Экологическая безопасность и производство электроэнергии

Оглавление

Введение. 2

Производство электроэнергии. 4

Типы электростанций. 4

Альтернативные источники энергии. 5

Передача электроэнергии 8

Использование электроэнергии. 10

Обеспечение охраны окружающей среды 15

Введение.

Рождение  энергетики произошло несколько  миллионов лет тому назад, когда  люди научились использовать огонь.  Огонь давал им тепло и свет, был источником оптимизма и вдохновения, оружием против животных и врагов, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.

Долгие годы огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.

На сегодняшний  день энергия остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность  создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных  видов энергии человек не способен полноценно существовать.

На современном  этапе развития в стране наметилась интересная тенденция – крупные  промышленные предприятия, теоретически являющиеся главным источником вредных  выбросов в атмосферу, когда по собственной  инициативе, а когда и под прессингом природоохранных структур и экологических  организаций, постепенно внедряют малоотходные технологии. Предотвращают выбросы  загрязняющих веществ в атмосферу. Очищают сточные воды, предохраняя  от загрязнения земли и почвы. Гигантские химкомбинаты, металлургические заводы, тепловые и атомные электростанции выделяют из общей статьи расходов огромные суммы на природоохранные  мероприятия. Малые промышленные предприятия, зачастую, обладая меньшими финансовыми  возможностями, нередко игнорируют необходимость защиты окружающей среды от своей деятельности.

Производство  электроэнергии.

Типы  электростанций.

Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в конце 19 века и получили преимущественное распространение.  В середине 70-х годов 20 века ТЭС — основной вид электрической станций.

На тепловых электростанциях химическая энергия  топлива преобразуется сначала  в механическую, а затем в электрическую. Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут.

Тепловые  электрические станции подразделяют на конденсационные (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды и пара. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районных электростанций (ГРЭС).

Гидроэлектрическая станция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования,   преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию.

Напор ГЭС  создается концентрацией падения  реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно.

Атомная электростанция (АЭС), электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (в основе ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu). Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.)  существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического, топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе. Кроме того, необходимо учитывать всё увеличивающийся объём потребления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом тепловых электростанций. Несмотря на открытие новых месторождений органического топлива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному, увеличению его стоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место в энергетическом балансе ряда промышленных стран мира.

Существуют  также альтернативные источники  энергии, которые в меньшей степени  наносят вред окружающей среде, но правда не достигли должного уровня развития для того что бы занимать в экономике  твердые позиции.

Альтернативные  источники энергии.

Энергия солнца.

В последнее  время интерес к проблеме использования  солнечной энергии резко возрос, ведь потенциальные возможности  энергетики, основанной на использование непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Простейший  коллектор  солнечного  излучения  представляет собой зачерненный  металлический (как правило,  алюминиевый)  лист, внутри которого располагаются  трубы с циркулирующей в ней  жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии,  поглощенной  коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования.

Солнечная энергетика относится к наиболее  материалоемким видам производства   энергии.  Крупномасштабное  использование солнечной энергии влечет за собой гигантское  увеличение  потребности в материалах,  а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья,  его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.

Пока еще  электрическая энергия, рожденная  солнечными лучами,  обходится  намного  дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут  на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Ветровая энергия.

Огромна энергия  движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в  сто раз превышают запасы  гидроэнергии  всех рек планеты. Постоянно и  повсюду на земле дуют ветры. Климатические  условия позволяют  развивать  ветроэнергетику на огромной территории.

Но в наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Потому к созданию конструкций ветроколеса-сердца любой ветроэнергетической установки привлекаются специалисты-самолетостроители,  умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Энергия Земли.

Издавна люди знают  о  стихийных  проявлениях  гигантской энергии,  таящейся в  недрах земного шара.  Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле.  Мощность извержения  даже  сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека.  Правда,  о  непосредственном  использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится, нет пока у людей  возможностей  обуздать  эту  непокорную стихию.

Энергия Земли пригодна не только для отопления помещений, как  это происходит в Исландии, но и  для получения электроэнергии. Уже  давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники.  Первая такая электростанция,  совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском  городке Лардерелло.  Постепенно  мощность  электростанции росла,  в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в  наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины-360 тысяч  киловатт.

