Энергопотребление и биосфера

Резко снизили энергоемкость промышленной продукции и другие страны. Если принять энергоемкость в 1970 г. за 100%, то уже в 1983 г. она составляла в США — 61%, Великобритании — 55%, Франции — 61 %, при этом производительность труда возросла в США в 1,33 раза, в Англии — в 1,63, во Франции — в 1,47, в Японии — в 1,56 раза.

Приведем несколько примеров энергосберегающих технологий. Более половины всей энергии, производимой в США, потребляют электромоторы. Использование современных электродвигателей с микропроцессорным управлением позволило бы сэкономить 20 % потребляемой электроэнергии. Улучшение теплоизоляции домов (тройные оконные рамы, толщина стен 10 — 12 см) позволило бы уменьшить примерно на 50 % энергию, затрачиваемую на их обогрев. Такие меры принимаются в США, Швеции и других странах. Использование экономичных люминесцентных или натриевых ламп вместо ламп накаливания примерно в 4 раза уменьшает затрачиваемую электрическую энергию (в нашей стране на освещение идет 13% электроэнергии).

Огромное количество энергии (60 — 80%) удалось бы сэкономить в России, если повсеместно перейти от малоэффективного и экологически вредного мартеновского производства стали к разработанной в нашей стране технологии ее непрерывной разливки. Современные типы двигателей автомобилей позволяют- снизить потребление топлива в 2 —6 раз (до 4,5 — 1,5 л бензина на 100 км), тем самым достигаются большая экономия нефтепродуктов и снижение вредных выбросов в атмосферу.

В целом потребление энергии в развитых странах при использовании энергосберегающих технологий может быть снижено в 1,5 раза (на 30%).

3. Экологическая характеристика источников энергии

3.1. Экологическая характеристика гидроэнергетики.

Важное место в энергетике занимают гидроэлектростанции (ГЭС). Выработка электроэнергии на ГЭС обходится относительно дешево; ГЭС незаменимы для моментального покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах. Работа ГЭС не вызывает загрязнения природной среды. Водохранилища ГЭС можно использовать для орошения, рыболовства, судоходства, в рекреационных целях, для водоснабжения и т.д.

Однако, при этом с деятельностью ГЭС связано и много проблем.

Большинство водохранилищ нашей страны находятся на равнинах. Равнинные водоемы велики по площади и изменяют природные условия на значительных территориях. Так, водами волжских водохранилищ затоплены огромные площади пойменных земель – лучших сельскохозяйственных угодий с влажными лугами и плодородными почвами. Для предотвращения затопления земель приходится строить вдоль естественных берегов рек специальные дамбы.

Многие крупные антропогенные водоемы находятся во влажной лесной зоне. Вокруг них часто происходит заболачивание земель и расширение существующих болот. В степной зоне и зоне полупустынь создание водохранилищ может сопровождаться заселением почв. Ниже плотин уменьшается продолжительность и высота половодий, что приводит к деградации лугов и пойменных почв, гибели ряда растительных сообществ. Водоемы на равнинных реках замедляют скорость обмена воды в их бассейнах. Соответственно происходит замедление скорости движения подземных вод, что в свою очередь, влияет на их химизм. Снижение интенсивности паводков и половодий ухудшает санитарное состояние водоемов. Нечистоты, которые раньше выносились реками, теперь накапливаются в водохранилищах. Кроме того, снижение скорости течения в водохранилищах сопровождается их заилением. Темпы заиления водохранилищ сильно различаются в зависимости от природных условий и водосборов. Так, например, Цимлянское водохранилище на Дону расположено в степной зоне, где интенсивно протекают процессы эрозии почв. Поэтому за сорок лет оно потеряло десятую часть своего объема. Заиление же братского водохранилища составляет доли процента, так как оно находится в лесной зоне, где практически смыв почв не происходит.

На участках рек ниже плотин снижается частота и высота половодий и паводков. Это отрицательно сказывается на долинных геосистемах. Происходит деградация влажных пойменных лугов, снижается их урожайность. В южных районах высыхают и исчезают тугайные леса.

Плотины ГЭС преграждают путь на нерест проходным рыбам, ухудшают состояния нерестилищ (заиливание). Для предотвращения негативного влияния плотин на экосистемы аквальных комплексов разработан ряд инженерных и биотехнических мер. На современных плотинах в обязательном порядке строятся рыбопроходы и рыбоподъемники, обеспечивающие движение рыб на нерест. В водохранилищах создаются искусственные нерестилища, производится подкормка рыб. Плотины задерживают твердые взвеси. Поэтому в устья рек поступают воды, содержащие меньше питательных веществ. А это значительно ухудшает условия нереста рыбы в прибрежных районах морей и океанов, условия их нагула. По этой причине некоторые популяции рыб уменьшаются и даже исчезают.

