Экологическое воздействие, например, угольной ТЭС мощностью 1000 МВт с эффективностью очистки выбросов от твердых веществ 99 % очень высокое: выбрасывается углекислого газа СО2 — 580 т/ч; диоксида серы SO2 — 14 т/ч; оксидов азота NОX — 4 т/ч; паров воды H2O — 105 т/ч; золы, не уловленной электрофильтрами, — 0,85 т/ч; золы (в отвалах) — 81 т/ч; шлака (в отвалах) — 14,5 т/ч. При этом расходуется топлива 440 т/ч и кислорода 340 т/ч. В Российской Федерации 250 ТЭС, на которых более 400 котлов работают на угольном топливе с большим выбросом золы. Установок по очистке газов от серы в России нет вообще; по очистке от оксида азота нет на многих ТЭС. Установленная мощность ТЭС по России — 148,4 млн кВт, из которых около 50 % составляют теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и около 50 % — конденсационные электростанции (КЭС). Установленная мощность ТЭС в РАО «ЕЭС России» на 2004 г. — 121,4 млн кВт. Производство электроэнергии на ТЭС РАО «ЕЭС России» — 521,4 млрд кВтч. На РАО «ЕЭС России» было также выработано 465,8 млн Гкал тепловой энергии, что эквивалентно 541,7 млрд кВтч тепловой энергии. В табл. 1 приводятся показатели топливопотребления по видам использованного топлива. Недостатки традиционного ископаемого топлива: запасы ограничены; загрязняют окружающую среду, продукты сгорания СО2, NO2, CO, SO2; PAN; при передаче электричества отмечаются огромные потери из-за сопротивления проводов. По К. Кэмпбеллу (2006 г.), суммарные запасы нефти на планете составляют 1800 Гб, из которых человек уже добыл почти половину — 822 Гб; при этом человечество потребляет в год 22 Гб нефти, а разведывает всего 6. Пик добычи пришелся на 2007 г., после чего истощение мировых запасов нефти будет составлять примерно 2 % в год. По К. Хубберту (2006 г.), за 58 лет — с 1965 по 2023 гг. — человечество потребит 80 % мировых запасов нефти, это и есть период наивысшего пика человеческой цивилизации (по Хубберту). Профессор Айвенго (2006 г.) считает, что «критическая дата», когда глобальный спрос превысит мировую добычу нефти, придется на период между 2000–2010 гг.; после этого темпы добычи нефти будут снижаться. Дальше наступит энергетический кризис, который затронет каждого землянина. Энергия ветра От Солнца Земля получает энергии 1011 МВт/ч и лишь 1–2 % этого количества энергии преобразуется в энергию движения воздушных масс, энергию ветра. Энергия ветра огромна и составляет 170 трлн кВт •ч в год. Экологические проблемы, возникающие при работе ветровых электростанций: шум, инфразвук, вращающиеся лопасти отражают радиоволны, создавая помехи приему телепередач в ближайших населенных пунктах; энергия сильно рассеяна в пространстве; ветер непредсказуем, часто меняет направление; необходимы аккумулирующие станции в случае штиля (безветрие). Главная причина ограничения применения энергии ветра заключается в том, что в радиусе до 4 км все живое страдает от инфразвука, генерируемого на частоте ниже 16 Герц. Стоимость установки мощностью 7 кВт, использующей энергию ветра, — $ 47,6 тыс., а с доставкой из США и таможенными пошлинами — $ 60 тыс., не считая монтажа и установки. Тем не менее, объемы используемой энергии ветра (на начало 2003 г.), МВт: Германия — 12001; Испания — 4830; Дания — 2889; Италия — 785; Великобритания — 552; Франция — 147; Россия — 7; США — 4645; Канада — 236; Индия — 1702; Китай — 468; Бразилия — 22; Аргентина — 26; Мексика — 5; Япония — 384; Австралия — 103; Египет — 69; Иран — 11; Израиль — 8. Энергия океанов Идея использования разности температур в тропических широтах океанов (около 25 °C на поверхности; 2–3 °C на глубине 500–1000 м) высказана Д’Арсонвалем еще в 1881 г. Недостатки этого метода: необходим очень большой расход теплой и холодной воды, например, на энергоблок мощностью 1 млн кВт необходимо 2500 м3/с воды — а это расход реки Невы. Мощность питательных и циркуляционных насосов значительно выше мощности, снимаемой с турбины. Попытки использовать океаническую тепловую энергию в паротурбинном цикле обречены на неудачу (Ревель, 1995). Опыт эксплуатации геотермальной ТЭС свидетельствует о таких недостатках, как низкий КПД из-за малого теплоперепада и больших затрат энергии на привод насосов; большой расход холодной воды из окружающей среды на конденсаторы; коррозия труб, арматуры, насосовиз-за высокого содержания солей в воде из скважины; постепенное снижение температуры греющей воды из-за охлаждения пористых горных пород. Экономический потенциал энергии ветра в России, по оценке Института энергетической стратегии, составит 11 млн т.у.