4.2. Енергетика
Альтернатива нестримному нарощуванню енергетичних біцепсів існує. Вона полягає в підвищенні енергоефективності: краще менше, та краще. А. Шейндлін, російський академік, енергетик).
Розвиток людської цивілізації базується на енергетиці. Від стану паливно-енергетичного комплексу залежать темпи науково-технічного прогресу й виробництва, а отже, життєвий рівень людей. Як уже зазначалося, темпи зростання виробництва енергії у світі сьогодні є вищими за темпи приросту населення, що зумовлюється індустріалізацією, збільшенням енергозатрат на одиницю продукції в сільському господарстві, в гірничорудній промисловості й т. д.
Джерела енергії, які використовує людство, поділяються на відновлювані — енергія Сонця, вітру, морських припливів, гідроенергія річок, внутрішнього тепла Землі — й невідновлювані — викопне мінеральне паливо та ядерна енергія. Перші не порушують теплового балансу Землі, оскільки під час їх використання відбувається лише перетворення одних видів енергії на інші (скажімо, енергія Сонця перетворюється спочатку на електроенергію й тільки потім переходить у тепло). Зате використання других спричинює додаткове нагрівання атмосфери й гідросфери. Це небезпечно, бо може призвести до зміни рівня води у Світовому океані, що, своєю чергою, змінить співвідношення площі суші й водного дзеркала, вплине на клімат Землі, на тваринний і рослинний світ (див. гл. 3).
Отже, є теплова межа, яку людство не повинне переступати, інакше це матиме для нього катастрофічні наслідки. За розрахунками вчених, небезпечної межі буде досягнуто в разі використання невідновлюваних джерел енергії в кількості, яка перевищить 0,1 % потужності потоку сонячної енергії, що надходить на Землю, тобто більш як 100 млрд. кВт. Сьогодні на базі невідновлюваних джерел виробляється енергії в 10 разів менше за гранично допустиму кількість. Якщо темпи збільшення виробництва енергії запишаються такими самими, то теплової межі буде досягнуто приблизно в середині XXI ст. А людство ще й нарощує темпи, і нині 70 % усієї енергії воно отримує за рахунок спалювання вугілля, нафти й газу плюс 7 % — за рахунок роботи атомних електростанцій.
В енергетичних розрахунках застосовується спеціальна одиниця — вироблена маса палива (умовного): 1 т умовного палива еквівалентна 1 т кам´яного вугілля, або 2,5 т бурого вугілля, або 0,7 т нафти, або 770—850 м природного газу (залежно від його складу й відповідно до теплоти згоряння). Теплота згоряння 1 кг умовного палива дорівнює 29,3 ГДж.
У масштабних прогнозних розрахунках використовується також умовна одиниця 0, що дорівнює 36 млрд. т умовного палива. За даними геологів, світові розвідані запаси вугілля становлять 17,7, нафти — 30, газу – 20, урану — 3,7.
Якщо мінеральне паливо й далі спалюватиметься сьогоднішніми темпами, то, за розрахунками, всі його запаси будуть вичерпані через 130 років.
Необхідно наголосити, що спалювання мінеральної сировини — вкрай нераціональний спосіб використання природних ресурсів. Нафта, наприклад, — дуже цінна сировина для хімічного синтезу (сьогодні з неї отримують безліч потрібних матеріалів — синтетичні тканини й каучук, пластмаси, добрива, фарби й тисячі інших). Ще видатний російський хімік Д. І. Менделєєв з обуренням говорив: «Нафта — не паливо, топити можна й асигнаціями!»
Крім вуглеводневого палива й урану, в природі є ще одне невідновлюване джерело енергії. Це дейтерій, або важкий водень, — потенційне паливо для термоядерних електростанцій майбутнього. Запаси його у Світовому океані оцінюються в 19000.
Запаси енергії відновлюваних джерел становлять: вітру — 0,40, морських припливів і хвиль — 0,2—0,30, внутрішнього тепла Землі — 0,20, сонячного випромінювання — 20000.
Паливна проблема — одна з найзлободенніших для незалежної України. За даними вчених, наша держава забезпечена власним вугіллям на 95 %, нафтою — на 8 % і природним газом — на 22 %.
Вплив на довкілля ТЕС.
Виробництво електроенергії на ТЕС супроводжується виділенням великої кількості теплоти, тому такі станції, як правило, будуються поблизу міст і промислових центрів для використання (утилізації) цієї теплоти. Зважаючи на обмеженість світових запасів мінерального палива, вчені й технологи продовжують працювати над поліпшенням параметрів енергоблоків, підвищенням їхніх коефіцієнтів корисної дії (ККД), що забезпечує ощадливіше витрачання палива. Так, істотну економію палива дає збільшення одиничної потужності енергоблоків. Сьогодні на ТЕС установлюються енергоблоки потужністю 1000—1200 МВт. Сучасна технологія дає змогу підвищити цю потужність до 3000 МВт, що заощадить кілька процентів палива. Подальше зростання потужності блоків (до 5000 МВт) можливе в разі запровадження так званих кріогенних генераторів, які охолоджуються зрідженим гелієм.
Знизити питому витрату палива вдається також підвищенням ККД генераторів ТЕС. Нині максимальне значення ККД становить близько 40 %, але в принципі його можна збільшити до 60 % за рахунок упровадження перспективних магнітогідродинамічних (МГД) генераторів, дослідні зразки яких сьогодні випробовуються в ряді країн.
Спалювання мінерального палива супроводжується сильними забрудненнями довкілля. Розглянемо головні з них.
Забруднення атмосфери газовими й пиловими викидами.
Під час спалювання вуглеводневого палива в топках ТЕС, а також у двигунах внутрішнього згоряння виділяється вуглекислий газ, концентрація якого в атмосфері збільшується приблизно на 0,25 % за рік. Це спричинює розігрівання атмосфери за рахунок парникового ефекту (див. гл. 3). З труб ТЕС і вихлопних труб автомобілів у атмосферу викидаються також оксиди сірки й азоту, внаслідок чого випадають кислотні дощі (див. гл. 3). Атмосфера забруднюється й дрібними твердими частинками золи, шлаку, не повністю згорілого палива (сажа) (табл. 4. 1.).
– вугілля перед його спалюванням у топках ТЕС очищають від сполук сірки;
–вловлюють із диму ТЕС оксиди сірки й азоту, пропускаючи його крізь спеціальні поглиначі;
– частинки золи й сажі вловлюють за допомогою установок типу «Циклон» та іншими способами;
– для зменшення токсичності вихлопних газів автомобілів застосовують регулювання двигунів, переходять на «екологічно чисті» марки палива, встановлюють на автомобілях спеціальні каталізатори, що допалюють чадний газ до вуглекислого, і т. д.
Радіоактивне забруднення. У викопному вугіллі й пустих породах містяться домішки природних радіоактивних елементів (урану, торію та ін.). Після спалювання вугілля ці елементи концентруються в частинках золи, яка виявляється більш радіоактивною, ніж вихідне вугілля й пусті породи (сланці тощо). Таким чином відбувається радіоактивне забруднення атмосфери й земної поверхні. Щоправда, воно не настільки небезпечне, як радіоактивне забруднення від АЕС (див. нижче), оскільки у вугіллі й вугільних породах містяться радіоактивні ізотопи, що існують у біосфері впродовж мільярдів років, і до них живий світ пристосувався. Більшість рослин і тварин не нагромаджують ці ізотопи у своєму організмі, на відміну від штучних радіонуклідів, які викидаються АЕС. Розроблені методи очищення відхідних газів ТЕС від частинок золи дають змогу зменшити це забруднення в 100—200 разів і звести його в такий спосіб майже до фонового рівня.
Забруднення земної поверхні відвалами шлаків і кар´єрами.
Після спалювання в топках ТЕС вугілля залишається багато твердих відходів (шлаку, золи). Вони забирають великі площі землі, забруднюють підземні й поверхневі води шкідливими речовинами. Ще більші ділянки землі порушуються величезними вугільними кар´єрами. Так, шлакові відвали й терикони пустих порід лише в Донбасі займають площу понад 50 тис. га, і вона дедалі збільшується.
Зменшення шкоди від такого забруднення досягається утилізацією (корисним використанням) шлаків і пустих порід, з яких виготовляють будівельні матеріали, засипають ними яри, болота й кар´єри під час рекультивації. Ефективними є й економічні санкції, зокрема введення високої платні за порушення земель, особливо родючих. Завдяки цим обмеженням у більшості західних країн відмовилися від кар´єрного способу видобування корисних копалин у сільськогосподарських районах, оскільки платня за землю виявляється вищою, ніж та вигода, яку може дати відкритий спосіб розробки родовища порівняно з шахтним. В Україні питання про відведення сільськогосподарських земель під будівництво великого кар´єру або ТЕС вирішує найвищий законодавчий орган країни — Верховна Рада.
Вплив на довкілля АЕС.
За даними Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ), у 26 країнах світу експлуатується 416 ядерних енергоблоків, які виробляють близько 16 % усієї електроенергії. Деякі країни основну ставку зробили саме на АЕС. Наприклад, у Франції АЕС виробляють більш як 70 % електроенергії. Але інші країни (Швеція, Данія, Австрія, Філіппіни) заявили про свій намір цілком відмовитися від АЕС і демонтував ти ядерні блоки, які працюють там. Палкі суперечки особливо посилилися після катастрофи на Чорнобильській АЕС у 1986 р. Одні вчені, енергетики й політичні діячі обстоюють думку, що без атомної енергетики людство не зможе обійтися, і слід лише зробити все можливе, щоб звести ризик аварії на АЕС до мінімуму. Як доказ на користь атомної енергетики наводяться дані про те, що АЕС використовують мало «палива» порівняно з ТЕС (добова витрата мазуту на тепловій електростанції потужністю 2000 МВт становить 8,3 тис. т, вугілля — 10 тис. т, а урану на атомній — 180 кг). Вітчизняні енергетики-атомники протягом тривалого часу доводили також, що електроенергія, яку виробляють АЕС, дешевша від тієї, яку виробляють ТЕС, і що АЕС, мовляв, менше забруднюють навколишнє середовище, ніж ТЕС.
Противники АЕС (їх значно побільшало після аварії на Чорнобильській АЕС і розсекречення матеріалів, пов´язаних із діяльністю Мінатоменерго колишнього СРСР) наполягають на якнайшвидшій забороні цього способу добування енергії як шкідливого й небезпечного для біосфери.
Сьогодні доведено: твердження про «дешевизну» атомної енергії (вважалося, що в колишньому СРСР вона коштувала в три рази менше, ніж у розвинених країнах Заходу) — це навмисна фальсифікація. Річ у тім, що проектувальники вітчизняних АЕС не вносили у вартість «атомного» кіловата такі затрати, як переробка й поховання радіоактивних відходів, а за оцінками спеціалістів, вони становлять понад 75 % вартості всього паливного циклу АЕС. Не враховувалася також вартість демонтажу АЕС, а втім АЕС через 25—30 років роботи має бути зупинена, розібрана або похована, оскільки радіоактивність її агрегатів та обладнання перевищить норми. А вартість демонтажу, за оцінками західних фахівців, дорівнює вартості її будівництва. Не були враховані й інші затрати, пов´язані з експлуатацією АЕС, зокрема зумовлені вимогами стосовно безпеки її роботи (на АЕС, що функціонують у розвинених країнах, ці вимоги були набагато жорсткіші, ніж на радянських). Доведено, що вартість «атомного» кіловата насправді втроє вища, ніж «газового», й удвоє, ніж «вугільного». Як пишуть німецькі експерти в цій галузі, «атомна енергія дешева лише там, де безпека стоїть на другому плані, й доти, доки людство мириться з тим, що його сьогоднішнє марнотратство щодо електроенергії загрожує майбутнім поколінням пекельним радіоактивним жахом».
Найголовніше ж полягає в тому, що атомна енергетика настільки згубно впливає на біосферу, а потенційна небезпека аварії на АЕС така велика (адже це — техніка, й не можна дати стопроцентної гарантії її безвідмовності), що обстоювати цей спосіб добування енергії недопустимо й аморально.
