План лекции
1 Использование невозобновляемых энергетических ресурсов
2 Рациональное использование невозобновляемых энергетических при-родных ресурсов (на примере угольных ресурсоC)
1 Использование невозобновляемых энергетических ресурсов
Основными факторами, определяющими степень использования любого источника энергии, являются его оценочные запасы, чистый выход полезной энергии, стоимость, потенциальные опасные воздействия на окружающую среду, а также социальные последствия и влияние на безопасность государства.
Уголь
Почти 90 % мировых потенциальных запасов органических энергоносителей составляют твердые горючие (угли, сланцы, торф битумы), среди которых преобладает каменный уголь. Получаемый путем химической переработкой угля – кокс является важным сырьем для черной и цветной металлургии, жидкие продукты переработки угля (смолы) - источник различных коксохимических продуктов.
Уголь – самый распространенный в мире вид ископаемого топлива. Он обладает высоким значением чистого выхода полезной энергии при производстве электричества и выработке высокотемпературного тепла для производственных процессов, и относительно дешев. Но уголь чрезвычайно грязен, его добыча опасна и наносит вред окружающей среде, так же как и сжигание, если отсутствуют дорогостоящие специальные устройства контроля за уровнем загрязнения воздуха; выделяет больше углекислого газа на единицу полученной энергии, чем другие ископаемые виды топлива, и неудобно его использовать для движения транспорта и отопления домов, если предварительно не перевести его в газообразную или жидкую форму. Недостатком является значительное нарушение почвенного покрова при добыче.
|
|
Нефть и газ
Сегодня особенно велика роль нефти и газа, это не только источники энергии, но и ценнейшее химическое сырье. Нефть и газ определяют как технический потенциал, так и социально-экономическое положение государства и его политику.
Каждый источник энергии обладает преимуществами и недостатками.
Обычную сырую нефть можно легко транспортировать, она является относительно дешевым и имеющим широкое применение видом топлива, обладает высоким значением чистого выхода полезной энергии. Однако доступные запасы нефти могут быть исчерпаны через 40-80 лет, при сжигании нефти в атмосферу выделяется большое количество углекислого газа, что может привести к глобальному изменению климата планеты.
Нетрадиционная тяжелая нефть, остаток обычной нефти, а также добываемая из нефтеносных сланцев и песка, может увеличить запасы нефти. Но она является дорогостоящей, обладает низким значением чистого выхода полезной энергии, требует для переработки большого количества воды и оказывает более вредное воздействие на окружающую среду, чем обычная нефть.
Обычный природный газ дает больше тепла и сгорает более полно, чем другие ископаемые виды топлива, является многосторонним и относительно дешевым видом топлива и обладает высоким значением чистого выхода полезной энергии. Но его запасы могут быть исчерпаны через 40-100 лет, и при его сжигании образуется углекислый газ.
Ядерное топливо
Использование нового источника энергии – ядерного топлива – на атомных электростанциях, станциях теплоснабжения и теплоэлектроцентралях в ближайшие десятилетия позволит существенно сократить потребление органического топлива, и в первую очередь нефти.
|
|
Специфика этой отрасли промышленности, обусловлена особенностями использования ядерного топлива в энергетике.
Благодаря чрезвычайно высокой калорийности ядерного топлива, основной экономический эффект при замещении им органического топлива получается за счет сокращения затрат в сфере добычи и транспортирования органического топлива и, в меньшей мере, непосредственно на АЭС. Это значит, что экономичность атомной энергетики должна определяться при рассмотрении ее как составной части всего топливно-энергетического комплекса страны, т.е. на межотраслевой основе, а не путем сравнения экономики отдельных АЭС и ТЭС (теплоэлектростанций). Отсюда следует необходимость совместного рассмотрения вопросов экономики АЭС и ядерного топлива, равно как и ТЭС с системой их топливообеспечения.
Важнейшим показателем атомной энергетики как отрасли является ее более высокий, по сравнению с традиционным топливно-энергетическим комплексом, уровень производительности и технической оснащенности.
Атомная энергетика, включающая АЭС, АТЭЦ, а также предприятия топливного цикла, должна рассматриваться как составная часть топливно-энергетического комплекса страны, всей системы ее энергообеспечения.
Развитие и строительство атомных станций потребует тщательного технико-экономического обоснования, а также проработку экологических и социальных последствий от реализации проекта.
|
|
Атомная энергетика еще молода. Наблюдается процесс интенсивного накопления опыта проектирования, сооружения и эксплуатации АЭС, поскольку увеличиваются масштабы их строительства во многих странах. Этому способствует прогресс технологии добычи и переработки ядерного топлива, успешное решение сложных проблем удаления, обезвреживания и захоронения радиоактивных отходов и т.д.
