Экологические аспекты применения возобновляемых источников энергии



В статье рассмотрено влияния возобновляемых источников энергии на окружающею среду. Даны экологические параметры работы и эмиссия различных электростанций по циклу производства электроэнергии, штрафной экологический балл для различных видов источников электроэнергии.

Ключевые слова: солнечная энергия, энергия ветра, энергия биомассы, гидроэнергия, геотермальная энергия, штрафной экологический балл.

Увеличение население мира приводит к увеличению потребления различных видов энергии от традиционных до возобновляемых.

Возобновляемые источники энергии всё шире применяются в энергетике и поэтому всё пристальнее внимание к аспекту их взаимодействия с окружающей средой.

По сравнению с другими видами возобновляемые источники энергии (ВИЭ) являются одним из наиболее безопасных в экологическом отношении.

Несмотря на то, что возобновляемые источники использовались еще в прошлом, но вопросу экологической безопасности их применения, тогда уделялось мало внимания, т. к. считалось, что они являются экологически чистыми.

Основной целью данной статьи является изучения экологических аспектов применения возобновляемых источников энергии на окружающею среду.

Солнечная энергия

Солнце в целом является одним из наиболее чистых в экологическом отношении видов энергии. Однако известно, что потенциальный вред от солнечной энергетики на окружающею среду может наблюдаться при производстве и захоронений (или утилизации) отходов. Источником загрязнения окружающей среды является заводы производящие полупроводниковые материалы солнечных элементов, а не солнечная энергия, которая является «чистой». Кроме того, в то время как использование солнечной энергии не загрязняет среду, то изготовление определенных типов солнечных устройств вполне может.

Серьёзных претензий к солнечным водонагревательным и отопительным установкам у экологов нет, к тому же они маломасштабные. Могут быть проблемы при вытекании антифризов из 2-х, 3-х контурных систем. Касательно солнечных электростанций (СЭС), солнечных электроцентралей (СЭЦ) и солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС), то условно экологически чистой можно назвать лишь их эксплуатацию.

Кремний является стабильным материалом и по существу не представляет опасности для окружающей среды. В производстве кремниевых солнечных элементов вредные вещества выделяются также как и в электронной промышленности, в целом и в этих случаях мониторинг и контроль, как на заводах, так и в окружающей среде осуществляется постоянно [1].

При производстве солнечных элементов на основе диселенида меди и индия, а также теллурида кадмия потенциальный вред может иметь место из-за использования селенида и кадмия. В таблице 1 приведены данные по эмиссии различных вредных веществ и соединений при производстве, солнечных элементов и модулей.

Наиболее перспективным направлением использования солнечной энергии является ее использование в солнечных системах теплоснабжения.

Таблица 1

Эмиссия вредных веществ при производстве ииспользовании солнечных элементов имодулей*

Материал	Эмиссия при производстве	Эмиссия при использовании	Захоронение (утилизация)
Кремний	Кремниевая пыль, Силаны, Диборан, Фосфин, Растворители,
Диселенид меди	Селенид водорода, Окись кадмия, Селен, Растворители	Кадмий, Селен (в огне)	Кадмий, Селен (если не утилизируется)
Теллурид кадмия	Окись кадмия, Кадмиевая пыль, Теллур, Растворители		Кадмий, Теллур (если не утилизируется)

*Источник: Ахмедов Х. М., Каримов Х. С. Солнечная электроэлектричество. Душанбе, Дониш, 2007, с.145.

Энергия ветра

При использовании ветроэлектрических установок (ВЭУ) вредных выбросов в атмосферу не происходит, однако реально работающие ВЭУ позволили обнаружить ряд отрицательных явлений:

‒ Вред, наносимый птицам и животным;

‒ Создание механического и аэродинамического шумов и мощных инфразвуковых колебаний;

‒ Помехи для воздушного сообщения и для радио- и телевещания.

При близком расположении к населенным пунктам у людей возникает болезни сердца, звон в ушах, головокружение, мигрень. Создаваемый ветротурбинами инфразвук вызывает вибрацию костей.

В таблице 2 для сравнения приведены уровни шумов от различных источников.

Таблица 2

Сравнительная оценка шума от различных источников*

Вид деятельности	Уровень звукового давления, дБа
Реактивный самолет на расстоянии 250 м	105
Шум в оживленном офисе	60
Автомобиль, движущийся со скоростью 64 км/ч (расстояние 100 м)	55
Ветровая электростанция (10 турбин) (расстояние 350 м)	35–45
Тихая спальня	35
Болевой порог человеческого слуха	120

*Источник: Успехи в химии и химической технологии. Т. XXV, 2011, № 11, с.31.

По оценкам годовая смертность птиц от столкновения с ВЭС равна 0,0285 млн. особей [2].

Энергия биомассы

Производство электроэнергии из биомассы считается наиболее экологически безопасной отраслью энергетики, так как она способствует снижению загрязнения окружающей среды всевозможными отходами (животноводческими, бытовыми, лесной и деревообрабатывающей промышленности и т. д.).

