экологические проблемы энергетики
Рост энергопотребления Общее мировое потребление энергии в 2007 г. составило 495 квадриллионов Б. Т. Е. (британских тепловых единиц, 10005). За период с 1990 по 2007 мировое потребление электроэнергии увеличилось на 40%. Согласно прогнозам Информационного энергетического агентства, с 2007 г. по 2035 г. энергопотребление увеличится еще наполовину и составит 739 БТЕ.
Основные потребители энергии в мире Основными потребителями электроэнергии являются США, Китай, Россия и Индия. На долю США в мировой энергетике приходится пятая часть от общего энергопотребления (21%), 16% - доля Китая, 6% у России, 5% - у Индии. Прогнозируется, что в будущем состав лидеров существенно не изменится (общее потребление энергии названными странами 48%).
Ключевые факторы роста потребления и цен на энергию
Альтернативные источники энергии Ухудшение качества окружающей среды, истощение невозобновимых природных ресурсов, повышение энергоэффективности определили постепенное увеличение доли альтернативных или так называемых «чистых» источников энергии. К ним относится солнечная, ветровая, гидротермальная, приливная и другие источники энергии. Тенденцию к развитию альтернативных источников энергии формируют международные соглашения и акты; так среди основных целей развития тысячелетия ООН – обеспечение экологической устойчивости. Задачи: включить принципы экологически рационального развития в национальные стратегии и программы, обратить вспять процесс утраты природных ресурсов.
Государственная поддержка альтернативной энергетики На рынке альтернативной энергетики доминируют компании из США, Европы, Китая и Японии большей частью из-за того, что правительства этих стран оказали серьёзную поддержку этой индустрии. Таким образом, будущее возобновляемой энергетики всецело зависит от сильной государственной поддержки – это льготные тарифы, налоговые льготы, квоты на доли рынка. По оценкам EIA, государственная поддержка возобновляемой энергетики и биотоплива в 2009 году в мире в сумме составила $57 млрд. , из которых $37 млрд. ушли на разработки. К 2035 году суммарная поддержка вырастет до $205 млрд. (в ценах 2009 г. ) или 0, 17% мирового ВВП, из них 63% - на возобновляемую энергетику и 37% - на биотоплива.
Альтернативная энергетика По данным аналитиков AS MARKETING (ООО Академия Сервис), объём рынка основных технологий альтернативной энергетики в 2018 году, по сравнению с 2008 г. увеличится почти в 3 раза (при этом рост составит 64%). Рост рынка солнечной энергетики составит 63%, ветровой – 63%, биотоплива – 67%.
Динамика и прогноз развития основных технологий альтернативной энергетики до 2018 г. , МВт
Структура российской энергетики Характерные черты российской экономики – низкий технологический уровень и крайне расточительный образ жизни населения и бизнеса. Как следствие – высокая энерго- и ресурсозатратность. Основу современной энергетики России составляют: • Тепловые электростанции 67% • Гидроэлектростанции 15% • Атомные электростанции 17% • ВИЭ (возобновляемые <1% • источники энергии)
Структура российской альтернативной энергетики Структура энергопотребления в России в корне отличается от общей мировой структуры потребления. В России активно внедряются технологии Био ТЭС (62% против общемирового уровня в 12%) и Малых ГЭС (33%, против 6%). При этом почти совсем не развиваются направления ветро – и солнечной энергетики
Структура использования ВИЭ в России и в мире, %
Солнечная энергетика • Одним из направлений альтернативной энергетики является солнечная энергетика. Солнечная энергетика – отрасль, связанная с получением электрической и тепловой энергии из солнечного излучения. Фотовольтаика (PV) – электроэнергия, полученная от света. • Согласно мировым тенденциям, в среднем, с 2000 года, ежегодная динамика прироста мощностей солнечных модулей составляет 37%, при этом в период с 2006 по 2009 гг. этот показатель вырос более чем в три раза
Динамика суммарных установленных мощностей солнечных модулей по регионам мира, 2001 -2009 гг. (в мегаваттах)
Контрольные вопросы 1. Причины роста энергопотребления в мире. 2. Основные страны-потребители энергии. 3. Структура энергопотребления в России. 4. Альтернативные источники энергии. 5. Роль ВИЭ-энергетики в России и в мире. 6. Динамика и перспективы альтернативной энергетики.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ
Экологические проблемы энергетики Не существует способов получения электроэнергии, не сопряженных с риском возможного вреда окружающей среде и человеку. 16
Основные особенности тепловые электростанций Тепловые электростанции (ТЭС) появились в конце 19 -ого века почти одновременно в России, США и Германии, а вскоре и в других странах. Первая центральная электрическая станция была введена в эксплуатацию в Нью. Йорке в 1882 году для осветительных целей. Первая крупная тепловая электростанция с паровыми турбинами вступила в строй в 1906 году в Москве. Сегодня ни один более или менее крупный город не обходится без собственных электростанций. Тепловая электростанция – сложное и обширное хозяйство, порой она занимает территорию в 70 га, помимо главного корпуса, где размещаются энергоблоки, здесь располагаются различные вспомогательные производственные установки и сооружения, электрические распределительные устройства, лаборатории, мастерские, склады и т. д. Генераторы тепловых электростанций вырабатывают ток напряжением в десятки киловольт. Мощность теплоэлектростанций сегодня достигает сотен МВт. В США существует ТЭС мощностью 1, 2 -1, 5 млн. к. Вт и более. В нашей стране от них поступает к потребителям наибольшая часть получаемой электроэнергии (69%). Особый вид тепловых электростанций – теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Эти предприятия производят энергию и тепло одновременно, поэтому коэффициент полезного действия используемого топлива у них достигает 70%, а у обычных тепловых электростанций лишь 3035%. ТЭЦ всегда размещают вблизи потребителей – в крупных городах, так как передавать тепло (пар, горячую воду) без больших потерь можно максимум на 15 -20 километров.
Тепловая электростанция, работающая на угле
Парогазотурбинная электростанция, работающая на газе
Размещение электростанций зависит от двух основных факторов – топливно-энергетических ресурсов и потребителей энергии, поэтому тепловые электростанции размещаются в районах топливных баз при наличии малокалорийного топлива – его не выгодно далеко перевозить. Например, Канско. Ачинский уголь использует Берёзовская ГРЭС-1 (ГРЭС – государственная районная электростанция). На попутном нефтяном газе работают две Сургутские электростанции. Если же электростанции используют высококалорийное топливо, которое выдерживает дальние перевозки (природный газ), они строятся ближе к местам потребления электроэнергии.
Влияние на окружающую среду Тепловая энергетика оказывает огромное влияние на окружающую среду, загрязняет воду и атмосферный воздух. Самая грязная и экологически опасная – угольная электростанция. При мощности в 1 млрд. Вт она ежегодно выбрасывает в атмосферу 36, 5 млрд. куб. метров горячих газов, содержащих пыль, вредные вещества и 100 млн. куб. метров пара. В отходы идут 50 млн. куб. метров сточных вод, в которых содержится 82 тонны серной кислоты, 26 тонн хлоридов, 41 тонна фосфатов и 500 тонн твёрдой извести. Ко всем этим выбросам необходимо добавить углекислый газ – результат сгорания угля. Наконец, остаётся 360 тысяч тонн золы, которую приходится складировать. В целом для работы угольной электростанции ежегодно требуется 1 млн. тонн угля, 150 млн. кубических метров воды и 30 млрд. кубических метров воздуха. Если учесть, что такие электростанции работают десятилетиями, то их воздействие на окружающую среду можно сравнить с вулканической деятельностью.
Загрязнение окружающей среды тепловыми электростанциями Показатель Франция Швеция Япония Германия Великобритания США Россия На душу населения, т Диоксид углерода 5. 6 6. 74 1. 5 1. 8 1. 28 2. 56 0. 7 Оксид серы, SO 2 0, 13 0, 16 0, 04 0, 02 0, 06 0, 01 Оксид азота, NOx 0, 08 0, 1 0, 02 0, 03 0, 005 Зола 0, 42 0, 4 0, 13 0, 12 0, 17 0, 06 Шлаки 0, 08 0, 02 0, 03 0, 01 CO 2 Зола, не улавливаемая 0, 004 0, 001 0, 0006 0, 001 фильтрами Высвобождённые радионуклиды, Ки 13, 7 15, 1 3, 4 3, 9 2, 8 5, 8 1, 75
Влияние на окружающую среду Каждый крупный город имеет несколько подобных «вулканов» . Например, энергией и теплом Москву обеспечивает 15 теплоэлектроцентралей. В течение 20 -ого века тепловые электростанции существенно повысили концентрацию ряда газов в атмосфере. Так, концентрация углекислого газа выросла на 25% и продолжает ежегодно увеличиваться на 0, 5%, вдвое выросла концентрация метана и увеличивается на 0, 9% в год, постоянно растут концентрации оксидов азота и двуокиси серы. Насыщенный парами воздух разъедает здания и сооружения, ранее устойчивые соединения становятся неустойчивыми, нерастворимые вещества переходят в растворимые и т. д. Избыточное поступление питательных веществ в водоёмы ведёт к их ускоренному «старению» , заболевают леса, повышается уровень напряжения электромагнитных полей. Всё это чрезвычайно негативно сказывается на здоровье людей, риск преждевременной смерти увеличивается. Кроме того, повышенное содержание углекислого газа и метана в атмосфере является одной из причин возникновения парникового эффекта.