Передача электроэнергии

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и гидроресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров.

Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с  заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток  нагревает их. В соответствии с  законом Джоуля — Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой

Q=I²Rt

где R — сопротивление линии. При большой длине линии передача энергии может стать вообще экономически невыгодной. Для уменьшения потерь можно, конечно, идти по пути уменьшения сопротивления R линии посредством увеличения площади поперечного сечения проводов. Но для уменьшения R, к примеру, в 100 раз нужно увеличить массу провода также в 100 раз. Ясно, что нельзя допустить такого большого расходования дорогостоящего цветного металла, не говоря уже о трудностях закрепления тяжелых проводов на высоких мачтах и т. п. Поэтому потери энергии в линии снижают другим путем: уменьшением тока в линии. Например, уменьшение тока в 10 раз уменьшает количество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е. достигается тот же эффект, что и от стократного утяжеления провода.

Так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохранения передаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Причем, чем длиннее линия передачи, тем  выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, например, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС — Москва используют напряжение в 500 кв. Между тем генераторы переменного тока строят на напряжения, не превышающие 16—20 кв., так как более высокое напряжение потребовало бы принятия более сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.

Поэтому на крупных  электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает  напряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока. Потери мощности при этом невелики.

Для непосредственного  использования электроэнергии в  двигателях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Причем обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходит в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, - все шире. Схема передачи и распределения электроэнергии приведена на рисунке.

Электрические станции  ряда областей страны соединены высоковольтными  линиями передач, образуя общую  электросеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение  называется энергосистемой. Энергосистема  обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям не зависимо от их месторасположения.

Использование электроэнергии.

Использование электроэнергетики  в различных областях науки.

ХХ век  стал веком, когда наука вторгается во все сферы жизни общества: экономику, политику, культуру, образование и  т.д. Естественно, что наука непосредственно  влияет на развитие энергетики и сферу  применения электроэнергии. С одной  стороны наука способствует расширению сферы применения электрической  энергии и тем самым увеличивает  ее потребление, но с другой стороны  в эпоху, когда неограниченное использование  невозобновляемых энергетических ресурсов несет опасность для будущих поколений, актуальными задачами науки становятся задачи разработки энергосберегающих технологий и внедрение их в жизнь.

Рассмотрим  эти вопросы на конкретных примерах. Около 80% прироста ВВП (внутреннего  валового продукта) развитых стран  достигается за счет технических  инноваций, основная часть которых  связана с использованием электроэнергии. Все новое в промышленность, сельское хозяйство и быт приходит к  нам благодаря новым разработкам  в различных отраслях науки.

Большая часть  научных разработок начинается с  теоретических расчетов. Но если в ХIХ веке эти расчеты производились с помощью пера и бумаги, то в век НТР (научно-технической революции) все теоретические расчеты, отбор и анализ научных данных и даже лингвистический разбор литературных произведений делаются с помощью ЭВМ (электронно-вычислительных машин), которые работают на электрической энергии, наиболее удобной для передачи ее на расстояние и использования. Но если первоначально ЭВМ использовались для научных расчетов, то теперь из науки компьютеры пришли в жизнь.

Сейчас они  используются во всех сферах деятельности человека: для записи и хранения информации, создания архивов, подготовки и редактирования текстов, выполнения чертежных и графических работ, автоматизации производства и сельского  хозяйства. Электронизация и автоматизация  производства - важнейшие последствия "второй промышленной" или "микроэлектронной" революции в экономике развитых стран. С микроэлектроникой непосредственно связано и развитие комплексной автоматизации, качественно новый этап которой начался после изобретения в 1971 году микропроцессора - микроэлектронного логического устройства, встраиваемого в различные устройства для управления их работой.

