В А Маляренко - Енергетика і навколишнє середовище - страница 1

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31 

НАУКОВО-ТЕХНІЧНА ОСВІТА:

ЕНЕРГЕТИКА, ДОВКІЛЛЯ, ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ

 

 

 

В.А. Маляренко

 

 

енергетика і навколишнє середовище

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Харків

Видавництво САГА 2008ББК 31.38 М 21 УДК 621.311:502.5

 

 

 

 

Рецензенти: А.Л. Шубенко, д-р техн.наук, проф., зав. відділом оптимізації турбомашин Інституту проблем машинобудування НАН України ім А.М. Підгорного В.У. Кизилов, проф., зав. кафедрою електричних станцій Національного технічного університету "ХПІ"

 

Рекомендовано до друку: Вченою радою Харківської Національної академії міського господарства (Протокол № 5 від 06.02.2004 р.); Президією Академії Наук вищої школи України (Протокол № 3 від 19.03.2004 р.)ISBN 978-966-2918-47-2


© Маляренко В.А., 2008 © "Видавництво САГА", макет, серійне оформлення, 2008вступ

 

 

 

 

... У наш час термін "Екологія" породив "екологізацію" сучасних наукових дисциплін і становить невід'ємну частину нашого життя.

В. Корміліцин

 

 

 

 

 

 

 

На сучасному етапі розвитку людства про­блема взаємодії енергетики і довкілля на­буває нових ознак, впливаючи на величезні території, більшість річок і озер, на атмосфе­ру й гідросферу Землі. Ще більші масштаби розвитку енергопостачання й енергоспожи­вання в недалекому майбутньому зумовлю­ють подальше інтенсивне зростання їхніх різноманітних дій на всі компоненти при­родного довкілля в глобальному масштабі.

"Теплове забруднення" планети, "пар­никовий ефект", "кисневе голодування", кислотні дощі, виснаження озонового шару, масштабні забруднення токсичними хіміч­ними речовинами і радіонуклідами, швидке скорочення біологічної різноманітності -ось не повний перелік бід, якими людство розплачується за цивілізаційний комфорт. В основі цього комфорту й усіх пов'язаних з ним неґативних наслідків лежить, насам­перед, виробництво та використання енергії,перетворення її з однієї форми в іншу, реалізовуване об'єктами паливно-енергетичного комплексу.

З розвитком атомної енергетики виникли принципово нові сторони проблеми взаємодії енергетики з довкіллям. Кінець ХХ століття ознаменувався екологічною катастрофою пла­нетарного масштабу аварією на Чорнобильській АЕС, яка вкотре змусила людство замислитися: "Куди веде світ гонитва за Енергією? Де межа збільшення виробництва первинних енер­гоносіїв і постійного нарощування енергетичних потужностей, їхнього впливу на довкілля?"

Проте, останнім часом ця взаємодія набула загрозливого характеру. Науково-технічна революція уможливила великі від­криття у біології, хімії, фізиці й багатьох інших науках, значно розширила можливості інтенсивного використання природних ресурсів. Водночас вона ускладнила взаємодію Людини з до­вкіллям, вносячи помітні й непередбачувані зміни в екологічні системи, в реґуляцію біосфери загалом.

Останніми роками вчені світу з великим занепокоєнням говорять про підвищення концентрації СО2 в атмосфері, нас­лідком чого є "парниковий ефект" підвищення температури Землі. Якщо ці побоювання підтвердяться, людству вже незаба­ром доведеться різко обмежити споживання вуглецевмісних па­лив . Окрім викидів СО2, паливоспалювальні і теплоенергетичні

установки виробляють викиди теплові (нагрітої води і газів), хімічні (оксиди сірки й азоту), золу і сажу, які зі збільшенням масштабу виробництва також створюють серйозні проблеми. Усунути або хоча б звести до мінімуму ці викиди можна тільки на підставі глибокого розуміння процесів перетворення енергії на всіх етапах, починаючи з видобутку первинних енергоре­сурсів і завершуючи використанням енергії споживачем в її кінцевому вигляді. Фактично екологія поставила людство перед необхідністю перейти до "безвідходного" енерговиробництва.

