Экологические проблемы гидроэнергетики

Экологические проблемы гидроэнергетики. Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами - их непрерывная возобновляемость.

От-сутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вы-рабатываемой на ГЭС электроэнер¬гии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря на значи¬тельные удельные капиталовложения на 1 кВт уста¬новленной мощности и продолжительные сроки стро¬ительства, придавалось и придаётся большое зна-че¬ние, особенно когда это связано с размещением элек¬троёмких производств.

Гидроэлектростанция — это комплекс сооружений и оборудования, по-средством которых энергия пото¬ка воды преобразуется в электрическую энер-гию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концент¬рацию потока воды и создание напора, и энергетичес¬кого оборудования, преобразующего энергию движу¬щейся под на-пором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, пре-образуется в электрическую энергию.

Несмотря на относительную дешевизну энергии, получаемой за счет гидроресурсов, доля их в энерге¬тическом балансе постепенно уменьшается. Это свя¬зано как с исчерпанием наиболее дешевых ресурсов, так и с большой терри-ториальной емкостью равнин¬ных водохранилищ. Считается, что в перспективе мировое производство энергии ГЭС не будет превы¬шать 5% от общей. Одной из важнейших причин уменьшения доли энер¬гии, получаемой на ГЭС, является мощное воздействие всех этапов строительства и эксплуатации гидросоору¬жений на окружающую среду (табл. 3). По данным разных исследований, одним из важнейших воздействий гид-роэнер¬гетики на окружающую среду является отчуждение значительных пло-щадей плодородных (пойменных) земель под водохранилища. В России, где за счет ис¬пользования гидроресурсов производится не более 20% электрической энергии, при строительстве ГЭС затоп¬лено не менее 6 млн га земель.

На их месте уничтоже¬ны естественные экосистемы.

Значительные площади земель вблизи водохрани¬лищ испытывают под-топление в результате повышения уровня грунтовых вод. Эти земли, как пра-вило, пере¬ходят в категорию заболоченных. В равнинных усло¬виях подтоп-ленные земли могут составлять 10% и бо¬лее от затопленных. Уничтожение зе-мель и свойствен¬ных им экосистем происходит также в результате их разру-шения водой (абразии) при формировании бере¬говой линии. Абразионные про-цессы обычно продолжа¬ются десятилетиями, имеют следствием переработку больших масс почвогрунтов, загрязнение вод, заиление водохранилищ.

Таким образом, со строительством во¬дохранилищ связано резкое нарушение гидро-логичес¬кого режима рек, свойственных им экосистем и видо¬вого состава гид-робионтов. В водохранилищах резко усиливается прогревание вод, что интенсифи-цирует потерю ими кислорода и дру¬гие процессы, обусловливаемые тепловым загрязнени¬ем. Последнее, совместно с накоплением биогенных ве¬ществ, созда-ет условия для зарастания водоемов и ин¬тенсивного развития водорослей, в том числе и ядови¬тых сине-зеленых.

По этим причинам, а также вслед¬ствие медленной обновляемости вод резко снижается их способность к самоочище-нию. Ухудшение качества воды ведет к гибели многих ее обитателей. Возрас-тает заболеваемость рыбного стада, особенно поражаемость гельминтами. Снижаются вку¬совые качества обитателей водной среды. Нарушаются пути миграции рыб, идет разрушение кормовых угодий, нерестилищ и т. п. Волга во многом потеряла свое значение как нерестилище для осетровых Каспия после строительства на ней каскада ГЭС. В конечном счете, перекрытые водохранилищами речные системы из транзитных превращаются в транзитно-аккумулятивные.

Кроме биогенных веществ здесь аккумулируются тяжелые металлы, радиоактив¬ные элементы и многие ядохимикаты с длительным периодом жизни. Продукты аккумуля-ции делают про¬блематичной возможность использования территорий, зани-маемых водохранилищами, после их ликвидации. Водохранилища оказывают заметное влияние на ат¬мосферные процес-сы. Например, в засушливых (арид¬ных) районах испарение с поверхности во-дохранилищ превышает испарение с равновеликой поверхности суши в де-сятки раз. С повышенным испарением связано понижение тем¬пературы воздуха, увеличение туманных явлений.

Раз¬личие тепловых балансов водохранилищ и прилегаю¬щей суши обусловливает формирование местных вет¬ров типа бри-зов. Эти, а также другие явления имеют следствием смену экосистем (не все-гда положитель¬ную), изменение погоды.

