16 сентября 2011

Сравнительная характеристика различных способов производства электроэнергии (часть первая)

«Необходим объективный подход к ядерной энергетике. Обе стороны должны осознать неотъемлемое право на объективную, а не тактическую информацию, выгодную одной из сторон. Каждый должен сознательно идти на риск.

Обычно риск считается приемлемым, если при сравнении серьезности последствий его теоретическая вероятность намного ниже вероятности природных катастроф, которые рассматриваются как неизбежные и никогда не принимаются в расчет в повседневной жизни … Я не знаю другой области человеческой деятельности кроме атомной энергетики, где было бы так много сделано для оценки риска и гарантии безопасности».

          Кардинал Х. Шверк  (Швейцария) .

Введение.

Среди величайших достижений ХХ века наряду с генной и полупроводниковой технологиями открытие атомной энергии и овладение ею занимает особое место.

Человечество получило доступ к громадному и потенциально опасному источнику энергии, который нельзя ни закрыть, ни забыть, его нужно использовать не во вред, а на пользу человечеству.

У атомной энергии две «родовые» функции – военная, разрушительная и энергетическая – созидательная. По мере уничтожения устрашающих ядерных арсеналов, созданных в период холодной войны, атомная энергия будет проникать внутрь цивилизованного общества в виде тепла, электричества, медицинских изотопов, ядерных технологий, нашедших применение в промышленности, космосе, сельском хозяйстве, археологии, судебной медицине и т.д.

В XXI веке истощение энергоресурса уже не будет первым ограничивающим фактором. Главным становится фактор ограничения предела экологической емкости среды обитания.

Прогресс, достигнутый в превращении атомной энергии в безопасное, чистое и действенное средство удовлетворения растущих глобальных энергетических потребностей, не может быть достигнут никакой другой технологией, несмотря на привлекательность энергии ветра, солнца и других, «возобновляемых» источников энергии.

Однако бытующее в обществе представление об атомной энергии по-прежнему окутано мифами и страхами, которые абсолютно не соответствуют фактическому положению дел, и, в основном, опираются исключительно на чувства и эмоции.

В том случае, Когда голосованием предлагается решать вопросы об опасности там, где действуют законы природы  ( по терминологии В.И.Вернадского, когда «общественное мнение» опережает «общественное понимание» ) , как это ни парадоксально , происходит преуменьшение экологической опасности.

Поэтому одной из важнейших задач, стоящих в настоящее время перед учеными, является задача достижения «общественного понимания» экологических проблем, в том числе – атомной энергетике.

Активность экологических движений должна приветствоваться, но она должна быть конструктивной, а не разрушительной.

Хорошо организованный и цивилизованный диалог между специалистами и общественностью, безусловно, полезен.

Цель нашего проекта – анализ информации, необходимой для выработки собственного осознанного отношения к проблемам развития энергетики вообще и атомной энергетики в частности.

Научно-технический прогресс, энергия и человеческое общество. Источники энергии.

Человечество живет в едином, взаимосвязанном мире, и наиболее серьезные энергетические, экологические и социально-экономические проблемы приобрели глобальный масштаб.

Развитие энергетике связано с развитием человеческого общества, научно-техническим прогрессом, который, с одной стороны, ведет к значительному подъему уровня жизни людей, но с другой оказывает воздействие на окружающую человека природную среду. К  числу важнейших глобальных проблем относятся:

  • рост численности населения Земли и обеспечение его продовольствием;
  • обеспечение растущих потребностей мирового хозяйства в энергии и природных ресурсов;
  • охрана природной среды, в том числе и здоровья человека, от разрушительного антропогенного воздействия технического прогресса.

Такие экологические угрозы, как парниковый эффект и необратимые изменения климата, истощение озонового слоя, кислотные дожди (осадки ), сокращение биологического разнообразия, увеличение содержания токсичных веществ в окружающей среде, требуют новой стратегии развития человечества, предусматривающей согласованное функционирование экономики и экосистемы. Разумеется, потребности современного общества должны удовлетворяться с учётом потребности будущих поколений. Потребление энергии является одним из важных факторов развития экономики и уровня жизни людей. За последние 140 лет потребление энергии во всём мире возросло примерно в 20 раз, а  численность населения планеты – в 4 раза (24).

