Н.А. Галактионова
Промышленная экология
Учебное пособие для студентов заочного отделения / Москва: Международный независимый эколого-политологический университет, 2002

Приложение 1. Экологические проблемы альтернативной энергетики

д.х.н., проф. МГУ, Лисичкин Г.В.

(В кн. Материалы конференции «Основы экологической безопасности» /Под ред. Г.А. Богдановского, Н.А. Галактионовой. «Научные труды МНЭПУ». Вып. 4. Серия: «Реймерсовские чтения». – М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. – с.37 – 44.)

      Загрязнение природной среды при производстве электрической энергии в массовом сознании связано в первую очередь с работой ядерных электростанций, а также с использованием в качестве энергоносителей твердых горючих ископаемых. Для лиц, отягощенных хотя бы элементарным естественно-научным образованием, ясно, что и такие энергоносители, как нефть и природный газ создают весьма существенную нагрузку на среду обитания. Однако наш опыт показывает, что даже многие специалисты-экологи убеждены в абсолютной безопасности для природы альтернативных (возобновляемых) источников энергии.

      Настоящая статья посвящена краткому анализу экологических проблем, возникающих при крупномасштабном производстве электроэнергии  за счет возобновляемых источников энергии.

      Прежде чем рассматривать альтернативные источники энергии, примем к сведению очень важное обстоятельство: нас интересует возможность использования этих источников в больших масштабах, мы пытаемся оценить перспективы замены традиционных энергоносителей – в первую очередь нефти – в связи с их грядущим исчерпанием. Если в наши дни суммарная доля альтернативных энергоносителей в мировом производстве энергии не достигает и одного процента, то в предвидимом будущем можно ожидать ситуации, когда примерно четверть всей вырабатываемой электроэнергии будет получаться за счет возобновляемых источников. Таким образом, нас интересуют экологические последствия использования энергии Солнца, ветра, тепла Земли и т.п.  не  в условиях испытания единичных установок и  опытно-промышленных разработок, а последствия применения таких энергоносителей, когда их доля в энергетическом балансе крупных государств достигнет десятков процентов.

Гидроэнергия

      Рассматривая возобновляемые источники энергии, следует начать с гидроэнергетики, которая уже более века не является альтернативным источником электроэнергии. Известно, что использование энергии рек во многих странах, в том числе и в России, достигло впечатляющего уровня, но рост доли гидроэнергии в развитых странах сильно замедлился. Существенно, что его сдерживают не столько дороговизна ГЭС, сколько неблагоприятные экологические последствия. Крупные гидростанции, построенные на равнинных реках, привели к возникновению громадных мелководных водохранилищ. Оказались затопленными огромные пространства сельскохозяйственных угодий, сенокосных лугов. Сильно замедлилось течение воды, она прогрелась и зацвела. Почти прекратилась миграция проходных рыб. Все эти печальные последствия можно видеть на примере Волги, энергетические ресурсы которой практически исчерпаны, а река стала цепью слабопроточных водохранилищ.

      Не многим лучше обстоит дело с возведением ГЭС в горах. Там площадь водохранилищ меньше, но непредсказуемо воздействие большой массы воды на тектонику прилегающих горных массивов. Кроме того, в горной местности весьма активно идут процессы заиливания водохранилищ.

      Итак уже на примере гидроэнергетики ясно, что сама по себе «возобновляемость»  энергоносителя отнюдь не является гарантией его экологической  чистоты.

Энергия ветра

      Понятно, что одна ветроустановка безобидна. Но как только мы захотим с помощью энергии ветра выработать, скажем, 20% необходимой нашей стране электроэнергии (это примерно 200 млрд. кВт ч), окажется, что для строительства ветроэлектростанций потребуются весьма значительные площади земли; для изготовления десятков тысяч ветряных колес (диаметр примерно 100 м) и башен для них придется  резко  увеличить производство алюминия или стеклопластика, а это весьма грязные производства; при мощности одной установки 250 кВт возникает шум силой 50-80 децибел; ветряные колеса генерируют опасные  инфразвуковые колебания.

