Презентация "Экологические проблемы энергетики" по биологии – проект, доклад

Экологические проблемы энергетики

И вместе с тем проблема энергии, с нашей точки зрения, может создать серьёзные трудности, а может быть, и поставить границы для развития человечества на Земле. Не нехватка, а избыток энергии, расходуемой на планете, может привести к такой ситуации». Академик Е.К. Фёдоров

Человек, как и все живые организмы, не может существовать без постоянного потребления энергии. Количество энергии, необходимое человеку в виде пищи, хорошо известно и составляет 2,9 кВтч/сутки. Но уже в первобытном обществе суммарное потребление энергии каждым индивидуумом значительно превышало эту величину. Человеку было недостаточно тепловой энергии солнечного излучения для приготовления пищи, обогрева жилища и т.д. Необходимое дополнительное количество энергии получали за счёт сжигания топлива растительного происхождения.

Роль энергетики в экономике

Рис…Связь ВВП (долл. США в ценах 2000 г./чел.) с потреблением энергетических ресурсов (кг у.т./чел., в мире в 2000 г.)

Рис…Потребление энергии в различных странах.

Основные способы получения энергии

Рис…Структура потребления первичных энергетических ресурсов, в %.

Доля электроэнергии в общем балансе использования энергии в мире продолжает неуклонно увеличиваться опережающими темпами. Так, в РФ начиная с 1950 г. доля первичных энергоресурсов, используемых на выработку электроэнергии, увеличилась с 14 почти до 27%, а с учётом затрат на производство тепла на электростанциях – до 50%. И тому есть немало причин. Среди них выделяются следующие: электричество – единственный вид энергии, который удаётся производить в больших количествах, передавать на большие расстояния и сравнительно просто распределять между различными потребителями; технологии, использующие электроэнергию, обладают меньшей трудоёмкостью по сравнению с технологиями на основе других энергоносителей, что особенно важно в свете растущего дефицита трудовых ресурсов;

широкая электрификация производственных процессов способствует эффективному росту производительности труда, без электрификации невозможна и компьютеризация производства; электроэнергия является универсальным энергоносителем. Универсальность электричества проявляется как в сравнительной лёгкости преобразования в другие формы энергии, так и в возможности использования для получения электроэнергии практически любого первичного источника энергии, рентабельного на данном этапе; в сфере энергопотребления электричество выступает как эколо­гически чистый энергоноситель (не учитывая тепловое загрязнение).

Общий коэффициент полезного использования энергии на тепловых электростанциях может быть определён из коэффициента превращения энергии на отдельных стадиях этого процесса. Преобразование химической энергии в тепловую в мощных паровых котлах протекает с КПД = 88%. В паровой турбине в среднем 42% тепловой энергии превращается в кинетическую. КПД электрогенератора значительно выше и составляет 98%. Таким образом, суммарный КПД превращения химической энергии в электрическую в этом цикле составит всего 36%. КПДтэс = 0,880,420,98100% = 36%

Рис...Тепловая электростанция, работающая на угле: 1 – уголь; 2 – топка с котлом и пароперегревателем; 3 – турбина; 4 – генератор; 5 – трансформатор; 6 – конденсаторы; 7 – градирня; 8 – зола; 9 – труба.

Солнечная энергия

Следует различать три существующих пути в технике использования солнечной энергии: преобразование солнечной энергии в электрическую; получение тепловой энергии; производство биомассы, концентрирование солнечной энергии автотрофными организмами и последующее использование их химической энергии. Работы по трансформации солнечной энергии в электрическую ведутся по двум направлениям: создание солнечных электростанций (СЭС), в которых теплоэлектропаровой котел, характерный для ТЭС, заменён на солнечный паровой котёл; разработка полупроводниковых фотоэлектропреобразова-телей – фотоэлементов, способных превращать солнечную энергию непосредственно в электрическую.

Использование солнечной энергии экологически наиболее оправдано: нет вредных выбросов и нет нарушения баланса энергии, так как сколько энергии попадает на её приёмник (например, панель солнечной батареи), ровно столько энергии будет выделено, в конце концов, в пространство Земли, т.е. не имеет значения, поглощается ли энергия поверхностью Земли напрямую или после её использования.

