Традиционная энергетическая отрасль, использующая ископаемые горючие материалы (нефть, уголь), является одним из основных источников загрязнения окружающей среды и потребителем невозобновимых природных ресурсов.
Использование альтернативных источников получения энергии – это один из способов экономии имеющихся традиционных источников энергии (горючие полезные ископаемые), обеспечения экологической безопасности, сохранения окружающей природной среды.
К альтернативным источникам энергии относятся: ветроэнергетика, биоэнергетика, геотермальная энергетика, гелиоэнергетика, морская энергетика, водородная энергетика (рисунок 7.2).
7.6.1 Ветроэнергетика.Ветроэнергетика – это преобразование энергии ветра во вращательное движение лопастного колеса, в колебания, воспринимаемые пьезоэлектрическими преобразователями, или в поступательное движение объекта с помощью ветродержателей (парусов, роторов). КПД ветроустановок достигает 25…50%, что делает их перспективными для использования. Основной элемент ветроустановок – колесо. Запасы энергии на Земле очень велики и превышают 80 трлн. кВт*час в слое воздуха до 500м.
Недостатки ветроэнергетики:
- энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать изменчивостью ветра в пространстве. Если объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет практически постоянной;
- ветроэнергостанции (ВЭС) генерируют интенсивный инфразвук, который вызывает угнетенное состояние, чувство беспокойства и дискомфорта; территория размещения ВЭС становится непригодной для обитания;
- в районах размещения ВЭС нарушается тепловой баланс вследствие изменения условий переноса тепла вдоль земной поверхности. Это может привести к изменению розы ветров;
- большие лопасти ВЭУ опасны для пернатых, особенно если они расположены на пути миграции птиц;
- из-за отражения радиоволн УКВ- и СВЧ-диапазона от лопастей ВЭУ нарушается нормальная работа навигационной аппаратуры и затрудняется прием телевизионных передач.
Для решения данных проблем можно выносить ВЭУ в море, открытый океан. Скорость ветра увеличивается по мере удаления от береговой линии. Так на настоянии 40 км от берегов, скорость возрастает на 20…25%, что позволяет получись от нее в 2 раза больше энергии при тех же параметрах ВЭУ. Кроме того, размещение ВЭУ в морских акваториях позволяет обеспечить энергией добывающие платформы и экономить земельные площади.
7.6.2 Биологическая энергетика.Биоэнергетика основана на получении биомассы, которая непосредственно или после соответствующей переработки используется в качестве топлива. Выделяют три направления получения тепловой энергии с помощью биомассы:
- непосредственное сжигание биомассы;
- брожение биомассы;
- использование таких энергоносителей, как биогаз или спирты, извлекаемые в процессе образование биомассы.
При первом направлении биомасса непосредственно используется в качестве топлива путем сжигания. При этом ее запасы восстанавливаются путем выращивания быстрорастущих видов растений в искусственных условиях (осина, тополь, ива, ольха на плантациях). Древесное топливо имеет ряд экологических преимуществ перед ископаемым топливом: эмиссия углекислого газа при сжигании дерева компенсируется тем, что само дерево за срок своей жизни поглощает такое же количество углекислого газа. Недостаток: большой объем, высокий процент влаги.
Второе направление – использование теплоты, которую выделяют при брожении органические отходы (навоз, опилки и т.п.) и которую можно употреблять для обогрева парников, теплиц и др.
Третье направление - извлечение из биомассы энергеносителей, как биогаз или спирты. Биогаз получают из отходов растениеводства или животноводства. Его можно использовать в небольших фермерских хозяйствах. Из растительных отходов получают спирт, добавляют его в бензин, при этом экономятся расходы нефти и снижается токсичность выхлопных газов.
7.6.3 Геотермальная энергетика.Это один из самых эффективных и экологически безопасных способов получения энергии за счет использования природного тепла земных недр. Подсчитано, что на глубине до 5 км количество теплоты многократно превышает энергию, заключенную во всех видах ископаемых энергоресурсов. Глубинное тепло можно использовать для выработки электроэнергии, отопления, горячего водоснабжения, разнообразных технологических нужд.
Различают геотермальные источники с естественными и искусственными теплоносителями.
В первом случае в качестве рабочего тела в энергетических установках используют термальные воды или пароводяные смеси естественного происхождения. Суммарная мощность всех ГеоТЭС мира составляет 17,6 млн. кВт. Чаще используют термальные воды неглубокого залегания с температурой 50…1000С.
