.

Матеріально-енергетичні баланси промислового виробництва і шляхи вирішення еколого-виробничих проблем (реферат)

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 4943
Скачать документ

Реферат на тему:

Матеріально-енергетичні баланси промислового виробництва і шляхи
вирішення еколого-виробничих проблем

Промислова енергетика та її техніко-економічні й екологічні проблеми
розвитку

Економічну доцільність експлуатації тієї чи тієї технології конверсії
енергії зумовлено співвідношенням частини отриманої чистої енергії А до
частини, яка повертається для забезпечення процесу конверсії енергії Б
(«енергетичного штрафу»). Концепція чистого виходу будь-якої енергії
ілюструється схемою рис. 45.

А — «чиста» енергія, яка надходить для використання в промисловості й
побуті.

Б — «енергетичний штраф», необхідний для процесу конверсії вихідної
енергії.

Рис. 45. Концепція чистого виходу конверсії енергії

2. Розрахунок показує, що коли видобуток, тобто глибинне буріння
свердловини і викачування 1 t нафти забирає понад 300 kW·h
електроенергії, то навряд чи за таких умов можна вирішити проблему браку
енергії за рахунок видобутої нафти. Отже, з економічного погляду,
питання не в тім, яка питома теплота горіння нафти чи скільки енергії
виділяється за розщеплення ядер урану, а скільки з таких енергетичних
джерел після того, як буде виплачений весь «енергетичний штраф» і
витрачено енергію на екологічні заходи й охорону здоров’я людей,
залишиться для використання в промисловості й побуті.

Виходячи з цих еколого-економічних положень, проаналізуємо конкретні
сучасні технологічні системи конверсії різних форм енергії. Але спочатку
нагадаємо теоретичний аспект проблеми.

За першим законом термодинаміки, передача енергії системі чи від системи
може відбуватись у двох формах: у формі теплоти q і роботи W. Відповідно
до цього внутрішня енергія системи U, від якої передається енергія,
зміниться на:

(1)

У промисловій енергетиці ми переважно маємо справу з формою роботи,
зв’язаною із розширенням системи. Наприклад, пара (Н2О) до енергетичної
турбіни електроагрегату надходить під тиском 50 МРа і виходить з турбіни
з тиском, близьким до атмосферного. Отже, об’єм системи збільшується
майже в 500 разів. При цьому виконана робота визначатиметься з рівняння:

(2)

V — зміна об’єму. Оскільки система пари виконує роботу над системою
турбіни, то внутрішня енергія пари зменшується, що відповідає від’ємному
знаку.

разів більший, ніж об’єм рідкого пального. Відповідно до такої схеми
корисну роботу згоряння пального можна було б оцінити за формулою (2).

У нашому прикладі з двигуном внутрішнього згоряння робота виконується
хімічною системою тільки за рахунок збільшення об’єму системи (2). Якщо
в (1) підставимо значення W з (2), то одержимо

(3)

, яка не реалізується в енергію роботи, а відображує перетворення її на
теплову енергію нагрівання системи двигуна й вихлопних газів

зростатиме зі збільшенням різниці між температурою в камері згоряння і
температурою вихлопних газів (tн – tх).

Виникає питання, чим саме зумовлено різницю tн і tх? Відповідь на це
питання розглянемо далі.

Якість енергії: техніко-економічна та

екологічна характеристика енергоносіїв

У розділі, присвяченому термодинаміці, ми вже обговорювали це питання
стосовно природничих процесів конверсії енергії, характеризуючи якість
енергії як її концентрованість. Що вища така характеристика енергії, то
вищою буде її здатність перетворюватись з меншими витратами в більш
концентровану форму.

Встановлено (за Одумом), що з кожних 10 000 J сонячної енергії, яка
надходить на фотосинтез рослини, остання концентрує в більш якісній
формі міжатомного хімічного зв’язку біомаси лише одну соту — 100 J, з
яких, у свою чергу, може бути конвертовано в енергію біомаси травоїдної
тварини вже одну десяту — 10 J, і хижака — 1 J.

Другий напрямок концентрованості енергії рослинної біомаси — це її
послідовна концентрація у вигляді природних горючих копалин, що їх
використовує сучасна економіка як енергоносії (торф, вугілля, нафта і
газ).

На рис. 46 наведено схему послідовної конверсії сонячної енергії в
електричну відповідно до сучасної технології з ланкою теплової
електростанції.

Рис. 46. Схема енергетичних втрат за послідовної конверсії

сонячної енергії в електричну й підвищення її якості

Як бачимо, концентрація електричної енергії у 8000 разів перевищує
сонячну. Кількісну характеристику якості енергії (коефіцієнт) можна
виражати в сонячних еквівалентах Кс = Ес/Ек, де Ес — сонячна енергія,
яка надійшла на конверсію; Ек — енергія, отримана в процесі прямої чи
послідовної конверсії.

Іншою, більш практичною характеристикою якості енергії, може бути
еквівалент умовного викопного палива Кп (відношення сонячного
еквівалента даної енергії до сонячного еквівалента умовного палива):

Коефіцієнт Кп характеризує ступінь концентрації енергії у даному паливі
відносно її концентрації в умовному паливі. Значення еквівалентів Кс і
Кп для різних видів енергоносіїв наведено в табл. 25.

Таблиця 25

КОЕФІЦІЄНТИ ЯКОСТІ ЕНЕРГІЇ (ЕКВІВАЛЕНТИ)

І КОНВЕРСІЇ (ВЗАЄМОПЕРЕТВОРЕННЯ)

Тип енергоносія Сонячний еквівалент Еквівалент

умовного палива* Коефіцієнт технічної конверсії

Сонячне світло 1 0,0005 в електричну — до 0,1

Рослинна маса (дрова) 1000 0,5

Викопне паливо:

Вугілля, нафта, газ

Механічна енергія:

потік падаючої води,

припливів, вітру 6000 3 в електричну 0,97

Електроенергія 8000 4 в механічну 0,99

Усе ж така форма вираження якості енергії є більше якісним ніж
кількісним показником і не може дати нам чіткої відповіді на питання:
яке з викопних палив і за яких умов забезпечить більш високий коефіцієнт
конверсії в більш концентровану форму. Спробуємо, однак, відповісти на
це питання.

