Энергетика

Экологические аспекты использования возобновляемых источников энергии

В этой статье:

Проблема взаимодействия энергетики и экологии

В комплексе существующих экологических проблем энергетика занимает одно из ведущих мест. В связи с интенсивным вовлечением возобновляемых источников энергии в практическое использование особое внимание обращается на экологический аспект их воздействия на окружающую среду.

Существует мнение, что выработка электроэнергии за счет возобновляемых источников представляет собой абсолютно экологически «чистый» вариант. Это не совсем верно, так как эти источники энергии обладают принципиально иным спектром воздействия на окружающую среду по сравнению с традиционными энергоустановками на органическом, минеральном и гидравлическом топливе, причем в некоторых случаях воздействия последних представляют даже меньшую опасность. К тому же определенные виды экологического воздействия НВИЭ на окружающую среду не ясны до настоящего времени, особенно во временном аспекте, а потому изучены и разработаны еще в меньшей степени, чем технические вопросы использования этих источников.

Разновидностью возобновляемых источников энергии являются гидроэнергетические ресурсы. Долгое время их также относили к экологически «чистым» источникам энергии. Не принимая во внимание экологические последствия такого использования, естественно, не проводилось достаточных разработок природоохранных и средозащитных мероприятий, что привело гидроэнергетику на рубеже 90-х годов к глубокому кризису. Поэтому возможные экологические последствия применения НВИЭ должны быть исследованы заранее.

Преобразование энергии нетрадиционных возобновляемых источников в наиболее пригодные формы ее использования – электричество или тепло – на уровне современных знаний и технологий обходится довольно дорого. Однако во всех случаях их использование приводит к эквивалентному снижению расходов органического топлива и меньшему загрязнению окружающей среды. До настоящего времени во всех методиках, в которых приводится технико-экономическое сопоставление традиционных видов получения энергии с возобновляемыми источниками, эти факторы не учитывались вообще или только отмечались, но не оценивались количественно. Таким образом, актуальной становится задача разработки научно обоснованных методов экономической оценки экологических последствий использования различных видов возобновляющихся источников энергии и новых методов преобразования энергии, которые должны количественно учесть факторы иного, по сравнению с традиционными установками, воздействия на окружающую среду.

Экологические аспекты использования возобновляемых источников энергии

Согласно прогнозам, добыча и использование традиционных органических топлив в ближайшей перспективе будет расти, результатом чего станет дальнейшее ухудшение состояния экосистемы и глобальное изменение климата из-за увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере Земли. Среднее повышение температуры по всему миру на 2 °C угрожает катастрофическими последствиями (наводнения, цунами, ураганы, нехватка продовольствия и т.п.). Для сохранения температуры в допустимых пределах необходимо существенно уменьшить выбросы парниковых газов в атмосферу. Основным газом, вызывающим парниковый эффект, является диоксид углерода.

При сжигании природного газа, наиболее экологически безвредного топлива, на 1 кВт·ч вырабатываемой энергии выделяется 0,19 кг диоксида углерода. При сжигании нефти и угля выбросы диоксида углерода значительно больше (для мазута — 0,246 кг, для угля — 0,38 кг). Картина вредных выбросов от всех объектов топливно-энергетического комплекса выглядит следующим образом: диоксид углерода — 89%; метан — 9%; оксиды серы — 0,8%; оксиды азота — 0,5%; зола — 0,7%.

Диоксид углерода регулирует температуру земной поверхности. Солнечная энергия видимой части спектра легко проходит через него, достигая поверхности Земли. Большая часть энергии превращается в тепло, но испускаемое нагретой Землей инфракрасное излучение задерживается в атмосфере, поглощаясь диоксидом углерода и создавая эффект парника.

Развитие энергетики должно опираться на сокращении потребления энергии при сохранении уровня энергетических услуг.

Помимо мер по повышению эффективности использования энергии необходимо наращивать темпы и масштабы использования ВИЭ. Будущее энергетики заключается в расширении использования ВИЭ как для тепло-, так и для электроснабжения.

Экологические последствия развития солнечной энергетики

Солнечные станции являются еще недостаточно изученными объектами, поэтому отнесение их к экологически чистым электростанциям нельзя назвать полностью обоснованным. В лучшем случае к экологически чистой можно отнести конечную стадию – стадию эксплуатации СЭС, и то относительно.

Солнечные станции являются достаточно землеемкими. Удельная землеемкость СЭС изменяется от 0,001 до 0,006 га/кВт с наиболее вероятными значениями 0,003–0,004 га/кВт. Это меньше, чем для ГЭС, но больше, чем для ТЭС и АЭС. При этом надо учесть, что солнечные станции весьма материалоемки (металл, стекло, бетон и т.д.), к тому же в приведенных значениях землеемкости не учитываются изъятие земли на стадиях добычи и обработки сырья. В случае создания СЭС с солнечными прудами удельная землеемкость повысится и увеличится опасность загрязнения подземных вод рассолами.

Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.

Гелиотехника косвенным образом оказывает влияние на окружающую среду. В районах ее развития должны возводиться крупные комплексы по производству бетона, стекла и стали. Во время изготовления кремниевых, кадмиевых и арсенидогелиевых фотоэлектрических элементов в воздухе производственных помещений появляются кремниевая пыль, кадмиевые и арсенидные соединения, опасные для здоровья людей.

Космические СЭС за счет СВЧ-излучения могут оказывать влияние на климат, создавать помехи теле- и радиосвязи, воздействовать на незащищенные живые организмы, попавшие в зону его влияния. В связи с этим необходимо использовать экологически чистый диапазон волн для передачи энергии на Землю.

