Энергетические системы зданий характеризуются различными показателями. Структура этих показателей иллюстрируется диаграммой (рис 10.8) и классификатором (рис. 10.9). Для более детального рассмотрения экологических показателей выделим четыре области природоохранной деятельности (охрана водных ресурсов, атмосферы, почвы и недр, растительного мира) и проследим, в каком объеме сказывается на них негативное воздействие традиционных энергетических систем.
Экологические последствия энергетики, как и любой другой антропогенной деятельности, проявляются в виде разлагаемых или неразлагаемых загрязнений окружающей среды. Одни загрязнители, например бытовые сточные воды, относительно быстро разлагаются с помощью бактерий, другие — например шум, рассеиваются практически мгновенно, третьи, например ядохимикаты, существуют в окружающей среде продолжительное время
Загрязнения энергетических систем относят к точечным, источник которых представляет собой локализованный в географическом пространстве объект. Природные среды выступают в виде каналов, по которым происходит распространение загрязнений. Следовательно, динамика и интенсивность распространения загрязнений зависят не только от показателей работы источника выбросов, но и от природно-климатических характеристик района деятельности энергоустановки. Загрязнение одной из природных сред неизбежно приводит к изменению экологической ситуации в целом и изменению состояния других природных сред. Однако поступление, концентрация, распространение и рассеяние (разложение) загрязнителей в каждой из природных сред имеют свою специфику.
Энергетика — одна из наиболее заметных по выбросам в природную среду отраслей народного хозяйства. При изучении экологических последствий энергетической деятельности наряду с дифференцированием по природным средам раздельно рассматривают теплоэнергетику, атомную и ядерную энергетику и гидроэнергетику.
В атмосферу попадает большое число загрязнителей. Наибольший ущерб для природной среды и здоровья людей приносят оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводороды и взвешенные механические частицы. При загрязнениях воздушного бассейна может наступить нарушение состояния здоровья людей от простого раздражения до летальных исходов (например, известные случаи массового отравления людей в результате смога в Лондоне). Во многих случаях загрязнение воздушного бассейна приводит к экологическому стрессу, который понижает порог противодействия организма другим болезням.
Расселение (размещение жилья, промышленных и транспортных сооружений на поверхности Земли) является главным процессом, характеризующим расширение и усложнение техносферы. В ходе этого процесса происходит функционирование промышленности, транспорта и населенных мест в целом, наблюдаются качественные изменения в технологии производств и т. д.
Антропогенная деятельность связана со значительными выбросами технологических отходов в окружающую среду. Так, поступление в атмосферу аэрозолей характеризуется следующими значениями (в млн. т ежегодно): морская соль — 650; почвенная пыль — 300; вулканы - 80; лесные пожары — 75 (естественные источники); сжигание угля — 22, сжигание других материалов — 8; металлургия и другие отрасли промышленности — 10; сельское хозяйство — 5; индустрия — 5 (антропогенные источники). Таким образом, антропогенные источники поступления аэрозоля с точки зрения загрязнения окружающей среды сравнимы с источниками естественного происхождения.
По данным Европейской экономической комиссии ООН в 1975 г. выбросы в атмосферу сернистого ангидрида от стационарных источников составили в странах региона 97 млн. т. Результаты загрязнения атмосферы сернистым ангидридом сказываются не только на здоровье людей: «кислые» дожди вызывают усиленную коррозию металлических конструкций, ухудшают аграрные условия, изменяют микроклимат территорий. Таким образом, стремление промышленности вывести выбросы как можно выше в атмосферу не дало ожидаемого эффекта: дымящие трубы ФРГ вызвали обострение проблемы охраны природы в Скандинавских странах. Это явилось следствием недооценки естественных закономерностей формирования условий окружающей среды, отсутствия системных разработок в области экологического обоснования развития промышленности.
В зависимости от вида загрязнителей различают химическое, механическое, биологическое, тепловое и радиоактивное загрязнение водоемов. При небольших сбросах загрязнителей в водоем происходит временное снижение содержания растворимого кислорода в воде с последующим его восстановлением. При превышении некоторого допустимого уровня загрязнения процесс разложения органических веществ может привести к истощению растворимого кислорода. Большинство неразлагаемых загрязнителей растворяются и осаждаются в воде, их накопление в больших объемах делает водоем непригодным для жизни. Стойкие синтетические органические вещества придают воде неприятный запах.
Загрязнение растительности и почвы может происходить как непосредственно в зоне контакта источника выбросов с природной средой, так и при распространении загрязнителей воздушным и водным путями. В последнем случае в окрестностях энергетических станций и крупных промышленных объектов наблюдаются увядание растительности, видовая смена насаждений, изменения структуры и гумусности почвы.
