Основные технологии производства тепла и электроэнергии

Рассмотрим технологии и экологические факторы современного производства энергии различными способами и пути экологически преемлемого дальнейшего развития энергетики.

Тепловые электростанции

Тепловые электростанции (ТЭС) вырабатывают около 70 % всей электроэнергии в стране (данные на 2000 г.). Они выбрасывают в атмосферу ежегодно 250 млн.  т золы и 60 млн. т сернистого ангидрида (источник «кислотных» дождей) плюс к этому огромные золоотвалы, пруды-охладители, тепловое загрязнение атмосферы и водоёмов, изъятие земель под угольные разрезы. Крупные ТЭС (4…6 МВт) требуют охлаждающей воды для конденсаторов турбин – 120…180 м³/с. Такой водозабор и сброс теплой воды недопустим даже для крупных рек из-за теплового загрязнения воды и атмосферы.

Любое топливо для ТЭС содержит соединения серы, которые в процессе сжигания окисляются до сернистого газа, взаимодействующего с влагой атмосферы с образованием серной кислоты. Поэтому в индустриальных районах водородный показатель pH атмосферных осадков снижается до 2…4. Кислотные дожди выпадают на расстоянии сотен километров от источника, пересекая границы стран и континентов, благодаря выбросам из огромных труб. Кроме этого в газопылевых выбросах при сгорании угля содержатся цинк, свинец, ртуть, никель и другие тяжёлые и радиоактивные металлы. Например, радиоактивный фон на ТЭС Германии в 7 раз выше, чем вокруг АЭС. Поэтому дальнейшее наращивание производства энергии на ТЭС, тем более с помощью традиционной технологии, недопустимо.

Складирование золошлаков, содержащих разнообразные токсичные элементы, представляет серьёзную инженерную и экологическую проблему - выбор места складирования, обоснование высоты и объёма отвалов, создание защиты для предотвращения загрязнения атмосферы, поверхностных и подземных вод.

Отметим экологические проблемы, связанные с производством энергии на ТЭС:

  1) Сильное загрязнение атмосферы - основной поставщик оксидов углерода, до 50 % диоксида серы, до 35 % оксидов азота, до 35 % пыли, в том числе соединения алюминия, железа, магния и других металлов, особенно пылевидными частицами.

  2) Большой расход воды для охлаждения и в связи с этим тепловое загрязнение водоёмов  при  сбросе воды, а отсюда размножение водорослей, потеря кислорода в воде, гибель гидробионтов в них и др.

  3) Изъятие земель под золо - и шлакоотвалы, которые являются накопителями тяжёлых и радиоактивных металлов и источником загрязнения.

4) Значительные затраты на транспортирование топлива, особенно угля в связи с большим его расходом.

    5) Низкий КПД из-за больших потерь при передаче тепла и энергии.

В нашей стране уже давно предложены и в большинстве случаев опробованы способы подземной газификации углей (ПГУ), исключающие дорогостоящее строительство шахт и работу людей под землёй. При ПГУ под землёй остаются зола, соединения серы и другие вредные вещества.

Широкое применение ПГУ, а также подземной газификации битумных песков и горючих сланцев, может обеспечить страну рассредоточенным по экономически важным районам дешёвым природным топливом и позволит решить многие экологические проблемы.

Особенно эффективен метод ПГУ с парокислородным дутьём, который практически исключает образование окислов азота и позволяет перерабатывать даже сильно обводнённые залежи углей. При этом получаемый газ пригоден для непосредственного синтеза метанола – высокоэффективного и дешёвого топлива с высокой концентрацией метана. Стоимость такого топлива существенно меньше, чем нефти и газа, но недостатком его является высокая токсичность.

По мере увеличения добычи газа методом ПГУ можно отказаться от строительства магистральных газопроводов и ЛЭП, транспортируя энер-гоносители в жидком виде, тем самым приближая к потребителю, что на порядок дешевле. Транспортировка жидкого топлива по трубопроводам в отличие от транспортировки газа по газопроводам требует значительно меньших капитальных вложений. И поскольку угольные месторождения размещены по территории страны гораздо более равномерно, чем место-рождения нефти и газа, транспортировка метанола на расстоянии 2000 км едва ли понадобится.