Неблагоприятные воздействия солнечной энергии на окружающую среду могут проявляться:

  • в отчуждении земельных площадей, их возможной деградации;
  • в большой материалоемкости;
  • в возможности утечки рабочих жидкостей, содержащих хлораты и нитриты;
  • в опасности перегрева и возгорания систем, заражения продуктов токсичными веществами при использовании солнечных систем в сельском хозяйстве;
  • в изменении теплового баланса, влажности, направления ветра в районе расположения станции;
  • в затемнении больших территорий солнечными концентраторами, возможной деградации земель;
  • в воздействии на климат космических СЭС;
  • в создании помех телевизионной и радиосвязи;
  • в передаче энергии на Землю в виде микроволнового излучения, опасного для живых организмов и человека.

Экологические аспекты использования солнечных энергетических установок

Солнечная энергия широко используется для горячего водоснабжения и в ряде случаев для отопления. Наиболее распространены установки для индивидуальных домов, которые представляют собой плоский солнечный коллектор площадью 1–2 м2 и бак-аккумулятор емкостью в 100–200 литров. Иногда применяется поле коллекторов для централизованного теплоснабжения небольших поселков. В северных странах такие установки работают на антифризе, утечки которого могут наносить некоторый ущерб окружающей среде. Стеклянное покрытие солнечных коллекторов, отражая солнечные лучи, может ослеплять пилотов пролетающих самолетов. Во избежание этих возможных осложнений рекомендуется, особенно для крупных установок, делать стеклянные покрытия коллекторов из ребристого стекла.

Производство электроэнергии за счет солнечной радиации в основном базируется на использовании ФЭП. Наряду с этим продолжаются исследовательские и опытные работы, направленные на создание СЭС, использующих термодинамический цикл преобразования энергии. Создаются также установки малой мощности с параболическими концентраторами и двигателями Стирлинга, устанавливаемыми в фокусе. Для продления работы за пределы светового дня СЭС могут работать по гибридной схеме с использованием некоторого количества природного газа, что в конечном итоге будет приводить к выбросу в атмосферу некоторого количества диоксида углерода. Продление работы СЭС за пределы светового дня, а также компенсация переменности поступления солнечной радиации могут быть достигнуты и путем использования аккумуляторов тепла. Такой аккумулятор использует либо физическое тепло какого-либо рабочего тела, либо скрытую теплоту фазового перехода (чаще всего плавления–затвердевания) какой-нибудь соли, например, селитры. Утечки такого вещества могут быть опасны для окружающей среды. При длительной эксплуатации СЭС, работающих по термодинамическому циклу, возможны утечки и низкокипящих рабочих агентов, которые также способствуют загрязнению окружающей среды.

Для индивидуальных домов используются ФЭП мощностью 50–300 Вт. Собственно модули ФЭП не оказывают отрицательного воздействия на окружающую среду, однако при их производстве используются вещества и процессы, вредные для здоровья людей. Во время изготовления кремниевых, кадмиевых и арсенидгаллиевых фотоэлектрических элементов в воздухе производственных помещений появляются кремниевая пыль, кадмиевые и арсенидные соединения, опасные для здоровья людей. Для непрерывного электроснабжения при использовании ФЭП необходимо иметь дублирующую установку или аккумулятор, в частности наиболее дешевый свинцово-кислотный аккумулятор. Эти аккумуляторы могут являться источником экологических загрязнений. Средний срок работы аккумуляторной батареи составляет около трех лет. Частая замена аккумуляторов с утилизацией или захоронением содержащего в них свинца может наносить вред окружающей среде. Для устранения этого недостатка необходима разработка новых устройств по аккумулированию электроэнергии.

Кроме того, солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий и растительности. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Экологические последствия использования энергии океана

При преобразовании любых видов океанической энергии неминуемы определенные изменения естественного состояния затрагиваемых экосистем.

К отрицательным последствиям работы установок, использующих термальную энергию океана, можно отнести возможные утечки в океан аммиака, пропана или фреона, а также веществ, применяемых для промывки теплообменников (хлор и др.). Возможно значительное выделение углекислого газа из поднимаемых на поверхность холодных глубинных вод из-за снижения в них парциального давления СО2 и повышения температуры, Выделение СО2 из воды при работе океанических ТЭС предположительно на 30% больше, чем при работе обычных ТЭС той же мощности, использующих органическое топливо. Охлаждение вод океана вызывает увеличение содержания питательных веществ в поверхностном слое и значительный рост фитопланктона. При подъеме к поверхности глубинные микроорганизмы будут загрязнять океан и придется применять специальные меры для его очистки.

Строительство ПЭС сказывается неблагоприятно на состоянии прибрежных земель, самого побережья и аквальной вдоль береговой полосы: изменяются условия подтопления, засоления, размыва берегов, формирование пляжей и т. д. Изменение движения грунтовых вод влияет на динамику засоления прибрежных земель.

На ПЭС в КНР изучены закономерности отложения наносов в водохранилище ПЭС и за плотиной, а также мероприятия по борьбе с ними. Эксплуатация ПЭС «Ране» во Франции показала, что принятая в ее проекте однобассейновая схема двухстороннего действия максимально сохраняет природный цикл колебаний бассейна и гарантирует тем самым экологическую безопасность приливной энергии.

Использование энергии волн на глубоководных местах в открытом океане сказывается на процессах в акватории океана. Преобразователи размещаются далеко от берега и не оказывают отрицательного действия на устойчивость побережья.

При установке преобразователей вблизи побережья возникают проблемы эстетического характера, так как они видны с берега. Цепочка устройств типа ныряющих уток Солтера длиной в несколько километров выглядит эстетически менее привлекательно, чем группа продуманно размещенных отдельно стоящих преобразователей энергии. Кроме того, непрерывная линия преобразователей в отличие от отдельно расположенных установок может стать препятствием для навигации и оказаться опасной для судов во время сильных штормов.