, недостатньо: температура згоряння не завжди пропорційна цій фізичній
величині. Наприклад, звичайне вугілля, питома теплота згоряння якого
майже втричі вища, ніж у пороху чи у спеціальних горючих сумішей
(ракетне паливо, терміти тощо), згоряє за значно нижчої температури, ніж
вони, і (за однакової маси) за значно триваліший час. Це останнє і має
вирішальне значення.

Виходячи з наведених міркувань, ми можемо запропонувати оригінальний
показник характеристики технологічної якості енергоносія (фізичну
величину та її одиницю) — відношення питомої теплоти згоряння до часу
згоряння за визначених (стандартних) умов.

.

. Ця одиниця характеристики якості палива є, по суті, потужністю Р, яку
розвиває 1 kg палива MJ/s під час згоряння. Саме цей показник
характеризує високу ефективність ракетних твердих палив і вибухових
речовин.

Звичайно, для визначення такого показника якості різних видів палива
необхідно для кожного з них визначити час згоряння однакової маси за
стандартних умов контакту з окиснювачем.

Отже, за конверсії енергії палива двигунів у корисну роботу коефіцієнт
конверсії буде прямо пропорційним температурі згоряння (якості енергії)
і обернено пропорційним температурі вихлопних газів. Останнє залежить
від конструкції двигуна, що, у свою чергу, зумовлює намагання
конструкторів наблизити робочий цикл кожного реального типу двигуна до
циклу «ідеальної машини» Карно (див. 1.3.3).

Таблиця 26

КОЕФІЦІЄНТ КОНВЕРСІЇ ЕНЕРГІЇ З ОДНИХ ФОРМ В ІНШІ

В СУЧАСНИХ СИСТЕМАХ ТЕХНОЛОГІЇ ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Конверсійна система

(перетворювач енергії) Форми енергії Коефіцієнт конверсії (корисної
дії), %

Спалювання викопного палива: хімічна ( теплова

у топках

до 40

форсунками для газу і нафти

до 65

Д. Уатта парова машина: (1897 р.) хімічна ( теплова ( механічна 3—4

сучасна (стаціонарна)

15—17

Парова турбіна за параметрів: хімічна ( теплова ( механічна

Р = 3,5 МРа і Т = 700 К

25

Р = 4 МРа і Т = 820 К

40

Двигуни внутрішнього згоряння: хімічна ( механічна

карбюраторний

25—30

дизельний

28—40

газотурбінна установка

25—28

Електрогенератор механічна ( електрична 98

Суха електробатарея хімічна ( механічна 90

Автомобільний акумулятор електрична ( хімічна ( електрична 73

Атомна електростанція ядерна ( теплова ( електрична 33

Сонячна батарея Світлова ( електрична 2 — 10

У табл. 26 наведено коефіцієнти конверсії двигунів різних конструкцій.

Проаналізуємо дані таблиці. Найнижчий коефіцієнт конверсії теплової
енергії пального в роботу має місце в парових машинах, що зумовлено
технічними складностями реалізації високих температур водяної пари, отже
й тиску, «на вході» в машину перед поршнем робочого циліндра і малою
залежністю температури пари «на виході» від конструкції машини. Саме за
показником температури пари «на вході» парові турбіни мають перевагу над
паровими машинами. Серед двигунів внутрішнього згоряння дизельні мають
найвищий коефіцієнт конверсії, хоч за показниками якості дизельне пальне
поступається бензину. У даному разі вирішальний вплив на коефіцієнт
конверсії має конструкція двигуна, яка зумовлює наближення
характеристики робочого циклу двигуна до циклу ідеальної машини Карно.

На щастя, напрями технічного вдосконалення конструкції двигунів щодо
підвищення економічної та екологічної характеристик збігаються і
полягають у забезпеченні найбільш повного згоряння палива у двигуні, що
зменшує викиди токсичних канцерогенних органічних сполук типу
бензопірену і не до кінця окисленого вуглецю СО. Є підстави сподіватись,
що найбільш повно комплексній техніко-економічній і екологічній
характеристиці якості палива в перспективі відповідатиме молекулярний
водень Н2, під час згоряння якого утворюються лише водяна пара чи
конденсована (рідка) вода.

Сучасна економіка більшу частину вилучених з природи енергетичних
ресурсів піддає технологічній конверсії у високоякісну і зручну для
використання електричну енергію. Дані щодо виробництва електроенергії і
видобування природних енергоносіїв у різних країнах світу наведено в
табл. 27.

У наступних підрозділах ми розглянемо основні принципи технологій
конверсії різних видів природних енергетичних ресурсів саме в
електроенергію у зв’язку з економічними та екологічними проблемами їх
реалізації.

Системи технологій ТЕС і шляхи

розв’язування проблеми токсичних викидів

На теплових електростанціях (ТЕС) вихідним джерелом енергії є органічне
паливо, передовсім вугілля, а також сланці, нафтовий мазут, газ. Система
технологій теплоенергетики складається з таких ланок:

1) видобуток вугілля (шахтним чи відкритим способом);

2) збагачення і підготовка до спалювання;

3) спалювання вугілля і одержання водяної пари високого тиску;

4) конверсія теплової енергії пари послідовно в механічну енергію
парової турбіни і в електричну (в одному блоці турбоелектрогенератора).

На рис. 47 зображено спрощену схему ТЕС. Реальні агрегати конструктивно
значно складніші.

Рис. 47. Схема енергоматеріальних потоків теплової електростанції (ТЕС):

1 — топка; 2 — паровий котел з перегрівачем пари; 3 — парова турбіна; 4
— електрогенератор; 5 — теплообмінник; 6 — насос постачання водою
(конденсатом) парового котла; 7 — насос циркуляції води в охолоджуючому
контурі

Щоб з’ясувати екологічну проблему ТЕС, треба проаналізувати кількісні та
якісні характеристики відходів у ланцюгу потоку енергії від видобутку
вугілля до одержання електроенергії. Але розрахунки зручніше робити,
задавшись потужністю електрогенератора і по черзі переходити до
попередньої стадії конверсії.

