Юрий Почанин – Энергетика и экология (страница 2)

Кратко источники электроэнергии можно разделить на три основных типа:

–полезные ископаемые (газ, нефть, уголь, сланцы);

–возобновляемые ресурсы (вода, ветер, солнце, термальные воды);

–расщепление атома.

Производство электроэнергии в мире ведется на тепловых станциях, использующих традиционные виды топлива (уголь, газ, сланцы, мазут), гидроэлектростанциях, а также на АЭС. Оно растёт быстрее других секторов топливно-энергетического хозяйства, т.е. электроэнергетика – является ведущей отраслью энергетики.

Основная часть производимой в мире энергии приходится на тепловые станции.

Тепловая электростанция (ТЭС)– вырабатывает электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Основные типы ТЭС: паротурбинные (преобладают), газотурбинные и дизельные. Иногда к ТЭС условно относят атомные, геотермальные и с магнитогидродинамическими генераторами.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) дают не только электроэнергию, но и тепло, которое с электростанций подводится в виде горячей воды к предприятиям и жилым зданиям. В настоящее время в странах, обеспеченных топливными ресурсами, ТЭС – основной источник электроэнергии. В России, США, Англии, Германии на ТЭС вырабатывается основная часть электроэнергии. Это объясняется тем, что на сооружение ТЭС затрачивается значительно меньше времени и средств, чем на ГЭС. Они обеспечивают равномерную выработку электроэнергии в течение всего года, и мощность их можно увеличивать в соответствии с потребностями в электроэнергии. Строительство ТЭЦ, дающих не только электроэнергию, но и тепло, повышает эффективность использования топлива и удешевляет стоимость электроэнергии.

По данным источника (BP Statistical Review of World Energy 2020) производство электроэнергии в мире в 2019 году выглядило следующим образом, рис. 1.1. Самые крупные экономики мира обеспечивают свой рост за счет пренебрежения экологическими нормами. Китай и США – чемпионы по выбросам углекислого газа. Они поставляют 8 и 6 млрд т в год соответственно (в сумме эти две страны дают 28% объема всех мировых выбросов).

Все больший объем парниковых газов производят развивающиеся страны, в частности Индия. При этом Индия и Китай под действие Киотского протокола не подпадают, ибо входят в категорию развивающихся стран.

Рис.1.1. Производство электроэнергии в мире в 2019 году (% и ТВтч)

В качестве топлива на тепловых электростанциях используют уголь, нефть и нефтепродукты, природный газ и реже древесину и торф. Основными компонентами горючих материалов являются углерод, водород и кислород, в меньших количествах содержится сера и азот, присутствуют также следы металлов и их соединений (чаще всего оксиды и сульфиды).

В теплоэнергетике источником массированных атмосферных выбросов и крупнотоннажных твердых отходов являются теплоэлектростанции, предприятия и установки паросилового хозяйства, т.е. любые предприятия, работа которых связана с сжиганием топлива. В состав отходящих дымовых газов входят диоксид углерода, диоксид и триоксид серы и ряд других компонентов, поступление которых в воздушную среду наносит большой ущерб, как всем основным компонентам биосферы, так и предприятиям, объектам городского хозяйства, транспорту и населению городов.

Коэффициент полезного действия энергетических установок пока невелик и составляет 30-40%, большая часть топлива сжигается впустую. Полученная энергия тем или иным способом используется и превращается, в конечном счете, в тепловую, т.е. помимо химического в биосферу поступает тепловое загрязнение.

Загрязнение и отходы энергетических объектов в виде газовой, жидкой и твердой фазы распределяются на два потока: один вызывает глобальные изменения, а другой – региональные и локальные.

Энергетика и сжигание ископаемого топлива остаются источником основных глобальных загрязнителей. Они поступают в атмосферу, и за счет их накопления изменяется концентрация малых газовых составляющих атмосферы, в том числе парниковых газов. В атмосфере появились газы, которые ранее в ней практически отсутствовали – хлорфторуглероды. Это глобальные загрязнители, имеющие высокий парниковый эффект и в то же время участвующие в разрушении озонового экрана стратосферы. В то же время энергетика – один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ). Что касается влияния энергии ТЭС на экологию, то можно отметить, как главный фактор, выделение вредных веществ в виде закиси углерода, соединений азота, свинца и значительного количества тепла. В странах мира ежегодно сжигается 5 млрд т угля и более 3 млн т нефти, что сопровождается гигантским выбросом в атмосферу тепла.

