Енергетика і навколишнє середовище

Енергетика і паливно-енергетичний комплекс, що реалізує її призначення, є основою існування і розвитку цивілізації. Концентруючи величез­ні матеріальні ресурси, переробляючи колосальні паливно-енергетичні ресурси, активно втручаючись у гідро-, літо- й атмосферне середовище, енергетика здатна змінити і вже змінює природне його становище.

Пізнаючи закони природи і створюючи потужнішу техніку, людство за масштабами свого втручання в природне середовище зрівнялося з планетарними силами. Спровоковані діяльністю людини екологічні катастрофи не поступаються за масштабами свого руйнівного потенціалу ядерній загрозі. Отже, на сучасному етапі розвитку енергетики вже недостатньо розглядати її взаємодію з навколишнім середовищем на рівні окремих локальних впливів.

Виробництво енергії і теплоти на базі використання традиційних ПЕР є унікальним за масштабами матеріального та енергетичного обміну
з навколишнім середовищем. Споживаючи величезну кількість природних первинних ресурсів у вигляді твердого, рідкого і газоподібного палива, річна витрата якого наблизилася до 14 млрд т н.е. (питомого палива в нафтовому еквіваленті на рік), і кисню повітря – 87,5 млрд т на рік, енергетичне виробництво крім вторинної енергії видає кінцевий продукт у вигляді газоподібних і твердих продуктів згорання, а також стічної води.

Екологія й економіка природокористування ще не в змозі повною мірою оцінити збиток природному середовищу і народному господарству, завданий цими викидами.

Традиційні способи виробництва теплової й електричної енергії в котельних і ТЕС пов’язані з негативним локальним і глобальним впливом на навколишнє середовище, зумовленим:

– викидом в атмосферу таких шкідливих речовин, як оксиди сірки та азоту, монооксиди вуглецю, тверді частинки золи, канцерогенні органічні речовини, зокрема бенз(а)пірен та ін.;

– викидом величезних кількостей діоксиду вуглецю, що є основним чинником виникнення «парникового ефекту»;

– тепловим забрудненням навколишнього середовища;

– скиданням мінералізованих і нагрітих вод;

– споживанням у великих об’ємах кисню і води;

– забрудненням ландшафту;

– виникненням електромагнітних та електростатичних полів.

Під час спалювання вугілля в атмосферу виділяються зола із частинками неспаленого палива, сірчистий і сірчаний ангідриди SO₂ і SO₃, оксиди азоту NO₂ і NO₃, деяка кількість фтористих сполук та гідрокарбонати, а також газоподібні продукти неповного згорання. Летка зола іноді містить, крім нетоксичних складових, шкідливі домішки. Так, в золі донецьких антрацитів у незначній кількості міститься арсен, а в золі екібастузького вугілля і деяких інших родовищ – вільний діоксид кремнію, у золі сланців і вугілля Кансько-Ачинського басейну – вільний діоксид кальцію.

У процесі спалювання мазуту в атмосферне повітря з димом і газами надходять: сірчистий і сірчаний ангідриди SO₂ і SO₃, оксиди азоту (NO і NO₂), газоподібні і тверді продукти неповного згорання палива, сполуки ванадію, солей натрію, а також речовини, які видаляють з поверх­ні котлів під час їх очищення.

Природний газ в екологічному плані є найчистішим видом палива. Проте і під час добре організованого спалювання природного газу утворюються шкідливі речовини: діоксид вуглецю СО₂, оксиди азоту, у незначних кількостях оксиди сірки SO.

Незважаючи на найбільш негативний вплив продуктів згорання вугілля на навколишнє середовище, електроенергію виробляють переважно на твердому паливі. Якщо 1974 р. частка твердого палива в ПЕР становила 50 %, то до середини 90-х рр. його частка збільшилася до 60 %. Споживання нафти, навпаки, досягнувши пікового рівня 1980 р., набуло стабіль­ної тенденції з темпом зменшення близько 2,6 % на рік. Застосування газу для генерування енергії постійно зростає.