Тобто, якщо (умовно) потужність досить великого електрогенератора
становить 1000 MW, коефіцієнт корисної дії конверсії механічної енергії
парової турбіни в електричну — 0,95, а енергії вугілля в енергію пари і
далі в механічну — 0,37, то для ТЕС повний коефіцієнт конверсії
дорівнюватиме добутку: ? = 0,95·0,37 = 0,36.

Якщо питома теплота згоряння якісного кам’яного вугілля становить
близько 28 J·kg-1, то щосекунди його треба спалювати

Отже, згідно з першим законом термодинаміки, тепло, що виділяється під
час згоряння 100 kg вугілля за 1s (100kg * 28 MJ/kg) за енергією має
бути еквівалентне сумі енергій, а саме 1000 MJ, які виробляє за одну
секунду електростанція потужністю у 1000 MW, і одночасно втрачає [(100
kg * 28 MJ/kg) — 1000 MJ] = 1800 MJ. Відтак коефіцієнт конверсії
(корисної дії — ?) дорівнює відношенню отриманої електроенергії до
енергії, яка виділилась під час згоряння енергоносія. У нашому випадку ?
збігається з орієнтовно визначеним вище.

Розглянемо матеріальні потоки за реалізації конверсії внутрішньої
енергії під час згоряння 100 kg вугілля в електричну енергію. Склад
різних видів кам’яного вугілля коливається в досить широких межах. Так,
вміст вуглецю становить 75—97%, водню 2—5%, кисню 2—15%, сірки 1—4%,
азоту до 1,5%. Крім наведених хімічних елементів вугілля містить у
невеликій кількості інші, які утворюють до 6% золи (оксиди і солі), а
також токсичні леткі сполуки. Виходячи з середніх значень наведених
даних щодо складу вугілля, виконаємо розрахунки за вже відомою нам
схемою (див. 1.2.4. Стехіометрія).

Вихід діоксиду вуглецю (СО2) і витрати кисню за повного згоряння вугілля
визначимо за стехіометричним рівнянням:

С + О2 = СО2.

Молярні маси, g/mol:

С = 12; О2 = 32; СО2 = 44.

у 100 kg вугілля із середнім вмістом 86% вуглецю відповідно становить:

За аналогічним розрахунком маса і кількість речовини (mol) витраченого
кисню становитимуть:

Вихід діоксиду сірки за стехіометричним рівнянням: S + O2 = SO2 за її
вмісту у вугіллі 2,5% становитиме:

Молярні маси, g/mol: S = 32; O2 = 32; SO2 = 64.

Вихід оксидів азоту в перерахунку на NO2, якщо середній вміст азоту 1%,
визначимо за рівнянням N + O2 = NO2.

Молярні маси, g/mol: N = 14; O2 = 32; NO2 = 46.

Витрати сумарної кількості атмосферного кисню (mol) на окиснення сірки й
азоту визначимо, виходячи з того, що за стехіометричним рівнянням на
один моль SO2 i NO2 потрібно по одному молю О2. Отже, на 0,08 kmol SO2 i
0,07 kmol NO2 буде витрачено 0,08 + 0,07 =

= 0,15kmol молекулярного кисню (О2), маса якого становитиме 0,15 kmol ·
32 = 4,8 kg.

Разом з розрахованою вище масою витрати кисню на окиснення вуглецю
вугілля (229,3 kg) сумарна витрата атмосферного кисню становитиме:

У складі атмосферного повітря в топку електростанції, крім кисню,
надходить ще молярний азот (N2) відповідно до складу повітря (О2 — 23%,
N — 76% і близько 1 % інертних газів).

Звідси маса повітря:

Об’єм повітря Vп, яке надходить у топку парового котла електростанції
кожної секунди (за умов спалювання 100kg вугілля за секунду), можна
визначити, виходячи з розрахованої вище кількості речовини (mol) кисню й
азоту:

Якщо кількість речовини (mol) попередньо не розраховувалась, але відома
маса повітря — mп і густина ?п, то об’єм Vп дорівнюватиме:

за молярною масою тільки азоту.

(100%).

Звідси склад димових газів за об’ємом (% об’ємн.):

.

Слід зазначити, що за розрахунку об’єму ми знехтували незначною витратою
азоту на утворення його оксиду, вологістю повітря та іншими компонентами
реагуючої системи. Але навіть більш коректний підхід не змінить
результату розрахунків за стехіометричним рівнянням. Інша справа — це
відхилення розрахункових даних від реальних. Передовсім це зумовлено
технологічною доцільністю подавання в топку значно більшої кількості
повітря, а також нехтуванням водяною парою (з повітря і вугілля), яка
реагує з вуглецем і оксидами сірки та азоту.

Отже, крім наведених, у димових газах міститимуться ще СО, NO, пари
відповідних кислот та деякі інші речовини. Цінність розрахунку полягає в
тім, що він дає можливість визначити як мінімальні витрати чистого
повітря і вугілля, так і нижчу межу викиду токсичних речовин і
прогнозувати екологічні наслідки.

Обчислені дані щодо спалювання 100 kg вугілля за 1s відповідають
тепловій потужності топки 3000 MW і щосекунди така ТЕС виробляє 1000 MJ
енергії (278 kW·h). Матеріальні й енергетичні потоки спалювання вугілля
на 1000 MW потужності ТЕС показано на рис. 38. Для більшої наочності
розглянемо ситуацію, яка складається навколо великої сучасної
електростанції з потужністю 3000 MW, отже, такої, котра спалює 300kg
вугілля за 1s (необхідні вихідні дані ми розрахували вище).