Вместе с тем при ферментационных процессах по переработке биомассы в этанол возникает значительное количество побочных продуктов (промывочные воды и остатки перегонки), существенно загрязняющих окружающую среду [3]. Например, при производстве одного литра этанола образуется 13 литров жидких отходов [4]. Кроме того, происходит тепловое загрязнение, обеднение почвенной органики, истощение и эрозия почв [5].

Использование в качестве топлива для автомобилей биоэтанола повлечет за собой рост объемов выбрасываемого в атмосферу углекислого газа, а также приведет к увеличению площадей вырубаемого леса.

С ростом потребности стран в биотопливе вырастет и площадь полей, используемых для посева кукурузы и тростника, что приведет к вырубке леса. Уменьшающиеся лесные массивы, в свою очередь, будут перерабатывать в кислород меньшие объемы углекислого газа.

Переход предприятия на биогаз связан с некоторыми аспектами, положительно влияющими на экологию:

‒ Переработка биомассы в биогаз — экологичный способ переработки органических отходов;

‒ Получение биогаза и использование его вместо природного газа избавляет от необходимости использовать дорогостоящий невозобновляемый ресурс;

‒ Переработка органических отходов даёт (в зависимости от характера перерабатываемого сырья) кормовые добавки или эффективные биоудобрения;

‒ Антропогенная нагрузка на экосистемы снижается;

‒ Предприятие эффективно использует возобновляемые ресурсы.

Гидроэнергия

Гидроэлектростанции (ГЭС) используют возобновляемую энергию падающего потока воды, которая потом преобразуется в электрическую.

Основные экологические проблемы ГЭС связаны с созданием водохранилищ и затоплением значительных площадей плодородных земель.

В результате повышения уровня воды происходит подтопление прилегающих к водохранилищам территорий, заболачивание, дополнительное выведение из сельскохозяйственного оборота земель. Особенно эти проблемы характерны для равнинных рек.

В горных районах воздействия на окружающую среду ГЭС значительно меньше, где водохранилища обычно занимают небольшие территории. В некоторых странах с горным рельефом значительную часть энергии получают за счет гидроэнергетики (в Таджикистане ГЭС обеспечивают более 90 % электроэнергии).

Безопасность гидротехнических сооружений определяется не только наведенной сейсмичностью, но и просчетами в проектировании, а также воздействием стихии [6].

Геотермальная энергия

Основное негативное воздействие на окружающею среду геотермальные установки оказывают в период разработки месторождения, строительства водопроводов и зданий, но оно обычно ограничено ареалом месторождения. Одно из неблагоприятных проявлений- загрязнение поверхностных и грунтовых вод в случае выброса растворов высокой концентрации при бурении скважин.

Экологические и социальные последствия, связанные с геотермальной энергией, как правило, зависят от конкретного места и конкретной технологии. По большей части их можно устранить или смягчить и минимизировать негативные экологические воздействия.

Серьезной проблемой может стать необходимость отчуждения больших земельных площадей. К примеру, в Долине гейзеров (США) дебит каждой скважины обеспечивает в среднем 7 МВт полезной мощности. Для работы станции мощностью 1000 МВт требуется 150 скважин, которые занимают территорию более 19 км.

Потенциальными последствиями геотермальных разработок являются оседание почвы и сейсмические эффекты, происходит снижение дебитов термальных источников и гейзеров. 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 [7].

Высокая сейсмическая активность является одним из признаков близости геотермальных месторождений, и он используется в поисках ресурсов.

На ГеоТЭС не происходит сжигания топлива, поэтому объем токсичных газов, выбрасываемых в атмосферу, значительно меньше, чем на ТЭС, и они имеют другой химический состав. В водяном паре, добываемом из геотермальных скважин часто, содержатся газовые примеси, состоящие на 80 % из двуокиси углерода и содержащие небольшие доли метана, водорода, азота, аммиака и сероводорода. Как видно, СО₂ является основным парниковым газом при выбросах из геотермальных источников. Прямые выбросы СО₂, при этом лежат в пределах от 4 до 740 грамм на 1 кВт-ч произведенной энергии в зависимости от технологии, применяемой при разработке геотермы и физико- химических характеристик термальной жидкости, находящейся в подземном резервуаре.

Потребность ГеоТЭС в охлаждающей воде (на 1 кВт-ч электроэнергии) в 4–5 раз выше, чем ТЭС, из-за более низкого КПД. В ранних проектах отработанная геотермальная вода сбрасывалась в ближайший водоём и, если она содержала различные соли, в том числе и тяжелых металлов, происходило, кроме теплового и химическое загрязнение водоёмов. Проблема снята обратной закачкой отработанной воды в пласт. Современные проекты геотермальных установок в обязательном порядке содержат обратную закачку. Однако применение технологии с гидроразрывом пласта зачастую приводит к порче подземных вод, просадкам грунта и может спровоцировать землетрясения.

Кроме рассмотренных воздействий геотермальной энергетики, возможны другие негативные проявления:

‒ изменение уровня грунтовых вод, заболачивание;

‒ выброс 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.