Перевага, яку віддають вугіллю у виробництві теплової та електричної енергії, зумовлена тим, що світові розвідані запаси кам’яного вугілля становлять 87 % від усіх викопних джерел енергії на планеті. Загальні світові запаси кам’яного вугілля, включаючи прогнозовані родовища, мають енергетичний потенціал, що в 25 разів перевищує нафтовий. Якщо припустити, що людство відмовиться від усіх інших джерел енергії і буде використовувати тільки кам’яне вугілля, то з урахуванням щорічного зростання споживання енергії його вистачить приблизно на 200 років. Однак негативні екологічні наслідки при цьому неминучі. Крім того, щоб успішно спалювати різні види палива в топках котельних агрегатів, треба впроваджувати цілком нові технології.

Роль енергетичних ресурсів у життєдіяльності суспільства особливо виразно було продемонстровано під час енергетичної кризи 1973–1974 рр. Ці роки стали справжньою революцією в підходах до енергоспоживання в індустріальних країнах, які зуміли, практично не збільшуючи споживання енергоресурсів, нарощувати ВВП. Корінної перебудови зазнала економіка як у структурному, так і технологічному відношенні. Енергоємність ВВП стала одним з найважливіших і визначальних показників макроекономічного і науково-технічного стану економіки.

Рівень розвитку ПЕК значною мірою визначає темпи зростання і техніч­ний рівень виробництва, стан економіки і добробут суспільства загалом.

Еволюція не терпить застою. Розвиток цивілізації неможливо уявити без зростання споживання енергії та енергоресурсів. І все ж тут можливі підходи як загального (глобального), так і місцевого (локального) плану.
У глобальному плані – це регулювання виробництва енергії і зростання споживання енергоресурсів на державному і міжнародному рівні; перехід на нові, екологічно чисті й енергоощадні технології виробництва енергії; перегляд ставлення до процесу енергоспоживання, до визнаних людських цінностей, укладу життя як окремої людини, так і людства загалом. Реалізація зазначених процесів потребує розробки довгострокових державних програм, розрахованих на багато десятків років. Паралельно з визначеним вище, щоб знизити вплив енергетики на біосферу, треба розглядати такі заходи, які вже сьогодні можуть дати істотну віддачу. Так, знизити викиди шкідливих речовин енергетичними об’єктами можна подальшим заміщенням мазуту природним газом, удосконаленням пальникових пристроїв, організацією багатоступеневого спалювання палива, застосуванням прогресивних способів очищення палива від сірки, підвищенням ефективності виробництва теплової та електричної енергії, дотриманням спеціальних режимів спалювання палива, застосуванням сучасних технологій очищення димових газів від SO_x та NO_x та іншими заходами, включаючи створення і впровадження тарифної і цінової політики, що стимулює розробку і впровадження екологічно чистих технологій і устаткування.

Велику роль у згладжуванні енергетичної проблеми і підвищенні життєвого добробуту населення відіграє енергозбереження – один з пріоритетних напрямів сучасної енергетичної політики. Так, економія 1 т вугілля зменшує викиди золи на 250 кг, оксидів сірки – приблизно на 2 кг, оксидів азоту – на 3 кг, оксиду вуглецю – на 10 кг; економія 1 т мазуту скорочує викиди сірчистого ангідриду на 40 кг, оксиду вуглецю – на 12 кг; економія 1 000 м³ природного газу зменшує викиди оксиду азоту на 2,5 кг, оксиду вуглецю – на 8 кг. У результаті підвищення ефективності використання ПЕР за рахунок термодинамічних факторів можливе істотне зниження питомої витрати палива на виробництво 1 кВт×год електроенергії, що підвищує екологічну безпеку енергетичних об’єктів. Ще актуальнішим є розвиток і використання відновлюваних джерел енергії. Останнє особливо важливо в контексті заходів, вжитих міжнародним співтовариством щодо зниження дії «парникового ефекту», і виконання інших зобов’язань, пов’язаних із можливою зміною клімату Землі.

Контрольні запитання

1. Етапи освоєння енергії людством.

2. Основні складові ПЕК

3. Загальна характеристика паливно - переробної галузі ПЕК.

4. Структура споживання ПЕР і їх зв'язок з добробутом суспільства

5. Загальні характеристики впливу енергетики на навколишнє середовище.

– мережі – призначені для передачі і розподілу енергії (електричні, теплові, газові, нафтопроводи, мережі стиснутого повітря та ін.);

– акумулювальні – призначені для часткового регулювання режиму виробництва енергії (електричні і теплові акумулятори, насосно-акумулювальні гідростанції тощо);

– споживаючі – призначені для перетворення енергії до вигляду,
у якому її безпосередньо використовують (електричний привід машин, опалювальні установки, промислові печі, світильники та ін.).