За добу, тобто за 86400s, викиди (мінімальні) становитимуть

за СО2 : 3 · 315 · 8,64 · 104 = 8165·104kg (81650t);

за SO2 : 3 · 5 · 8,64 · 104 = 129 · 104kg (1290t);

за NO2 : 3 · 3,3 · 8,64 · 104 = 85 · 104kg (850t).

Поглинання кисню з атмосфери становитиме

3 · 234 · 8,64 · 104 = 6065 · 104kg (60650t).

Увага! Над 1 m2 Землі кисню в атмосфері лише 2,3t!

При цьому на станцію треба завезти вугілля:

3 · 100 · 86400 = 2592 · 104kg (25920t)

і вивезти шлаку: 3 · 5,2 · 86400 = 134784kg (1348t). Не важко
підрахувати, що під відвали шлаку і золи (заввишки до 10m) потрібно
щороку відводити площу до 3ha.

У розділі 1.1.3 ми вже звертали увагу на економічні проблеми, пов’язані
з розбудовою в Україні ще в 70-х роках саме таких електростанцій
(Криворізької — 3000 MW і Запорізької — 3600 MW). Не важко розрахувати,
що на кожну вироблену kW·h така ТЕС поглинає понад 3000 літрів повітря,
повертаючи в атмосферу токсичний дим. Така ціна 1 kW·h (приготування на
електроплиті сніданку).

Оскільки в промислово розвинутих країнах теплові електростанції
виробляють сьогодні від 60 до 80% всієї електроенергії, то щорічні
викиди в атмосферу токсичних газів становлять в таких країнах (у тім
числі в Україні) сотні мільйонів тонн.

, але навіть у чистому повітрі через наявність СО2 природного
походження вона підкислюється до рН 6,0…5,6. Нині в промислових
регіонах, де атмосферу забруднено промисловими викидами оксиду сірки і
азоту, рН дощової води часто буває навіть менше 4. Зменшення рН на
одиницю означає збільшення кислотності в 10 разів, на дві — 100 разів.
Відомі випадки, коли йшов дощ з рН близько 2,5, тобто коли кислотність
води була така сама, як і харчового оцту. Всі живі організми в озерах і
водоймищах з підкисленою такими дощами водою загинули. На рис. 48
показано рівні рН дощової води в порівнянні з відомими нам «кислими
об’єктами».

Рис. 48. Рівні кислотності природної дощової і морської води в

порівнянні з кислотними розчинами

Аналізуючи перспективи розвитку світової економіки в наступні 50 років,
футурологи передбачають різке збільшення використання викопних
вуглеводневих енергетичних ресурсів: у середньому за кожне десятиріччя
ХХІ ст. буде використовуватись палива більше, ніж за останні 50 років ХХ
ст. (табл. 28). Отже, гострота екологічних проблем не зменшиться.

Системи технологій АЕС і проблеми

радіаційної безпеки

Перший атомний реактор було побудовано 1942 року в США під керівництвом
італійського вченого Е. Фермі, а в СРСР — 1946 р. під керівництвом І. В.
Курчатова.

Рис. 49 Структурно-енергетична

схема розпаду атома

урану-235

Атомний, а точніше ядерний, реактор — це апарат, що в ньому відбувається
ланцюгова реакція ділення ядер атомів важких елементів. У сучасних
ядерних реакторах використовують уран. Ділення ядер урану стає можливим
за опромінювання їх нейтронами (рис. 49).

U (останнього є найменше — лише один атом на 17 000 атомів урану-238).
В ядерний реактор завантажують або природний уран чи його сполуки, або
уран, дещо збагачений ізотопом U-235, бо лише останній під дією
нейтронів може ділитись у режимі відносно керованої ланцюгової ядерної
реакції за забезпечення належних умов.

У природному урані завжди існують вільні нейтрони, які виділяються за
ділення ядер урану-235 і інших, але ланцюгової реакції при цьому не
відбувається, оскільки ядра ізотопу урану-238, яких у 140 разів більше,
ніж урану-235, поглинають нейрони, перериваючи в зародку ланцюговий
процес ділення ядер. Крім того, далеко не кожне попадання нейтрона в
ядро урану-235 спричиняє його ділення: більша частина нейтронів високої
енергії (~ 2 МеV) просто пронизує ядро наскрізь.

~ ? ? b

d

HJNPZ??aaeeoe”

$

h

j

O

Oe

???????$?????

?Љ?Љ??

I

X

X

X

X

X

X

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

gd” –

gd” –

”\”¬”i•a?A? !Ue!?cPY1/4Yo¦oooooocooss*ooocOE·«

gd” –

gd” –

j

cIAe????°?°?¤????°

gd” –

торі це досягається спеціальними уповільнювачами (графіт, берилій,
вода), проходячи через які нейтрони знижують швидкість, отже й енергію,
до теплових її величин.

На рис. 49 показано, що в процесі розкладу атома урану-235 виділяється
близько 200 МеV. А скільки енергії виділяє, наприклад, 1g урану?

Послуговуючись прикладом (див. 2.1.5), визначимо кількість атомів — n в
1g урану-235.

Відтак енергія, яка виділяється за розпаду 1g урану-235, дорівнює:

, або 82 000 000 MJ/kg, що перевищує енергію вугілля (q = 30 MJ/kg)
майже у 2,7 ( 106 разів і еквівалентно 22,7 ( 106 kW ( h.

Схему системи технологій атомної енергетики подано на рис. 50.

До 1986 р. апологети атомної енергетики особливо підкреслювали виняткову
екологічну чистоту і технічну безпеку АЕС. На початку 1986 р. у світі
вже працювало 350 енергетичних атомних реакторів загальною потужністю
понад 250 000 MW.

Поряд з атомними реакторами з графітовою кладкою типу РБМК-1000 було
введено в експлуатацію водо-водяні реактори ВВЕР-1000 (рис. 51)*.

Рис. 51. Схема енергоматеріальних потоків блоку атомної електростанції
(АЕС):

1 — атомний котел; 2 —елементи з ядерним паливом, що виділяють тепло; 3
— стержні, які регулюють коефіцієнт розмноження нейтронів
(енергоактивність); 4 — первинний водяний контур високого тиску; 5 —
вторинний пароводяний контур; 6 — парова турбіна; 7 — електрогенератор;

8 — теплообмінник; 9 — насос.

