15. Экологические проблемы энергетики



страница2/6
Дата02.05.2016
Размер0.94 Mb.
1   2   3   4   5   6

Ядерная энергетика. Источником энергии на атомных электростанциях (АЭС) является процесс деления тяжёлых ядер при взаимодействии их с нейтронами. Полное энерговыделение на один элементарный акт деления составляет 200 МэВ. Та­кое высокое энерговыделение и определяет огромную теплотворную способность ядерного топлива, превышающую теплотворную способность органического топлива в миллионы раз. В соответствии с принципом, положенным в основу получения управляемой реакции деления, все ядерные реакторы делятся на два типа: реакторы на тепловых или медленных нейтронах и реакторы на быстрых нейтронах или реакторы-размножители.

Подавляющее большинство действующих и строящихся АЭС имеют реакторы на медленных нейтронах. Особенностью реакторов этого типа является наличие замедлителя нейтронов в активной зоне реактора. Использование в качестве замедлителя нейтронов тяжёлой воды, позволяет использовать в качестве ядерного топлива необогащённый природный уран.

Примерно три четверти реакторов на АЭС во всём мире работают на обогащённом уране со степенью обогащения 2-4% и используют в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя обычную воду. Такие реакторы называют водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР).

Принципиальная технологическая схема АЭС с водо-водяным реактором представлена на рис. 15.7. ВВЭР рабо­тают по двухконтурной схеме. Как видно из рис. 15.7, вода первого контура служит для передачи тепла от ТВЭЛов (тепло-выделяющий элемент) к вторичному контуру. Вода вторичного контура, не представляющая опасности с точки зре­ния радиоактивности, используется для получения электроэнергии в паровой турбине.

Помимо водо-водяных реакторов в РФ на АЭС имеются уран-графитовые реакторы. Эти реакторы, как и ВВЭР, исполь­зуют для проведения реакций деления медленные нейтроны. Но в данном случае в качестве замедлителя нейтронов используется графит, а теплоносителем служит обычная вода (Чернобыльский вариант).

Одним из самых больших недостатков реакторов на медленных нейтронах является очень низкая эффективность использования ими ypана. В них используется всего 1-1,5% потенциальной энергии, заключённой в при­родном уране. Такая низкая степень использования ресурсов урана ти­пична для современных действующих АЭС на медленных нейтронах.

Решить задачу более полного использования природного ядерного горючего – урана можно лишь при использовании другого типа ядер­ных реакторов – реакторов на быстрых нейтронах реакторов-размножи­телей. В этих реакторах наблюдается не уменьшение, а увеличение ко­личества ядерного горючего, способного к делению. Происходит это вследствие ядерных превращений. Ядро ypaнa-238 (238 U) в результате поглощения нейтрона, переходит в ядро плутония-239 (239Pu), который как и уран-235 при поглощении нейтронов даёт начало цепной реакции деления. Аналогично ведёт себя и изотоп тория-232, который при взаимодействии с нейтронами образует уран-233, склонный к реакции деления. Практически достижимым считается поднять коэффициент использования топлива до 30-40% и выше. Это не только позволит увеличить ресурсы природного урана, но и приведёт к резкому снижению вклада стоимости ядерного топлива в общем балансе себестоимости энергии.

Общий вид подобной АЭС, представлен на Рис. 15.8.





Рис. 15.7. Схема устройства АЭС с водо-водяным реактором:

1 – реактор; 2 – насос первичной воды; 3 – парогенератор; 4 – паровая турбина; 5 – электрический генератор; 6 – конденсатор пара; 7 – насос вторичной воды



Рис. 15.8. Внешний вид атомной электростанции,

г. Северск, Томская обл.

Реакторы на быстрых нейтронах имеют более сложную конструкцию, чем реакторы на тепловых нейтронах. В реакторах на быст­рых нейтронах не используются замедлители нейтронов, поэтому в ак­тивной зоне таких реакторов высвобождается значительно больше энер­гии в расчёте на единицу объема, чем в реакторе на тепловых нейтро­нах.

В нашей стране наибольшее внимание уделяется разработке и со­вершенствованию реакторов на быстрых нейтронах, использующем в каче­стве теплоносителей металлический натрий. В целях предотвращения попадания радиоактивного натрия в воду при возможных нарушениях нормального режима работы теплообменников в реакторах на быстрых нейтронах применяется трёхкорпусная система теплоотвода (рис. 15.9).