Интересные результаты получены при анализе космических снимков крупных городов США. Обнаружены «тепловые острова» в воздушном бассейне городов, свидетельствующие об интенсивном тепловом загрязнении окружающей среды выбросами промышленности. Проведенные автором совместно с сотрудниками лазерно-локационные исследования воздушного бассейна ряда городов европейской территории страны показали наличие «шапок» антропогенного аэрозоля, а также корреляцию между выделенными по космическим снимкам областями загрязненной атмосферы и концентрациями измеренных с помощью лидара загрязнителей. Данными экспериментами было еще раз показано, что изменения радиационных условий в городе и качественное состояние окружающей среды отражают единый сложный процесс жизнедеятельности города. Эти известные и ранее данные благодаря космическим снимкам стали изучаться как региональное явление, характерное для крупных городов и городских агломераций. Стало возможным, применяя повторные съемки, контролировать динамику «тепловых островов» в зависимости от изменения естественных и антропогенных условий. В особенности полезными для проектирования оказались данные о границах «тепловых островов», их связи с конкретной планировочной ситуацией, размещением промышленных предприятий, орографией местности и климатом города.
Уголь, нефть, газ и торф являются в СССР основным источником получения энергии. Необходимость снижения потребления нефти в энергетике продиктована не только экологическими, но и экономическими аспектами. Нефть и другие виды органического топлива — ценное сырье для промышленности.
При сжигании топлива в энергоустановках в атмосферу выбрасываются диоксид углерода СО2 и водяной пар Н2О, а также продукты неполного сгорания топлива — оксид углерода, сажа, углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен С20Н12, несгоревшие частицы твердого топлива, зола и прочие механические примеси, оксиды серы SO2 и SO3, азота NOx и свинца РbО. В особенности большое количество воды и диоксида серы обнаруживается при сжигании твердого топлива (так, например, подмосковные угли имеют в своем составе 2,5—6% серы и до 30—50% золы). При сжигании мазута в дымовых газах содержатся оксиды азота, соединения ванадия и натрия, газообразные и твердые продукты неполного сгорания. При сжигании неочищенного природного газа образуются диоксид серы и оксиды азота. Наибольшее количество оксидов азота выделяется при сжигании жидкого топлива.
Таблица 10.1. Гигиеническая характеристика выбросов энергетических станций
Теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн. кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает ежесуточно в атмосферу 680 т SO2 и SO3 при содержании серы в топливе 1,7%, 200 т оксидов азота, 120—240 т твердых частиц (зола, пыль, сажа) при эффективности системы пылеулавливания 94—98%. Все выбросы энергетических станций нормируются, так как превышение их допустимых концентраций вызывает заболевания (табл. 10.1).
Несмотря на указанные выбросы загрязняющих веществ, теплоэлектростанции продолжают проектировать и строить. Это объясняется высокой экономичностью теплоэлектростанции, особенно в районах дешевых низкосортных углей, в том числе добываемых открытым способом. Примером может служить Экибастузское месторождение, на базе которого размещаются несколько электростанций большой мощности.
Эффективным путем решения энергетических проблем с соблюдением экологических требований является развитие безотходных технологий. В комплекс мероприятий по их обеспечению входят: создание и внедрение новых процессов получения продукции с образованием наименьшего количества отходов; разработка различных типов бессточных технологических систем, энергоустановок и водооборотных циклов с использованием очистки сточных вод и выбросов; разработка систем переработки отходов производства во вторичные материальные ресурсы; создание территориально-промышленных комплексов, имеющих замкнутую структуру материальных потоков сырья и отходов внутри комплекса.
Внедрение безотходной технологии позволяет одновременно решать проблемы развития промышленности и энергетики. Однако реализация программы безотходной технологии в масштабах всего народного хозяйства требует больших затрат, а также проведения дополнительных проектных и исследовательских работ, осуществить которые одновременно весьма сложно. Поэтому наряду с внедрением безотходной технологии проводятся мероприятия по ограничению выбросов и их распространению в окружающей среде, для чего используются следующие способы: совершенствование технологических процессов и разработка нового оборудования, обеспечивающего пониженное загрязнение окружающей среды; замена неутилизируемых отходов на утилизируемые; замена токсичных отходов на нетоксичные; применение пассивных методов защиты окружающей среды.
Пассивные методы защиты окружающей среды позволяют ограничить выбросы промышленности и энергетики с последующей утилизацией или захоронением отходов. К их числу относится очистка сточных вод и газовых выбросов от вредных примесей, рассеивание вредных выбросов в атмосфере, глушение шума и снижение уровней инфразвука, ультразвука и вибрации на путях их распространения, экранирование источников энергетического загрязнения окружающей среды, захоронение токсичных и радиоактивных отходов.
