Энергетика и окружающая среда.

Развитие современной энергетики свя­зано со значительным и многосторонним воздействием на окружающую среду — от локального до глобального масштаба. При добыче энергетических ресурсов (угля, урана) перемещаются значитель­ные массы пород земной коры, наруша­ется гидрологический режим в районах добычи. Шахтные воды, буровые рас­творы и аварийные выбросы скважин загрязняют подземные воды и открытую континентальную гидросеть. Подводная добыча и перевозка нефти в танкерах ведут к загрязнению нефтью поверхност­ных вод океана (аварии танкеров выбросы при авариях на буровых). Строительство крупных ГЭС с водохранилищами на равнинных реках нарушает гидрологический режим как самих рек, так и прилегающей к водохранилищам территории, ведет к изъятию из хозяй­ственного пользования обширных зе­мельных массивов. Эксплуатация круп­ных ТЭС связана со значительными выбросами в окружающую среду твер­дых, жидких и газообразных загрязняющих веществ. Периодические промывки пароводяного тракта ТЭС и регенерация фильтров системы гидрозолоудаления дают немалый объем загрязненных вод и растворов. С охлаждающей водой сбрасывается большое количество низкопотенциального тепла, что создает проблему повышения температуры внутренней ги­дросети, могущей оказывать нежелатель­ное влияние на гидрофлору и фауну.

В индустриальных урбанизированных районах обостряется проблема защиты атмосферы от выбросов энергетических объектов — продуктов полного и непол­ного сгорания органического топлива. К первым относятся окислы серы и зола, ко вторым — окись углерода, сажа, углево­дороды; кроме того, при высоких тем­пературах образуются окислы азота. Не­смотря на опережающий рост ядерной энергетики, в первой четверти XXI в. выбросы окислов серы могут превысить 300 млн. тонн в год, окислов азота — 150 млн., окиси углерода — 500 млн. т. Глобальное воздействие энергетики на окружающую среду в настоящее вре­мя связывается с влиянием на климат на­шей планеты. Энергетика меняет те­пловой баланс атмосферы как непосред­ственно — путем выделения техногенного тепла, так и, по-видимому, в еще боль­шей мере косвенно — меняя ее физико-химический состав. Изменение последне­го ведет к соответствующему изменению общепланетарного альбедо и к смещению энергетического равновесия.

Современный уровень антропогенных выбросов тепла пока в несколько тысяч раз меньше поглощаемой землей солнеч­ной энергии. При расходе к концу, XXI в. 60—80 млрд. тут в год антропо­генная энергия составит около 0,1 % дохо­дящей до поверхности солнечной радиа­ции. Равномерное распределение по пла­нете этого дополнительного тепла могло бы повысить среднюю глобальную тем­пературу нижнего слоя атмосферы более чем на 0,2—0,3° С, т. е. его влияние было бы пренебрежимо малым. Однако расче­ты показывают, что воздействие техногенного тепла резко усиливается террито­риальной неравномерностью его поступ­ления. Именно это обстоятельство потен­циально может изменить глобальный ри­сунок климата планеты даже при мень­шем общем притоке тепла. «Тепловые острова» дестабилизируют динамический режим атмосферы, что повышает вероятность экстремальных погодных условий. Уже в первой половине ХХI века эффект от «тепловых островов» может достичь ве­личины, сопоставимой с естественными флуктуациями климата, а во второй поло­вине XXI в. — даже превзойти их.

Еще большую роль может сыграть рост концентрации двуокиси углерода и аэрозолей в атмосфере. Количе­ство углекислого газа, содержащегося в атмосфере, в 1980 г. оценивается в 2,3 трлн. т, при этом вклад от суммарных антропогенных выбросов за последние 120 лет составляет 900 млрд. тонн. При росте мирового производства энергии к 2100 г. примерно до 80 млрд. тут и средней доле органического топлива (за 1981-2100 гг.) около 45% суммарные дополнительные выбросы дадут еще примерно 5 трлн. тонн. До сих пор считалось, что рост концентрации углекислого газа может привести к повышению приповерхностной температуры воздуха на 2-2,5°С при каждом удвоении содержания углекислого газа в атмосфере. При этом в умеренных широтах повышение может быть в 2-3, а полярных — в 4-5 раз больше среднего. Это приведет к изменению метеорологических и гидрологических параметров планеты. Арктический ледовый покров сократится, границы всех климатических зон сместятся на север, увлажненность в степной и лесостепной зонах, т. е. в зонах наиболее плодородных черноземных и каштановых почв, уменьшится. Однако сейчас предполагается, что влияние углекислого газа будет не столь велико, так как темпы роста его концентрации, за счет ряда процессов будут замедлены (увеличение его растворимости в водах Мирового океана, интенсификация роста растительности), а сами масштабы выбросов в ат­мосферу будут увеличиваться медлен­нее по мере развития ядерной энергетики и сокращения потребления органического топлива.