Один из важных вопросов влияния на окружающую среду преобразования энергии волн в прибрежной зоне – это воздействие на процессы в ее пределах. Вещества, перемещаемые волнами, называются прибрежными наносами. Движение их необходимо для стабилизации береговой полосы, т. е. баланса между эрозией и отложениями. В связи с этим цепь из преобразователей энергии волн целесообразно устанавливать в местах намечаемых волноломов, чтобы они выполняли двойную функцию: использование энергии волн и защиту побережья.

Неблагоприятные экологические последствия в гидротермальной энергетике:

  • утечки в океан аммиака, фреона, хлора и др.;
  • выделение СО2 из воды;
  • изменение циркуляции вод, появление региональных и биологических аномалий под воздействием гидродинамических и тепловых возмущений;
  • изменение климата.

Неблагоприятные экологические последствия в приливной энергетике:

  • периодическое затопление прибрежных территорий, изменение землепользования в районе ПЭС, флоры и фауны акватории;
  • строительное замутнение воды, поверхностные сбросы загрязненных вод.

Неблагоприятные экологические последствия в волновой энергетике:

  • эрозия побережья, смена движения прибрежных песков;
  • значительная материалоемкость;
  • изменение сложившихся судоходных путей вдоль берегов;
  • загрязнение воды в процессе строительства, поверхностные сбросы.

Экологические аспекты использования энергии океана

К отрицательным последствиям работы ОТЭС можно отнести возможные утечки в океан низкокипящих рабочих тел (аммиака, фреона и др.), а также веществ, применяемых при промывках теплообменников. Возможно значительное выделение углекислого газа из холодных глубинных вод из-за снижения в них парциального давления CO2 и повышения температуры при подъеме на поверхность. Выделение CO2 из воды при работе ОТЭС предположительно на 30% больше, чем при работе обычных ТЭС той же мощности, использующих органическое топливо.

Гидродинамические и тепловые возмущения в океане в районе установки преобразователей энергии оказывают влияние на окружающую среду. Оно выражается в изменении циркуляции вод и в нарушении биологического баланса. Охлаждение вод океана вызывает увеличение содержания питательных веществ в поверхностном слое и значительный рост фитопланктона. Глубинные микроорганизмы при подъеме к поверхности будут загрязнять океан и придется применять специальные меры для его очистки.

Строительство ПЭС оказывает влияние на состояние прибрежных земель и береговой полосы. Изменяются условия подтопления, засоления, размыва берегов и т. д.

При установке волновых преобразователей вблизи побережья возникают проблемы эстетического характера, так как они видны с берега. Кроме того, непрерывная линия волновых преобразователей в отличие от отдельно расположенных установок может стать препятствием для навигации и оказаться опасной для судов во время сильных штормов.

Экологические аспекты использования ветроэнергетических установок

Развитие ветроэнергетики в мире набирает обороты. Эта тенденция в значительной мере определяется заботой большинства стран о своем экологическом благополучии и как следствие — ужесточением экологических требований.

Расширение масштабов применения ВЭУ изменит обстановку и улучшит экологическую ситуацию, обеспечит экономию топливных ресурсов.

К концу 2005 г. суммарная установленная мощность ВЭУ в мире составляла около 60 ГВт, всеми этими установками в том же году выработано около 150 млрд кВт · ч электроэнергии. Использование ВЭУ позволило в 2005 г. уменьшить выбросы диоксида углерода на 0,24%, что в абсолютном выражении составляет 42,5 млн т.

Рассмотрим факторы и последствия воздействия ВЭУ на природную среду.

Вред, наносимый животным и птицам

С самого начала развития ветроэнергетики возникали вопросы о возможном вреде, наносимом ВЭУ животным и птицам. Агрегаты в то время были небольших размеров, мощностью до 100 кВт. Такие ВЭУ имеют высокую частоту вращения лопастей (300–450 об/мин), что является препятствием для прямого пролета птиц. Первое время при размещении мелких ВЭУ вблизи гнездований птицы гибли довольно часто. В дальнейшем размеры ВЭУ росли, частота вращения лопастей падала, и число погибших птиц резко уменьшилось. В настоящее время частота вращения ВЭУ мощностью 1–2 МВт составляет от 10 до 30 об/мин, а ВЭУ мощностью 3–4,5 МВт — 8–14 об/мин. Это значит, что для птиц лопасти стали достаточно медленно движущимся объектом.

ВЭУ значительно менее опасны для птиц, чем высоковольтные линии электропередач. Ветропарк мощностью 7,5 МВт по опасности сопоставим с одним километром магистрального шоссе. Птицы быстро адаптируются к присутствию ВЭУ и учатся избегать ротора турбины, а перелетные птицы часто меняют курс на большом расстоянии от ВЭУ. Оценка ежегодной смертности птиц от различных причин, выполненная в Нидерландах, показывает, что смертность от ветротурбин в 300 раз ниже, чем от движущегося транспорта, и в 70 раз ниже, чем от охотников.

Шум

В целом ВЭУ не слишком шумные машины по сравнению с другими механизмами соизмеримой мощности (таблица 1).

Имеются два источника шума от ВЭУ. Один из них — механическое и электрическое оборудование ВЭУ (редуктор и генератор). Эта составляющая шума называется механической. Другая составляющая возникает от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки, и она называется аэродинамической.