Плюсы и минусы теплоэнергетики Плюсы • • • низкая стоимость произведенной энергии (по сравнению с гелио- и ветроэнергетикой, но более высокой по сравнению с ГЭС); быстрая окупаемость занимает сравнительно небольшую территорию; работает на различных ископаемых видах топлива (торф, каменный уголь, горючие сланцы, мазут, природный газ и т. д. ), а также на юиотопливе; Использование воды для обогрева зданий (ТЭЦ); Сравнительно высокий КПД на (ТЭЦ до 70 %, на ТЭС до 35%). Минусы • • кроме топлива требуется большое количество воды; образуется большое количество отходов в виде золы, пара, загрязненных вод и газов; зола нередко обладает значительной радиоактивностью; в атмосферу выделяется большое количество углекислого газа; вблизи ТЭС происходит гибель растений; тепловое загрязнение города: Привязанность к потребители электроэнергии или источнику топлива.
Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Понятие тепловой электростанции. КПД тепловых электростанций (ТЭС и ТЭЦ). Основные типы ТЭС. Расположение ТЭС. Значение теплоэнергетики в России и мире. Плюсы и минусы тепловых электростанций. Влияние тепловых электростанций на окружающую среду.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ Экологические проблемы ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ гидроэнергетики
Гидроэлектростанция Гидроэлектроста нция (ГЭС) — электростанция, использующая в качестве источника энергии энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.
Принципы работы ГЭС Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.
Схема гидроэлектростанции
Типы гидроэлектростанций • Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности: • мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше; • средние — до 25 МВт; • малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.
Типы гидроэлектростанций Русловые и приплотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое. Плотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС. Деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида — безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище — такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.
Типы гидроэлектростанций Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины. В состав гидроэлектрических станций, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.
Потребление электроэнергии в ТВт·ч, полученной на гидроэлектростанциях № Страна Потребление гидроэнергии в ТВт. ч 1. Китай 585 2. Канада 369 3. Бразилия 364 4. США 251 5. Россия 167 6. Норвегия 140 7. Индия 116 8. Венесуэла 87 9. Япония 69 10. Швеция 66 11. Франция 63
Роль гидроэнергетики в мировом потреблении электроэнергии На 2006 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 88 % возобновляемой и до 20 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 777 ГВт. Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на душу населения является Исландия. Кроме неё этот показатель наиболее высок в Норвегия (доля ГЭС в суммарной выработке — 98 %), Канаде и Швеции. В Парагвае 100 % производимой энергии вырабатывается на гидроэлектростанциях.
Гидроэлектростанции России По состоянию на 2009 год в России имеется 15 гидроэлектростанций свыше 1000 МВт (действующих, достраиваемых или находящихся в замороженном строительстве) и более сотни гидроэлектростанций меньшей мощности.
Крупнейшие гидроэлектростанции России № Название 1. Саяно. Шушенская 2. Красноярская 3. Мощность, Срднегодовая ГВт выработка, млрд. квт. час Собственник Расположение 6, 40 23, 5 ОАО Рус. Гидро р. Енисей, г. Саяногорск 6 20, 4 ОАО Красноярская ГЭС р. Енисей, г. Дивногорск Братская 4, 52 22, 6 ОАО Иркутскэнерго РФФИ р. Ангара, г. Братск 4. Усть-Ильимская 3, 84 21, 7 ОАО Иркутскэнерго РФФИ р. Ангара, г. Усть-Ильимск 5. Богучанская 3 17, 6 ОАО Богучанская ГЭС, ОАО Рус. Гидро Р. Ангара, г. Кодинск 6. Волжская 2, 55 12, 3 ОАО Рус. Гидро р. Волга, г. Волжский 7. Жигулевская 2, 32 10, 5 ОАО Рус. Гидро р. Волга, г. Жигулевск 8. Бурейская 1, 96 7, 1 ОАО Рус. Гидро р. Бурея, пос. Тапакан 9. Чебоксарская 1, 40 3, 31 ОАО Рус. Гидро р. Волга, г. Новочебоксарск 10. Саратовская 1, 27 5, 35 ОАО Рус. Гидро р. Волга, г. Балаково 11. Зейская 1, 33 4, 91 ОАО Рус. Гидро р. Зея, г. Зея 12. Нижнекамская 1, 25 2, 67 ОАО Генерирующая компания, ОАО Татэнерго р. Кама, г. Набережные Челны 13. Загорская 1, 2 1, 95 ОАО Рус. Гидро р. Кунья, пос. Богородское 14. Воткинская 1, 02 2, 6 ОАО Рус. Гидро р. Кама, г. Чайковский 15. Чиркейская 1 2, 47 ОАО Рус. Гидро р. Сулак, п. Дубки
Крупнейшие ГЭС в мире Наименование Три ущелья Мощность, ГВт 22, 40 Среднегодовая выработка, Собственник Расположение - р. Янцзы, г. Сандоупин, (Китай) Итайпу- р. Парана, г. Фос-ду-Игуау Бинасионал (Бразилия/Парагвай) - р. Карони (Венесуэла) млрд к. Вт·ч 100, 00 Итайпу 14, 00 100, 00 Гури 10, 30 40, 00 Черчилл-Фолс 5, 43 35, 00 Тукуруи 8, 30 21, 00 Newfoundland Labrador Hydro Eletrobrás р. Черчилл, (Канада) р. Токантинс, (Бразилия)
Экономические плюсы и минусы гидроэлектростанций минусы плюсы • • • Себестоимость электроэнергии на российских ГЭС более чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях. Турбины ГЭС допускают работу во всех режимах от нулевой до максимальной мощности и позволяют быстро изменять мощность при необходимости, выступая в качестве регулятора выработки электроэнергии. Водохранилища ГЭС улучшают судоходство за счет спрямления и углубления фарватера. Водохранилища используют как источник воды для коммунального, промышленного водоснабжения, орошения и рекреации населения работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции. • • Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое, чем тепловых станций Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей, чем тепловые станции требуют применения шлюзов для перевода судов с одного бьефа на другой В зону затопления могут попадать населенные пункты, памятники архитектуры, сельхозугодья, леса переселение людей из зоны затопления, строительство для них жилья и создание рабочих мест на горных реках ГЭС опасны из-за высокой сейсмичности районов строительство ведется только там, где есть большие запасы энергии воды
Экологические плюсы и минусы гидроэлектростанций минусы плюсы • сток реки является возобновимым источником энергии; благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище; водохранилища делают климат более умеренным; • возникают хорошие условия жизни для ряда видов гидробионтов; • выравнивают сток воды во времени (половодья становятся меньше). • • водохранилища часто занимают значительные территории, но примерно с 196 3 г. начали использоваться защитные сооружения (Киевская ГЭС), которые ограничивали площадь водохранилища, и, как следствие, ограничивали площадь затопляемой поверхности (поля, луга, поселки); Плотины перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам; повышают уровень грунтовых вод; изменяют характер береговой линии; затопляются местообитания животных; создают благоприятные условия для размножения промежуточных хозяев опасных заболеваний человека (моллюсков – переносчиков шистосом после строительства Асуанской плотины на Ниле); затопление водохранилища провоцирует мелкие землетрясения; заливные луга в нижнем бьефе плотины превращаются в менее продуктивные суходольные.
Безопасность (крупнейшие аварии и происшествия на гидроэлектростанциях) • Крупнейшей аварией за всю историю ГЭС является прорыв плотины китайского водохранилища Баньцяо на реке Жухэ в провинции Хэнань в 1975 году. Число погибших более 170 000 человек, пострадало 11 млн. (Banqiao Dam) • 17 мая 1943 г. — подрыв британскими войсками во время проведения операции Chastise плотин на реках Мене (водохранилище Менезее) и Эдер (водохранилище Эдерзее), повлекшие за собой гибель 1268 человек, в том числе около 700 советских военнопленных. • 9 октября 1963 г. - Пасни. В результате было затоплено несколько деревень, более 135 человек погибли. • 5 октября 2007 г. на реке Чу во вьетнамской провинции Тханьхоа после резкого подъема уровня воды прорвало плотину строящейся ГЭС Кыадат. В зоне затопления оказалось около 5 тысяч домов, 35 человек погибли. • 17 августа 2009 г. — крупная авария на Саяно-Шушенской ГЭС (Саяно. Шушенская ГЭС — самая мощная электростанция России). В результате аварии погибло 75 человек, оборудованию и помещениям станции был нанесён серьёзный ущерб.
Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Понятие гидроэлектростанции. Стоимость электроэнергии. Продолжительность строительства и окупаемость ГЭС. Типы гидроэлектростанций. Расположение ГЭС. Влияние ГЭС на окружающую среду. Плюсы и минусы ГЭС. Роль малых ГЭС в энергетике России.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
"У нас нет времени экспериментировать с призрачными источниками энергии, цивилизация в опасности, и нам нужно сейчас использовать ядерную энергию – единственный безопасный и доступный источник энергии, или страдать от боли, которую уже в скором времени нам причинит оскорбленная планета". Профессор Джеймс Лавлок, основатель международного «зеленого» движения, 2004 г. 43
Какая электростанция характеризуется большим удельным выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду: атомная или угольная? На единицу произведенной электроэнергии больший в 5– 10 раз выброс радиоактивных веществ в окружающую среду дает угольная станция В 1 т золы ТЭС содержится до 100 г радиоактивных веществ - торий, два долгоживущих изотопа урана продукты их распада (радий, радон и полоний), а также долгоживущий радиоактивный изотоп калия – калий-40 Угли Кузбасса, как правило, имеют небольшие концентрации урана, при относительно высоких концентрациях тория, Вместе с тем, на отдельных угольных предприятиях Кемеровской области, например на Итатском угольном разрезе, содержание естественных радионуклидов в значительной части добываемых углей достигает 1000 Бк/кг и более 44
Содержания радионуклидов в дымовых выбросах ТЭС Дымовые выбросы ТЭС в атмосферу содержат при зольности угля 10 % за год и мощности 1 ГВт с коэффициентом очистки выбросов 0, 975: 40 K – 4, 0 ГБк, 238 U и 226 Ra – по 1, 5 ГБк, 210 Pb и 210 Pо – по 5, 0 ГБк, 232 Th – 1, 5 ГБк; в действительности зольность угля колеблется от 10 до 45 % (в зависимости от месторождения), поэтому ТЭС дают более высокое значение выбросов ЕРН (естественных радионуклидов) 45
Концентрации ЕРН в углях Кузбасса • Угли Кузбасса имеют, как правило, небольшие концентрации урана при относительно высоких концентрациях тория • на отдельных предприятиях Кемеровской области, например на Итатском угольном разрезе, содержание ЕРН (естественных радионуклидов) достигает 1000 Бк/кг угля и более 46
Индивидуальная максимальная ожидаемая доза, м. Зв/год от выбросов в атмосферу электростанций мощностью 1000 МВт (эл) Орган ТЭС АЭС (с ВВЭР) Контрольные уровни Все тело 0, 019 0, 018 0, 05 Кости 0, 182 0, 027 0, 15 Легкие 0, 019 0, 012 0, 15 Щитовидная железа 0, 019 0, 038 0, 15 Почки 0, 034 0, 013 0, 15 Печень 0, 024 0, 013 0, 15 Селезенка 0, 027 0, 011 0, 15 47
Радиация как источник производственного травматизма и смертности в промышленности • По данным Института биофизики за 43 года (1950 -1992 г. ) зарегистрировано 132 случая нештатных радиационных ситуаций, в которые было вовлечено 875 человек • За 43 года (с 1958 по 2000 г. ) на угольных шахтах бывшего СССР пострадали 2117 475 человек, из которых 31 988 стали инвалидами труда и 28 792 — погибли 48
Несчастные случаи на производстве и в быту • От прочих несчастных случаев в быту и на производстве , не говоря о транспортных авариях, за тот же период погибли миллионы людей • За 12 месяцев 2006 года в стране зарегистрировано 229 140 ДТП, в которых погибли 32 724 и получили ранения 285 362 человека 49
НЕРАДИАЦИОННЫЕ ТОКСИЧНЫЕ ВЫБРОСЫ ТЭС • двуокись углерода; • токсичные газы (оксиды углерода, серы, азота и ванадия); • канцерогены (бензапирен и формальдегид); • пары соляной и плавиковой кислот; • токсичные металлы (мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, таллий, хром, натрий, никель, ванадий, бор, медь, железо, марганец, молибден, селен, цинк, сурьма, кобальт, бериллий) 50
Годовые выбросы от угольной ТЭС мощностью 1000 МВт • • • 7 млн. т в год углекислого газа (19 тыс. т в сутки); 50 -100 тыс. т в год окислов серы; 25 тыс. т в год окислов азота; 20 тыс. т в год твердых частиц; 400 т в год токсичных металлов: суточный выброс золы в атмосферу составляет 35 - 55 т, и при высоте трубы 150– 200 м радиус загрязненной территории равен примерно 50 км 51
Проблема парниковых газов и дефицита кислорода Выброс углекислого газа • При сжигании 1 тонны угля (условного топлива) -2, 76 т углекислого газа. • При сжигании 1 тонны природного газа - 1, 62 т углекислого газа. • Всего 7 млн. т в год углекислого газа на 1 ГВт в год (19 тыс. т в сутки) 52
Проблема парниковых газов и дефицита кислорода Потребление кислорода • При сжигании 1 тонны угля (условного топлива) - 2, 3 т кислорода • при сжигании 1 тонны природного газа - 2, 35 т кислорода • Ежегодное потребление кислорода ТЭС России составляет более 500 млн. т 53
Растения могут не справится с поглощением СО 2 антропогенного происхождения, уже не смогут обеспечивать необходимого воспроизводства атмосферного кислорода 54
Сравнительная оценка общего ущерба здоровью от ЯТЦ (ядерных теплоцентралей) и УТЦ (угольных теплоцентралей)на 1 ГВт·год Вид ущерба ЯТЦ УТЦ Число случаев преждевременной смерти 1 300 (20 – 600) Общее сокращение продолжительности жизни, чел·год 20 10000 Общие потери трудоспособности, чел·год 10 7000 55
Сопоставление способов получения электроэнергии (по шкале потерь здоровья, разработанной учёными Канады, на 1 ГВт в год, в относительных единицах) Уголь и нефть 100 Ветер и тепл. энергия 20 Гидроэнергия 10 АЭС 1 56
АЭС при их нормальной эксплуатации в экологическом отношении безопаснее тепловых электростанций на угле и других источников электроэнергии 57
СОПОСТАВЛЕНИЕ РИСКА ОТ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ АЭС И ДРУГИХ ФАКТОРОВ Источники излучения Доза, м. Зв/год Доля суммарной дозы, % Естественный фон 1, 10 44, 7 Медицинская рентгенодиагностическая аппаратура 0, 72 29, 3 Строительные материалы 0, 60 24, 4 Глобальные выпадения 0, 02 0, 8 Часы со светосоставом 0, 01 0, 4 Авиационный транспорт 0, 005 0, 2 Телевизоры 0, 002 0, 1 АЭС 10 -5 0, 05 Итого 2, 46 100 58
Уровни активности некоторых жидкостей Жидкость Типичные сбросные воды АЭС Водопроводная вода Речная вода Активность, Бк/л 0, 037 – 0, 37 0, 74 0, 37 – 3, 7 59
Сопоставление риска от радиационного воздействия с другими опасностями • В химических производствах России нередки случаи, когда загрязнение атмосферы вредными веществами систематически превышает ПДК в десятки раз, особенно в нефтеперерабатывающей и целюлозно-бумажной. 60
Сравнение методов и уровней практической реализации защиты здоровья человека и охраны окружающей среды от радиоактивных и химических загрязнителей показало их серьезные отличия и несбалансированность 61
Это касается всех элементов регулирования – – подходов к нормированию; методик определения допустимых выбросов и сбросов; возможностей мониторинга; отношения к соблюдению регламентации 62
• Я убежден, что ядерная энергетика необходима человечеству и должна развиваться, но только в условиях практически полной безопасности. Академик А. Д. Сахаров 63
Требование безаварийности Новые конструкции реакторов имеют: системы аварийной защиты и локализации; обеспечение нерасплавления активной зоны за счет использования внутренне присущих физических свойств конструкции активной зоны и материалов. Экологические преимущества АЭС имеют место при их нормальной работе 64
Принципиальное устройство двухконтурной АЭС 65
ЭНЕРГОБЛОК АЭС 66
Барьеры, предотвращающие выход продуктов деления в окружающую среду ТОПЛИВНАЯ МАТРИЦА Предотвращение выхода продуктов деления под оболочку твэла ОБОЛОЧКА ТВЭЛА Предотвращение выхода продуктов деления в теплоноситель главного циркуляционного контура СИСТЕМА ЗАЩИТНЫХ ГЕРМЕТИЧНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ Предотвращение выхода продуктов деления в окружающую среду ГЛАВНЫЙ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ КОНТУР Предотвращение выхода продуктов деления под защитную герметичную оболочку 67
Локализация аварий 68
Концепция экологической безопасности АЭС • • • разрабатывается до реального проектирования АЭС оценка состояния окружающей среды в районе предполагаемого строительства АЭС уровень допустимых воздействий на природное окружение в рамках Технико-экономического обоснования (ТЭО) - Оценка воздействий АЭС на окружающую среду на стадии проекта АЭС - Обоснование экологической безопасности соответствие технических решений требованиям Концепции охраны окружающей среды в регионе Независимая экологическая экспертиза 69
Малое радиационное воздействие нормально работающей АЭС на окружающую среду Дозовую нагрузку на индивидуума из населения при нормальной работе АЭС измерить нельзя это обусловлено тем, что санитарно-гигиеническое законодательство (НРБ и СП АС) установило дозовую квоту АЭС в размере 5 % ПД – 0, 25 м. Зв/год, м. Зв/год что равно 1/4 - 1/5 естественного фона В проекте станции разрабатываются соответствующие системы и оборудование для выполнения норм 70
Структурная схема нормирования выбросов и сбросов АЭС ПДВ 71
Схема образования радиоактивных отходов 72
Нерадиационные факторы воздействия АЭС на окружающую среду • • тепловое химическое шумовое загрязнения, связанные с жизнедеятельностью комплекса 73
ОСНОВНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ АЭС • вывод из эксплуатации после исчерпания ресурса; • обращение с радиоактивными отходами; • обращение с отработавшим ядерным топливом; 74
Демонтаж АЭС по окончании нормальной эксплуатации Демонтаж АЭС является сложным и экологически опасным процессом 75
Демонтаж • В 2006 году был завершен вывод из эксплуатации на площадке АЭС "Биг-Рок Пойнт" в США, и эта площадка вернулась к состоянию «зеленой лужайки» • По состоянию на конец 2006 года 9 АЭС в мире были полностью выведены из эксплуатации, их площадки переданы для использования без ограничений • 17 АЭС частично демонтированы и подвергнуты безопасной консервации • 30 АЭС демонтируется перед конечной передачей площадки в пользование • 30 - находятся в стадии минимального демонтажа перед долгосрочной консервацией 76
77 Концептуальные основы обращения с РАО