Особенности ядерного топлива
Использование ядерного топлива в реакторах для производства тепловой энергии имеет ряд важнейших особенностей, обусловленных физическими свойствами и ядерным характером протекающих процессов. Эти особенности определяют специфику атомной энергетики, характер ее техники и технологии особые условия эксплуатации, экономические показатели и влияние на окружающую среду. Они обусловливают также главные научно-технические и инженерные проблемы, которые должны быть решены при широком развитии надежной, экономичной и безопасной атомной энергетики:
1. Сравнительно высокая теплотворная способность, т.е. тепловыделение, отнесенное к единице массы разделившихся нуклидов;
2. Невозможность полного «сжигания» (деления) всех распадающихся нуклидов за одноразовое пребывание топлива в реакторе, так как в активной зоне реактора необходимо всегда иметь критическую массу топлива и можно «сжечь» только ту часть, которая превышает критическую массу и создает надкритичность;
Возможность иметь частичное, а при определенных условиях полное и даже расширенное воспроизводство (конверсию) делящихся нуклидов, т.е. получение вторичного ядерного топлива из воспроизводящих ядерных материалов;
«Сжигание» ядерного топлива в реакторе не требует окислителя и не сопровождается непрерывным сбросом в окружающую среду продуктов «сгорания».
Процесс деления одновременно сопровождается накоплением радиоактивных короткоживущих и долгоживущих продуктов деления, а также продуктов их распада, длительное время сохраняющих высокий уровень радиоактивности. Таким образом, облученное в реакторе и отработавшее в нем топливо обладает чрезвычайно высокой радиоактивностью и вследствие этого остаточным тепловыделением, создающим особые трудности в обращении с облученным ядерным топливом.
Цепная реакция деления ядерного топлива сопровождается выходом огромных потоков нейтронов. Под воздействием нейтронов высоких энергий в облучаемых конструкционных материалах реактора в теплоносителе и материалах биологической защиты, в газовой атмосфере, заполняющей пространство между реактором и его биологической защитой, многие химически стабильные (нерадиоактивные) элементы превращаются в радиоактивные. Возникает так называемая наведенная радиоактивность, усложняющая эксплуатацию, требующая применения дорогостоящих защитных устройств и средств дистанционного обслуживания. Радиационное воздействие быстрых нейтронов вызывает в конструкционных материалах реактора, и прежде всего его активной зоны, существенные радиационные повреждения (распухание, повышенную ползучесть и др.).
Использование ядерного топлива в энергетике связано с определенными опасностями, которые недопустимо игнорировать или недооценивать, тем более что средства и пути надежного обеспечения безопасности известны и проверены на практике. Накопление радиоактивных продуктов деления, чрезвычайно высокая их радиоактивность и связанное с этим весьма долговременное остаточное тепловыделение в активной зоне реактора после его остановки вместе с высокой наведенной радиоактивностью материалов и теплоносителя - все это предъявляет особые требования к проектированию сооружения и эксплуатации АЭС, ее основного оборудования, а также систем контроля, управления и защиты, систем гарантированного обеспечения ядерной и радиационной безопасности.
2 Рациональное использование невозобновляемых энергетических природных ресурсов(на примере угольных ресурсоC)
Одной из важных проблем, стоящих перед современной цивилизацией, является истощение запасов полезных ископаемых, в первую очередь источников энергии.
К решению этой проблемы в настоящее время наряду с различными разработками привлечены и биотехнологические разработки.
Приложения биотехнологии к добыче, обогащению и переработке полезных ископаемых относятся к области биогеотехнологии.
Большую роль в этих процессах играют микроорганизмы, способные жить в недрах Земли и осуществлять там химические превращения.
Рациональное использование угольных ресурсов
1. Обессеривание углей. Бурые и каменные угли нередко содержат значительные количества серы, общее содержание которой может достигать 10—12 %.
Это снижает их качество: такие угли плохо коксуются и поэтому не могут быть использованы в цветной металлургии.
Кроме того, при сжигании углей содержащаяся в них сера превращается в сернистый газ, который поступает в атмосферу, где из него образуется серная кислота, которая выпадает на поверхность земли в виде сернокислотных дождей, нанося ущерб окружающей среде. По имеющимся данным, в некоторых странах Западной Европы в год на 1 га земли с дождями выпадает до 300 кг серной кислоты. Нетрудно себе представить, какой ущерб наносят кислотные дожди здоровью человека, его хозяйственной деятельности и окружающей природе.
Биогеотехнология обессеривания углей основана на способности тионовых бактерий окислять серосодержащие соединения углей.
Микробное удаление серы из углей, по мнению специалистов, является экономически выгодным, и с ним связывают надежды на решение проблемы сернокислотных дождей.