т., биомассы — 69 млн, солнечной энергии — 3 млн, а геотермальной — 114 млн т. Большие надежды человечество возлагает на гелий-3 (доставка необходима с Луны или Марса) и водородное топливо, в России прогнозируется внедрение этого топлива к 2050 г. Достоинства водородного топлива: безграничные запасы, экологически чистое, продукты сгорания Н2О; электричество используется для производства водорода посредством разложения воды — водород передается по трубопроводам — потери при этом малы. Солнечная энергия Использование солнечной энергии требует больших площадей и значительного количества батарей из дорогого алюминия. Уже сейчас для целей сельского хозяйства (выращивания зерновых культур) может использоваться только 11 % поверхности суши Земли. Для работы солнечных батарей нужны высокие температуры, рефлекторы-концентраторы солнечной энергии, аккумуляторы вырабатываемой энергии и т.д. Кроме того, процессы технологии производства кремниевых солнечных батарей являются энергозатратными и экологически опасными. Производство кремниевых солнечных батарей включают в себя: ❏ производство технического кремния; ❏ получение из него трихлорсилана с использованием хлора; ❏ водородное восстановление трихлорсилана с получением высокочистого поликристаллического кремния; ❏ выращивание монокристаллов кремния в кварцевых тиглях при температуре около 1500 °C; ❏ изготовление ориентированных монокристаллических пластин; ❏ монтаж пластин в батареи. Для изготовления солнечных батарей нового поколения из арсенида галлия требуются исходные высокочистые мышьяк и галлий. Технология производства таких батарей также сложна и энергоемка. Использование солнечных батарей оправдано для применения на космических кораблях и для бытовых нужд в южных городах. Энергия морских приливов Приливные ресурсы в России невелики. Обсуждалась возможность строительства приливных энергосистем в Мезенском заливе Белого моря мощностью 1000 МВт. Однако не удается решить проблемы, связанные с «рваным» графиком выработки электроэнергии. Следует отметить, что энергия, получаемая этим способом, должна быть на порядок дороже энергии, вырабатываемой на АЗС. Мощности питательных и циркуляционных насосов значительно выше мощности, снимаемой с турбин. Энергия рек Строительство гидроэлектростанций приводит к затоплению больших площадей плодородной земли; эрозии берегов; заиливанию водоохранных площадей; заболачиванию и засолению почв из-за подъема грунтовых вод; позднему вскрытию рек ото льда; заморам рыбы при штормах из-за затрудненной ее миграции; риску техногенных катастроф при возможном разрушении плотины. Например, строительство Богучанской ГЭС по проектному варианту грозит жителям г. Усть-Илимска и Усть-Илимского района экологической катастрофой, т.к. …инвесторы планируют заполнение Богучанского водохранилища на отметке 208 м. В этом случае новое рукотворное море будет начинаться прямо у створа Усть-Илимской ГЭС. В своем нижнем течении Ангара перестанет быть рекой, утратит способность к самоочищению. Город Усть-Илимск окажется между двумя водохранилищами, в которых будут разлагаться древесина и торфяники. Под воду уйдут миллионы кубометров леса, месторождения полезных ископаемых, старинные сибирские деревни, пойменные сельскохозяйственные угодья. Люди будут вынуждены покинуть обжитые места. Необходимо строительство Богучанской ГЭС на пониженной отметке нормального подпорного уровня (НПУ) 185 м, что позволит существенно уменьшить остроту экологических и социальных проблем, поскольку по сравнению с проектным вариантом резко сокращается площадь зеркала водохранилища — в 2,2 раза, его длина — в 1,4 раза, площадь затапливаемых земель — в 2,5 раза, в т.ч. сельскохозяйственных в 1,6 раза и лесных угодий — в 3,5 раза, численность переселяемого населения — в 1,1 раза. Сохранится речной проточный участок реки Ангары ниже Усть-Илимска длиной около 100 км, который имеет исключительно важное значение не только для активации процессов разбавления и самоочищения, но и для сохранения самой Ангары, берущей начало из озера Байкал» («Зеленый мир» №21–22/2007, «Ангара’185»). Гидроресурсы Европейской части Российской Федерации практически исчерпаны. ГЭС являются идеальным способом снятия пиковых нагрузок в энергосистемах. Однако их работа в режиме «пуск–остановка» также отрицательно сказывается на речной флоре и фауне. В результате уже такого небольшого обзора можно сделать вывод об отсутствии на сегодняшний день полномасштабной альтернативы углеводородному топливу. Однако необходимо незамедлительно интенсифицировать работы по использованию действительно экологического чистого и безграничного по объему ресурса водородной энергетики. Удельный вклад энергоресурсов в мировое энергопроизводство составляет: уголь — 25,4 %, газ — 23,7 %, нефть — 37,2 %, АЭС — 6,4 %; ГЭС — 6,9 %, прочие — 0,5 %, т.