С учётом темпов нынешнего роста численности населения и необходимости улучшения уровня жизни будущих поколений Мировой Энергетический  Конгресс прогнозирует рост глобального потребления энергии на 50-100% к 2020 году и на 140-320% к 2050г. (3,25).

Что же такое энергия вообще? Согласно современным научным представлениям, энергия-это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая не возникает из ничего и не исчезает, а только может переходить из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии.

Энергия может проявляться в различных формах : кинетическая, потенциальная, химическая, электрическая, тепловая, ядерная.

Для удовлетворения нашей потребности в энергии существуют возобновляемые и невозобновляемые источники.

Солнце, ветер, гидроэнергия, приливы и некоторые другие источники энергии называют возобновляемыми потому, что их использование человеком практически не изменяет их запасы. Уголь, нефть, газ, торф, уран относятся к невозобнавляемым источникам энергии, и при переработке они теряются безвозвратно.

По прогнозам Международного энергетического агентства потребности в первичных энергоносителях в первом десятилетии ХХ1-го века будут удовлетворены в следующих соотношениях : нефть- не более 40%, газ- менее 24%, твёрдые виды топлива (в основном уголь ) – менее 30%, ядерная энергия -7%, гидроэнергетика – 7%, возобновляемые виды энергии – менее 1%. Региональное потребление первичных энергоносителей может иметь отклонения от мировых тенденций .

Основное количество энергии человечество получает и будет получать в ближайшем будущем, расходуя невозобновляемые источники.

Такие природные ресурсы, как: уголь, нефть, газ –практически невосстанавливаемые, не смотря на то, что их запасы на сегодняшний день во всем мире очень велики, но они все равно когда-либо закончатся. Самое главное то, что при работе ТЭС происходит отравление окружающей среды.

Широко бытующее утверждение об экологической «чистоте» возобновляемых источников энергии справедливо, лишь, если иметь в виду только конечную стадию – энергопроизводящую станцию. Из всех этих видов возобновляемых источников энергии только гидроэнергия          в настоящий момент вносит серьёзный вклад во всемирное производство электроэнергии (17% ).

Гидроэнергетика.

В большинстве промышленно развитых стран незадействованным на сегодня остался лишь незначительный по объёму гидроэнергетический потенциал.

Так,в европейской части страны с наиболее напряжённым топливным балансом использование гидроэнергетических ресурсов достигло 50%, а их экономический потенциал практически исчерпан.

Гидроэнергетические сооружения в потенциале несут в себе опасность крупных катастроф. Так, в 1979 году авария на плотине в Морви (Индия) унесла около 15 тысяч жизней. В Европе в 1963 году авария плотины в Вайонт (Италия) привела к гибели 3 тысячи человек.

Неблагоприятное воздействие гидроэнергетики на окружающую среду, в основном, сводится к следующему : затопление с/х угодий и населённых пунктов, нарушение водного баланса, что ведёт к изменению существования флоры и фауны, климатические последствия (изменение теплового баланса, увеличение количества осадков, скорости ветра, облачности и т.д.).

Перегораживание русла реки приводит к заливанию водоёма и эрозии берегов, ухудшению самоочищения проточных вод и уменьшению содержания кислорода, затруднения свободное движение рыб.

С увеличением масштабов гидротехнического сооружения растёт и масштаб воздействия на окружающую среду.

Энергия ветра.

Энергия ветра в больших масштабах оказалась ненадёжной, неэкономичной и, главное, неспособной давать электроэнергию в нужных количествах.

Строительство ветряных установок усложняется необходимостью изготовления лопастей турбины больших размеров. Так, по проекту ФРГ установка мощностью 2-3 МВт должна иметь диаметр ветрового колеса 100м, причём она производит такой шум, что возникает необходимость отключения её в ночное время.

В штате Огайо была построена крупнейшая в мире ветросиловая установка 10МВт. Проработав несколько суток, была продана на слом по цене 10дол. За тонну. В радиусе нескольких километров жить стало невозможно из-за инфразвука, совпадающего с альфа-ритмом головного мозга, что вызывает психические заболевания.

К серьёзным негативным последствиям использование энергии ветра можно отнести помехи для воздушного сообщения и для распространения радио-и телеволн, нарушения путей миграции птиц, климатические изменения вследствие нарушения естественной циркуляции воздушных потоков.

