Глава 13. Экологические аспекты энергосбережения

Необходимость проведения и постоянного развития политики энергосбережения диктуется целым рядом обстоятельств:

1. Ограниченность невозобновляемых источников энергии, прежде всего запасов природного газа, нефти и даже угля, на использовании которых в основном строится сегодняшняя система энергообеспечения. В настоящее время потребление первичной энергии в мире составляет 10 млрд. тонн условного топлива. Несмотря на некоторое замедление, темпы прироста энергопотребления остаются достаточно высокими, и самые оптимистические прогнозы в части обеспеченности людей органическим топливом дают всего несколько десятков лет относительно «безбедного» энергообеспечения общества. Значит, энергосбережение сможет «растянуть» период адаптации мирового сообщества к новому режиму энергообеспечения, когда на смену скудеющим запасам органического топлива на передний план будут выходить другие источники энергии.

2. Неопределенность перспектив развития ядерной энергетики. Широкое использование делящихся материалов для производство электрической и тепловой энергии на АЭС и АСТ может отодвинуть время наступления энергетического кризиса, связанного с исчерпанием запасов органического топлива, за пределы обозримого будущего: существующая база ядерной энергетики и запасы делящихся материалов, во всяком случае в России, таковы, что потребности АЭС на перспективу России и СНГ могут быть обеспечены с избытком. Подобный ход развития энергетики сдерживается последствиями Чернобыльской катастрофы (1986 г.) и стоящими в одном ряду с ней крупными авариями на ядерных объектах других стран, например, Виндскейл (Великобритания, 1957 г.) и Тримайл-Айленд (США, 1979 г.). Только по состоянию на начало 90-х годов на 400 АЭС в мире произошло порядка 30 более или менее крупных аварий. Вместе с многочисленными зафиксированными нештатными ситуациями в различных системах всех ныне существующих АЭС эти аварии и катастрофы образуют некоторый устойчивый феномен, с которым нельзя не считаться статистически. Априорная аварийность ядерных объектов – основной аргумент противников быстрого развития ядерной энергетики.

3. Неопределенность перспектив развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии (малая гидроэнергетика, геотермальная энергия, энергия биомассы, энергия ветра, солнечная энергия, низкопотенциальное тепло).

В табл. 13.1. представлен потенциал таких источников энергии, выраженный в млн. т. условного топлива. Как видно, экологически оправданным сегодня является использование нетрадиционных источников с потенциалом в 271,4 млн. т. у.т, то есть 2,7% от сегодняшнего потребления первичной энергии. Правда, потенциал технически реализуемых 9882,6 млн. т. у.т. практически равен современному мировому энергопотреблению -10 млрд. т. у.т. Это означает, что нетрадиционные источники, в принципе, «если уж сильно прижмет»,могут с избытком заместить весь объем используемого органического топлива. Но для того, чтобы это замещение действительно началось, необходимы значительные побудительные силы.

Таблица 13.1

Потенциал нетрадиционных возобновляемых источников энергии, млн. т. условного топлива

Нетрадиционные источники не так уж безобидны экологически. Так, ветровые электрические станции (ВЭС) являются помехой для воздушного сообщения, для распространения радиоволн, нарушают пути миграции птиц, ведут к климатическим изменениям вследствие нарушения естественной циркуляции воздушных потоков. Возбуждаемые ВЭС низкочастотные звуковые колебания (инфразвуки) опасны для человека. Эксплуатация геотермальных источников сопряжена с просадкой грунта и риском стимулирования землетрясений, с интенсивным загрязнением водных объектов, с выбросом вредных газов. Значительные экологические издержки характерны и для других нетрадиционных источников энергии. И в целом очевидно, что вместе с использованием новых видов энергии возникают и новые виды экологических последствий, которые могут привести к изменениям природных условий в глобальных масштабах и которые в полной мере сегодня трудно представить.

4. Одним из обстоятельств, предопределяющих необходимость энергосбережения, является то, что энергетика – один из главных загрязнителей биосферы. Так, в СНГ на долю энергетики, прежде всего ТЭС, приходится 30 % всех загрязнений атмосферы, в США – 20 %; суммарная доля загрязнения атмосферы, приходящаяся на энергетику и автотранспорт, и для СНГ, и для США составляет 70 %.

Объекты энергетики загрязняют атмосферу, землю и воду вредными выбросами дымовых газов и сточными водами электростанций, сбросами большого количества теплоты, расходуя значительное количество водных и земельных ресурсов, подвергая биосферу вредному воздействию радиации, связанной с эксплуатацией атомных электростанций, электромагнитных полей линий электропередачи.

Основные объекты воздействия на окружающую среду – электростанции. Они различаются потреблением первичных энергоресурсов, от характеристик которых существенно зависят условия и форма воздействия станций на окружающую среду.

