Как было показано в предыдущих разделах, энергетика представляет собой очень важную и интенсивно развивающуюся отрасль экономики всех стран. Масштабы производства и потребления энергии таковы, что уже сегодня возможны локальные и в подавляющем большинстве вредные воздействия на окружающую среду. Если энергетика и дальше будет развиваться по закону геометрической прогрессии, эти воздействия из локальных превратятся в глобальные, что заставляет уже сейчас задумываться над этим и направлять развитие энергетики так, чтобы отрицательные воздействия на природу были минимальными.
Прежде всего в связи с возрастанием количества потребляемой энергии следует сказать об опасности существенного повышения температуры поверхности нашей планеты. Если сегодня суммарное, связанное с деятельностью людей, выделение энергии на Земле составляет около 0,01% ее радиационного баланса, то легко подсчитать, что при современных темпах увеличения потребления всех энергоресурсов за столетие эта величина может превысить 1%, а это многие считают уже угрожающим. Некоторые специалисты полагают, что повышение тепловыделения может вызвать опасные изменения климата даже раньше, однако вряд ли до середины XXI в. Таким образом, этот предел еще относительно далек. Гораздо скорее на климате в глобальном масштабе может сказаться (а по мнению ряда специалистов уже сейчас сказывается) изменение теплового баланса планеты в результате выбросов в атмосферу продуктов сгорания топлива. Еще недавно, когда наблюдалось систематическое повышение средней температуры земной поверхности (с начала века до конца 40-х годов среднегодовая температура повысилась примерно на 0,7°С; при этом площадь арктических льдов уменьшилась на 10%), его объясняли возрастанием концентрации углекислоты в атмосфере вследствие сжигания все больших количеств топлива. Однако примерно за последние 20 лет, когда выбросы углекислоты увеличились приблизительно вдвое, потепление стало сменяться систематическим похолоданием, и в настоящее время температура приближается к уровню конца XIX в.
Для объяснения этого противоречия ученые стали брать в расчет также и аэрозоли. Влияние последних чрезвычайно сложно, но ряд расчетов может объяснить наблюдаемое снижение температуры, если задаться определенными предположениями о росте концентрации аэрозолей в атмосфере за последние десятилетия. Главная же трудность при проведении этих расчетов заключается в отсутствии сколько-нибудь надежной расчетной связи между количествами выбросов твердых частиц, основная масса которых оседает на Землю очень быстро, выброса газов (например окислов серы и азота, могущих служить источником образования аэрозолей в атмосфере) и концентрацией всех этих элементов в различных слоях атмосферы.
Выбросы рассчитать можно, концентрацию — очень затруднительно. Видимо, необходимо еще провести исследования очень большого объема, чтобы количественно связать те или иные изменения в человеческой деятельности с изменениями климата в глобальном масштабе.
Интересно отметить, что специалисты расходятся в самой оценке происходящих изменений климата. Некоторые ученые считают глобальное изменение температуры примерно в полградуса — градус, ведущее к значительному перераспределению осадков по поверхности планеты, вредным или губительным. Другие, и их большинство, говорят о возможности похолодания, угрожающего человечеству голодом из-за уменьшения осадков в зонах, где производится основная масса продовольствия, если теперешний процесс понижения температуры продлится хотя бы 20—30 лет. Вероятно, все-таки данный вопрос требует серьезного изучения.
Так или иначе, прогнозы воздействия человека на климат, если говорить только о выбросах, могут быть достаточно надежны. Выбросы углекислоты в ближайшие 10—20 лет будут расти, однако темпы этого роста в дальнейшем замедлятся из-за увеличения доли атомной энергии, не дающей таких выбросов. Снижение же темпов загрязнения аэрозолями будет идти значительно медленнее, так как несмотря на прогресс очистки выбросных газов от твердых частиц вынос мельчайших частиц, которые играют главную роль в уменьшении прозрачности атмосферы, практически не сокращается. Кстати, как показывают расчеты, для заметного понижения температуры в стратосфере необходимо столь небольшое количество мельчайших частиц размером меньше микрона, что при желании его сегодня вполне можно создать и поддерживать искусственным путем, поскольку частицы, попавшие в атмосферу выше уровня облаков, остаются там длительное время, не вымываясь осадками.