Засадні обгрунтування економічних і екологічних переваг АЕС базувались
на таких твердженнях:

Ресурси урану для атомної енергетики дорівнюють ресурсам вугілля, нафти
й газу разом узятим.

АЕС економлять дефіцитне органічне паливо (нафту і газ).

АЕС не споживають кисню і майже не викидають шкідливих газів і твердих
продуктів.

За збільшення потужності всіх діючих електростанцій, навіть у
кількадесят разів, глобальне радіоактивне забруднення становитиме не
більше 1% від рівня природної радіації на планеті.

Атомна енергетика ліквідує прірву між багатими й бідними державами,
зменшить загрозу насильницького перерозподілу світових ресурсів.

Такі оцінки були дуже популярні до 26 квітня 1986 р., коли в Україні
сталася катастрофа — вибухнув атомний реактор РБМК-1000 Чорнобильської
АЕС. Це була перша й донині єдина аварія такого великого масштабу. За
оцінками закордонних фахівців на ліквідацію наслідків катастрофи
необхідні витрати в розмірі понад 150 млрд доларів США.

Усіма державами світу було переглянуто й суттєво скорочено програми
дальшої будови АЕС.

За прискіпливішого аналізу деяких фахівців з’ясувалося, що
капіталовкладення на одиницю потужності АЕС майже в два рази більші, ніж
у тепловій станції, витрати води більші у 2 — 3 рази, викиди
радіоактивних нуклідів навіть тих АЕС, що нормально працюють, за добу
становлять близько 300 Сі.

Ще до Чорнобильської трагедії голова комісії з атомної енергії США
попереджав: «Мабуть ніхто не розумів, що навіть якщо всі частини системи
якісні і підігнані одна до одної як належить, то може статись, що жодна
з них є непридатною». «Частини … підігнані як належить» — треба розуміти
як узгоджені процеси протягом усього циклу одержання атомної енергії —
від добування сировини до знешкодження відходів*.

Нині багато які країни вирішили не форсувати розбудову атомної
енергетики до того часу, доки не буде винайдено нових, безпечніших
методів вилучення енергії з атома. Відтак перед людством постала
актуальна проблема — розглянути альтернативні тепловій і атомній
енергетиці джерела.

Під впливом гострої опозиції з боку суспільства було частково зупинено
проектування й будівництво нових АЕС і в колишньому СРСР. Після
землетрусу у Закавказзі було виведено з експлуатації Вірменську АЕС
(нині вона знову запрацювала). 1990 року в СРСР на п’ятнадцяти атомних
станціях з реакторами на теплових нейтронах потужністю 440, 1000, 1500
MW було вироблено понад 210 млрд kW ( h, що майже у два рази менше від
запланованого.

Що далі? Чи будуватимуться нові АЕС? Нині у світі близько 20%
електроенергії виробляється на АЕС, до 12% — на гідроелектростанціях і
близько 70% — на ТЕС. Індустріальна економіка зазнає дефіциту
електроенергії.

Перспективним і конкурентоспроможним паливом щодо вугілля й нафти
виявився газ. Але потужні родовища газу сьогодні занадто віддалені від
України (Росія, Середня Азія, Іран) — середня відстань становить близько
2500 km.

Крім економічних факторів, на заваді посиленому розвиткові ТЕС стає
екологічний фактор, про що вже йшлося раніше. Через це деякі фахівці
доводять, що альтернативи атомній енергетиці в центральних регіонах
Росії (і в Україні) немає. Останнім часом цей погляд знаходить підтримку
серед урядовців і законодавців (насамперед у Росії і Казахстані).

На початку 90-х рр. планувалось збільшити до 2010 р. в цих регіонах
сумарну потужність АЕС понад 100 000 MW. Нагадаємо, що четвертий блок
Чорнобильської АЕС, який вибухнув 1986 р., мав потужність 1000 MW. Чи
буде реалізовано згаданий проект, точно сказати неможливо. Існує ще
багато невирішених проблем щодо більш широкої розбудови атомної
енергетики, серед яких основна — це надійність функціонування всієї
системи технологій атомної енергетики: від добування ядерного палива до
знешкодження, переробки й схоронення радіоактивних відходів, демонтажу
АЕС і виведення їх з експлуатації.

Особливо гостро ця проблема постала в Україні після Чорнобильської
катастрофи. За рекомендацією міжнародних установ реактори РБМК-1000
Чорнобильської АЕС як недосконалі й небезпечні мали були вивести з
експлуатації. Уряд України погодився з таким висновком і планує закриття
ЧАЕС за умови закордонної фінансової підтримки.

1998 р. в Україні працювало 15 атомних енергоблоків, які виробляли понад
40% від загальної кількості електроенергії країни (у Франції — 76%).

За кількістю електроенергії, виробленої на АЕС, Україна належить до
першої п’ятірки країн світу. Перше місце (на 1995 р.) за сумарною
потужністю блоків АЕС (GW) належить США — 110, далі Франція — 60, Японія
— 35, ФРН — 24, Україна — 15. 1998 р. в різних країнах світу працювало
близько 450 блоків АЕС.

Сьогодні науковий потенціал економічно розвинених держав у галузі
енергетики спрямований на вирішення проблеми енергетики за рахунок
потужнішого і значно безпечнішого джерела — ядерного синтезу. Одержання
електроенергії від контрольованих термоядерних реакторів проходить дві
основні стадії:

одержання і стабілізація високотемпературної плазми (понад 100 млн (С);

— розробка конструкції реактора і промислової системи технологій
виробництва електроенергії.

Першим термоядерним реактором такого типу, який виявився працездатним у
лабораторних умовах, був російський реактор типу «Токамак», принцип дії
якого показано на рис. 52.