Обращение с жидкими радиоактивными отходами • хранение в специальных емкостяххранилищах • нахождение в открытых водоёмах и специальных бассейнах • подземное захоронение в пластахколлекторах • сброс на специально выделенных участках морей и океанов 78
Обращение с твёрдыми радиоактивными отходами • • хранение в металлических ёмкостях плавление цементирование битумирование прессование сжигание остекловывание 79
Отвердевание радиоактивных отходов Так выглядят низкоактивные радиоактивные отходы после специальной обработки - остекловывания 80
Захоронение радиоактивных отходов • Кондиционированные РАО (радиоактивные отходы), срок радиационной опасности которых не превышает срока действия инженерных барьеров (оценивается в 300500 лет), могут захораниваться в приповерхностных или слабозаглубленных могильниках 81
ОТРАБОТАННОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО • Это сырьевой ресурс, возможно, ресурс не настоящего, а будущего 82
Сложность проблем обращения с ОЯТ (отработанное ядерного топлива) • высокая активность (млн. Ku/т) • значительное тепловыделение после выгрузки из реактора • наличие в составе ОЯТ значительного количества делящихся веществ 83
Мощность дозы от ОЯТ • заметно уменьшается со временем • через 3 года она составляет примерно 1/600 часть от мощности дозы только что выгруженного топлива • вначале определяется в основном короткоживущими осколками деления • после нескольких сотен лет хранения – актинидами 84
Количество радионуклидов в ОЯТ Получение 1 ГВт-год электроэнергии на АЭС с реактором ВВЭР сопровождается наработкой • 150 -200 кг Рu • 20 -30 кг младших актиноидов (Np, Am, Cm) • за 40 лет работы блока мощностью 1 ГВт их будет произведено 6 -8 и 0, 8 -1, 2 т соответственно 85
Изменение состава ОЯТ после облучения в реакторе 2, 5% 1, 0% 1, 5% 95% 4% 96% 100% 80% ЯТ—ядерное топливо ОЯТ—облученное ядерное топливо УРАН-238 двуокись УРАН-235 двуокись 60% 40% 20% Плутоний 0% Другие элементы ЯТ ОЯТ 86
Отработанное ядерное топливо • Количество отработавшего топлива всех реакторов в мире составляет около 10 500 т в год 87
Накопление ОЯТ в мировой атомной энергетике 88
Накопление ОЯТ в Российской Федерации 89
Имеется две различные стратегии обращения с отработавшим ядерным топливом • ОЯТ перерабатывается (или хранится для будущей переработки) с целью извлечения урана и плутония для нового смешанного оксидного (MOX) топлива • ОЯТ считается отходами и хранится до захоронения 90
Реализация стратегий обращения с ОЯТ • строительство централизованного хранилища • переход к сухому складированию ОЯТ вблизи АЭС • развитие технологий переработки и трансмутации ОЯТ 91
Стратегия складирования ОЯТ • в настоящее время принята в США • непосредственное складирование ОЯТ в металлических контейнерах в глубоких геологических формациях • основное национальное хранилище ОЯТ США в Юкка-Маунтин (Yucca-Mountain) 92
Проект хранилища РАО и ОЯТ в глубине горы Юкка (США) пятимильный туннель и серия штреков Хранилище рассчитано на 10 тысяч лет Емкость хранилища 77 тыс. тонн РАО отходы заложены в стальные цилиндрические кассеты 93
Хранилища ОЯТ • Действующим геологическим хранилищем является экспериментальная установка по изоляции отходов в США • С 1999 года она принимает долгоживущие трансурановые отходы, образующиеся в результате проведения научных исследований и производства ядерного оружия • не принимает отходы с гражданских АЭС 94
• Самые развитые программы создания хранилищ - финская, шведская и американская • однако ни одна из них не обеспечит ввода в эксплуатацию хранилища ранее 2020 года 95
Франция Новое законодательство в отношении обращения с отработавшим топливом и захоронения отходов определяет: • переработку ОЯТ и рециклирование пригодных к использованию материалов • захоронение в глубинных геологических формациях является эталонным решением для долгоживущих радиоактивных отходов высокого уровня активности 96
Великобритания В 2006 году Комитет по обращению с радиоактивными отходами пришел к выводу, что наилучшим вариантом является • хранение в глубинных геологических формациях с обеспечением "надежного промежуточного хранения" до выбора площадки для хранилища 97
Швеция • метод окончательного захоронения герметичных медных контейнеров с топливом на глубине приблизительно 500 метров • Строительство в Оскаршамне завода по герметизации отходов 98
Основные этапы обращения с ядерным топливом в России Изготовление ядерного топлива Обогащение Выдержка на АЭС Переработка Добыча руды Хранение Захоронение РАО Выдержка Долговремен ное хранение 99
Существующая схема обращения с ОЯТ в России Облученное топливо (уран, плутоний, продукты деления) 1400 тонн в год Выдержка на ВВЭР-100 0 АЭС Переработка на заводе РТ-1 Выдержка на АЭС ВВ ЭР -10 00 ку т в о оз раб Вв е 0. пер ном 44 о Р- на зак Э ию н ВВ сс ше Ро зре ра ВВЭР-440 БН-800 Пл уто н Хранилище плутония Реакторы российского производ-ства в других странах Бассейн длительной выдержки на РТ-2 РАО Свежее топливо Российские АЭС ий Строительство не завершено по экономическим причинам Переработка на заводе РТ-2 100
Так выглядит современное хранилище РАО и ОЯТ Photo: Richard Ryan Photo: Silja Line Photo: Mats Bäcker 101
В России новым направлением обращения с РАО является переход к контейнерному хранению • используются металлобетонные контейнеры 102
Контейнерное хранение ОЯТ о 103
СТРАТЕГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОЯТ • Великобритания, Россия, Франция, Япония в том или ином виде осуществляют переработку ОЯТ • выделение урана, плутония • изготовление из переработанных материалов топливных элементов, их повторное использование в легководных реакторах • Наиболее эффективная структура обращения с ОЯТ и РАО - во Франции (многокомпонентная ядерная энергетика, включающая легководные реакторы, быстрые реакторы - "дожигатели", комплексы переработки ОЯТ и РАО 104
Ядерная трансмутация элементов • Для трансмутации можно использовать практически любое ядерное излучение, однако нейтроны наиболее эффективны • На сегодняшний день разработаны несколько вариантов концепции трансмутации ОЯТ • во всех концепциях существенная роль отводится быстрым подкритическим системам, т. к. невозможно построить устойчиво работающий критический реактор с топливом, состоящим более чем на 15 – 20 % из младших актиноидов 105
Реактор-выжигатель • Быстрая подкритическая система для утилизации долгоживущих компонентов ОЯТ, в первую очередь, актиноидов: изотопов америция, кюрия, а также нептуния (доля запаздывающих нейтронов в спектре их деления незначительна) • управляются сильноточными протонными ускорителями Кроме актиноидов подкритические системы могут уничтожать продукты деления 99 Tc и 129 I 106
Пульт управления завода радиохимической переработки ОЯТ 107
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ объекты мониторинга АЭС: • окружающая среда в пределах ССЗ и зоны наблюдения (атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почва) • источники поступления загрязняющих веществ в результате основной деятельности АЭС • размещение опасных нерадиоактивных отходов 108
Задачи мониторинга • получить комплексную информацию о концентрациях вредных веществ в компонентах экосистемы • сопоставить результаты измерений с нормативными показателями • оценить состояние экосистемы и возможные последствия техногенных воздействий • использовать результаты измерений для совершенствования расчетного моделирования процессов в экосистемах и оценок последствий техногенного воздействия • использовать результаты анализа для разработки «обратных связей» и управления состоянием системы «АЭС + окружающая среда»
Результаты мониторинга • современные фактические дозы облучения населения от функционирования атомной энергетики находятся значительно ниже научно подтвержденных порогов обнаружения вредных эффектов 110
Радиационные риски для населения • для населения радиационные риски от использования ядерной энергии в сотни раз ниже рисков от техногенных загрязнений химически вредными веществами 111
• Радиофобия — нервно-соматические Радиофобия психические расстройства, иногда трудно поддающиеся лечению, выражающиеся в необоснованной боязни различных источников облучения
Единицы измерения радиоактивности Вещества, способные создавать ионизирующие излучения, различаются активностью (А), т. е. числом радиоактивных превращений в единицу времени. В системе СИ за единицу активности принято одно ядерное превращение в секунду (распад/с). Эта единица получила название беккерель (Бк). Внесистемной единицей измерения активности является кюри (Ки), равная активности нуклида, в котором происходит 3, 7 · 1010 актов распада в одну секунду, т. е. • 1 Ки = 3, 7· 1010 Бк. • Единице активности кюри соответствует активность 1 г радия (Rа).
Поглощенная доза Для характеристики ионизирующих излучений введено понятие дозы облучения. Различают три дозы облучения: поглощённая, эквивалентная и экспозиционная. Степень, глубина и форма лучевых поражений, развивающихся среди биологических объектов при воздействии на них ионизирующего излучения, в первую очередь зависят от величины поглощённой энергии излучения или поглощённой дозы (Дпогл). Поглощённая доза - энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества. За единицу поглощённой дозы облучения принимается грей (Гр), определяемый как джоуль на килограмм (Дж/кг). Соответственно 1 Гр = 1 Дж/кг.
Эквивалентная доза В связи с тем, что одинаковая поглощённая доза различных видов ионизирующего излучения вызывает в единице массы биологической ткани различное биологическое действие, введено понятие эквивалентной дозы (Дэкв), которая определяется как произведение поглощённой дозы на средний коэффициент качества действующих видов ионизирующих излучений. Коэффициент качества (Ккач) характеризует зависимость неблагоприятных биологических последствий облучения человека от способности ионизирующего излучения различного вида передавать энергию облучаемой среде. По существу, биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями, сравниваются с эффектом от рентгеновского и гамма-излучения.