Паливний енергетичний цикл АЕС передбачає видобування уранової руди й вилучення з неї урану, переробку цієї сировини на ядерне паливо (збагачення урану), використання палива в ядерних реакторах, хімічну регенерацію відпрацьованого палива, обробку й поховання радіоактивних відходів. Усі ці операції (рис. 4. 1.) супроводжуються небезпечним радіоактивним забрудненням природного середовища.
Висновки експертів «Ренд корпорейшн», одного з провідних «мозкових» трестів США.
Забруднення починається на стадії видобування сировини, тобто на уранових рудниках. Після вилучення урану з руди залишаються величезні відвали слабко радіоактивних пустих порід — до 90 % добутої з надр породи. Ці відвали забруднюють атмосферу радіоактивним газом радоном, небезпечним для біоти (наприклад, медики довели, що внаслідок вдихання повітря з підвищеним умістом радону в ссавців розвивається рак легень).
Кількість радіоактивних відходів зростає на стадії збагачення уранової руди, з якої виготовляють твели — спеціальні елементи, що виділяють тепло, котрі надходять потім на АЕС. У реактор типу РБМК (сумнозвісний після аварії на Чорнобильській АЕС) завантажується близько 180 т таких твелів, які в результаті роботи реактора перетворюються на високорадіоактивні відходи. АЕС — це, по суті, підприємство, яке поряд з електроенергією виробляє величезну кількість украй небезпечних речовин. Лише в США нагромадилося близько 12 тис. т таких відпрацьованих твелів, а на початку XXI ст. до них додасться ще 40 тис. т цього пекельного матеріалу.
Відпрацьовані твели кілька років зберігаються на території АЕС у спеціальних басейнах із водою, поки трохи знизиться їхня радіоактивність, після чого в особливих контейнерах спеціальними поїздами їх перевозять на фабрику для регенерації ядерного палива. Тут твели обробляють, вилучаючи з них уран, який іще не «вигорів», і виготовляють із нього нові твели.
Прихильники атомної енергетики довго переконували у великій перевазі АЕС: мовляв, відпрацьоване паливо можна багаторазово переробляти й знову використовувати в реакторі, доки не «вигорить» весь уран. Насправді вже після другого такого циклу регенерації залишки палива у твелах насичуються великою кількістю сторонніх ізотопів і продуктів розщеплення, а це внеможливлює використання їх у реакторі втретє. «Вигоряє» лише 2 % урану, який був у твелі першого циклу. А сам твел стає надзвичайно небезпечним радіоактивним матеріалом, який потрібно десь зберігати сотні й тисячі років.
Радіація має дуже негативну особливість: усе, що контактує з радіоактивною речовиною (і машини, і контейнери, і обладнання, і приміщення, і навіть одяг персоналу), саме стає радіоактивним, а отже, небезпечним. Радіацію неможливо зупинити, «вимкнути» чи знищити. Всі ці відпрацьовані радіоактивні матеріали необхідно десь надійно зберігати, поки не розпадуться радіоактивні ізотопи. Але серед них багато таких, період напіврозпаду яких обчислюється тисячами років! У процесі зберігання контейнерам з відходами не можна контактувати з підземними водами, сховища необхідно вентилювати (сотні років!), бо за рахунок виділення з відходів тепла контейнери нагріваються до температури 200 °С і можуть розтріскатися. Крім того, ці сховища треба надійно охороняти (сотні років!), щоб до них не проникли сторонні люди або зловмисники.
Сьогодні на всіх АЕС України нагромаджено до 70 тис. м3 радіоактивних відходів, 65,5 млн. т — у видобувній та переробній урановій промисловості, 5 тис. м3 — в Українському державному об´єднанні «Радон» та 1,1 млрд. м3 відходів міститься в зоні відчуження ЧАЕС. Близько 85—90 % радіоактивних відходів належать до категорії низько- та середньоактивних.
Сказане цілком стосується й самих АЕС. Через 25—30 років експлуатації все їхнє обладнання, апаратура, місткості, приміщення, транспортні засоби й т. д. стають настільки радіоактивними, що їх необхідно демонтувати й поховати на сотні років. А для поховання лише одного реактора потрібно близько 40 га землі.
Немає жодного іншого енергоносія, використання якого залишало б хоч приблизно стільки відходів, скільки дає ядерна енергетика, і немає таких відходів, які за ступенем небезпечності хоча б приблизно нагадували продукти розщеплення. (Е. Гауль, німецький учений-атомник).
Аналіз, здійснений провідними фахівцями світу в галузі енергетики, показав, що найближчими десятиліттями атомна енергетика все ще відіграватиме значну роль у житті людства, а для деяких країн (Франція, Японія, Китай та ін.) буде основним джерелом енергозабезпечення. Низка важливих факторів, насамперед економічних, не дозволяє в найближчій перспективі відмовитися від атомної енергетики й в Україні. Тож постає необхідність підвищувати екологічну безпеку галузі.
Досвід переконливо свідчить, що однією з основних проблем, пов´язаних із використанням атомної енергії, є поховання ядерних відходів. Ця проблема з часом стає гострішою й із регіональної переростає в глобальну. В країнах, де функціонує багато атомних електростанцій (США, Франція, Велика Британія, Китай, Росія, Японія), нині нагромаджено величезну кількість як твердих, так і рідких ядерних відходів, що становлять чимдалі серйознішу небезпеку для довкілля. Атомні енергетичні компанії змушені витрачати дедалі більші кошти на розширення площ ядерних сховищ і поховань, на забезпечення їх безпеки, на переробку відходів ядерного палива (ВЯП), яка, на думку вчених, пов´язана з великим ризиком для навколишнього природного середовища.
У розвинених країнах (США, Японія) опрацьовуються різні проекти поховання та знешкодження ВЯП, навіть такий, як будівництво могильника на Місяці. Найреальнішими з них вважаються спорудження великого підземного сховища в надрах гори Юкка на півдні США (в пустелі Невада, в 140 км від Лас-Вегаса), а також поховання ВЯП у спеціальних сховищах у Сибіру (Новосибірська область), на що Росія погоджується, незважаючи на гучні протести громадськості.
Вартість першого із зазначених проектів — 58 млрд. доларів. Наукові дослідження, на які було витрачено майже 7 млрд. доларів, тривали 20 років і завершилися вибором саме г. Юкка, де можна буде поховати близько 80 тис. т ядерних відходів, запобігти їх негативному впливові на довкілля, здійснювати багаторічний екологічний моніторинг і розмістити відповідні служби науково-технічного забезпечення й контролю. Сьогодні ВЯП зберігаються в більш як 130 різних сховищах по всій території США. Американські фахівці гарантують надійність сховища ВЯП у пустелі Невада на 10 тис. років. Єдина небезпека — це привабливість об´єкта для терористів.
В Україні за роки незалежності не вдалося створити замкненого циклу виробництва палива для АЕС і поховання ядерних відходів.
Проблема поховання ВЯП для нашої держави не менш гостра, ніж для США. Була спроба організувати сховища ВЯП у соляних шахтах м. Артемівська (Донбас), є проекти поховання в надрах Українського кристалічного щита — в спеціально створених сховищах у гранітних товщах. В Інституті геологічних наук НАНУ ведуться пошукові роботи (вони триватимуть до 2005 р.) найбезпечнішого, з усіх поглядів, місця поховання ВЯП. А поки що ВЯП наших АЕС відправляються на тимчасове зберігання в Росію, звідки ці відходи Україна повинна забрати назад у 2010 р.
АЕС виробляють сотні видів радіоактивних речовин, яких раніше не було в біосфері, й до яких живі істоти не пристосовані. Так, після аварії на Чорнобильській АЕС в атмосферу було викинуто близько 450 видів радіонуклідів. Серед них багато довгоіснуючих, таких як цезій-137 (період напіврозпаду 80 тис. років) і стронцій-90 (період напіврозпаду 20 тис. років). Вони за своїми хімічними властивостями подібні до калію й кальцію, які відіграють велику роль у біохімічних процесах. Живі організми не можуть відрізнити ці ізотопи від калію та кальцію й нагромаджують їх, що є причиною найнебезпечнішого внутрішнього опромінення, яке викликає тяжкі захворювання й шкідливі мутації.
Штучний елемент плутоній (період напіврозпаду перевищує 20 тис. років!), який нагромаджується в атомних реакторах, — це найтоксичніша речовина з усіх, що будь-коли створені людиною: 450 г плутонію (за об´ємом це кулька розміром з апельсин) достатньо, щоб убити 10 млрд. людей; 1 мкг цієї речовини викликає рак легень у людини. А нині на Землі в ядерних боєголовках, відпрацьованих твелах та інших відходах АЕС накопичено тисячі тонн цієї суперотрути.
Нагромадження в природі невластивих для неї радіоактивних речовин украй шкідливо діє на біосферу. В зонах, забруднених унаслідок аварії на ЧАЕС, уже сьогодні спостерігаються масові аномалії: у рослин — гігантизм листя дерев, такі зміни деяких рослин, що важко визначити їх вид; у тварин — народження нежиттєздатних мутантів (поросят без очей, лошат із вісьмома кінцівками тощо); у людей і тварин — пригнічення функцій імунної системи, в результаті чого ускладнився перебіг таких захворювань, як грип, запалення легень, збільшилася смертність від «звичайних» захворювань.
«Мирний атом» загострив питання про відповідальність учених, змусив замислитися про такі поняття, як совість, людяність, порядність, про те, чи маємо ми право заради сьогоднішніх ілюзорних вигод ризикувати здоров´ям і життям майбутніх поколінь.
Всемогутність і безсилля людини продемонстрував Чорнобиль. І застеріг: не захоплюйся своєю могутністю, людино, не жартуй із нею. Бо ти й причина, ти й наслідок. (Г. О. Медведсв, російський публіцист).
До сказаного слід додати, що АЕС спричинюють також велике теплове забруднення, особливо гідросфери. Лише мала частина теплоти, що виділяється під час роботи реакторів, може бути утилізована й перетворена на електроенергію. Левова ж її пайка у вигляді гарячої (45 °С) води й пари викидається у водойми та в повітря. Вище вже наводився приклад Хмельницької АЕС,. яка використовує для охолодження своїх реакторів усю воду річки Горинь.
Термоядерна енергетика.
У зв´язку з величезною потенційною небезпекою АЕС для біосфери вчені та енергетики сьогодні покладають надії на інший спосіб добування енергії, а саме з допомогою термоядерних електростанцій (ТЯЕС). І хоча в світі поки що не діє жодна ТЯЕС, є переконання (особливо на Заході), що цей спосіб добування енергії стане основним у XXI ст. й витіснить АЕС і ТЕС.
На ТЯЕС енергія добуватиметься не за рахунок розщеплення важких ядер урану, а внаслідок злиття легких ядер ізотопів водню (дейтерію й тритію) та утворення з них ядер гелію. Такі реакції живлять енергією Сонце й незліченну кількість інших зірок у Всесвіті.
Нині над розробкою промислових термоядерних реакторів працюють учені багатьох країн: Європейського Союзу, США, Росії, Японії, Канади. Як вважає більшість учених, зайнятих цією проблемою, перший прототип комерційного термоядерного реактора планується створити в першій чверті XXI ст.
Цей спосіб добування електроенергії матиме безумовні переваги над тими, що використовуються сьогодні на ТЯЕС і АЕС:
– ТЯЕС характеризуватимуться високим ступенем безпеки роботи, бо конструкція термоядерного реактора така, що за будь-якого її пошкодження чи порушення режиму автоматично припиняється термоядерна реакція й вимикається реактор;
– у термоядерному реакторі водночас міститиметься лише кілька грамів «палива» — дейтерію й тритію, що є відносно низько-радіоактивними (порівняйте з 180 т урану, який завантажується в реактор АЕС!);
– запаси одного з компонентів палива для ТЯЕС — дейтерію — на Землі величезні: їх достатньо, аби забезпечити електроенергією людство на кілька мільйонів років (наприклад, дейтерію, що міститься у 500 л води з будь-якої водойми, достатньо для задоволення всіх енергетичних потреб однієї людини протягом усього її життя);
– внаслідок термоядерної реакції не утворюються радіонукліди — продуктом реакції є нерадіоактивний газ гелій;
– ТЯЕС не забруднюватимуть атмосферу речовинами, здатними спричинити кислотні дощі, парниковий ефект або руйнування озонового шару.