Рис. 52. Принципова схема енергосистеми ядерного синтезу:

1 — установка ядерного синтезу; 2 — генератор електромагнітного поля; 3
— плазма ядерного синтезу; 4 — теплообмінник; 5 — паровий контур турбін;
6 — парова чи газова турбіна; 7 — електрогенератор.

Зараз багато європейських країн опрацьовує цей принцип видобутку
електроенергії, але це — усе ще перспектива далекого майбутнього. Нині
країни світу з обмеженим потенціалом природного викопного палива
(вугілля, нафти, газу) змушені будувати АЕС.

Парадоксально, що наша країна, яка, на відміну від Франції, може більше
ніж на 50% забезпечити свої потреби в електроенергії органічним паливом,
і сьогодні продовжує розбудовувати АЕС. Звичайно, така політика
диктується сьогочасними економічними міркуваннями, але чи є вони справді
переконливими? До цього питання ми ще повернемося, аналізуючи проблеми
енергозбереження економіки України і конкретні перспективи АЕС. Тут лише
зауважимо, що посилання на такі країни, як Франція, де
електрозабезпечення країни на 80% залежить від АЕС, не коректні: ні за
рівнем науково-технічного забезпечення експлуатації устаткування, ні за
рівнем технічної культури персоналу вітчизняні АЕС не відповідають
міжнародним стандартам. Передовсім це стосується саме реакторів
РБМК-1000 Чорнобильської АЕС. До речі, на АЕС з реакторами такого типу в
Росії (Сосновий Бір) і Литві (Ігналінська АЕС) уже виконано роботи з
реконструкції активної зони реакторів. На підвищення безпеки витрачено
десятки мільйонів доларів.

Урядова політика в Україні щодо АЕС з часу Чорнобильської катастрофи
була неоднозначною і суперечливою. Зрозуміло, що вона почала формуватись
у Москві ще до розпаду СРСР, а з 1991 р. фінансування ліквідації
наслідків аварії було перекладено цілком на мізерний український бюджет.
Сьогодні нема одностайності серед науковців-атомників, економістів і
урядовців щодо дальшої долі атомної енергетики країни. Проблематичним є
питання доцільності створення вітчизняної індустрії замкненого ядерного
циклу — від видобутку уранової руди до захоронення відпрацьованого
ядерного палива. Стосовно цього колишній міністр енергетики України
Віталій Скляров висловився так: «Якщо ми створимо замкнений цикл ядерних
реакторів і все, що з ним зв’язане, то це буде такий тягар для України…
Невідомо, яка економіка його витримає…» Хоч він і мав рацію, але
однозначної відповіді на питання, яким шляхом буде розвиватись
енергетика України у перші десятиріччя ХХІ ст., сьогодні не існує. Щодо
ядерної енергетики, то збільшення її частки у загальнодержавному балансі
буде економічно недоцільним. Це обумовлено самою технологічною природою
безперервної генерації електроенергії АЕС, у той час, як потреби в ній
протягом доби коливаються в 1,5 — 2 рази. Постійна складова добової
потреби електроенергії у загальнодобовій становить 40 — 50%. Саме таку
частку електроенергії сьогодні виробляють АЕС.

Теплогенеруючі елементи АЕС (твели) з дорогим ядерним паливом теоретично
можуть безперервно працювати протягом багатьох місяців, але якщо їх
вимикати-вмикати хоч би тільки один-два рази на день (у пікові години),
то їхній енергоресурс вичерпається за один-два місяці: твели, які
Україна закуповує в Росії, розраховано лише на 80 пар увімкнень-вимкнень
(твели французького виробництва витримують у кілька разів більше).

Крім цього, специфічна проблема АЕС — відпрацьоване ядерне паливо. За
кожний його кілограм, вивезений до сховищ у Красноярську, Україна
сьогодні сплачує Росії суму, еквівалентну сотням доларів США. Можливість
продовження цих угод з Росією також є проблематичною, оскільки Росія і
сама задихається від ядерних відходів: наприклад, більше ніж 100
підводних човнів з відпрацьованими ядерними реакторами перебувають на
відстою в російських портах уже понад 20 років.

У будь-якому разі дальша ціна збереження ядерних відходів за
найоптимістичнішими прогнозами зростатиме до 1 тис. доларів США за 1 кг.
За такої ціни стає доцільною реалізація в Україні програми повного циклу
ядерної енергетики. Але грошей нема ні на оплату чужих складів, ні на
будівництво власних. Коло замикається.

Нині вже ніхто не заперечуватиме, що поборники гіперболізованої ядерної
енергетики в другій половині ХХ ст. сприяли занепаду вугледобувної
галузі в Україні і фактично загальмували процес удосконалення теплових
електростанцій (ТЕС). Чимало апологетів атомної енергетики знайдеться в
Україні і зараз. Спростовуючи їхні аргументи, треба виходити з таких
засадних принципів.

По-перше. Україна має єдиний енергоносій, зате в необмеженій кількості,
— вугілля: якщо добувати його до 150 млн t щороку, лише розвіданих
запасів вистачить до ХХІV ст.

По-друге. Порядок підрахунку повної собівартості електроенергії на
сучасних АЕС (з урахуванням усіх матеріальних і соціальних збитків) в
Україні ще не визначено, в усякому разі настільки, щоб коректно
порівнювати її з ТЕС. Ну, а щодо негативного впливу цілковитої
залежності АЕС від Росії на економічне й політичне життя країни, то
відповідь є цілком однозначною.

По-третє. В екологічному плані сучасні технології спалювання вугілля
забезпечують достатню екологічну безпеку: у США і Німеччині понад 60%
усієї електроенергії виробляють саме на вугільних електростанціях.

Слід підкреслити, що сьогодні в країнах світу, що мають поклади вугілля
(США, Німеччина, Польща, ПАР), споживання вугілля на душу населення у 2
— 4 рази більше, ніж в Україні. Навіть в Росії, за наявності великих
природних запасів нафти й газу, цей показник у півтора раза вищий, ніж в
Україні.