Автотрофные организмы ежегодно ассимилируют в результате процесса фотосинтеза около 200 млрд. т углерода, превращая его в органические соединения. Общее энергосодержание образующейся при этом биомассы оценивается в 31021 Дж. Эта величина примерно в 10 раз превышает ежегодное мировое потребление энергии и в 200 раз больше энергосодержания ежегодно потребляемой человечеством пищи. Эффективность фотосинтеза с точки зрения трансформации солнечной энергии крайне низкая, в среднем 0,1% от теоретической (равной 15%). Однако имеются растения, которые используют 1 и даже 3% солнечной энергии (некоторые растения на севере). Общее количество энергии солнечного излучения, получаемое поверхностью Земли за год, более чем в 20000 раз превышает современный уровень мирового производства энергии.

Ядерная энергетика

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

Рис…Схема устройства АЭС с водо-водяным реактором: 1 – реактор; 2 – насос первичной воды; 3 – парогенератор; 4 – паровая турбина; 5 – электрический генератор; 6 – конденсатор пара; 7 – насос вторичной воды

Рис…Внешний вид атомной электростанции, г. Северск, Томская обл.

Рис…Схема устройства АЭС с реактором на быстрых нейтронах: 1 – реактор; 2 – регулирующие стержни; 3 – первичный контур, теплоноситель – металлический натрий; 4 – второй натриевый контур; 5 – парогенератор; 6 – турбогенератор; 7 – конденсатор пара; 8 – охлаждающая вода

Водородная энергетика

Водород является искусственным топливом и в настоящее время рассматривается как перспективный энергоноситель, по некоторым показателям превосходящий даже наиболее широко используемый в настоящее время энергоноситель – электроэнергию. В природе нет доступных для промышленного использования количеств газообразного водорода, поэтому получение водорода в качестве топлива всегда требует затрат первичной энергии ископаемого топлива, ядерной, солнечной или других её видов. Одно из основных преимуществ водорода по сравнению с электроэнергией является возможность его накопления и хранения в жидком или газообразном состоянии.

Производство и потребление электроэнергии жёстко связаны между собой. Но объём потребления энергии является неравномерным в течение суток и на протяжении всего года. Это приводит к необходимости работы электрогенерирующих установок в переменном режиме, при этом неизбежно возникают сложности в эксплуатации оборудования, падает эффективность преобразования энергии. Ещё одним преимуществом использования водорода в качестве энергоносителя является возможность более экономичного, по сравнению с электроэнергией, его транспортирования на большие расстояния, хотя здесь есть ещё немало нерешённых проблем.

Перспективность использования водорода в качестве энергоносителя определяется и рядом других его свойств, среди которых необходимо назвать следующие: высокое удельное энергосодержание в расчёте на единицу массы (в три раза выше, чем у природного газа); возможность использования для получения энергии имеющихся в промышленности газовых горелок и двигателей внутреннего сгорания на транспорте без серьёзных их модификаций; в химической промышленности и металлургии водород может быть использован в качестве восстановителя; производство его возможно несколькими способами (химическим, электрохимическим, биологическим); возможна организация экономически оправданного децентрализованного производства и использования водорода.

Запасы энергетических ресурсов и их роль в современной энергетике

Рис…Структура мирового энергетического баланса (в начале ХХI века, 13 млрд. т условного топлива).

Рис…Сравнение ежегодных потребностей в энергии по двум сценариям (0,76 и 0,82) (а) с потенциальными возможностями возобновляемых источников энергии (б).

Возобновляемые источники энергии К ним относятся: реки (гидроэнергетика), морские приливы и отливы, тепло Земли (геотермальная энергия) и Солнца (непосредственно энергия солнечной радиа­ции или энергия ветра, морских волн, тепла морей и океанов). Солнечная энергетика В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, использующей непосред­ственно солнечную радиацию, чрезвычайно велики. Общее количество солнечной энергии, проходящей через атмосферу и достигающей поверх­ности Земли, оценивается в 2000Q в год. Использование лишь 0,01% этой энергии могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% – полностью покрыть потребности и на перспективу.