Эквивалентная доза В радиобиологии и радиационной гигиене широкое применение получила внесистемная единица поглощённой дозы - рад. Рад - это такая поглощённая доза, при которой количество поглощённой энергии в 1 г любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энергии излучения. Соразмерность грея и рада следующая: 1 Гр= 100 рад. В качестве единицы измерения эквивалентной дозы в системе СИ принят зиверт (Зв). Зиверт - эквивалентная доза любого вида ионизирующего излучения, поглощённая 1 кг биологической ткани и приносящая такой же биологический эффект (вред), как и поглощённая доза фотонного излучения в 1 Гр. Существует также внесистемная единица эквивалентной дозы ионизирующего излучения - бэр (биологический эквивалент рентгена). При этом соразмерность следующая: Дэкв = Дпогл ·Ккач или 1 Зв = 1 Гр · Ккач; 1 Зв = 100 рад · Ккач = 100 бэр.
Значения Ккач для разных видов ионизирующего излучения Вид излучения Коэффициент качества (Ккач) Рентгеновское и гамма-излучения 1 Электроны и позитроны, бета-излучение 1 Протоны 10 Нейтроны тепловые 3 Нейтроны быстрые 10 Альфа-частицы и тяжёлые ядра отдачи 20
Эквивалентная и экспозиционная доза Для оценки эквивалентной дозы, полученной группой людей (персонал объекта народного хозяйства, жители населённого пункта и т. п. ), используется понятие коллективная эквивалентная доза (Дэкв. к. ) - это средняя для населения доза, умноженная на численность населения (в человеко-зивертах). Понятие экспозиционная доза (Дэксп) служит для характеристики рентгеновского и гаммаизлучения и определяет меру ионизации воздуха под действием этих лучей. Она равна дозе фотонного излучения, при котором в 1 кг атмосферною воздуха возникают ионы, несущие заряд электричества в 1 кулон (Кл). Соответственно Дэксп = КЛ/КГ. Внесистемной единицей экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучения является рентген (Р). При этом соразмерность следующая: 1 Р = 2, 58 · 10 -4 Кл/кг или 1 Кл/кг =3, 88 · 103 Р. Поглощённая, эквивалентная и экспозиционная дозы, отнесённые к единице времени, носят название мощности соответствующих доз. Например, мощность поглощённой дозы (Рпогл) - Гр/с или рад/с. Мощность эквивалентной дозы (Рэкв) - Зв/с или бэр/с. Мощность экспозиционной дозы (Рэксп) - Кл/(кг · с) или Р/с. Для упрощенной оценки информации по однотипному ионизирующему излучению можно использовать следующие соотношения. 1 Гр = 100 бэр = 100 Р = 100 рад = 1 Зв (с точностью до 10 -15%); радиоактивное загрязнение плотностью 1 Ки/м 2 эквивалентно мощности экспозиционной дозы 10 Р/ч, или мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения 1 Р/ч соответствует загрязнению в 10 мк. Ки/см 2.
Изотопы – атомы, имеющие одинаковое количество протонов, но различное число нейтронов (одинаковый заряд, но различную атомную массу). Радиоактивные изотопы, в противоположность стабильным, самопроизвольно распадаются с выделением энергии и частиц (протонов, нейтронов, электронов) превращаясь в другие атомы. Обычно элементы состоят из смеси различных изотопов, в некоторых случаях и радиоактивных. Период полураспада – время, в течение которого распадается половина атомов радиоактивного изотопа. Радиоактивные изотопы в зависимости длительности периода полураспада делятся на короткоживущие (йод с атомной массой 131, 132) среднеживущие (стронций с атомной массой 90, цезий с атомной массой 137) и долгоживущие (уран с атомной массой 238)
Радиоактивное загрязнение окружающей среды после испытания ядерного оружия • В 1961 году, после взрыва сверхбомбы на Новой Земле, загрязнение Северного полушария превосходило Чернобыль, но об этом не оповещали, и для большинства населения все прошло незамеченным
Действие радионуклидов • Не подтверждена гипотеза о том, что воздействие малых доз облучения в течение длительного времени приводит к тем же последствиям, что и больших доз в течение короткого
Радиационный фон • Факты свидетельствуют, что миллиард лет жизни при постоянном естественном облучении выработал у живых организмов устойчивость к действию радиации • Более того, нельзя исключить, что проникающее излучение необходимо для нормального функционирования организмов
Цены на уран • Цены спот на уран, стимулируемые отчасти возобновлением интереса к ядерной энергетике, продолжали расти в 2006 году, достигнув 72 долл. за фунт U 3 O 8 (урановый концентрат) – 158 долл. за кг 123
Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Понятие атомной электростанции. Принцип работы ядерного реактора. Негативное воздействие на окружающую среду ТЭС и АЭС. Радиационный фон и его изменение в процессе хозяйственной деятельности человека Цикл ядерного топлива и проблема утилизации ОЯТ и РАО. Радиационная безопасность на атомных электростанциях. Значение АЭС в мировом энергопотреблении. Причины радиофобии населения. Действие радиации на живые организмы.
экологические последствия аварии на Чернобыльской АЭС
Авария на Чернобыльской АЭС • 26 апреля 1986 г. в 01: 23 два взрыва разрушили 4 -й блок Чернобыльской АЭС, расположенной в ~ 100 км к северу от Киева (~2, 5 млн. чел. ) и всего в 3 км к Ю-В от г. Припяти (~50 тыс. чел. ) 126
Причины Авария на четвертом энергоблоке Чернобыльской атомной электростанции произошла в ночь с 25 -го на 26 -е апреля 1986 года во время проведения испытаний. Эксплуатационный персонал должен был проверить, смогут ли турбины при перерыве в подаче электроэнергии выработать достаточное количество остаточной энергии для питания насосов охлаждения до включения аварийных источников питания. Чтобы препятствовать прерыванию эксперимента, системы аварийной защиты были сознательно отключены. Для проведения эксперимента нужно было снизить мощность реактора до уровня 25% от номинальной. Однако этот процесс пошел не по плану. Внезапно, по до сих пор не выясненным причинам, мощность реактора упала до уровня ниже 1%. Реактор пришлось снова медленно разгонять. Однако спустя 30 секунд после начала эксперимента мощность вдруг резко возросла. Аварийное гашение реактора (остановка цепной ядерной реакции) не удалось. В доли секунды мощность и температура возросли во много раз. Реактор вышел изпод контроля. Произошел мощнейший взрыв. Взрывом выбросило плиту, покрывавшую 4 -й энергоблок, вес которой составлял 1000 тонн. При температурах свыше 2000ºС тепловыделяющие элементы (твэлы) стали плавиться. Затем загорелась графитовая оболочка реактора. Радиоактивные продукты деления из оплавляющейся активной зоны стали выбрасываться в атмосферу. При выяснении причин аварии не было возможности обратиться к опыту подобных случаев в истории. Приходилось полагаться на свидетельства очевидцев, а также на результаты замеров и экспериментов, проведенных после аварии. Причинами аварии сегодня считается роковое сочетание человеческой некомпетентности и несовершенства техники.
Выброс • Основные выбросы продолжались 10 дней • Выброс большой фракции инертных газов – Йод – Цезий – Другие продукты деления • Общий выброс – ~ 14 x 1018 Бк 128
Масштабы катастрофы При максимальной проектной аварии (МПА) на Чернобыльской АЭС 26 -го апреля 1986 года произошел выброс активности в масштабах отколо 14 x 1018 Бк. Из разрушенного реактора в течение первых 10 дней после аварии было выброшено более 40 различных видов радионуклидов. Для анализа последствий аварии имеют значение в первую очередь йод (J-131), цезий (Cs-137) и стронций (в основном Sr-90). На сегодняшний д считается, что в атмосферу попало около 50% содержавшегося в реакторе йода и 30% цезия. Выделявшиеся при горении графитовой оболочки горячие газы подняли радиоактивные вещества на высоту более 1500 метров. Различные погодные условия в первые дни после аварии привели к тому, что радиоактивность широко распространилась вплоть до территорий Скандинавии, Польши, Прибалтики, а также южной Германии, северной Франции и Англии. Более чем на 200 000 кв. км территории Европы уровень загрязнения цезимем‑ 137 превысил 37 к. Бк/кв. Свыше 70 процентов этой территории находилось в трех наиболее пострадавших странах – Беларуси, России и Украине. Выпадения были крайне неравномерными, поскольку они усиливались в тех зонах, где во время прохождения загрязненных воздушных масс шел дождь. Большая часть радиоизотопов стронция и плутония осела в 100 -километровой зоне от разрушенного реактора из-за более крупных размеров част Многие из наиболее важных радионуклидов имели короткие периоды полураспада. Поэтому большая часть содержавшихся в аварийных выбросах радионуклидов вскоре подверглась радиоактивному распаду. Наибольшую обеспокоенность сразу же после аварии вызывали выбросы радиоактивного йода. В предстоящие десятилетия наибольшую важность будет иметь загрязнение цези -137, а загрязнение стронцием-90 будет менее важным. В более долгосрочном плане (от сотен до тысяч лет) значительную роль будет играть радионуклидное загрязнение, связанное с изотопами плутония и америцием-241.