Проте в ТЯЕС будуть і недоліки:
– теплота, яка у великій кількості виділяється внаслідок термоядерної реакції, за законами термодинаміки, не може бути цілком перетворена на електроенергію й спричинює підігрівання атмосфери й гідросфери Землі;
– на розвиток термоядерної енергетики накладається те саме обмеження, що й на використання інших невідновлюваних джерел енергії, — це тепловий рубіж;
– робота термоядерного реактора супроводжується дуже потужним нейтронним потоком, а отже, відбувається радіоактивне забруднення конструкцій, тому по певному часі необхідно його розбирати й ховати (як і реактори АЕС);
– до компонентів «палива» для ТЯЕС, крім дейтерію, належить літій, запаси якого на Землі дуже невеликі, а родовища небагаті й трапляються дуже рідко, або тритій, що виробляється штучно, з великими затратами енергії.
Вплив на довкілля ГЕС. У наш час ГЕС виробляють близько 20 % електроенергії у світі. Деякі країни з гірським рельєфом і швидкими річками (Норвегія, Таджикистан, Киргизстан) свої потреби в електроенергії задовольняють переважно за рахунок ГЕС.
Гідроенергетичний потенціал України становить 44,7 млрд. кВт/год, проте лише 21,5 млрд. кВт/год припадає на ресурси, які технічно можливо використати (46 % їх сконцентровано в басейні Дніпра, по 20 % — у басейнах Дністра й Тиси, 14 % — інших річок). Щодо економічно доцільних для використання гідроенергоресурсів, то вони загалом не перевищують 16—17 млрд. кВт/год (61 % зосереджено в басейні Дніпра, 22 % — Тиси, 17 % — Дністра). Отже, за запасами гідроенергоресурсів Україна посідає досить скромне місце серед інших держав світу, Європи та СНД.
Установлена потужність ГЕС України становить 4,7 млн. кВт, 98 % якої припадає на гідроелектростанції Дніпровського каскаду та Дністровської ГЕС.
Порівняно з ТЕС і АЕС гідроелектростанції мають низку переваг:
– вони зовсім не забруднюють атмосферу;
– поліпшують умови роботи річкового транспорту;
– працюючи в парі з ТЕС, беруть на себе навантаження під час максимального (пікового) споживання електроенергії;
– агрегати ГЕС уводяться в дію дуже швидко, на відміну від агрегатів ТЕС, яким потрібно кілька годин для розігрівання й виходу на робочий режим (або ж треба утримувати один з агрегатів ТЕС у «гарячому» режимі, витрачаючи дефіцитне паливо). Разом із тим ГЕС, особливо ті з них, що побудовані на рівнинних річках, завдають шкоди довкіллю.
На Дніпрі, наприклад, водосховищами затоплено величезні площі найродючіших у Європі земель: Київським — 922 км2, Канівським — 675, Кременчуцьким — 2250, Дніпродзержинським — 567, Дніпровським — 410, Каховським — 2155 км2. У сумі це становить майже 7000 км2 — чверть території Бельгії! Важко уявити, скільки сільськогосподарської продукції недоодержала Україна через це. Із затоплюваних ділянок довелося відселяти жителів сотень сіл, прокладати нові дороги й комунікації тощо. Пішло під воду багато історичних і ландшафтних пам´яток.
У місцевостях, розташованих поблизу водосховищ, піднімається рівень ґрунтових вод, заболочується територія, виводяться із сівозмін великі площі землі.
На водосховищах тривають обвали берегів, які на окремих ділянках відступили вже на сотні метрів.
Греблі перетворили Дніпро на низку застійних озер, що мають слабкий водообмін та погану самоочищуваність і стають уловлювачами промислових забруднень.
Дуже потерпають від гребель мешканці річок — планктон і риба. Риба не може проходити крізь греблі до місць своїх звичних нерестовищ, які до того ж стають непридатними для нересту через заглиблення. Багато риби й планктону гине в лопастях турбін. Водосховища, забруднені стоками й добривами, що змиваються з полів, улітку нерідко «цвітуть», що спричинює масову загибель риби та інших мешканців водойм.
Якщо підрахувати всі ці збитки від будівництва й роботи ГЕС на рівнинних територіях, стає зрозуміло, що твердження про «найдешевший кіловат», який нібито дають ГЕС, не відповідає дійсності. Очевидно, що великі ГЕС раціонально будувати лише в гірських районах. Можливо, в майбутньому нам чи нашим нащадкам доведеться спускати воду з деяких «рукотворних морів» на тому ж Дніпрі.
Альтернативні джерела енергії — це енергія вітру, морів та океанів, внутрішнього тепла Землі, Сонця.
Енергія вітру.
За оцінками вчених, загальний вітроенергетичний потенціал Землі в 30 разів перевищує річне споживання енергії людством. Однак використовується лише мізерна частка цієї енергії. Так було не завжди. За даними статистики, до революції в кожному другому селі України працював вітряк. Але парова машина, а потім двигун внутрішнього згоряння витіснили цих скромних трудівників. Добре відомо також, що до появи пароплавів усі морські перевезення здійснювалися вітрильниками.
Можливості використання енергії вітру в різних місцях Землі неоднакові. Для нормальної роботи вітроелектричних двигунів швидкість вітру в середньому за рік має бути не меншою ніж 4—5 м/с, а краще, коли вона становить 6—8 м/с. В Україні до таких зон належать узбережжя Чорного моря, особливо Крим, а також Карпати й південні степові райони.
Піонером будівництва вітроелектростанцій (ВЕС) був видатний український учений та інженер, один з основоположників космонавтики Ю. Кондратюк. Побудована ним у 1931 р. поблизу Севастополя ВЕС потужністю 100 кВт більш як 10 років забезпечувала місто електроенергією.
Сьогодні на Заході, особливо в Данії та США, серійно випускаються ВЕС потужністю від 1,5 до 100 кВт, діє також кілька експериментальних потужністю до 30 тис. кВт.
У донецькому Приазов´ї споруджується найбільша в Україні ВЕС — Новоазовська. В степу вже змонтовано комплекс із 15 генераторів. Планується, що до 2005 р. потужність цієї прибережної станції досягне 50 МВт. Цього цілком достатньо, щоб забезпечити електроенергією найбільший в області Новоазовський сільськогосподарський район, де розташовано більш як сто оздоровниць і баз відпочинку. Цікаво, що в цій частині Приазовської низовини понад триста днів на рік напористо дме «калмик» — стабільний вітер із Калмицьких і Сальських степів (своєрідна «вітрова труба», за визначенням синоптиків).
Услід за Новоазовською планується спорудження подібних ВЕС у Володарському й Першотравневому районах.
Вітроелектростанції не забруднюють довкілля. Єдиний негативний фактор — низькочастотний шум (гудіння) під час роботи ВЕС та ще одиничні випадки загибелі птахів, які потрапляють у лопаті вітродвигунів.
Думки інженерів і вчених повертаються й до, здавалося б, давно забутих вітрильників.
Відомий океанолог Ж.-І. Кусто наприкінці 80-х років сконструював і випробував вантажне судно, в якого, крім дизельного двигуна, є й вітрила. Щоправда, цей вітрильник мало схожий на оспівані бригантини минулих віків — його вітрила являють собою вертикальні напівциліндричні конструкції з алюмінієвого сплаву, якими керує комп´ютер. Використання цих вітрил під час трансокеанічного плавання дає змогу економити значну (до 70 % за сприятливого вітру) кількість палива.
Енергія морів та океанів.
Світовий океан містить колосальні запаси енергії. По-перше, це енергія сонячного випромінювання, поглинута океанською водою, яка виявляється в енергії морських течій, хвиль, прибою, різниці температур різних шарів води. По-друге, це енергія тяжіння Місяця й Сонця, що спричинює морські припливи й відпливи. Використовується цей екологічно чистий потенціал іще дуже мало.
Першими об´єктами такої енергетики можна вважати морські хвильові електростанції, які акумулюють енергію вертикальних коливань води. Хвиля метрової висоти забезпечує від 25 до 35 кВт енергії, навіть хвиля заввишки всього 35 см може обертати спеціальну турбіну й давати електричний струм. Одна з перших хвильових електростанцій потужністю 350 кВт ось уже близько 30 років успішно діє поблизу норвезького міста Бергена.
Збудовано також перші морські електростанції, що утилізують енергію припливів і відпливів, — на узбережжі Ла-Маншу у Франції потужністю 240 тис. кВт і в Кольській затоці (Росія) потужністю 400 кВт.
А на тихоокеанському острові Науру діє електростанція потужністю 100 кВт, яка використовує (за принципом термопари) різницю температур нагрітого тропічним сонцем поверхневого шару води й холодного придонного.
Енергія внутрішнього тепла Землі.
З глибиною підвищується температура в земній корі (в середньому на 30 °С на 1 км, а у вулканічних районах — набагато швидше). За оцінками геологів, до глибин 7—10 км загальна кількість теплоти в 5000 разів перевищує теплоємність усіх видів мінерального палива, що є на Землі. Теоретично лише 1 % цього тепла достатньо, аби забезпечити людство енергією на найближчі 4000 років. Та на практиці це джерело енергії використовується ще дуже мало. Найкращі результати досягаються в районах активної вулканічної діяльності (Ісландія, Камчатка, Гавайські острови), де близько до поверхні є термальні води. Крізь свердловини гаряча водяна пара надходить у турбіни, що виробляють електроенергію. Відпрацьована гаряча вода йде на обігрівання теплиць, житла тощо. В холодній Ісландії в таких оранжереях вирощують овочі й навіть банани, а столиця країни Рейк´явік уже понад 40 років уся забезпечується теплом за рахунок цього джерела.
В Україні досі немає установок такого типу, хоч у нас є перспективні зони для застосування геотермальної енергії — Карпати, Закарпаття та Крим.
У разі споживання геотермальної енергії постає проблема відпрацьованих підземних вод. Вони сильно мінералізовані, і їх не можна спускати у водостоки. Тому відпрацьовані води знову закачують у підземні горизонти для повторного використання. З деяких таких розсолів добувають йод, бром, літій та деякі інші елементи.
Енергія Сонця.
Сонце — найпотужніше джерело екологічно чистої енергії, і людство має зосередити свої зусилля на розробці методів її утилізації. Основна перешкода полягає в розсіяності сонячної енергії: на широтах України, наприклад, на кожний квадратний метр поверхні за рік надходить лише близько 1900 кВт сонячної енергії. Утилізація сонячної енергії стримується також високою вартістю установок, а отже, й порівняно високою собівартістю електроенергії.
Сонячну енергію можна застосовувати для добування електроенергії, побутового тепла, високотемпературного тепла в промисловості, на транспорті. Найбільших успіхів досягнуто в таких країнах, як США, Франція, Туркменистан, причому переважно в галузі так званої «малої» енергетики.
Для добування електроенергії від Сонця застосовується кілька методів, найперспективніший з яких полягає в безпосередньому перетворенні сонячного випромінювання на електрику за допомогою напівпровідникових фотоелектричних генераторів (сонячних батарей). ККД найсучасніших їх типів сьогодні становить 25—30 %. Через високу вартість такі батареї поки що використовуються мало — на космічних супутниках і станціях, у ретрансляторах, навігаційних маяках, телефонних станціях у пустельних місцевостях, для живлення невеликих радіостанцій, у мікрокалькуляторах, електронних іграшках тощо.
Електроенергію від Сонця добувають також за допомогою паротурбінних генераторів.
Одну з таких сонячних електростанцій (СЕС) потужністю 1200 кВт споруджено в Криму поблизу Керчі. В центрі круга діаметром 500 м установлено 70-метрову башту з парогенератором на верхівці. її оточують 1600 рухомих дзеркал (геліостатів). Стежачи за допомогою ЕОМ за рухом Сонця, вони відбивають його промені на парогенератор, нагріваючи в ньому воду до утворення пари температурою 300 °С. Пара подається на турбіну з електрогенератором.