Іншою важливою стороною проблеми щодо взаємодії енергетики і довкілля за нових умов є визначальна роль умов природного середовища в розв'язанні практичних завдань енер­гопостачання (вибір типу енергетичних установок і дислокації підприємств, вибір одиничних потужностей енергетичногоустаткування й енергоресурсів, облік їхнього впливу на довкіл­ля, застосування енергозберігаючих технологій і заходів та ін.).

Таким чином, ситуація, що склалася на межі тисячоліть, може розглядатися як гранично конфліктна з природним довкіллям. Тому екологічні аспекти енергетики й енергетичні аспекти еко­логії, принципи взаємозалежності й гармонії людини і природи, мають ураховуватися на всіх етапах науково-технічного проґре-су. Звідси й прямий зв'язок екології з господарською діяльністю людини, особливо з такими масштабними виробництвами, як енергетика, паливно-ресурсовидобувні комплекси, транспорт, сільське господарство тощо. Проблема взаємодії енергетики і довкілля є досить різноманітна, перебуває в аванґарді науково-технічної думки і потребує надзвичайної уваги.

Вивчення взаємодії процесу суспільного виробництва з до­вкіллям спричинило розвиток на стику технічних, природних і соціальних наук нового наукового напрямку, який називають ін­женерною екологією. Важливою особливістю інженерно-еколо­гічних досліджень є їх прикладний характер. Екологія тут постає теоретичною базою, що встановлює обмеження на параметри виробництва, а інженерні дисципліни — базою реалізації техніч­них рішень з певного виробництва для здійснення екологічних обмежень.

У виданні вміщено інформацію про роль енергетики в житті людства, про перспективи розвитку паливно-енергетичного комплексу, про традиційні й альтернативні джерела енергії. Розглянуто стан, напрямки та перспективи розвитку базових аспектів взаємодії об'єктів енергетики і технології виробництва енергії з урахуванням їхньої взаємодії з довкіллям, а також голо­вні шляхи поменшення можливих неґативних наслідків, зокрема таких, як енергозбереження, енергетичний аудит і менеджмент.

Пропонований матеріал, котрий у стислому і доповне­ному вигляді продовжує попередні роботи авторів у напрямі «Енергетика і екологія» [6-8, 13, 30-37, 42, 45, 63], узагальнений і систематизований з урахуванням вітчизняного й зарубіжного досвіду викладання енерго-екологічних дисциплін, а також загальних тенденцій розвитку енергетики на сучасному етапі в Україні, Росії і країнах Західної Європи.Враховуючи важливість вивчення розглядаємої теми у про­цесі підготовки інженерів — випускників вищої школи будь-якого профілю (енергетичного, теплотехнічного, будівельного, екологічного, економічного, комунального господарства та ін.), автори усвідомлюють широчінь цієї проблеми і з вдячністью сприймуть усі зауваження та побажання, спрямовані на поліп­шення змісту цієї книги, які просять надсилати на адресу: 61002, м. Харків, вул. Революції, 12. ХНАМГ. проф. В. А. Маляренку.II

 

 

 

ЕНЕРГЕТИКА

І МАЙБУТНЄ ЗЕМЛОсновні поняття і визначення и

Енергія і життя и

Енергетика і цивілізація и

Енергіяголовна проблема сучасності


...Ми, розумні істоти, не маємо права забувати, що наша цивілізація лише одне з дивних явищ природи, залежних від постійного припливу концентрованої енергії сонячного випромінювання.

 

Ю. Одум

 

1.1. Основні поняття і визначення

 

1.1.1. Енергія та енергетика

 

Енергія [< гр. energia діяльність] загальна міра різних видів руху і взаємодії. Нині відомі різні ґатунки енергії: теплової руху мікрочастинок, що становлять робоче тіло; кінетичної енергії самого тіла як одного цілого (механічна енергія); ґравітаційного, електрич­ного й магнітного полів; електромагнітного випромінювання; внутрішньоядерної тощо. Деякі види енергії можуть перетворюватися на інші в чітко визначених кількісних спів­відношеннях, які встановлює загальний закон збереження і перетворення енергії.