З екологічного боку широкомасштабна розбудова гірничорудного комплексу
уранових і цирконійових руд в Україні загрожує радіаційним забрудненням
її території: на 1 t добутого урану припадає до 100 000 t відходів, так
званих хвостів, які потребують спеціального захоронення. За видобутку
вугілля пуста порода на 1 t становить близько 3 t, а шлак від спалювання
вугілля використовують у різних галузях промисловості (будівництво,
виробництво цементу та ін.).

У найближчій перспективі енергетика України має розвиватись за
різновекторною схемою: збереження й реконструкція теплових
електростанцій та оптимізація потужностей АЕС, розвиток альтернативних
локальних екологічно чистих енергоджерел (вітер і сонце) передовсім у
сільському господарстві й побуті. Обнадійлива перспектива в забезпеченні
України моторним пальним намічається у зв’язку з розбудовою
нафтомагістралей Баку — Супса—Чорне море — нафтотермінал Південний
(поблизу Одеси) — Броди — Плоцьк (Польща) — Західна Європа. З
підключенням до старої нафтомагістралі «Дружба».

Реалізація такого проекту дасть змогу Україні звільнитись від монополії
російської нафти і завантажити сировиною потужні нафтопереробні заводи
України — Кременчуцький та найбільший у Європі Лисичанський (до 50 млн t
нафти).

Економіка і екологія гідроелектростанцій (ГЕС)

Рушійною силою в гідроелектростанції є потік річкової води, який
приводить у дію гідротурбіну, поєднану з електрогенератором. Як бачимо,
у цій системі начебто немає проблем для зовнішнього середовища, а
економічні характеристики ідеальні: енергетичне джерело безперервно
відновлюється природою. Основні витрати за будівництва
гідроелектростанцій припадають на спорудження греблі для забезпечення
перепаду води. Що вищою є гребля, то більшою є потенціальна енергія води
на «вході». Коефіцієнт корисної дії конверсії енергії потоку води в
електричну незрівнянно вищий, ніж у системах конверсії теплових і
атомних електростанцій, і становить понад 90%. Ці незаперечні переваги
стимулювали будівництво гідроелектростанцій у всьому світі.

Кожного року на планеті з’являються кількасот нових штучних водоймищ —
водосховищ. Загальна площа водосховищ, які експлуатуються в різних
державах світу, становить понад 400 тис. km2, а об’єм 6 тис. km3. Щоб
уявити собі всю грандіозність цього явища сучасної цивілізації, зробимо
деякі порівняння. Наприкінці ХІХ ст. загальний об’єм водосховищ в усьому
світі становив 15 km3, тоді як об’єм зовсім не найбільшого у світі
Братського водосховища на р. Ангарі — 170 km3. Масове будівництво
водосховищ почалось після другої світової війни і триває швидкими
темпами. З 1960 по 1990 рр. об’єм водосховищ у Латинській Америці
збільшився в 35 разів, а в Азії — в 90 разів. Відомий учений, д-р геогр.
наук А. Б. Авакян (дані якого тут використано) доречно зазначає, що на
тлі величезних техніко-економічних досягнень людства ХХ ст. це явище
залишається малопомітним. Справді, усі культурні люди знають про
існування, скажімо, великого Женевського озера. А чи багато хто знає, що
найбільше у світі штучне водосховище — водосховище Вольта, яке за площею
у 15 разів перевищує Женевське озеро, знаходиться в Африці, де ще 30
років тому їх майже не було.

Утворення штучних водосховищ нерідко негативно впливало на географічні,
економічні і кліматичні характеристики біосфери. Про глобальні масштаби
рукотворних морів свідчать такі дані. Довжина лінії берегів водосховищ в
СРСР перевищувала довжину берегів морських кордонів, а у США вона навіть
утричі довша за сумарну берегову лінію обох океанів. Із затоплених
водосховищами площ переселено десятки мільйонів людей, переміщено
промислові підприємства, дороги, лінії електропередач, трубопроводів та
ін. З іншого боку, більшість сучасних водосховищ змінили на ліпше
природу близько 1 млн km2 прилеглих до них регіонів, оживили пустелі,
забезпечили їх електроенергією потужних ГЕС.

Усе ж, відносно доцільності продовження дальшого «перетворення» природи
існують діаметрально протилежні погляди: від палкої агітації за
утворення нових водосховищ іще більших розмірів, до вимог поступової
ліквідації вже існуючих.

Докладно висвітлити тут усі «за» і «проти» кожної зі сторін ми не маємо
можливості, але розглянемо деякі питання щодо користі і шкоди
водосховищ, побудованих конкретно в колишньому СРСР.

Чи правильним є твердження, що сучасна гідроенергетика — це економічно
ефективне, винятково екологічно чисте джерело електроенергії? За
об’єктивного порівняння гідроенергетики з теплоенергетикою з’ясовується,
що це твердження не враховує багатьох, сказати б побічних, аспектів
гідроенергетики. Передовсім, це стосується створення водосховищ, які
затоплюють великі площі сільськогосподарських угідь і лісів. На кожний
кіловат потужності гідроелектростанції затоплюється близько 300 m2
землі. Нині на території колишнього СРСР під водою «поховано» близько
100 тисяч km2 родючих земель.

У басейнах рік рівнинних регіонів як, наприклад, в Україні, значна
частина площі таких водоймищ — це мілководдя (до 2 m глибини), де
утворюються сприятливі умови для швидкого розмноження синьо-зелених
водоростей. Небезпека цього явища — насичення води токсичними хімічними
сполуками (фенолом, індолом та ін.), що виділяються в процесі відмирання
й розкладу водоростей. Це явище називається «цвітінням» води і набуло
особливого поширення у другій половині ХХ ст. Пояснюють його тим, що у
зв’язку із широким застосуванням мінеральних добрив у великі мілководні
басейни, які добре прогріваються сонцем, із дощовими потоками з грунту
потрапляє велика кількість поживних для водоростей елементів — азот,
фосфор, калій. У таких водоймищах зникає риба, а воду, щоб вона стала
придатною для вжитку, треба додатково очищувати, що, ясна річ, потребує
і додаткових коштів.