Таким образом, бороться с некоторым ростом температуры на нашей планете, если он окажется вредным, В принципе довольно легко. Снизить же концентрацию аэрозолей в стратосфере неизмеримо труднее.
Во всяком случае, раньше, чем целенаправленно менять что- либо в климате в глобальном масштабе, надо провести широкие исследования, сделать достаточное количество надежных расчетов и установить, «что такое хорошо и что такое плохо». Пока можно считать твердо установленным, что влияние человеческой деятельности на климат ограничивается локальными воздействиями. Это бесспорно, и сейчас хорошо видно, что температура в районе крупных городов и в значительных зонах с повышенным тепловыделением выше, чем в окружающей области, на несколько градусов. Это само по себе не очень существенно, поскольку баланс осадков при этом не затрагивается.
Гораздо существеннее, вероятно, нагрев отдельных, более или менее изолированных водоемов, который может влиять на их естественное существование.
Как уже говорилось, нагрев атмосферы в ближайшем будущем, по-видимому, не принесет существенных неприятностей, поэтому главный вопрос — загрязнение атмосферы. В процессе добычи, транспорта, переработки топлива значительного загрязнения атмосферы не происходит (если не считать коксохимических и нефтеперерабатывающих заводов, которые целесообразно рассматривать как отрасли химической промышленности). Поэтому можно ограничиться анализом загрязнения атмосферы продуктами сжигания органического топлива — угля, нефтепродуктов, природного газа.
Степень загрязнения атмосферы продуктами сгорания топлива зависит от качества этого топлива и от характера топливоиспользующей установки. Основными загрязнителями являются продукты полного (окислы серы и зола) и неполного (главным образом окись углерода, сажа и углеводороды) сгорания. Важную роль играют окислы азота, образующиеся преимущественно из азота воздуха при высоких температурах горения. Количество всех этих выбросов очень велико. Уже в 1970 г. с продуктами сгорания выбрасывалось во всем мире до 100 млн. т твердых веществ, около 150 млн. т сернистого ангидрида, 300 млн. т окиси углерода и более 50 млн. т окислов азота.
Интересно, что природные выбросы серосодержащих газов оцениваются значением более 200 млн. т, а окиси углерода в результате природных процессов выделяется примерно в 10 раз меньше, чем от деятельности человека. Производимые же человеком выбросы окислов азота составляют только 8% выделяемых в атмосферу природой.
Надо заметить, что в крупных агрегатах современных электростанций сгорание топлива практически полное, и они оборудованы золоуловителями, к. п. д. которых в современных установках достигает 95—99%. Поэтому, хотя такие электростанции сжигают наихудшие сорта топлива, их доля в общем загрязнении сравнительно невелика, и выбросы, в основном, представляют собой окислы серы и азота.
Мелкие отопительные и технологические установки (их очень много) дают мало окислов азота, но могут вырабатывать довольно большое количество продуктов неполного сгорания, особенно сажи.
Хуже всего сжигают топливо автомобили, причем те из них, которые оснащены бензиновыми двигателями, выделяют очень много окиси углерода и окислов азота, а дизельные, давая мало окиси углерода, вырабатывают заметное количество сажи. В странах с большим автомобильным парком автомобили сейчас — основной загрязнитель атмосферы. Например, в ФРГ на долю электростанций приходится 25% всего топлива и 9% вредных выбросов, а на долю автомобилей — лишь 12% топлива, но 50% вредных выбросов.
На втором месте по загрязнению в развитых странах стоит отопительная система жилищ, которая, потребляя 25% топлива, выделяет в атмосферу более 30% вредных веществ. В этом отношении положение в СССР, где до 80% городского населения снабжается теплотой и горячей водой централизованно, лучше, чем в любой другой индустриально развитой стране.
В то же время, если выбросы золы на крупных электростанциях непрерывно снижаются не только относительно, но и абсолютно (а за последнее время начали снижаться и выбросы окислов азота, так как разработаны сравнительно недорогие способы, уменьшающие образование окислов азота в 2—4 раза), то выбросы окислов серы продолжают расти во всем мире, потому что практически нигде не внедряются в массовом порядке устройства для очистки от серы самих топлив или отходящих газов. Более того, несмотря на очень большой объем исследований и разработок (за последние годы предложены и изучены десятки методов очистки газов или топлива от серы), до сих пор нет дешевых методов борьбы с такими выбросами.