Енергетика галузь народного господар­ства, що охоплює виробництво, перетворенняі застосування різних форм енергії. В енергетиці використову­ють здебільшого п'ять видів установок:

      генерувальні такі, що перетворюють потенційну енергію при­родних енергетичних ресурсів у електричну, теплову, механічну або в інший різновид енергетичного ресурсу (наприклад, турбо­установки, газогенерувальні установки, котли, компресори);

      перетворювальні такі, що змінюють параметри й інші осо­бливості певного виду енергії (трансформаторні підстанції, випрямні й інвенторні електроустановки, трансформатори тепла тощо.);

      мережі призначені для передачі й розподілу енергії (елек­тричні, теплові, газові, нафтопроводи, мережі стиснутого повітря тощо);

      акумулювальні призначені для часткового реґулювання ре­жиму виробництва енергії (електричні й теплові акумулято­ри, насосно-акумулюючі гідростанції та ін.);

      споживаючі такі, що слугують для перетворення енергії у вид, в якому її безпосередньо використовують (електричний привод машин, опалювальні установки, промислові печі, світильники тощо).

З погляду фізики процес виробництва будь-якої форми енергії полягає в перетворенні однієї її форми в іншу. Тому, за змістом фізичних процесів, що відбуваються у всіх установках, машинах, апаратах і пристроях енергетичного господарства, енергетика може бути названа також і наукою про перетворення, транспортування й використання енергії.

Основними формами, в яких наразі застосовують енергію, залишаються теплота й електрика. Галузі енергетики, що ви­вчають їх одержання, перетворення, транспортування та вико­ристання називаються, відповідно, теплоенергетикою і електро­енергетикою.

Галузь енергетики, яка вивчає перетворення водної енергії в електричну, називається гідроенергетикою.

Відкриття шляхів використання енергії атомного ядра ство­рило нову галузь енергетики атомну або ядерну енергетику.

Питаннями використання енергії мас повітря, що переміща­ються, займається вітроенергетика.Кожен з розділів енергетики як науки має свою теоретичну основу, що базується на законах фізичних явищ у певній сфері.

Розуміння єдності й еквівалентності різних форм енергії скла­лося до середини XIX ст., коли був накопичений достатньо вели­кий досвід перетворювання одних форм енергії в інші: винайдена парова машина, що перетворює тепло в механічну енергію; від­криті перші джерела електричної енергії — гальванічні елементи, в яких здійснювалося безпосереднє перетворення хімічної енергії в електричну; шляхом електролізу багато разів здійснене зворотне перетворення — електричної енергії на хімічну; створений елек­тричний двигун, у якому електрична енергія перетворювалась на механічну; відкрите явище безпосереднього перетворення елек­тричної енергії в тепло. І, нарешті, у 1831 р. був відкритий спосіб перетворювання механічної енергії в електричну. Природним узагальненням величезного обсягу накопичених даних щодо обернення одних форм енергії в інші став закон збереження і пере­творення енергії один з фундаментальних законів фізики.

Потреба в перетвореннях енергії пов'язана з неодмінною наявністю різних її форм для сучасних технологічних процесів. Причому перетворення енергії не вичерпуються тільки пере­творенням одних її форм на інші. Теплову енергію застосовують за різних значень параметрів теплоносія (пари, газу, води), електричну у формі змінного або постійного струму і за різних рівнів напруги.

Перетворення енергії відбувається в різних машинах, апара­тах і пристроях, що навзагал є технічною основою енергетики. Так, у котельних установках хімічна енергія палива перетворю­ється на теплову; у паровій турбіні це тепло, носієм якого є во­дяна пара, обертається в механічну енергію, яка в електричному генераторі, своєю чергою, перетворюється в енергію електрич­ну; на гідроелектростанціях у гідротурбінах й електрогенера­торах енергія водних потоків перетворюється на електричну; у електричних двигунах електрична енергія обертається в меха­нічну тощо.

Способи створення та експлуатації різних установок, машин, апаратів і пристроїв, призначених для одержання, перетворення, транспортування і застосування різних форменергії, базуються на використанні відповідних розділів тео­ретичних основ енергетики: теплотехніки, електротехніки, гідротехніки, вітротехніки та ін.

 

 

1.1.2. Екологія і довкілля

 

Термін "екологія", вперше використаний у 1966 р. біологом Э. Геккелем, походить від грецьких слів "оіс-os" будинок, сім'я і "logos" слово, поняття, навчання.