Важной задачей градостроительного проектирования является рациональное размещение источников загрязнений. При этом решаются следующие задачи: вынесение предприятий промышленности и энергетики из крупных городов и сооружение новых в малонаселенных районах, в окрестностях городов с непригодными и малопригодными для сельскохозяйственного использования землями; оптимальное расположение промышленных предприятий с учетом топографии местности и розы ветров; создание санитарных охранных зон вокруг предприятий; рациональная планировка городской застройки, обеспечивающая оптимальные экологические условия для человека и растений.
Разрабатываются и другие методы ограничения воздействий энергетики на окружающую среду. Так, в 1960 г. был впервые предложен советским ученым С. А. Христиановичем и запатентован в ряде стран метод предварительной газификации высокосернистых мазутов под давлением с последующей очисткой полученного газа.
Ориентация теплоэнергетики на дальнейшее развитие поставила задачи поиска «чистого» топлива, при сжигании которого атмосфера не загрязняется частицами пыли, соединениями серы, ванадием, мышьяком, оксидами азота, канцерогенами и другими вредными веществами. Например, в качестве топлива можно использовать водород. При сжигании чистого водорода в кислороде образуются только водяные пары; в воздухе продукты сгорания состоят в основном из смеси водяных паров и инертного азота. Ведутся поиски экономичного пути получения водорода.
Применение на теплоэлектростанции парогазовой установки сокращает площадь электростанции, не требует использования охлаждающей воды. Поскольку при этом возможен переход к новой схеме получения энергии без замены оборудования, данный способ можно считать эффективным для решения экологической проблемы.
Следует назвать еще один перспективный путь развития теплоэнергетики — путь, исключающий паровую турбину. Широкие перспективы не только в повышении эффективности работы теплоэлектростанций, но и в уменьшении теплового загрязнения окружающей среды имеет магнитодинамический способ непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.
Современное энергетическое оборудование позволяет использовать полезную теплоту лишь на 40%. В печах промышленных предприятий этот показатель еще ниже, что объясняется главным образом отсутствием оборудования для утилизации газов. На отдельных промышленных предприятиях внедряются различные системы утилизации газов, позволяющие повысить энергетическую эффективность работы оборудования. На Московском автомобильном заводе им. Ленинского комсомола от печей кузнечного цеха продукты сгорания отводятся по специальным трубам; проходя через систему змеевиков, они нагревают воду, которая зимой используется для отопления, а летом — для горячего водоснабжения. В литейном цехе Брянского машиностроительного завода внедрен метод вторичного использования ваграночного газа, имеющего температуру до 500°С и содержащего большое количество вредного угарного газа; примененная установка позволяет дожигать угарный газ (т. е. очищать ваграночный газ), а нагретый воздух подается на дутье в вагранку.
Не только промышленность и жилье, но и другие агрегаты — потребители энергии используют энергию теплоэлектростанций. Так, в комплексе с теплоэлектростанциями могут работать дистилляционные опреснительные установки. Несмотря на большие объемы воды на планете, многие государства постоянно испытывают недостаток в пресной воде: морская вода, содержащая много растворенных минеральных веществ, непригодна для питья и некоторых технологических процессов. Для решения этой проблемы применяются опреснители. Однако использование теплоэлектростанций не удовлетворяет исследователей: ведутся поиски экологически безвредных способов опреснения морской воды, одним из которых является электрохимический метод опреснения (электродиализ) с использованием возобновляемых нетрадиционных источников энергии. Ведь еще в далекой древности из воздуха добывали влагу — одно из таких сооружений обнаружено возле Феодосии на склоне горы Teп-Оба; такие же водопроводы найдены в Керчи и Евпатории. А в 1872 г. в Чили была построена первая крупная гелиоопреснительная установка, непрерывно проработавшая 36 лет.
На развитие и размещение объектов энергетики в немалой степени оказывает влияние география потребителей энергии и месторождений энергетических ресурсов. На европейской части страны сосредоточено 4/5 всего населения, в восточных районах 1/5 населения проживает на 4/5 территории всей страны. Антропогенная нагрузка на природные комплексы на востоке пока ниже, чем в европейской части, зато в них и более низкая способность природы к самоочищению. Поэтому развитие промышленности в восточных районах страны повышает требования к экологически безвредным технологиям и способам получения энергии. В связи с этим все большее внимание в энергетике страны уделяется гидроэлектростанциям.
