Ф. П. Кошелев Доцент фтф тпу, кандидат технических наук
Скачать 288.68 Kb.
|
| Ф.П.Кошелев Доцент ФТФ ТПУ, кандидат технических наук Сравнительная характеристика различных способов производства электрической и тепловой энергииЧеловечество живет в едином, взаимосвязанном мире, и наиболее серьезные энергетические, экологические и социально-экономические проблемы приобрели глобальный масштаб. Развитие энергетики 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 ресурсах; – охрана окружающей среды, в том числе и здоровья человека от разрушительного антропогенного воздействия технического прогресса. Сегодня в индустриальных странах сосредоточено 16 % населения и 55 % энергопотребления в мире. В развивающихся странах – 84 % населения и 45 % энергопотребления. Человечество уже в 20 раз превысило предел возможности своей энергетики, допустимой для сохранения устойчивости биологических систем и уже вышло на порог саморазрушения биосферы. Демографическая емкость Земли составляет 0,5–1,5 млрд человек. Сейчас население земли уже превысило 6 млрд человек. По данным Мирового энергетического конгресса, в первые 20 лет XXI века рост энергопотребления будет выше, чем за весь XX век при увеличении населения до 8 млрд человек. 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, промышленности и экосистемы. 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 и др. В природе существуют возобновляемые и невозобновляемые источники энергии. Возобновляемые энергетические ресурсы – это природные ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются, или не зависят от того, используются они или нет. Возобновляемые источники энергии – это, например, энергия биомассы, ветра, солнца, морских волн и течений, тепло земли и гидроэнергия. Уголь, нефть, газ, торф, уран относятся к невозобновляемым источникам энергии и при использовании они теряются безвозвратно. Энергетика на органическом топливе и перспективы ее развития Нефть. По прогнозам Международного энергетического агентства потребности в первичных энергоносителях в первом десятилетии XXI века будут удовлетворены в следующих соотношениях:
Региональное потребление первичных энергоносителей может иметь отклонения от мировых тенденций [3,25,29]. Основное количество энергии человечество получает и будет получать в ближайшем будущем, расходуя невозобновляемые источники. В табл. 1–2 Приложения рассматриваются различные виды энергии (уголь, нефть, природный газ, солнечная энергия, гидроэнергия, энергия ветра) в сравнительной статистике. При нынешних темпах потребления, разведанной нефти хватит примерно на 40 лет, неразведанной – ещё на 10–50 лет. Следует учитывать также и рост потребления нефти. Из-за разгерметизации трубопроводов и аварий с другими транспортными средствами (танкеры в основном) ежегодно на поверхность земли и в мировой океан вытекает 10 – 15 млн. т нефти. Аналогично происходят потери газа. Утечки нефти вызывают локальные экологические катастрофы с многолетними последствиями. Из нефти получают ценные продукты, главным образом моторные топлива, технические масла и растворители. Кроме того, нефть является источником ценного сырья для производства синтетических каучуков и волокон, пластмасс, моющих средств, пластификаторов, присадок, красителей и др., поэтому использовать ее в качестве топлива, учитывая оставшееся количество, экономически совершенно нецелесообразно. Природный газ. Несмотря на увеличение объема добычи газа, удельные инвестиции в его добычу растут примерно на 30 процентов за 5 лет. Это означает, что каждые 5 лет как минимум на 30 процентов будет увеличиваться топливная составляющая стоимости электроэнергии. Иными словами, примерно к середине XXI века топливная составляющая электроэнергии на газовых электростанциях увеличится больше, чем на порядок. Соответственно, возрастут и цены на электроэнергию. За последние полвека длина трубопроводного транспорта России увеличилась с нескольких тысяч километров до 1 млн. По экологическому ущербу он занял лидирующее положение. Утечки газа из газопроводов вызывают глобальное отравление атмосферы парниковым газом – метаном. Норма его утечки установлена в 2%, а фактически утечка составляет 6%. Возгорание природного газа приводит к мощной эмиссии другого парникового газа – СО2. В западной Сибири, например, где концентрация трубопроводов достаточно велика, ежегодно происходят тысячи аварий трубопроводов. Это значит, что при современном уровне добычи газа порядка 600 млрд. м3 эмиссия метана в атмосферу составляет ежегодно около 30 млн. м3. Финансовые потери от утечек нефти и газа оцениваются в 200 – 270 млн. долларов ежегодно. Большой ущерб наносят утечки нефти и газа из трубопроводов, проложенных через водоемы – озера, речки, болота. Они убивают все живое. Экономически целесообразно использовать газ в газохимическом производстве России, обеспечивающем внутренний и внешний рынок полимерами. Сегодня уже многие нефте– и газохимические производства стран, не имеющих собственного сырья, становятся неконкурентоспособными из-за высоких темпов роста цен на углеводородное сырьё. У́голь. Атмосферные выбросы от угольных станций стали причиной так называемых кислотных дождей, которые губят растительность, почву, водоёмы и, прежде всего, здоровье людей. Чтобы оценить объёмы выпадающих кислотных дождей достаточно представить себе, что одна ТЭС мощностью 1000 МВт, работающая на угле с содержанием серы около 3,5 %, несмотря на применение средств очистки, выбрасывает в атмосферу 140 тыс. т сернистого ангидрида в год, из которого образуется около 280 тыс. т серной кислоты. Двуокись азота способна вызвать отек легких. Сернистый ангидрид поражает верхние дыхательные пути. Канцерогенное действие тяжёлых металлов, выбрасывающихся вместе с золой, в комментариях не нуждается. Итак, в результате сжигания угля возникает целый букет канцерогенных и мутагенных веществ. Ежегодный объём золошлаковых отходов ТЭС СНГ в настоящее время превышает 120 млн т. С поверхностей золоотвалов ветер поднимает золy, образуя пыльные бури. Использовать золу в качестве строительного материала не рекомендуется из-за повышенного радиационного фона. Мало кто знает, что в процессе сжигания угля происходит радиоактивное загрязнение окружающей среды. При сжигании угля, содержащиеся в нем радионуклиды (уран, торий, радий, полоний-210, свинец-210 и т.