Основними формами застосування енергії є теплота й електроенергія.

Галузь енергетики, у якій одержання, перетворення, транспортування і використання цих форм енергії відбуваються за рахунок спалювання органічного палива, називають теплоенергетикою.

Галузь енергетики, яка займається перетворенням гідроенергії на елект­ричну, називають гідроенергетикою.

Відкриття способів використання енергії атомного ядра створило нову галузь енергетики – атомну або ядерну енергетику.

Питаннями використання енергії вітру займається вітроенергетика.

Енергетичні технології, що базуються на використанні енергії Сонця, належать до геліоенергетики.

Кожна з галузей енергетики як наука має свою теоретичну основу, яка ґрунтується на законах фізичних явищ у цій сфері.

Перетворення енергії пов’язане з потребою використання різних її форм для сучасних технологічних процесів і не вичерпується тільки переходом одних її форм на інші. Так, теплову енергію застосовують за різних рівнів температури і тиску теплоносія (пари, газу, води), електричну – у вигляді змінного або постійного струму і за різних рівнів напруги.

Перетворення енергії відбувається в різних машинах, апаратах і пристроях, які складають загалом технічну основу енергетики. Так, у котельних установках хімічна енергія палива перетворюється на теплову; у паровій турбіні – теплова енергія, носієм якого є водяна пара, перетворюється на механічну енергію, яка в електричному генераторі, у свою чергу, перетворюється на електричну енергію. На гідроелектростанціях у гідротурбінах і електрогенераторах енергія водяних потоків перетворюється на електричну; в електричних двигунах електрична енергія перетворюється на механічну тощо.

Способи створення і експлуатації різних установок, машин, апаратів і пристроїв, призначених для одержання, перетворення, транспортування і застосування різних форм енергії, базуються на використанні відповідних розділів теоретичних основ енергетики: теплотехніки, електротехніки, гідротехніки, вітротехніки та ін.

У цій складній структурі енергетичних галузей на сьогодні склалися ключові поняття:

– Енергетичний ланцюжок (energy chain) характеризує потік енергії від видобутку (виробництва) первинного енергоресурсу до одержання і використання підведеної кінцевої енергії.

– Первинний енергоресурс (primary energy resource) – енергоресурс (сира нафта, природний газ, вугілля, горючі сланці, ядерна енергія, гідроенергія, геотермальна, сонячна, вітрова енергія тощо), який не переробляли і не перетворювали.

– Енергоносій (energy carrier) – ресурс, що безпосередньо використовують на стадії кінцевого споживання, попередньо перероблений, перетворений, а також природний енергетичний ресурс, що споживається на цій стадії.

– Підведений енергетичний ресурс (energy resource supplied) – енергоресурс, підведений до енергетичної установки для переробки, перетворення, транспортування або використання.

– Кінцева підведена енергія (find energy або energy supplied) – енергія, підведена до споживача перед її кінцевим перетворенням на корисну роботу (кінцевим використанням) або кількість енергії в підведеному енергетичному ресурсі або енергоносії.

– Енергопостачання – сукупність послідовних процесів виробництва, передачі і використання енергії.

– Система енергопостачання – сукупність установок і пристроїв, призначених для цілей енергопостачання.

– Ланцюг перетворення енергії – сукупність процесів і відповідних елементів для їх реалізації, що характеризують перехід від одного виду енергії до іншого.

Енергію у вільній формі неможливо накопичувати на будь-який тривалий час. Тому процеси виробництва і споживання енергії мають збігатися в часі або відбуватися безпосередньо один за одним і бути пов’язаними між собою відповідною ланкою передачі. Це суттєво впливає на характер виробничих, технічних і економічних зв’язків енергетики з іншими галузями матеріального виробництва і стосується структури та форм розвитку власне енергетики і систем енергопостачання.

У ряді випадків уживають поняття види енергії, під яким розуміють різні джерела енергії. Зокрема, розглядають невідновлювані ПЕР: викопне органічне паливо (вугілля, нафту, природний газ, торф, горючі сланці), ядерну енергію. Існують й інші ПЕР або джерела енергії, наприклад біомаса, енергія сонця, вітру, хвиль, гідроенергія, геотермальна енергія. Це відновні види енергії, які є прямим результатом впливу енергії сонця, тоді як викопне паливо отримано в процесі біохімічних реакцій в надрах Землі сотні мільйонів років тому.

