Экологические проблемы энергетики

Энергетика
Экологические проблемы производства энергии
Изменение климата и Киотский протокол
Проблема теплового загрязнения
Экологические проблемы тепловой энергетики
Экологические проблемы ядерной энергетики
Альтернативный источник энергии
Возобновляемые источники энергии
Ветроэнергетика
Геотермальная энергетика
Энергия приливов и отливов морей и океанов
Гидроэлектростанции (ГЭС)
Биоэнергия
Ядерная энергетика.
Водородная энергетика
Основные способы получения энергии
Анализ процессов трансформации энергии

Водородная энергетика. Система, которая могла бы объединить промышленность, транспорт и жилищно-коммунальное хозяйство на основе получения и использования единого топлива – водорода, получила название водородной энергетики. Водород не является первичным источником энергии. В природе нет доступных для промышленного использования количеств газообразного водорода, поэтому получение водорода в качестве топлива всегда требует затрат первичной энергии ископаемого топлива, ядерной, солнечной или других её видов. Водород является искусственным топливом и в настоящее время рассматривается как перспективный энергоноситель, по некоторым показателям превосходящий даже наиболее широко используемый в настоящее время энергоноситель – электроэнергию. Одно из основных преимуществ водорода по сравнению с электроэнергией является возможность его накопления и хранения в жидком или газообразном состоянии. Электроэнергию сразу после её получения необходимо направить потребителю (значимое количество электроэнергии накопить в аккумуляторах невозможно, ввиду отсутствия последних, по крайней мере, в настоящее время). Производство и потребление электроэнергии жёстко связаны между собой. Но объём потребления энергии является неравномерным в течение суток и на протяжении всего года. Это приводит к необходимости работы электрогенерирующих установок в переменном режиме, при этом неизбежно возникают сложности в эксплуатации оборудования, падает эффективность преобразования энергии.

Ещё одним преимуществом использования водорода в качестве энергоносителя является возможность более экономичного, по сравнению с электроэнергией, его транспортирования на большие расстояния, хотя здесь есть ещё немало нерешённых проблем.

Перспективность использования водорода в качестве энергоносителя определяется и рядом других его свойств, среди которых необходимо назвать следующие:

высокое удельное энергосодержание в расчёте на единицу массы (в три раза выше, чем у природного газа);

возможность использования для получения энергии имеющихся в промышленности газовых горелок и двигателей внутреннего сгорания на транспорте без серьёзных их модификаций;

в химической промышленности и металлургии водород может быть использован в качестве восстановителя;

производство его возможно несколькими способами (химическим, электрохимическим, биологическим);

возможна организация экономически оправданного децентрализованного производства и использования водорода.

Последнее свойство является чрезвычайно важным при решении энергетических проблем в развивающихся странах и в отдалённой сельской местности. При этом перспективным представляется организация процессов биофотолиза воды, т.е. использования механизма фотосинтеза для её разложения под действием солнечного света с получением свободных кислорода и водорода.

Одна из таких систем разработана в нашей стране, в её основе лежит культура микроскопической водоросли и термостойкой анаэробной цианобактерии. Клетки водорослей на свету в ходе фотосинтеза производят органические соединения углеводородного характера и свободный кислород. Образующиеся углеводы разлагаются ферментными системами бактерий на уксусную кислоту, этанол, углекислый газ и водород.

Таким образом, при воздействии солнечного света на эту систему непрерывно выделяется кислород и водород, т.е. происходит фоторазложение воды. Необходимо отметить, что из всех известных способов прямого преобразования солнечной энергии в топливо такой процесс наиболее близок к практическому использованию.

Применение водорода в качестве энергоносителя перспективно и с точки зрения сохранения окружающей среды: при окислении водорода в присутствии кислорода образуются только пары воды. Вода же (в частности вода мирового океана), является природным ресурсом, из которого термическим, термохимическим, электрохимическим или другими методами может быть получен водород. Особого внимания заслуживает применение высокотемпературных ядерных реакторов для централизованного производства водорода в больших масштабах.

Запасы энергетических ресурсов и их роль в современной энергетике

Весьма важное значение для судеб человечества имеет анализ имеющихся энергетических ресурсов, перспектив развития энергетики и экологических последствий её развития. Толчком к этому послужил энергетический кризис 1973-1974 гг. и обсуждение экологических последствий антропогенного влияния на биосферу в целом, которые стимулировали проведение всесторонних исследований и долгосрочных прогнозов развития энергетики. Один из таких прогнозов приведён в фундаментальной работе академика В.А. Легасова с сотрудниками института Атомной энергии им. И.В. Курчатова [38]. 

В долгосрочных прогнозах мирового потребления энергии принимались во внимание два варианта. В одном из них стабилизация потребностей в энергии на душу населения происходит на уровне 20 кВт (тепл.)год/чел., в другом – 10 кВт (тепл.)год/чел. Стабилизация энергопотребления, как и численности населения на Земле, взаимосвязаны и неизбежны.