Таблица 1. — Уровень шума в сравнении с шумом от ВЭУ

Источник шума/деятельность Уровень шума, дБ
Болевой порог человеческого слуха 140
Шум турбин реактивного двигателя на удалении 250 м 105
Шум от отбойного молотка в 7 м 95
Шум от грузовика при скорости 48 км/ч на удалении от него в 100 м 65
Общий шумовой фон в офисе 60
Шум от легковой автомашины при скорости 64 км/ч 55
Шум от ветрофермы в 350 м от нее 35–45
Шумовой фон в тихой спальне 20
Шумовой фон ночью в деревне 20–40

Механический шум обычно представляет собой главную проблему, но он может быть значительно снижен за счет применения «тихих» редукторов, подъема основного оборудования на значительную высоту и применения звукоизолирующих материалов в гондоле. За последнее время большое распространение получили ВЭУ фирмы Enercom. Это безредукторные установки с переменной частотой вращения и мощностью от 600 кВт до 3,5 МВт. В таких ВЭУ резко сократился уровень шума при увеличении КПД за счет исключения одного звена передачи механической энергии.

Уровень аэродинамического шума зависит от формы лопастей, взаимодействия воздушного потока с лопастями и башней, от типа регулирования ВЭУ (поворотно-лопастная или без поворота лопастей), от условий турбулентности воздуха.

Большинство современных ВЭУ в непосредственной близости от места их сооружения генерируют при скорости ветра 10 м/с шум порядка 95–103 дБ. Это соответствует уровню шума на обычном промышленном предприятии. Однако уже на расстоянии 100 м от ВЭУ уровень шума понижается до 50 дБ, на расстоянии 300 м — менее 40 дБ. На большем удалении работа ВЭУ трудно прослушивается на фоне шума окружающей среды. Именно исходя из этого во многих странах приняты законы, ограничивающие минимальное расстояние от ВЭУ до жилых домов до 300 м.

Визуальное воздействие

Это воздействие наиболее сложно поддается количественной оценке. Реакция на вид ВЭУ очень субъективна. Многие люди воспринимают их положительно, как символ чистой энергии, в то время как другие находят их нежелательным добавлением к пейзажу.

Большая часть ветротурбин сегодня устанавливается на трубных башнях, которые являются более эстетичными, чем решетчатые башни, распространенные в ранней стадии развития ветроэнергетики. Для улучшения эстетического вида ветротурбин и визуального обоснования новых проектов во многих крупных фирмах привлекаются профессиональные дизайнеры и ландшафтные архитекторы.

Проведенные в Европе исследования показали, что когда живущие поблизости от ветропарка люди вовлечены в ветроэнергетический бизнес (являются его акционерами или меньше платят за электроэнергию), их отношение к установкам становится в целом положительным. В целом ветроагрегаты вызывают положительные эмоции.

Влияние на прохождение радио- и телевизионных сигналов

В связи с ростом единичной мощности ВЭУ и, соответственно, с увеличением высоты башни ВЭУ свыше 100 м и размеров лопастей до 40–60 м обостряется вопрос грозозащиты лопастей. Лопасти крупных ВЭУ выполняются из стекловолокна, а для их защиты от ударов молнии внутри них закладываются алюминиевые проводники довольно значительного сечения, по которым ток при ударе молнии уходит в землю. Такие лопасти становятся своего рода зеркалами для прохождения радио- и телесигналов. ВЭУ, оснащенная подобными устройствами, становится препятствием для сигналов военных радаров. Большие площади земель вдоль морских побережий и в прибрежных акваториях являются площадками для крупных ветроферм. Это приводит к столкновению интересов военных, наблюдающих с помощью радаров за прибрежной акваторией и воздушным пространством, и ветроэнергетики.

Использование земли

Сами ВЭУ занимают только 1% всей территории парка. На остальной площади ветропарка вполне можно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью, что и происходит в таких густонаселенных странах, как Дания, Нидерланды, Германия. Фундамент ветроустановки обычно полностью находится под землей, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни установки. Нет никаких данных о том, что ветроустановки нарушают ведение пахотных работ или скотоводства. Данные о потребностях в площадях земельных участков при производстве электроэнергии различными способами приведены в таблице 2.

Таблица 2. — Удельная потребность в площади земельного участка для производства
1 ГВт · ч электроэнергии

Технология выработки энергии Удельный показатель площади земельного участка для производства 1 ГВт·ч за 30 лет (м2)
Геотермальный источник 404
Энергия ветра 800–1335
Солнечные элементы на полупроводниках 3237
Пассивный солнечный нагрев 3561
Уголь 3642

В заключение отметим, что присущие ветроэнергетике экологические проблемы хотя и нуждаются в решении, но в целом не уменьшают ее достоинств, связанных прежде всего с сокращением потребления ископаемых видов топлива и вредных выбросов в атмосферу.

Влияние ветроэнергетики на природную среду

Факторы воздействия ВЭС на природную среду, а также последствия этого влияния и основные мероприятия по снижению и устранению отрицательных проявлений приведены в табл. 18.3.1. Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Методы устранения негативного влияния ВЭУ на окружающую среду
Таблица 18.3.1
Методы устранения негативного влияния ВЭУ на окружающую среду

Под мощные промышленные ВЭС необходима площадь из расчета от 5 до 15 МВт/км2 в зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь от 70 до 200 км2. Выделение таких площадей в промышленных регионах сопряжено с большими трудностями, хотя частично эти земли могут использоваться и под хозяйственные нужды. Например, в Калифорнии в 50 км от г. Сан-Франциско на перевале Алтамонт-Пасс земля, отведенная под парк мощной ВЭС, одновременно служит для сельскохозяйственных целей.

Проблема использования территории упрощается при размещении ВЭС на акваториях. Например, предложения по созданию мощных ВЭС на мелко-водных акваториях Финского залива и Ладожского озера не связаны с изъятием больших территорий из хозяйственного, пользования. Из отводимой площади акватории для ВЭС непосредственно под сооружения для ВЭУ понадобится лишь около 2 %. В Дании дамба, на которой установлен парк ВЭУ, одновременно является пирсом для рыболовных судов. Использование территории, занятой ветровым парком, под другие цели зависит от шумовых эффектов и степени риска при поломках ВЭУ. У больших ВЭУ лопасть при отрыве может быть отброшена на 400–800 м.