Принципиально различны в экологическом отношении такие виды первичных источников энергии, как органическое топливо, ядерное топливо, гидроэнергия, солнечная энергия, энергия ветра, приливов, волн, геотермальная энергия. В этих условиях взаимозаменяемость электростанций обеспечивает возможность маневрирования их составом и размещением в целях снижения отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду с учетом состояния природы и экологических характеристик электростанций.

Хорошо отлаженная в организационно-правовом отношении политика энергосбережения приводит к уменьшению энергетических ресурсов, потребляемых станциями, и к соответствующему уменьшению отрицательного воздействия энергетической отрасли на биосферу.

Экологически вредным фактором, напрямую связанным с объемом энергопотребления предприятия, отрасли, народного хозяйства в целом, является тепловое загрязнение. Другие экологически вредные факторы связаны с уровнем энергопотребления опосредованно. Так, уровень загрязнения атмосферы летучей золой ТЭС предопределяется не только мощностью последней, но и технологией сжигания топлива, качеством устройств пылеулавливания и рассеивания выбросов. В части фактора теплового загрязнения с большей степенью достоверности можно считать, что объемы потребления энергопотребителем топлива, горячей воды, пара одновременно являются и объемами теплового загрязнения прилегающего района. Динамика теплового загрязнения в мире от энергетических производств представлена в табл. 13.2.

Температура, пожалуй, важнейший из абиотических факторов, влияющих на процессы в мире микроорганизмов, на выживание животных и организмов. Последнее сегодня особенно актуально для водной фауны и флоры, поскольку по сложившейся технологии сброса избыточного тепла значительная его часть отводится в водоемы, что при относительно малом объеме поверхностных вод (средний расход планетарного поверхностного стока составляет 1,2410³км³/с) приводит к их значительному подогреву.

Таблица 13.2

Динамика теплового загрязнения в мире от энергетических производств

Для каждого вида существует свой интервал температур, благоприятный для обитания (диапазон толерантности по фактору температуры). Для любого конкретного вида диапазон переносимых температур относительно узок, в некоторых случаях крайне узок - до нескольких градусов по Цельсию. У теплокровных животных развит набор механизмов для поддержания тела в требуемых температурных пределах, в том числе механизм поведенческого регулирования температуры: например, рыба-нетеплокровное, перемещаясь, находит место с оптимальной для нее температурой. Организмы же, не способные перемещаться (укорененные растения, взрослые устрицы), находятся в полной зависимости от температуры окружающей среды, и таких организмов много, если не большинство. Но даже рыбы могут стать жертвой теплового загрязнения: привыкнув к подогретой воде, они оказываются беззащитными перед водой с естественной температурой, например, зимой, когда ТЭС по каким - либо причинам временно прекращает тепловые сбросы в реку (ремонт и т.д.).

Однако менее очевидные эффекты могут иметь более серьезные последствия. Например, влияние температуры на репродуктивную функцию организмов. Так, форели необходимы низкие температуры воды летом для формирования нормальных, жизнеспособных икринок. Взрослые особи способны выжить в теплой воде, но они не смогут размножаться. Другой пример: повышение температуры может вызвать появление насекомых из яиц раньше, чем в обычных, без нагрева воды, условиях. Затем они погибают, так как в это время пища для них «еще не готова». В перспективе такие и подобные эффекты могут стать более губительными для популяции, чем непосредственная гибель от перегрева воды. Температура может оказывать воздействие на структуру всего водного сообщества. Например, изменение температуры может изменить конкурентные позиции различных видов. В целом повышение температуры ведет к упрощению водных сообществ, то есть число различных видов уменьшается, хотя количество представителей отдельных видов может быть велико. В исследованиях показано, что при 31С число видов уменьшалось вдвое, чем при 26С, при повышении температуры до 34С исчезли еще 24 % видов. По-видимому, такие экосистемы гораздо менее устойчивы, чем исходная, более сложная экосистема.

Проблема теплового загрязнения имеет два измерения: глобальное (планетарное) и локальное. Можно допустить, что в глобальном масштабе это загрязнение (уровень 2000 г.) пока не велико и составляет лишь 0,019 % от поступающей на Землю солнечной радиации (1,6810⁵млн. МВт), то есть ситуация находится в рамках правила одного процента. Правда, для глобальных систем, таких, как биосфера, их энергетика, по-видимому, не может превзойти уровень примерно 0,2 % от поступающей солнечной радиации (уровень энергетики фотосинтеза) без катастрофических последствий. Но ожидаемая в 2000 г. антропогенная энергетика (32 млн. МВт) пока еще меньше энергетики фотосинтеза (100 млн. МВт), хотя по порядку величины фактически достигла данного принципиального порога.