Видимо здесь наиболее перспективны газификация угля или мазута и очистка газа от серы перед сжиганием, но и эти методы не прошли даже стадии крупного промышленного эксперимента. Сейчас такие установки еще только осваиваются.
Плохо обстоит дело и с автомобилями. Хотя в ряде стран и достигнуты некоторые успехи, особенно путем каталитического дожигания в отходящих газах продуктов неполного сгорания, число автомобилей пока растет быстрее, чем уменьшаются удельные выбросы. Возможности же повышения полноты сгорания топлива в современных автомобильных двигателях сильно ограничены из-за трудности поддержания оптимального соотношения топливо — воздух на всех режимах работы двигателя (при переменных режимах выбросы продуктов неполного сгорания особенно велики). Поэтому в больших городах, где количество автомобилей велико, а условия рассеивания выхлопов (особенно в безветренные дни) плохие, нередко уже сейчас загрязнение воздуха на магистральных улицах (особенно у перекрестков) значительно превышает санитарную норму, причем наиболее массовое превышение наблюдается именно по окиси углерода.
В загрязнении атмосферы городов окись углерода — враг номер один. И эту проблему необходимо быстро решать, ибо число автомобилей растет и будет расти.
Радикальным решением был бы переход городского транспорта на электротягу, однако пока это возможно только при контактном питании (железные дороги, метро, трамваи, троллейбусы). Аккумуляторные автомобили экономически рентабельны только в весьма ограниченной области некоторых специализированных внутригородских перевозок при дневном пробеге не более 80— 100 км; большую длительность пробега таких автомобилей стандартные аккумуляторы пока не обеспечивают.
Возможности других видов аккумуляторов обсуждались в предыдущей главе, но все они пока далеки от промышленного внедрения.
Таким образом, несмотря на некоторые успехи, выбросы вредных веществ в атмосферу велики и их снижение обходится очень дорого. Уже сейчас во всем мире на борьбу с выбросами израсходованы миллиарды долларов, а в ближайшее время счес пойдет на десятки миллиардов.
В этих условиях исключительно важно иметь надежные, научно обоснованные данные о масштабе вредности тех или иных выбросов, о масштабе их влияния на здоровье людей, животный и растительный мир, на всю биосферу, а также об ущербе, причиняемом загрязнением атмосферы машинам и сооружениям. Для этого надо прежде всего ясно представлять себе, что происходит с выбросами в атмосфере, и не только в качественном, но и в количественном отношении: каковы количества выбросов, их рассеяние, происходящие с ними реакции, длительность пребывания выбросов в атмосфере. Только тогда можно надежно рассчитывать концентрацию тех или иных примесей в приземном слое атмосферы и на основе этого определять реальную степень вредности выбросов.
За последние годы проведены большие исследования поведения основных примесей в нижних слоях атмосферы, и хотя ряд процессов, особенно фотохимических, мы еще не умеем достаточно точно рассчитывать, все же важнейшие закономерности здесь более или менее поддаются расчету.
Известно, что практически все примеси находятся в атмосфере ограниченное время: от минут и часов (крупные быстро оседающие пылевые частицы) до одной-двух недель (очень мелкие частицы, а также окислы серы и азота, вымываемые осадками и выпадающие с ними на поверхность земли или воды). Поэтому в загрязнении атмосферы наибольшую роль играют газообразные и мелкодисперсные вещества, концентрация которых в атмосфере возрастает примерно пропорционально интенсивности выбросов.
Так как выбросы распределяются весьма неравномерно, а интенсивность рассеивания их сравнительно невелика и сильно зависит от метеорологических условий, концентрация выбросов в приземном слое меняется чрезвычайно сильно как по поверхности Земли, так и во времени. При этом в ряде мест и даже в целых районах концентрации некоторых примесей в отдельные периоды, особенно неблагоприятные по условиям рассеяния, могут достигать угрожающих и даже опасных значений, хотя среднегодовые значения концентраций обычно остаются значительно ниже разовых предельно допустимых. В этих условиях необходимо знать зависимость вреда, причиняемого здоровью людей, не только от концентрации, но и от длительности и повторяемости выбросов.