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 ВЭУ 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, в свою очередь, могут быть низкочастотными (менее 16-20 Гц) и высокочастотными (от 20 Гц до нескольких кГц). Они вызваны вращением рабочего колеса и определяются следующими явлениями: образованием разряжения за ротором или ветроколесом с устремлением потоков воздуха в некую точку схода турбулентных потоков; пульсациями подъемной силы на профиле лопасти; взаимодействием турбулентного пограничного слоя с задней кромкой лопасти.

Удаление ВЭС от населенных пунктов и мест отдыха решает проблему шумового эффекта для людей. Однако шум может повлиять на фауну, в том числе на морскую фауну в районе экваториальных ВЭС. По зарубежным данным, вероятность поражения птиц ветровыми турбинами оценивается в 10%, если пути миграции проходят через ветровой парк. Размещение ветровых парков повлияет на пути миграции птиц и рыб для экваториальных ВЭС.

Высказываются предположения, что экранирующее действие ВЭС на пути естественных воздушных потоков будет незначительным и его можно не принимать во внимание. Это объясняется тем, что ВЭУ используют небольшой приземный слой перемещающихся воздушных масс (около 100-150 м) и притом не более 50 % их кинетической энергии. Однако мощные ВЭС могут оказать влияние на окружающую среду: например, уменьшить вентиляцию воздуха в районе размещения ветрового парка. Экранирующее действие ветрового парка может оказаться эквивалентным действию возвышенности такой же площади и высотой порядка 100-150 м.

Помехи, вызванные отражением электромагнитных волн лопастями ветровых турбин, могут сказываться на качестве телевизионных и микроволновых радиопередач, а также различных навигационных систем в районе размещения ветрового парка ВЭС на расстоянии нескольких километров. Наиболее радикальный способ уменьшения помех – удаление ветрового парка на соответствующее расстояние от коммуникаций. В ряде случаев помех можно избежать, установив ретрансляторы. Этот вопрос не относится к категории трудноразрешимых, и в каждом случае может быть найдено конкретное решение

Неблагоприятные факторы ветроэнергетики:

  • шумовые воздействия, электро-, радио- и телевизионные помехи;
  • отчуждение земельных площадей;
  • локальные климатические изменения;
  • опасность для мигрирующих птиц и насекомых;
  • ландшафтная несовместимость, непривлекательность, визуальное невосприятие, дискомфортность;
  • изменение традиционных морских перевозок, неблагоприятные воздействия на морских животных.

Экологическая характеристика использования биоэнергетических установок

Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными электростанциями и другими НВИЭ являются наиболее экологически безопасными. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Так, например, анаэробная ферментация – эффективное средство не только реализации отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твердые органические вещества теряют запах и становятся менее привлекательными для грызунов и насекомых (в процессе перегнивания разрушаются болезнетворные микроорганизмы). Кроме того, образуются дополнительный корм для скота (протеин) и удобрения.

Городские стоки и твердые отходы, отходы при рубках леса и деревообрабатывающей промышленности, представляя собой возможные источники сильного загрязнения природной среды, являются в то же время сырьем для получения энергии, удобрений, ценных химических веществ. Поэтому широкое развитие биоэнергетики эффективно в экологическом отношении.Однако неблагоприятные воздействия на объекты природной среды при энергетическом использовании биомассы имеют место. Прямое сжигание древесины дает большое количество твердых частиц, органических компонентов, окиси углерода и других газов. По концентрации некоторых загрязнителей они превосходят продукты сгорания нефти и ее производных. Другим экологическим последствием сжигания древесины являются значительные тепловые потери.

По сравнению с древесиной биогаз – более чистое топливо, непроизводящее вредных газов и частиц. Вместе с тем необходимы меры предосторожности при производстве и потреблении биогаза, так как метан взрывоопасен. Поэтому при его хранении, транспортировке и использовании следует осуществлять регулярный контроль для обнаружения и ликвидации утечек.

При ферментационных процессах по переработке биомассы в этанол образуется большое количество побочных продуктов (промывочные воды и остатки перегонки), являющихся серьезным источником загрязнения среды, поскольку их вес в несколько раз (до 10) превышает вес этилового спирта.

Неблагоприятные воздействия биоэнергетики на экологию:

  • выбросы твердых частиц, канцерогенных и токсичных веществ, окиси углерода, биогаза, биоспирта;
  • выброс тепла, изменение теплового баланса;
  • обеднение почвенной органики, истощение и эрозия почв;
  • взрывоопасность;
  • большое количество отходов в виде побочных продуктов (промывочные воды, остатки перегонки)

Биомасса — это широкое понятие, и поэтому использование различных видов биомассы может иметь разные экологические последствия. Так же как и ископаемые органические топлива, состав биомассы включает водород и углерод; энергетическое использование биомассы предполагает, что оба эти элемента будут полностью окислены, образуя H2O и CO2. Создавая специальные плантации, можно полностью исключить эмиссию диоксида углерода, образующегося при энергетическом использовании биомассы. Вновь посаженные и растущие растения будут поглощать тот диоксид углерода, который выделился при использовании предыдущего поколения растений. Энергетические плантации являются ключевым элементом устойчивого развития и использования биомассы в энергетических целях.

В развивающихся странах дрова является основным источником энергии для сельского населения. Использование дров без восстановления срубленной растительности не только приводит к результирующей эмиссии диоксида углерода, но и приводит к обезлесению, а в ряде случаев и к опустыниванию территории, что является серьезным экологическим бедствием.