Екологія — наука, що вивчає взаємини живих організмів, котрі створюють певну єдність (системи) з довкіллям, у межах якої від­бувається процес трансформації енергії й органічної речовини. Основне завдання екології — вивчення взаємодії енергії та матерії в екосистемі, під якою загалом мають на увазі відкриту стійку ці­лісну систему живих і неживих компонентів, що історично скла­лася на тій чи тій території (акваторії) біосфери. Екосистеми є від­критими системами, тобто мають довкілля і на вході, і на виході.

Концепція екосистеми перебуває в центрі уваги сучасної екології. Односторонній потік енергії й циркуляція хімічних елементів — два фундаментальні закони загальної екології, од­наковою мірою застосовні до будь-якого довкілля і до будь-яко­го організму, включно з людиною. Окремі особини, популяції, види, групи в їхній взаємодії між собою і з довкіллям також є об'єктами екологічного дослідження.

Таким чином, екологія — одна з провідних навчальних і науково-технічних дисциплін на сучасному рівні розвитку людства, і її роль у майбутньому зросте ще більше. Економічні проблеми щільно пов'язані не тільки з питаннями технологічної діяльності людини (особливо з технологією енергетики) і техно­генного навантаження на довкілля, а й з економікою, політи­кою, мораллю, правом, естетикою та освітою.

Колись давно Земля вже зазнавала глобальних катаклізмів, пов'язаних із критичними змінами, що відбувалися у природі. Наприклад, одна з гіпотез про причини виникнення льодовико­вого періоду на Землі базується на ідеї зіткнення нашої планети з величезною кометою. Згідно з іншою гіпотезою, причиною"всесвітнього потопу" було різке потеплення клімату на Землі, пов'язане з бурхливим розвитком рослинного і тваринного світу. Тому не дивно, що ще в далекому минулому вчені досліджували взаємодію біологічних систем з довкіллям. Відомий трактат засновника медичної науки Гіппократа «Про повітря, воду і землю» чи не перше дослідження екологічних проблем.

Вплив людини на довкілля в сучасну епоху за багатьма ком­понентами наближається до валового природного впливу, проте з погляду концентрації неґативних чинників на порядки пере­вищує дію природних ефектів. Усе це зумовило зрослий інтерес людства до вивчення джерел неґативного впливу на довкілля і створення методів повного або часткового його усунення.

У зв'язку з бурхливим зростанням потреб практики, осо­бливо пов'язаних з розв'язанням продовольчих і енергетичних проблем, проблем раціонального використання природних ре­сурсів й охорони довкілля, обумовлених науково-технічною ре­волюцією, виникли такі нові терміни і поняття, як "прикладна", "глобальна", "соціальна", "інженерна" екологія та ін.

Екологія прикладна — розділ екології, результати дослідження якого спрямовані на розв'язання практичних проблем охорони довкілля, насамперед таких, як: захист від забруднень; управ­ління довкіллям, раціональним використанням природних ресурсів, кругообігом води й повітря в природі, стабільністю і можливим навантаженням екосистем.

Поняття "Прикладна екологія" досить часто використову­ють як синонім охорони довкілля. Тому важливим складником прикладної екології є інженерна екологія енергетики, що вивчає екологічні аспекти енергетики й енергетичні аспекти екології, які перебувають у найщільнішому взаємозв'язку.

Довкілля сукупність природних і штучних, створюваних людиною матеріальних об'єктів і явищ, а також соціально-екологічних феноменів. До природних компонентів довкілля належить географічне положення, будова поверхні та клімат місцевості, мінеральні, енергетичні й водні ресурси, ґрунт, пові­тря, флора і фауна з урахуванням властивих їм процесів і явищ.

Створені людиною фізичні компоненти довкілля включають машини і знаряддя, житлові й виробничі приміщення, синте-тичні матеріали і продукти, що не мають аналогів у природньо-му середовищі, засоби комунікацій, забруднення різних типів.

Забруднення привнесення в довкілля, а також виникнення в ньому нових, зазвичай не характерних для цього природного середовища фізичних, хімічних або біологічних речовин, що завдають шкоди людині, флорі й фауні.