Однако существующие нормы в большинстве случаев указывают лишь значения разовых предельно допустимых концентраций без достаточных указаний на допустимую частоту таких воздействий. Между тем понятно, что вредное влияние одних примесей суммируется, других — нет, поэтому пересчет длительности воздействия и концентрации на эффективную величину для различных примесей будет разным.
Не менее важно надежно обосновать особенности совместного влияния различных вредных примесей. Обычно допустимые концентрации устанавливаются для каждой примеси отдельно. Однако, например, в Советском Союзе действуют нормы, в соответствии с которыми допустимые концентрации двуокиси серы и окислов азота должны суммироваться. Это значит, что если, например, концентрация окиси серы составляет 80% допустимой, то концентрация окислов азота не должна превышать 20% предельно допустимой.
Решая проблему защиты населения от вредного воздействия загрязнения атмосферы, надо понимать, что массовая полная очистка всех выбросов невозможна, поэтому нужно знать, где самые «больные» места, куда надо бросить силы и средства в первую очередь, где вредность максимальна и где ее можно ликвидировать наиболее дешевым способом. Самый дешевый метод соблюдения предельных норм концентрации SO2 в воздухе — расположение энергетических установок в слабо- загазованных районах и применение высоких дымовых труб (сейчас уже строятся трубы высотой 320—350 м). При особо неблагоприятных условиях рассеивания, которые бывают несколько дней в году, например, при температурных инверсиях в нижних слоях атмосферы, на станциях следует иметь резервный запас более дорогого малосернистого топлива, чтобы при получении сигналов о превышении допустимой концентрации переходить на это топливо.
И все же такие и подобные им мероприятия, хотя они и позволяют полностью соблюдать существующие нормы, мало снизят среднегодовые концентрации на большой территории. А переход на значительно более дорогое малосернистое топливо может уменьшить в несколько раз среднегодовую концентрацию SO2, но не может предотвратить отдельные «выбросы» сверх допустимой концентрации.
Большую озабоченность вызывает влияние топливно- энергетического комплекса на гидросферу. В части теплоэнергетики оно сравнительно невелико. Однако при стремительном росте морской добычи нефти (ныне она достигает 15—20% общей добычи) и танкерных перевозок нефти опасность загрязнения прибрежных зон и океана в целом возрастает, и это заставляет разрабатывать и осуществлять относительно дорогостоящие мероприятия по предотвращению попадания нефти в море.
Современные методы морской добычи нефти (пока с глубины до 50—100 м, в ближайшем будущем—500 м и более) позволяют свести к минимуму просачивание нефти в воду при бурении и эксплуатации скважин. Аварийные выбросы нефти из скважин также очень редки.
До последнего времени основным источником поступления нефти в океан были сбросы балластных вод из танкеров перед их новым заполнением нефтью. Сейчас разработаны и широко внедрены (на 4/5 судов танкерного флота) мероприятия, снижающие такие выбросы на 80%. Это, в частности, постепенная очистка балластной воды с помощью специальных устройств на борту судов во время обратного рейса, а также очистка такой воды в портах погрузки. Разрабатывается конструкция танкеров с двойными днищами, между которыми и будет размещаться водный балласт, что позволит снизить выбросы нефти на 95%.
Конечно, нельзя полностью исключить крупные аварии танкеров и связанный с этим разлив больших количеств нефти по поверхности моря, однако техника локализации и ликвидации таких загрязнений сейчас быстро прогрессирует; созданы, например, специальные плавающие ограждения зоны аварии и малые суда — подборщики разлитой поверхности нефти.
Все это позволяет надеяться, что при обязательном внедрении названных и других мер (для чего, видимо, необходима международная конвенция) роль топливно- энергетического комплекса в загрязнении океана может быть сведена к минимуму, не превышающему способности океана к самоочищению. Для решения этой проблемы необходимо также разработать гигиенические нормативы допустимого содержания нефтепродуктов в морской воде прибрежной полосы (в зоне отдыха населения, курортов).