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанции (ГЭС) классифицируются по мощности на мелкие (до 0,2 МВт), малые (до 2 МВт), средние (до 20 МВт) и крупные (свыше 20 МВт). Второй критерий, по которому разделяются ГЭС - напор. Различают низконапорные ГЭС (напор до 10 м), среднего напора (до 100 м) и высоконапорные (свыше 100 м). Плотины, накапливая воду и поднимая её уровень, сосредоточивают перед турбинами водную энергию. Схема напорной гидроэлектростанции и принцип её работы показан на рис. 5.1.

Затраты на строительство ГЭС велики, но они компенсируются тем, что не приходится платить (во всяком случае, в явной форме) за источник энергии - воду. КПД современных ГЭС достигает 92…95 %. Отметим основные аспекты экологического ущерба от строительства и эксплуатации ГЭС:

 1) Изменение режима течения рек, вследствие чего ухудшается качество воды, снижается способность к самоочищению; аккумулируются тяжёлые металлы, радиоактивные вещества, удобрения и падает рыбопродуктивность.

 2) Затопление пахотных,  пойменных земель и лесов, повышение уровня грунтовых вод, заболачивание – это самое большое бедствие. Всего затоплено в России около 7 млн. га, а вместе с прилегающими землями, где повышен уровень грунтовых вод, происходит заболачивание, примерно 15 млн. га, причём это самые плодородные пойменные земли.

Рис. 5.1. Схема ГЭС

Особо большой вред наносят равнинные водохранилища. Цимлянское водохранилище на р. Дон при малой мощности ГЭС (165 тыс. кВт) затопило 270 тыс. га ценнейших земель, садов, виноградников, оказались утраченными уникальные памятники скифской и хазарской культуры. Каховская ГЭС (312 тыс. кВт) – затоплено 215 тыс. га уникальных украинских чернозёмов, Куйбышевская ГЭС похоронила 600 тыс. га,  Братская ГЭС– 550 тыс. га.

 3) Образование зоны подтопления вблизи самих водохранилищ из-за подъёма грунтовых вод выше критического уровня, связанного с большим давлением массы воды на грунт. Происходит её фильтрация и переформование берегов. Это приводит к размоканию грунтов, гибели древесной растительности, затоплению подвалов зданий, оползням, обвалам, нарушением склонов и террас.

 4) Потенциальная опасность гидротехнического сооружения, особенно высокогорных водохранилищ, так как  прорыв плотины из-за землетрясения, крупного оползня или террористического акта может привести к сбросу в долину огромных масс воды и вызвать катастрофические последствия.

 5) Моральный и социальный ущерб, наносимый населению, когда под воду уходят города, посёлки, деревни, кладбища – малая Родина человека.

 6) Изменение природного ландшафта, климата и  провоцирование землетрясения.

 7) Проблема «демонтажа» ГЭС после истечения срока службы.

Во всём мире используется только около 30% экономически эффективного гидроэнергетического потенциала. Удельный вес гидроэнергетики в общем производстве электроэнергии достаточно высок во многих странах: в Норвегии и Бразилии этот показатель выше 90%, в Канаде и Венесуэле от 50 до 80 %, в Индии, Египте, Италии, Китае и России около 21 %.. Гидроэнергетика продолжает в мире развиваться довольно активно. Наиболее грандиозный проект «Три ущелья» - район Янцзы (КНР), первая очередь которого введена в эксплуатацию в 2010 г.

По мнению экологов строительство плотинных ГЭС должно быть незамедлительно прекращено из-за больших природных потерь. В США прекращено строительство больших ГЭС. Темпы сноса плотин в 1997 - 2007 годах превышают строительство новых. Во Франции снесено 4 ГЭС, в Австралии – одна.  Однако есть мнение, что каскады (!) ГЭС вполне ещё можно возвести на ряде крупных рек Сибири и Дальнего Востока. Гидроэнергетический потенциал России составляет 2900 млрд. кВт·ч/год

Предлагается в качестве варианта взамен строительства новых гигантских плотинных ГЭС строить бесплотинные модульные ГЭС небольшой мощности. Проекты таких ГЭС, разработанные  Ю. М. Новиковым, не препятствуют судоходству и не нарушают жизнь на реке. Их удельные показатели (стоимость, материалоёмкость, трудоёмкость сооружения и др.) на порядок ниже, чем у плотинных ГЭС, и уменьшаются с увеличением мощности. Не препятствуют они и проходу рыбы на нерестилища. Из таких модулей могут составляться «гирлянды» достаточно больших мощностей. Однако для их строительства могут использоваться лишь реки, текущие со скоростями не менее 1,0 м/с. По подобной схеме работают и электростанции на водопадах, правда, выходная мощность таких установок невелика.