В искусственных термальных источниках в качестве рабочего тела применяют жидкость или газ, которые по пробуренным скважинам циркулируют в толще горных пород, имеющих высокие температуры. Например, холодную воду закачивают в скважины, пробуренные до глубины 4 км в зону горячих пород. Примерно 3/5 закаченной воды через другие скважины поступает на поверхность, но уже в виде горячего пара. Этот пар можно использовать для выработки электроэнергии, парового отопления. Таким способом можно получить тепловую энергию из земных недр практически в любом месте нашей планеты.
Электроэнергия геотермических станций в 2 раза дешевле энергии, вырабатываемой на ГРЭС, и во много раз дешевле энергии станций, работающих на твердом и жидком топливе.
Пока наиболее перспективными являются районы современного вулканизма. В будущем будут создаваться сеть сверхглубоких скважин с погруженными в них термобатареями. Такая сеть сможет дать практически неограниченное количество энергии.
7.6.4 Гелиоэнергетика.Это получение энергии от Солнца. Использование только 0,01% общего потока солнечной энергии могло бы полностью обеспечить мировые потребности в энергии. За год от Солнца на Землю поступает в 10 раз больше энергии, чем ее запасено во всех разведанных ископаемых энергоносителях.
Гелиоэнергетика бывает наземная и космическая. Энергию Солнца преобразуют в тепловую с помощью солнечных коллекторов, которые нагревают тот или иной теплоноситель (например, вода). Недостаток: солнечная энергия рассеяна, из-за этого необходимо сооружения, огромные по площади и с большим расходом конструкционных материалов фокусирующих отражателей. Это также приводит к нарушению теплового баланса региона из-за изменения коэффициента отражения земной поверхности.
Солнечная энергия может преобразоваться непосредственно в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей, из которых комплектуются солнечные батареи. При этом применяют фотоэлементы на основе кремния и арсенида галлия. КПД составляет 13…15%.
Основным преимуществом космической гелиоэнергетики является то, что она будет обеспечивать круглосуточное генерирование электроэнергии, однако встает трудноразрешимый вопрос о ее передаче на Землю. Высказываются предположения о преобразовании электроэнергии в лазерное излучение или излучение микроволнового диапазона, т.е. в те излучения, для которых атмосфера прозрачна. Однако на Земле требуются большие площади, над этими зонами не должны проходить маршруты самолетов, пути миграции перелетных птиц и т.д.
7.6.5 Морская энергетика.Морская энергетика базируется на использовании энергии волн, возникающих на поверхности акваторий, морских течений и приливов, а также разности температур в различных слоях морской воды.
Волновая энергетика. Волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд. кВт, что составляет около 30% потребляемой в мире энергии. Целесообразность размещения волновых электростанций определяется региональными особенностями и, прежде всего, плотностью приходящей энергии, т.е. ее значением на единицу длины волнового фронта. Функциональный принцип работы волновых электростанций состоит в преобразовании потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций, которая в дальнейшем приводит во вращение вал электродвигателя. Такие электростанции могут быть сооружены непосредственно на берегу, в акватории вблизи берега или в открытом море на различном удалении от берега. Преобразователи волновой энергии влияют на изменение волнового режима: амплитуда волн ослабляется. Недостатки: низкая концентрация энергии, широкий спектр волновых колебаний, относительное непостоянство в пространстве и времени.
Энергия течений. Использование энергии океанских течений. Преобразователи энергии в зависимости от принципа действия подразделяют на водяные и объемные насосы. К первым относят лопастное колесо. Преобразователи второго типа представляют сопло Вентури, критическое сечение и срез расширяющейся части сопла соединены с атмосферой трубками. В критическом сечении сопла жидкость движется со скоростью, большей скорости входящего потока, это создает пониженное давление, вследствие чего воздух засасывается из атмосферы. При выходе из расширяющейся части сопла сжатый воздух поступает в напорную трубку, в которой расположена пневмотурбина. Недостаток: при недостаточном заглублении преобразователей возможно изменением температуры воды вследствие торможения потока и турбулентного перемешивания воды, что может отрицательно сказаться на обитателях поверхностных слоев воды.