Решение экологических проблем, связанных с избыточной концентрацией сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, является одной из основных задач для новой технологии энергетического использования биомассы. Средний городской житель производит в год 300–400 кг отходов, которые в основном вывозятся на свалки. Не говоря о том, что под свалки отчуждаются заметные территории вокруг городов, нарушающие ландшафт, биохимические процессы, происходящие в веществе свалок, приводят к образованию метана, который является более опасным парниковым газом, чем диоксид углерода. Добыча метана из свалок и его энергетическое использование уменьшает суммарное антропогенное производство парниковых газов.

Большое количество отходов образуется на животноводческих фермах и птицефермах. Обычное удаление этих отходов загрязняет прилегающие землю и водоемы. Большинство методов защиты окружающей среды от этих отходов связано с их анаэробной переработкой в биогазовых установках.

Отходы, содержащие органику, которые подходят для анаэробной ферментации, производят также на предприятиях пищевой промышленности, сахарных заводах, предприятиях по переработке овощей, спиртоводочных и пивоваренных заводах, целлюлозно-бумажных комбинатах, фармацевтических предприятиях и заводах по обработке канализационных стоков.

Эти предприятия загрязняют почву и отравляют грунтовые воды, создавая значительную биологическую и химическую потребность в кислороде; в этом смысле они действуют так же, как вредные, в частности патогенные, микробы. Анаэробная переработка отходов позволяет не только получить биогаз и удобрения, но и уменьшить химическую потребность в кислороде, необходимом для окисления органической массы отходов.

Экологические аспекты использования малой гидроэнергетики

Для утилизации энергии водного потока русло реки перегораживают плотиной. Высота плотины определяет максимальную разность уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, и эта разность создает напор, который является одним из основных энергетических характеристик ГЭС. Когда уровень воды вверх по течению от плотины возрастает, прилегающие территории затапливаются, образуя водохранилище ГЭС. Если река протекает по равнине, площадь водохранилища может оказаться достаточно большой. Зачастую большие участки территории, включая плодородные земли, леса, населенные пункты, оказываются в зоне затопления. Затопление само по себе представляет собой существенный фактор воздействия на экологию. Кроме того, воздействие сказывается и на прилегающую территорию вне зоны затопления. На такой территории меняется гидродинамический режим подземных вод (условия их питания и разгрузки). Подпор уровня грунтовых вод в зоне затопления приводит к подъему их уровня, сопровождающемуся подтоплением и заболачиванием значительной территории. Подтопление сельхозугодий приводит к снижению урожаев возделываемых культур, а нередко и к полной потере продуктивности земель. Для возвращения их в сельскохозяйственный оборот требуются дополнительные затраты но проведение гидромелиоративных мероприятий.

В результате периодических колебаний подпертого уровня воды в водохранилище, переувлажнения грунта береговой линии и волноприбойных процессов прибрежные территории размываются и разрушаются, берега отступают на десятки и сотни метров. Эти явления особенно характерны для водохранилищ, созданных на равнинах, где берега, как правило, сложены рыхлыми породами. Повышение уровней грунтовых вод после заполнения ложа водохранилища иногда вызывает оползневые явления, осыпи и обвалы берегов.

Наибольшие экологические последствия связаны с нарушением естественного режима течения в реке. Это нарушение приводит ко многим неприятностям. Во-первых, скорость течения в водохранилище существенно замедляется, в водоеме образуются застойные зоны, русло реки оказывается засоренным осадками. Во вторых, плотина отрицательно воздействует на водную флору и фауну, затрудняет проход рыб к нерестилищам, из-за большого количества гниющей органики, оказавшейся в зоне затопления, в воде возникает недостаток кислорода. В-третьих, управление расходом воды, которое необходимо для равномерного получения мощности от ГЭС в течение года, находится в противоречии с естественными колебаниями уровня и расхода в реке. Эти недостатки характерны для равнинных рек. Нарушения существенно меньше для рек, текущих в гористой местности. В частности, если река протекает в ущелье, водохранилище оказывается скорее глубоким, чем широким, и затопление территории значительно меньше.

Бесплотинные малые и микро-ГЭС, использующие кинетическую энергию потока воды в реке, также нарушают биологию реки, но их воздействие существенно меньше.

Экологические аспекты использования геотермальной энергии

Освоение геотермальных месторождений так или иначе связано с воздействием на окружающую среду. Потенциальное воздействие на окружающую среду включает выделение газов и частиц, изменение и оседание почвы, сейсмическую активность, загрязнение поверхностных и грунтовых вод, шумовые, биологические и социальные воздействия.

За редким исключением термальные воды характеризуются высокой минерализацией и после использования не могут быть сброшены в поверхностные водоемы. Если не обеспечить достаточно хорошее перемешивание, то даже сброс в море может привести к отрицательным локальным эффектам, когда отработанные воды существенно отличаются по своему составу от морской воды.

Побочными продуктами геотермальных скважин являются растворенные газы (углекислый газ, метан, сероводород, инертные газы, водород, аммиак и др.), токсичные микрокомпоненты (соединения бора, мышьяка, ртути и др.), органические соединения (фенолы, летучие компоненты), которые также при свободном выбросе загрязняют прилегающие к месторождению земли, водные источники и воздух.

Необходимо учесть и тепловое загрязнение окружающей среды. Причем, чем ниже КПД теплоэнергетической установки, тем больше тепла отводится в окружающую среду. Сброс в поверхностные водоемы большого объема отработанных термальных вод с достаточно высокой температурой (до 60 ºC и более на некоторых месторождениях), приведет к локальному тепловому загрязнению и отрицательным последствиям в окружающей среде. Так, например, повышение температуры воды в реках всего на 1°C может привести к увеличению потребления кислорода биоорганизмами на 10–20%. А это может вызвать дефицит кислорода в воде со всеми вытекающими отсюда нежелательными последствиями. Вследствие повышения температуры воды в водоеме или водотоке изменяется видовой состав флоры и фауны, увеличивается количество биомассы, разлагаются растительные остатки, уменьшается содержание в воде кислорода, ухудшается ее качество и деградирует экосистема.

Степень воздействия геотермальных объектов на окружающую среду в большинстве случаев пропорциональна масштабам таких объектов. Факторы экологического воздействия, возникающие при бурении скважин, являются главным источником возможных экологических проблем в период реализации проекта. В процессе эксплуатации большинство потенциальных экологических проблем может быть предотвращено, если применяются замкнутые системы с теплообменниками, бинарными циклами и технологией обратной закачки отработанного теплоносителя (ГЦС).

Первое заметное воздействие на окружающую среду проявляется при бурении скважин. Установка буровой вышки и всего вспомогательного оборудования требует строительства подъездных дорог и сооружения буровой площадки. Эти работы приводят к изменению морфологии поверхности на участке и могут нанести ущерб местной флоре и фауне. С использованием современных методов наклонного и горизонтального бурения эти воздействия могут быть сведены до минимума. Возможность бурения нескольких скважин с одной площадки сокращает необходимый землеотвод для сооружения подъездных дорог и трубопроводов.

Неверная оценка гидрогеологических условий и несовершенные методы бурения могут приводить к загрязнению подземных водоносных горизонтов с питьевой водой. В результате выбросов могут загрязняться и поверхностные водоемы. В процессе бурения или гидродинамического исследования скважин возможны также нежелательные выбросы газов в атмосферу. Воздействие на окружающую среду, вызванное бурением, по большей части прекращается с окончанием строительства геотермальных скважин.

Монтаж трубопроводов для транспортировки геотермальных флюидов и сооружение утилизационных установок также отражается на флоре и фауне, приводит к нарушению морфологии поверхности. Неизбежны визуальные изменения ландшафта.

Экологические проблемы возникают также и в ходе эксплуатации геотермальных энергоустановок. Растворенные в геотермальном флюиде различные газы и вещества минерального и органического происхождения при попадании в окружающую среду становятся источником загрязнения. Содержание неконденсирующихся газов на геотермальных месторождениях обычно не превышает 0,1–1,0 % мас. от общего расхода геотермального теплоносителя.

Производство электроэнергии на геотермальных электростанциях может быть связано с загрязнением атмосферного воздуха. Однако при одинаковом уровне выработки электроэнергии объемы выбросов углекислого газа от геотермальных электростанций могут варьировать от нуля до незначительной процентной доли объемов выбросов электростанций, работающих на органическом топливе, в зависимости от применяемой технологии (таблице 1).

Таблица 1. — Выбросы диоксида углерода CO2 при сжигании различных видов топлива

Уголь Мазут Природный газ Максимальный выброс на ГеоЭС Новые геотермальные установки
CO2, кг/МВт·ч 900 750 380 0,02 0,00

В последние годы в геотермальной энергетике разработаны экологически чистые технологии выработки электричества и тепла. Современные ГеоЭС исключают прямой контакт геотермального флюида с окружающей средой и выбросы вредных газов в атмосферу. Примером экологически чистой электростанции является Верхне-Мутновская ГеоЭС, тепловая схема которой позволяет использовать геотермальный теплоноситель с исключением его прямого контакта с окружающей средой. В технологической схеме используются воздушные конденсаторы и система полной закачки отработанного теплоносителя обратно в пласт. Неконденсирующиеся газы, содержащиеся в геотермальном паре, удаляются с помощью эжектора, затем растворяются в воде и далее вместе с водой также закачиваются в землю.

В ГеоЭС с бинарным циклом, где используется замкнутый цикл с какой-либо низкокипящей жидкостью в качестве рабочего тела, не допускают отделения паровой фракции из геотермального флюида, диоксид углерода и другие газы пребывают в растворенном состоянии и возвращаются в резервуар при обратном нагнетании.

К сожалению, на большинстве геотермальных месторождений до сих пор используются устаревшие технологии утилизации теплового потенциала термальной воды, когда отработанный флюид сбрасывается на земную поверхность или в водные объекты вблизи месторождения.

Например, в Дагестане с 1966 по 2005 гг. по оценочным данным с отработанной водой в окружающую среду сброшено более 200 тыс. т минеральных солей, огромное количество токсичных элементов, различных газов и летучих отравляющих компонентов. Главной экологической проблемой геотермальной энергетики Северокавказского региона является высокое содержание фенолов, содержание которых в водах отдельных скважин и месторождений на несколько порядков превышает предельно допустимые концентрации (ПДК = 0,001 мг/л). Содержание фенолов в зависимости от месторождения колеблется от 0,2 (Новогрозненское) до 22,5 мг/л (Махачкала-Тернаирское).

В ИПГ ДНЦ РАН для Махачкала-Тернаирского месторождения разработан метод адсорбционной очистки термальных вод от фенолов. Метод был сначала апробирован на пилотной установке, а затем на опытно-промышленной производительностью 500 м3/сут. Однако на практике промышленные установки по обесфеноливанию не были реализованы и отработанные воды с высоким содержанием фенолов продолжают отравлять окружающую среду.

Непоправимый экологический ущерб наносится при неуправляемом аварийном выбросе высокоминерализованного геотермального флюид, содержащего значительное количество токсичных компонентов. Примером служит Берикейское месторождение, где в 1950-е гг. в результате аварии скважины образовалось проточное озеро редкометальных гидротерм, в которое разгружаются более сотни грифонов. Воды этих грифонов имеют минерализацию 70–75 г/л и содержат фенолов до 8 мг/л, в том числе до 0,6 мг/л летучих компонентов. За 50 лет этими грифонами в акваторию Каспийского моря вынесено более 9 млн т минеральных солей и токсичных компонентов. Комплексное освоение месторождения путем утилизации теплового потенциала и извлечения минеральных солей позволит разрешить острую экологическую проблему, возникшую на месторождении в результате аварии скважины и ее провала.