Загрязнение территории Беларуси, России и Украины цезием-137
Загрязнение Беларуси Загрязнение 137 Cs, к. Бк/м 2 37– 185– 555– 1480 >1480 131 I 10 Maя, 1986 Площадь, км 2 29, 900 10, 200 4, 200 2, 200 % 14. 0 4. 9 2. 0 1. 1 137 Cs 2001 г. 131
Загрязнение территории • • В Беларуси, России и на Украине местами прошли ливневые дожди, что привело к очень неравномерному распределению радионуклидов. Так, например, в Гомельской области Беларуси, на северо-востоке от Чернобыля, часть территорий была загрязнена в той же степени, что и зона в непосредственной близости от реактора. Украинский город Народичи был разделен выпадением радиоактивных осадков на две половины: чистую западную и сильно загрязненную восточную. "Пятна" сильного радиационного загрязнения часто соседствуют со слабозагрязненными территориями. Поэтому особо важную роль играют карты местного радиоактивного загрязнения. Они могут быть полезны при хозяйственном использовании территорий. По оценкам специалистов около 70% радиоактивных веществ выпали на территорию Беларуси в результате сухого и влажного осаждения. Загрязнение территории Беларуси свыше 37 к. Бк/м 2 по цезию-137 составило 23% от всей площади Республики, для Украины оно составляет 5%, для России – 0, 6%. 58, 1% территории с плотностью загрязнения по цезию от 555 до 1480 к. Бк/м 2 и 54, 1% территории с плотностью загрязнения от 185 до 555 к. Бк/м 2 от общей плотности территории с указанными уровнями загрязнения в Республиках бывшего СССР также приходится на Беларусь. Таким образом, среди трех наиболее пострадавших Республик бывшего СССР, территория Беларуси является наиболее загрязненной. С точки зрения радиационного загрязнения йод, с периодом полураспада 8 дней, был наиболее опасным радиоактивным элементом в первые недели после аварии. В Беларуси в течение первой недели после аварии измерения почти повсеместно указывали на повышенное содержание радиоактивного йода. Радиоактивный цезий с периодом полураспада 30 лет является на сегодняшний день наиболее распространенным изотопом. Кроме того, опасность долговременного радиоактивного загрязнения несут в себе стронций (Sr-90) с периодом полураспада 29 лет и плутоний (Pu-241), включая его продукты распада. Некоторые из них распадутся на половину только через 24 000 лет.
Загрязнение Украины 137 Cs Загрязнение 137 Cs, к. Бк/м 2 37– 185– 555– 1480 >1480 Площадь, км 2 37, 200 3, 200 900 600 % 6. 2 0. 5 0. 2 0. 09 133
Загрязнение России 137 Cs Загрязнение 137 Cs, к. Бк/м 2 37– 185– 555– 1480 >1480 Площадь, км 2 49, 760 5, 450 2, 130 310 % 0. 29 0. 03 0. 01 0. 002 134
Масштабы последствий аварии • Облучены более 600 тыс. «ликвидаторов» • Выброшено около 14 x 1018 Бк радионуклидов; наиболее радиологически важные - 131 I и 137 Cs • Более 200. 000 км 2 территории Европы загрязнено 137 Cs, преимущественно в СССР • 340 тыс. человек эвакуированы или переселены в 1986 -1991 гг. • Более 5 млн. человек постоянно живут на загрязненных территориях • Экономические потери в сотни млрд. долларов США
Число пострадавших • Согласно оценкам, первоначально в работах по ликвидации аварии и по очистке в 1986 -1987 годах было задействовано 200 000 работников аварийно-спасательных служб из армии и добровольцев, сотрудников АЭС, местных правоохранительных органов и пожарных. Впоследствии число зарегистрированных «ликвидаторов» возросло до 600 000 человек, хотя воздействию опасных уровней облучения подверглась лишь небольшая часть из этого общего числа. Наибольшие дозы были получены работниками аварийных служб и персоналом на площадке, общее число которых составило около 1 200 человек, в первый день аварии. • Часть персонала реактора и аварийных работников получила 26 апреля 1986 года высокие дозы внешнего гамма-облучения, составлявшие по оценкам от 2 до 20 Гр, и в результате 28 из них умерли в течение первых четырех месяцев от радиационных и тепловых ожогов, а еще 19 умерли в период до 2004 года от разных причин, не обязательно связанных с радиационным облучением. Дозы, полученные работниками, кратковременно участвовавшими в восстановительных работах в течение четырех лет после аварии, достигали 500 м. Зв, а среднее значение, по данным Государственных регистров Беларуси, России и Украины, составляло около 100 м. Зв.
Последствия на площадке • Около 1200 человек на площадке (персонал АЭС, пожарные, аварийные работники) • Дозы облучения персонала реактора и пожарных составили 220 Гр • Ранние последствия для здоровья: Ø 2 человека погибли от взрыва и ожогов; Ø ОЛБ у 134 работников, из них 47 человек умерло (28 человек умерли в 1986 от ОЛБ и 19 человек умерли в 1987 -2004 от причин не связанных с облучением) 137
Последствия за пределами площадки: мощность дозы вблизи АЭС, Р/час 138
Выпадение радиоактивных осадков • Этот рисунок показывает. Что на расстоянии 2 -3 км от станции дозы облучения были настолько высоки (> 1 Гр/час), что могли привести к смертельным исходам среди людей в течение нескольких часов. Этого не произошло поскольку облако пошло на незаселенные территории (в результате появился так называемый желтый лес).
Эвакуированный город Припять 140
Эвакуация жителей • Лишь только 27 -го апреля, спустя 36 часов после аварии, на автобусах были эвакуированы 45 000 жителей города Припять, расположенного в 4 километрах от Чернобыльской АЭС. Этот город до сих пор остается выселенным. В 30 -километровой зоне вокруг реактора люди должны были покинуть свои дома до 5 -го мая. В течение 10 дней было эвакуировано 130 000 человек из 76 населенных пунктов этой зоны. • Эту территорию объявили запретной зоной. С этого момента для нахождения в зоне нужно было иметь специальное разрешение. Это должно было также препятствовать распространению радиации по другим территориям. • Дозы облучения лиц, эвакуированных из района Чернобыльской аварии, составляли в среднем 17 м. Зв для эвакуированных лиц на Украине, причем дозы, полученные отдельными лицами, находились в диапазоне от 0, 1 до 380 м. Зв. Средняя доза для эвакуированных лиц в Беларуси составляла 31 м. Зв, а наибольшая средняя доза в двух деревнях была приблизительно 300 м. Зв.
Уровни облучения людей Из более чем 600 тысяч аварийных работников и пяти миллионов жителей загрязненных районов Беларуси, России и Украины большинство получило небольшие уровни облучения, сравнимые с природным радиационным фоном, без видимых последствий для здоровья.
Эффективные дозы облучения • Ликвидаторы Пределы доз – Индивидуальные эффективные дозы (эффективная доза) • средние около 100 м. Гр • максимальная до 500 м. Гр • Эвакуированное население – Индивидуальные эффективные дозы (внешние) • Средние около 17 м. Зв • Диапазон от 0, 1 до 380 м. Зв • Остальное население – Эффективные дозы (1986 -2005) • Средние 10 - 20 м. Зв • В диапазоне от нескольких м. Зв до нескольких тысяч м. Зв • 1986 - 250 м. Зв • 1987 - 100 м. Зв • 1988 - 50 м. Зв • Беларусь: средняя около 31 м. Зв: 30%-менее 10 м. Зв; 4%-более 100 м. Зв
Дозы облучения основных групп населения Группа населения Размер группы, тыс. чел. Средняя доза на ЩЖ, 1986 г. (м. Гр) Средняя эффективная доза, 1986 -2005 гг. Ликвидаторы 530 - 117 Эвакуированные 115 490 31 Жители Беларуси, России, Украины 98 000 16 1, 3 Жители отдаленных стран 500 000 1, 3 0, 3
Острая лучевая болезнь Диапазон Число Степень ОЛБ доз, Гр пациентов смертей Легкая (I) Средняя (II) Тяжелая (III) Очень тяжелая (IV) ИТОГО 0, 8 -2, 1 2, 2 -4, 1 4, 2 -6, 4 6, 5 -16 41 50 22 21 1 7 20 0, 8 -16 134 28
Всего умерло 47 человек, из них: • 28 человек умерли от ОЛБ в течение первых 4 месяцев за период • с 1987 по 2006 гг. , от разных причин умерло 19 человек, из них: туберкулез - 2, цирроз печени - 2, внезапная остановка сердца - 6, злокачественные новообразования– 5, травмы – 1.
Радиация в окружающей среде • Уровни излучения в окружающей среде снизились с 1986 г. в сотни раз вследствие природных процессов и защитных мер. • Благодаря этому большинство ранее загрязненных территорий безопасны для проживания и хозяйственной деятельности.
Типичная динамика содержания 137 Cs в молоке в сравнении с ВДУ (TPL), Ровенская область, Украина
Основные выводы Чернобыльского Форума Однако в 30 -км зоне вокруг ЧАЭС и на отдельных участках местности в Беларуси, России и Украины ограничения землепользования сохранятся на предстоящие десятилетия.
Радионуклиды в «пищевых продуктах» продуктах Грибы, Украина • Особенно высокие концентрации 137 Cs были обнаружены в грибах, ягодах и мясе дичи; • Эти высокие уровни сохранялись на протяжении двух десятилетий, и можно ожидать, что такая ситуация сохранится в течение еще нескольких десятилетий. Доля проб лесной продукции содержащей цезий-137 выше допустимого уровня в Беларуси
Радиационно-индуцированные эффекты у биоты • • • Облучение привело к многочисленным острым эффектам у растений и животных на расстоянии до 10‑ 30 км от точки выброса. В биоте наблюдались эффекты, вызванные радиационной гибелью клеток: Ø повышенная смертность хвойных растений, почвенных беспозвоночных и млекопитающих, и Ø потеря репродуктивной способности растений и животных. Для восстановления популяций растений и животных от серьезных радиационно-индуцированных эффектов потребовалось несколько лет. Вследствие прекращения деятельности людей зона отчуждения стала уникальным заповедником биоразнообразия. Не существует мер по улучшению радиологических условий в зоне отчуждения, которые не оказали бы негативного влияния на растения и животных.