Крім того, утворення великих водоймищ змінює мікроклімат регіону і часто
не на ліпше. Так, утворення глибокого (понад 100 m) Красноярського
водоймища на Єнісеї спричинило зниження температури води влітку більш
ніж на 10(С, а взимку, навпаки, в сорокаградусний мороз річка, окутана
густим туманом, не замерзає протягом 300 km униз за течією. Для
спорудження цієї ГЕС було затоплено найцінніші сільськогосподарські
угіддя краю.

Але є й інший бік проблеми. Для потужних ГЕС у 2000…3000 MW необхідні
великі водні артерії, які б забезпечили висоту греблі 50…100 m з потоком
води понад 10 000 m3 за секунду. Таких річок у світі небагато, а в
Європі й зовсім немає.

Перспективний напрям у гідроенергетиці — це гідроакумулюючі
електростанції (ГАЕС). Вони включаються в регіональну енергомережу з
іншими електростанціями і виконують роль демпфера — самі споживають
електроенергію, коли вона є в надлишку, і повертають у мережу, коли її
недостатньо (рис. 53).

Електричні машини гідроакумулюючих станцій можуть працювати як насоси,
коли качають воду у верхнє водоймище, і як гідротурбіни з
електрогенераторами, коли вода з верхнього водоймища перетікає в

Рис. 53. Схема гідроакумулюючої електростанції (ГАЕС):

1 — електростанція ТЕС; 2 — нижній водяний басейн; 3 — електрогенератор;

4 — водовід; 5 — верхній водяний басейн

нижнє. Першу в СРСР гідроакумулюючу електростанцію було споруджено 1971
року на правому березі Київського моря. Її потужність — 225 MW, напір —
65 m, довжина водоймища — 275 m. Після 1980 року в СРСР було побудовано
ще дві ГАЕС: у Загорську (Московська обл.) на р. Кум’я потужністю в 1200
MW і в Литві на р. Немані — 1600 MW.

Безумовно, без водосховищ сьогодні практично не може розвиватись жодна
галузь господарства. Створення водосховищ є радикальним, а для багатьох
регіонів єдиним засобом забезпечення потреб промисловості і сільського
господарства у прісній воді. Саме водосховища у багатьох країнах світу
допомогли вирішити проблеми енергетики, у тім числі й атомної, іригації,
транспорту і водозабезпечення.

Але сьогодні вже зрозуміло, що дальше збереження темпів створення нових
великих водосховищ загрожує негативними наслідками глобальних масштабів.
Майбутнє — за середніми й невеликими водосховищами. Як приклад
раціонального використання водно-енергетичних ресурсів регіону назвемо
систему гідроелектростанцій Франції. У регіоні Альп споруджено каскади
ГЕС з перепадом води у водосховищах в 100… 150 m і дебітом понад 1000
m/s. Тунелями вода надходить до гідротурбін. Одна з найпотужніших
гідроелектростанцій Франції Grand Maison з 12 гідротурбінами по 150 MW
(загальна потужність 1800 MW), забезпечена водним ресурсом у 14 000 000
m3 з напором у 1,4 km, може також працювати у режимі гідроакумулюючої
електростанції. Довжина тунелей, якими вода послідовно надходить з
верхнього водосховища до гідростанцій, становить майже 10 km, а дебет
води перевищує 1200 m3 за секунду, що більше ніж середньорічний стік
Дніпра в районі Києва (рис. 54).

Рис. 54. Панорама зразкової в економічно-екологічному аспекті

потужної гідроелектростанції Grand Maison (Франція)

На рис. 55 (а, б) показаний характерний енергопромисловий комплекс
регіону ГЕС. Перші ГЕС у Франції було побудовано ще в кінці ХІХ ст

Література

Колотило Д. М. К 61 Екологія і економіка: Навч. посібник. — К.: КНЕУ,
1999.

* Одиниця умовного палива (у. п.) дорівнює 29,3 MJ/kg.

* РБМК — 1000 і ВВЕР — 1000 рос. «реактор большой мощности канальный» і
«водо-водяной энергетический реактор».

* У цьому проявляється принцип емерджентності.

Концентрація гідроксид-іонів (ОН–), mol/l

Рис. 50. Схема системи технологій виробництва атомної енергії

Джерело

енергії

(вихідної)

Система

конверсії

А

Б

3

4

5

6

7

1

2

Електроенергія

Р = 1000 MW

(MJ · s–1)

(277 kW · h) за сек.

Повітря ( 1015 kg

Вугілля 100 kg/s

(3000 MW)

шлак ( 6 kg

СО2 — 315 kg

SO2 — 5 kg

NO2 — 3,5 kg

Витрати теплової енергії

2000 MJ · s–1

(

(

(

Морська вода

Природна вода

із солями

грунтів

Овочеві

соки

Кислотні

дощі

Кислоти

Томати

Оцет

Mg

2

+

H

+

H

+

SO

4

2

HO

2

OH

HCO

3

Na

+

K

+

OH

HO

2

HO – дистилят

(

2

H+ OH)

+

(H+ OH)

+

HCO+

3

H

+

HO

2

HO

2

СО

2

Cl(CO)

2

2

SONO

2

n

m

?

?

?

?

В

о

д

н

е

в

и

й

п

о

к

а

з

н

и

к

р

Н

2

3

4

5

6

7

8

К

о

н

ц

е

н

т

р

а

ц

і

я

і

о

н

і

в

в

о

д

н

ю

(

H

)

,

m

o

l

/

l

+

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

6

10

7

10

7

10

8

10

8

10

9

10

1

0

10

1

1

10

1

2

Звичайна

дощова

вода

1

2

3

4

6

8

7

9

9

5

9

Теплова потужність

3000 MW

Втрата

2000 MW

Електрична

потужність

1000 MW

Е1

Е2

1

2

3

4

5

6

7

2

1

5

4

3

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Ответить

Курсовые, Дипломы, Рефераты на заказ в кратчайшие сроки
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020