Первые опыты по направленному удалению серы из угля с использованием микроорганизмов были выполнены в 1959 г. в нашей стране 3. М. Зарубиной, Н. Н. Ляликовой и др. С участием бактерий Th. ferrooxidans из угля было удалено 23—30 % серы. Позднее несколько работ по микробиологическому обессериванию угля было опубликовано американскими исследователями. Им удалось с помощью тионовых бактерий снизить содержание пиритной серы в каменном угле за четверо суток почти на 50 %.
Этот метод будет сопровождаться попутным выщелачиванием различных металлов. Известно, что в заметных количествах в углях содержится германий, никель, бериллий, ванадий, золото, медь, кадмий, свинец, цинк, марганец.
Попутное получение ценных металлов при десульфуризации угля должно дать дополнительный экономический эффект.
Работы по удалению пиритной серы из угля микробиологическим путем проводятся сейчас во многих странах мира. По последним сообщениям в лабораторных условиях удается снизить содержание серы в угле путем микробиологического выщелачивания за 5 суток почти на 100 %.
Микробиологический способ десульфуризации углей рассматривается как весьма перспективный.
2. Борьба с метаном в угольных шахтах. В пластах каменного угля содержится огромное количество метана, достигающее сотни кубометров в 1 т угля. При этом, чем глубже залегает уголь в недрах земли, тем больше метана он содержит. При подземной добыче угля метан из разрабатываемых угольных пластов и образующихся при этом выработанных пространств поступает в атмосферу шахт. Скопления этого взрывоопасного газа в горных выработках создают постоянную угрозу для жизни шахтеров. Известны случаи крупных взрывов метана в угольных шахтах мира, унесшие сотни человеческих жизней.
Традиционные средства борьбы с метаном в угольных шахтах (вентиляция, вакуумная дегазация, увлажнение пластов водой) в условиях постоянной интенсификации горных работ и перехода на все более глубокие угленосные горизонты часто уже не могут обеспечить одновременно высокий уровень угледобычи и безопасные условия труда.
В основе биогеотехнологических способов борьбы с метаном лежит процесс поглощения этого газа метанокисляющими бактериями в угольных пластах и выработанных пространствах. Этот процесс представляет собой единственную возможность разрушения молекулы метана при температурах разрабатываемых угленосных толщ.
Идея об использовании метанокисляющих бактерий для борьбы с метаном в угольных шахтах принадлежит советским ученым. В 1939 г. А. 3. Юровский, Г. П. Капилаш и Б. В. Мангуби предложили применять эти бактерии для снижения выделения метана из выработанных пространств. Несмотря на широкое распространение метанокисляющих бактерий в природе, в угольных пластах и прилегающих породах они отсутствуют. Поэтому необходимое количество активных метанокисляющих бактерий выращивают в ферментерах и в виде суспензии в питательной среде подают в поровый объем угольных пластов и выработанные пространства. Рабочая суспензия приготовляется непосредственно в шахте. В рудничную воду добавляют заданное количество биомассы метанокисляющих бактерий и недостающие для. их активной жизнедеятельности минеральные соли. Обычно это минеральные соединения азота и фосфора. В угольный пласт рабочая суспензия нагнетается насосами через скважины, пробуренные по углю пластов или из подземных выработок, или с поверхности земли: 1 т угля может принять 20—40 л рабочей суспензии. В угле микроорганизмы распределяются по трещинам и порам.
Таким путем осуществляется насыщение угля метаноокисляющими бактериями. Но для развития этих бактерий необходим свободный кислород, которого нет в угольных пластах. Поэтому в насыщенный метанокисляющими бактериями участок угольного пласта через те же скважины компрессором постоянно прокачивается воздух. В таких условиях бактерии потребляют содержащийся в угле метан, и за счет этого происходит уменьшение исходной газоносности угольного пласта.
Микробиологические способы борьбы с метаном были неоднократно испытаны в угольных шахтах. Поступление метана, как из угольных пластов, так и из выработанных пространств в ходе этих испытаний было снижено в среднем в 2 раза. При прочих равных условиях это позволяет повышать добычу угля примерно в 1,5 раза.
Таким образом, данный биогетехнологический способ способствует рациональному использованию минеральных ресурсов и безопасности труда шахтеров-угольщиков.
Контрольное задание для СРМ
1. Влияние качественных характеристик угольного топлива на работу ТЭС
2. Проблемы и основные направления энергоресурсосбереждения
Список литературы:
1. Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии.- М.: Энергоатомиздат, 1990. – 389 с.
2. Праховник А.В., Розен В.П. Энергетический менеджмент: Учебное пособие. Киев: Нот.ф-ка, 1999.
3. Праховник А.В., Розен В.П. и др. Энергосберегающие режимы электроснабжения горнодобывающих предприятий. – М.: Недра, 1985.
4. Закон РК об энергосбережении