СЕС не забруднюють довкілля. Щоправда, для майбутніх потужних СЕС на сонячних батареях знадобляться великі площі. Але на нашій планеті — близько 20 млн. км2 пустель, де землі непридатні для сільського господарства, потік сонячної енергії найпотужніший, а кількість хмарних днів протягом року мінімальна. Щоб задовольнити енергетичні потреби людства, треба розмістити батареї на площі від 1 до 3 млн. км2, тобто достатньо зайняти лише 5—15 % площі пустель.
Сонячна енергія використовується також для добування побутового тепла (100—150 °С), яке йде на опалювання приміщень, приготування їжі, опріснення води тощо.
Розроблено досить зручні пристрої для таких потреб (наприклад, параболічне дзеркало-піч діаметром 1,5 м, у фокусі якого вода в трилітровому чайнику закипає за 10 хв.).
Для промислових цілей (плавлення проб металів, вирощування кристалів із розплаву і т. п.) створено сонячні печі, у фокусі дзеркала яких температура сягає 3800 °С. Одна з таких установок діє у Франції.
Сонячна енергія може застосовуватися й на транспорті — для енергоживлення автомобілів, невеликих суден і навіть літаків. Із площі в кілька1 квадратних метрів (дах мікроавтобуса) можна зібрати енергію для живлення автомобільного акумулятора.
В 1982 р. такий автомобіль, не витративши й краплі бензину, перетнув Австралію, подолавши за два місяці відстань у 4000 км.
На літаку, верхню площину крила якого було вкрито сонячними батареями, здійснено переліт через Ла-Манш.
На півдні Австралії будується екологічно чиста сонячно-вітрова електростанція, або так званий «сонячний комин», потужністю 200 МВт. Вона, до речі, стане найвищою спорудою у світі. Конструктивно це буде бетонна труба заввишки 1 км, оточена скляним кожухом. За принципом дії ця електростанція подібна до ГЕС, але рушієм її турбін буде не вода, а висхідний потік нагрітого сонцем повітря. Нагріте сонцем у скляному кожусі повітря підніматиметься вгору трубою й надаватиме рух генераторам електростанції. Спорудження станції має завершитися в 2005 р. Вона забезпечить екологічно чистою електроенергією близько 200 тис. мешканців цього району. Вночі генератори станції діятимуть від гарячого повітря, що нагріватиметься в спеціальних водяних колекторах, які протягом дня запасатимуть тепло за рахунок нагрівання сонцем.
Біоенергетичні технології.
Життя та діяльність людей супроводжуються утворенням великої кількості органічних відходів (побутове сміття, каналізаційні стоки, відходи виробництва сільськогосподарської продукції — солома, лушпиння й т. д., деревообробки — тирса, обрізки, гілки, хвоя тощо). Звалища навколо великих міст забирають величезні площі (так, поблизу Нью-Йорка воно за об´ємом уже дорівнює 25 пірамідам Хеопса!), забруднюють повітря й воду. А тим часом розроблено технології, що дають змогу добувати з цих відходів енергію (сконструйовано, наприклад, установки, в яких відходи спалюються, даючи тепло й електроенергію), а також різні корисні матеріали (скло, метали та ін.).
Є й інша перспективна технологія переробки відходів — за допомогою метанобактерій. Ці мікроорганізми активно розмножуються в будь-яких органічних рештках, продукуючи в результаті своєї життєдіяльності цінну енергетичну сировину — біогаз (суміш метану й чадного газу). Технологія добування біогазу дуже проста. Бетонні місткості або колодязі будь-якого об´єму заповнюють гноєм, сміттям, листям, тирсою й т. п. Місткість має бути щільно закритою, щоб не було доступу кисню. Газ, який утворюється в результаті бродіння, відводиться в приймальний пристрій або безпосередньо в газову плиту. Після процесу бродіння залишається добриво — знезаражене, без запаху, цінніше за гній.
Сьогодні така технологія широко застосовується в Китаї та Індії, де функціонують мільйони подібних установок. А в Румунії проведено успішні досліди з використання біогазу як палива для тракторів.
Останнім часом дедалі ширше розробляються технології добування палива для двигунів внутрішнього згоряння з органічних речовин, що продукуються рослинами.
Так, у Бразилії з відходів виробництва цукру з цукрової тростини добувають технічний спирт, що використовується як паливо для автомобілів (причому вартість цього палива нижча, ніж бензину, а забруднення повітря в результаті його згоряння — менше).
В Австралії успішно виготовляють так звану «зелену нафту» — продукт переробки спеціальних мікроскопічних водоростей, які вирощуються в штучних басейнах.
Для України особливе значення має технологія добування палива з ріпакової олії. Ріпак, ця невибаглива рослина, дає до 1 т олії з гектара, причому його можна вирощувати на землях, непридатних ні для чого іншого, наприклад на полях зрошення, де нейтралізуються каналізаційні стоки, й навіть на землях 30-кілометрової зони відчуження навколо Чорнобильської АЕС, бо, як з´ясували вчені, радіонукліди не нагромаджуються в ріпаковій олії. її можна або безпосередньо заливати в баки дизелів (які, щоправда, в цьому разі треба модернізувати), або ж із неї можна виготовляти спеціальне дизельне паливо — «блакитний ангел», котре за всіма характеристиками подібне до солярової оливи, але при цьому екологічно чистіше й дешевше; нарешті, цю олію можна додавати в солярову оливу (до 20 %), що не змінює ні енергетичних, ні екологічних показників двигунів.
Воднева енергетика.
До дуже перспективних джерел добування теплової та електричної енергії належить водень, який має високу теплотворну здатність, може успішно замінювати природний газ і при цьому є екологічно чистим паливом, оскільки в результаті його згоряння утворюється лише водяна пара. Отже, переведення ТЕС та інших споживачів газового палива на водень зменшило б викиди в атмосферу вуглекислого газу й інших шкідливих сполук. Широке використання водню як джерела енергії до останнього часу стримувалося його вищою вартістю порівняно з природним газом, незважаючи на те, що є численні методи добування водню. Але нещодавно в деяких країнах, зокрема в США, розроблено технології добування водню з глюкози або глюкозовмісних речовин, таких як крохмаль і целюлоза (деревина). Після обробки глюкози або її полімерів спеціальними ферментами, добутими з бактерій, вона перетворюється на глюкуронову кислоту, і при цьому виділяється водень. За повідомленнями преси, нині зазначені технології ще недосконалі (вихід водню поки що становить тільки 12 % від теоретично можливого), і тривають інтенсивні роботи в цій перспективній галузі. До речі, глюкуронова кислота — відхід виробництва — є цінною сировиною для хімічної промисловості.
Енергозбереження, впровадження нових технологій, що потребують менших затрат енергії, мають стати основними орієнтирами подальшого розвитку економіки. За розрахунками вчених зниження питомої енергоємності національного продукту України вдвоє дасть змогу зберегти споживання енергії в першій чверті XXI ст. на теперішньому рівні. І це завдання цілком реальне. Україна імпортує 55 % необхідних для неї енергоресурсів, тоді як за умови використання всіх потенційних засобів енергозбереження вона могла б економити 48 % енергоресурсів і стала б практично незалежною від зовнішніх їх джерел. У США завдяки великій увазі, яку було приділено енергозбереженню після нафтової кризи 1973 р., споживання енергоресурсів за десять років після кризи зменшилося на кілька процентів, валовий же національний продукт країни за цей період зріс на 25 %.
Проте до останнього часу заклики до ощадливого, господарського використання сировини, енергоресурсів, які періодично з´являються на шпальтах преси, лунають у виступах учених, не давали бажаних результатів: коли все було «наше» й нічого «мого», коли виробник був відчужений від власності — не існувало жодних стимулів економити що б то не було. Доти, доки земля й усе, що є на ній, не матиме справжнього хазяїна, заклики до збереження ресурсів залишаться «голосом волаючого в пустелі».
А втім у нас є величезні резерви для економії енергії. Так, у більшості країн на освітлення витрачається близько 13 % виробленої електроенергії. А в Україні цей показник у 1,5 рази вищий, ніж у західних країнах. Причина полягає в тому, що в нас використовуються переважно дуже неекономні джерела світла — лампи розжарювання, які перетворюють на світло лише 5—8 % енергії. В розвинених же країнах застосовуються люмінесцентні лампи, ККД яких дорівнює 20 %, а найновіших типів — до 30 %. Розрахунки свідчать, що перехід на застосування таких ламп дав би змогу заощадити близько 70 % електроенергії.
Надзвичайно багато електроенергії споживає наша побутова техніка. Якби вітчизняні телевізори, пилососи, пральні машини тощо мали такі самі показники, як найкращі світові зразки побутової техніки, то Україна могла б відмовитися від усіх АЕС на її території.
Фахівці стверджують, що споживання енергії можна скоротити:
– у побуті — на 34 %;
– на транспорті — на 24 %;
– у малому товарному виробництві — на 22 %;
– у промисловості — на 13—33 %.
Зі споживаної в побуті енергії 79 % припадає на опалення приміщень (зниження температури повітря в помешканнях лише на 1 % дасть змогу економити 5 % енергії на опалення), 15 % — на теплові процеси (нагрівання води, приготування їжі, прання тощо), 5 % споживається побутовою технікою, 1 % витрачається на освітлення, роботу телевізора та радіоприймача.
«Оживити» цифри допоможуть такі приклади. 1 кВт/год енергії можна використати по-різному:
– 100 год. голитися електробритвою;
– 50 год. слухати радіо;
– на 17 год. залишити горіти електричну лампочку потужністю 60 Вт;
– 12 год. дивитися кольоровий телевізор;
– 2 год. прибирати квартиру пилососом;
– 5 хв. приймати душ.
Автомобіль «Жигулі» витрачає 8—10 л бензину на 100 км, тоді як більшість західних легкових автомобілів — від 4,3 до 5,9 л, а шведська компанія «Вольво» розробила модель, що споживає лише 3,6 л на 100 км. Неважко уявити, яку економію дефіцитного палива мала б наша країна, якби наблизила характеристики своїх автомобілів до цих показників.
Україна успадкувала від колишнього СРСР надзвичайно неефективну, енергоємну й матеріаломістку промисловість. Наприклад, для вироблення 1 т цементу ми витрачаємо 274 кг умовного палива, а японці — 142. Питомі затрати енергії в чорній металургії Японії на. 20—30 % нижчі, ніж у нас, причому, хоч як це парадоксально, переважно за рахунок упровадження таких передових технологій, як безперервне розливання сталі, сухе гасіння коксу, утилізація тепла газів доменних печей. Ці технології були розроблені у нас, японці придбали ліцензії на їх застосування й мають від них неабияку вигоду, а у вітчизняній металургії вони практично не впроваджені.
До великих споживачів енергії належить сільське господарство. Такі незграбні «динозаври», як трактор К-700, не лише поглинають величезну кількість палива, а й сильно порушують ґрунти своєю багатотонною масою. Величезну кількість палива споживають наші зернозбиральні комбайни, які до того ж залишають на полі багато зерна.
Щоб виробити 1 кг засобів хімічного захисту рослин, ми витрачаємо близько 4 л умовного палива, а на 1 га саду за чинних норм обприскування — більш як 1 т. А тим часом селекціонери вивели сорти яблунь та інших фруктових дерев, що стійкі проти грибкових захворювань і потребують лише профілактичної обробки й утроє менше хімікатів.
Інший аспект цієї проблеми — морально-етичний. Марнотратство енергетичних і матеріальних ресурсів багато в чому зумовлене ставленням до природи та її багатств як до чогось якого, що призначене задовольняти наші примхи. Мало хто з людей замислюється: чи доцільно викидати на смітник іще цілком придатні речі заради модніших або таких, що мають вишуканий дизайн, оточувати себе безліччю маловживаних, а то й зовсім непотрібних предметів. Адже на їх виготовлення витрачаються дорогоцінні ресурси, енергія, праця людей.