Серьезный ущерб окружающей среде наносит нерациональное использование низкопотенциальных (20–35 ºC) подземных артезианских вод. Только в пределах Равнинного и Предгорного Дагестана эксплуатируются более 3000 самоизливающихся скважин, суммарный дебит которых составляет 650–700 тыс. м3/сут. С пользой используется не более 10–15% этих вод, остальная часть сбрасывается на прилегающие земельные участки, что приводит к подъему уровня грунтовых вод, заболачиванию и засолению значительных массивов почвогрунтов и выходу из сельскохозяйственного оборота сотен гектаров плодородных земель ежегодно. Одновременно происходит снижение дебитов и напоров скважин, нередки случаи подсоса минерализованных вод из смежных горизонтов, что приводит к ухудшению качества исходной воды. Для предотвращения негативных последствий скважины необходимо перевести на регулируемый крановый режим эксплуатации с отбором потребного количества воды.

Влияние геотермальной энергетики на окружающую среду зависит как от технологии извлечения геотермального флюида, так и технологии утилизации его теплового, водоресурсного и химического потенциалов. Технологии на основе геотермальных циркуляционных систем с использованием одноконтурных и бинарных ГеоЭС, двухконтурных систем теплоснабжения и систем на основе тепловых насосов с использованием современного оборудования являются экологически чистыми технологиями.

Возможные экологические проявления геотермальной энергетики

Основное воздействие на окружающую среду геотермальные электростанции оказывают в период разработки месторождения, строительства паропроводов и здания станций, но оно обычно ограничено районом месторождения.

Природный пар или газ добываются бурением скважин глубиной от 300 до 2700 м. Под действием собственного давления пар поднимается к поверхности, где собирается в теплоизолированные трубопроводы и подается к турбинам. К примеру, в долине гейзеров (США) производительность каждой скважины обеспечивает в среднем 7 МВт полезной мощности. Для работы станции мощностью 1000 МВт требуется 150 скважин, которые занимают территорию более 19 км2.

Потенциальными последствиями геотермальных разработок являются оседание почвы и сейсмические эффекты. Оседание возможно всюду, где нижележащие слои перестают поддерживать верхние слои почвы и выражается в снижении дебитов термальных источников и гейзеров и даже полном их исчезновении. Так, при эксплуатации месторождения Вайрокей (США) с 1954 по 1970 гг. поверхность земли просела почти на 4 м, а площадь зоны, на которой произошло оседание грунта, составила около 70 км2, продолжая ежегодно увеличиваться.

Высокая сейсмическая активность является одним из признаков близости геотермальных месторождений, и этот признак используется при поисках ресурсов. Однако интенсивность землетрясений в зоне термальных явлений, вызванных вулканической деятельностью, обычно значительно меньше интенсивности землетрясений, вызванных крупными смещениями земной коры по разломам. Поэтому нет оснований считать, что разработка геотермальных ресурсов увеличивает сейсмическую активность.

На ГеоТЭС не происходит сжигания топлива, поэтому объем отравляющих газов, выбрасываемых в атмосферу, значительно меньше, чем на ТЭС, и они имеют другой химический состав по сравнению с газообразными отходами станций на органическом топливе. Пар, добываемый из геотермальных скважин, в основном является водяным. Газовые примеси на 80 % состоят из двуокиси углерода и содержат небольшую долю метана, водорода, азота, аммиака и сероводорода. Наиболее вредным является сероводород (0,0225 %). В геотермальных водах содержатся в растворенном виде такие газы, как SO2, N2, NH3, H2S, CH4, H2.

Потребность ГеоТЭС в охлаждающей воде (на 1 кВт·ч электроэнергии) в 4-5 раз выше, чем ТЭС, из-за более низкого КПД. Сброс отработанной воды и конденсата для охлаждения в водоемы может вызвать их тепловое загрязнение, а также повышение концентрации солей, в том числе хлористого натрия, аммиака, кремнезема, и таких элементов, как бор, мышьяк, ртуть, рубидий, цезий, калий, фтор, натрий, бром, иод, хотя и в небольших количествах. С ростом глубин скважин возможно увеличение этих поступлений.

Одно из неблагоприятных проявлений ГеоТЭС – загрязнение поверхностных и грунтовых вод в случае выброса растворов высокой концентрации при бурении скважин. Сброс отработанных термальных вод может вызвать заболачивание отдельных участков почвы в условиях влажного климата, а в засушливых районах – засоление. Опасен прорыв трубопроводов, в результате которого на землю могут поступить большие количества рассолов.

ГеоТЭС, имея КПД в 2-3 раза меньше, чем АЭС и ТЭС, дают в 2-3 раза больше тепловых выбросов в атмосферу. В качестве простого пути сокращения воздействий на окружающую среду следует рекомендовать создание круговой циркуляции теплоносителя на ГеоТЭС по системе «скважина – теплосъемные агрегаты – скважина – пласт». Это позволит избежать поступления термальных вод на поверхность земли, в грунтовые воды и поверхностные водоемы, обеспечить сохранение пластового давления, исключить оседание грунта и любую возможность сейсмических проявлений.

Неблагоприятные экологические воздействия геотермальной энергетики на экологию:

  • отчуждение земель;
  • изменение уровня грунтовых вод, оседание почвы, заболачивание;
  • подвижки земной коры, повышение сейсмической активности;
  • выбросы газов (метан, водород, азот, аммиак, сероводород) ;
  • выброс тепла в атмосферу или в поверхностные воды;
  • сброс отравленных вод и конденсата, загрязненных в небольших количествах аммиаком, ртутью, кремнеземом;
  • загрязнение подземных вод и водоносных слоев, засоление почв;
  • выбросы больших количеств рассолов при разрыве трубопроводов.