Природопользование в энергетике

Энергетика как система включает пять относительно независимых стадий:

1) добычу природных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР);

2) транспортировку ТЭР;

3) переработку ТЭР;

4) производство преобразованных видов энергии и их транспортировку;

5) использование энергии.

Влияние энергетики на окружающую среду проявляется, во-первых, в изъятии и потреблении природных ресурсов (земельных, водных и др.); во-вторых, в воздействии отходов энергетического производства; в-третьих, в физическом загрязнении среды (радиационном, электромагнитном, тепловом).

В процессе освоения топливно-энергетических ресурсов происходит изменение рельефа, нарушение почвенного, растительного покрова, поверхностного и подземного стока. Длительная эксплуатация, например, нефтяных месторождений сопровождается опусканием земной поверхности. В Калифорнии при освоении месторождения Лонг-Бич величина оседания достигала 8,8 м. В отдельных случаях, при наличии в недрах пустот, могут происходить внезапные глубокие оседания, которые по характеру протекания и вызываемому эффекту мало отличаются от землетрясений. Опускания земной поверхности могут вызывать оползневые явления.

В процессе горных работ в локальных масштабах меняется распределение подземных и поверхностных вод, нарушается водообмен. Вследствие увеличения темпов водообмена уменьшается концентрация в природных водах микроэлементов. В ряде случаев нарушение баланса водных ресурсов приводит к затоплению прилегающих территорий, изменению русел рек. Формирование отвалов угольной промышленности площадью более 200 га вызывает подъем уровня грунтовых вод и появление в окружающей местности озер и болот.

В результате добычи, например, угля водоемы загрязняются сточными водами. Большие объемы сточных вод связаны с высокой водообильностью разрабатываемых угольных месторождений: 12 м³/т – на шахтах Подмосковного бассейна, 3 м³/т – Донецкого бассейна. Сточные воды характеризуются повышенной кислотностью или щелочностью, жесткостью и минерализацией. Благодаря наличию минеральных и органических загрязняющих веществ они вызывают химическое загрязнение водоемов.

Загрязнение воздушной среды происходит в результате выделения пыли и газообразных веществ при открытой и подземной добыче полезных ископаемых (рудничный газ), при взрывных работах, при эксплуатации горнодобывающей техники, при погрузке и транспортировке твердого топлива, на терриконах, при самовозгорании отвалов. В угледобывающих районах в воздух попадает пыль, сернистый ангидрид, окись углерода, сероводород, окислы азота и другие соединения.

Небезопасна для окружающей среды и транспортировка энергоресурсов. При железнодорожных перевозках жидких углеводородов наибольшую опасность с точки зрения загрязнения природной среды представляет их способность к испарению и утечка при погрузке.

Основной формой воздействия нефтепроводов является загрязнение нефтью и продуктами ее испарения почв, водоемов и приземного слоя атмосферы, а на участках многолетнемерзлых грунтов – протаивание грунта при всех видах прокладки трубопровода, кроме надземной, и его эксплуатации в случае отсутствия тепловой изоляции трубопровода. При удалении растительного покрова глубина протаивания в среднем увеличивается в 1,5 – 3 раза. При загрязнении нефтепродуктами природной среды даже через 15 лет растительность восстанавливается лишь наполовину.

Транспортировка жидких углеводородов морским путем приводит к загрязнению водоемов нефтью и нефтепродуктами при сливе танкерами балластной воды, а также при их авариях. Воздействие газопроводов на природу менее заметно.

Влияние энергетики на окружающую среду в большей мере зависит от вида используемых энергоносителей. Наиболее чистым топливом является природный газ, далее следует нефть (мазут), каменные угли, бурые угли, сланцы, торф. При функционировании ТЭС, АЭС образуется, во-первых, большое количество низкопотенциального тепла, во-вторых, значительное количество твердых, жидких и газообразных отходов. Неизбежность тепловых выбросов обусловлена низким КПД использования потенциальной тепловой энергии энергетических ресурсов, применяемых на ТЭС и АЭС: не выше 40 % для ТЭС и 33 % для АЭС.

Количественный и качественный состав выбросов ТЭС в атмосферу зависит от свойств топлива, способа и совершенства технологии его сжигания. Свойства топлива в значительной степени определяются его химическим составом, горючей массой и балластом. Основными горючими составляющими являются углеводород, водород и сера. Угольные ТЭЦ выбрасывают 1230 т углекислого газа на 1 млн кВт/ч произведенной энергии, газовые – 510 т. Одним из наиболее токсичных газообразных выбросов энергоустановок является сернистый ангидрид.

Выбросы ТЭС отличаются значительным количеством металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн доз, железа – 400 млн доз, магния – 1,5 млн доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах.

Выбросы ТЭС являются существенным источником такого сильного канцерогенного вещества, как бензопирен. С его действием связано увеличение онкологических заболеваний. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушать легочную ткань и вызывать такое заболевание, как силикоз, которым раньше болели шахтеры.

Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС – шламами, золой, хвостами углеобогащения. Для складирования твердых отходов из народнохозяйственного оборота отчуждаются значительные территории. Если сама ТЭС средней мощности занимает 200 – 300 га, то площадь золоотвала через 10 лет эксплуатации ТЭС достигает 800 – 1500 га. Зола и шлаки по составу близки к металлургическим. В отходах углеобогатительных фабрик содержатся 55 – 60 % оксида кремния, 22 – 26 % оксида алюминия, 5 – 12 % оксида железа, 0,5 – 1 % оксида кальция, 4 – 4,5 % оксида натрия, 5 % углерода.

Ежегодно в атмосферу в виде выбросов ТЭС поступает около 250 млн т. мелкодисперсных аэрозолей. Последние влияют на поступление солнечной радиации к земной поверхности. Они, являясь ядрами конденсации водяных паров, способствуют формированию осадков, а попадая в организм человека, вызывают респираторные заболевания.

Используемая на ТЭС вода образует сточные воды, содержащие различные химические вещества и большое количество тепла. Эти воды обусловливают тепловое и химическое загрязнение водоемов и сопутствующее ему изменение (размножение водорослей, потеря кислорода, гибель гидробионтов, превращение типичных водных экосистем в болотные и т. п.). Наряду с тепловым загрязнением происходит шумовое, которое распространяется на расстоянии 3 – 4 км от ТЭС.

Имеются данные, что тепловые электростанции в 2 – 4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.

Воздействие АЭС на окружающую среду проявляется в следующем:

1. Разрушение экосистем в местах добычи руд (особенно открытым способом).

2. Изъятие земель под строительство АЭС, особенно под строительство сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанций мощностью 1 тыс. МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800 – 900 га.

3. Изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс подогретых вод. Выработка одного млн кВт электроэнергии на ТЭС дает 1,5 км³ подогретых вод, на АЭС такой же мощности – 3 – 3,5 км³.

4. Радиоактивное загрязнение природных компонентов в процессе добычи и транспортировки сырья, при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях. В процессе ядерных реакций используется 0,5 – 1,5 % ядерного топлива. Ядерный реактор мощностью 1000 МВт за год работы дает около 60 т радиоактивных отходов. В природную среду поступает Cs¹³⁴, Cs¹³⁷, Sr⁹⁰, Sr⁸⁹, I³¹, Co⁶⁰, Co⁵⁸, Mn⁵⁴ и др.

Наиболее опасны по воздействию на живые организмы близкие по химическим свойствам с калием и кальцием цезий 137 и стронций 90. Эти радионуклиды вызывают генетические изменения в клетках живых организмов и человека. В Беларуси в результате взрыва на Чернобыльской АЭС распространены у людей раковые заболевания различных органов. Накоплению радионуклидов способствует дисбаланс в питании, т. е. дефицит белка животного происхождения, витаминов А, С, В, солей кальция и железа. В связи с этим огромное значение приобретает полноценное белково-витаминное питание для лиц, подвергшихся радиоактивному загрязнению.

Гидроэнергетика не оказывает глобального влияния на состояние воздушного бассейна, но строительство ГЭС имеет разнообразные экологические последствия.

Вырабатываемая на электростанциях энергия передается по линиям электропередач. Источниками воздействия на окружающую среду воздушных линий являются: электрические провода, опоры, подстанции и открытые распределительные устройства.