Розвиток людської цивілізації базується на енергетиці. Від стану паливно-енергетичного комплексу залежать темпи науково-технічного прогресу й виробництва, а отже, життєвий рівень людей. Як уже зазначалося, темпи зростання виробництва енергії у світі сьогодні є вищими за темпи приросту населення, що зумовлюється індустріалізацією, збільшенням енергозатрат на одиницю продукції в сільському господарстві, в гірничорудній промисловості й т. д.
Джерела енергії, які використовує людство, поділяються на відновлювані — енергія Сонця, вітру, морських припливів, гідроенергія річок, внутрішнього тепла Землі — й невідновлювані — викопне мінеральне паливо та ядерна енергія. Перші не порушують теплового балансу Землі, оскільки під час їх використання відбувається лише перетворення одних видів енергії на інші (скажімо, енергія Сонця перетворюється спочатку на електроенергію й тільки потім переходить у тепло). Зате використання других спричинює додаткове нагрівання атмосфери й гідросфери. Це небезпечно, бо може призвести до зміни рівня води у Світовому океані, що, своєю чергою, змінить співвідношення площі суші й водного дзеркала, вплине на клімат Землі, на тваринний і рослинний світ (див. гл. 3).
Отже, є теплова межа, яку людство не повинне переступати, інакше це матиме для нього катастрофічні наслідки. За розрахунками вчених, небезпечної межі буде досягнуто в разі використання невідновлюваних джерел енергії в кількості, яка перевищить 0,1 % потужності потоку сонячної енергії, що надходить на Землю, тобто більш як 100 млрд. кВт. Сьогодні на базі невідновлюваних джерел виробляється енергії в 10 разів менше за гранично допустиму кількість. Якщо темпи збільшення виробництва енергії запишаються такими самими, то теплової межі буде досягнуто приблизно в середині XXI ст. А людство ще й нарощує темпи, і нині 70 % усієї енергії воно отримує за рахунок спалювання вугілля, нафти й газу плюс 7 % — за рахунок роботи атомних електростанцій.
В енергетичних розрахунках застосовується спеціальна одиниця — вироблена маса палива (умовного): 1 т умовного палива еквівалентна 1 т кам´яного вугілля, або 2,5 т бурого вугілля, або 0,7 т нафти, або 770—850 м природного газу (залежно від його складу й відповідно до теплоти згоряння). Теплота згоряння 1 кг умовного палива дорівнює 29,3 ГДж.
У масштабних прогнозних розрахунках використовується також умовна одиниця 0, що дорівнює 36 млрд. т умовного палива. За даними геологів, світові розвідані запаси вугілля становлять 17,7, нафти — 30, газу – 20, урану — 3,7.
Якщо мінеральне паливо й далі спалюватиметься сьогоднішніми темпами, то, за розрахунками, всі його запаси будуть вичерпані через 130 років.
Необхідно наголосити, що спалювання мінеральної сировини — вкрай нераціональний спосіб використання природних ресурсів. Нафта, наприклад, — дуже цінна сировина для хімічного синтезу (сьогодні з неї отримують безліч потрібних матеріалів — синтетичні тканини й каучук, пластмаси, добрива, фарби й тисячі інших). Ще видатний російський хімік Д. І. Менделєєв з обуренням говорив: «Нафта — не паливо, топити можна й асигнаціями!»
Крім вуглеводневого палива й урану, в природі є ще одне невідновлюване джерело енергії. Це дейтерій, або важкий водень, — потенційне паливо для термоядерних електростанцій майбутнього. Запаси його у Світовому океані оцінюються в 19000.
Запаси енергії відновлюваних джерел становлять: вітру — 0,40, морських припливів і хвиль — 0,2—0,30, внутрішнього тепла Землі — 0,20, сонячного випромінювання — 20000.
Паливна проблема — одна з найзлободенніших для незалежної України. За даними вчених, наша держава забезпечена власним вугіллям на 95 %, нафтою — на 8 % і природним газом — на 22 %.
Вплив на довкілля ТЕС.
Виробництво електроенергії на ТЕС супроводжується виділенням великої кількості теплоти, тому такі станції, як правило, будуються поблизу міст і промислових центрів для використання (утилізації) цієї теплоти. Зважаючи на обмеженість світових запасів мінерального палива, вчені й технологи продовжують працювати над поліпшенням параметрів енергоблоків, підвищенням їхніх коефіцієнтів корисної дії (ККД), що забезпечує ощадливіше витрачання палива. Так, істотну економію палива дає збільшення одиничної потужності енергоблоків. Сьогодні на ТЕС установлюються енергоблоки потужністю 1000—1200 МВт. Сучасна технологія дає змогу підвищити цю потужність до 3000 МВт, що заощадить кілька процентів палива. Подальше зростання потужності блоків (до 5000 МВт) можливе в разі запровадження так званих кріогенних генераторів, які охолоджуються зрідженим гелієм.
Знизити питому витрату палива вдається також підвищенням ККД генераторів ТЕС. Нині максимальне значення ККД становить близько 40 %, але в принципі його можна збільшити до 60 % за рахунок упровадження перспективних магнітогідродинамічних (МГД) генераторів, дослідні зразки яких сьогодні випробовуються в ряді країн.
Спалювання мінерального палива супроводжується сильними забрудненнями довкілля. Розглянемо головні з них.
Забруднення атмосфери газовими й пиловими викидами.
Під час спалювання вуглеводневого палива в топках ТЕС, а також у двигунах внутрішнього згоряння виділяється вуглекислий газ, концентрація якого в атмосфері збільшується приблизно на 0,25 % за рік. Це спричинює розігрівання атмосфери за рахунок парникового ефекту (див. гл. 3). З труб ТЕС і вихлопних труб автомобілів у атмосферу викидаються також оксиди сірки й азоту, внаслідок чого випадають кислотні дощі (див. гл. 3). Атмосфера забруднюється й дрібними твердими частинками золи, шлаку, не повністю згорілого палива (сажа) (табл. 4. 1.).
– вугілля перед його спалюванням у топках ТЕС очищають від сполук сірки;
–вловлюють із диму ТЕС оксиди сірки й азоту, пропускаючи його крізь спеціальні поглиначі;
– частинки золи й сажі вловлюють за допомогою установок типу «Циклон» та іншими способами;
– для зменшення токсичності вихлопних газів автомобілів застосовують регулювання двигунів, переходять на «екологічно чисті» марки палива, встановлюють на автомобілях спеціальні каталізатори, що допалюють чадний газ до вуглекислого, і т. д.
Радіоактивне забруднення. У викопному вугіллі й пустих породах містяться домішки природних радіоактивних елементів (урану, торію та ін.). Після спалювання вугілля ці елементи концентруються в частинках золи, яка виявляється більш радіоактивною, ніж вихідне вугілля й пусті породи (сланці тощо). Таким чином відбувається радіоактивне забруднення атмосфери й земної поверхні. Щоправда, воно не настільки небезпечне, як радіоактивне забруднення від АЕС (див. нижче), оскільки у вугіллі й вугільних породах містяться радіоактивні ізотопи, що існують у біосфері впродовж мільярдів років, і до них живий світ пристосувався. Більшість рослин і тварин не нагромаджують ці ізотопи у своєму організмі, на відміну від штучних радіонуклідів, які викидаються АЕС. Розроблені методи очищення відхідних газів ТЕС від частинок золи дають змогу зменшити це забруднення в 100—200 разів і звести його в такий спосіб майже до фонового рівня.
Забруднення земної поверхні відвалами шлаків і кар´єрами.
Після спалювання в топках ТЕС вугілля залишається багато твердих відходів (шлаку, золи). Вони забирають великі площі землі, забруднюють підземні й поверхневі води шкідливими речовинами. Ще більші ділянки землі порушуються величезними вугільними кар´єрами. Так, шлакові відвали й терикони пустих порід лише в Донбасі займають площу понад 50 тис. га, і вона дедалі збільшується.
Зменшення шкоди від такого забруднення досягається утилізацією (корисним використанням) шлаків і пустих порід, з яких виготовляють будівельні матеріали, засипають ними яри, болота й кар´єри під час рекультивації. Ефективними є й економічні санкції, зокрема введення високої платні за порушення земель, особливо родючих. Завдяки цим обмеженням у більшості західних країн відмовилися від кар´єрного способу видобування корисних копалин у сільськогосподарських районах, оскільки платня за землю виявляється вищою, ніж та вигода, яку може дати відкритий спосіб розробки родовища порівняно з шахтним. В Україні питання про відведення сільськогосподарських земель під будівництво великого кар´єру або ТЕС вирішує найвищий законодавчий орган країни — Верховна Рада.
Вплив на довкілля АЕС.
За даними Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ), у 26 країнах світу експлуатується 416 ядерних енергоблоків, які виробляють близько 16 % усієї електроенергії. Деякі країни основну ставку зробили саме на АЕС. Наприклад, у Франції АЕС виробляють більш як 70 % електроенергії. Але інші країни (Швеція, Данія, Австрія, Філіппіни) заявили про свій намір цілком відмовитися від АЕС і демонтував ти ядерні блоки, які працюють там. Палкі суперечки особливо посилилися після катастрофи на Чорнобильській АЕС у 1986 р. Одні вчені, енергетики й політичні діячі обстоюють думку, що без атомної енергетики людство не зможе обійтися, і слід лише зробити все можливе, щоб звести ризик аварії на АЕС до мінімуму. Як доказ на користь атомної енергетики наводяться дані про те, що АЕС використовують мало «палива» порівняно з ТЕС (добова витрата мазуту на тепловій електростанції потужністю 2000 МВт становить 8,3 тис. т, вугілля — 10 тис. т, а урану на атомній — 180 кг). Вітчизняні енергетики-атомники протягом тривалого часу доводили також, що електроенергія, яку виробляють АЕС, дешевша від тієї, яку виробляють ТЕС, і що АЕС, мовляв, менше забруднюють навколишнє середовище, ніж ТЕС.
Противники АЕС (їх значно побільшало після аварії на Чорнобильській АЕС і розсекречення матеріалів, пов´язаних із діяльністю Мінатоменерго колишнього СРСР) наполягають на якнайшвидшій забороні цього способу добування енергії як шкідливого й небезпечного для біосфери.
Сьогодні доведено: твердження про «дешевизну» атомної енергії (вважалося, що в колишньому СРСР вона коштувала в три рази менше, ніж у розвинених країнах Заходу) — це навмисна фальсифікація. Річ у тім, що проектувальники вітчизняних АЕС не вносили у вартість «атомного» кіловата такі затрати, як переробка й поховання радіоактивних відходів, а за оцінками спеціалістів, вони становлять понад 75 % вартості всього паливного циклу АЕС. Не враховувалася також вартість демонтажу АЕС, а втім АЕС через 25—30 років роботи має бути зупинена, розібрана або похована, оскільки радіоактивність її агрегатів та обладнання перевищить норми. А вартість демонтажу, за оцінками західних фахівців, дорівнює вартості її будівництва. Не були враховані й інші затрати, пов´язані з експлуатацією АЕС, зокрема зумовлені вимогами стосовно безпеки її роботи (на АЕС, що функціонують у розвинених країнах, ці вимоги були набагато жорсткіші, ніж на радянських). Доведено, що вартість «атомного» кіловата насправді втроє вища, ніж «газового», й удвоє, ніж «вугільного». Як пишуть німецькі експерти в цій галузі, «атомна енергія дешева лише там, де безпека стоїть на другому плані, й доти, доки людство мириться з тим, що його сьогоднішнє марнотратство щодо електроенергії загрожує майбутнім поколінням пекельним радіоактивним жахом».
Найголовніше ж полягає в тому, що атомна енергетика настільки згубно впливає на біосферу, а потенційна небезпека аварії на АЕС така велика (адже це — техніка, й не можна дати стопроцентної гарантії її безвідмовності), що обстоювати цей спосіб добування енергії недопустимо й аморально.