Усі названі вище види енергії – це первинні енергетичні ресурси, вони утворюють першу ланку ланцюга перетворення енергії (рис. 2.1).

Рис. 2.1. - Структура енергопостачання

Ця схема наочно демонструє шлях енергії від її вихідного стану до кін­цевого споживання, подає загальний взаємозв’язок між джерелами енергії і видами кінцевої енергії. Наприклад, сира нафта, яку видобувають з надр землі, є первинним джерелом енергії, але її застосовують обмежено. Її мож­на перетворити на корисніші вторинні джерела енергії, такі як бензин, газове паливо, мазут, дизельне паливо тощо. Такі перетворення пов’язані зі значними втратами енергії. Вторинну енергію треба довести до споживача. Її транспортування та розподіл потребують додаткової витрати енергії. На цьому етапі джерело енергії перетворюють на відповідний енергоносій, який на заключному етапі використовують для отримання кінцевої корисної енергії і подачі її до пункту споживання. Наприклад, у процесі спалювання мазуту в топці одержуємо теплоносій (водяну пару, гарячу воду), який можна подавати на технологічні потреби, опалення і гаряче водопостачання окремих об’єктів.

Основними природними (первинними) ПЕР, на яких базується сучасна енергетика, є викопне паливо (вугілля, торф, нафта, сланці, природний газ), гідроресурси (енергія рік, морів та океанів), ядерне паливо (уран, торій). Цією обставиною визначаються основні напрями розвитку сучасної енергетики: теплоенергетика (використовує органічне паливо); гідроенергетика (розвивається на базі гідроенергетичних ресурсів); атомна енергетика (основана на перетворенні внутрішньоядерної енергії на інші види).

Основними видами продукції енергетичної галузі є електрична і теплова енергія. Пристрої, у яких енергія природних енергетичних ресурсів перетворюється на інші види енергії, називають енергогенерувальні (або енергогенератори); пристрої, у яких енергія перетворюється на кінцевий вид – енергоспоживачі або абоненти.

Отже, виходячи із завдань енергопостачання і ланцюга перетворення енергії будь-яка система енергопостачання базується на визначених енергетичних ресурсах і містить три головні елементи: джерело енергії (енергогенератор), мережі (розподільні і транспортні) і енергоспоживач (абонент). Структура передавальних ланок у системі визначається рівнем концентрації і централізації енергопостачання.

Концентрація – процес зосередження виробництва енергії на великих енергетичних об’єктах, тобто збільшення одиничної потужності і продуктивності енергетичних установок і устаткування. Концентрація – один з найважливіших чинників удосконалювання технічної бази і підвищення ефективності енергетичного виробництва.

Централізація – об’єднання споживачів енергії єдиними для них енергетичними мережами і джерелами енергії, зумовлене передусім нерозривністю в часі процесів виробництва і споживання енергії. Централізація
в енергетиці – форма раціональної організації енергопостачання.

Концентрація і централізація енергопостачання збільшують дальність передачі енергії, що пов’язано з додатковими капітальними та експлуатаційними витратами і втратами енергії в розподільній системі. Знизити ці втрати і збільшити дальність транспортування дозволяє підвищення потенціалу енергоносіїв, що використовують для передачі і розподілу енергії. Тому важливим елементом централізованих систем енергопостачання є трансформувальні (перетворювальні) енергоустановки. Вони призначені для зміни і регулювання рівня потенціалу енергоносіїв, а також об’єднаних в одній системі споживачів з різним рівнем потенціалу енергії, що розподіляється між ними.

Основною формою енергопостачання в багатьох країнах були і залишаються на тривалу перспективу централізовані системи. Об’єднуючи енергогенерувальні установки, трансформувальні і розподільні пристрої та енергоспоживачі, вони характеризуються спільністю принципів формування і режиму роботи всіх ланок, взаємозалежністю процесів виробництва, розподілу і використання енергії. Концентрація і централізація – неодмінна умова створення ефективних форм енергопостачання, розширення сфер і подальшого впровадження найраціональніших видів енергії в різні технологічні процеси. З цим пов’язане об’єднання власне енергетики, паливодобувних галузей і переробної промисловості в єдиний ПЕК.