при подземной добыче угля на каждую тонну добытого твердого топлива в атмосферу выбрасывается 0,42 кг пыли; 0,6 кг оксидов серы; 0,11 оксидов азота; 1 кг окислов углерода и других ингредиентов. При переработке 1 т нефти – 3,44 кг углеводородов; 0,89 кг оксидов серы; 0,4 окислов углерода; 0,09 кг оксидов азота; 0,03 кг сероводорода. В связи с тем что, использование природного газа в энергетике будет сокраВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ щаться, а потребление низкосортного высокозольного и сернистого угля увеличиваться, можно ожидать увеличения количества выбросов и ухудшения экологической обстановки. Необходимо также не забывать, что на каждый миллион добытого угля разрушается 414 га земли. Терриконы только Луганской области занимают площадь около 3200 га.

На сегодня ТЭС на территории Украины выбрасывают в атмосферу 76 % оксидов серы, 53 % оксидов азота и 26 % твердых частиц от общих объемов выбросов стационарных энергетических установок. На 1 млн. кВт электрической мощности АЭС выбрасывается в окружающую среду не менее 2 млн. кВт тепловых мощностей, что в 1,52 раза больше, чем для ТЭС. Для строительства каждого блока – миллионника АЭС необходимо 600 га земельных ресурсов, безвозвратные потери воды при эксплуатации такого блока составляют млн. м3 / год, а образовавшиеся жидкие отходы до 100 тыс. м3 / год.

Считается, что для нормальной работы АЭС необходимо водохранилище, размеры которого обеспечивают 812 м2 поверхности на каждый киловатт установленной мощности (для ТЭС – 58 м2).

Сказанное выше наглядно подтверждает тот факт, что без решения сложных экологических проблем и обеспечения необходимого уровня защиты атмосферы и водоемов от загрязнения дымовыми газами и жидкими стоками ТЭС в настоящих условиях не может быть реализована стратегия дальнейшего развития энергетики.