Опасные последствия может иметь раз­рушение «озонового барьера» в страто­сфере, который задерживает губительные для жизни ультрафиолетовые лучи. Оки­слы азота и фреона, вступая под воздей­ствием ультрафиолетовой радиации в фо­тохимические реакции с озоном, умень­шают его концентрацию. Требуется тща­тельный количественный анализ этого процесса и в случае достаточно обосно­ванного неблагоприятного прогноза эф­фективное согласование на международ­ном уровне мер для предотвращения опасной ситуации. В целом к концу XXI в. переходный период от энергетики, базирующейся на ограниченных (органических) видах то­плива, к энергетике на неисчерпаемой основе может быть в значительной мере завершен. При этом в течение рассматри­ваемого периода следует ожидать почти полного исчерпания высококачественных углеводородных видов топлива (природ­ной нефти и традиционных ресурсов при­родного газа). Напротив, интегральный расход угля на этот период составит лишь 10% от его геологических запасов.

Осуществление перехода к новой энергетической базе потребует больших усилий по разработке и освоению новых энергетических технологий. Затраты на одновременное решение всего круга про­блем переходного периода в ряде случаев оказываются не по силам отдельным странам, даже таким, как Россия и США. В этой связи требуется определенная меж­дународная кооперация усилий и выделе­ние наиболее важных и первоочередных этапов для разработки стратегии развития мировой энергетики. Одновременно воз­растает роль международного обмена то­пливом и энергией, а также капиталом, оборудованием, материалами и знаниями. Уже сегодня в этот обмен должны вклю­читься все страны и развитые, и развива­ющиеся; только при всеобъемлющем сотрудничестве на взаимовыгодной и справедливой основе возможно решение глобальных энергетических проблем в дальней перспективе.

Сейчас начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появи­лась "щадящая" энергетика, построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит. За­ботился об охране уже сильно поврежденной биосферы. Несомненно, в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широ­кие права гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком боль­шой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении. Яркий пример тому - быстрый старт электрохимической энергетики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная.

Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянется к энергетике, зависит от нее. Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатан­ная в антивеществе, кварках, "черных дырах", вакууме, - это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завт­рашним Днем Энергетики.

 

Вопросы:

I. Энергетическая проблема.

1) При современных объемах энергопотребления разведанных запасов органического топлива на Земле хватит ненадолго, в том числе нефти – на 40 лет, газа – на 50, угля – на 400 лет. Поисковые работы фактически не коснулись многих участков континентального шельфа в Арктике и Антарктике, обширных территорий Азии, Африки, Океании. Означает ли это, что прогнозы скорого истощения ресурсов нефти, газа и угля вообще не состоятельны?

2) Назовите минусы и плюсы «химической» энергетики (речь идет преимущественно об экологических ограничениях традиционной тепловой энергетики). Например, современная энергетика, существующая на ископаемом углеводородном топливе, ущербна, так как наносит ощутимый вред природе и человеку вследствие выбросов золы, сернистого газа, окислов азота и некоторых углеводородов. Или: природный газ – самое чистое топливо, при его сжигании образуются лишь окислы азота, образование которых можно предотвратить, используя новые технологии сжигания природного газа. Рассмотрите перегрев Земли, растрату атмосферного кислорода, используемого в процессе сжигания, радиоактивное загрязнение.

3) В 1951 г. В США построили первую атомную динамо-машину, давшую ток для четырех электроламп. В 1954 г. В СССР заработала первая в истории атомная электростанция в городе Обнинске. К середине 1990-х гг. в 33 странах мира работало свыше 430 реакторов, однако в настоящее время количество реакторов уменьшается. Приведите аргументы, которые могут свидетельствовать о близости заката «атомной эры» в энергетике из-за технического несовершенства АЭС, или отодвигающие этот «закат» на неопределенный срок.