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

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

Ядерная энергетика и её ресурсы

Термоядерная энергетика, основанная на синтезе ядер дейтерия или ядер дейтерия и трития, многократно расширяют сырьевую базу ядерной энергетики. В термоядерной реакции D - Т условно лимитирующим фактором оказываются ресурсы не дейтерия, а лития. Трития в природе практически нет. Его получают искусственно, облучая ядра лития нейтронами. Литий лимитирует развитие энергетики условно, поскольку его ресурсов достаточно, чтобы обеспечить потребности на многие столетия. Переход же к термоядерной энергетике на основе синтеза только ядер дейтерия открывает неограниченные возможности для производства энергии.

Многолетний опыт эксплуатации АЭС и исследовательских реакторов в нашей стране показывает, что атомная энергетика не только не увеличивает загрязнения биосферы, но и способствует её оздоровлению. АЭС не требует кислорода для сжигания топлива и не выбрасывает оксидов углерода, не загрязняет воздушный бассейн оксидами серы, азота, тяжёлыми металлами, фенолами и канцерогенными веществами, летучей золой и другими вредными компонентами. Выбросы радиоактивных веществ от АЭС в расчёте на единицу электрической мощности на порядок ниже выбросов естественных радиопродуктов, содержащихся в органическом топливе (например, в угле) ТЭС.

Таблица Мировые ресурсы ядерной энергетики

Рис...Средняя доза облучения населения Великобритании.

Рис…Эволюция структуры потребления энергоресурсов в России.

Энергоёмкость экономики и энергосбережение Энергоёмкость социальных расходов

Анализ процессов трансформации энергии.

Согласно установившейся трактовке закона сохранения энергии, энергия не может быть уничтожена или получена из ничего, она может лишь переходить из одного вида в другой. Это утверждение справедливо лишь в случае перевода любого вида энергии в тепловую энергию. Процесс обратной трансформации тепловой энергии в другие виды энергии не всегда возможен и, если происходит, то в любом случае не полностью. Тепловая энергия – результат неупорядоченного движения молекул и атомов вещества, в то время как другие виды энергии – результат упорядоченного движения. Как и в жизни, порядок просто превратить в хаос, а сделать наоборот гораздо труднее, так и в случае превращения неупорядоченного движения в упорядоченное.

Пример: необходимо рассчитать количество природного газа, для нагрева 1м3 воды от 0 0С до 100 0С в случае, если нагрев осуществляется электронагревателем (КПД 98%) и газовой горелкой (КПД 62%). Решение: для нагрева 1м3 воды от 0 0С до 100 0С необходимо затратить: Qт = V0 × C × Т= 1000 × 1 × 100 = 105 ккал, где Qт – количество тепловой энергии (ккал); V0 – объём воды (м3); С – теплоёмкость воды равная 1 ккал/(моль × град.); Т – разность температур. Так как КПД электронагревателя равен 98%, затраты электри­ческой энергии составят: Qэ = = 1,02 × 105 ккал. Общий КПД электростанции, работающей на природном газе, составит: КПДобщ. = 0,37 × 0,98 × 100% = 36%, поэтому потребность в тепловой энергии, образующейся при сжигании природного газа на ТЭС будет: Qобщ. = = 2,83 × 105 ккал.

Принимая теплотворную способность природного газа, равную 9000 ккал/м3 , определим потребность в природном газе: Vг = = 31,4 м3 . В случае непосредственного нагрева воды газовой горелкой потребность в тепловой энергии составит: Qт = = 1,61 × 105 ккал. Расход природного газа, имеющего ту же теплотворную способность, равен: V1т = = 12,9 м3 . Энергосбережение на сегодняшний день является самым эффективным, дешёвым и экологически обоснованным средством для решения энергетических проблем, особенно в РФ.

Таблица Уменьшение концентрации оксидов азота в отходящих газах тепловых электростанций в зависимости от метода регулирования процессов горения, %

Таблица Среднее содержание некоторых токсичных компонентов в земной коре и угольной золе, г/т

Экологические требования, вытекающие из обязательств РФ по Рамочной Конвенции об изменении климата

Была принята в 1992 г. и вступила в силу в 1994 г. На 1 сентября 1999 г. участниками Конвенции являлись 166 государств, 151 из которых Конвенцию ратифицировали, в том числе РФ. На Третьей конференции об изменении климата (1997 г.) в Киото был принят заключительный протокол, который предусматривает общее сокращение выбросов «парниковых» газов в атмосферу на 5,2%. В соответствии с Киотским протоколом к 2008-2012 гг. страны Европейского союза сокращают выбросы «парниковых» газов на 8%, США на 7% и Япония на 6% от уровня 1990 г.

