Технологии в энергетике

Ни одна технология не может быть реализована без использования энергии, основы любой технологии. С 1860 по 1985-й г. потребление энергии в мировой экономике выросло в 60 раз, но основной рост приходится на период после 1950 г. За эти годы в развитых странах начала изменяться и структура потребляемых природных энергетических ресурсов. Господствовавший до 1950 г. уголь постепенно уступил место нефти и ее продуктам, а нефть, в свою очередь, сейчас уступает первенство природному газу. В целом же в мире растет потребление как угля, так нефти и газа (Медоуз и др., 1994). В развивающихся странах важнейшим источником энергии пока остается уголь, а в бытовой сфере — биомасса. К началу 1990-х гг. потребление энергии продолжает расти высокими темпами — 3,7% в 1988 г. по первичной энергии (т.е. фактически потребляемой в мире). Наибольший прирост наблюдался в потреблении газа (4,7%), затем угля (3,7%) и нефти (3,1%). Половина потребляемой нефти приходилась на развитые страны, они же использовали 45% газа, а бывший СССР еще 33,7%, тогда как больше половины угля использовали развивающиеся страны - Китай в 1988 г. потреблял 24% угля, а США и Западная Европа - 30,8%, бывший СССР - 12,8%. Наибольшим в 1980-е гг. был прирост в ядерной энергетике - более 10% ежегодно, однако ее доля в мировом энергопроизводстве составляла всего 5%, а доля гидроэнергетики - около 7%. Таким образом, основная часть энергии — почти 90%, — с помощью которой реализуются технологии во всех сферах жизнеобеспечения, получается за счет сжигания ископаемого топлива (World..., 1990).

Каждый человек для обслуживания и реализации технологий в среднем в мире использует в настоящее время 3,2 кВт мощности, получаемой за счет ископаемого топлива, что примерно в 23 раза превышает энергию существования человека — 140 Вт (Горшков, 1990). Наибольшую мощность потребляет житель США - 10,5 кВт, значительно меньшую - каждый житель наиболее богатых из 27 стран мира - 6,2 кВт. Во многих беднейших странах энергетические потребности удовлетворяются на уровне эпохи до появления электроэнергии (Climate in..., 1990). В целом мировое хозяйство потребляет мощность 17—19 ТВт (оценка на 1995 г.).

Весь используемый человеком поток энергии (как и все технологии) направлен на разрушение экосистем и потребление природных ресурсов - как непосредственно, так и косвенным путем, в том числе в результате выброса отходов, появляющихся при использовании энергии ископаемого топлива. Сжигание последнего дает по массе отходов больше, чем сжигаемая масса, а использованная для работы полезная (вторичная) энергия вместе с тепловыми отходами диссипирует и идет на повышение температуры у поверхности Земли.

Подавляющее число технических специалистов и экономистов в основном обеспокоено именно образованием большого количества отходов при использовании ископаемого топлива и, в особенности, выбросом парниковых газов, в чем видят основное экологическое зло современной энергетики. Это пример того, как за деревьями не видят леса: при этом совершенно не учитывается, что вся энергетическая мощь человечества направлена только на разрушение экосистем и окружающей среды. Иными словами, эти специалисты видят основное ограничение для развития энергетики в выбросах парниковых и некоторых других газов. Между тем было бы логично поставить вопрос: может ли человечество непрерывно наращивать свою энергетическую мощь, которая есть не что иное, как дубина, позволяющая крушить природу. Имеется ли предел такому наращиванию мощности? Большинство энергетиков, экономистов и даже экологов не задумываются над этим. Хотя еще в 1976 г., в период эйфории по поводу ядерной энергетики, академик Е.К. Завойский в письме академику П.Л. Капице писал: "Перспектива неудержимого роста населения мира, потребляющего все больше энергии, неизбежно приведет к глобальному конфликту человека с природой. Этот вывод неизбежен, и конфликт не может быть разрешен в пределах Земли. На этом пути нет никаких надежд и нельзя строить иллюзий" (Данилов - Данильян и др., 1994).

Такая мечта о неограниченном росте энергетической мощи человечества все еще владеет умами большинства людей, поэтому в сфере разработки технологий получения и использования энергии в качестве ограничителей рассматриваются только отходы. В связи с этим в научных исследованиях и разработках ставится задача повышение эффективности использования энергии. Ее часто представляют как экологически направленную, но на деле это, в первую очередь, экономическая задача, так как снижение энергопотребления на единицу продукции делает ее более конкурентоспособной на рынке.