Гораздо более впечатляющи локальные очаги теплового загрязнения в промышленных районах. Так, плотность потока антропогенного тепла от Земли на территории ФРГ в среднем составляет 1,6 Вт/м²(в 1973г. 33% этого тепла приходилось на коммунальную сферу, 25% - на электрические станции, 29% - на промышленность, 13% - на транспорт), в Вестфалии – 4,5 Вт/м², в Руре – 17 Вт/м², в Берлине – 22 Вт/м². В центре Манхеттена – 630 Вт/м², в зоне бумажной фабрики – 2000 Вт/м², на угольной ТЭС 1000МВт – 24000 Вт/м², Заметим, что максимальная плотность потока солнечной радиации вблизи поверхности Земли составляет935 Вт/м². Значит, тепловое загрязнение по ФРГ составляет в среднем 0,17 % от падающей на Землю радиации, а на отдельных территориях (в Руре, например) достигает 2 %. На основании этих данных легко представить, какого уровня достигнет тепловое загрязнение Земли, если все страны будут продвигаться к уровню энергопотребления, достигнутому в ФРГ. Тем более, что существуют мнения, что пороговой величиной для антропогенной энергетики является величина 0,1 % от падающей на Землю солнечной радиации.

В большинстве промышленных стран установлены пределы теплового загрязнения. Они относятся, как правило, к режимам водоемов, так как по сложившейся технологии отвода «тепловых отходов» водоемы (реки, озера, моря) принимают основную часть сбросного тепла и наиболее страдают от теплового загрязнения. В Европе принято, что вода водоема не должна подогреваться больше чем на 3С по сравнению с естественной температурой водоема. В США нагрев воды в реках не должен превышать +3С, а в озерах - +1,3С, в прибрежных водах морей и океанов 0,8С летом и 2С в остальное время. В России, согласно «Правилам охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами», действующим с 1975 г., температура воды в водоемах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения не должна повышаться более чем на 3С по сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого месяца за последние 10 лет.

В настоящее время около 30 % энергопотребления приходится на электроэнергетику, 35 % - на отопление и горячее водоснабжение, 30 % - на технологическое потребление тепла. Согласно статистике, из всех тепловых сбросов 18 % приходятся на отходы использования тепла, 22 % - на отопление и горячее водоснабжение и 42 % - на теплоконденсацию на ТЭС. Первый и третий виды сбросов, как правило, отводят непосредственно в атмосферу, второй и четвертый – через системы водяного охлаждения. Заметим, что внедрение установки Геллера позволяет отвести значительную часть потока теплового загрязнения от водоемов и направить ее в атмосферу. Хотя общий поток теплового загрязнения биосферы при этом остается неизменным, но тепловая нагрузка на водоемы ощутимо уменьшается, и облегчается участь водных сообществ (экосистем). И участь весьма не легкая. Так, в Нарвском водохранилище при сбросе подогретых на 8-10С вод тепловое загрязнение охватывает зону радиусом 10 км. В реках тепловое загрязнение, связанное с повышением температуры на 8-10С, сохраняется неизменным примерно на расстоянии 2 км вниз по течению, затем температура начинает снижаться.

Если говорить о масштабах теплового загрязнения атмосферы, то показательны такие виды оценки: от промышленного центра с населением 2 млн. человек, с электростанциями суммарной мощностью 4600 МВт и нефтехимическими заводами шлейф тепловых загрязнений распространяется на 80-120 км при ширине зоны загрязнения 50 км и высоте около 1 км.

Борьба с тепловым загрязнением, с инженерной точки зрения, идентична работе по энергосбережению. Чем на более высоком уровне находится энергосберегающая политика и работа, тем более интенсивно ведется борьба с тепловым загрязнением. Положим, если бы удалось благодаря внедрению источников освещения с высокой светоотдачей и систем автоматического отключения источников света уменьшить энергопотребление на нужды освещения в 2 раза, то соответственно примерно в 2 раза уменьшилось бы и тепловое загрязнение, связанное с данным сектором энергопотребления. И так обстоит дело в любом секторе энергопотребления: в системе отопления жилых и производственных помещений, в сфере транспорта, в промышленных отраслях.

В проблеме теплового загрязнения присутствует и, по-видимому, будет присутствовать такой аспект: всегда стремиться найти полезное применение «тепловым отходам», а не просто сбрасывать тепло. Ниже приведены некоторые достаточно привлекательные способы утилизации тепловых отходов электростанций:

1. Орошение сельскохозяйственных земель (правда, это ведет к возрастанию безвозвратных потерь воды).

2. Использование в тепличном хозяйстве.

3. Подогрев свежей воды, поступающей на электростанцию, для предупреждения осаждения солей на стенках трубопроводов.

4. Поддержание северных морских гаваней в свободном ото льда состоянии.

5. Перегонка мазута и других тяжелых нефтепродуктов.

6. Аквакультура разведения рыб для вылова, выращивание теплолюбивых видов в северных районах.

7. Получение дополнительной электроэнергии, например, с помощью термоэлементов.

8. Защита животных в природе путем устройства подогреваемых зимой прудов для водоплавающей птицы.

9. Ликвидация туманов и очистка посадочных и рулевых дорожек при обеспечении безопасности в аэропортах.

10. Защита окружающей среды от виброакустических загрязнений.

11. Источники виброакустических воздействий.