РФ разрешено к 2012 г. сохранить выбросы на уровне 1990 г. Россия ратифицировала конвенцию в 2004 г. и с этого времени она заработала. За превышение выбросов сверх разрешённых установлены санкции. Неиспользованные квоты выбросов можно продать. Суть Киотского протокола в том, что он впервые предложил экономические механизмы по энергоэффективности и сбережению ресурсов и стимулировал энергосбережение.

Для расчёта эмиссии углекислого газа были обоснованы и приняты национальные коэффициенты эмиссии Таблица Коэффициенты эмиссии СО2 для РФ

Влияние «парниковых газов» на изменение климата

Анализ данных изменения концентрации CO2 , CH4 и изменения температуры за 400 тыс. лет до н.э. и изменению температуры за более длительный период показал, что они изменялись в широких пределах периодически под влиянием природных (космических) причин поскольку менялась орбита Земли и наклон её оси вращения, а следовательно, и количество энергии поступающей на Землю от Солнца. Также было отмечено, что повышению концентрации «парниковых газов» предшествовало повышение температуры, а не наоборот. И это находит логичное объяснение в выделении газов при повышении температуры океана – главного резерва этих газов.

Основная причина изменения климата - космическая. Антропогенное влияние на климат оценивается примерно в 10%. Киотского протокола прежде всего стимулирует энергосбережение, а уменьшение выбросов «парниковых газов» сокращает выбросы и других, токсичных загрязнителей атмосферы, что безусловно идёт на пользу людям (сохраняет здоровье!).

Рис…Динамика изменения содержания СО2 и СН4 за последние 400 тыс. лет.

Рис…Динамика изменения уровня океана и температуры за последние 400 тыс. лет.

Рис...Изменение средней температуры поверхности Земли за последние 65 млн. лет. Эквивалентные изменения температуры Т (С0) получены по данным станции «Восток» (Антарктида) и по данным донных осадков Полярного океана.

Рост температуры приземного слоя атмосферы Земли в 1900 – 2005гг

Поэтому, основная причина изменения климата – природная (космическая). Антропогенное влияние на климат оценивается примерно в 10%. А какова основная польза от Киотского протокола? Прежде всего он стимулирует энергосбережение, а уменьшение выбросов «парниковых газов» сокращает выбросы и других, токсичных загрязнителей атмосферы, что безусловно идёт на пользу людям (сохраняет здоровье!).

В декабре 2009 г. в Копенгагене состоялась 15-я конференция стран-участниц Рамочной конвенции ООН об изменении климата, на которой планировалось выработать новое международное соглашение о сокращении выбросов парниковых газов на пост Киотский период (2012-2020 гг.). Конференция закончилась провалом в связи с непримиримыми позициями развивающихся стран (Китай, Индия, ЮАР и Бразилия) и развитыми (США, Евросоюз, Канада и др.). Развитые страны хотели навязать развивающимся непосильное для них бремя борьбы с выбросами парниковых газов, что значительно бы замедлило их экономический рост, на что они резонно ответили, поскольку современная ситуация сложилась по вине развитых стран им и брать основное бремя расходов на себя. По мнению академика Н.П. Лавёрова: «Лицами, которые выступают с негативными прогнозами (катастрофических последствий глобального потепления от выбросов парниковых газов) движут коммерческие и политические интересы».

На конец 2009г. мировые выбросы СО2 распределялись следующим образом, в %: Китай - 24,США - 21, ЕС – 12, Индия и Россия – 6. В ходе дискуссий на конференции страны высказали свои намерения снизить выбросы, по сравнению с 1990г., в %: Евросоюз – на 20 (к этому времени Евросоюз планирует снизить потребление углеводородов на 20% за счёт энергосбережения и 20% - за счёт перехода на альтернативные источники энергии, то есть выбросы СО2 снижаются автоматически ), Япония - на 17, Австралия – на 5. США брали обязательство снизить выбросы на 17%, но по отношению к 2005г. (по отношению 1990г. это всего 2-3%). А вот к 2050г. они обещают снизить выбросы парниковых газов более чем на 80% (!) ( к этому времени администрация в США сменится несколько раз). Китай так же предложил снизить выбросы на 40-45%, но тоже по сравнению с 2005г. Россия предложила снизить выбросы СО2 на 25%, но в связи с развалом экономики они и так уменьшились по сравнению с 1990г. на 38% (то есть, мы предложили не уменьшение выбросов, а их увеличение на 13%).