Использование разности температур различных слоев морской воды. Кроме слоев воды, существуют перепады температур между поверхностными слоями воздуха, а также между составляющими дно породами и придонными водами. Для преобразования энергии, обусловленной перепадом температур, используют системы, где в качестве рабочего тела используется морская вода или промежуточное рабочее тело (аммиак, фреоны, пропан и др.). Недостаток: нарушение теплового равновесия из-за перемешивания теплых поверхностных и холодных глубинных вод, при котором возможны губительные последствия для теплолюбивой фауны при изменении абсолютной температуры. Кроме того, содержание углекислого газа в глубинных водах больше, чем в поверхностных, и это обуславливает то, что углекислый газ может выделяться в атмосферу и влиять на климатическую обстановку в данном регионе.
7.6.6 Водородная энергетика.Это получение водорода как энергоносителя с помощью термохимических и электролитических методов, а также биологических процессов. Теплотворная способность водорода в 3 раза выше, чем углеводородных топлив.
При сжигании водород превращается в водяной пар. Единственным вредным соединением могут быть оксиды азота, которые образуются из-за окисления атмосферного азота при особо высоких температурах горения. Для получения водорода используются различные метода разложения воды: электрохимический, термохимический, фотоэлектрохимический. Более перспективны химические реакции с применением катализаторов и последующим разложением образующихся продуктов. Например, получение водорода из сероводорода, содержащегося в морской воде.
В Казахстане в настоящее время доля альтернативных источников энергии от общего энергопотребления составляет 0,02%; для сравнения: в Европейском союзе - 6%, в США - 3%, в России - 0,3%. Вместе с тем, в Казахстане имеется значительный потенциал для развития гидроэнергетики, ветроэнергетики, геотермальной энергетики.
Гидроэлектроэнергетический потенциал Казахстана оценивается в 170 млрд кВт*ч в год. Особенно перспективным направлением является создание наиболее экологически чистых микроГЭС, работающих без подпорных плотин. В ветроэнергетике может быть реализован потенциал в 1,8 трлн кВт*ч. Потенциально возможная выработка солнечной энергии оценивается в 2,5 млрд кВт*ч в год, а также огромным резервом является применение биологического топлива: за счет переработки отходов сельскохозяйственного производства может быть получено ежегодно до 35 млрд кВт*ч электрической и 44 млн Гкал тепловой энергии.
21. Физическое загрязнение окружающей среды
Загрязнение окружающей среды– привнесение новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение их естественного уровня.
К основным типам загрязнения окружающей среды относятся:
- физическое (тепловое, шумовое, электромагнитное, световое, радиоактивное);
- химическое (тяжелые металлы, пестициды, пластмассы и другие химические вещества);
- биологическое (биогенное, микробиологическое, генетическое);
- информационное (информационный шум, ложная информация, факторы беспокойства).
Физическое загрязнение связано с изменением физических, температурно-энергетических, волновых и радиационных параметров внешней среды.
К физическому загрязнению можно отнести:
- тепловое;
- шумовое;
- радиоактивное;
- электромагнитное;
- световое.
Тепловое загрязнение – нагревание воды, воздуха или почвы в результате попадания в окружающую среду тепловых отходов предприятий топливно-энергетического комплекса (тепловые и атомные электростанции), при сжигании попутного газа нефтедобывающей промышленности, от газовых факелов нефтехимических предприятий, при утечке тепла в жилищно-коммунальном хозяйстве. Источниками загрязнений в пределах городских территорий служат: подземные газопроводы промышленных предприятий, теплотрассы, сборные коллекторы, коммуникации и др.
Любое тепловое загрязнение – это потеря дорогостоящей тепловой энергии, заставляющая увеличивать её производство.
Электромагнитное загрязнение связано с высоковольтными линиями электропередач, электроподстанциями, радио- и телепередающими станциями, а также с излучением микроволновых печей, компьютеров, радиотелефонов.
Радиоактивное загрязнение биосферы — превышение естественного уровня содержания в окружающей природной среде радиоактивных веществ. Оно может быть вызвано как естественными, так и антропогенными факторами (разработка радиоактивных руд, аварии на АЭС, испытание ядерного оружия и др.). В таблице 2.3 показаны факторы радиоактивного загрязнения биосферы.
Таблица 8.2 Факторы радиоактивного загрязнения биосферы
| Факторы радиоактивного загрязнения биосферы | |
| Естественные | Антропогенные |
| 1. Космическое излучение 2. Радиоактивные элементы литосферы | 1. Разработка радиоактивных руд 2. Ядерно-технические установки 3. Применение радионуклидов в различных отраслях хозяйства 4. Ядерные взрывы в мирных целях 5. Аварии на АЭС и предприятиях 6. Испытание ядерного оружия |
Экологический шум— одна из форм загрязнения окружающей среды, которая состоит в увеличении уровня шума сверх природного фона и действует отрицательно на живые организмы (включая человека).