Рис. 15.9. Схема устройства АЭС с реактором на быстрых нейтронах:

1 – реактор; 2 – регулирующие стержни; 3 – первичный контур, теплоноситель – металлический натрий; 4 – второй натриевый контур; 5 – парогенератор; 6 – турбогенератор; 7 – конденсатор пара; 8 – охлаждающая вода
Первая АЭС на быстрых нейтронах была построена в СССР в 1973 г. Реактор на быстрых нейтронах, мощностью 350 МВт начал выраба­тывать электроэнергию (150 МВт) и пресную воду (1,2105 т/сутки) в г. Шевченко. В 1979 и 1982 гг. введены в строй АЭС с реакторами на быстрых нейтронах мощностью 600 МВт. Ведутся разработки более мощных реакторов с мощностью до 1600 МВт, которые планировалось производить в РФ серийно.

Существует, однако, целый ряд проблем, которые необходимо решить, прежде чем реакторы-размножители получат широкое распространение. Эти реакторы используют высокообогащённое топливо и требуют помимо урана большого количества плутония. Плутоний должен поступать из запасов, накопленных в ходе работы реакторов на тепловых нейтронах. Изотопы плутония извлекаются из «выгоревших» ТВЭЛов, имеющих высокую активность, на специальных заводах по переработке отработанного ядерного горючего. Такие заводы имеются, имеется и плутоний из демонтируемых атомных бомб.



Водородная энергетика. Система, которая могла бы объединить промышленность, транспорт и жилищно-коммунальное хозяйство на основе получения и использования единого топлива – водорода, получила название водородной энергетики. Водород не является первичным источником энергии. В природе нет доступных для промышленного использования количеств газообразного водорода, поэтому получение водорода в качестве топлива всегда требует затрат первичной энергии ископаемого топлива, ядерной, солнечной или других её видов. Водород является искусственным топливом и в настоящее время рассматривается как перспективный энергоноситель, по некоторым показателям превосходящий даже наиболее широко используемый в настоящее время энергоноситель – электроэнергию. Одно из основных преимуществ водорода по сравнению с электроэнергией является возможность его накопления и хранения в жидком или газообразном состоянии. Электроэнергию сразу после её получения необходимо направить потребителю (значимое количество электроэнергии накопить в аккумуляторах невозможно, ввиду отсутствия последних, по крайней мере, в настоящее время). Производство и потребление электроэнергии жёстко связаны между собой. Но объём потребления энергии является неравномерным в течение суток и на протяжении всего года. Это приводит к необходимости работы электрогенерирующих установок в переменном режиме, при этом неизбежно возникают сложности в эксплуатации оборудования, падает эффективность преобразования энергии.

Ещё одним преимуществом использования водорода в качестве энергоносителя является возможность более экономичного, по сравнению с электроэнергией, его транспортирования на большие расстояния, хотя здесь есть ещё немало нерешённых проблем.

Перспективность использования водорода в качестве энергоносителя определяется и рядом других его свойств, среди которых необходимо назвать следующие:


  • высокое удельное энергосодержание в расчёте на единицу массы (в три раза выше, чем у природного газа);

  • возможность использования для получения энергии имеющихся в промышленности газовых горелок и двигателей внутреннего сгорания на транспорте без серьёзных их модификаций;

  • в химической промышленности и металлургии водород может быть использован в качестве восстановителя;

  • производство его возможно несколькими способами (химическим, электрохимическим, биологическим);

  • возможна организация экономически оправданного децентрализованного производства и использования водорода.

Последнее свойство является чрезвычайно важным при решении энергетических проблем в развивающихся странах и в отдалённой сельской местности. При этом перспективным представляется организация процессов биофотолиза воды, т.е. использования механизма фотосинтеза для её разложения под действием солнечного света с получением свободных кислорода и водорода.

Одна из таких систем разработана в нашей стране, в её основе лежит культура микроскопической водоросли и термостойкой анаэробной цианобактерии. Клетки водорослей на свету в ходе фотосинтеза производят органические соединения углеводородного характера и свободный кислород. Образующиеся углеводы разлагаются ферментными системами бактерий на уксусную кислоту, этанол, углекислый газ и водород.

Таким образом, при воздействии солнечного света на эту систему непрерывно выделяется кислород и водород, т.е. происходит фоторазложение воды. Необходимо отметить, что из всех известных способов прямого преобразования солнечной энергии в топливо такой процесс наиболее близок к практическому использованию.

