ВЗАИМООБУСЛОВЛЕННОСТЬ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ФАКТОРА Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ

ENERGY AND ECOLOGY

Статья поступила в редакцию 17.04.11. Ред. рег. № 982 The article has entered in publishing office 17.04.11. Ed. reg. No. 982

УДК 621.1:502/504:330.138

ВЗАИМООБУСЛОВЛЕННОСТЬ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ФАКТОРА

Р.А. Амерханов

Кубанский государственный аграрный университет 350044 Краснодар, ул. Калинина, д. 13 Тел. (861) 221-58-54, e-mail: energyksau@mail.ru

Заключение совета рецензентов: 27.04.11 Заключение совета экспертов: 10.05.11 Принято к публикации: 15.05.11

Излагаются принципы зависимости состояния окружающей среды от техногенного влияния энергетики. Указывается, что климат на Земле в значительной степени определяется циклическими изменениями интенсивности солнечного излучения и мировым океаном. Приводится метод эксергетического анализа экологического фактора.

Ключевые слова: окружающая среда, возобновляемые источники энергии, энергетика, эксергия.

INTERDEPENDENCE OF ENERGETICS AND ECOLOGICAL FACTOR

R.A. Amerkhanov

Kuban State Agrarian University 13 Kalinin str., Krasnodar, 350044, Russia Tel. (861) 221-58-54, e-mail: energyksau@mail.ru

Referred: 27.04.11 Expertise: 10.05.11 Accepted: 15.05.11

Principles of dependence of environmental condition on anthropogenic impact of exergy are stated. It is indicated that the climate on the Earth in great extent is determined by cyclic changes of a solar radiation intensity and the World ocean.

Keywords: environment, renewable sources of energy, energetics, exergy.

Главной целью энергетической стратегии России является определение путей формирования условия безопасного, эффективного и устойчивого функционирования энергетического сектора, а также формирование наиболее рациональной системы взаимоотношений между потребителями и генератором энергии. Высшим приоритетом энергетической стратегии России на период до 2020 г. является максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и имеющегося научно-технического и экономического потенциала топливно-энергетического комплекса [1].

На территории России сосредоточено 45% мировых запасов природного газа, 12% - нефти, 23% -угля; 14% - урана [2, 3]. Такие запасы топливно-энергетических ресурсов могут обеспечить потребности страны в тепловой и электрической энергии в течение сотен лет. Фактическое их использование

обусловлено определенными трудностями. Кроме того, использование природных энергоресурсов приводит к существенному загрязнению окружающей среды. Необходимо учесть, что 22-25 млн человек проживают в районах автономного энергоснабжения, занимающих более половины территории России [4]. Поэтому ориентация на возобновляемые и нетрадиционные источники энергии вполне обоснована.

Можно выделить факторы, обуславливающие развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ):

- сохранение запасов собственных энергоресурсов;

- увеличение потребления сырья для неэнерге-тичного использования топлива;

- сохранение окружающей среды и обеспечение экологической безопасности;

- обеспечение энергетической независимости и безопасности.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (97) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

По сути широкое использование возобновляемых источников энергии соответствует всем высшим приоритетам и задачам энергетической стратегии России [5].

Россия обладает богатейшими возобновляемыми энергетическими ресурсами, экономический потенциал которых оценивается в 270 млн т у.т., что составляет около 30% внутреннего потребления топливно-энергетических ресурсов в стране.

Экономический потенциал солнечной энергии в России составляет 12,5 млн т у.т. в год.

Около шести процентов территории России обладает очень высокими ресурсами ветровой энергии с общим экономическим потенциалом около 10 млн т у.т. Особенно важным является то, что основные районы высокой концентрации ветровой энергии -берега Северного Ледовитого океана и побережье Дальнего Востока, а также берега Черного и Азовского морей, территория Сибири и Северного Кавказа - это районы, удаленные от систем централизованного энергоснабжения. Освоение ветровой энергии в этих районах социально, экологически и экономически целесообразно.

Энергетический потенциал гидроэнергетических ресурсов оценивается в 600 ТВтч в год. Доля малых и микроГЭС в этом потенциале составляет около 10%. Экономический потенциал геотермальной энергии в России составляет около 115 млн т у.т. в год. К настоящему времени в стране накоплен определенный положительный опыт по использованию геотермальных ресурсов.