Цифра 20 кВтгод/чел. представляет собой сумму двух слагаемых (рис. 15.10). Первое слагаемое равно 10 кВтгод/чел. – это наивысший уровень потребления энергии на душу населения, достигнутый в мировой энергетике в развитых странах. Ему соответствует уровень развития энергетики США. Второе слагаемое введено, чтобы учесть поправки на будущее. Поскольку ресурсы Земли ограничены, для сохранения высокого уровня жизни потребуется дополнительная энергия, чтобы повторно использовать материалы, опреснять воду, производить водород, пищевые продукты и т.д. Суммарное численное значение этой поправки оценено в 10 кВтгод/чел..

По-видимому, величина 20 кВт (тепл.)год/чел при расчёте перспективной потребности в энергии является наивысшей оценкой для уровня стабилизации удельного потребления энергии. Здесь надо иметь в виду следующее обстоятельство. Сегодня коэффициент полезного использования энергоресурсов меньше технически достижимого, а КПД энергетических установок ниже экономически оптимального. Поэтому, повысив КПД преобразования первичной энергии во вторичную (механическую, электрическую) и увеличив КПД потребления вторичной энергии (а также за счёт экономии энергии), можно обеспечить растущую потребность, оставляя уровень производства первичной энергии неизменным. С большой степенью надёжности можно утверждать, что уровень реальной стабилизации энергопотребления будет находиться в рассматриваемом диапазоне от 10 до 20 кВт (тепл.)  год/чел.

Рис.15.10. Прогнозируемая величина энергопотребления на душу населения, при которой наступает стабилизация потребностей в энергии (20 кВт (тепл.)*год/чел).

Энергетика на органическом топливе. Основным источником энер­гии на современном этапе развития является органическое топливо. Структура мирового энергетического баланса представлена на рис.15.11, а сравнение ежегодных потребностей с потенциальными возможностями, на рис.15.12.

Согласно данным  специальной комиссии экспертов Мировой энер­гетической конференции (МИРЭК - X) суммарные запасы органического топлива оцениваются в диапазоне от 22,7Q (разведанные месторождения) до 295Q (геологические запасы), где Q, специально введённая единица, равная 0,251018ккал = 3,351010кВт (тепл.)год.

Расчёты показывают, что только для угля (на долю которого приходится около 80% мировых запасов органического топлива) сроки исчерпания запасов превышают 300 лет, а запасы нефти и газа (при сохранении темпов их добычи) будут исчерпаны уже в этом столетии.

Сравнивая величину этих запасов с мировой потребностью в энер­гии, авторы прогноза делают логичный вывод, что истощение разведан­ных запасов органического топлива произойдет задолго до стабилизации потребления энергии. Если же ориентироваться на геологические запасы, ресурсы органического топлива будут исчерпаны примерно к моменту до­стижения стабилизации потребления энергии, около 2100 г.

Отсюда, со всей очевидностью, следует очень важный вывод: потен­циальные возможности энергетики на органическом топливе (с учётом предполагаемых потребностей в энергии на долгосрочную перспективу (3,6-7,3 Q/год) невелики. Из-за ограниченности ресурсов энергетику на органическом топливе нельзя отнести к крупномасштабному источнику, способному производить на протяжении столетий энергию в несколько Q в год. Её ресурсы позволяют покрыть потребности на ближней фазе развития и обеспечить на средней фазе переход к альтернативным источникам, спо­собным удовлетворить потребности в энергии на отдаленной фазе.

Рис. 15.11. Структура мирового энергетического баланса

(в начале ХХI века, 13 млрд. т условного топлива).

 


а б

Рис.15.12. Сравнение ежегодных потребностей в энергии по двум сценариям (0,76 и 0,82) (а) с потенциальными возможностями возобновляемых источников энергии (б).

Ограниченность запасов органического топлива, особенно нефти и природного газа – главная причина наблю­дающейся сегодня переориентации мирового топливно-энергетического баланса.

Уголь в отличие от нефти и природного газа еще длительное время может сохранить свое положение в энергетическом балансе, и в 2020 г его доля, очевидно, останется на сегодняшнем уровне, рав­ном 30%. Такое широкое использование угля объясняется существовани­ем относительно крупных его запасов. Однако и здесь имеются факторы, ограничивающие возможные перспективы использо­вания угля. Это – неравномерное географическое распределение запасов, большие капиталовложения и затраты времени на освоение новых место­рождений, а также риски при добыче и проблема защиты окружающей среды.

Сбросные воды ГЗУ значительно загрязнены взвешенными веществами, имеют повышенную минерализацию и в большинстве случаев повышенную щелочность.

Восприимчивость живых организмов к токсичным веществам с повышением температуры обычно увеличивается.

Какое же влияние оказывают на природные водоемы отдельные загрязнители, характерные для ТЭС?

Шлам, находящийся в сбросных водах предочисток водоподготовительных установок, содержит органические вещества.

Обработка сбросных вод водоподготовительных установок Методы очистки сточных вод подразделяются на механические (физические), физико-химические, химические и биохимические.

В соответствии с условиями сброса сточных вод технология их очистки состоит обычно из трех этапов:

Продувочная вода из осветлителя направляется в сборную емкость.

Сточные воды ионообменной части водоподготовительной установки, если не считать некоторого количества грубодиперсных примесей, поступающих при взрыхлении фильтров, представляют собой истинные растворы солей.

Экологические проблемы энергетики