СССР занимает первое место в мире по запасам гидроэнергетических ресурсов, но используется пока всего 17%, из них 41% в европейской части страны и менее 3% — в Сибири и на Дальнем Востоке. В то же время Канада использовала 70% своих гидроэнергоресурсов, Швеция — 77%, Франция — почти полностью.
Вырабатываемая на гидроэлектростанциях энергия не связана с выбросами в окружающую среду. Однако строительство ГЭС сопровождается большими временными и материальными затратами на изменение природных условий в районе строительства и сооружений гидротехнических объектов, а также связано с существенным нарушением экологических условий.
В СССР осуществлено массовое строительство ГЭС на равнинных реках с большими поверхностями затопления на единицу годовой выработки электроэнергии. При этом из сельскохозяйственного и других видов землепользования изъяты большие полезные площади. В районах ГЭС особенно остра проблема мелководий, режим обводнения которых избирается исходя из промышленных нужд энергетики и противоречит экологическим ритмам развития растительного покрова на них.
Будущее энергетики неразрывно связано с развитием атомной, а в перспективе — термоядерной энергетики. В настоящее время на атомных электростанциях преимущественно используются реакторы на тепловых нейтронах. Даже при существующих планах развития промышленности на Востоке страны в ближайшее десятилетие большая часть потребляемой энергии будет приходиться на европейскую часть СССР. Это явилось основой для ориентации советской энергетики на опережающее развитие атомной энергетики. СССР активно участвует в работах по совершенствованию конструкций АЭС, повышению безопасности их работы и снижению загрязнений окружающей среды. Выступая в январе 1987 г. перед журналистами в пресс-центре МИД СССР, Генеральный директор МАГАТЭ X. Блике сказал, что международное сотрудничество в этой области по инициативе СССР вступило в новый этап. Разработаны две международные конвенции, СССР одним из первым ратифицировал их.
АЭС значительно меньше загрязняют атмосферу, чем теплоэлектростанции. Образующиеся сточные воды подвергаются очистке. Сопоставление результатов влияния на экологические условия АЭС и теплоэлектростанций показывает, что последние загрязняют объемы воздуха, в сотни и тысячи раз большие, чем атомные электростанции (табл. 10.2) АЭС не влияет на содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере, не изменяет химического состава атмосферы, гидросферы и почвы. Радиационная обстановка в районе АЭС может стать угрожающей для организмов только в результате аварии, поэтому комплекс технических мероприятий по предотвращению аварий может рассматриваться как важнейшее природоохранное средство.
Таблица 10.2. Объем воздуха, необходимый для снижения содержания вредных выбросов АЭС и ТЭС мощностью 1000 МВт до ПДК
1 М. Эйзенбад. Радиоактивность внешней среды. — М.: Атомиздат, 1977
Примерно половина тепловой энергии, возникающей в атомном реакторе, удаляется с охлаждающими водами. Поэтому для АЭС актуальна проблема теплового загрязнения водоемов. На крупных АЭС количество охлаждающей воды достигает нескольких миллионов кубических метров в сутки. Тепловое загрязнение водоемов превышает биологическую продуктивность подогреваемой воды, увеличивается количество взвешенных частиц, повышается окисляемость, цветность, снижается прозрачность воды, в водоеме создаются условия, благоприятные для размножения патогенной кишечной микрофлоры.
В атомной энергетике ведутся разработки по созданию реакторов на быстрых нейтронах, к.п.д. которых значительно выше, чем реакторов на тепловых нейтронах. Однако их техническое решение сложнее, соответственно удельные капиталовложения на единицу мощности выше, чем для реакторов на тепловых нейтронах.
В термоядерных установках одним из основных компонентов «топлива» является содержащийся в воде дейтерий. Создание первой термоядерной электроустановки ожидается в первой половине XXI в.
Рис. 10.10. Классификация и оценка нетрадиционных источников энергии
В СССР существует комплекс законов, регламентирующих взаимоотношение человека и природы. Соответствующая статья предусматривается и Конституцией СССР: «В интересах настоящего и будущих поколений в СССР принимаются необходимые меры для охраны и научно обоснованного, рационального использования земли и ее недр, водных ресурсов, растительного и животного мира, для сохранения в чистоте воздуха и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучшения окружающей человека среды». В современных условиях комплекс природоохранительных ограничений должен быть реализован через систему управления функционированием и развитием техносферы в ходе проектных работ, решающих задачи строительства и реконструкции жилья, объектов промышленности и транспорта.
Таким образом, при всем разнообразии способов получения энергии на электростанциях и других энергоустановках, основанных на традиционных видах ресурсов, общим для них является интенсивное, возрастающее с увеличением объема получаемой энергии давление на окружающую среду.