Значительно сложнее обстоит дело с угрожающим ростом загрязнения поверхностных вод и полузамкнутых участков Мирового океана (глубокие заливы, эстуарии) и береговой линии. Однако и здесь доля непосредственных сбросов предприятиями топливно-энергетического комплекса в общей сумме загрязнений невелика. Более или менее значительны только сбросы загрязненных вод при добыче угля (шахтные воды) и иногда нефти, а также сбросы промывочных вод и растворов, используемых для регенераций фильтров тепловых электростанций. Но объемы этих отходов невелики, комплексная очистка технически освоена и сравнительно недорога. Следует сказать, что наиболее дешевые способы очистки отходящих газов от окислов серы дают много кислых и засоленных вод, сброс которых в водоемы недопустим, а регенерация существенно удорожает газоочистку.
Тепловые электростанции и другие сжигающие топливо предприятия могут загрязнять гидросферу также и через атмосферу. Уже сегодня в ряде районов наблюдается значительное загрязнение гидросферы кислыми осадками, образующимися из содержащих окислы азота и серы выбросов в атмосферу.
Но главное влияние на гидросферу оказывают не тепловые электростанции, а крупные гидроэнергетические сооружения. Роль таких сооружений надо оценивать с учетом всего комплекса вопросов водо- и землепользования.
Для СССР — единственной страны мира, где шло массовое строительство мощных ГЭС на равнинных реках и где средние удельные размеры водохранилищ в 4 раза выше, чем например в. США, одним из основных экологических вопросов, связанных с этим строительством, было затопление большой территории в связи с созданием водохранилищ. Общая площадь затопления существующих и строящихся водохранилищ оценивается Институтом географии Академии наук СССР в 75 тыс. км2 (7500 тыс. га). При этом основные заботы составляют мелководные зоны водохранилищ, которые при максимальном уровне покрыты водой, а при сработке водохранилища осушаются.
Мелководные зоны очень велики и могут достигать сотен тысяч га. Использование этих зон чрезвычайно затруднительно, поскольку годовой график затопления и осушения, обусловливаемый нуждами энергетики, ирригации, водоснабжения и транспорта, резко отличен от природного цикла весеннего затопления заливных лугов с быстрым спадом воды и последующим бурным ростом растительности на увлажненной и удобренной илом почве. Такой цикл важен и для рыбного хозяйства, так как затопленные весной мелководья являются нерестилищами, откуда после спада вешних вод мальки скатываются в реку.
Потребители воды требуют значительно более длительного затопления мелководий и постепенного осушения их в течение осени и зимы. В результате разрастающиеся за лето на мелководье водоросли при осушке отмирают, загрязняя водохранилище гниющей массой. Эти неблагоприятные последствия можно устранить лишь частично, например, выкашиванием и уборкой водорослей при осушке или изменением графика потребления воды с явным ущербом для пользователей. Положение дополнительно осложняется тем, что в маловодные годы из-за недостатка воды происходит осушение зон, ряд лет находившихся под водой.
В проектах некоторых водохранилищ предусматривается защита мелководий путем отсечения их от основного водохранилища дамбами, несмотря на то, что эти мероприятия сильно удорожают строительство. Необходимо, по-видимому, начать аналогичные работы и на ряде существующих водохранилищ.
Аккумуляционные водохранилища (сейчас это уже совершенно ясно), обеспечивая годичное регулирование стока и лучшее его использование для водоснабжения, ирригации и транспорта, резко меняют, в основном в сторону ухудшения, весь гидрологический режим и условия существования гидробиосферы. Застойность воды, особенно на мелководьях, снижает способность рек к самоочищению, вызывает усиленное развитие растительности, главным образом ее низших форм («цветение» воды), увеличивает биологическое потребление кислорода. Однако все эти воздействия еще мало изучены, меры борьбы с ними разработаны недостаточно и слабо проводятся в жизнь.
Большое внимание привлекает проблема тепловых сбросов тепловых и атомных электростанций. Эти сбросы быстро возрастают, особенно с развитием атомных электростанций, так как у них в настоящее время удельный сброс теплоты примерно в 1,5 раза больше, чем на тепловых. Важно отметить, что и термоядерные электростанции, по-видимому, будут работать по тепловому циклу, а следовательно, в соответствии со вторым законом термодинамики сбрасывать большое количество низкопотенциальной теплоты.
Для стран, где основные потребители электроэнергия располагаются вблизи открытого морского побережья, перспективно размещение плавучих атомных электростанций на расстоянии нескольких километров от берега с передачей энергии по кабелю. Расчеты показывают, что даже крупные атомные электростанции в этом случае не вызовут существенного повышения температуры воды, нежелательного для гидробиосферы. Некоторое удорожание подобных станций может в значительной степени компенсироваться удобствами их строительства и монтажа целиком на прибрежном заводе типа судостроительной верфи с последующей отбуксировкой на место работы. К сожалению, для континентальных стран эти возможности ограничены.