Применение водорода в качестве энергоносителя перспективно и с точки зрения сохранения окружающей среды: при окислении водорода в присутствии кислорода образуются только пары воды. Вода же (в частности вода мирового океана), является природным ресурсом, из которого термическим, термохимическим, электрохимическим или другими методами может быть получен водород. Особого внимания заслуживает применение высокотемпературных ядерных реакторов для централизованного производства водорода в больших масштабах.


15.3. Запасы энергетических ресурсов и их роль в современной энергетике
Весьма важное значение для судеб человечества имеет анализ имеющихся энергетических ресурсов, перспектив развития энергетики и экологических последствий её развития. Толчком к этому послужил энергетический кризис 1973-1974 гг. и обсуждение экологических последствий антропогенного влияния на биосферу в целом, которые стимулировали проведение всесторонних исследований и долгосрочных прогнозов развития энергетики. Один из таких прогнозов приведён в фундаментальной работе академика В.А. Легасова с сотрудниками института Атомной энергии им. И.В. Курчатова [38].

В долгосрочных прогнозах мирового потребления энергии принимались во внимание два варианта. В одном из них стабилизация потребностей в энергии на душу населения происходит на уровне 20 кВт (тепл.)год/чел., в другом – 10 кВт (тепл.)год/чел. Стабилизация энергопотребления, как и численности населения на Земле, взаимосвязаны и неизбежны.

Цифра 20 кВтгод/чел. представляет собой сумму двух слагаемых (рис. 15.10). Первое слагаемое равно 10 кВтгод/чел. – это наивысший уровень потребления энергии на душу населения, достигнутый в мировой энергетике в развитых странах. Ему соответствует уровень развития энергетики США. Второе слагаемое введено, чтобы учесть поправки на будущее. Поскольку ресурсы Земли ограничены, для сохранения высокого уровня жизни потребуется дополнительная энергия, чтобы повторно использовать материалы, опреснять воду, производить водород, пищевые продукты и т.д. Суммарное численное значение этой поправки оценено в 10 кВтгод/чел..

По-видимому, величина 20 кВт (тепл.)год/чел при расчёте перспективной потребности в энергии является наивысшей оценкой для уровня стабилизации удельного потребления энергии. Здесь надо иметь в виду следующее обстоятельство. Сегодня коэффициент полезного использования энергоресурсов меньше технически достижимого, а КПД энергетических установок ниже экономически оптимального. Поэтому, повысив КПД преобразования первичной энергии во вторичную (механическую, электрическую) и увеличив КПД потребления вторичной энергии (а также за счёт экономии энергии), можно обеспечить растущую потребность, оставляя уровень производства первичной энергии неизменным. С большой степенью надёжности можно утверждать, что уровень реальной стабилизации энергопотребления будет находиться в рассматриваемом диапазоне от 10 до 20 кВт (тепл.) год/чел.




Рис.15.10. Прогнозируемая величина энергопотребления на душу населения, при которой наступает стабилизация потребностей в энергии (20 кВт (тепл.)*год/чел).



Энергетика на органическом топливе. Основным источником энер­гии на современном этапе развития является органическое топливо. Структура мирового энергетического баланса представлена на рис.15.11, а сравнение ежегодных потребностей с потенциальными возможностями, на рис.15.12.

Согласно данным специальной комиссии экспертов Мировой энер­гетической конференции (МИРЭК - X) суммарные запасы органического топлива оцениваются в диапазоне от 22,7Q (разведанные месторождения) до 295Q (геологические запасы), где Q, специально введённая единица, равная 0,251018ккал = 3,351010кВт (тепл.)год.

Расчёты показывают, что только для угля (на долю которого приходится около 80% мировых запасов органического топлива) сроки исчерпания запасов превышают 300 лет, а запасы нефти и газа (при сохранении темпов их добычи) будут исчерпаны уже в этом столетии.

Сравнивая величину этих запасов с мировой потребностью в энер­гии, авторы прогноза делают логичный вывод, что истощение разведан­ных запасов органического топлива произойдет задолго до стабилизации потребления энергии. Если же ориентироваться на геологические запасы, ресурсы органического топлива будут исчерпаны примерно к моменту до­стижения стабилизации потребления энергии, около 2100 г.