      Но главная неприятность, по-видимому, состоит в том, что из-за крупномасштабного использования энергии ветра он будет рассеиваться, изменится роза ветров и, следовательно,  нарушится климатическое равновесие, перенос влаги и тепла не только в районе, где построена ветроэлектростанция, но и далеко за его пределами.

      Интересно, что соображения об экологической опасности утилизации ветроэнергии уже нельзя считать чисто умозрительными. Власти Дании, где уже 5,5 % от всего потребления электроэнергии поставляют ветроэлектростанции, поставили задачу удвоить эту долю. Однако они натолкнулись на мощное сопротивление общественности и «зеленых». Дело в том, что из-за дефицита свободной территории строительство пятисот ветроустановок (пять групп по сто штук в каждой) планируется на морском мелководье. В этом случае ликвидируются места традиционного обитания птиц, создается невыносимый шум и возникают помехи в распространении радиоволн, интенсивно мешающие работе телевизионных станций.

Солнечная энергия

      Различные схемы преобразования солнечной энергии в электрическую также сопряжены со значительным воздействием вредных факторов на природу. (Речь по-прежнему идет о широкомасштабном производстве энергии, о значительном вкладе солнечной энергии в энергетический баланс планеты.).

      Для строительства солнечных станций потребуется отчуждение огромных площадей, не менее чем на 3 порядка больших, нежели для тепловых электростанций той же мощности. Но проблема заключается еще и в том, что любой способ преобразования солнечной энергии отличается высокой материалоемкостью, причем для изготовления оборудования требуется либо уже упомянутый экологически опасный в производстве алюминий (башни, баки, конструкции отражателей), либо еще более опасный кремний (материал для солнечных батарей). Напомним, что технология производства высокочистого кремния включает стадии его восстановления магнием из кремнезема и дальнейший синтез через трихлорсилан. Этот и иные способы получения кремния «солнечной» чистоты при крупнотоннажном производстве серьезно загрязнят окружающую среду, прежде всего – атмосферу.

      Наконец, главная экологическая опавсность состоит в том, что при отборе солнечного тепла будет происходить похолодание, пропорциональное количеству преобразованной солнечной энергии. Этим эффектом вполне можно пренебречь при строительстве маломощных домашних устройств, но не при проектировании крупных солнечных станций, которые должны вносить заметный вклад в энергетический баланс страны и занимать сотни квадратных километров. Как отметил академик П.Л.Капица, применение фотопреобразователей с высоким КПД (лишь такие выгодны экономически) может привести к понижению температуры, из-за которого начнется конденсация водяного пара  в атмосфере и соответственно прекратят работу фотоприемники. Если ограничить КПД пятнадцатью процентами (уровень лучших современных преобразователей), то туман не будет появляться, но тогда под солнечные  станции придется отчуждать еще более гигантские территории. Можно думать, что климат на этих территориях станет прохладнее.

Тепло Земли

      Не меньшие, а возможно, и большие трудности экологического характера возникают при проектировании крупных геотермальных электростанций. Работа ГеоТЭС сопряжена с необходимостью сбрасывать горячую и более или менее минерализованную воду. Сброс такой воды чреват значительной опасностью для гидробионтов. Из-за повышения температуры  уменьшается концентрация растворенного в воде кислорода – его уже недостаточно для многих рыб (форель, например, живет только в холодной воде), а минеральные примеси угнетают водные организмы. Отбор из скважин пароводяной смеси во многих случаях сопровождается выбросами токсичных газов;  расширяющийся при выходе на поверхность пар вызывает сильный шум.

      Из перечисленных факторов наиболее неприятна необходимость сбрасывать горячую минерализованную воду. Закон о недрах запрещает сброс такой воды в реки и рекомендует закачивать ее через специально пробуренные скважины обратно в земные недра. Но последствия этого приема при крупномасштабном производстве энергии прогнозировать очень трудно. Микроземлетрясения при закачивании воды  уже зафиксированы.