Шум бывает бытовой, производственный, промышленный, транспортный, авиационный, шум уличного движения и др.
Основными источниками городского шума служат промышленные предприятия, среди которых особенно выделяются энергетические установки (100…110 дБ), компрессорные станции (100 дБ), металлургические заводы (90…100 дБ) и др. Значительный шум также создают транспортные среды (75…105 дБ) .
Шумозащита — комплекс мероприятий по снижению шума на производстве, на транспорте, при гражданском и промышленном строительстве.
Подробнее о физическом загрязнении окружающей среды изложено в
22. Любое химическое загрязнение – это появление химического вещества в непредназначенном для него месте. Загрязнения, возникающие в процессе деятельности человека, являются главным фактором его вредного воздействия на природную среду.
Химические загрязнители могут вызывать острые отравления, хронические болезни, а также оказывать канцерогенное и мутагенное действие. Например, тяжелые металлы способны накапливаться в растительных и животных тканях, оказывая токсическое действие. Кроме тяжелых металлов, особо опасными загрязнителями являются хлордиоксины, которые образуются из хлорпроизводных ароматических углеводородов, используемых при производстве гербицидов и многие другие вещества.
Загрязнению подвергаются атмосфера, гидросфера и литосфера Земли (таблица 8.1).
Таблица 8.1 Загрязнение окружающей среды
| Компоненты окружающей среды | Основные источники загрязнения | Основные вредные вещества |
| Атмосфера | Промышленность Транспорт Тепловые электростанции | Оксиды углерода, серы, азота Органические соединения Промышленная пыль |
| Гидросфера | Сточные воды Утечки нефти Автотранспорт | Тяжелые металлы Нефть Нефтепродукты |
| Литосфера | Отходы промышленности и Сельского хозяйства Избыточное использование Удобрений | Пластмассы Резина Тяжелые металлы |
Экологические кризисы, являющиеся результатом загрязнения окружающей среды, могут быть трех видов – глобальные, региональные и локальные
Одной из проблем, имеющих глобальный характер, является возрастание содержания в атмосфере углекислого газа в результате техногенных выбросов. Наиболее опасным последствием этого явления может стать повышение температуры воздуха благодаря «парниковому эффекту».
К загрязнениям регионального масштаба относятся многие отходы промышленных предприятий и транспорта. В первую очередь, это касается диоксида серы. Он вызывает образование кислотных дождей, поражающих организмы растений и животных и вызывающих заболевания населения.
В крупных городах и промышленных центрах воздух, наряду с оксидами углерода и серы, часто загрязнен оксидами азота и твердыми частицами, выбрасываемыми автомобильными двигателями и дымовыми трубами. Нередко наблюдается образование смога. Хотя эти загрязнения носят локальный характер, они затрагивают многих людей, компактно поживающих на таких территориях. Кроме того, наносится ущерб окружающей природной среде.
Среди многих последствий хозяйственной деятельности человеческого общества особое значение имеет процесс прогрессирующего накопления металлов в окружающей среде. К наиболее опасным загрязнителям относят ртуть, свинец и кадмий. Существенное воздействие на живые организмы и их сообщества оказывают также техногенные поступления марганца, олова, меди, молибдена, хрома, никеля и кобальта.
Природные воды могут загрязняться пестицидами и диоксинами, а также нефтью. Продукты разложения нефти токсичны, а нефтяная пленка, изолирующая воду от воздуха, приводит к гибели живых организмов (в первую очередь, планктона) в воде.
Помимо накопления в почве токсичных и вредных веществ в результате деятельности человека, ущерб землям наносится за счет захоронения и свалок промышленных и бытовых отходов.