Микропроцессоры ускорили рост робототехники. Большинство  применяемых ныне роботов относится  к так называемому первому  поколению, и применяются при  сварке, резании, прессовке, нанесении  покрытий и т.д. Приходящие им на смену  роботы второго поколения оборудованы  устройствами для распознавания  окружающей среды. А роботы-"интеллектуалы" третьего поколения будут "видеть", "чувствовать", "слышать". Ученые и инженеры среди наиболее приоритетных сфер применения роботов называют атомную  энергетику, освоение космического пространства, транспорта, торговлю, складское хозяйство, медицинское обслуживание, переработку  отходов, освоение богатств океанического  дна. Основная часть роботов работают на электрической энергии, но увеличение потребления электроэнергии роботами компенсируется снижением энергозатрат во многих энергоемких производственных процессах за счет внедрения более рациональных методов и новых энергосберегающих технологических процессов.

Но вернемся к науке. Все новые теоретические  разработки после расчетов на ЭВМ  проверяются экспериментально. И, как  правило, на этом этапе исследования проводятся с помощью физических измерений, химических анализов и т.д. Здесь инструменты научных исследований многообразны - многочисленные измерительные  приборы, ускорители, электронные микроскопы, магниторезонансные томографы и  т.д. Основная часть этих инструментов экспериментальной науки работают на электрической энергии.

Очень бурно  развивается наука в области  средств связи и коммуникаций. Спутниковая связь используется уже не только как средство международной связи, но и в быту - спутниковые антенны не редкость и в нашем городе. Новые средства связи, например, волоконная техника, позволяют значительно снизить потери электроэнергии в процессе передачи сигналов на большие расстояния.

Не обошла наука и сферу управления. По мере развития НТР, расширения производственной и непроизводственной сфер деятельности человека, все более важную роль в повышении их эффективности  начинает играть управление. Из своего рода искусства, еще недавно основывавшегося  на опыте и интуиции, управление в наши дни превратилось в науку. Наука об управлении, об общих законах  получения, хранения, передачи и переработки  информации называется кибернетикой. Этот термин происходит от греческих  слов "рулевой", "кормчий". Он встречается в трудах древнегреческих  философов. Однако новое рождение его  произошло фактически в 1948 году, после  выхода книги американского ученого  Норберта Винера "Кибернетика".

До начала "кибернетической" революции существовала только бумажная Информатика, основным средством восприятия которой оставался  человеческий мозг, и которая не использовала электроэнергию. "Кибернетическая" революция породила принципиально  иную - машинную информатику, соответствующую  гигантски возросшим потокам  информации, источником энергии для  которой служит электроэнергия. Созданы  совершенно новые средства получения  информации, ее накопления, обработки  и передачи, в совокупности образующие сложную информационную структуру. Она включает АСУ (автоматизированные системы управления), информационные банки данных, автоматизированные информационные базы, вычислительные центры, видеотерминалы, копировальные и фототелеграфные  аппараты, общегосударственные информационные системы, системы спутниковой и  скоростной волокнисто-оптической связи - все это неограниченно расширило  сферу использования электроэнергии.

Многие ученые считают, что в данном случае речь идет о новой "информационной" цивилизации, приходящей на смену традиционной организации общества индустриального типа. Такая специализация характеризуется следующими важными признаками:

• широким распространением информационной технологии в материальном и нематериальном производстве, в области науки, образования, здравоохранения и т.д.;
• наличием широкой сети различных банков данных, в том числе общественного пользования;
• превращение информации в один из важнейших факторов экономического, национального и личного развития;
• свободной циркуляцией информации в обществе.

Такой переход  от индустриального общества к "информационной цивилизации" стал возможен во многом благодаря развитию энергетики и  обеспечению удобным в передаче и применении видом энергии - электрической энергией.

Электроэнергия в производстве.

Современное общество невозможно представить без  электрификации производственной деятельности. Уже в конце 80-х годов более 1/3 всего потребления энергии  в мире осуществлялось в виде электрической  энергии. К началу следующего века эта  доля может увеличиться до 1/2. Такой  рост потребления электроэнергии прежде всего связан с ростом ее потребления в промышленности. Основная часть промышленных предприятий работает на электрической энергии. Высокое потребление электроэнергии характерно для таких энергоемких отраслей, как металлургия, алюминиевая и машиностроительная промышленность.

Электроэнергия в быту.