Трудности поддержания биохимического водного режима больших аккумулирующих водохранилищ, особенно с сильно переменной водной поверхностью, делают сомнительными проекты использования их для сброса теплоты от крупных тепловых электростанций. Надо иметь в виду, что повышение температуры в водоеме вызывает резкий рост биологического потребления кислорода (например, у многих западноевропейских рек это потребление увеличивается на 15—20% при повышении температуры на 1°С) и соответственно усугубляет опасность его дефицита.
Отсюда следует, что нужно провести большой объем, общебиологических и экологических исследований и конкретные проработки в каждом случае, прежде чем решиться на крупные изменения в температурном режиме любой обширной открытой экологической системы.
Иначе обстоит дело с относительно небольшими (даже для крупной атомной электростанции достаточно 10—20 км2) искусственными прудами-охладителями или озерами, практически изолированными от крупных речных систем, т. е. экологически замкнутыми гидро- и биосферами.
В условиях стран с холодным климатом замкнутые водоемы с температурой воды, несколько превышающей естественную, могут иметь значительные преимущества перед неподогретыми бассейнами с точки зрения как Интенсивного производства ценных продуктов питания (рыба и другие биопродукты), так и использования для отдыха, водного спорта.
Повышение температуры воды в таких прудах-охладителях позволяет заселять их, например, в средней полосе СССР, теплолюбивыми растительноядными рыбами, что предохраняет от зарастания высшей водной растительностью и частично препятствует цветению воды в летний период. Рыбная продукция этих прудов без дорогостоящей органической подкормки может составлять 25—30 ц/га в год. С учетом пищевой ценности животных белков это существенно больше того, что может дать сельскохозяйственное производство на землях, затопляемых при сооружении искусственных водохранилищ.
Следует учесть, что приведенные выше результаты достигаются на существующих прудах-охладителях, при создании которых учитывались интересы только энергетики. Водохранилища, при сооружении которых учитываются все интересы в комплексе, могут быть еще более эффективными. Такие водохранилища в связи с возможностями искусственной аэрации, интенсивным потреблением растительностью фосфатов и нитратов и выводом этих соединений из воды в форме рыбной продукции (растительноядные рыбы) могут оказаться не подверженными эвтрофикации даже при значительном поступлении в воду органики и минеральных удобрений, смываемых с окружающих водохранилище полей. Если это подтвердится, целесообразно будет использовать подогреваемые водоемы с интенсифицированным биологическим циклом возможно шире как эффективный метод решения труднейшей для ряда стран проблемы борьбы с зарастанием внутренних водоемов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В предыдущих главах мы рассказали об энергетике, сформулировали проблемы, стоящие перед ней, и исходя из наших сегодняшних знаний наметили пути решения этих проблем.
Мы не стали давать в этой книге прогноз развития энергетики мира, отдельных регионов или стран на 20, 50 или 100 лет вперед, хотя такие прогнозы делались ранее, и над ними продолжают работать теперь. Такие прогнозы являются результатом серьезных исследований, и они очень важны и полезны, поскольку позволяют дать рекомендации, что нужно делать сегодня или завтра для того, чтобы послезавтра не оказаться перед лицом энергетического кризиса, который может до основания потрясти экономику.
Однако популяризаторы таких прогнозов зачастую обращают внимание на их сенсационную сторону, когда будущее человечества в большой мере в связи с развитием энергетики рисуется в мрачных красках.
Все это могло бы действительно произойти, если бы процессы развития были бы неуправляемыми.
В Советском Союзе энергетика развивается в соответствии с общими народнохозяйственными планами. В этих планах учитывается и обеспеченность первичными источниками энергии, и нужды народного хозяйства, и трудовые ресурсы, и экологические проблемы, и многое другое. Учитывается в них и мировая экономическая конъюнктура, и интересы стран СЭВ, с которыми с каждым годом осуществляется все более тесная экономическая интеграция. Поэтому прогнозы развития экономики, и в частности энергетики, в Советском Союзе оптимистичны.
