Экологические проблемы энергетики

Энергетика
Экологические проблемы производства энергии
Изменение климата и Киотский протокол
Проблема теплового загрязнения
Экологические проблемы тепловой энергетики
Экологические проблемы ядерной энергетики
Альтернативный источник энергии
Возобновляемые источники энергии
Ветроэнергетика
Геотермальная энергетика
Энергия приливов и отливов морей и океанов
Гидроэлектростанции (ГЭС)
Биоэнергия
Ядерная энергетика.
Водородная энергетика
Основные способы получения энергии
Анализ процессов трансформации энергии

Возобновляемые источники энергии. К ним относятся: реки (гидроэнергетика), морские приливы и отливы, тепло Земли (геотермальная энергия) и Солнца (непосредственно энергия солнечной радиа­ции или энергия ветра, морских волн, тепла морей и океанов) (рис. 15.12).

В настоящее время из возобновляемых источников только гидроэнергоресурсы принимаются во внимание при разработке топливно-энергетического баланса. Однако на их долю приходится незначительная часть (примерно 1,4%) общего производства энергии в мире. Мировой технический потенциал гидроэнергоресурсов соответствует производ­ству энергии, равному 0,065Q в год, что составляет не более несколь­ких процентов в топливно-энергетическом балансе. Поэтому даже полное использование гидроэнергетических ресур­сов не позволяет покрыть сколько-нибудь значительную часть дефицита в энергии, связанного с истощением запасов нефти и природного газа. Необходимо добавить, что гидроэнергетика существенно влияет на экологическую обстановку в районе расположения ГЭС. Отсюда ясно, что гидроэнергетика в ми­ровом топливно-энергетическом балансе может играть только вспомогательную роль.

Технический потенциал таких возобновляемых источников энергии, как энергия ветра, морских приливов и отливов, морских волн (фак­тически это, в основном , аккумулированная солнечная энергия) представляется крайне незначительным в свете глобальных потребностей в энергии на перспективу. Зато большими потенциальными возможностями обладает энергетика, использующая разность температур поверхностных и глубинных слоев морей и океанов, тепло морей и океанов, и геотермальная энергетика. Потенциал геотермальной энергетики соответствует ежегод­ному производству 1Q энергии, а использование тепла морей и океанов – примерно 2Q.

Суммарный технический потенциал таких возобновляемых источников энергии, как гидроэнергия, энергия морских приливов и отливов, волн, ветра, тепловая энергия океана и недр Земли соответст­вует источнику энергии мощностью 3Q в год. Однако экологические, экономические и технические причины ограничивают этот показатель, снижая его до величины 0,1Q в год. Это означает, что перечислен­ные выше возобновляемые источники энергии не только не могут играть в будущем роль крупномасштабных источников энергии (мощность не­сколько Q в год), но даже не в состоянии покрыть намечающийся на начало столетия дефицит в топливно-энергетическом балан­се мира.

Солнечная энергетика. В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, использующей непосред­ственно солнечную радиацию, чрезвычайно велики. Общее количество солнечной энергии, проходящей через атмосферу и достигающей поверх­ности Земли, оценивается в 2000Q в год. Использование лишь 0,01% этой энергии могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% – полностью покрыть потребности и на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьёзных препятствий является здесь низкая интенсивность солнечной радиации. Даже при наилучших атмосферных условиях (в южных широтах и чистом небе) интенсивность солнечной радиации в среднем в течение года составляет не более 250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечной радиации «собрали» энергии 1Q в год, нужно разместить их на территории площадью не менее 130 тыс. км2 (рис. 15.13).

Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечёт за собой значительный расход материальных ресурсов. Простейший солнечный коллектор представляет собой зачернённый металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого распо­лагаются трубы с циркулирующей в них жидкостью.

Рис.15.13. Интенсивность солнечной радиации и площадь поверхности Земли, на которую ежегодно падает поток солнечной энергии, равный 1Q, на различных широтах. Так на экваторе интенсивность составляет 251 Вт/м2, необходимая площадь – 133 тыс. км2.

Нагретая за счет солнечной энергии, поглощённой коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление солнечных коллекторов площадью 1 км2 требу­ет примерно 10 тыс. т алюминия. Крупно­масштабное использование солнечной энергии в этом виде влечёт за собой гигант­ское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, в тру­довых ресурсах, которые должны заниматься добычей сырья, его обогащением, получением материалов, изготовлением гелиостатов, коллек­торов и другой аппаратуры, их перевозкой. Подсчёты показывают, что для производства 1 МВт (эл.)год энергии в солнечной энергетике требуется затратить от 10000 до 40000 человеко-часов. В традицион­ной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200 - 500 человеко-часов.

В настоящее время, как yжe отмечалось, происходит истощение запасов различных видов полезных ископаемых с одновременным возрас­танием стоимости их добычи и увеличивается стоимость земли. С течением времени эти проблемы будут приобретать всё большую ост­роту. Таким образом, перечисленные факторы являются серьезным барье­ром на пути развития солнечной энергетики в ка­честве крупномасштабного источника энергии мощностью Q в год.

Наконец, широко бытующее утверждение об экологической «чис­тоте» солнечной энергетики недостаточно обосновано. Сама энергия да. Но для того чтобы её уловить, и трансформировать в удобную для потребления форму, нужны соответствующие устройства, а это материалы. В процессе добычи сырья и получения этих материалов для изготовления необходимых устройств будет происходить существенное загрязнение окружающей среды.

Ядерная энергетика и её ресурсы. Итак, детальный учет всех рассмотренных выше факторов позволил экспертам МИРЭК-Х сделать вывод, что к 2020 г доля возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе может составить около 13%.