Паливний енергетичний цикл АЕС передбачає видобування уранової руди й вилучення з неї урану, переробку цієї сировини на ядерне паливо (збагачення урану), використання палива в ядерних реакторах, хімічну регенерацію відпрацьованого палива, обробку й поховання радіоактивних відходів. Усі ці операції (рис. 4. 1.) супроводжуються небезпечним радіоактивним забрудненням природного середовища.
Висновки експертів «Ренд корпорейшн», одного з провідних «мозкових» трестів США.
Забруднення починається на стадії видобування сировини, тобто на уранових рудниках. Після вилучення урану з руди залишаються величезні відвали слабко радіоактивних пустих порід — до 90 % добутої з надр породи. Ці відвали забруднюють атмосферу радіоактивним газом радоном, небезпечним для біоти (наприклад, медики довели, що внаслідок вдихання повітря з підвищеним умістом радону в ссавців розвивається рак легень).
Кількість радіоактивних відходів зростає на стадії збагачення уранової руди, з якої виготовляють твели — спеціальні елементи, що виділяють тепло, котрі надходять потім на АЕС. У реактор типу РБМК (сумнозвісний після аварії на Чорнобильській АЕС) завантажується близько 180 т таких твелів, які в результаті роботи реактора перетворюються на високорадіоактивні відходи. АЕС — це, по суті, підприємство, яке поряд з електроенергією виробляє величезну кількість украй небезпечних речовин. Лише в США нагромадилося близько 12 тис. т таких відпрацьованих твелів, а на початку XXI ст. до них додасться ще 40 тис. т цього пекельного матеріалу.
Відпрацьовані твели кілька років зберігаються на території АЕС у спеціальних басейнах із водою, поки трохи знизиться їхня радіоактивність, після чого в особливих контейнерах спеціальними поїздами їх перевозять на фабрику для регенерації ядерного палива. Тут твели обробляють, вилучаючи з них уран, який іще не «вигорів», і виготовляють із нього нові твели.
Прихильники атомної енергетики довго переконували у великій перевазі АЕС: мовляв, відпрацьоване паливо можна багаторазово переробляти й знову використовувати в реакторі, доки не «вигорить» весь уран. Насправді вже після другого такого циклу регенерації залишки палива у твелах насичуються великою кількістю сторонніх ізотопів і продуктів розщеплення, а це внеможливлює використання їх у реакторі втретє. «Вигоряє» лише 2 % урану, який був у твелі першого циклу. А сам твел стає надзвичайно небезпечним радіоактивним матеріалом, який потрібно десь зберігати сотні й тисячі років.
Радіація має дуже негативну особливість: усе, що контактує з радіоактивною речовиною (і машини, і контейнери, і обладнання, і приміщення, і навіть одяг персоналу), саме стає радіоактивним, а отже, небезпечним. Радіацію неможливо зупинити, «вимкнути» чи знищити. Всі ці відпрацьовані радіоактивні матеріали необхідно десь надійно зберігати, поки не розпадуться радіоактивні ізотопи. Але серед них багато таких, період напіврозпаду яких обчислюється тисячами років! У процесі зберігання контейнерам з відходами не можна контактувати з підземними водами, сховища необхідно вентилювати (сотні років!), бо за рахунок виділення з відходів тепла контейнери нагріваються до температури 200 °С і можуть розтріскатися. Крім того, ці сховища треба надійно охороняти (сотні років!), щоб до них не проникли сторонні люди або зловмисники.
Сьогодні на всіх АЕС України нагромаджено до 70 тис. м3 радіоактивних відходів, 65,5 млн. т — у видобувній та переробній урановій промисловості, 5 тис. м3 — в Українському державному об´єднанні «Радон» та 1,1 млрд. м3 відходів міститься в зоні відчуження ЧАЕС. Близько 85—90 % радіоактивних відходів належать до категорії низько- та середньоактивних.
Сказане цілком стосується й самих АЕС. Через 25—30 років експлуатації все їхнє обладнання, апаратура, місткості, приміщення, транспортні засоби й т. д. стають настільки радіоактивними, що їх необхідно демонтувати й поховати на сотні років. А для поховання лише одного реактора потрібно близько 40 га землі.
Немає жодного іншого енергоносія, використання якого залишало б хоч приблизно стільки відходів, скільки дає ядерна енергетика, і немає таких відходів, які за ступенем небезпечності хоча б приблизно нагадували продукти розщеплення. (Е. Гауль, німецький учений-атомник).
Аналіз, здійснений провідними фахівцями світу в галузі енергетики, показав, що найближчими десятиліттями атомна енергетика все ще відіграватиме значну роль у житті людства, а для деяких країн (Франція, Японія, Китай та ін.) буде основним джерелом енергозабезпечення. Низка важливих факторів, насамперед економічних, не дозволяє в найближчій перспективі відмовитися від атомної енергетики й в Україні. Тож постає необхідність підвищувати екологічну безпеку галузі.
Досвід переконливо свідчить, що однією з основних проблем, пов´язаних із використанням атомної енергії, є поховання ядерних відходів. Ця проблема з часом стає гострішою й із регіональної переростає в глобальну. В країнах, де функціонує багато атомних електростанцій (США, Франція, Велика Британія, Китай, Росія, Японія), нині нагромаджено величезну кількість як твердих, так і рідких ядерних відходів, що становлять чимдалі серйознішу небезпеку для довкілля. Атомні енергетичні компанії змушені витрачати дедалі більші кошти на розширення площ ядерних сховищ і поховань, на забезпечення їх безпеки, на переробку відходів ядерного палива (ВЯП), яка, на думку вчених, пов´язана з великим ризиком для навколишнього природного середовища.
У розвинених країнах (США, Японія) опрацьовуються різні проекти поховання та знешкодження ВЯП, навіть такий, як будівництво могильника на Місяці. Найреальнішими з них вважаються спорудження великого підземного сховища в надрах гори Юкка на півдні США (в пустелі Невада, в 140 км від Лас-Вегаса), а також поховання ВЯП у спеціальних сховищах у Сибіру (Новосибірська область), на що Росія погоджується, незважаючи на гучні протести громадськості.
Вартість першого із зазначених проектів — 58 млрд. доларів. Наукові дослідження, на які було витрачено майже 7 млрд. доларів, тривали 20 років і завершилися вибором саме г. Юкка, де можна буде поховати близько 80 тис. т ядерних відходів, запобігти їх негативному впливові на довкілля, здійснювати багаторічний екологічний моніторинг і розмістити відповідні служби науково-технічного забезпечення й контролю. Сьогодні ВЯП зберігаються в більш як 130 різних сховищах по всій території США. Американські фахівці гарантують надійність сховища ВЯП у пустелі Невада на 10 тис. років. Єдина небезпека — це привабливість об´єкта для терористів.
В Україні за роки незалежності не вдалося створити замкненого циклу виробництва палива для АЕС і поховання ядерних відходів.
Проблема поховання ВЯП для нашої держави не менш гостра, ніж для США. Була спроба організувати сховища ВЯП у соляних шахтах м. Артемівська (Донбас), є проекти поховання в надрах Українського кристалічного щита — в спеціально створених сховищах у гранітних товщах. В Інституті геологічних наук НАНУ ведуться пошукові роботи (вони триватимуть до 2005 р.) найбезпечнішого, з усіх поглядів, місця поховання ВЯП. А поки що ВЯП наших АЕС відправляються на тимчасове зберігання в Росію, звідки ці відходи Україна повинна забрати назад у 2010 р.
АЕС виробляють сотні видів радіоактивних речовин, яких раніше не було в біосфері, й до яких живі істоти не пристосовані. Так, після аварії на Чорнобильській АЕС в атмосферу було викинуто близько 450 видів радіонуклідів. Серед них багато довгоіснуючих, таких як цезій-137 (період напіврозпаду 80 тис. років) і стронцій-90 (період напіврозпаду 20 тис. років). Вони за своїми хімічними властивостями подібні до калію й кальцію, які відіграють велику роль у біохімічних процесах. Живі організми не можуть відрізнити ці ізотопи від калію та кальцію й нагромаджують їх, що є причиною найнебезпечнішого внутрішнього опромінення, яке викликає тяжкі захворювання й шкідливі мутації.
Штучний елемент плутоній (період напіврозпаду перевищує 20 тис. років!), який нагромаджується в атомних реакторах, — це найтоксичніша речовина з усіх, що будь-коли створені людиною: 450 г плутонію (за об´ємом це кулька розміром з апельсин) достатньо, щоб убити 10 млрд. людей; 1 мкг цієї речовини викликає рак легень у людини. А нині на Землі в ядерних боєголовках, відпрацьованих твелах та інших відходах АЕС накопичено тисячі тонн цієї суперотрути.
Нагромадження в природі невластивих для неї радіоактивних речовин украй шкідливо діє на біосферу. В зонах, забруднених унаслідок аварії на ЧАЕС, уже сьогодні спостерігаються масові аномалії: у рослин — гігантизм листя дерев, такі зміни деяких рослин, що важко визначити їх вид; у тварин — народження нежиттєздатних мутантів (поросят без очей, лошат із вісьмома кінцівками тощо); у людей і тварин — пригнічення функцій імунної системи, в результаті чого ускладнився перебіг таких захворювань, як грип, запалення легень, збільшилася смертність від «звичайних» захворювань.
«Мирний атом» загострив питання про відповідальність учених, змусив замислитися про такі поняття, як совість, людяність, порядність, про те, чи маємо ми право заради сьогоднішніх ілюзорних вигод ризикувати здоров´ям і життям майбутніх поколінь.
Всемогутність і безсилля людини продемонстрував Чорнобиль. І застеріг: не захоплюйся своєю могутністю, людино, не жартуй із нею. Бо ти й причина, ти й наслідок. (Г. О. Медведсв, російський публіцист).
До сказаного слід додати, що АЕС спричинюють також велике теплове забруднення, особливо гідросфери. Лише мала частина теплоти, що виділяється під час роботи реакторів, може бути утилізована й перетворена на електроенергію. Левова ж її пайка у вигляді гарячої (45 °С) води й пари викидається у водойми та в повітря. Вище вже наводився приклад Хмельницької АЕС,. яка використовує для охолодження своїх реакторів усю воду річки Горинь.
Термоядерна енергетика.
У зв´язку з величезною потенційною небезпекою АЕС для біосфери вчені та енергетики сьогодні покладають надії на інший спосіб добування енергії, а саме з допомогою термоядерних електростанцій (ТЯЕС). І хоча в світі поки що не діє жодна ТЯЕС, є переконання (особливо на Заході), що цей спосіб добування енергії стане основним у XXI ст. й витіснить АЕС і ТЕС.
На ТЯЕС енергія добуватиметься не за рахунок розщеплення важких ядер урану, а внаслідок злиття легких ядер ізотопів водню (дейтерію й тритію) та утворення з них ядер гелію. Такі реакції живлять енергією Сонце й незліченну кількість інших зірок у Всесвіті.
Нині над розробкою промислових термоядерних реакторів працюють учені багатьох країн: Європейського Союзу, США, Росії, Японії, Канади. Як вважає більшість учених, зайнятих цією проблемою, перший прототип комерційного термоядерного реактора планується створити в першій чверті XXI ст.
Цей спосіб добування електроенергії матиме безумовні переваги над тими, що використовуються сьогодні на ТЯЕС і АЕС:
– ТЯЕС характеризуватимуться високим ступенем безпеки роботи, бо конструкція термоядерного реактора така, що за будь-якого її пошкодження чи порушення режиму автоматично припиняється термоядерна реакція й вимикається реактор;
– у термоядерному реакторі водночас міститиметься лише кілька грамів «палива» — дейтерію й тритію, що є відносно низько-радіоактивними (порівняйте з 180 т урану, який завантажується в реактор АЕС!);
– запаси одного з компонентів палива для ТЯЕС — дейтерію — на Землі величезні: їх достатньо, аби забезпечити електроенергією людство на кілька мільйонів років (наприклад, дейтерію, що міститься у 500 л води з будь-якої водойми, достатньо для задоволення всіх енергетичних потреб однієї людини протягом усього її життя);
– внаслідок термоядерної реакції не утворюються радіонукліди — продуктом реакції є нерадіоактивний газ гелій;
– ТЯЕС не забруднюватимуть атмосферу речовинами, здатними спричинити кислотні дощі, парниковий ефект або руйнування озонового шару.