В ряде случаев в зоне водохра¬нилищ приходится менять направление сельского хо¬зяйства. Например в южных районах нашей страны некоторые теплолюбивые культуры (бахчевые) не ус¬певают вызревать, повышается заболеваемость расте¬ний, ухудшается качест-во продукции. Издержки гидростроительства для среды заметно меньше в горных районах, где водохранилища обычно невелики по площади. Однако в сейсмо-опасных горных районах водохранилища могут провоцировать земле¬трясения. Увеличивается вероятность оползневых яв¬лений и вероятность ка-тастроф в результате возможно¬го разрушения плотин.

Так, в 1960 г. в Индии (штат Гунжарат) в результате прорыва плотины вода унесла 15 тысяч жизней людей. В силу специфики технологии использования водной энергии гидро-энергетические объекты преобразуют природные процессы на весьма дли-тельные сроки. На¬пример водохранилище ГЭС (или система водохрани¬лищ в случае каскада ГЭС) может существовать десятки и сотни лет, при этом на мес-те естественного водо¬тока возникает техногенный объект с искусственным регу-лированием природных процессов - природно-техническая система (ПТС). В данном случае задача сводится к формированию такой ПТС, которая обес¬печивала бы надежное и экологически безопасное фор¬мирование комплекса.

При этом соотношение между основными подсистемами ПТС (техногенным объек¬том и природной средой) может быть существенно различным в зависимости от выбранных приорите¬тов - технических, экологических, социально-эко¬номических и др а принцип экологической безо¬пасности может формулиро-ваться, например, как под¬держание некоторого устойчивого состояния созда¬ваемой ПТС. Эффективным способом уменьшения затопления тер¬риторий является уве-личение количества ГЭС в каска¬де с уменьшением на каждой ступени напора и, следо¬вательно, зеркала водохранилищ.

Несмотря на сниже¬ние энергетических показателей и уменьшение регули¬рующих возможностей возрастания стоимости, низко¬напорные гидроузлы, обеспечивающие минимальные затопления земель, лежат в основе всех современных разработок.

Еще одна экологическая проблема гидроэнергетики связана с оценкой каче-ства водной среды. Имеющее место загрязнение воды вызвано не технологиче-скими процессами производства электроэнергии на ГЭС (объе¬мы загрязнений, по-ступающие со сточными водами ГЭС, составляют ничтожно малую долю в общей массе загрязнений хозяйственного комплекса), а низкое ка¬чество санитарно-технических работ при создании во¬дохранилищ и сброс неочищенных стоков в водные объекты.

В водохранилищах задерживается большая часть пи¬тательных веществ, приносимых реками. В теплую по¬году водоросли способны массами размножать-ся в поверхностных слоях обогащенного питательными веще¬ствами, или эвтроф-ного, водохранилища. В ходе фото¬синтеза водоросли потребляют питательные вещества из водохранилища и производят большое количество кислорода. От-мершие водоросли придают воде непри¬ятный запах и вкус, покрывают толстым слоем дно и препятствуют отдыху людей на берегах водохранилищ.

Массовое размножение, «цветение» водорослей в неглу¬боких заболоченных водохранили-щах стран СНГ дела¬ет их воду непригодной ни для промышленного использова-ния, ни для хозяйственных нужд. В первые годы после заполнения водохранилища в нем появляется много разложившейся растительности, а «новый» грунт может резко снизить уровень кисло¬рода в воде. Гниение органических веществ может при¬вести к выделению огромного количества парниковых газов — метана и двуокиси углерода.

Водохранилища часто «созревают» десятилетиями или дольше, а в тропи-ках этот процесс длится столети¬ями — пока разложится большая часть всей ор-ганики. Рассматривая воздействие ГЭС на окружающую сре¬ду, следует все же от-метить жизнесберегающую фун¬кцию ГЭС. Так, выработка каждого млрд кВтч элект¬роэнергии на ГЭС вместо ТЭС приводит к уменьшению смертности населе-ния на 100-226 чел./год. 3. Проблемы ядерной энергетики Ядерная энергетика в настоящее время может рассматриваться как наи-более перспективная.

Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так и со щадящим воздействием на среду. К преимущест-вам относится также возможность строительства АЭС, не привязываясь к ме-сторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует сущест-венных затрат в связи с малыми объемами. До¬статочно отметить, что 0,5 кг ядерного топлива по¬зволяет получать столько же энергии, сколько сжи¬гание 1000 т каменного угля. Известно, что процессы, лежащие в основе получе¬ния энергии на АЭС — реакции деления атомных ядер — гораздо более опасны, чем, например, процес-сы горе¬ния. Именно поэтому ядерная энергетика впервые в ис¬тории развития промышленности при получении энер¬гии реализует принцип максимальной безопасности при наибольшей возможной производительности.