Теперь оценим, какими ресурсами располагает ядерная энерге­тика. Естественно, что в первую очередь необходимо оценить запасы урана, поскольку ядерная энергетика сегодняшнего дня развивается только за счёт строительства АЭС с реакторами, в которых осущест­вляется цепная ядерная реакция.

Для урана характерна довольно большая распространённость: его среднее содержание в литосфере составляет примерно 310-4 мас.%. Однако экономически выгодно разрабатывать месторождения, содержа­щие не менее 0,1% урана. Стоимость добычи урана из таких месторож­дений составляет 80 долл. за 1 кг урана. Таким образом, к извле­каемым относятся запасы, в 1000 раз более богатые ураном, чем его среднее содержание. По данным, приведенным на Генеральной конференции МАГАТЭ в 1980 г, запасы урана со стоимостью извлечения до 80 долл./кг составляют 3330 тыс. т. Величина этих запасов в энергетическом эквиваленте зависит от типа ядерного реактора, в котором будет использоваться урановое топливо. В настоящее время ядерная энергетика базируется на строительстве АЭС с реакторами на тепловых нейтронах. К сожалению, эти реакторы характеризуются крайне неэффективным использованием запасов природного урана.

Реакторы на тепловых нейтронах "сжигают" 1,5% природного урана. Поскольку в процессе деления 1 кг урана выделяется 18,8 млрд. ккал, то в реакторах на тепловых нейтронах 1 т природного урана позволяет получить 282 млрд. ккал, что составляет примерно 11,210-7Q. Следовательно, запасы со стоимостью извлечения до 80 долл./кг (по современным представлениям экономически эффективные) соответствуют энергоисточнику емкостью 3,7Q.

Однако, согласно расчетам, в лучшем случае можно надеяться, что величина этих ресурсов в энергетическом эквиваленте возрастёт лишь до 20Q. Это означает, что при планируемых темпах развития ядерной энергетики достоверные запасы будут исчерпаны уже к концу столетия.

Таким образом, ядерная энергетика с реакторами на тепловых нейтронах при указанных ресурсах топлива в принципе не может обес­печить создание крупной мировой энергетики. Выход из этого положе­ния можно найти на пути использования АЭС с реакторами-размножителями. С их внедрением эффективное использование природного урана мо­жет достигнуть 30-40%. Очевидно, что в этом случае, не повышая стоимости производства энергии, можно будет использовать ресурсы урана со стоимостью извлечения, существенно превышающей 80 долл. за кг. При использовании реакторов-размножителей экономически выгод­но разрабатывать месторождения бедных урановых руд, содержащих всего лишь 0,06% природного урана, не имеющих сегодня практического значения. Стоимость их извлечения составляет примерно 295 долл. за 1 кг урана. Возможно, в перспективе окажется выгодно использо­вать уран, содержащийся в морской воде и кристаллических породах. Не следует забывать и о запасах тория. По имеющимся данным, мировые ресурсы тория ниже, чем урана, однако надо иметь в виду, что они изучены гораздо хуже.

Согласно последним данным, характеризующим запасы урана при его использовании в реакторах на тепловых нейтронах и в реакторах-размножителях (табл. 15.3), следует, что широкое применение АЭС с реакторами-размножителями может решить проблему развития энергетики (с точки зрения обеспеченности энергоресурсами) в те­чение многих столетий без каких-либо топливных ограничений.

В ресурсы ядерной энергетики, кроме урана, входят также запасы дейтерия и трития. Термоядерная энерге­тика, основанная на синтезе ядер дейтерия или ядер дейтерия и три­тия, многократно расширяют сырьевую базу ядерной энергетики. В термоядерной реакции D - Т условно лимитирующим фактором оказы­ваются ресурсы не дейтерия, а лития. Дело в том, что трития в при­роде практически нет. Его получают искусственно, облучая ядра лития нейтронами. Это можно осуществить в самом термоядерном реакторе, окружив его специальной оболочкой из лития и воспользовавшись потоком нейтронов, возникающих при протекании в термоядерном реакторе реакции синтеза ядер дейтерия и трития. Литий лимитирует развитие энергетики услов­но, поскольку его ресурсов достаточно, чтобы обеспечить потребности на многие столетия. Переход же к термоядерной энергетике на основе синтеза только ядер дейтерия открывает неограниченные возможности для производства энергии.

Итак, ядерная энергетика хорошо обеспечена ресурсами. Однако вывод о необходимости развития того или иного источника энергии должен базироваться не только на основе соображений о его ресурсах. Здесь также нужно учитывать экономичность способа производ­ства энергии, его технические возможности и степень воздействия на окружающую среду и население.

Как показал анализ, ядерная энергетика и по этим показателям обладает преимуществами перед другими источниками энергии. Так, с экономической точки зрения, ядерная энергетика уже сейчас имеет пре­имущество перед энергетикой на органическом топливе и других источниках энергии. Далее, ядерная энергетика по своим техническим возможностям может в той или иной форме удовлетворить все энергетические потребности топливно-энергетического баланса.

При приближенном подсчете выясняется, что потребности в энергии распределяются ориентировочно следующим образом: ~25% – на производство электроэнергии, ~25% – на отопление жилых домов и других зданий, ~25% – на промышленные цели и ~25% – на транспорт. До настоящего времени генеральным направлением применения ядерной энергии было производ­ство с её помощью электроэнергии на АЭС. Следовательно, даже если все сегодняшние электростанции перевести на ядерное горючее, то потребление органического топлива уменьшилось бы не более, чем на 25%. Однако технические возможности ядерной энергетики позволяют использовать её и для отопления, и в промышленности.

[an error occurred while processing this directive]