      Влияние ГеоТЭС на природу легко наблюдать на примере Паужетской станции на Южной Камчатке: в радиусе двух-трех километров от станции торчат голые, без коры и листьев, стволы каменной камчатской березы,  далеко слышен  неумолчный рев выходящего на поверхность пара. При этом мощность станции всего 11 мВт. Для сравнения отметим, что мощность главных турбин атомного ледокола «Арктика» – 55 мВт.

      Панорама строительства и атмосферный воздух в районе Мутновской ГеоТЭС (70 км от Петропавловска-Камчатского) также оставляют довольно тяжелое впечатление.

Энергия морских приливов

      Использование энергии морских приливов также вызывает неблагоприятные экологические последствия: крупная приливная гидроэлектростанция представляет собой гигантскую плотину, затрудняющую водообмен между морем и морским заливом или устьем реки. Плотина препятствует естественной миграции гидробионтов, нарушает установившиеся за миллионы лет связи. Это, конечно, неприятно, но не катастрофично. Однако есть и более серьезные опасения: нетрудно рассчитать, что строительство группы приливно-отливных электростанций большой мощности (сотни гигаватт) – а именно такие нужны для компенсации дефицита горючих ископаемых – на доли секунды замедлит вращение Земли. Последствия этого трудно даже предположить.

Водородная энергетика

      До сих пор мы рассматривали так называемые первичные энергоносители, но есть еще и вторичные, важнейший из которых водород. Идея его использования проста: направим первичную энергию на производство водорода из воды, а дальше будем использовать водород как экологически чистое топливо – при его окислении образуется только вода.

      Сам по себе водород действительно относительно чист в экологическом плане. Надо лишь учесть, что при его горении на воздухе развиваются температуры, достаточные для окисления азота. Поэтому помимо воды среди продуктов горения будет некоторое количество оксидов азота.

      Основные проблемы возникают при получении водорода. Добыча водорода из его природных соединений в соответствии с законом сохранения энергии требует столько же энергии (в реальных условиях несколько больше), сколько мы получим при окислении водорода. Следовательно мы должны затратить эквивалентное количество первичной энергии, которая, как мы убедились, не может быть экологически чистой. Значит, мы попросту переносим загрязнения из одного региона (где водород потребляют) в другой (где его получают).

      Низкая плотность, взрывоопасность, высокая диффузионная подвижность водорода (под давлением и при нагревании он способен просачиваться через металл) требуют для работы  с ним новых материалов и технологий, которые вряд ли будут экологически чистыми. Пока трудно даже представить себе весь комплекс природоохранных проблем, которые возникнут при производстве специальных сплавов для трубопроводов, при строительстве и последующей эксплуатации водородопровода длиной 2000 км.

      Еще одна сложная проблема – это экологический аспект аккумулирования водорода. Понятно, что расход водорода как и любого другого энергоносителя будет неравномерным. Следовательно необходимо заранее проектировать устройства для аккумулирования водорода. На сегодняшний день лучшими экономическими и техническими характеристиками обладают интерметаллические аккумуляторы, представляющие собой трехкомпонентные сплавы на основе редкоземельных элементов. Емкость их по водороду составляет 2 %-масс. Ясно, что крупномасштабное применение водорода приведет к многократному увеличению производства редкоземельных металлов, что отнюдь не безопасно с позиций охраны среды обитания.

      Аналогичным образом можно рассмотреть любые другие альтернативные источники энергии, существующие или только намечаемые: управляемый термоядерный синтез, энергия растительной биомассы, энергия малых рек, энергия низкопотенциального тепла и т.д.  и т.п. Энергетика, основанная на любых источниках, независимо от того возобновляемые они или нет, не может быть экологически чистой, если масштаб производства энергии велик. Разумеется, экологическая опасность разных видов энергоносителей различна, но она есть всегда. Экологически чистой энергии не бывает.