Многолетний опыт эксплуатации АЭС во всех стра¬нах показывает, что они не оказывают заметного вли¬яния на окружающую среду.

К 1998 г. сред-нее время эксплуатации АЭС составило 20 лет. Надежность, бе¬зопасность и экономическая эффективность атомных электростанций опирается не только на жесткую регламентацию процесса функционирования АЭС, но и на сведе-ние до абсолютного минимума влияния АЭС на ок¬ружающую среду. В табл. 4 представлены сравнительные данные АЭС и ТЭС по расходу топлива и загрязнению окружающей среды за год при мощности по 1000 МВт. Таблица 3 Расход топлива и загрязнение окружающей среды Факторы воздействия на среду ТЭС АЭС Топливо 3,5 млн. т. угля 1,5 т урана или 1000 т. урановой руды Отходы: Углекислый газ Сернистый ангидрид и др. соед. Зола Радиоактивные 10 млн. т. 400 тыс. т. 100 тыс. т. — — — — 2 т. При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в окру-жающую среду крайне незначительны.

В среднем, они в 2-4 раза меньше, чем от ТЭС одинаковой мощности. К маю 1986 г. 400 энергоблоков, работавших в мире и дававших более 17% электроэнергии, увеличили при¬родный фон радиоактивности не более чем на 0,02%. До Чернобыльской катастрофы в нашей стране ника¬кая отрасль произ-водства не имела меньшего уровня производственного травматизма, чем АЭС. За 30 лет до трагедии при авариях, и то не по радиационным при¬чинам, погибло 17 человек.

После 1986 г. главную эко¬логическую опасность АЭС стали связывать с возмож¬ностью аварии. Хотя вероятность их на современных АЭС и невелика, но она не исключается. К наиболее крупным авариям такого плана относится авария, слу¬чившаяся на четвертом блоке Чернобыльской АЭС. По различным данным, суммарный выброс продук¬тов деления от содер-жащихся в реакторе составил от 3,5% (63 кг) до 28% (50 т). Для сравнения не-обходимо отметить, что бомба, сброшенная на Хиросиму, дала только 740 г ра-диоактивного вещества.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС радио¬активному загрязнению подверглась территория в ра¬диусе более 2 тыс. км, охватившая более 20 госу-дарств.

В пределах бывшего СССР пострадало 11 областей, где проживает 17 млн человек. Общая площадь загрязнен¬ных территорий превышает 8 млн га, или 80 0000 км2. В России наиболее значительно пострадали Брянская, Калужская, Тульская и Орловская области. Пятна заг¬рязнений имеются в Белгородской, Ря-занской, Смолен¬ской, Ленинградской и других областях. В результате аварии погиб 31 человек и более 200 человек получили дозу радиации, приведшую к лу-чевой болезни. 115 тыс. человек было эвакуировано из наиболее опасной (30-километровой) зоны сразу после аварии.

Число жертв и количество эвакуиро-ванных жителей увеличивается, расширяется зона загрязнения в результате пе-ремеще¬ния радиоактивных веществ ветром, при пожарах, с транспортом и т. п. Последствия аварии будут сказы¬ваться на жизни нескольких поколений. После Чернобыльской аварии во многих государствах по требованию обще-ственности были временно прекра¬щены или свернуты программы строительства АЭС, однако атомная энергетика продолжала развиваться в 32 странах.

Сейчас дискуссии по вопросам приемлемости или неприемлемости ядер-ной энергетики пошли на спад, стало понятно, что мир не может вновь погру-зиться во тьму или смириться с крайне опасным воздействи¬ем на атмосферу двуокиси углерода и прочих вред¬ных для человека продуктов горения органи-ческого топлива. Уже в течение 1990 года 10 новых АЭС были подключены к электрическим сетям. Строительство АЭС не останавливается: по состоя-нию на конец 1999 г. в мире в эксплуатации находилось 436 энер¬гоблоков АЭС по сравнению с 434, зарегистрирован¬ными в 1998 г. Общая электрическая мощность рабо¬тающих в мире энергоблоков около 335 ГВт (1 ГВт = 1000 МВт = 109 Вт). Действующие атомные электро¬станции обеспечивают покрытие 7% ми-ровых потреб¬ностей в энергии, а их доля в мировом производстве электриче-ской энергии составляет 17%. Только в Западной Европе атомные электростан-ции вырабатыва¬ют в среднем около 50% всей электроэнергии.