Основными мерами борьбы с химическим загрязнением являются:
- строгий контроль выбросов вредных веществ. Нужно заменять токсичные исходные продукты на нетоксичные, переходить на замкнутые циклы, совершенствовать методы очистки. Большое значение имеет оптимизация размещения предприятий для уменьшения выбросов транспорта, а также грамотное применение экономических санкций;
- развитие международного сотрудничества. Например, международные договоренности в области сохранения озонового слоя привели к повсеместному запрету на использование хлор-, фторсодержащих соединений;
- проведение мероприятий, предупреждающих попадание загрязняющих веществ в водоемы (установление прибрежных защитных полос и водоохранных зон, отказ от ядовитых хлорсодержащих пестицидов, повышение надежности танкеров и т.п.);
- недопущение засорения почв промышленными и бытовыми сточными водами, твердыми бытовыми и промышленными отходами, санитарная очистка почвы и территории населенных мест;
- внедрение малоотходных и безотходных технологий, использование новых видов энергии.
23. 2 Биологическое загрязнение является относительно новым понятием, оно введено в экологическую практику в начале 80-х годов (1982 г.). Биологическим загрязнением называют привнесение в среду и размножение в ней нежелательных для человека организмов, а также проникновение (естественное или благодаря деятельности человека) в эксплуатируемые экосистемы и технологические устройства видов организмов, чуждых данным экосистемам. Биологическое загрязнение является следствием антропогенного воздействия на окружающую среду.
Один из видов биологического загрязнения - выбросы предприятий биологического (микробиологического) синтеза. Производственные мощности этой отрасли современной биотехнологии, особенно в фармакологической промышленности, постоянно растут. Многие лекарственные препараты, например, антибиотики, вакцины, получают с помощью микроорганизмов путем микробиологического синтеза. В состав выбросов и сбросов со сточными водами фармакологических заводов входят микробные клетки и их фрагменты, питательная среда для микроорганизмов.
Масштабы этого вида загрязнения могут быть весьма велики, так же как и его негативные эффекты на здоровье человека. Яркой иллюстрацией является ситуация с производством искусственного белка из кормовых дрожжей (Candida tropicalis), растущих на углеводородах, в России в 70-80-х гг. XX века. Производство имело большие масштабы: было создано 8 крупных и около 100 мелких предприятий, выпускающих боле 1,5 млн. т в год белково-витаминного концентрата (БВК). В результате произошло сильное загрязнение окружающей среды в районах расположения заводов, которое вызвало резкое увеличение заболеваемости населения бронхиальной астмой, снижение общей иммунологической реактивности, особенно у детей.
В связи с биологическим загрязнением нельзя не упомянуть о бактериологическом оружии. Несмотря на международные запреты (Конвенция по биологическому оружию 1972 года), в разных концах света возникают сообщения, в той или иной степени связанные с его производством.
После событий 11 сентября 2001 года, когда самолет-камикадзе врезался в американские небоскребы, появился новый термин – «биотерроризм». После этих событий начались вспышки сибирской язвы в США, связанные с применением бактериологического оружия (подробнее в подразделе 4.10).
К концу XX века встал вопрос о биологической опасности, связанной с развитием генной инженерии и ее успехами в сельском хозяйстве. Риск так называемого «генетического» загрязнения окружающей среды - этого сравнительно нового вида биологического загрязнения - становится все более реальным.
Наибольшему риску генетического загрязнения подвержены редкие и исчезающие виды, популяции которых находятся ни стадии деградаций. Межвидовая гибридизация и гибридизация между подвидами – явление широко распространенное. Изменение условий обитания может провоцировать гибридизацию. Угроза гибридизации характерна для регионов с антропогенно трансформированной средой и нарушениями популяционных механизмов регуляции численности.
Самостоятельную проблему с серьезными социально-этическими аспектами представляет собой вмешательство в геном человека. С расшифровкой генома человека в 2000 году (в исследованиях участвовали десятки лабораторий Англии. Франции, Японии, США, России) человечество входит в новую фазу своего развития, где предсказать все возможные сценарии невозможно. В некоторых прогнозах они выглядят фантастическими, например, и результате достижений генной инженерии можно будет клонировать гениев или правителей. Может появиться «улучшенная» разновидность людей, которые будут обладать феноменальными способностями и небывалой продолжительностью жизни.
Многие считают, что, несмотря на всевозможные запреты, остановить научный прогресс в области этих исследований невозможно: рано или поздно такие попытки будут сделаны.
В XXI веке может стать актуальной микробиологическая опасность в сфере космической деятельности. Реальной угрозой развития заболеваний, не известных ранее, может стать целый комплекс факторов: непредсказуемость повеления микроорганизмов внутри космического корабля, возможность попадания новых видов микроорганизмов при замене экипажей, ослабление иммунитета у человека в уровнях невесомости и др.