Отсюда, со всей очевидностью, следует очень важный вывод: потен­циальные возможности энергетики на органическом топливе (с учётом предполагаемых потребностей в энергии на долгосрочную перспективу (3,6-7,3 Q/год) невелики. Из-за ограниченности ресурсов энергетику на органическом топливе нельзя отнести к крупномасштабному источнику, способному производить на протяжении столетий энергию в несколько Q в год. Её ресурсы позволяют покрыть потребности на ближней фазе развития и обеспечить на средней фазе переход к альтернативным источникам, спо­собным удовлетворить потребности в энергии на отдаленной фазе.


Рис. 15.11. Структура мирового энергетического баланса

(в начале ХХI века, 13 млрд. т условного топлива).


а б


Рис.15.12. Сравнение ежегодных потребностей в энергии по двум сценариям (0,76 и 0,82) (а) с потенциальными возможностями возобновляемых источников энергии (б).
Ограниченность запасов органического топлива, особенно нефти и природного газа – главная причина наблю­дающейся сегодня переориентации мирового топливно-энергетического баланса.

Уголь в отличие от нефти и природного газа еще длительное время может сохранить свое положение в энергетическом балансе, и в 2020 г его доля, очевидно, останется на сегодняшнем уровне, рав­ном 30%. Такое широкое использование угля объясняется существовани­ем относительно крупных его запасов. Однако и здесь имеются факторы, ограничивающие возможные перспективы использо­вания угля. Это – неравномерное географическое распределение запасов, большие капиталовложения и затраты времени на освоение новых место­рождений, а также риски при добыче и проблема защиты окружающей среды.



Возобновляемые источники энергии. К ним относятся: реки (гидроэнергетика), морские приливы и отливы, тепло Земли (геотермальная энергия) и Солнца (непосредственно энергия солнечной радиа­ции или энергия ветра, морских волн, тепла морей и океанов) (рис. 15.12).

В настоящее время из возобновляемых источников только гидроэнергоресурсы принимаются во внимание при разработке топливно-энергетического баланса. Однако на их долю приходится незначительная часть (примерно 1,4%) общего производства энергии в мире. Мировой технический потенциал гидроэнергоресурсов соответствует производ­ству энергии, равному 0,065Q в год, что составляет не более несколь­ких процентов в топливно-энергетическом балансе. Поэтому даже полное использование гидроэнергетических ресур­сов не позволяет покрыть сколько-нибудь значительную часть дефицита в энергии, связанного с истощением запасов нефти и природного газа. Необходимо добавить, что гидроэнергетика существенно влияет на экологическую обстановку в районе расположения ГЭС. Отсюда ясно, что гидроэнергетика в ми­ровом топливно-энергетическом балансе может играть только вспомогательную роль.

Технический потенциал таких возобновляемых источников энергии, как энергия ветра, морских приливов и отливов, морских волн (фак­тически это, в основном, аккумулированная солнечная энергия) представляется крайне незначительным в свете глобальных потребностей в энергии на перспективу. Зато большими потенциальными возможностями обладает энергетика, использующая разность температур поверхностных и глубинных слоев морей и океанов, тепло морей и океанов, и геотермальная энергетика. Потенциал геотермальной энергетики соответствует ежегод­ному производству 1Q энергии, а использование тепла морей и океанов – примерно 2Q.

Суммарный технический потенциал таких возобновляемых источников энергии, как гидроэнергия, энергия морских приливов и отливов, волн, ветра, тепловая энергия океана и недр Земли соответст­вует источнику энергии мощностью 3Q в год. Однако экологические, экономические и технические причины ограничивают этот показатель, снижая его до величины 0,1Q в год. Это означает, что перечислен­ные выше возобновляемые источники энергии не только не могут играть в будущем роль крупномасштабных источников энергии (мощность не­сколько Q в год), но даже не в состоянии покрыть намечающийся на начало столетия дефицит в топливно-энергетическом балан­се мира.



Солнечная энергетика. В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, использующей непосред­ственно солнечную радиацию, чрезвычайно велики. Общее количество солнечной энергии, проходящей через атмосферу и достигающей поверх­ности Земли, оценивается в 2000Q в год. Использование лишь 0,01% этой энергии могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% – полностью покрыть потребности и на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьёзных препятствий является здесь низкая интенсивность солнечной радиации. Даже при наилучших атмосферных условиях (в южных широтах и чистом небе) интенсивность солнечной радиации в среднем в течение года составляет не более 250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечной радиации «собрали» энергии 1Q в год, нужно разместить их на территории площадью не менее 130 тыс. км2 (рис. 15.13).

Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечёт за собой значительный расход материальных ресурсов. Простейший солнечный коллектор представляет собой зачернённый металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого распо­лагаются трубы с циркулирующей в них жидкостью.



Рис.15.13. Интенсивность солнечной радиации и площадь поверхности Земли, на которую ежегодно падает поток солнечной энергии, равный 1Q, на различных широтах. Так на экваторе интенсивность составляет 251 Вт/м2, необходимая площадь – 133 тыс. км2.

Нагретая за счет солнечной энергии, поглощённой коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление солнечных коллекторов площадью 1 км2 требу­ет примерно 10 тыс. т алюминия. Крупно­масштабное использование солнечной энергии в этом виде влечёт за собой гигант­ское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, в тру­довых ресурсах, которые должны заниматься добычей сырья, его обогащением, получением материалов, изготовлением гелиостатов, коллек­торов и другой аппаратуры, их перевозкой. Подсчёты показывают, что для производства 1 МВт (эл.)год энергии в солнечной энергетике требуется затратить от 10000 до 40000 человеко-часов. В традицион­ной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200 - 500 человеко-часов.

В настоящее время, как yжe отмечалось, происходит истощение запасов различных видов полезных ископаемых с одновременным возрас­танием стоимости их добычи и увеличивается стоимость земли. С течением времени эти проблемы будут приобретать всё большую ост­роту. Таким образом, перечисленные факторы являются серьезным барье­ром на пути развития солнечной энергетики в ка­честве крупномасштабного источника энергии мощностью Q в год.

Наконец, широко бытующее утверждение об экологической «чис­тоте» солнечной энергетики недостаточно обосновано. Сама энергия да. Но для того чтобы её уловить, и трансформировать в удобную для потребления форму, нужны соответствующие устройства, а это материалы. В процессе добычи сырья и получения этих материалов для изготовления необходимых устройств будет происходить существенное загрязнение окружающей среды.



Ядерная энергетика и её ресурсы. Итак, детальный учет всех рассмотренных выше факторов позволил экспертам МИРЭК-Х сделать вывод, что к 2020 г доля возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе может составить около 13%.

Теперь оценим, какими ресурсами располагает ядерная энерге­тика. Естественно, что в первую очередь необходимо оценить запасы урана, поскольку ядерная энергетика сегодняшнего дня развивается только за счёт строительства АЭС с реакторами, в которых осущест­вляется цепная ядерная реакция.

Для урана характерна довольно большая распространённость: его среднее содержание в литосфере составляет примерно 310-4 мас.%. Однако экономически выгодно разрабатывать месторождения, содержа­щие не менее 0,1% урана. Стоимость добычи урана из таких месторож­дений составляет 80 долл. за 1 кг урана. Таким образом, к извле­каемым относятся запасы, в 1000 раз более богатые ураном, чем его среднее содержание. По данным, приведенным на Генеральной конференции МАГАТЭ в 1980 г, запасы урана со стоимостью извлечения до 80 долл./кг составляют 3330 тыс. т. Величина этих запасов в энергетическом эквиваленте зависит от типа ядерного реактора, в котором будет использоваться урановое топливо. В настоящее время ядерная энергетика базируется на строительстве АЭС с реакторами на тепловых нейтронах. К сожалению, эти реакторы характеризуются крайне неэффективным использованием запасов природного урана.

Реакторы на тепловых нейтронах "сжигают" 1,5% природного урана. Поскольку в процессе деления 1 кг урана выделяется 18,8 млрд. ккал, то в реакторах на тепловых нейтронах 1 т природного урана позволяет получить 282 млрд. ккал, что составляет примерно 11,210-7Q. Следовательно, запасы со стоимостью извлечения до 80 долл./кг (по современным представлениям экономически эффективные) соответствуют энергоисточнику емкостью 3,7Q.

Однако, согласно расчетам, в лучшем случае можно надеяться, что величина этих ресурсов в энергетическом эквиваленте возрастёт лишь до 20Q. Это означает, что при планируемых темпах развития ядерной энергетики достоверные запасы будут исчерпаны уже к концу столетия.