Правило шлейфа

      Для оценки экологического ущерба, наносимого конкретным видом энергетики, совершенно недостаточно учитывать только чистоту энергоносителя. Необходимо брать в расчет воздействие  на среду сооружений, машин и устройств для отбора и передачи энергии, а также технологий производства соответствующих материалов и аппаратуры. Широкое использование любого нового вида энергии требует создания новой подотрасли промышленности, включающей добычу сырья и его переработку, изготовление оборудования, утилизацию морально или физически устаревшего оборудования. Ясно, что новая подотрасль станет дополнительным источником загрязнения среды. Получается, что использование нового, пусть даже почти чистого энергоносителя влечет за собой шлейф заведомо нечистых технологий. 

Электроэнергия на автомобильном транспорте

      С электромобилями связан один чрезвычайно живучий миф: «Переход автомобильного транспорта на электрическую тягу обеспечит чистоту атмосферы». В действительности если значительную часть автомобилей с двигателями внутреннего сгорания заменить на электромобили с аккумуляторами (а это единственный на сегодня реальный вариант автомобильных источников энергии), произойдет экологическая катастрофа. При массовой эксплуатации таких электромобилей выбросы двигателей будут заменены слегка уменьшенными выбросами на электростанциях: ведь аккумуляторы надо постоянно заряжать, значит, надо пропорционально увеличить мощность электростанций, т.е. имеет место перенос экологических проблем из одного региона в другой.

      Но главное – аккумуляторы.  Кислотные свинцовые или щелочные никель-кадмиевые источники тока – а нам понадобится  производить дополнительно сотни миллионов аккумуляторов – потребуют резко увеличить производство этих токсичных металлов. Придется налаживать и систему утилизации. Учитывая, что каждый двадцатый российский шофер (это в лучшем случае) будет выбрасывать старые аккумуляторы в придорожную канаву, нетрудно представить и даже довольно точно оценить масштабы экологического бедствия, которое обрушится на наши головы. Следовательно, в качестве источника электроэнергии  нужны какие-то другие, не производимые сегодня, автомобильные источники тока, например топливные элементы или фотопреобразователи. Но здесь вступает в силу правило шлейфа.

Заключение

      Подводя итог проведенному в статье анализу, необходимо сделать несколько важных выводов.

1.  Современная промышленная цивилизация неминуемо влечет за собой загрязнение среды обитания. Обеспечение растущего населения Земли энергией потребует увеличение ее производства в течение трех-четырех ближайших десятилетий примерно вдвое. С учетом невозможности создания полностью безотходной промышленности, интенсивного сельского хозяйства, энергетики, транспорта, быта, следует решать проблему минимизации загрязнений, понимая, что создать «чистую» цивилизацию в обозримый период времени не удастся.

2.  Для реализации полностью безотходной цивилизации необходимо связать воедино все производственные процессы на Земле, замкнуть их в одну гигантскую материально-энергетическую систему. Решение этой задачи принципиально возможно, но оно окажется под силу только нашим далеким потомкам.

3.  Широкое использование возобновляемых источников энергии в будущем неизбежно, экологическая опасность каждого из них индивидуальна, необходима постановка научных исследований, направленных на изучение влияния нетрадиционных энергоносителей на среду обитания.

4.  Наиболее вероятно, что основным энергоносителем следующего столетия станет природный газ, наступит так называемая газовая пауза, которая может продлиться очень долго, если учесть, что запасы метана в виде газовых гидратов как минимум в 10 раз превышают запасы всех вместе взятых горючих ископаемых на нашей планете. За период газовой паузы будет создан глобальный энергетический комплекс, отвечающий требованиям экологии и экономики,  включающий возобновляемые энергоресурсы и управляемый термоядерный синтез.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Лисичкин Г.В. Химия и жизнь, 1999, №2, с.22.

2.  Новая энергетическая политика России. М., Энергоатомиздат, 1995, 512 с.

3.  Дядин Ю.А., Гущин А.Л. Соросовский образовательный журнал. 1998, №3, с.55.

4.  Путвинский С.В. Усп.физ.наук. 1998, т.168, №11, с.1235.