Основні джерела забруднень — різні об'єкти виробничої і по­бутової діяльності людини. До основних об'єктів, що піддаються забрудненню, належить вода, повітря і ґрунт.

Звичайно забруднення води пов'язані з реґулярним ски­данням у вододжерела стічних вод, з поверхневим і дренажним стоком з сільськогосподарських угідь, із розробкою корисних копалин, з експлуатацією енергетичних, хімічних, машинобу­дівних та інших підприємств.

Забруднення повітря є наслідком викидів в атмосферу чужо­рідних крапель, пари, газів, частинок, підвищення концентра­ції деяких звичних компонентів (вуглекислого газу, твердих частинок), що обумовлене роботою підприємств, спалюванням палива в різних енергетичних системах, господарсько-побуто­вою діяльністю населення тощо. Основні інґредієнти забруд­нень — суспендовані частинки, оксиди вуглецю, азоту, сірки, фотохімічні окислювачі.

Забруднення ґрунту має антропогенне походжен­ня — залучення людиною різних забруднювачів (накопичення пестицидів, незасвоєних добрив, відходів тваринництва, бджільництва, промисловості, енергетики, забруднення нафто­продуктами та ін.). Як правило, рослини і тварини вбирають у себе ґрунтові забруднювачі, включають їх у харчові ланцюги, і таким шляхом вони (забруднювачі) дістаються до людини.

 

 

1.1.3. Довкілля

і кругообіг речовин у природі

 

З огляду на вищезавважене, надалі під довкіл­лям розумітимемо комплекс зовнішніх природних умов діяль­ності людського суспільства. Їхні головні компоненти (повітря,вода, земля, флора, фауна, гідросфера, атмосфера, літосфера, продуценти, консументи, редуценти) охоплює загальне понят­тя — біосфера.

Біосфера простір, що є місцем мешкання всіх живих організмів планети. Вона займає частину літосфери, атмос­фери і гідросферу. Розповсюдження життя в біосфері є досить нерівномірним. Переважно воно концентрується на межі трьох середовищ. Саме в біосфері, завдяки живим організмам перетворюється сонячна енергія, відбуваються біогеохімічні перетворення речовин. У ній переважають речовини біогенного походження. Верхня частина біосфери обмежена озоновим екраном, що затримує велику частину згубного для живих істот ультрафіолетового проміння, а нижня — тепловим бар'єром. Загальна потужність біосфери може сягати 40 км. Від усіх інших геосфер біосфера відрізняється найенергійнішими хімічними перетвореннями. Її головні характеристики — наявність води в рідкому стані та проникнення сонячної радіації, що є єдиним джерелом енергії планети Земля.

Біосфера весь час перебуває в динаміці, тобто в ній триває безперервний кругообіг речовин. Щонайперше це стосується атмосфери, головною складовою частиною якої є тропосфера (11 км). У тропосфері, де зосереджено 2/3 всього повітря, ви­никають процеси, які приводять до глобальних переміщень величезних повітряних мас.

Основним джерелом енергії в примітивній атмосфері Землі, як і нині, завжди було Сонце. Проте світло проходило крізь атмосферу іншого складу, хоча спектральний склад випромі­нювання був той самий. Велика частина високоенергетичного випромінювання досягала земної поверхні, оскільки в атмос­фері відсутній кисень. Отже, не було й озонового екрану. Саме він поглинає тепер майже все короткохвильове ультрафіолетове (УФ) випромінювання.

Таким чином, великі кількості активної фотохімічної енергії були доступні для взаємодії з речовиною. Крім того, для первісної земної поверхні була характерна висока вулканічна активність, могутні вулканічні розряди і сильні зливи. Все це створювало найрізноманітніші умови для перебігу хімічних реакцій.Перші цикли, можливо, мали таку структуру:

 

H2 + CO2 + N2 + H2 O       утворення    > органічні
2222             розпад сполуки

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31 


Похожие статьи

В А Маляренко - Возобновляемые источники энергии в стратегии обеспечения комфортной среды обитания

В А Маляренко - Тепловые режимы зданий основа эффективного управления системой теплоснабжения

В А Маляренко - Концептуальные положения развития муниципальной энергетики украины

В А Маляренко - Введение в инженерную экологию энергетики

В А Маляренко - Енергетика і навколишнє середовище