Таким образом, ядерная энергетика с реакторами на тепловых нейтронах при указанных ресурсах топлива в принципе не может обес­печить создание крупной мировой энергетики. Выход из этого положе­ния можно найти на пути использования АЭС с реакторами-размножителями. С их внедрением эффективное использование природного урана мо­жет достигнуть 30-40%. Очевидно, что в этом случае, не повышая стоимости производства энергии, можно будет использовать ресурсы урана со стоимостью извлечения, существенно превышающей 80 долл. за кг. При использовании реакторов-размножителей экономически выгод­но разрабатывать месторождения бедных урановых руд, содержащих всего лишь 0,06% природного урана, не имеющих сегодня практического значения. Стоимость их извлечения составляет примерно 295 долл. за 1 кг урана. Возможно, в перспективе окажется выгодно использо­вать уран, содержащийся в морской воде и кристаллических породах. Не следует забывать и о запасах тория. По имеющимся данным, мировые ресурсы тория ниже, чем урана, однако надо иметь в виду, что они изучены гораздо хуже.

Согласно последним данным, характеризующим запасы урана при его использовании в реакторах на тепловых нейтронах и в реакторах-размножителях (табл. 15.3), следует, что широкое применение АЭС с реакторами-размножителями может решить проблему развития энергетики (с точки зрения обеспеченности энергоресурсами) в те­чение многих столетий без каких-либо топливных ограничений.

В ресурсы ядерной энергетики, кроме урана, входят также запасы дейтерия и трития. Термоядерная энерге­тика, основанная на синтезе ядер дейтерия или ядер дейтерия и три­тия, многократно расширяют сырьевую базу ядерной энергетики. В термоядерной реакции D - Т условно лимитирующим фактором оказы­ваются ресурсы не дейтерия, а лития. Дело в том, что трития в при­роде практически нет. Его получают искусственно, облучая ядра лития нейтронами. Это можно осуществить в самом термоядерном реакторе, окружив его специальной оболочкой из лития и воспользовавшись потоком нейтронов, возникающих при протекании в термоядерном реакторе реакции синтеза ядер дейтерия и трития. Литий лимитирует развитие энергетики услов­но, поскольку его ресурсов достаточно, чтобы обеспечить потребности на многие столетия. Переход же к термоядерной энергетике на основе синтеза только ядер дейтерия открывает неограниченные возможности для производства энергии.

Итак, ядерная энергетика хорошо обеспечена ресурсами. Однако вывод о необходимости развития того или иного источника энергии должен базироваться не только на основе соображений о его ресурсах. Здесь также нужно учитывать экономичность способа производ­ства энергии, его технические возможности и степень воздействия на окружающую среду и население.

Как показал анализ, ядерная энергетика и по этим показателям обладает преимуществами перед другими источниками энергии. Так, с экономической точки зрения, ядерная энергетика уже сейчас имеет пре­имущество перед энергетикой на органическом топливе и других источниках энергии. Далее, ядерная энергетика по своим техническим возможностям может в той или иной форме удовлетворить все энергетические потребности топливно-энергетического баланса.

При приближенном подсчете выясняется, что потребности в энергии распределяются ориентировочно следующим образом: ~25% – на производство электроэнергии, ~25% – на отопление жилых домов и других зданий, ~25% – на промышленные цели и ~25% – на транспорт. До настоящего времени генеральным направлением применения ядерной энергии было производ­ство с её помощью электроэнергии на АЭС. Следовательно, даже если все сегодняшние электростанции перевести на ядерное горючее, то потребление органического топлива уменьшилось бы не более, чем на 25%. Однако технические возможности ядерной энергетики позволяют использовать её и для отопления, и в промышленности.

Ядерной энергетике, подобно другим видам промышленной деяте­льности, присущи и вредные факторы, потенциально опасные для человека. Наибольшую потенциальную опасность представляет радиоактивное заг­рязнение. Однако, с самого начала развития ядерной энергетики, её предприятия проектировались таким образом, чтобы не допустить опасного выброса радиоактивных веществ в окружающую среду и чтобы обеспечить максимальную безопасность обслуживающего персонала. Ситуация с Чернобылем подорвала доверие к атомной энергетике, но в настоящее время приняты новые перспективные программы развития этой отрасли с учётом экологической составляющей.. Накопленная информация об уровнях радиационного воздействия, об индивидуальных и коллективных дозах облучения персонала предприятий и населения вблизи предприятий ядерного топливного цикла подтверждает, что биосфера достаточно надёжно защищена от радиационного воздействия предприятий ядерной энергетики. Из всех известных на сегодня способов производства энергии ядерная энергетика является минимально опас­ной.