4) Всего 150 лет назад человечество довольствовалось таким количеством энергии, которое эквивалентно энергии, получаемой при сжигании примерно 8 млн. баррелей нефти в день. В начале ХХ I в. на Земле потребляется не менее 170 млн. баррелей нефти в день. Как Вы думаете, стоит ли устанавливать пределы роста мировой энергетики? Приведите аргументы «за» и «против».

5) Как лучше экономить энергию? Что могут представлять в будущем новые источники «чистой» энергии (рассмотреть альтернативные источники энергии: энергию солнца, ветра, приливов и геотермальную, водородное топливо, использование реакторов на быстрых нейтронах, термоядерную энергию)?

6) Приведите конкретные примеры конфликтных ситуаций в мире из-за конкурентной борьбы в сфере энергетики.

 

II. Сырьевая проблема.

1) Хотя геохимики утверждают, что и наше время идет формирование месторождений полезных ископаемых, это вряд ли имеет для людей даже отдаленное практическое значение, поскольку длительность этого процесса исчисляется сотнями миллионов лет. Люди располагают только тем, что уже создано природой. Приведите примеры, подтверждающие, что запасы минерального сырья ограничены.

2) Одна из составляющих глобальной сырьевой проблемы – постоянно растущий спрос на сырье, в том числе минеральное. По имеющимся данным, масса полезных ископаемых, используемых человеком, удваивается каждые 8 лет. Подсчитайте, во сколько раз темпы удвоения массы используемого минерального сырья превышают темпы удвоения численности населения мира (1960 г. – 3 млрд. чел., 2000 г. – 6 млрд. чел.).

3) Пользуясь нижеприведенной таблицей, рассчитайте коэффициенты концентрации, необходимые для рентабельной добычи руды. Какое представление дают полученные коэффициенты о масштабах перелопачивания горных отвалов?

Содержание металлов в земной коре и рудах.

Металл	Средняя концентрация в земной коре, % (С¹)	(С²) Концентрация в месторождении, необходимая для рентабельной добычи, %	Коэффициент концентрации, (С²/С¹)
Алюминий	8,0	30,00	3, 75
Вольфрам	0,0001	1,35
Железо	4,65	25,00
Золото	0,000000430	0,00032
Медь	0,0047	0,50
Молибден	0,00011	0,10
Никель	0,0058	1,00
Олово	0,00025	0,20
Ртуть	0,0000045	0,20
Свинец	0,0016	4,00
Серебро	0,000007	0,006
Уран	0,00025	0,18
Цинк	0,0083	2,50

4) Сырьевая проблема теснейшим образом связана с проблемой безотходной технологии. В идеале уровень безотходности должен быть равен 100%, однако предложено считать величину 90 – 98% - соответствующей безотходному производству, а 75 – 90% - малоотходному, причем одним из путей повышения уровня безотходности считается комплексная переработка сырья. Приведите конкретные примеры применения малоотходных технологий (по отраслям промышленности).

5) Другим путем повышения уровня безотходности считается эффективная переработка бытовых отходов. По состоянию на 2000 г. Количество бытовых отходов в промышленно развитых странах мира колеблется в пределах 300 – 700 кг на человека в год (США – 700 кг, Франция 400 – 600, Нидерланды
- 250 – 300, Канада – 450 – 600, Великобритания – 350 – 500, Испания – 300 - 400 кг). Твердые бытовые отходы можно ликвидировать двумя способами: а) путем сжигания на открытых свалках или в специальных печах, б) путем захоронения в специально оборудованных могильниках. Какие неблагоприятные последствия имеют как первый, так и второй способ?

6) Сырьевые и энергетические потребности промышленно развитых стран удовлетворяются главным образом за счет стран третьего мира. Так, зависимость Японии от ввоза нефти, бокситов, урановой руды достигает 100%. Страны Общего рынка импортируют 85% железной руды, 99% меди и т.д., даже США  ввозят 35% железной руды, 88% бокситов, до 40% нефти. Как Вы думаете, почему энергетическая зависимость этих государств от стран третьего мира не уменьшается, а усиливается? Какие факторы (помимо запасов минеральных ресурсов) определяют долю экспорта той или иной страны на мировом рынке минерального сырья?