Провалу Копенгагенского саммита способствовало и опубликование в СМИ секретной переписки климатологов США и Великобритании, из которой становится ясно, что температура на Земле не возрастает, а наоборот понижается и эти данные сознательно искажались в пользу концепции всеобщего потепления по вине парниковых газов. Ну и серьёзным фактором является мнение наших и многих зарубежных климатологов, что доля влияния человека на климатические изменения остаётся трудноопределяемой и неясной. Значительная часть климатических изменений связана с глобальными долгосрочными трендами, и, чтобы мы ни сделали, скорее всего какие-то изменения будут продолжаться в силу естественных причин. Между прочим, концентрация СО2 в атмосфере Марса превышает 95%, однако Красная планета намного холоднее Земли.

Проблема теплового загрязнения

Локальное тепловое загрязнение окружающей среды Основное количество тепловой энергии на ТЭС и ТЭЦ поступает в окружающую среду на стадии конденсации пара, около 50-55% от тепловой энергии, выделяемой при сгорании топлива. На АЭС эта величина ещё больше и составляет для ВВЭР (водо-водяных реакторов) 65-68% от общей тепловой энергии, вырабатываемой в реакторе. В настоящее время наиболее распространённым хладоагентом при конденсации пара на ТЭС и АЭС является вода системы технического водоснабжения (СТВС).

Глобальное тепловое загрязнение, вызывающее нарушение устойчивости биосферы Земли

Особую роль в нарушении устойчивости биосферы играет непрерывный рост производства и потребления энергии, а любое ее использование в конечном итоге приводит к рассеиванию и появлению на поверхности Земли дополнительных источников тепла. Загрязнение атмосферы, водной среды и поверхности (суши) различными токсичными веществами безусловно оказывает пагубное влияние на биосферу, но эти процессы более управляемы. Уже существующие технические средства позволяют решать большинство этих проблем (вопрос в цене и времени). Потерю же тепла, рассеивание можно уменьшить, но избежать невозможно, этому препятствуют законы природы.

Прогноз развития мирового энергопотребления показывает, что уже к 2040 г. суммарная мощность антропогенных источников достигнет 1% от энергии Солнца на поверхности Земли, а это уже чревато серьёзным нарушением глобального экологического равновесия. Проблема усугубляется ещё тем, что большая часть энергии производится путём сжигания ископаемого органического топлива (уголь, нефть, газ) с образованием значительного количества «парниковых» газов (в основном СО2 ), которые сами влияют на глобальное потепление.

Подобные явления со временем и расстоянием от источника затухают, а их энергия рассеивается. Но может вступить в действие и обратная связь. В этом случае возникает самоподдерживающаяся цепная реакция, и незначительное событие может послужить толчком, который, обладая триггерным эффектом, приведёт в действие явления значительно большего, по сравнении с ним, масштаба. Так многие климатологи считает, что глобальное потепление может приводить к учащению ураганов или, по крайней мере, к возрастанию их интенсивности. Таким образом, может создаться положительная обратная связь: возникновение урагана будет способствовать формированию новых ураганов.

Энергетический кризис (нехватка первичных энергоресурсов) миру не грозит, тем более России. «На Земле нет недостатка в энергии. Высокоэффективное использование менее загрязняющих и не исчерпывающих своей базы источников не только возможно, но и выгодно для удовлетворения нужд человека». И как писал академик Е.К. Фёдоров: «В ходе технического прогресса человечество в целом не только никогда не испытывало недостатка в энергетических ресурсах, но всегда находило новые, часто принципиально новые способы получения энергии, задолго до того, когда могли возникнуть ограничения, связанные с истощением известных ресурсов.»… «И вместе с тем проблема энергии может, с нашей точки зрения, создать серьёзные трудности, а может быть, и поставить границы для развития человечества на Земле. Не нехватка, а избыток энергии, расходуемой на планете, может привести к такой ситуации».