Экономический потенциал биомассы, пригодной для энергетического использования в России, достаточно высок и оценивается в 35 млн т у.т. в год. В настоящее время биомасса используется в основном в виде дров, древесных отходов и отходов растениеводства. Переход на современные технологии использования энергии биомассы в России позволит снизить экологический ущерб, повысить надежность и социальную значимость систем топливо- и теплоснабжения прежде всего в лесных районах страны.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ), к числу которых относятся солнечная и ветровая энергия, выделяют в атмосферу незначительное количество вредных выбросов.

В качестве примера в табл. 1 приведены данные [6] по сокращению вредных выбросов при использовании различных видов ветроэнергетических установок (ВЭУ). Эти выбросы пропорциональны вырабатываемой ВЭУ и ВЭС (ветроэнергетических станций) электроэнергии.

Применение ВИЭ позволяет существенно сократить выбросы вредных веществ в атмосферу. Однако эти источники энергии не являются полностью экологически чистыми. Негативное влияние ВИЭ на окружающую среду проявляется в широком спектре экологических факторов. Наиболее существенные воздействия на экосистемы энергоустановок, использующих энергию солнца, ветра, тепла земли, могут быть представлены следующей классификацией (рис. 1).

Наиболее важный фактор влияния ВЭС на окружающую среду - это акустическое воздействие. В зарубежной практике выполнено достаточно исследований и натурных изменений уровня и частоты шума для различных ВЭС с ветроколесами, отличающимися конструкцией, материалами, высотой над землей, и для разных природных условий (скорость и направление ветра, подстилающая поверхность и т.д.). Шумовые эффекты от ВЭУ имеют разную природу и подразделяются на механические (шум от редукторов, подшипников и генераторов) и аэродинамические воздействия. Последние вызваны вращением рабочего колеса и определяются следующими явлениями: образованием разрежения за ветроколесом с устремлением потоков воздуха в некоторую точку схода турбулентных потоков; пульсациями подъемной силы на профиле лопасти; взаимодействием турбулентного пограничного слоя с задней кромкой лопасти.

Однако удаление ВЭУ от населенных пунктов и мест отдыха решает проблему шумового эффекта для людей. Шум может повлиять на фауну, в том числе и на морскую фауну в районе акваториальных ВЭС.

Таблица 1 Table 1

Сокращение вредных выбросов при использовании ВЭУ Decrease of harmful wastes under use of wind-energetic sets

№ п/п Ветроэнергетическое оборудование Сокращение вредных выбросов, тыс. т/год

SO2 no2 СО2 Сажа

1 Зарядные ветроустановки 0,5-0,8 0,3-0,8 75-125 4,0-7,0

2 Водоподъемные ВЭУ для трубчатых колодцев 1,2-1,9 0,7-1,4 180-300 9,6-16,8

3 Водогрейные и отопительные ветроустановки 1,7-2,7 1,0-2,0 255-424 13,6-23,8

4 Ветродизельные электростанции 7,5-12,0 4,5-9,0 1125-1875 60-105

5 ВЭС для параллельной работы с энергосистемой 300-480 180-360 45000-75000 2400-4200

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

Рис. 1. Классификация воздействия установок на основе ВИЭ на окружающую среду Fig. 1. Classification of set influence on environment on the basis of renewable types of energy

В установках термомеханического преобразования солнечного излучения применяются фреон, аммиак. При термодинамическом преобразовании солнечной энергии в качестве теплоносителя используются: жидкий натрий, водород, синтетические масла и т.д. В случае аварий, пожаров на солнечных установках возможно загрязнение прилегающей территории вредными веществами.

При использовании солнечных преобразователей происходит затенение земель, изменение локального теплового баланса.

Ввиду малой плотности энергетических потоков ВИЭ, как правило, характеризуются большой земле-емкостью. Удельная выработка электроэнергии, которая может быть получена с одного квадратного метра занимаемой площади, и удельная площадь, необходимая для выработки 1 кВт-ч электроэнергии в год, приведены в табл. 2 [5].