Электроэнергия  в быту неотъемлемый помощник. Каждый день мы имеем с ней дело, и, наверное, уже не представляем свою жизнь без  нее. Вспомните, когда последний  раз вам отключали свет, то есть  в ваш дом не поступала электроэнергия, вспомните, как вы ругались, что ничего не успеваете и вам нужен свет, вам нужен телевизор, чайник и куча других электроприборов. Ведь если нас обесточить навсегда, то мы просто вернемся в те давние времена, когда еду готовили на костре и жили в холодных вигвамах.

Значимости  электроэнергии в нашей жизни  можно посветить целую поэму, настолько она важна в нашей  жизни и настолько мы привыкли к ней. Хотя мы уже и не замечаем, что она поступает к нам  в дома, но когда ее отключают, становится очень не комфортно.

Стоит отметить, что наиболее опасными для мира являются атомные электростанции. Так, как  химические элементы на которых они работают крайне пагубно влияют на окружающую среду в случае неосторожного обращения.

Обеспечение охраны окружающей среды

 
Работа атомной станции, как любого крупного энергетического объекта, сопровождается факторами воздействия  на человека и окружающую среду. Особенность атомных станций состоит в том, что специфическим фактором их воздействия является радиационный. По этой причине вопросам обеспечения радиационной безопасности при эксплуатации АС традиционно уделяется большое внимание. 
 
Общеизвестно, что радиационное воздействие атомных станций в режиме их нормальной эксплуатации проявляется в поступлении в окружающую среду некоторого количества радионуклидов. Важным при этом является то, что объемные активности сбросных сред малы и не относятся к категории «радиоактивные отходы», а их суммарное поступление за год строго регламентировано нормативами, установленными органами санитарного надзора. 
 
АС всегда были объектом пристального внимания, а нормирование их радиационного воздействия всегда опережало нормативные ограничения различных факторов воздействия в других отраслях промышленности. Еще в 60-х годах прошлого столетия ограничения на газо-аэрозольные выбросы в атмосферу и жидкие сбросы атомных станций в водные объекты вводились путем нормирования содержания радионуклидов в атмосферном воздухе населенных пунктов и воде поверхностных водоемов. В действовавших до 2001 г. санитарных правилах на выбросы и сбросы АЭС была выделена дозовая квота на возможное облучение населения, проживающего в районах расположения АС: 0,20 мЗв в год- для газо-аэрозольных выбросов и 0,05 мЗв в год — для жидких сбросов в поверхностные водоемы. 
 

В связи с вводом в действие с 2000 года новых норм радиационной безопасности, в разработанных на их основе санитарных правилах проектирования и эксплуатации АС, существенным образом были пересмотрены и закреплены новые подходы к ограничению радиационного воздействия АС на население и окружающую среду, которые основаны на принципе оптимизации и концепции безусловно приемлемого риска. 
 
С учетом достигнутого уровня безопасности АС в режиме нормальной эксплуатации энергоблоков было принято беспрецедентное для радиационных объектов решение об установлении для АС нормативов допустимых выбросов (ДВ) и допустимых сбросов (ДС) радиоактивных веществ в окружающую среду на таком уровне, при котором доза облучения лиц из критической группы населения, проживающих в районе расположения атомной станции, была бы пренебрежимо мала, т.е. ниже установленной нормативными документами по радиационной безопасности минимально значимой дозы, равной 0,01 мЗв в год. При таком ограничении поступления радионуклидов с АС в окружающую среду радиационный риск для населения составляет менее 10-6 в год и является гарантированно приемлемым. Для сравнения, уровень риска смерти, равный 10-6 в год, повсеместно рассматривается как обычный или пренебрежимый (равный, например, среднегодовому риску смерти от пользования бытовым электричеством и в 100 раз меньший риска смерти от дорожно-транспортного происшествия) и разделяет область приемлемого и область безусловно приемлемого риска. 
 
Переход к использованию концепции безусловно приемлемого радиационного риска для населения в районах расположения АС привел к значительному (на один — два порядка величины) уменьшению действовавших до 2000 г. нормативов ДВ и ДС. При этом, новые нормативы допустимых выбросов и сбросов для АС с реакторными установками различного типа имеют достаточный по отношению к фактическим выбросам и сбросам запас, а также учитывают возможные эксплуатационные изменения. 
 