д.) концентрируются в золе. Поэтому ТЭС являются более серьёзным источником внешнего и внутреннего облучения населения, проживающего на прилегающих территориях, чем нормально функционирующие АЭС. ТЭЦ на угле (Nэл=1000 МВт) в течение года выделяет больше радиоактивности, чем АЭС такой же мощности, а в накопившейся золе содержится столько урана-235, что его могло бы хватить для производства двух ядерных бомб, если бы его удалось выделить. На сжигание I кг угля уходит 2 кг атмосферного кислорода, тогда как АЭС производит энергию, «не потребляя» кислород. Специального внимания заслуживает вопрос о выбросах углекислого газа. При дыхании людей в атмосферу было выделено в 2000 году до 0,9–3,5 млрд т в год. За счёт сгорания угля – до 21 млрд т/год. Т.к. углекислый газ поглощает инфракрасное излучение, происходит аккумуляция части тепла в атмосфере, которое в противном случае рассеялось бы в космосе. Это приводит к повышению температуры. По мнению 49 ученых, лауреатов Нобелевской премии, последствия усиления парникового эффекта на планете могут быть сравнимы лишь с последствиями глобальной ядерной войны. Возобновляемые источники энергии и их ресурсы Биомасса. В 2004 году во всём мире производили электричество из биомассы электростанции общей мощностью 35 000 МВт. Из биомассы производят этанол, который затем применяется в качестве автомобильного топлива. В качестве сырья используется: кукуруза, пшеница, сахарная свёкла, сахарный тростник, сладкое сорго, маис и так далее. Крупнейшие в мире производители топливного этанола — США и Бразилия. Методом пиролиза из биомассы получают биотопливо, метан, водород. Из навоза животных методом метанового брожения получают биогаз. Биогаз на 55—75 % состоит из метана и на 25—45 % из СО2.. В отличие от газификации угля, газификация биомассы происходит при более низкой температуре. Для того, чтобы произвести из навоза биогаз для выработки 1000 Мвт электрической энергии требуются площади 80÷100 км2,на которых должны размещаться 80 млн свиней или 800 млн птиц. Энергия ветра. Наиболее перспективными местами для использования энергии ветра считаются прибрежные зоны. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Строительство ветряных установок усложняется необходимостью изготовления лопастей турбины больших размеров. Так, по проекту ФРГ установка мощностью 2–3 МВт должна иметь диаметр ветрового колеса 100 м, причем она производит такой шум, что возникает необходимость отключения ее в ночное время. К серьезным негативным последствиям использования энергии ветра можно отнести помехи для воздушного сообщения и для радио- и телевещания, нарушения путей миграции птиц, климатические изменения вследствие нарушения естественной циркуляции воздушных потоков. Чтобы достичь текущего уровня производства электроэнергии во Франции с применением энергии ветра потребуется 20 тыс км2 земли (4% территории страны). Площадь занимаемая французскими АЭС – несколько десятков км2. 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). Поток солнечной энергии на поверхности Земли существенно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно. Оценивая потенциал солнечного источника энергии для России можно сказать, что среднесуточная интенсивность солнечного излучения для средней полосы европейской части России составляет 150 Вт/м2, что в 1000 раз меньше тепловых потоков в котлах ТЭС. К сожалению, пока не видно, какими путями эти огромные потенциальные ресурсы можно реализовать в больших количествах. Для размещения СЭС мощностью 1 ГВт (эл) в средней полосе европейской части необходима минимальная площадь при 10 % КПД в 67 км2. К этому надо добавить еще и земли, которые потребуется отвести под различные промышленные предприятия, изготавливающие материалы для строительства и эксплуатации СЭС. Следует подчеркнуть, что материалоемкость, затраты времени и людских ресурсов в солнечной энергетике в 500 раз больше, чем в традиционной энергетике на органическом топливе и атомной энергетике. Действующая в Крыму СЭС мощностью 5 МВт потребила в 1988 году на собственные нужды в 20 раз больше энергии, чем произвела. Гидроэне́ргия. Из всех этих видов возобновляемых источников энергии только гидроэнергия в настоящий момент вносит заметный вклад во всемирное производство электроэнергии (17 %). В большинстве промышленно развитых стран незадействованным на сегодня остался лишь незначительный по объему гидроэнергетический потенциал. 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 тысяч человек. Неблагоприятное воздействие гидроэнергетики на окружающую среду в основном сводится к следующему:
Перегораживание русла реки приводит к заиливанию водоема и эрозии берегов, ухудшению самоочищения проточных вод и уменьшению содержания кислорода, затрудняет свободное движение рыб. С увеличением масштабов гидротехнического сооружения растет и масштаб воздействия на окружающую среду. Геотермальная энергетика. С древнейших времен вулканы наводили ужас. Но горячие подземные источники можно обернуть для выработки тепловой и электрической энергии. Повсеместно на планете на глубине 5–10 км под поверхностью земли протекают геотермальные воды, которые возможно использовать для получения энергии. Нагретые подземные воды выходят на поверхность земли в виде горячих источников или гейзеров, это тепло и может быть трансформировано в электрическую энергию или использоваться непосредственно для обогрева домов и теплиц. Отрицательными экологическими последствиями использования геотермальной энергии 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. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