Крупные водохранилища оказывают некоторое, а в ряде случаев и значительное влияние на локальные климатические условия. Так, в долине Енисея на сотни километров ниже краснодарской ГЭС зимой устанавливаются густые холодные туманы. Причиной их возникновения является сброс через турбины электростанции относительно теплых донных вод водохранилище. Поэтому, несмотря на сильные морозы, на расстоянии до 250 км. Ниже плотины Енисей не замерзает и долина оказывается окутана густым холодным туманом. Туман держится несколько месяцев и создает крайне неблагоприятные условия для жизни и хозяйственной деятельности людей в зимнее время. Кроме того, на обширных пространствах крупных водоемов велика сила ветра, вызывающая сильное волнение воды и даже настоящие штормы, затрудняющие судоходство и рыболовство.

Негативные следствия работы горных ГЭС значительно отличаются от последствий функционирования равнинных. Это обусловлено тем, что на горных реках с крутым падением русла и узкими долинами-ущельями накопление больших объемов воды в водохранилищах не сопровождкается затоплением обширных площадей. Однако скопление дополнительных масс воды нарушает неустойчивое равновесие блоков земной коры. Поэтому в районах крупных гидроузлов частота небольших землетрясений возрастает, а иногда происходят и разрушительные толчки. Спровоцированные строительством гидроэлектростанции разрушительные землетрясения происходили в горах Италии, Индии, в ряде других стран.

Возведение гидроэлектростанций оказывает сильное воздействие на природные территориальные и аквальные комплексы. Поэтому при оценке проектов строительства ГЭС необходимо учитывать возможно больший круг ландшавтно-экологических следствий их осуществления.

3.2. Экологическая характеристика атомных электростанций

До 1986 г. (год аварии на Чернобыльской АЭС) большие надежды в решении многих экологических проблем, связанных с энергетикой, возлагались на атомные станции. Широкое применение ядерной энергетики позволяет экономить невозобновимые топливные ресурсы и использовать их более рационально для прризводства 1 трлн. кВт электроэнергии необходимо сжечь на ТЭС 280 млн. т ископаемого топлива. При этом неизбежно интенсивное загрязнение природной среды большим количеством продуктов неполного сгорания топлива, а также газами. АЭС при нормальной работе практически не загрязняют окружающую среду. Облучение от воздействия АЭС в радиусе 80 км в 6000 раз меньше дозы облучения, получаемой от естественного радиоактивного фона. Кроме того, в отношении радиационной безопасности АЭС более благоприятны, чем электростанции, работающие на угле. Так, доза облучения, получаемая в результате выбросов АЭС, в 5—40 раз меньше дозы, вызванной выбросами ТЭЦ аналогичной мощности. Поэтому замена угольных ТЭЦ исправно работающими атомными станциями многократно улучшает радиационную обстановку в районах крупных электростанций.

Современные АЭС с реакторами на тепловых нейтронах, экономя органическое топливо, расходуют ядерное горючее весьма расточительно — используется лишь 0,5—1% урановой руды, а остальные 99% идут в отвалы. Ныне в ряде стран разработана и успешно внедряется более экономичная технология, которая позволяет значительно полнее использовать урановое топливо. На атомных станциях с реакторами-размножителями на быстрых нейтронах не только производится энергия, но и вырабатывается плутоний — новое ядерное горючее. В реакторах на быстрых нейтронах можно использовать практически все 100% добываемого урана. Сочетание подобных реакторов с реакторами на тепловых нейтронах многократно увеличивает производство энергии из урана.

Производство электроэнергии на атомных станциях не сопровождается выбросами в атмосферу диоксида углерода и поэтому не усугубляет проблемы, связанные с парниковым эффектом. Потребление кислорода на ядерных станциях также сведено к минимуму. Для разбавления небольших выбросов АЭС в атмосферу до допустимых концентраций требуется в тысячи раз меньше воздуха в расчете на единицу вырабатываемой энергии, чем при работе обычных тепловых электростанции.

Наряду с решением большого числа проблем развитие ядерной энергетики ставит перед человечеством и качественно новые экологические задачи. Как показала чернобыльская катастрофа, ядерные станции представляют глобальную угрозу всему живому в случае нарушения нормального режима их работы. Аварии на атомных станциях влекут за собой опасные экологические последствия для обширных территорий и огромных масс людей. При чем радиоактивное загрязнение с помощью воздушных течений и вод распространяются на территории весьма удаленные от АЭС. Так, на Чернобыльской АЭС высота выбросов из аварийного блока достигла 1200 м. Отсюда мощными воздушными течениями радионуклиды распространились на многие тысячи километров. Выпадение радиоактивных продуктов распада произошло во многих районах западной части европейской территории СССР, а также на Кольском полуострове и на Кавказе. Радиоактивные дожди прошли в зарубежных странах – Австрии, Германии, Италии, Норвегии, Швеции, Польши, Румынии и Финляндии. Облучению лишь в одной европейской части СССР подверглись несколько миллионов человек. В отличии от многих других проблем связанных с авариями технических устройств, геоэкологические следствия аварий на АЭС сохраняют свою остроту в течение очень длительного времени – многих лет, десятилетий и даже столетий.