Птенец белохвостого орлана в зоне отчуждения. До 1986 г. эти редкие птицы здесь не встречались
Лошади Пржевальского были выпущены в Чернобыльской Зоне в конце 1990 -х гг.
Рекомендации Чернобыльского Форума по окружающей среде • Нет необходимости в новых крупных программах исследований радиоактивности, однако полезно продолжение целевого мониторинга отдельных сред. • Информировать общественность об устойчивом радиоактивном загрязнении природных продуктов (грибы, дичь, ягоды и т. д. ), а также рекомендовать кулинарные методы, снижающие содержание радионуклидов пищевом продукте. • Сократить количество и частота взятия проб и измерений. • Меры реабилитации эффективны в районах с бедными (песчаными или торфяными) почвами, где наблюдается интенсивный перенос цезия из почвы в растения. • Нецелесообразны технологические меры реабилитации лесов и поверхностных вод.
Заключение-1 Приоритеты: 1. вывод из эксплуатации разрушенного 4 -го блока ЧАЭС, 2. безопасное обращение с радиоактивными отходами в чернобыльской зоне отчуждения и 3. постепенная реабилитация зоны отчуждения.
Заключение - 2 • В ближайшие десятилетия следует продолжать целенаправленные исследования долгосрочных последствий чернобыльской аварии для окружающей среды, здоровья человека и для общества. • Важно также сохранить накопленные опыт и знания по уменьшению последствий аварии.
Гелиоэнергетика
Использование солнечной энергии Техническое использование солнечной энергии осуществляется в нескольких формах: применение низко – и высокотемпературного оборудования, прямое преобразование солнечной энергии в электрическую на фотоэлектрическом оборудовании. Принципиальными особенностями солнечного излучения являются огромные потенциальные ресурсы (в 4000 раз превышает прогнозируемые энергопотребности человечества в 2020 году ) и низкая интенсивность. Так, среднесуточная интенсивность солнечного излучения для средней полосы европейской части России составляет 150 Вт/м , что в 1000 раз меньше тепловых потоков в котлах ТЭС.
Проблемы гелиоэнергетики К сожалению, пока не видно, какими путями эти огромные потенциальные ресурсы можно реализовать в больших количествах. Одним из наиболее важных препятствий является низкая интенсивность солнечного излучения, что проблему необходимости концентрирования солнечной энергии в сотни раз ещё до того, как она превратится в тепло. Практическая реализация концентрации солнечной энергии требует отчуждения огромных земельных площадей. Для размещения солнечной электростанции (СЭС) мощностью 1000 МВт (Эл) в средней полосе европейской части необходима площадь при 10%к. п. д. в 67 км 2 К этому надо добавить ещё и земли, которые потребуются отвести под различные промышленные предприятия, изготавливающие материалы для строительства и эксплуатации СЭС.
Эффективность гелиостанций Следует подчеркнуть, что материалоёмкость, затраты времени и людских ресурсов в солнечной энергетике в 500 раз больше, чем в традиционной энергетике на органическом топливе и в атомной энергетике. Действующая в Крыму СЭС мощностью 5 МВт потребила в 1988 году на собственные нужды в 20 раз больше энергии, чем произвела.
Геотермальная энергия
Геотермальные станции Отрицательными экологическими последствиями использования геотермальной энергии подземных источников горячей воды является возможность пробуждения сейсмической активности в районе электростанции, опасность локального оседания грунтов, эмиссия отравляющих газов (пары ртути, сероводорода, аммиака, двуокиси и окиси углерода, метана ), которые представляют опасность для человека, животных и растений.
Энергия ветра
Отрицательные моменты Энергия ветра в больших масштабах оказалась ненадёжной, неэкономичной и, главное, неспособной давать электроэнергию в нужных количествах. Строительство ветряных установок усложняется необходимостью изготовления лопастей турбины больших размеров. Так, по проекту ФРГ установка мощностью 2 -3 МВт должна иметь диаметр ветрового колеса 100 м, причём она производит такой шум, что возникает необходимость отключения её в ночное время.
Отрицательные моменты В штате Огайо была построена крупнейшая в мире ветросиловая установка 10 МВт. Проработав несколько суток, была продана на слом по цене 10 дол. за тонну. В радиусе нескольких километров жить стало невозможно из-за инфразвука, совпадающего с альфаритмом головного мозга, что вызывает психические заболевания. К серьёзным негативным последствиям использование энергии ветра можно отнести помехи для воздушного сообщения и для распространения радио-и телеволн, нарушения путей миграции птиц, климатические изменения вследствие нарушения естественной циркуляции воздушных потоков.
Приливные электростанции
Принцип работы Уровень воды в течение суток меняет 4 раза, такие колебания особенно заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. ПЭС двустороннего действия (турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно) способны вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4 -5 часов с перерывами в 1 -2 часа четыре раза в сутки.
Приливные электростанции в мире Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 году во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8, 4 м. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2, 5 раза превосходит расходы на возведение ГЭС такой же мощности, первый опыт эксплуатации приливной электростанции оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и эффективно используется. В 1968 году на Баренцевом море вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 к. Вт. Место её строительства – Кислая губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7 -10 м. Планируется также использовать огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12, 9 м, а в Гижигинской губе – 12 -14 м. В 1985 году была пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19, 6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16, 3 м.
Влияние на окружающую среду С точки зрения сохранения окружающей среды ПЭС имеют бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной геликоидной турбины Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.
Космические станции
Принцип работы Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера, поэтому появляются проекты размещения солнечных электростанций в космосе, на околоземной орбите. У таких станций есть несколько достоинств: невесомость позволяет создать многокилометровые конструкции, которые необходимы для получения энергии; преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.
Первые проекты К проектированию солнечных космических электростанций (СКЭС) конструкторы приступили ещё в конце 60 -ых годов 20 ого века. Было предложено несколько вариантов транспортировки энергии из космоса на Землю, но наиболее рациональным было признано предложение использовать её на месте выработки, для этого необходимо перенести основных потребителей электроэнергии (металлургия, машиностроение, химическая промышленность) на спутник Земли Луну или астероиды. Любой вариант СКЭС предполагает, что это колоссальное сооружение, причём не одно. Даже самая маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей.
Перспективы Строительство солнечных космических электростанций сейчас кажется фантастикой, но в скором времени, возможно, появится первая СКЭС, которая даст начало новому уровню развития энергетики.
Электростанции на возобновимых источниках энергии Проведенные исследования показали, что возможная роль возобновляемых источников энергии не выходит за пределы вспомогательного энергоресурса, решающего региональные проблемы. Ресурсы таких источников, как гидроэнергетика, энергия ветра, морских волн и приливов, недостаточны. Солнечная энергетика и энергия геотермальная с теоретически неограниченными ресурсами характеризуются чрезвычайно низкой интенсивностью поступающей энергии. Кроме того необходимо помнить, что с использованием новых видов энергии возникает и новый тип экологических последствий, которые могут привести к изменению природных условий в глобальных масштабах и которые пока в полной мере трудно представить. Исследования последних лет показали, что на определенные планы с термоядерным синтезом ( проект ИТЭР ) преждевременно рассчитывать.
БИОТОПЛИВО
Биотопливо - возобновимый источник энергии В мире все больше говорят о необходимости замены нефти, угля и газа на биотопливо. В действительности ничего принципиально нового в биотопливе нет. Биотоплива использовались тысячелетиями и для многих остаются единственным источником тепла и средством приготовления пищи. Главным биотопливом были и остаются дрова, причем их экологичность совсем не очевидна - достаточно лишь вспомнить о неконтролируемой вырубке лесов. Впрочем, в наше время под словом "биотопливо" редко подразумевают дрова. Речь, как правило, идёт о более высокотехнологичных продуктах, получаемых из сельскохозяйственных культур или отходов переработки растительного и животного сырья. Возобновляемость этих ресурсов вопросов не вызывает, а с вредными выбросами дело обстоит чуть сложнее. Сторонники говорят, что биотопливо меньше загрязняет атмосферу, а противники возражают, что при сгорании биотоплива выделяются те же продукты, что и при сжигании ископаемых топлив. Истина же, как говорится, лежит посередине. Действительно, в процессе сгорания и тех, и других топлив образуются, главным образом, углекислый газ, вода и несколько примесей, многие из которых являются вредными: моноксид углерода, оксиды азота, углеводороды и т. п. Наибольшее внимание обычно уделяется вредным компонентам выхлопа и одному из виновников парникового эффекта - углекислому газу. Одним из главных преимуществ биотоплива называют сокращение выбросов парниковых газов. Это, однако, не означает, что при сгорании биотоплив образуется меньше диоксида углерода (хотя и такое возможно). При сгорании биотоплива в атмосферу возвращается углерод, который ранее поглотили растения, поэтому углеродный баланс планеты остаётся неизменным. Ископаемые топлива - совсем другое дело: углерод в их составе миллионы лет оставался "законсервированным" в земных недрах. Когда он попадает в атмосферу, концентрация углекислого газа повышается. В том, что касается вредных выбросов, биотопливо несколько выигрывает у нефтяного. Большинство исследований показывают, что биотопливо обеспечивает снижение выбросов моноксида углерода и углеводородов. Кроме того, биотопливо практически не содержет серы. Вместе с тем, несколько увеличивается выброс оксидов азота, вдобавок, при неполном сгорании многих биотоплив в атмосферу попадают альдегиды. Но, в целом, по уровню вредных выхлопов биотопливо выигрывает у нефтяного. Видов топлив из биопродуктов предлагается великое множество. Это и биогаз - метан, получаемый за счет разложения органических остатков (например, навоза) бактериями, и твердые топлива, но больше всего разговоров идет о биотопливе для автомобилей: этаноле и "биодизеле". Сейчас это направление очень популярно на Западе, а также начинает обсуждаться и у нас в качестве одного из перспективных направлений развития альтернативной энергетики.