Человек всегда подвергался воздействию ионизирующей радиации различных внеш­них или внутренних естественных источников. Это космические и гамма-лучи, радон и другие вещества, выделяемые горными породами и строительными материалами, природные радиоактивные вещества, попадающие в организм. На рис. 15.14 показана доля атомной энергетики в годовой дозе облучения населения Великобритании, которая составляет всего 0,1%.

Многолетний опыт эксплуатации АЭС и исследовательских реакторов в нашей стране показывает, что в результате тщательно выполнен­ных мероприятий по совершенствованию конструкции ядерных реакторов, систем очистки газоаэрозольных выбросов и жидких отходов, хорошо продуманной системы контроля и при научном подходе к вопросам защиты окружающей среды атомная энергетика не только не увеличивает заг­рязнения биосферы, но и способствует её оздоровлению. АЭС не требу­ет кислорода для сжигания топлива и не выбрасывает оксидов углерода, не загрязняет воздушный бассейн оксидами серы, азота, тяжёлыми ме­таллами, фенолами и канцерогенными веществами, летучей золой и дру­гими вредными компонентами. Выбросы радиоактивных веществ от АЭС в расчёте на единицу электрической мощности на порядок ниже выбросов есте­ственных радиопродуктов, содержащихся в органическом топливе (например, в угле) ТЭС.

Таблица 15.3

Мировые ресурсы ядерной энергетики




Принцип производства энергии


Вид ресурса

Ресурсы в энергетическом эквива­ленте, равном Q

Реакторы на тепловых нейтронах


Уран при затратах на извлечение до 130 долл./кг


40

Реакторы-размножители


Уран при затратах на извлечение:

до 130 долл. / кг

до 295 долл. / кг

уран в океане

уран в земной коре на глубине до 500 м

1000


2500

340000


670000

Термоядерные реакторы

Литий (как источник трития) при затратах на извлечение до 60 долл./кг природного лития

литий в океане

дейтерий в океане


1900


2750000

4000000000





Рис.15.14. Средняя доза облучения населения Великобритании


Развитие атомной, а в дальнейшем термоядерной и других перспективных альтернативных направлений развития энергетики – прекрасная долгосрочная перспектива, но анализ показывает (рис.15.15), что в ближайшие десятилетия основным источником энергоресурсов будет по прежнему органическое топливо. Это необходимо учитывать при разработке перспективных планов решения экологических проблем.

Рис. 15.15 Эволюция структуры потребления энергоресурсов в России.



15.4. Энергоёмкость экономики и энергосбережение
За годы реформ в России в связи со спадом производства, объём которого в 1998 г. составил менее половины от уровня 1990 г. и до сих пор не восстановился, добыча энергоресурсов и выработка электроэнергии снизилась до 70% от уровня 1990 г.

Потребление электроэнергии в коммунально-бытовом секторе не только не сократилось, но и несколько возросло. В тоже время энергоёмкость экономики в России возросла на 22% и стала в 2,5-3 раза выше, чем в индустриально развитых странах. На единицу промышленной продукции в России затрачивается в 3 раза больше энергии, чем в странах западной Европы и в 2 раза больше, чем в США.

Энергоёмкость социальных расходов в различных странах (включая Россию) представлена в табл. 15.4.

Таблица 15.4

Энергоёмкость социальных расходов


Страна

Социальные расходы (капитал) на душу населения,

тыс. долл./чел. в год



ВВП на душу населения,

тыс. долл./чел. в год



Душевое энерго-потребление,

т условного топлива/чел. в год



Энергоёмкость социальных расходов,

т условного топлива/1 тыс. долл.



Франция

Израиль


Финляндия

США


Индия

Болгария


Россия

7,6

3,0


5,0

3,0


0,06

0,5


0,3

21,6

12,7


23,7

22,6


0,6

2,0


4,0

6,4

4,4


8,9

12,4


0,25

3,9


6,2

0,84

1,46


1,78

4,13


4,17

7,80


20,70

Всё это свидетельствует о нашем крайнем энергорасточительстве. А по имеющимся оценкам затраты на энергосберегающие мероприятия в 1,5-3 раза ниже, чем на развитие, например, газодобывающих и транспортных мощностей, не считая экологического эффекта. Потенциал только газосбережения оценивается примерно в ¼ часть от всего объёма расходуемого в России газа.