Таблица 2

Удельная выработка электроэнергии и удельная площадь для возобновляемых источников энергии

Table 2

Specific electric energy production and specific area for renewable sources of energy

Таким образом, широкое освоение ВИЭ позволяет решить ряд энергетических и экологических проблем. Следует отметить, что защита окружающей среды от постоянно возрастающих вредных выбросов вследствие развития техники, и в особенности энергетического комплекса, является в настоящее время одной из наиболее актуальных.

По мнению Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), деятельность человека привела к увеличению радиационного воздействия на климатическую систему с 1750 г на 1,6 Вт/м2 и, соответственно, к потеплению. В частности, 11 последних лет стали самыми теплыми за последние 50 лет. Современная концентрация основного парникового газа (двуокиси углерода) превышает соответствующие значения за предыдущие 6500 лет [7]. Глобальная концентрация других парниковых газов, метана и закиси азота, также существенно превышают доиндустриальные значения за многие десятки тысяч лет [8, 9].

Согласно полученным результатам исследований, в ближайшие два десятилетия глобальное потепление продолжится со скоростью около 0,2 °С в год. Повышение температуры приведет к повышению уровня моря - в среднем по «мягкому» и «жесткому» сценарию от 0,18 до 0,59 м. В результате повышения температуры поверхности океана в низких широтах вероятно увеличение интенсивности тропических циклонов (тайфунов). Все сказанное выше в значительной мере относится и к нашей стране.

Климат России характеризуется чрезвычайно большим разнообразием вследствие огромной протяженности ее территории.

Вид энергоресурса Тип установки Выработка электроэнергии кВт-ч/м2тод Удельная площадь м2/кВт-ч-год

Ветровая энергия ВЭС 12 0,083

Солнечная энергия СЭС 30 0,033

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (97) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

Смягчение климатических условий может отодвинуть к северу границу зоны комфортного проживания. Это скажется на существовании биологических видов. Следует ожидать, что среднее за год повышение температуры к середине ХХ1 века может составить +2,6±0,7 °С. К 2040-60 гг. ежегодные осадки в среднем по территории России возрастут на 8,2±2,5% [8].

Ряд видных современных физиков придерживается мнения, что в перспективе не следует ожидать заметного потепления среды обитания вследствие непрерывно возрастающих выбросов в атмосферу вредных газов, и в первую очередь углекислого газа. Они считают, что определяющее влияние на климат Земли имеют циклические изменения интенсивности солнечного излучения [10-13]. Установлено, что число пятен на поверхности Солнца периодически изменяется, убывая от максимума к минимуму, а затем снова возрастая за время порядка 11 лет. Определено наличие корреляции между четко установленными периодами значительных изменений числа пятен всего прошлого тысячелетия и глубокими изменениями климата Земли периодами порядка 11 лет [10]. Петербургский астрофизик Е. Борисенков установил, что в каждом из 18 глубоких минимумов ак-

тивности Солнца с двухсотлетним периодом в течение последних 7500 лет наблюдались периоды глубокого похолодания, а в периодах высоких максимумов - глобальные потепления [11]. Следует отметить, что не 11-летние, а двухсотвековые циклы солнечных вариаций служат основным фактором изменения климата.

Существенным показателем интенсивности солнечного излучения является солнечная постоянная, изменение которой происходит в результате колебаний радиуса Солнца с амплитудой до 250 км в 11-летнем цикле и до 700-800 км в двухвековом цикле (рис. 2) [12].

При уменьшении солнечной постоянной на 1 Вт/м2 температура Земли понизится на 0,2 °С, а среднее альбедо поверхности вырастет примерно на 0,003 (согласно расчетам, увеличение альбедо на 0,01 приводит к понижению средневековой температуры на 0,7 °С.

Исследованиями установлено наличие солнечных циклов, во время которых активность Солнца, светимость и диаметр синхронно колеблются. Строго говоря, Солнце не находится в стационарном режиме энергетического равновесия.

Рис. 2. Изменение солнечной постоянной с 1611 до 2008 года по данным Wang Y.M., Lean J.L., Speelgy [10] Fig. 2. Changes of solar constant from 1611 to 2008 on data Wang Y.M., Lean J.L., Speelgy [10]

Рис. 3. Изменение температуры на Земле и концентрации углекислого газа в ее атмосфере в течение последних 420000 лет:

1 - температура, °С; 2 - СО2 Fig. 3.Temperature change on the Earth and concentration of carbon dioxide in its atmosphere during last 420000 years:

1 - temperature, °С; 2 - СО2

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

Современными методами замеров проб льда из скважин в Гренландии и Антарктиде установлено содержание углекислого газа, кислорода и прочих компонентов реликтовой атмосферы, а также температура, при которой выпадал снег. Сделан вывод, что значительное повышение концентрации углекислоты и глобальные потепления климата происходили циклически, когда еще никакого индустриального воздействия на природу не было. Было также установлено, что периодические значительные повышения концентрации углекислого газа в атмосфере на протяжении 420 тыс. лет всегда следовали за ростом среднегодовой температуры, то есть были его следствием (рис. 3) [10]. Концентрация углекислого газа в атмосфере в ледниковых периодах истории Земли всегда была примерно в два раза ниже, чем в настоящее время.

Исследования показывают, что углекислым газом СО2 и водяным паром Н2О поглощается примерно 63% всего теплового излучения с поверхности Земли. Из них примерно 51% приходится на водяной пар и около 12% - на углекислый газ. Таким образом, водяной пар поглощает половину всего излученного тепла, а углекислый газ - меньше половины того, что поглощает водяной пар.

Это объясняется тем, что в диапазоне длин волн 4,7-12,8 мкм инфракрасное излучение углекислый газ практически не поглощает. Диапазон светимости атмосферы находится в пределах длин волн 9-12 мкм, а максимум теплового излучения Земли - около 10 мкм.

Значительное влияние на климат оказывает океан, который служит хранилищем углекислоты. Растворимость газа в воде уменьшается с повышением температуры, и поэтому прогрев океана приводит к росту выбросов СО2 в атмосферу. По мнению некоторых специалистов, наблюдаемое потепление климата Земли обусловлено не техногенными выбросами парниковых газов, а в первую очередь высокой интенсивностью солнечного излучения в течение практически всего прошлого века. Уже начался очередной цикл снижения глобальной температуры, пик которого достигнет в 2055-2060±11 годах, когда среднегодовая температура снизится на 1,0-1,5 градуса. Этот климатический минимум продлится 45-65 лет, после чего наступит очередное потепление (рис. 4).

Согласно расчетам, проведенным лабораторией космических исследований Главной астрономической обсерватории Российской академии наук [10], прямое влияние двухвековой вариации солнечной постоянной обеспечивает только около половины амплитуды изменения глобальной температуры Земли. Другая половина - результат дополнительного, косвенного влияния. Это обусловлено тем, что при изменении температуры меняется отражательная способность поверхности Земли, концентрация водяных паров, углекислоты и других парниковых газов в атмосфере, которые дополнительно ускоряют дальнейшие изменения температуры.

Рис. 4. Прогноз закономерности глубокого похолодания климата в середине ХХ1 века Fig. 4. Prognosis of regularity of strong fall of temperature in the middle of XXI century

Проанализируем экологический аспект в контексте энергопреобразующих систем, основываясь на эксергетическом методе анализа. С точки зрения эк-сергии экологический фактор - это работа, выполняемая системой над окружающей средой.

В концепции эксергетической оптимизации приняты следующие обозначения [14].

Эксергия всех потоков, поступающих в рассматриваемый элемент системы или в систему в целом, включая систему энергетического потока (например, солнечного излучения), принято называть эксергией топлива Ер. Эксергию всех потоков, выходящих из рассматриваемого элемента (системы), включая эксер-гию энергетического потока, произведенного в данном элементе (системы), называют эксергией продукта ЕР.

При этом эксергетический баланс для системы записывается следующим образом:

Ef — Ep + En + Ei

(1)

где Ев и Еь, соответственно, деструкция и потери эксергии.

В данном случае будем иметь

тэ

Ер =| Ер ехр(-Ат)^т = Ер [1 - ехр(-Атэ)] =

Lt

= Ef (тэ

1 - expl —

(2)

где тх - нормативное время дисконтирования, обратное степени дисконтирования X; тэ - полный срок службы системы.

В термоэкономике величина X может изменяться как в сторону уменьшения (истощение естественных ресурсов), так в сторону увеличения (появление новых ресурсов) [15].

С позиции термоэкологии изменение X следующее: - X уменьшается всегда при использовании традиционных и невозобновляемых источников энергии, так как естественные ресурсы являются исчер-паемыми;

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (97) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

- X увеличивается при использовании возобновляемых источников энергии.

В соответствии с принципами эксергоэкономиче-ской оптимизации [14, 16] можно принять, что потери вследствие экологического фактора пропорциональны потокам эксергии на выходе из системы.

Выше рассматриваемый процесс можно анализировать с позиции внешней необратимости системы [17]:

Мср + Мхол + Мгор = , (3)

где Д^ср - увеличение энтропии окружающей среды, как результат подвода теплоты; Д5хол - уменьшение энтропии охлаждаемого элемента системы; Д5Тор -уменьшение энтропии греющего элемента; ДО -суммарное изменение энтропии соответственно температурному уровню, при котором происходит процесс.

Степень экологического фактора определяется двумя показателями: тепловым потоком в окружающую среду Д^гор, который в уравнении (3) является определяющим, и выбросами СО2, влияние которых могут быть оценены по соответствующему тепловому эквиваленту.

В заключение можно сделать вывод, что закономерность изменения климата на поверхности Земли определяется комплексом взаимообусловленных факторов, таких как техногенные выбросы в окружающую среду не только углекислого газа, но и других вредных соединений; циклические изменения и, в первую очередь, долгосрочные интенсивности солнечного излучения; влияние мирового океана.

Необходим всесторонний и тщательный анализ указанных факторов, достоверная их оценка с учетом экологических, энергетических и экономических показателей с учетом отличительных характеристик рассматриваемых регионов страны.

Список литературы

1. Энергетическая стратегия России (Основные положения). М.: Мин-во топлива и энергетики РФ, 1993.

2. Новая энергетическая политика России / под ред. Ю.К. Шафранника. М.: Энергоатомиздат, 1995.

3. Бекаев Л.С., Марченко О.В., Пинегин С.П. и др. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию. Новосибирск: Наука, 2000.

4. Концепция развития и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики в энергетическом балансе России. М.: Мин-во топлива и энергетики РФ, 1994.

5. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / Коллектив авторов; под общей ред. П.П. Безруких. Санкт-Петербург: Наука, 2002.

6. Рекомендации по определению климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

7. Катцов В.М. Глобальное потепление: вызов для России // В мире науки. 2007. № 9. С. 82-85.

8. Элли Р. Непредсказуемые изменения климата // ВМН. 2005. № 2.

9. Кеплер Ф., Рекманн Т. Метан и изменение климата // ВМН. 2007. № 5.

10. Абдусманов Х.И. Об уменьшении потока солнечного излучения и понижении глобальной температуры Земли до состояния глубокого похолодания в середине XIX века // Известия КрАО. 2007. Т. 103, №4. С. 292-298.

11. Борисенков Е.П. Колебания климата за последнее тысячелетие. Л.: Наука, 1988.

12. Абдусманов Х.И. Эксперимент «Астрометрия» по измерению временных вариаций формы и диаметра Солнца на служебном модуле российского МКС // Известия РАН. Сер. физ. 2007. Т. 71, № 4. С. 611-616.

13. Scafetta N. and West B.J. La Climate Senaitive to Solar Variability // Physics Today. 2008. № 3. Vol. 61.

14. Тсатсаронис Дж. Взаимодействие термодинамики и экономики для минимизации стоимости энергопотребляющей системы / Под ред. Т.В. Моро-зюк. Одесса: «Студия Негоциант», 2002.

15. Морозюк Т.В. Модель выбора теплового насоса в составе энергетической установки // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1999. № 3. С. 30-32.

16. Долинский А.А. К вопросу эксергоэкономиче-ской оптимизации энергетических систем // Пром. теплотехника. 2009. Т. 31, № 4. С. 105-108.

17. Пригожин И. От возникающего к существующему. М.: Наука, 1985.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011