Если сейчас заменить все действующие в мире атом¬ные электростанции на тепловые, мировой экономи¬ке, всей нашей планете и каждому человеку в от-дельности был бы нанесен непоправимый ущерб. Этот вывод основан на том факте, что получение энергии на АЭС одновременно предотвращает ежегод-ный выброс в атмосферу Земли до 2300 млн т двуокиси углерода, 80 млн т ди-оксида серы и 35 млн т окси¬дов азота за счет уменьшения количества сжи-гаемо¬го органического топлива на тепловых электростан¬циях. Кроме того, сгорая, органическое топливо (уголь, нефть) выбрасывает в атмосферу огром-ное ко¬личество радиоактивных веществ, содержащих, в ос¬новном, изотопы ра-дия с периодом полураспада око¬ло 1600 лет! Извлечь все эти опасные вещест-ва из атмосферы и обезопасить от их воздействия населе¬ние Земли в этом слу-чае не представлялось бы воз¬можным.

Вот лишь один конкретный пример.

Зак¬рытие в Швеции атомной станции Барсебек-1 приве¬ло к тому, что Швеция впервые за последние 30 лет стала импортировать электроэнергию из Дании. Эко¬логические последствия этого таковы: на угольных электростанциях Да-нии было сожжено дополнитель¬но почти 350 тыс. т угля из России и Польши, что привело к росту выбросов двуокиси углерода на 4 млн т (!) в год и значительному увеличению количества выпадающих кислотных дождей во всей юж¬ной части Швеции.

Строительство АЭС осуществляют на расстоянии 30-35 км от крупных горо-дов. Участок должен хорошо про¬ветриваться, во время паводка не затопляться. Вокруг АЭС предусматривают место для санитарно-защитной зоны, в которой за-прещается проживание населения.

В РФ в настоящее время эксплуатируется 29 энергоблоков на девяти АЭС общей установленной электрической мощностью 21,24 ГВт. В 1995-1998 гг. на АЭС в России вырабатывалось более 13% всего производства электроэнергии в стра¬не, сейчас - 14,4%. По суммарной установленной мощности АЭС Россия за-нимает пятое место после США, Франции, Японии и Германии. В настоящее время более 100 млрд кВт*ч, вы¬рабатываемые ядерными энергоблоками страны, вно¬сят значительный и необходимый вклад в энергообес¬печение ее европейской части — 22% всей произво¬димой электроэнергии.

Производимая на АЭС элект¬роэнергия более чем на 30% дешевле, чем на тепло¬вых электростанциях, ис-пользующих органическое топливо. Безопасность действующих АЭС является одной из главнейших задач рос-сийской атомной энергетики. Все планы строительства, реконструкции и модер-низации атомных электростанций России реализуются только с учетом совре-менных требований и нормативов.

Иссле¬дование состояния основного оборудова-ния действую¬щих российских АЭС показало, что продление сроков его службы, по крайней мере, еще на 5-10 лет вполне возможно. Причем, благодаря проведе-нию соответству¬ющего комплекса работ по каждому энергоблоку, с со¬хранением высокого уровня безопасности. Для обеспечения дальнейшего развития атомной энер¬гетики в России в 1998 г. принята «Программа разви¬тия атомной энергетики Российской Федерации на 1998-2000 гг. и на период до 2010 г.». В ней отмечено, что в 1999 г. АЭС России выработали на 16% больше энергии, чем в 1998 г. Для производства этого коли-чества энергии на ТЭС потре¬бовалось бы 36 млрд м3 газа стоимостью 2,5 млрд долл в экспортных ценах.

На 90% рост потребления энер¬гии в стране был обес-печен за счет ее выработки на атомных электростанциях. Оценивая перспективы развития мировой атомной энергетики, большин-ство авторитетных международ¬ных организаций, связанных с исследованием глобаль¬ных топливно-энергетических проблем, предполагает, что после 2010-2020 гг. в мире вновь возрастет потреб¬ность в широком строительстве АЭС. По реалистичес¬кому варианту, прогнозируется, что в середине XXI в. около 50 стран будут располагать атомной энергетикой.

При этом общая установленная электрическая мощ¬ность АЭС в мире к 2020 г. возрастет почти вдвое — до¬стигнет 570 ГВт, а к 2050 — 1100 ГВт 4.