Солнечная энергия.

Солнечная энергия. Техническое использование солнечной энергии осуществляется в нескольких формах: применение низко – и высокотемпературного оборудования, прямое преобразование солнечной энергии в электрическую на фотоэлектрическом оборудовании.

Принципиальными особенностями солнечного излучения являются огромные потенциальные ресурсы (в 4000 раз превышает прогнозируемые энергопотребности человечества в 2020 году ) и низкая интенсивность. Так, среднесуточная интенсивность солнечного излучения для средней полосы европейской части России составляет 150Вт/м , что в 1000раз меньше тепловых потоков в котлах ТЭС.

К сожалению, пока не видно, какими путями эти огромные потенциальные ресурсы можно реализовать в больших количествах. Одним из наиболее важных препятствий является низкая интенсивность солнечного излучения, что проблему необходимости концентрирования солнечной энергии в сотни раз ещё до того, как она превратится в тепло. Практическая реализация концентрации солнечной энергии требует отчуждения огромных земельных площадей. Для размещения солнечной электростанции (СЭС) мощностью 1000МВт (Эл) в средней полосе европейской части необходима площадь при 10%к.п.д. в 67км2. К этому надо добавить ещё и земли, которые потребуются отвести под различные промышленные предприятия, изготавливающие материалы для строительства и эксплуатации СЭС.

Следует подчеркнуть, что материалоёмкость, затраты времени и людских ресурсов в солнечной энергетике в 500 раз больше, чем в традиционной энергетике на органическом топливе и в атомной энергетике.

Действующая в Крыму СЭС мощностью 5 МВт потребила в 1988 году на собственные нужды в 20 раз больше энергии, чем произвела.

Геотермальная энергия

Отрицательными экологическими последствиями использования геотермальной энергии подземных источников горячей воды является возможность пробуждения сейсмической активности в районе электростанции, опасность локального оседания грунтов, эмиссия отравляющих газов (пары ртути, сероводорода, аммиака, двуокиси и окиси углерода, метана ), которые представляют опасность для человека, животных и растений.

Проведенные исследования показали, что возможная роль возобновляемых источников энергии не выходит за пределы вспомогательного энергоресурса, решающего региональные проблемы. Ресурсы таких источников, как гидроэнергетика, энергия ветра, морских волн и приливов, недостаточны. Солнечная энергетика и энергия  геотермальная с теоретически неограниченными ресурсами характеризуются чрезвычайно низкой интенсивностью поступающей энергии.

Кроме того необходимо помнить, что с использованием новых видов энергии возникает и новый тип экологических последствий, которые могут привести к изменению природных условий в глобальных масштабах и которые пока в полной мере трудно представить. Исследования последних лет показали, что на определенные планы с термоядерным синтезом ( проект ИТЭР ) преждевременно рассчитывать.

Тепловые электростанции.

Тепловые электростанции (ТЭС) появились в конце 19-ого века почти одновременно в России, США и Германии, а вскоре и в других странах. Первая центральная электрическая станция  была введена в эксплуатацию в Нью-Йорке в 1882 году для осветительных целей. Первая крупная тепловая электростанция с паровыми турбинами вступила в строй в 1906 году в Москве. Сегодня ни один более или менее крупный город не обходится без собственных электростанций. Тепловая электростанция – сложное и обширное хозяйство, порой она занимает территорию в 70 га, помимо главного корпуса, где размещаются энергоблоки, здесь располагаются различные вспомогательные производственные установки и сооружения, электрические распределительные устройства, лаборатории, мастерские, склады и т.д. Генераторы тепловых электростанций вырабатывают ток напряжением в десятки киловольт. Мощность теплоэлектростанций сегодня достигает сотен МВт. В США существует ТЭС мощностью 1,2-1,5 млн. кВт и более. В нашей стране от них поступает к потребителям наибольшая часть получаемой электроэнергии (69%). Особый вид тепловых электростанций – теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Эти предприятия производят энергию и тепло одновременно, поэтому коэффициент полезного действия используемого топлива у них достигает 70%, а у обычных тепловых электростанций лишь 30-35%. ТЭЦ всегда размещают вблизи потребителей – в крупных городах, так как передавать тепло (пар, горячую воду) без больших потерь можно максимум на 15-20 километров.