Основные понятия Биото пливо — топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель, твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород).
Твердое биотопливо Дрова— древнейшее топливо, используемое человечеством. В настоящее время в мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др. ). В России на дрова и биомассу в основном идет балансовая древесина, не подходящая по качеству для производства пиломатериалов. Топливные гранулы и брикеты — прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы. Древесные топливные гранулы называются пеллеты, они имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8 — 23 мм и длиной 10 — 30 мм. В настоящее время в России производство топливных гранул и брикетов экономически выгодно только при больших объемах. В некоторых случаях для производства твердого биотоплива специально выращивают лес (энергетический лес). Для этой цели используют главным образом быстрорастущие породы деревьев (некоторые виды тополей). Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п. ) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество. Отходы биологического происхождения — необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т. д. Древесная щепа — производится путем измельчения тонкомерной древесины или порубочных остатков при лесозаготовках непосредственно на лесосеке или отходов деревообработки на производстве при помощи мобильных рубительных машин или с помощью стационарных рубительных машин (шредеров) В Европе щепу в основном сжигают на крупных теплоэлектростанциях мощностью от одного до нескольких десятков мегаватт. Часто также: топливный торф, твёрдые бытовые отходы и т. д.
Биоэтанол Мировое производство биоэтанола 2005 г. составило 36, 3 млрд литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44, 7 % — на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукрузы. • В январе 2007 г. , в своём ежегодном послании Когрессу Дж. Буш предложил план « 20 за 10» . План предлагает сократить потребление бензина на 20 % за 10 лет, что позволит сократить потребление нефти на 10 %. 15 % бензина предполагается заменить биотопливом. 19 декабря 2007 г. президент США Дж. Буш подписал закон о б энергетической независимости и безопасности (EISA of 2007). EISA of 2007 предусматривает производство 36 миллиардов галлонов этанола в год к 2027 г. При этом 16 млрд галлонов этанола будет производиться из целлюлозы — не пищевого сырья. Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин, работающих на Е 85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е 85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают на Е 10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е 15). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. «Flex-Fuel» машины ( «гибкотопливные» машины). Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор Е 20 (или Е 25) под видом обычного бензина, или «acool» , азеотроп этанола (96 % этанола и 4 % воды Критики применения этанола в качестве автомобильного топлива зачастую заявляют, что под плантации nhjcnybrf часто вырубаются тропические леса Амазонки. Но сахарный тростник не растёт в бассейне Амазонки. Более серьёзным является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), наносящие живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды. . •
Биометанол Промышленное культивирование и биотехнологическая конверсияморского фитопланктона рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений в области получения биотоплива. В начале 80 -х годов рядом европейских стран совместно разрабатывался проект, ориентированный на создание промышленных систем с использованием прибрежных пустынных районов. Осуществлению этого проекта помешало общемировое снижение цен на нефть. Первичное производство биомассы осуществляется путём культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье. Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола. Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются следующие: • высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год); • в производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода; • процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством; • энергоотдача процесса достигает 14 на стадии получения метана и 7 на стадии получения метанола; С точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии.
Биобутанол Бутанол- C 4 H 10 O — бутиловый спирт. Бесцветная жидкость с характерным запахом. Широко используется в промышленности. В США ежегодно производится 1, 39 млрд литров бутанола приблизительно на $1, 4 млрд. Бутанол начал производиться в начале ХХ века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum. В 50 -х годах из-за падения цен на нефть начал производиться из нефтепродуктов. Бутанол не обладает коррозионными свойствами, может передаваться по существующей инфраструктуре. Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, и как сырьё для производства водорода. Сырьём для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза. Технология производства биобутанола разработана компанией Du. Pont Biofuels. Компании Associated British Foods (ABF), BP и Du. Pont строят в Великобритании завод по производству биобутанола мощностью 20 000 литров в год из различного сырья.
Диметиловый эфир (ДМЭ) — C 2 H 6 O. Может производиться как из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозо-бумажного производства. Сжижается при небольшом давлении. Диметиловый эфир не содержит серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе. В июле 2006 г. Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) (Китай) приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу. В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5 -10 млн. тонн диметилового эфира в год.
Биодизель — топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьём могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любого другого масла-сырца, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.
Газообразное топливо (биогаз) Биогаз — продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов. Биоводород — водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями. Метан синтезируется после очистки от всевозможных примесей так называемого синтетического природного газа из углеродосодержащего твердого топлива, такого как уголь или древесина. Этот экзотермический процесс происходит при температуре от 300 до 450 °C и давлении 1− 5 бар в присутствии катализатора. В мире уже имеется несколько введенных в эксплуатацию установок получения метана из древесных отходов.
Биотопливо третьего поколения — топлива, полученные из водорослей. Депртамент Энергетики США с 1978 г. по 1996 г. исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program» . Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гавайи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м². Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате СО 2. Урожайность составила более 50 гр. водорослей с 1 м² в день. 200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5 % автомобилей США. 200 тысяч гектаров — это менее 0, 1 % земель США, пригодных для выращивания водорослей. У технологии ещё остаётся множество проблем. Например, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур. В конце 1990 -х годов технология не попала в промышленное производство из-за низкой стоимости нефти. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для
Производство биотоплива • По оценкам Wordwatch Institute в 2007 г. во всём мире было произведено 54 миллиарда литров биотоплив, что составляет 1, 5 % от мирового потребления жидких топлив. Производство этанола составило 46 миллиардов литров. США и Бразилия производят 95 % мирового объёма этанола. • В 2010 году мировое производство жидких биотоплив выросло до 105 миллиардов литров, что составляет 2, 7 % от мирового потребления топлива на транспорте. В 2010 году было произведено 86 миллиардов литров этанола и 19 миллиардов литров биодизеля. Доля США и Бразилии в мировом производстве этанола снизилась до 90 %.
Экономический эффект По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15 %.
Потенциал По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385— 472 миллиона гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10 % до 25 %.
Критика Критики развития биотопливной индустрии заявляют, что растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных. Например, при производстве этанола из кормовой кукрузы барда используется для производства комбикорма для скота и птицы. При производстве биодизеля из сои или рапса жмых используется для производства комбикорма для скота. То есть производство биотоплива создаёт ещё одну стадию переработки сельскохозяйственного сырья. По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 г. возрастёт до 1, 2 млрд человек. Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) в своем отчете за 2005 говорит о том, что рост потребления биотоплив может помочь диверсифицировать сельскохозяйственную и лесную деятельность, и улучшить безопасность пищевых продуктов, способствуя экономическому развитию. Производство биотоплив позволит создать в развивающихся странах новые рабочие места, снизить зависимость развивающихся стран от импорта нефти. Кроме этого производство биотоплив позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли. Например, в Мозамбике сельское хозяйство ведётся на 4, 3 млн. га из 63, 5 млн. га потенциально пригодных земель. К 2007 г. в США для производства этанола работали 110 ректификационных заводов и строились ещё 73. К концу 2008 американские мощности по производству этанола достигнут 11, 4 млрд. галлонов в год. Джордж Буш в обращении к нации в 2008 г. призвал к 2017 г. поднять производство биоэтанола до 35 млрд галлонов в год. Для одной заправки этанолом джипа (100 л) требуется около 450 фунтов кукурузы. Это пропитание одного человека «третьего мира» в течение почти года. Таким образом, в случае реализации планов администрации США по расширению производства биотоплива, в 2017 г. только для американских автомобилей потребуется продуктов, достаточных для пропитания более чем миллиарду людей. В «Размышлениях главнокомандующего» (28. 03. 2007) Фидель Кастро Русс посвятил критике президента США Буша, который «после совещания с главными американскими автомобилестроителями высказал свою дьявольскую идею о производстве топлива из продуктов питания… Глава империи хвалился тем, что Соединенные Штаты, используя кукурузу в качестве сырья, уже стали первым в мире производителем этанола» , — писал Кастро. И затем, опираясь на цифры и факты, показал, что такой подход обострит проблемы снабжения продовольствием в странах третьего мира, население которых и так часто живет впроголодь. В Индонезии и Малайзии для создания пальмовых плантаций была вырублена немалая часть тропических лесов. Причиной стала гонка за производством- топлива, созданного на основе растительных или животных жиров, в качестве альтернативы дизельному топливу (рапсовое масло в качестве топлива может использоваться в чистом виде). Невысокая себестоимость и небольшие
Критика • Простые расчеты показывают, что для замены хотя бы 1/5 углеводородного сырья биотопливом нужно засадить рапсом или кукурузой всю территорию США, а что будут кушать люди?
Биотопливо в Европе и в России Европейская комиссия поставила задачу использовать к 2020 году альтернативные источники энергии как минимум в 10 % транспортных средств. Есть также промежуточная цель в 5, 75 % к 2010 г. По данным Росстата, в 2010 году российский экспорт топлива растительного происхождения (в том числе солома, жмых, щепа и древесина) составил более 2, 7 млн тонн. Россия входит в тройку стран экспортеров топливных пеллет на европейском рынке. Всего около 20 % произведённых биотоплив потребляется в России.
Альтернативная энергетика 1. 2. 3. 4. 5. Значение в мировом и российском энергопотреблении. Виды альтернативной энергетики. Экономическая эффективность. Экологическая безопасность. Перспективы использования альтернативной энергетики, ее плюсы и минусы.
Скачать презентацию экологические проблемы энергетики Рост энергопотребления Общее мировое
Экологические прблемы энергетики.pptx