Таблица 3

Экологические параметры работы электростанций*

Вид электростанции		Объем выбросов ватмосферу, м3/МВт-Ч	Расход свежей воды, м3/МВт-Ч	Сброс сточных вод, м3/МВт-Ч	Объем твердых отходов, кг/МВт-Ч	Изъятие земель, га/МВт-Ч	Затраты на охрану природы,% общих затрат
Солнечная		-	-	0,02	-	2–3	-
Ветровая		-	-	0,01	-	1–10	1
Геотермальная		1	-	-	-	0,2	1
Энергия биомассы		2–10	20	0,2	0,2	0,2–0,3	-
ТЭС	уголь	20–35	40–60	0,5	200–500	1,5	30
	газ	2–15	2–5	0,2	0,2	0,5–0,8	10
ГЭС		-	-	-	-	100	2
АЭС		-	70–90	0,2	0,2	2,0	50

* Источник: Экологическая характеристика работы солнечных и ветровых электростанций. Бекиров Э., Фурсенко Н. Motrol, 2013, vol 15, № 5, p. 147.

В таблице 3 показаны данные экологических параметров производства электроэнергии различными методами, а в таблице 4 приведены данные эмиссии различных электростанции по полному циклу производства электроэнергии.

Таблица 4

Эмиссия различных электростанции по полному циклу производства электроэнергии (г/кВт *ч) [6]

Электростанции	Выбросы
	СO2	SO2	NOx
Большие ГЭС	9	0.03	0,07
Малые ГЭС	3,6–11.6	0,009–0.024	0,003–0.006
Солнечные фотоэлектростанции	98–167	0,20–0,34	0.18–0,30
Солнечные тепловые станции	26–38	0.13–0,27	0,06–0,13
Ветро электростанции	14,9	0.02–0,09	0,02–0,06
Геотермальные станции	79	0,02	0,28
Электростанции на угле	1026	1,2	1.8
Электростанции на природном газе (комбинированный цикл)	402	0,2	0.3

Таблица 5

Штрафной экологический балл для различных видов используемого источника электроэнергии*

Топливо	Штрафной экологический балл
Бурый уголь	1735
Нефть	1398
Каменный уголь	1356
Ядерное топливо	672
Солнечные фотоэлектрические элементы	461
Природный газ	267
Ветер	65
Малые ГЭС	5

*Источник: Виссарионов В. И., Дерюгина Г. В., Кузнецова В. А., Малинин Н. К., солнечная энергетика: учеб. пособие для вузов / под ред. В. И. Виссарионова. — М.: Издательский дом МЭИ, 2008. — 320 с.

Для учета отрицательного влияния различных типов энергоустановок на окружающею среду в настоящее время предложено несколько различных методик предусматривающий штрафной экологический балл [8]. В таблице 7 приведен штрафной экологический балл для различных видов используемого источника электроэнергии. Эти баллы рассчитаны с учетом фактором воздействия на природу. От количества баллов, полученных каждым из способов производства энергии, зависит его воздействие на окружающую среду. Чем больше баллов, тем более вредное его воздействие на природу.

Выводы

Каждый из рассматриваемых в статье видов энергии по-своему влияет на экологию окружающей среды и людей. Воздействие на экологию различных видов энергии зависит от того на каком этапе своего существования они находятся: производство, эксплуатация или утилизация. Таким образом, экологические характеристики различных видов энергии, описанные в статье, проявляются в размещении электростанций, захоронении отходов, загрязнении атмосферы и литосферы продуктами сгорания. Образование электрических, магнитных и электромагнитных полей, затрудняющих связь и создающих угрозу для человека и биосферы. Радиоактивные и химические загрязнения, воздействия на климат, флору и фауну, возникновение землетрясений при создании гидроэлектростанций.

Сравнивая экологические показатели различных видов энергии можно сделать вывод, наименьший ущерб на экологию при получении энергии происходит при использовании возобновляемых источников. Возобновляемые источники энергии имеют наименьший штрафной экологический балл по сравнению с традиционными источниками энергии. Из возобновляемых источников энергии минимальный уровень загрязнения приходит на малые-ГЭС, а максимальный уровень загрязнения — для солнечных энергоустановок.

Литература:

1. Ахмедов Х. М., Каримов Х. С. Солнечная электроэнергетика. Душанбе, Дониш, 2007, с. 179.
2. Wind Energy Factsheets. European Wind Energy Association, 2010.
3. Говорушко С. М. Влияние хозяйственной деятельности на окружающую среду. Владивосток: Дальнаука, 1999, с. 172.
4. Pimentel D. Ethanol fuels: Energy, economics and environmental impacts // International Sugar Journal. 2001. Vol. 103. P. 491–494.
5. Агеев В. А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. МРСУ, 2004, с.174.
6. Сравнительная оценка экологического влияния разных систем энергоснабжения. Б. Д. Бабаев, В. В. Волшаник. Электроэнергетика. 2014, № 4, с.31.
7. Малоземов В. Н., Эстриным И. А., Е. А. Малоземова Е. А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб.-метод. пособие. Ростов-на-Дону. Ростовский Государственный Университет Путей Сообщения, — 2011, с. 53.
8. Васильев Ю. С., Хрисанов Н. И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. — Л. Изд-во Ленинградского ун-та., 1991, с. 343.