Размещение электростанций зависит от двух основных факторов – топливно-энергетических ресурсов и потребителей энергии, поэтому тепловые электростанции размещаются в районах топливных баз при наличии малокалорийного топлива – его не выгодно далеко перевозить. Например, Канско-Ачинский уголь использует Берёзовская ГРЭС-1 (ГРЭС – государственная районная электростанция). На попутном нефтяном газе работают две Сургутские электростанции. Если же электростанции используют высококалорийное топливо, которое выдерживает дальние перевозки (природный газ), они строятся ближе к местам потребления электроэнергии.

Тепловая энергетика оказывает огромное влияние на окружающую среду, загрязняет воду и атмосферный воздух. Самая грязная и экологически опасная – угольная электростанция. При мощности в 1 млрд. Вт она ежегодно выбрасывает в атмосферу 36,5 млрд. куб. метров горячих газов, содержащих пыль, вредные вещества и 100 млн. куб. метров пара. В отходы идут 50 млн. куб. метров сточных вод, в которых содержится 82 тонны серной кислоты, 26 тонн хлоридов, 41 тонна фосфатов и 500 тонн твёрдой извести. Ко всем этим выбросам необходимо добавить углекислый газ – результат сгорания угля. Наконец, остаётся 360 тысяч тонн золы, которую приходится складировать. В целом для работы угольной электростанции ежегодно требуется 1 млн. тонн угля, 150 млн. кубических метров воды и 30 млрд. кубических метров воздуха. Если учесть, что такие электростанции работают десятилетиями, то их воздействие на окружающую среду можно сравнить с вулканической деятельностью. Каждый         крупный город имеет несколько подобных «вулканов». Например, энергией и теплом Москву обеспечивает 15 теплоэлектроцентралей. В течение 20-ого века тепловые электростанции существенно повысили концентрацию ряда газов в атмосфере. Так, концентрация углекислого газа выросла на 25% и продолжает ежегодно увеличиваться на 0,5%, вдвое выросла концентрация метана и увеличивается на 0,9% в год, постоянно растут концентрации оксидов азота и двуокиси серы. Насыщенный парами воздух разъедает здания и сооружения, ранее устойчивые соединения становятся неустойчивыми, нерастворимые вещества переходят в растворимые и т.д. Избыточное поступление питательных веществ в водоёмы ведёт к их ускоренному «старению», заболевают леса, повышается уровень напряжения электромагнитных полей. Всё это чрезвычайно негативно сказывается на здоровье людей, риск преждевременной смерти увеличивается. Кроме того, повышенное содержание углекислого газа и метана в атмосфере является одной из причин возникновения парникового эффекта.

Парниковый эффект.

Есть несколько точек зрения на эту проблему. Согласно недавним решениям ООН для улучшения климата Земли наиболее развитый государства, такие как США, Япония  и страны Европейского союза, обязаны сократить к 2012 году объём выброса тепличных газов на 6% по сравнению с 1990 годом. Однако многие специалисты считают, что и этого недостаточно. Они настаивают  на 60%,  по их мнению, в борьбу должны включиться не только развитые страны, но и все остальные. Но есть и другая точка зрения: В 1997 году почти 1700 американских учёных подписали обращение к президенту страны, где поставили под сомнение сам подход к решению проблемы. Выбрасываемый промышленностью углекислый газ практически не влияет на климат, считают они. Вулканические извержения, другие природные катаклизмы поставляют подобных соединений куда больше. Например, учёные обратили внимание, что из подпочвенных слоёв тундры в последнее время стало выделяться больше углекислого газа и метана, чем прежде, а по оценкам учёных здесь содержится примерно треть всех земных  углесодержащих газов. Было установлено, что с каждого кв. метра тундры вода уносит 5 граммов углесодержащих веществ, примерно половина из них растворяется в реках, озёрах, ручьях, а затем поступает в атмосферу, остальные уходят в Северный Ледовитый океан. Средняя температура поверхности Земли за последний год поднялась на полградуса, но, по словам экспертов, им потребуется несколько лет,