По характеру воздействия на окружающую среду влияние высоковольтных линий целесообразно делить на механическое и специфическое – электромагнитное. Одновременно происходит химическое загрязнение воздуха продуктами, возникающими при коронных разрядах (истечение газа), а также шумовое. Высокие дозы электромагнитного излучения отрицательно влияют прежде всего на нервную и кровеносную систему человека, приводят к сердечно-сосудистым заболеваниям. Шум, генерируемый линиями электропередач, нарушает частоту радиопередач и различных видов связи, а также неблагоприятно воздействует на человека. Уровни шума в 140 – 150 дБ вызывали у людей головную боль, кашель, нарушение зрения, утомление. Эффекты акустического воздействия на человека аналогичны влиянию, вызываемому электрическим полем на подстанциях 500 кВ и выше.

Для решения экологических проблем в энергетике целесообразно:

1) использование и совершенствование очистных устройств, например фильтров;

2) экономия электроэнергии, например, за счет снижения энергоемкости продукции. Например, в США на единицу получаемой продукции расходовалось в среднем в 2 раза меньше энергии, чем в бывшем СССР. Перспективно энергосбережение за счет уменьшения металлоемкости продукции, повышения ее качества, увеличения продолжительности жизни изделий. Экономия энергии в быту и на производстве возможна за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Например, экономию дает замена ламп накаливания с КПД около 5 % флуоресцентными, КПД которых в несколько раз выше. Крайне расточительно использование электрической энергии для получения тепла. Производство электроэнергии на ТЭС связано с потерей примерно 60 – 65 % тепловой энергии, на АЭС – не менее 70 % энергии. Энергия теряется при передаче ее по проводам на расстояние. Поэтому прямое сжигание топлива для получения тепла, особенно газа, намного рациональнее, чем через превращение его в электричество, а затем вновь в тепло. Заметно повышается также КПД топлива при его использовании вместо ТЭС на ТЭЦ;

3) использование отходов энергетики в народном хозяйстве. Масштабы возможного использования золы определяются ее составом, свойствами и потребностью в ней. Например, зола с высоким содержанием окиси кальция используется в качестве удобрений и для известкования кислых почв. Зола и шлаки применяются для производства строительных материалов, сооружения дорог. Зола отдельных видов энергетических топлив может быть использована для получения некоторых редких и рассеянных элементов;

4) для уменьшения влияния линий электропередач на окружающую среду разрабатываются организационно-технические мероприятия, направленные на ограничение времени пребывания людей в зоне электромагнитного поля (первая цель) и на ограничение напряженности поля (вторая цель). Первой цели служат различные нормы напряженности, разрабатываемые для конкретных пространственных и временных условий воздействия электро-магнитного поля на человека. Для решения второй задачи до допускаемых уровней применяются специальные заземленные экраны: металлические навесы, перегородки для открытых распределительных устройств, металлические тросы биозащиты, натянутые на заземленные стойки; а также используется экранирующий эффект, которым обладает древесно-кустарниковый массив;

5) наиболее радикальным способом борьбы с шумом является акустическое совершенствование самого источника шума, установка акустических уловителей;

6) использование альтернативных источников энергии: солнечной, приливной, ветровой и др. Например, известно два пути преобразования солнечной энергии в электрическую. Первый путь связан с использованием фотоэлементов для индуцирования электрического тока из солнечной энергии без всяких дополнительных устройств. Второй путь преобразования солнеч-ной энергии связан с превращением воды в пар, который приводит в движение турбогенераторы.

В районах с интенсивным движением воздуха для получения электрической энергии может использоваться ветер. В США, например, сооружена ветроэлектростанция на базе объединения большого числа мелких ветротурбин мощностью около 1500 МВт (примерно 1,5 АЭС). Кроме неисчерпаемости ресурса и высокой экологичности производства, к достоинствам ветротурбин относится невысокая стоимость получаемой на них энергии. Она здесь в 2 – 3 раза ниже, чем на ТЭС и АЭС.

Вопросы для повторения.

1. Какие виды промышленности вы знаете?

2. Что понимается пол отраслью промышленного производства.

3. Какие отрасли промышленности испытывают основные экологические проблемы и почему?

4. В чем специфика природопользования в горно-рудной промышленности и энергетике?

Резюме

Промышленность – основа экономики многих стран современного мира. Промышленность РФ носит ресурсный характер. Ведущими отраслями экономики страны является топливная и горно-рудная промышленность. В настоящие время это отрасли испытывают значительное число экологических проблем, требующих решения.