Реализованные в области атомной энергетики новые подходы к нормированию радиационного воздействия АС на население и окружающую среду имеют важные следствия: 

• величина выбросов и сбросов АС на уровне 100% допустимых является безусловно приемлемой; 
• реальные выбросы и сбросы АС являются оптимизированными и их дальнейшее снижение экономически не оправдано; 
• задачей АС на предстоящий период является сохранение достигнутого уровня выбросов и сбросов. 

 
Согласно общепринятому подходу  основная задача контроля содержания радиоактивных веществ в окружающей среде состоит в получении данных для оценки доз облучения населения от воздействия объекта использования атомной энергии с целью подтверждения обоснованности нормирования выбросов и сбросов, а также качества их контроля. 
 
За последние 30 — 40 лет выполнен большой объем радиационных исследований в районах расположения АС как персоналом атомных станций, так и специалистами ряда ведущих научных и проектных организаций России. На основе многолетнего изучения и оценки радиационно-гигиенической обстановки в районах расположения нормально эксплуатируемых АС установлено: 

• радиационно-гигиеническая обстановка не претерпела изменений со времен строительства и ввода АС в эксплуатацию; 
• радиационная обстановка в районе расположения АС за пределами ее промплощадки не отличается от обстановки в окружающих регионах. Она определяется радионуклидами естественного и космогенного происхождения, а также радионуклидами глобального загрязнения атмосферы, образовавшимися при испытаниях ядерного оружия и поступивших в атмосферу в результате аварии на Чернобыльской АЭС; 
• за последние годы фактические годовые выбросы радионуклидов с АС с реакторными установками различного типа в атмосферу не превышают 30%, соответствующих нормативов ДВ, установленных в действующих санитарных правилах проектирования и эксплуатации АС; 
• фактические поступления радионуклидов с АС в поверхностные водоемы многократно меньше установленных нормативов ДС; 
• работа АС не приводит к росту усредненной годовой дозы на контролируемой территории и к заметным дозовым нагрузкам на население; 
• консервативные оценки годовых доз облучения лиц из критических групп населения от газо-аэрозольных выбросов АС с ВВЭР-1000 составляют 0,0001 мЗв, АС с ВВЭР-440 и БН-600 — 0,0005 мЗв, АС с РБМК — 0,002 мЗв;  
  
• фактические сбросы в поверхностные воды в зависимости от типа АС, вида и масштаба водоема-охладителя приводят при консервативных предположениях о водопользовании к годовым эффективным дозам облучения лиц из критических групп населения не более нескольких тысячных мЗв. 

 
Анализ данных о выбросах и сбросах АС, а также о состоянии радиационной обстановки в районах расположения атомных станций подтверждает факт стабильного и безопасного уровня эксплуатации энергоблоков АС, а также эффективность защитных барьеров на пути распространения радиоактивных веществ. 
 
Один из принципов радиационной защиты, установленный МАГАТЭ гласит: поколение, пользующееся благами, полученными от применения атомной энергии и источников излучения, должно позаботиться и об отходах, которые образуются в процессе получения и использования радиоактивных материалов. 
 
Основным направлением в решении проблем по обращению с радиоактивными отходами (РАО) ОАО "Концерн Энергоатом" является дальнейшее снижение количества образования РАО путем внедрения новых прогрессивных технологий. 
 
На всех атомных станциях ежегодно разрабатываются и выполняются организационно-технические мероприятия, направленные на уменьшение конечного объема РАО. ОАО "Концерн Энергоатом" разрабатывает концепцию создания специализированного предприятия по обращению с РАО с целью снятия с атомных станций несвойственной производственной задачи по обращению с радиоактивными отходами. 
 
Долгосрочное развитие атомной энергетики ставится общественностью в прямую зависимость от обеспечения экологической безопасности с учетом как радиационных, так и нерадиационных факторов воздействия. 
 
В целях обеспечения требований природоохранного законодательства на всех атомных станциях образованы экологические службы, которые осуществляют производственный экологический контроль за соблюдением нормативов качества окружающей среды.