чтобы определить, свидетельствуют ли данные показатели об ускорении глобального потепления. По мнению учёных, парниковых эффект – результат того, что климат Земли постоянно меняется. Возможно, сейчас происходит потепление, так как заканчивается последний ледниковый период, а колебания климата связаны с солнечной активностью, появлением пятен, увеличением излучаемого тепла. Опасности, связанные с повышением концентрации углекислого газа в атмосфере состоят в повышении температуры Земли. Но общепринятые оценки метеорологов показывают, что повышение  содержания углекислого газа в атмосфере приведёт к повышению температуры практически только в высоких широтах, особенно в Северном полушарии, причём в основном это потепление произойдёт зимой. По оценки специалистом Института сельхозметеорологии Роскомгидромета повышение концентрации этого газа в атмосфере в два раза приведёт к удвоению полезной сельскохозяйственной площади России, с 5 до 11 млн. кв. километров. В различных источниках также указываются  возможные повышения уровня Мирового океана в пределах от 0,2 до 1,4м, многие утверждают, что скоро нас ожидает великий потоп. Но почти все ледники Северного полушария растаяли около 9 тысяч лет назад, осталась только Гренландия. Но и она вместе  со льдами Северного Ледовитого океана не повысит при таянии уровень Мирового океана даже на 1мм.

Основные показатели  стран, развивающих теплоэнергетику

Показатель

 

Франция

Швеция

Япония

Германия

Великобритания

США

Россия

На душу населения, т

Диоксид углерода CO2

5.6

6.74

1.5

1.8

1.28

2.56

0.7

Оксид серы, SO2

0,13

0,16

0,04

0,04

0,02

0,06

0,01

Оксид азота, NOx

0,08

0,1

0,02

0,02

0,02

0,03

0,005

Зола

0,42

0,4

0,13

0,12

0,1

0,17

0,06

Шлаки

0,08

0,08

0,02

0,02

0,02

0,03

0,01

Зола, не улавливаемая фильтрами

0,004

0,004

0,001

0,001

0,001

0,001

0,0006

Высвобождённые радионуклиды, Ки

13,7

15,1

3,4

3,9

2,8

5,8

1,75

Из таблицы совершенно очевидно, что все ведущие страны, даже при очень развитой технологии, не могут избавиться от огромных выбросов, отравляющих атмосферу. Оксид серы, диоксид углерода, способствуют развитию сердечнососудистых и онкологических заболеваний, которые по смертности являются ведущими в мире. Обращает на себя внимание тот факт, что при работе ТЭС так же, как и при работе АЭС, образуются радионуклиды, которые на ТЭС никак не улавливаются.

Кислогубская ПЭСПриливные электростанции.

Уровень воды в течение суток меняет 4 раза, такие колебания особенно заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. ПЭС двустороннего действия (турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно) способны вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 часов с перерывами в 1-2 часа четыре раза в сутки.

Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 году во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2,5 раза превосходит расходы на возведение ГЭС такой же мощности, первый опыт эксплуатации приливной электростанции оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и эффективно используется. В 1968 году на Баренцевом море вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место её строительства – Кислая губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется также использовать огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12,9 м, а в Гижигинской губе – 12-14 м. В 1985 году была пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м.

С точки зрения экологии ПЭС имеют бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной геликоидной турбины Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.

Солнечные космические электростанции.

Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности  Земли мешает атмосфера, поэтому появляются проекты размещения  солнечных электростанций в космосе, на околоземной орбите. У таких станций  есть несколько достоинств: невесомость позволяет создать  многокилометровые конструкции, которые необходимы для получения энергии; преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается  выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.

К проектированию солнечных космических электростанций (СКЭС) конструкторы приступили ещё в конце 60-ых годов 20-ого века. Было предложено несколько вариантов транспортировки энергии из космоса на Землю, но наиболее рациональным было признано предложение использовать её  на месте выработки, для этого необходимо перенести основных потребителей электроэнергии (металлургия, машиностроение, химическая промышленность) на спутник Земли Луну или астероиды. Любой вариант СКЭС предполагает, что это колоссальное сооружение, причём не одно. Даже самая маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей.

Строительство солнечных космических электростанций сейчас кажется фантастикой, но в скором времени, возможно, появится  первая СКЭС, которая даст начало новому уровню развития энергетики.