Энергия и экология.
Проф. Михаил Иоелович
Designer Energy Ltd, Rehovot.
Существование и дальнейшее развитие современной цивилизации требует расширенного производства и потребления энергии. В настоящее время основными источниками энергии являются ископаемые ресурсы топлива – уголь, нефть и природный газ, за счет которых удовлетворяются около 80% или 500 экза-джоулей мировой потребности в энергии. Около 25% энергии получают путем сжигания угля и 20% энергии при использовании природного газа. Доля энергии, получаемая из топлив на основе нефти, составляет около 40%. К сожалению, запасы ископаемых источников топлива истощаются. По имеющимся оценкам при современном уровне потребления энергии известных резервов каменного угля хватит лишь на 130-150 лет, а нефти менее чем на 100 лет. Разведанных резервов газа больше, но и они сокращаются. В последнее время были найдены и разрабатываются, особенно в США, большие объемы сланцевой нефти и газа. Однако производство сланцевого топлива является более дорогим, чем традиционной нефти и природного газа.
Дополнительной проблемой является также то, что производство энергии путем сжигания угля и углеводородного топлива сопровождается выбросом в атмосферу огромных объемов парниковых газов и паров – углекислоты и воды. Так, при сжигании 1 тонны различных видов угля образуется 3.5-3.7 тонны углекислого газа. Сжигание 1 тонны природного газа, нефти и нефтепродуктов (бензина, керосина, дизельного топлива, мазута и др.) сопровождается выделением свыше 3 тонн углекислого газа, а также свыше 1.3 тонны паров воды. Кроме того, при сжигании угля и некоторых видов углеводородного топлива выделяются токсичные газы – окислы серы и азота.
В последние годы с целью улучшения состояния окружающей среды, пополнения дефицита энергии и сохранения устойчивого развития цивилизации все большее внимание уделяется альтернативным источникам энергии – биологическим, водородным, солнечным, ветровым, термальным, гидроэлектрическим, атомным, гидроволновым и др. Общее количество энергии производимой альтернативными источниками энергии составляет в настоящее время около 120 экза-джоулей.
Использование биотоплива может несколько смягчить экологическую проблему, связанную с образованием парниковых и токсичных газов и паров, но не устраняет ее. Так, количество углекислого газа при сжигании 1 тонны биодизельного топлива или биоэтанола составляет около 2 тонн, но одновременно выделяется до 1 тонны паров воды.
В последнее время большие надежды возлагаются на водородную энергетику, которую считают «экологически чистой», поскольку единственным продуктом сжигания водорода является вода. Многие компании инвестируют в водородный транспорт различного назначения. В настоящее время выпускаются экспериментальные легковые автомобили BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 Hydrogen. Жидкий водород используется в качестве топлива в двигателях экспериментальных автобусах Ford E-450 и MAN Lion City Bus.
Водород можно использовать также как компонент топливных элементов для автомобилей или другого вида транспорта. Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают Ford Motor Company; Honda; Hyundai; Nissan; Toyota; Volkswagen; General Motors; Daimler AG — Mercedes-Benz; Thor Industries; Irisbus и др. Экспериментальные автобусы на топливных элементах уже курсируют по дорогам Америки, Европы, Китая и Японии. Поставку первых автомобилей на топливных элементах на рынок ожидают через 10-15 лет. Сдерживающим фактором промышленного использования водородных топливных элементов для транспорта заключается в том, что для функционирования топливных элементов требуется очень дорогой и дефицитный платиновый катализатор. Корме того, водород значительно дороже углеводородного топлива; его очень трудно сжижать и хранить, а утечка водорода может привести к взрыву.
Производство самого водорода требует больших расходов энергии. Наиболее распространенным промышленным способом производства водорода является каталитический крекинг метана в присутствии водяного пара при 700-1000°С. Побочным продуктом конверсии является токсичный и мало-энергетический монооксид углерода, который необходимо отделить от водорода. Другой промышленный способ – электролиз воды, является еще более энергоемким. Поскольку основным источником энергии для производства водорода являются тепловые электростанции, основанные на сжигании угля или углеводородного топлива и дающее парниковые и токсичные газы, то водородное топливо неправомерно считать действительно «экологически чистым».
Совершенно неверным является также утверждение, что водяной пар, выделяющийся в атмосферу при сжигании водорода в двигателе или в ячейке топливного элемента, безопасен для окружающей среды. Наоборот, водяной пар является существенным парниковым фактором, который в настоящее время ответственен более чем за 60 % парникового эффекта на Земле. Таким образом, если развивать водородную энергетику в больших масштабах и использовать водород вместо традиционного топлива как для получения электроэнергии, так и для транспорта, то вред природе будет только усиливаться.
Накопление в атмосфере огромного количества паров воды в сочетании с парниковым эффектом может изменить климат Земли до тропического и привести к катастрофическим последствиям для природы и цивилизации.
Другие альтернативные виды энергии также наносят вред окружающей среде. Транспорт с электрическим двигателем широко рекламируется в различных странных как полностью безопасный для экологии. Однако производство самого электричества осуществляется в основном путем сжигания угля и углеводородного топлива.
Чем больше будут использоваться электромобили, тем больше потребуется ископаемого топлива для производства электроэнергии и больше будут объемы парниковых и токсичных газов и паров.
Атомная энергетика, как известно, опасна для окружающей среды; работа АЭС сопровождается нагревом окружающей среды и выбросами газообразных и жидких радиоактивных отходов, которые требуется улавливать и дезактивировать. Кроме того, образуются большое количество твердых радиоактивных отходов, которые необходимо захоронять и изолировать в течение десятков тысяч лет, что является сложной и дорогой технической задачей.
Значительные площади земель, занимаемые АЭС, непригодны для других видов деятельности.
Ветровые источники энергии вызывают эрозию почвы, создают шум и гиперзвуковые волны, опасные для здоровья людей и животных. При постройке гидроэлектростанций заливаются водой огромные площади земель, необходимые для сельского хозяйства и других целей.
Солнечные энергетические установки также небезопасны для окружающей среды. Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к снижению температуры и повышению влажности почвы, негативно влияя на рост растений. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станций вызывается нагревом воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями; это приводит к изменению теплового баланса, влажности и направления ветров. Утечки жидкостей из теплообменников солнечных энергетических систем во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению источников воды. Особую опасность представляют высокотоксичные жидкости, содержащие хроматы и нитриты.
Таким образом, при расширенном воспроизводстве энергии необходимо учитывать не только собственно энергетические и экономические факторы, но и экологические факторы, чтобы соблюсти разумный баланс между получением необходимого количества энергии с одной стороны, и минимизацией ущерба окружающей среде, а также здоровью людей и животных с другой стороны.