Эксперты считают, что с помощью доступных в настоящее время технологий в США возможно снижение потребление энергии наполовину. Оптимисты надеются, что Западная Европа и Япония, где использование энергии сейчас наиболее эффективно (на 20-30% выше, чем в США), могут повысить этот показатель еще в 2-4 раза в течение ближайших 20 лет (Медоуз и др., 1994).

В статистике, связанной с энергетикой и экологией, часто используется понятие "потребление энергии на единицу ВНП" (ВНП - валовой национальный продукт, за единицу ВНП обычно принимается 1 млн. долларов). Но снижение этого показателя нередко связано не столько с реальным изменением энергопотребления на единицу продукции, сколько со сдвигами в структуре национальной экономики, когда из страны постепенно перемещаются в другие страны энергоемкие производства, которые замещаются наукоемкими, более конкурентоспособными, и когда прирост ВНП происходит во все большей степени за счет роста сферы услуг. При этом в стране продолжается рост суммарного потребления энергии в абсолютных величинах и даже его рост на душу населения при сокращении потребления на единицу ВНП (табл. 5.5.1). Приведенные данные показывают именно такую ситуацию во многих развитых странах. В Западной и Центральной Европе незначительное снижение потребления энергии на душу населения в период с 1980 по 1988-й г. наблюдалось только в 7 странах (Бельгия, Болгария, Дания, Венгрия, Люксембург, Нидерланды, Польша), которые не определяют энергетической ситуации в регионе. В то же время снижение потребления энергии на единицу ВНП происходило практически во всех государствах континента (без учета бывших социалистических стран) за исключением Исландии и Португалии.

Таким образом, снижение потребления энергии на единицу ВНП еще не означает уменьшения ее общего потребления в стране и сокращения потребления на душу населения. Например, в Канаде с 1980 по 1988 г. общий прирост потребления энергии составил 8,2%, прирост потребления на душу населения — 12,6%, а потребление на 1 млн. долл. ВНП сократилось на 6,1%. Рост ВНП в этот период составил в среднем 2,7% в год, а прирост населения - около 1% . Другой пример - Япония, где с 1977 по 1987-й г. прирост потребления энергии составил 7%, прироста на душу населения не было, а сокращение потребления на единицу ВНП составило 29%. Все это показывает, что даже при снижении потребления энергии на единицу ВНП нарастание давления на окружающую среду и экосистемы продолжается за счет абсолютного роста использования энергии.

Создание технологий, снижающих энергопотребление на единицу продукции, - безусловно, необходимое направление действий, но оно не вносит практически никакого вклада в решение экологических проблем, если при этом растет общее энергопотребление. На примере Японии видно, что абсолютная величина прироста потребления энергии в стране при всех замечательных достижениях в разработке энергосберегающих технологий была необходимым и вынужденным шагом, так как население Японии с 1977 по 1987 г. росло со скоростью 0,93% в начале и 0,6% в конце этого периода. При этом за указанный период энергопотребление на душу населения не выросло. Таким образом, в энергетике существенную роль играет рост населения.

Второй предлагаемый путь - использование так называемых "экологически чистых" источников энергии, которые также называют "альтернативными" и "возобновляемыми". К этим источникам относятся следующие: энергия ветра (уже сейчас в ряде стран создаются поля ветровых установок — в Калифорнии и на севере Западной Европы действует 25 тыс. ветроустановок и спрос на ветровые турбины растет), получение энергии из биомассы путем использования биогаза, а для двигателей автомашин — метанола и этанола (Швеция, Бразилия, Китай и др. страны), геотермальная энергия (используется как прямо, так и для производства электроэнергии (в США, Исландии и других странах), получение энергии за счет океана — приливов, волнения и термического перепада температуры с глубиной, энергия рек, используемая уже с давних времен (но сейчас наблюдается переход от крупных гидроэлектростанций к микрогидроэлектростанциям), наконец, солнечная энергия (солнечные концентраторы, солнечные пруды, солнечные батареи и т.д.).