Сложные экологические проблемы возникают не только при авариях, но и при нормальной работе АЭС. К их числу относится проблема длительного и безопасного хранения высокоактивных отходов ядерной энергетики, исключающего распространение антропогенной радиации в пределах биосферы. С каждым годом количество радиоактивных отходов растет. Они сохраняют свою активность в течении многих столетий. Долгоживущие изотопы, образующиеся на ядерных станциях в качестве отходов, должны быть на сотни лет изолированы от живых организмов, от свободно перемещающихся масс воды и воздуха. При организации хранения таких отходов необходимо учитывать комплекс природных факторов и условий.

В 60-е гг. ХХ в. было выдвинуто предложение использовать для целей захоронения радиоактивных отходов впадины океана глубиной свыше 7 км. В частности была предложена впадина Тонга в Тихом океане. Предполагалось, что глубинные водные массы в таких впадинах лишены горизонтальных и вертикальных циркуляции или же они происходят крайне медленно и поэтому сброшенные туда радиоактивные вещества будут практически изолированы от внешней среды. Однако тщательное изучение гидрологического режима таких впадин показало, что это не так. Было установлено, что обновление глубинных вод океана происходит менее чем за 100 лет, а в ряде случаев подъем с глубины выше 1000 метров осуществляется всего за 3-4 года. Следовательно, и сверхглубокие впадины не могут служить достаточно надежным местом захоронения радиоактивных отходов. В соответствии с современными международными соглашениями в моря и океаны можно сбрасывать только разбавленные радиоактивные растворы. Но сброс даже таких растворов опасен.  

По международным соглашениям твердые, слабо-, средне-, и высокорадиоактивные отходы должны капсулироваться стеклом и помещаться в специальные хранилища, находящиеся под постоянным контролем. Применяемое для этих целей стекло не выщелачивается. Стеклянные радиоактивные блоки можно разрушить лишь с большим трудом, но и тогда распространение радиоактивности не произойдет, так как отходы сплавлены со стеклом. В таком состоянии они могут храниться тысячи лет. Существуют и другие способы хранения радиоактивных отходов. Все они сложны и дорогостоящи. При любом способе хранения радиоактивные вещества должны быть изолированы от биохимического круговорота элементов в биосфере. Чаще всего в качестве складов используются соляные штольни, в которых нет грунтовых вод. Соляные породы прочны и пластичны, что гарантирует герметичность захоронения в течении длительного времени, а высокая теплопроводность соляных пород способствует отводу тепла, выделяющегося в процессе распада радиоактивных веществ.

Разработан также способ захоронения радиоактивных отходов с помощью гидравлического разрыва, при котором в слое глинистого сланца пробуривается скважина до горизонтов, расположенных ниже грунтовых вод. В скважину под давлением нагнетается вода, что приводит к образованию в сланцах серии трещин. После этого радиоактивные вещества в  цементном растворе под огромным давлением вводятся в трещины. Такой способ на сотни лет устраняет возможность распространения радиоактивных веществ даже при землетрясении.

Для захоронения предлагается также использовать скопления гравия в горных районах аридных зон. В этом случае стальные остеклованные канистры помещаются в пакеты из гравия на глубину не более 30 м. Фильтрующаяся вода в условиях аридного климата проникает за зиму не глубже 7—8 м, а летом она полностью испаряется. Водозные воды обходят гравийный пакет, так как в нем разорваны капиллярные связи. Выделяемое радиоактивными отходами тепло дополнительно подсушивает зону захоронения. Этот способ проще и дешевле предыдущих. Но он достаточно надежен только в том случае, если в течение сотен лет в этом районе не произойдет смены климата на более влажный.

С работой АЭС связана также проблема теплового загрязнения водоемов. Большое количество воды, используемой при работе АЭС, сбрасывается в водоемы в нагретом состоянии. Водоемы, служащие для охлаждения отработанной воды, занимают значительные площади. При большом числе АЭС трудно найти свободные или малоценные земли для создания подобных водоемов. Поэтому в большинстве случаев нагретые воды сбрасываются непосредственно в реки. В ряде районов мира тепловое загрязнение рек — большая проблема. Например, в США в XXI в. тепловые и атомные станции будут использовать для охлаждения треть стока рек. В засушливые годы для охлаждения потребуется весь сток, что может привести к резкому изменению природных свойств всей гидросети страны. Поэтому в США предполагается нагретые воды АЭС сбрасывать в моря. Для нашей страны в связи с особенностями климата (продолжительная холодная зима) проблемы теплового загрязнения вод практически не существует. Сбросное тепло АЭС может широко применяться для интенсификации сельскохозяйственного производства и для других практических целей.