Проте в ТЯЕС будуть і недоліки:
– теплота, яка у великій кількості виділяється внаслідок термоядерної реакції, за законами термодинаміки, не може бути цілком перетворена на електроенергію й спричинює підігрівання атмосфери й гідросфери Землі;
– на розвиток термоядерної енергетики накладається те саме обмеження, що й на використання інших невідновлюваних джерел енергії, — це тепловий рубіж;
– робота термоядерного реактора супроводжується дуже потужним нейтронним потоком, а отже, відбувається радіоактивне забруднення конструкцій, тому по певному часі необхідно його розбирати й ховати (як і реактори АЕС);
– до компонентів «палива» для ТЯЕС, крім дейтерію, належить літій, запаси якого на Землі дуже невеликі, а родовища небагаті й трапляються дуже рідко, або тритій, що виробляється штучно, з великими затратами енергії.
Вплив на довкілля ГЕС. У наш час ГЕС виробляють близько 20 % електроенергії у світі. Деякі країни з гірським рельєфом і швидкими річками (Норвегія, Таджикистан, Киргизстан) свої потреби в електроенергії задовольняють переважно за рахунок ГЕС.
Гідроенергетичний потенціал України становить 44,7 млрд. кВт/год, проте лише 21,5 млрд. кВт/год припадає на ресурси, які технічно можливо використати (46 % їх сконцентровано в басейні Дніпра, по 20 % — у басейнах Дністра й Тиси, 14 % — інших річок). Щодо економічно доцільних для використання гідроенергоресурсів, то вони загалом не перевищують 16—17 млрд. кВт/год (61 % зосереджено в басейні Дніпра, 22 % — Тиси, 17 % — Дністра). Отже, за запасами гідроенергоресурсів Україна посідає досить скромне місце серед інших держав світу, Європи та СНД.
Установлена потужність ГЕС України становить 4,7 млн. кВт, 98 % якої припадає на гідроелектростанції Дніпровського каскаду та Дністровської ГЕС.
Порівняно з ТЕС і АЕС гідроелектростанції мають низку переваг:
– вони зовсім не забруднюють атмосферу;
– поліпшують умови роботи річкового транспорту;
– працюючи в парі з ТЕС, беруть на себе навантаження під час максимального (пікового) споживання електроенергії;
– агрегати ГЕС уводяться в дію дуже швидко, на відміну від агрегатів ТЕС, яким потрібно кілька годин для розігрівання й виходу на робочий режим (або ж треба утримувати один з агрегатів ТЕС у «гарячому» режимі, витрачаючи дефіцитне паливо). Разом із тим ГЕС, особливо ті з них, що побудовані на рівнинних річках, завдають шкоди довкіллю.
На Дніпрі, наприклад, водосховищами затоплено величезні площі найродючіших у Європі земель: Київським — 922 км2, Канівським — 675, Кременчуцьким — 2250, Дніпродзержинським — 567, Дніпровським — 410, Каховським — 2155 км2. У сумі це становить майже 7000 км2 — чверть території Бельгії! Важко уявити, скільки сільськогосподарської продукції недоодержала Україна через це. Із затоплюваних ділянок довелося відселяти жителів сотень сіл, прокладати нові дороги й комунікації тощо. Пішло під воду багато історичних і ландшафтних пам´яток.
У місцевостях, розташованих поблизу водосховищ, піднімається рівень ґрунтових вод, заболочується територія, виводяться із сівозмін великі площі землі.
На водосховищах тривають обвали берегів, які на окремих ділянках відступили вже на сотні метрів.
Греблі перетворили Дніпро на низку застійних озер, що мають слабкий водообмін та погану самоочищуваність і стають уловлювачами промислових забруднень.
Дуже потерпають від гребель мешканці річок — планктон і риба. Риба не може проходити крізь греблі до місць своїх звичних нерестовищ, які до того ж стають непридатними для нересту через заглиблення. Багато риби й планктону гине в лопастях турбін. Водосховища, забруднені стоками й добривами, що змиваються з полів, улітку нерідко «цвітуть», що спричинює масову загибель риби та інших мешканців водойм.
Якщо підрахувати всі ці збитки від будівництва й роботи ГЕС на рівнинних територіях, стає зрозуміло, що твердження про «найдешевший кіловат», який нібито дають ГЕС, не відповідає дійсності. Очевидно, що великі ГЕС раціонально будувати лише в гірських районах. Можливо, в майбутньому нам чи нашим нащадкам доведеться спускати воду з деяких «рукотворних морів» на тому ж Дніпрі.
Альтернативні джерела енергії — це енергія вітру, морів та океанів, внутрішнього тепла Землі, Сонця.
Енергія вітру.
За оцінками вчених, загальний вітроенергетичний потенціал Землі в 30 разів перевищує річне споживання енергії людством. Однак використовується лише мізерна частка цієї енергії. Так було не завжди. За даними статистики, до революції в кожному другому селі України працював вітряк. Але парова машина, а потім двигун внутрішнього згоряння витіснили цих скромних трудівників. Добре відомо також, що до появи пароплавів усі морські перевезення здійснювалися вітрильниками.
Можливості використання енергії вітру в різних місцях Землі неоднакові. Для нормальної роботи вітроелектричних двигунів швидкість вітру в середньому за рік має бути не меншою ніж 4—5 м/с, а краще, коли вона становить 6—8 м/с. В Україні до таких зон належать узбережжя Чорного моря, особливо Крим, а також Карпати й південні степові райони.
Піонером будівництва вітроелектростанцій (ВЕС) був видатний український учений та інженер, один з основоположників космонавтики Ю. Кондратюк. Побудована ним у 1931 р. поблизу Севастополя ВЕС потужністю 100 кВт більш як 10 років забезпечувала місто електроенергією.
Сьогодні на Заході, особливо в Данії та США, серійно випускаються ВЕС потужністю від 1,5 до 100 кВт, діє також кілька експериментальних потужністю до 30 тис. кВт.
У донецькому Приазов´ї споруджується найбільша в Україні ВЕС — Новоазовська. В степу вже змонтовано комплекс із 15 генераторів. Планується, що до 2005 р. потужність цієї прибережної станції досягне 50 МВт. Цього цілком достатньо, щоб забезпечити електроенергією найбільший в області Новоазовський сільськогосподарський район, де розташовано більш як сто оздоровниць і баз відпочинку. Цікаво, що в цій частині Приазовської низовини понад триста днів на рік напористо дме «калмик» — стабільний вітер із Калмицьких і Сальських степів (своєрідна «вітрова труба», за визначенням синоптиків).
Услід за Новоазовською планується спорудження подібних ВЕС у Володарському й Першотравневому районах.
Вітроелектростанції не забруднюють довкілля. Єдиний негативний фактор — низькочастотний шум (гудіння) під час роботи ВЕС та ще одиничні випадки загибелі птахів, які потрапляють у лопаті вітродвигунів.
Думки інженерів і вчених повертаються й до, здавалося б, давно забутих вітрильників.
Відомий океанолог Ж.-І. Кусто наприкінці 80-х років сконструював і випробував вантажне судно, в якого, крім дизельного двигуна, є й вітрила. Щоправда, цей вітрильник мало схожий на оспівані бригантини минулих віків — його вітрила являють собою вертикальні напівциліндричні конструкції з алюмінієвого сплаву, якими керує комп´ютер. Використання цих вітрил під час трансокеанічного плавання дає змогу економити значну (до 70 % за сприятливого вітру) кількість палива.
Енергія морів та океанів.
Світовий океан містить колосальні запаси енергії. По-перше, це енергія сонячного випромінювання, поглинута океанською водою, яка виявляється в енергії морських течій, хвиль, прибою, різниці температур різних шарів води. По-друге, це енергія тяжіння Місяця й Сонця, що спричинює морські припливи й відпливи. Використовується цей екологічно чистий потенціал іще дуже мало.
Першими об´єктами такої енергетики можна вважати морські хвильові електростанції, які акумулюють енергію вертикальних коливань води. Хвиля метрової висоти забезпечує від 25 до 35 кВт енергії, навіть хвиля заввишки всього 35 см може обертати спеціальну турбіну й давати електричний струм. Одна з перших хвильових електростанцій потужністю 350 кВт ось уже близько 30 років успішно діє поблизу норвезького міста Бергена.
Збудовано також перші морські електростанції, що утилізують енергію припливів і відпливів, — на узбережжі Ла-Маншу у Франції потужністю 240 тис. кВт і в Кольській затоці (Росія) потужністю 400 кВт.
А на тихоокеанському острові Науру діє електростанція потужністю 100 кВт, яка використовує (за принципом термопари) різницю температур нагрітого тропічним сонцем поверхневого шару води й холодного придонного.
Енергія внутрішнього тепла Землі.
З глибиною підвищується температура в земній корі (в середньому на 30 °С на 1 км, а у вулканічних районах — набагато швидше). За оцінками геологів, до глибин 7—10 км загальна кількість теплоти в 5000 разів перевищує теплоємність усіх видів мінерального палива, що є на Землі. Теоретично лише 1 % цього тепла достатньо, аби забезпечити людство енергією на найближчі 4000 років. Та на практиці це джерело енергії використовується ще дуже мало. Найкращі результати досягаються в районах активної вулканічної діяльності (Ісландія, Камчатка, Гавайські острови), де близько до поверхні є термальні води. Крізь свердловини гаряча водяна пара надходить у турбіни, що виробляють електроенергію. Відпрацьована гаряча вода йде на обігрівання теплиць, житла тощо. В холодній Ісландії в таких оранжереях вирощують овочі й навіть банани, а столиця країни Рейк´явік уже понад 40 років уся забезпечується теплом за рахунок цього джерела.
В Україні досі немає установок такого типу, хоч у нас є перспективні зони для застосування геотермальної енергії — Карпати, Закарпаття та Крим.
У разі споживання геотермальної енергії постає проблема відпрацьованих підземних вод. Вони сильно мінералізовані, і їх не можна спускати у водостоки. Тому відпрацьовані води знову закачують у підземні горизонти для повторного використання. З деяких таких розсолів добувають йод, бром, літій та деякі інші елементи.
Енергія Сонця.
Сонце — найпотужніше джерело екологічно чистої енергії, і людство має зосередити свої зусилля на розробці методів її утилізації. Основна перешкода полягає в розсіяності сонячної енергії: на широтах України, наприклад, на кожний квадратний метр поверхні за рік надходить лише близько 1900 кВт сонячної енергії. Утилізація сонячної енергії стримується також високою вартістю установок, а отже, й порівняно високою собівартістю електроенергії.
Сонячну енергію можна застосовувати для добування електроенергії, побутового тепла, високотемпературного тепла в промисловості, на транспорті. Найбільших успіхів досягнуто в таких країнах, як США, Франція, Туркменистан, причому переважно в галузі так званої «малої» енергетики.
Для добування електроенергії від Сонця застосовується кілька методів, найперспективніший з яких полягає в безпосередньому перетворенні сонячного випромінювання на електрику за допомогою напівпровідникових фотоелектричних генераторів (сонячних батарей). ККД найсучасніших їх типів сьогодні становить 25—30 %. Через високу вартість такі батареї поки що використовуються мало — на космічних супутниках і станціях, у ретрансляторах, навігаційних маяках, телефонних станціях у пустельних місцевостях, для живлення невеликих радіостанцій, у мікрокалькуляторах, електронних іграшках тощо.
Електроенергію від Сонця добувають також за допомогою паротурбінних генераторів.
Одну з таких сонячних електростанцій (СЕС) потужністю 1200 кВт споруджено в Криму поблизу Керчі. В центрі круга діаметром 500 м установлено 70-метрову башту з парогенератором на верхівці. її оточують 1600 рухомих дзеркал (геліостатів). Стежачи за допомогою ЕОМ за рухом Сонця, вони відбивають його промені на парогенератор, нагріваючи в ньому воду до утворення пари температурою 300 °С. Пара подається на турбіну з електрогенератором.