Мировой опыт показывает, что масштабное использование природных энергоресурсов для производства энергии на тепловых электростанциях приводит к значительной трансформации окружающей среды. Функционирование не возобновляемой углеродной энергетики сопровождается отрицательными экологическими последствиями, к основным из которых следует отнести:

–загрязнение природной среды вредными химическими веществами;

–повышенный расход атмосферного кислорода транспортом и энергоустановками;

– тепловое загрязнение среды обитания;

–опасность возникновения техногенных катастроф.

Влияние энергетики на экологию связано с добычей угля и засолением водных ресурсов. Помимо этого, откаченная вода содержит радон и изотопы радия. Атмосфера загрязняется продуктами сжигания угля в виде оксидов серы – 120 тыс. т, окислов азота – 20 тыс. т, пепла – 1,5 тыс. т, оксида углерода – 7 млн т. При горении образуется более 300 тыс. т золы, включающей в себя 400 т токсичных металлов в виде ртути, мышьяка, свинца и кадмия.

Электростанция мощностью 1 ГВт ежегодно выбрасывает в атмосферу более 1 млн т углекислого газа (в пересчете на углерод), провоцирующего парниковый эффект. Со сточными водами в окружающую среду попадает около 66 т органических веществ, 83 т серной кислоты, 26 т хлоридов, 41 т фосфатов и почти 500 т взвешенных веществ. Газопылевые выбросы ТЭС загрязняют атмосферу углекислым газом, золой, оксидами азота, углерода и серы, тяжелыми металлами, бензапиреном и другими вредными веществами. Причем количество загрязняющих веществ напрямую зависит от вида, используемого станцией топлива, таблица 1.1.

Таблица 1.1. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу электростанцией мощностью 1 ГВт в зависимости от вида топлива, т/год

Выбросы

Топливо

уголь

нефть

природный газ

СхНх

400

470

34

СО

2 000

700

–

NOх

27 000

25 000

20 000

SO2

110 000

37 000

20,4

Взвешенные частицы

3 000

1 200

500

При сгорании каменного угля выделяется в 3–8 раз больше оксидов NOх, чем при сжигании других видов топлива (например, в 6 раз больше, чем при использовании бурового угля). Однако оксидов серы выбрасывается меньше, чем при сжигании мазута. Лишь сернистость низкокачественных бурых углей больше, чем мазута.

Выброс твердых частиц при сжигании бурых углей почти в два раза превышает таковой при использовании каменных углей, которые, в свою очередь, в три раза превышают этот показатель для мазута. К тому же уголь обладает небольшой природной радиоактивностью, а поскольку на ТЭС это топливо сжигается в огромных объемах, то суммарные радиоактивные выбросы превышают те, которые возникают при эксплуатации АЭС. Наибольшей радиоактивностью характеризуются угли Кузбасса, Донбасса и Экибастуза. При их сжигании в выбросах возрастает содержание радия-226 и свинца-210, причем последний накапливается в золе. После сжигания угля концентрация свинца в золе увеличивается в 5–10 раз, радия – в 3–6 раз. При сжигании мазута в воздух попадают диоксид и оксид углерода, сернистый газ, оксиды азота, сажа, углеводороды, твердые частицы, в состав которых входят оксиды различных химических элементов (табл. 1.2). Выход оксидов азота при сжигании мазута больше, чем у природного газа, но меньше, чем у угля. Твердых веществ при сгорании мазута образуется существенно меньше, нежели при использовании углей. Однако выделяются оксиды различных элементов, некоторые из них относятся к I и II классам опасности.

Зона влияния выбросов ТЭС на окружающую среду распространяется на расстояния до 50 км от станции. На промышленных площадках ТЭС, территория которых достигает 3–4 км2, полностью изменяются рельеф местности, воздушные течения, поверхностный сток, нарушаются почвенный слой, растительный покров и режим грунтовых вод.

Таблица 1.2. Состав золы уноса, образующейся при сжигании мазута на ТЭС

Вещество

Содержание,

%

Класс опасности

V2O3

30–36

I

NiO

8–10

I

МоО2

1