е. на возобновляемые источники приходится 7,4 %. В промышленно развитых странах доля ветровых, солнечных, биоэлектростанций (без энергии, вырабатываемой ГЭС): в США — 14 %; во Франции — 15 %, в Дании — 12 %; в Китае — 14 %, в Индии — 23 %. В марте 2007 г. лидеры 27 стран ЕС подписали соглашение, которое предусматривает, что к 2020 г. не менее 20 % всей потребляемой государствами ЕС электроэнергии должно производиться с использованием возобновляемых источников и прежде всего ветра, солнца и воды. Известно, что в Европе производство одного кВтч на тепловой или атомной станции обходится примерно в 4 цента, на ветровых генераторах — в 7–10 центов, а на солнечных — в 15–20 центов. В Норвегии около $ 3 млрд будет вложено в развитие альтернативной энергии, в Финляндии к концу 2010 г. будут работать более 10 электростанций, вырабатывающих электроэнергию из отходов, что позволит сократить количество мусорных свалок, существующих в стране с 400 до 10. В Финляндии принято решение о строительстве крупной солнечной электростанции, стоимость проекта оценивается в $ 766 млн. Следует отметить, что разведательные запасы геотермальной энергии более чем в 30 раз превосходят энергозапасы всех ископаемых ресурсов планеты. Геотермальная энергия используется в Японии, США, Германии, Италии, Мексике, Новой Зеландии и других государствах, а Исландия покрывает потребности в электрической и тепловой энергии за счет геотермии. В РФ действуют три геотермальные электростанции на Камчатке и одна — на острове Кунашир, их суммарная мощность — 71,8 МВт и позволяет обеспечить примерно 25 % потребностей в электроэнергии. Геотермальными ресурсами обладает Приморский край, Западная Сибирь, Чукотка, Ставропольский край и другие, однако геотермальная энергия в названных районах не используется. В РФ экономический потенциал возобновляемых источников энергии составляет примерно 320 млн т.у.т., которые могли бы покрытьдо 30 % внутреннего потребления энергоресурсов. Средний удельный расход топлива на выработку электроэнергии в России оценивается приблизительно в 335 г/кВт •ч, а в Европе он составляет 210–250 г/кВт•ч. В РФ ежегодно дополнительно сжигается 40 млрд м3 природного газа. Среднее значение КПД ТЭС в РФ составляет 39 %, а в развитых странах — 45 %; КПД российских и зарубежных ТЭС на угле составляет 34 % и 47 % соответственно. Из Западной Сибири газо- и нефтедобывающие мощности перебазируются на Тихоокеанский и Арктический шельфы, в Восточную Сибирь, где добыча и транспортировка будет связаны с большими техническими трудностями, огромными затратами и ухудшением экологической обстановки в регионах. Нефте- и газодобывающую отрасли РФ уже к 2013 г. ожидает кризис: за последнее 10 лет «недоразведано» около 2,5 трлн м3 газа и более 1 млрд т нефти (Лаверов Н., 2007 г.). К сожалению, ни солнечные (гелио), ни ветряные электростанции альтернативой ТЭС и АЭС пока стать не смогут всилу того, что они не способны обеспечить стабильное, управляемое и экологически безопасное энергопроизводство. Ни солнцем, ни ветром человечество не может распоряжаться. Чтобы обеспечить постоянный уровень в энергосетях, необходимы буферные и аккумуляционные установки. Однако они эффективны в районах, которые не подсоединены к единой энергосети, где затруднен подвоз топлива. В США 40 % потребляемой страной энергии запланировано получать за счет альтернативных возобновляемых источников; к 2012 г. основным заправочным топливом в США будет этанол. В этой стране принята новая национальная энергетическая программа, согласно которой государство в течение ближайших четырех лет инвестирует $ 385 млн в шесть проектов в сфере биотехнологий для получения альтернативных источников топлива и будет производиться более 50 млн л целлюлозного этанола в год. Общая сумма инвестиций в шесть биоочистительных предприятий составит $ 1,2 млрд. Использование этанола в США возрастет с 10 млрд литров в 2007 г. до 50 млрд литров в 2030 г., что будет соответствовать 8 % потребления автомобильного топлива. Гидроэнергетика в США дает 2 % от всей производимой в США энергии; к 2020 г. эта цифра будет увеличена до 4 %. К 2016 г. в США прогнозируется выработка до 110 ГВт солнечной энергии ежегодно, что позволит сэкономить около $100 млрд на получение электроэнергии из минерального сырья. В мире на $ 1 ВВП тратится 0,46 кВтч электроэнергии, в США — 0,52, а в РФ — 4,7 кВт•ч, что в 10 с лишним раз превышает средний мировой уровень. С таким трудом добываемое углеводородное сырье в РФ используется нерационально, запасы нефти и газа истощены, поэтому необходимо применение термоядерной, водородной, ветровой геотермальной или солнечной энергии, но при условии решения ряда экологических проблем и разработки целевых программ развития альтернативных эколого-энергетическх технологий. Конец каменного века наступил не потому, что не хватило камня, и нефтяной век закончится не из-за того, что будут истощены нефтяные ресурсы» (Ахмед Ямани) Нефть — уникальный ресурс, имеющий свой временный период существования, и его лимит определяется уровнем развития общества. В связи с этим необходима перестройка российской и мировой экономик на новой технологической основе.