СЕС не забруднюють довкілля. Щоправда, для майбутніх потужних СЕС на сонячних батареях знадобляться великі площі. Але на нашій планеті — близько 20 млн. км2 пустель, де землі непридатні для сільського господарства, потік сонячної енергії найпотужніший, а кількість хмарних днів протягом року мінімальна. Щоб задовольнити енергетичні потреби людства, треба розмістити батареї на площі від 1 до 3 млн. км2, тобто достатньо зайняти лише 5—15 % площі пустель.
Сонячна енергія використовується також для добування побутового тепла (100—150 °С), яке йде на опалювання приміщень, приготування їжі, опріснення води тощо.
Розроблено досить зручні пристрої для таких потреб (наприклад, параболічне дзеркало-піч діаметром 1,5 м, у фокусі якого вода в трилітровому чайнику закипає за 10 хв.).
Для промислових цілей (плавлення проб металів, вирощування кристалів із розплаву і т. п.) створено сонячні печі, у фокусі дзеркала яких температура сягає 3800 °С. Одна з таких установок діє у Франції.
Сонячна енергія може застосовуватися й на транспорті — для енергоживлення автомобілів, невеликих суден і навіть літаків. Із площі в кілька1 квадратних метрів (дах мікроавтобуса) можна зібрати енергію для живлення автомобільного акумулятора.
В 1982 р. такий автомобіль, не витративши й краплі бензину, перетнув Австралію, подолавши за два місяці відстань у 4000 км.
На літаку, верхню площину крила якого було вкрито сонячними батареями, здійснено переліт через Ла-Манш.
На півдні Австралії будується екологічно чиста сонячно-вітрова електростанція, або так званий «сонячний комин», потужністю 200 МВт. Вона, до речі, стане найвищою спорудою у світі. Конструктивно це буде бетонна труба заввишки 1 км, оточена скляним кожухом. За принципом дії ця електростанція подібна до ГЕС, але рушієм її турбін буде не вода, а висхідний потік нагрітого сонцем повітря. Нагріте сонцем у скляному кожусі повітря підніматиметься вгору трубою й надаватиме рух генераторам електростанції. Спорудження станції має завершитися в 2005 р. Вона забезпечить екологічно чистою електроенергією близько 200 тис. мешканців цього району. Вночі генератори станції діятимуть від гарячого повітря, що нагріватиметься в спеціальних водяних колекторах, які протягом дня запасатимуть тепло за рахунок нагрівання сонцем.
Біоенергетичні технології.
Життя та діяльність людей супроводжуються утворенням великої кількості органічних відходів (побутове сміття, каналізаційні стоки, відходи виробництва сільськогосподарської продукції — солома, лушпиння й т. д., деревообробки — тирса, обрізки, гілки, хвоя тощо). Звалища навколо великих міст забирають величезні площі (так, поблизу Нью-Йорка воно за об´ємом уже дорівнює 25 пірамідам Хеопса!), забруднюють повітря й воду. А тим часом розроблено технології, що дають змогу добувати з цих відходів енергію (сконструйовано, наприклад, установки, в яких відходи спалюються, даючи тепло й електроенергію), а також різні корисні матеріали (скло, метали та ін.).
Є й інша перспективна технологія переробки відходів — за допомогою метанобактерій. Ці мікроорганізми активно розмножуються в будь-яких органічних рештках, продукуючи в результаті своєї життєдіяльності цінну енергетичну сировину — біогаз (суміш метану й чадного газу). Технологія добування біогазу дуже проста. Бетонні місткості або колодязі будь-якого об´єму заповнюють гноєм, сміттям, листям, тирсою й т. п. Місткість має бути щільно закритою, щоб не було доступу кисню. Газ, який утворюється в результаті бродіння, відводиться в приймальний пристрій або безпосередньо в газову плиту. Після процесу бродіння залишається добриво — знезаражене, без запаху, цінніше за гній.
Сьогодні така технологія широко застосовується в Китаї та Індії, де функціонують мільйони подібних установок. А в Румунії проведено успішні досліди з використання біогазу як палива для тракторів.
Останнім часом дедалі ширше розробляються технології добування палива для двигунів внутрішнього згоряння з органічних речовин, що продукуються рослинами.
Так, у Бразилії з відходів виробництва цукру з цукрової тростини добувають технічний спирт, що використовується як паливо для автомобілів (причому вартість цього палива нижча, ніж бензину, а забруднення повітря в результаті його згоряння — менше).
В Австралії успішно виготовляють так звану «зелену нафту» — продукт переробки спеціальних мікроскопічних водоростей, які вирощуються в штучних басейнах.
Для України особливе значення має технологія добування палива з ріпакової олії. Ріпак, ця невибаглива рослина, дає до 1 т олії з гектара, причому його можна вирощувати на землях, непридатних ні для чого іншого, наприклад на полях зрошення, де нейтралізуються каналізаційні стоки, й навіть на землях 30-кілометрової зони відчуження навколо Чорнобильської АЕС, бо, як з´ясували вчені, радіонукліди не нагромаджуються в ріпаковій олії. її можна або безпосередньо заливати в баки дизелів (які, щоправда, в цьому разі треба модернізувати), або ж із неї можна виготовляти спеціальне дизельне паливо — «блакитний ангел», котре за всіма характеристиками подібне до солярової оливи, але при цьому екологічно чистіше й дешевше; нарешті, цю олію можна додавати в солярову оливу (до 20 %), що не змінює ні енергетичних, ні екологічних показників двигунів.
Воднева енергетика.
До дуже перспективних джерел добування теплової та електричної енергії належить водень, який має високу теплотворну здатність, може успішно замінювати природний газ і при цьому є екологічно чистим паливом, оскільки в результаті його згоряння утворюється лише водяна пара. Отже, переведення ТЕС та інших споживачів газового палива на водень зменшило б викиди в атмосферу вуглекислого газу й інших шкідливих сполук. Широке використання водню як джерела енергії до останнього часу стримувалося його вищою вартістю порівняно з природним газом, незважаючи на те, що є численні методи добування водню. Але нещодавно в деяких країнах, зокрема в США, розроблено технології добування водню з глюкози або глюкозовмісних речовин, таких як крохмаль і целюлоза (деревина). Після обробки глюкози або її полімерів спеціальними ферментами, добутими з бактерій, вона перетворюється на глюкуронову кислоту, і при цьому виділяється водень. За повідомленнями преси, нині зазначені технології ще недосконалі (вихід водню поки що становить тільки 12 % від теоретично можливого), і тривають інтенсивні роботи в цій перспективній галузі. До речі, глюкуронова кислота — відхід виробництва — є цінною сировиною для хімічної промисловості.
Енергозбереження, впровадження нових технологій, що потребують менших затрат енергії, мають стати основними орієнтирами подальшого розвитку економіки. За розрахунками вчених зниження питомої енергоємності національного продукту України вдвоє дасть змогу зберегти споживання енергії в першій чверті XXI ст. на теперішньому рівні. І це завдання цілком реальне. Україна імпортує 55 % необхідних для неї енергоресурсів, тоді як за умови використання всіх потенційних засобів енергозбереження вона могла б економити 48 % енергоресурсів і стала б практично незалежною від зовнішніх їх джерел. У США завдяки великій увазі, яку було приділено енергозбереженню після нафтової кризи 1973 р., споживання енергоресурсів за десять років після кризи зменшилося на кілька процентів, валовий же національний продукт країни за цей період зріс на 25 %.
Проте до останнього часу заклики до ощадливого, господарського використання сировини, енергоресурсів, які періодично з´являються на шпальтах преси, лунають у виступах учених, не давали бажаних результатів: коли все було «наше» й нічого «мого», коли виробник був відчужений від власності — не існувало жодних стимулів економити що б то не було. Доти, доки земля й усе, що є на ній, не матиме справжнього хазяїна, заклики до збереження ресурсів залишаться «голосом волаючого в пустелі».
А втім у нас є величезні резерви для економії енергії. Так, у більшості країн на освітлення витрачається близько 13 % виробленої електроенергії. А в Україні цей показник у 1,5 рази вищий, ніж у західних країнах. Причина полягає в тому, що в нас використовуються переважно дуже неекономні джерела світла — лампи розжарювання, які перетворюють на світло лише 5—8 % енергії. В розвинених же країнах застосовуються люмінесцентні лампи, ККД яких дорівнює 20 %, а найновіших типів — до 30 %. Розрахунки свідчать, що перехід на застосування таких ламп дав би змогу заощадити близько 70 % електроенергії.
Надзвичайно багато електроенергії споживає наша побутова техніка. Якби вітчизняні телевізори, пилососи, пральні машини тощо мали такі самі показники, як найкращі світові зразки побутової техніки, то Україна могла б відмовитися від усіх АЕС на її території.
Фахівці стверджують, що споживання енергії можна скоротити:
– у побуті — на 34 %;
– на транспорті — на 24 %;
– у малому товарному виробництві — на 22 %;
– у промисловості — на 13—33 %.
Зі споживаної в побуті енергії 79 % припадає на опалення приміщень (зниження температури повітря в помешканнях лише на 1 % дасть змогу економити 5 % енергії на опалення), 15 % — на теплові процеси (нагрівання води, приготування їжі, прання тощо), 5 % споживається побутовою технікою, 1 % витрачається на освітлення, роботу телевізора та радіоприймача.
«Оживити» цифри допоможуть такі приклади. 1 кВт/год енергії можна використати по-різному:
– 100 год. голитися електробритвою;
– 50 год. слухати радіо;
– на 17 год. залишити горіти електричну лампочку потужністю 60 Вт;
– 12 год. дивитися кольоровий телевізор;
– 2 год. прибирати квартиру пилососом;
– 5 хв. приймати душ.
Автомобіль «Жигулі» витрачає 8—10 л бензину на 100 км, тоді як більшість західних легкових автомобілів — від 4,3 до 5,9 л, а шведська компанія «Вольво» розробила модель, що споживає лише 3,6 л на 100 км. Неважко уявити, яку економію дефіцитного палива мала б наша країна, якби наблизила характеристики своїх автомобілів до цих показників.
Україна успадкувала від колишнього СРСР надзвичайно неефективну, енергоємну й матеріаломістку промисловість. Наприклад, для вироблення 1 т цементу ми витрачаємо 274 кг умовного палива, а японці — 142. Питомі затрати енергії в чорній металургії Японії на. 20—30 % нижчі, ніж у нас, причому, хоч як це парадоксально, переважно за рахунок упровадження таких передових технологій, як безперервне розливання сталі, сухе гасіння коксу, утилізація тепла газів доменних печей. Ці технології були розроблені у нас, японці придбали ліцензії на їх застосування й мають від них неабияку вигоду, а у вітчизняній металургії вони практично не впроваджені.
До великих споживачів енергії належить сільське господарство. Такі незграбні «динозаври», як трактор К-700, не лише поглинають величезну кількість палива, а й сильно порушують ґрунти своєю багатотонною масою. Величезну кількість палива споживають наші зернозбиральні комбайни, які до того ж залишають на полі багато зерна.
Щоб виробити 1 кг засобів хімічного захисту рослин, ми витрачаємо близько 4 л умовного палива, а на 1 га саду за чинних норм обприскування — більш як 1 т. А тим часом селекціонери вивели сорти яблунь та інших фруктових дерев, що стійкі проти грибкових захворювань і потребують лише профілактичної обробки й утроє менше хімікатів.
Інший аспект цієї проблеми — морально-етичний. Марнотратство енергетичних і матеріальних ресурсів багато в чому зумовлене ставленням до природи та її багатств як до чогось якого, що призначене задовольняти наші примхи. Мало хто з людей замислюється: чи доцільно викидати на смітник іще цілком придатні речі заради модніших або таких, що мають вишуканий дизайн, оточувати себе безліччю маловживаних, а то й зовсім непотрібних предметів. Адже на їх виготовлення витрачаються дорогоцінні ресурси, енергія, праця людей.
|
:
Екологія людини
Основи екології
Екологія та охорона навколишнього природного середовища