Хотя возобновляемые источники энергии называют "экологически чистыми", это, строго говоря, не соответствует действительности. Очевидно, что создание любой энергетической установки на основе возобновимых ресурсов требует материалов, затрат энергии и территории, а следовательно, экологических издержек. Некоторые установки для использования возобновимых источников энергии загрязняют окружающую среду, как например, ветровые турбины, которые создают мощное шумовое загрязнение. Эксплуатация и ремонт всех подобных установок, вывод их из эксплуатации после износа неизбежно приводят к образованию отходов и загрязнению окружающей среды. Но не это является самым важным. Если сейчас окружающая среда нарушена и идет распад современной биосферы, то любая дополнительная энергия, в том числе и за счет возобновляемых источников, только ускорит разрушение.

Можно представить такую ситуацию, что все человечество перейдет к использованию только возобновимых источников энергии. Но и в этом случае суммарная мощность установок не должна превышать допустимого порога возмущения биосферы, который составляет величину порядка 1—2 ТВт. При превышении этого порога любая используемая в хозяйственной деятельности, самая "экологически чистая" энергия становится экологически опасной. Следовательно, до этого порога не существует разницы между использованием энергии ископаемого топлива и энергии возобновимых источников. Преимущество последних будет заключаться только в том, что они не будут создавать локального загрязнения окружающей среды. Но современные технологии позволяют так организовать сжигание ископаемого топлива, что оно не будет в существенных объемах выбрасывать вредные для здоровья человека и окружающей среды загрязнители, а парниковые газы до превышения порога возмущения биосферы биота сама будет выводить из окружающей среды, что она делала в прошлом веке, а ее сохранившаяся ненарушенной часть продолжает делать и в настоящее время.

Таким образом, не сомневаясь в полезности и необходимости повышения эффективности использования энергии, в развитии энергосберегающих технологий, в переходе к использованию возобновимых источников энергии, нельзя видеть в этом в настоящее время путь выхода из экологического кризиса. Выход из него лежит в снижении мощности нашего хозяйства примерно на порядок.

Защита от шума, инфразвука и вибраций

Акустический расчет и методы снижения шума

Необходимость проведения мероприятий по снижению шума в жилых и общественных зданиях, на их территории при действии каких-либо источников шума определяется на основании измерений соответствующих уровней (звукового давления, звука или эквивалентных уровней звука) и сравнении их с допустимыми по нормам. Для проектируемых объектов — на основании проведения акустического расчета, который включает в себя: выявление источников шума и определение их шумовых характеристик; выбор расчетных точек, для которых производится расчет и установление допустимых уровней звукового давления L_доп для этих точек;

-определение ожидаемых уровней звукового давления L в расчетных точках до осуществления мероприятий по снижению шума и требуемого снижения уровня звукового давления; выбор мероприятий для обеспечения требуемого - снижения уровней звукового давления; расчет и проектирование шумоглушащих, звукопоглощающих и звукоизолирующих конструкций (глушителей, экранов, звукопоглощающих облицовок, звукоизолирующих кожухов и т. п.).

Акустический расчет производится для всех нормируемых среднегеометрических частот октавных полос - (63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц). Проведение акустического расчета обязательно при проектировании новых предприятий, сооружений, различных, установок.

Выявление источников шума и определение их шумовых характеристик. Источники шума в окружающей: среде весьма разнообразны. В основном это средства-транспорта, технологическое и инженерное оборудование, газодинамические и энергетические установки.

Для выполнения акустического .расчета прежде всего необходимо знать шумовые характеристики машин,. основными из которых являются уровни звуковой мощности L_р в восьми октавных полосах частот, фактор направленности Ф или показатель направленности а=101$Ф. В соответствии с ГОСТ 12.1.024—81, ТОСТ 12.1.025 — 81 и другими эти характеристики указываются заводом-изготовителем в технической документации на стационарные машины и оборудование.

В ряде случаев шумовые характеристики могут быть рассчитаны или определены по справочнику.

Вентиляционные установки. В окружающую среду-шум, создаваемый при работе вентиляторов общепромышленного и специального назначения (например,. шахтных вентиляторов), попадает через воздухозаборные или выбросные устройства (киоски, шахты и т. д.),, а иногда — через металлические стенки воздуховодов,., Общий уровень звуковой мощности Лр₀б_Щ вентилятора общепромышленного назначения определяется отдельно для всасывающей и нагнетательной сторон