Повышение эффективности использования энергии, наряду с использованием альтернативных источников энергии, получило бурное развитие в индустриально развитых странах. Повышение эффективности использования энергии означает производство тех же самых энергетических услуг, включая освещение, обогрев и охлаждение помещений, пассажирские и грузовые перевозки, водоснабжение, работу различных двигателей, но с гораздо меньшими затратами. Оно обеспечивает такой же или более высокий уровень жизни с меньшими издержками. Одновременно снижается уровень загрязнения окружающей среды. Повышение эффективности использования энергии невозможно без анализа процессов трансформации энергии.



Анализ процессов трансформации энергии. Один из основополагающих законов природы – закон сохранения энергии устанавливает закономерности взаимной трансформации всех видов энергии. Согласно установившейся трактовке этого закона энергия не может быть уничтожена или получена из ничего, она может лишь пере­ходить из одного вида в другой. Но это вовсе не означает, что любой вид энергии может быть переведён в другой полностью. Это утверждение справедливо лишь в случае перевода любого вида энергии в тепловую энергию. Процесс обратной трансформации тепловой энергии в другие виды энергии не всегда возможен и, если происходит, то в любом слу­чае не полностью.

Тепловая энергия занимает особое положение среди других видов энергии. Дело в том, что тепловая энергия – результат неупорядоченного движения молекул и атомов вещества, в то время как другие виды энергии – результат упорядоченного движения. Безусловно, тепловая энергия, как все виды энергии, подчиняется закону сохранения энергии. Но, как и в жизни, порядок просто превратить в хаос, а сделать наоборот гораздо труднее, так и в случае превращения неупорядоченного движения в упорядоченное.

Существует принципиальная разница в понятиях арифметического эквивалента различных видов энергии и способности различных видов энергии переходить друг в друга. С арифметическим эквива­лентом энергии дело обстоит сравнительно просто, так как все виды энергии могут быть выражены в одних и тех же единицах.

Однако, это вовсе не означает, что, например, из 1 ккал световой энергии может быть получен 1,16 кВтч электрической энергии (эквивалент 1 ккал). На первом этапе этого процесса в резуль­тате процессов фотосинтеза в химическую энергию перейдет только 1% солнечной энергии. На следующем этапе, в процессе добычи ископаемого топлива (угля), будет неизбежно «потеряно» примерно 50% оставшейся энергии. В даль­нейшем, при преобразовании химической энергии в тепловую, механи­ческую и электрическую энергию будет потеряно еще около 70% энер­гии. Таким образом, в результате этой цепочки преобразования энергии из 1,16 кВтч световой энергии может быть получено лишь 0,5810-3 кВтч электроэнергии. Или, если подойти к этому превращению с другой стороны, для получения 1 кВтч электрической энергии потребуется в 2000 раз больше кВтч солнечной энергии. Приведенные в табл. 15.5 данные об эффективности преобразования наиболее распространённых видов энергии позволяют оценить, насколько рационально используются энергетические ресурсы при получении энергии.

Рассмотрим конкретный пример. Необходимо рассчитать количество природного газа, для нагрева 1м3 воды от 0оС до 100оС в случае, если нагрев осуществляется электронагревателем (КПД 98%) и газовой горелкой (КПД 62%).

Решение: для нагрева 1 м3 воды от 0оС до 100оС необходимо затратить:
Qт = VoC Т= 1000 1 100 = 105 ккал,
где Qт – количество тепловой энергии (ккал); Vо – объём воды (м3); С – теплоёмкость воды равная 1 ккал/(моль град.); Т – разность температур.

Таблица15.5

Эффективность преобразования различных видов энергии


Вид преобразования энергии

Аппаратурное оформление

Эффективность преобразования (КПД), %

Химическая – тепловая

Дровяные плиты

Бытовой мазутный отопитель

Бытовой газовый отопитель

Промышленный паровой котёл



5-10

65

85



88

Химическая – тепловая – механическая

Паровоз

Автомобиль

Газовая турбина

Паровая турбина на ТЭС

Дизельный двигатель

Ракетный двигатель



8

25

34



37

38

47



Механическая – электрическая

Водяная электростанция

Ветрянная электростанция

Электрогенератор


30

30-40 (теоретически 50)

до 98 наиболее часто 75-95


Электрическая – механическая

Бытовые электроприборы

Промышленные электромоторы



62

92


Световая – электрическая

Солнечные батареи

10 - 30


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал