Энергетика и борьба с изменением климата.

Введение

Актуальность темы исследования. Одной из глобальных проблем современности является глобальное потепление. Эта проблема актуальна не в какой-то конкретной стране, а во всем мире. Планета – это дом, в котором мы живем. Ни на одной другой планете в нашей галактике нет подходящих условий для нашего существования. Они формировались на протяжении многих миллионов лет, и первые бактерии жили на планете без кислорода, наполненной ядовитыми испарениями.В настоящее время хорошо известно, что на Земле постоянно происходят как естественные, так и антропогенные изменения климата. Естественные изменения климата являются результатом действия «глобальной климатической системы», состоящей из трех элементов: «оледенение — океан — атмосфера». Эта система работает как сложный механизм. Нарушение в одной ее части вызывает ответные изменения в других частях. Для объяснения работы «глобальной климатической системы» было выдвинуто множество геологических, палеогеографических, астрономических теорий, пытавшихся объяснить причины изменения климата на Земле.Изменение климата в значительной степени связано с высоким потреблением тепла зданиями, которые сегодня потребляют почти половину всей вырабатываемой энергии. В связи с этим одной из основных задач ближайшего будущего является поиск путей повышения эффективности использования энергии, которая является важной частью всех экономических систем.Цель данной работы – рассмотреть энергетику и борьбу с изменением климата.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:- изучить экологические проблемы современной энергетики;- рассмотреть влияние энергетики на изменение климата;- охарактеризовать глобальное изменение климата;- рассмотреть энергосбережение как решение проблемы изменения климата.1. Энергетика и изменение климата1.1. Экологические проблемы современной энергетикиЭлектроэнергетика – отрасль, занимающаяся производством электроэнергии на электростанциях и передачей ее потребителям, а также является одной из базовых отраслей тяжелой промышленности.Энергия является основой развития производительных сил в любом государстве. Энергетика обеспечивает бесперебойную работу промышленности, сельского хозяйства, транспорта и ЖКХ. Стабильное развитие экономики невозможно без постоянно развивающейся энергетики.История российской электроэнергетики восходит к 1891 году, когда выдающийся ученый Михаил Осипович Доливо-Добровольский осуществил практическую передачу электрической энергии мощностью около 220 кВт на расстояние 175 км. Результирующий КПД линии электропередачи, равный 77,4%, оказался сенсационно высоким для такой сложной многоэлементной конструкции. Такой высокий КПД был достигнут благодаря использованию трехфазного напряжения, изобретенного самим ученым [5, c. 132].В дореволюционной России мощность всех электростанций составляла всего 1,1 млн кВт, а годовая выработка электроэнергии – 1,9 млрд кВтч. В 1940 г. общая мощность советских электростанций составила 10,7 млн ​​кВт, а годовая выработка электроэнергии превысила 50 млрд кВтч, что в 25 раз превышало соответствующие показатели 1913 г. После перерыва, вызванного Великой Отечественной войной, электрификация СССР возобновилась, достигнув в 1950 г. уровня выработки 90 млрд. кВтч.В 50-е годы ХХ века были введены в строй такие электростанции, как Цимлянская, Гюмушская, Верхне-Свирская, Мингячевирская и другие. К середине 1960-х годов СССР занимала второе место в мире по выработке электроэнергии после США [3, c. 6].Энергетика прекрасно справляется с экономикой, но, увы, этого нельзя сказать об экологической ситуации.Развитие и использование объектов энергетики вызывает:- возникновение изменения климата;- корректировки гидрологических режимов рек;- загрязнение океанов различными химическими элементами;- возникновение кислотных дождей;- загрязнение вредными выбросами, пылью и выхлопными газами;- формирование парникового эффекта;- радиоактивное и химическое загрязнение почв.Кроме того, в процессе эксплуатации истощаются природные ресурсы, которые не всегда возобновляемы.Не менее серьезной проблемой при использовании силового оборудования является его ненадежность. Тепловая или атомная электростанция способна уничтожить жителей поселения, в котором она находится. Большие ядерные реакторы угрожают жизни всего человечества.Известным примером является авария на Чернобыльской АЭС, которая произошла в 1986 году. Инцидент наглядно показал, каковы последствия взрыва любой АЭС [6, c. 127].Согласно исследованиям, ТЭЦ являются наиболее вредными для природы. Но гидроэлектростанции и атомные электростанции также вносят свой вклад в загрязнение окружающей среды. Экологические проблемы зависят от типа используемого топлива.Открытая добыча угля и торфа приводит к изменению ландшафта, что, в свою очередь, разрушает естественные места обитания растений и животных.Нефть, разлитая при добыче или транспортировке, убивает флору и фауну как на суше, так и в океане.Плотины гидроэлектростанций, построенные на реках, вызывают затопление огромных территорий плодородных земель и лесов. Из-за того, что нерестовые пути перекрыты, сокращаются ценные виды рыб.Высоковольтные линии электропередач, проложенные на пути миграции птиц, приводят к поражению их электрическим током.Короткие замыкания в электроустановках и токопроводах могут вызывать пожары, приводящие к гибели лесов и их обитателей.При сжигании угля, нефти и газа на тепловых электростанциях в атмосферу выбрасываются тонны оксидов серы, оксидов азота и золы, состоящей из токсичных веществ, в том числе мышьяка, ртути, свинца и кадмия. Угарный газ, попадая в воздух, приводит к повышению средней температуры, угрожая глобальным потеплением на Земле.Производство электроэнергии на АЭС приводит к накоплению радиоактивных отходов, сохраняющих свои токсические свойства на протяжении сотен лет. Инженерное решение, позволяющее безопасно их перерабатывать, пока не найдено. В случае аварии на АЭС опасные для жизни радиоактивные вещества попадают в атмосферу. Но даже при нормальной работе в воздух выделяются углерод-14, криптон-85, стронций-90 и другие вредные изотопы.В настоящее время российская электроэнергетика переживает состояние острого кризиса. Существуют серьезные барьеры и нерешенные вопросы, мешающие успешному развитию этой отрасли.Во-первых, в последние годы в российской электроэнергетике неуклонно обостряется проблема физического и морального старения оборудования электростанций и электрических сетей. Увеличиваются мощности энергетического оборудования ТЭС и ГЭС, выработавших свой парковый ресурс.Во-вторых, одной из самых сложных проблем является обеспечение тепловых электростанций топливом.В-третьих, функционирование и развитие энергетики сталкивается с рядом экологических проблем. Особенно остро эта проблема стоит для традиционных нефтедобывающих регионов, так как они загрязняют окружающую среду нефтью и нефтепродуктами. Темпы удаления отходов остаются низкими, а планы по крупномасштабному обращению с отходами не реализуются [3, c. 7].1.2. Влияние энергетики на изменение климатаВсе процессы, связанные с преобразованием энергии, в частности, добыча, транспортировка, переработка и сжигание ископаемого топлива, являются мощным источником антропогенного воздействия на окружающую среду. Источники негативного воздействия котельных и тепловых электростанций (ТЭС) на органическое топливо на природу можно классифицировать:1. По характеру воздействия:- ухудшение качества воздуха (выбросы оксидов азота и серы, оксида углерода СО, летучих углеводородов, пыли, сажи и ряда других загрязняющих веществ);- изменение радиационно-теплового баланса атмосферы (выбросы парниковых газов - CO2, CH4, N2O), а также выбросы, приводящие к образованию озона и сульфатного аэрозоля в нижних слоях атмосферы (выбросы NOx и SOx);- нарушение естественного теплового режима (теплопотери);- шумовое воздействие;- загрязнение водоемов сточными водами.2. По территориальному масштабу:- локальные (ухудшение состояния окружающей среды в непосредственной близости (до 100 км) от источника загрязнения или сброса тепла);- региональные (трансграничные (несколько тысяч километров) перенос загрязняющих веществ);- глобальные (изменение климата, истощение озонового слоя).Ряд веществ, образующихся в процессах, связанных с преобразованием энергии ископаемого топлива и попадающих в атмосферу, может сохраняться в ней длительное время, измеряемое неделями, годами и даже десятилетиями; переноситься на большие расстояния и вызывать изменения в окружающей среде в значительных временных и территориальных масштабах.Сжигание ископаемого топлива для выработки электроэнергии приводит к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере. Однако было бы большой ошибкой думать, что если мы просто наведем порядок в электроэнергетике, то решим проблему глобального потепления. Мы, люди, делаем много вещей, которые увеличивают выбросы парниковых газов, таких как углекислый газ, метан [3, c. 9].Производство электроэнергии составляет лишь около 1/4 проблемы парниковых газов. Конечно, многие другие приложения могут стать чище, если они перейдут от сжигания топлива к работе на электричестве из очищенной сети. Но это означает не только очистку производства электроэнергии, но и примерно удвоение глобальных генерирующих мощностей для запуска электрических тепловых насосов для зданий, электродуговых печей для промышленности и многого другого. И приложениям может быть крайне сложно переключиться на электричество. Для этого нам потребуется огромное количество чистой электроэнергии для синтеза топлива на основе неископаемого углерода. Подумайте о авиаперелетах, международной доставке, мощности сельскохозяйственной техники и т. д.Это главная причина, почему я такой поклонник атомной энергии для производства электроэнергии. Так, это единственная технология, которая может экономически эффективно масштабироваться до уровней, необходимых для решения этой огромной проблемы.Наблюдения за составом атмосферы, систематически проводимые в течение более 40 лет, свидетельствуют о значительном увеличении атмосферных концентраций основных парниковых газов как в этот период, так и по сравнению с доиндустриальной эпохой. Проведенные расчеты показывают, что основную роль в увеличении их атмосферных концентраций играет антропогенная эмиссия (выброс) метана и оксида азота N2O.Метеорологические наблюдения показывают, что средние глобальные температуры за последние сто лет повысились на 0,6 °C, из которых 0,4 °C пришлось на последние 30 лет, что делает 1990-е годы самым теплым десятилетием за всю историю наблюдений.Тем не менее в последние десятилетия в мировой энергетике наблюдаются процессы, приводящие к существенному снижению ее негативного воздействия на окружающую среду. Такими процессами являются: - изменение топливно-энергетического баланса, - внедрение природоохранных технологий и повышение энергоэффективности экономики (повышение эффективности энергопреобразователей, снижение энергоемкости производства). Эти тенденции уже привели к заметному снижению удельных выбросов в атмосферу основных парниковых газов и загрязняющих веществ.Так, в связи с уменьшением доли угля в мировом энергетическом балансе и возрастающей ролью газа, атомной энергетики и возобновляемых источников энергии удельные выбросы СО2 снизились за последние 50 лет примерно на 120 кг С/т у.т. Аналогичное снижение удельных выбросов оксидов серы и азота в теплоэнергетике промышленно развитых стран связано с повышением эффективности производства электроэнергии, использованием более чистого топлива и внедрением технологий подавления образования оксидов азота и очистка дымовых газов от SOx и NOx [4].2. Борьба с изменением климата2.1. Глобальное изменение климатаПод климатом понимается многолетний режим погоды, сложившийся в том или ином регионе. Климат, как и погода, подвержен изменениям, хотя и гораздо медленнее. В последние десятилетия климатологи фиксируют значительное повышение среднегодовой температуры на планете. Основная концепция потепления заключается в том, что углекислый газ способствует повышению температуры, но очень незначительно, но приводит к увеличению влажности атмосферы. На нашей планете, как мы понимаем, много влаги — поверхность Земли на 72% покрыта океаном, и водяной пар интенсивно испаряется. Этот водяной пар, усиленный углекислым газом, является парниковым газом, и именно он вызывает повышение температуры, которое мы наблюдаем.В краткой схеме энергетический баланс, формирующий климат, чем-то напоминает механизм теплицы в загородном доме. Коротковолновая световая энергия проходит через стеклянное покрытие теплицы и воздух, поглощается землей, переизлучается обратно вверх в виде длинноволнового излучения, которое поглощается воздухом и стеклом, нагревая тем самым ее внутреннюю часть. Примерно такой же парниковый эффект имеет место и в нашей атмосфере. Радиационный поток солнечной энергии (т. е. коротковолнового излучения), проходя через атмосферу, поглощается в незначительной степени. Затем часть потока отражается, а часть поглощается верхним слоем твердой или жидкой поверхности Земли и переизлучается поверхностью планеты обратно вверх в сторону космоса. Однако значительная часть этого длинноволнового излучения поглощается парниковыми газами в атмосфере, основными из которых являются водяной пар, углекислый газ, метан и др.Поэтому эффект глобального потепления исследователи связывают с увеличением концентрации углекислого газа, что в свою очередь происходит в результате антропогенной деятельности – работы промышленных предприятий, выбросов выхлопных газов автотранспорта и т. д. С другой стороны, площадь лесов, перерабатывающих углекислый газ своим хлорофиллом, стало меньше.9321804729480Это общепринятые сегодня взгляды, однако сразу поделимся своими сомнениями. Воздух нагревается двумя механизмами – во-первых, за счет прямого поглощения излучения, и, во-вторых, за счет передачи тепла снизу вверх за счет турбулентной теплопроводности. Так вот, мне кажется, что роль прямого лучистого нагрева в существующих моделях более переоценена, чем теплообмен, и это одно из наших сомнений, хотя полностью подтвердить это мы не можем. Но если это так, то роль парниковых газов переоценена, потому что парниковые газы, составляющие всего сотые доли процента, не играют никакой роли в теплопроводности.Рисунок 1 – Изменение содержания углекислого газа в атмосфере Земли за последние 1000 летДа, следует подтвердить: содержание углекислого газа в атмосфере в течение нашей жизни выросло гигантским скачком, какого никогда не наблюдалось за последние семьсот тысяч лет (рис. 1). И действительно: где содержание углекислого газа выше – теплее, а где меньше – холоднее. Углекислый газ естественно выделяется природными системами - около 100 миллиардов тонн в год – и, соответственно, такой же объем перерабатывается, как и углерод, зеленой массой, поглощаемой океаном, и в этом круговороте возникают диспропорции, обусловленные природными системами. Сегодня, надо признать, дисбаланс, обусловленный антропогенным фактором, во много раз превышает естественные, установленные в природе нормы – и это, конечно, драматично.Говоря об антропогенном потеплении климата, мы имеем в виду процесс, который шел на протяжении ХХ века и, вероятно, продолжится и в XXI веке, если промышленность будет развиваться в том же духе. Несомненно, в течение ХХ века, особенно во второй его половине, климат значительно потеплел. Однако в то же время на фоне антропогенного потепления происходят процессы межгодовой или декадной изменчивости, которые по разбросу температур могут быть больше, чем этот небольшой тренд потепления [1, c. 86].В октябре 2018 года МГЭИК выпустила специальный доклад о глобальном потеплении на 1,5 °C. В отчете подчеркивается ряд последствий изменения климата, которых можно было бы избежать, ограничив глобальное потепление до 1,5°C вместо 2°C и более.Например, к 2100 году глобальное повышение уровня моря будет на 10 см ниже, а глобальное потепление составит 1,5°C по сравнению с 2°C. Подсчитано, что при глобальном потеплении на 1,5°C Северный Ледовитый океан будет свободен от морского льда один раз в столетие летом и раз в десятилетие при потеплении на 2°C. Коралловые рифы сократятся на 70-90% при глобальном потеплении на 1,5°C, в то время как почти все они (>99%) исчезнут при потеплении на 2°C.В отчете делается вывод о том, что ограничение глобального потепления до 1,5 °C потребует «быстрых и далеко идущих» мер и подходов в отношении земли, энергетики, промышленных систем, а также зданий, транспорта и городов. Глобальные антропогенные выбросы углекислого газа (CO2) необходимо будет сократить к 2030 году почти на 45% по сравнению с уровнем 2010 года, достигнув «чистого нуля» примерно к 2050 году. Это означает, что любые оставшиеся выбросы должны быть сбалансированы путем удаления CO2 из воздуха [8].2.2. Энергосбережение – решение проблемы изменения климатаПредставленные МЭА альтернативные сценарии развития мировой энергетики на период до 2050 г. можно разделить на три основные группы:1. Базовый вариант: развитие продолжится в соответствии с существующими тенденциями и нынешними темпами энергоэффективности и технического прогресса, которые к 2050 году увеличат потребление энергии и выбросы CO2 более чем в два раза.2. Сценарии ускоренного развития технологий, где рассматриваются эффекты ускоренного внедрения и массового использования четырех видов энергоклиматических технологий:– энергоэффективность в области конечного энергопотребления (энергосбережение);– использование возобновляемых источников энергии;– развитие атомной энергетики;– улавливание и хранение СО2.Эти сценарии предполагают, что спрос на энергию неограничен и что ископаемые виды топлива будут обеспечивать до 70% мировых потребностей в энергии в 2050 году.3. Сценарий «Технология плюс», включающий наиболее оптимистичные варианты из сценариев ускоренного развития технологий.По всем сценариям опережающего развития необходимо кардинально обновить технологическую базу мировой экономики. Рассмотрим последние исследования технического прогресса в основных отраслях экономики и влияние энерго- и климатических технологий [7, c. 65].В промышленном и бытовом секторах, учитывая, что в ближайшие пятьдесят лет ведущая роль ископаемого топлива и традиционных технологий сохранится, улучшения могут быть получены за счет повышения эффективности генерирующих и тепловых установок, совместного сжигания угля и биомассы, добавления биогаза к природный газ, замена угольного топлива газом и др. Отметим некоторые перспективные технологии, позволяющие более эффективно использовать энергию:- газовые технологии – на основе комбинированного парогазового цикла (КПД может быть увеличен до 60% за счет повышения температуры пламени и давления газа, а также за счет более сложных паровых циклов); - новые угольные технологии – угольные установки с паровым циклом со сверхкритическими параметрами пара (до 700°С и 37,5 МПа) и применением циркулирующего кипящего слоя и КПД выше 50% и др.; - когенерация электроэнергии, тепла и холода, что позволяет значительно повысить энергоэффективность традиционных технологий; - топливные элементы – прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую энергию в присутствии катализатора (КПД 85% и более); - мини- и микро-ТЭЦ – децентрализованные полуавтономные системы электроснабжения с КПД более 75% и т.д.Областью, где расход топлива и, следовательно, потребление энергии и выбросы могут быть значительно сокращены, являются существующие и новые здания, которые требуют улучшенной теплоизоляции и более эффективных систем отопления, таких как газовые конденсационные котлы с КПД до 95%. Здания с очень низким или даже нулевым потреблением энергии больше не являются мечтой – в Германии и Австрии более 6000 зданий, потребляющих 120 кВт/м2 в год первичной энергии, отнесены к категории «пассивных» зданий [2].12941302300605Общий эффект снижения выбросов СО2 от применения энергосберегающих технологий, по оценке МЭА, составит 45 % при условии реализации наиболее оптимистичного сценария ускоренного развития технологий, т. е. с одновременным внедрением энергоэффективных технологий в области конечного энергопотребления, использования возобновляемых источников энергии, развития атомной энергетики и улавливания и утилизации СО2 (рис. 2).Рисунок 2 – Роль различных технологий снижения выбросов СО2 по оценке МЭА при условии одновременного внедрения всех 4-х групп технологий в сценарии ускоренного развитияРассмотрим возможности других технологий при условии их одновременного внедрения.На сегодняшний день достаточно известны технологии использования возобновляемых источников энергии: ветряные и гидроэлектростанции, сжигание древесины и другой биомассы, геотермальные и приливные технологии, тепловые и фотоэлектрические солнечные установки и др. Некоторые из них более или менее конкурентоспособны (ветряные электростанции), другие находятся в стадии технической разработки, например, органические фотоэлектрические элементы на основе нанотехнологий. При условии более активного внедрения использования возобновляемых источников энергии к 2050 г. выбросы СО2 сократятся на 1,3 млрд т/год за счет энергии ветра и на 0,5 млрд т/год за счет гидроэнергетики и сжигания биомассы. Для скандинавских стран и для России, вероятно, наиболее перспективным с технологической точки зрения источником является сжигание древесной биомассы. По предварительным оценкам, к 2050 году сжигание биомассы может покрывать 15% энергопотребления, при этом основной эффект достигается за счет децентрализованной энергетики. Важную роль для бытового сектора экономики может сыграть использование солнечной радиации (солнечные коллекторы, фотоэлектричество) и низкопотенциальной энергии Земли (тепловые насосы).Эффект снижения выбросов СО2 от применения технологий использования возобновляемых источников энергии составляет 21% при комплексном сценарии ускоренного развития технологий (рис. 2), включающих тепло- и электрогенерацию, транспорт, промышленность, тепло- и электроснабжение постройки.Несмотря на растущий интерес к строительству новых АЭС с использованием более безопасных реакторов, роль атомной энергетики в решении климатической проблемы очень мала, так как до сих пор не решена проблема захоронения отработавшего топлива и захоронения облученного оборудования. Поэтому негативное отношение населения к этому виду энергии сохраняется.Эффект снижения выбросов СО2 от использования атомной энергетики составляет всего 6% в комплексном сценарии ускоренного развития технологий.Технологии улавливания и хранения СО2 могут быть реализованы в том случае, когда нет реальных возможностей радикально уменьшить масштабы сжигания углеводородного топлива. Захоронение СО2 не экономит топливо и не способствует решению других проблем, кроме проблемы изменения климата. Эта технология включает в себя улавливание и отделение CO2, транспортировку, фактическую закачку и хранение. В принципе, ни один из компонентов не связан с разработкой каких-либо новых технологических решений, но долгосрочная утилизация огромных объемов — это затратная и энергоемкая задача.Сравнение данных, представленных на рис. 2, показывает, что энергоэффективность и энергосбережение, использование биомассы и других видов биотоплива стоят на первом месте в решении вопросов снижения выбросов СО2. В любом сценарии развития энергосбережение – повышение эффективности энергопотребления – является приоритетным, наиболее быстро реализуемым и позволяющим получить максимальный эффект в решении проблемы изменения климата [4].

Заключение

Таким образом, климат нашей планеты – это не только температурный режим в земной атмосфере, это энергетический баланс нашей планеты. Энергетический баланс Земли зависит от внешнего притока солнечной (космической) энергии и обратной связи планеты, за счет накопленного ею потенциала.Основными целями реализации комплекса мероприятий являются модернизация действующих производств, создание отечественного современного оборудования, улучшение экологической обстановки в регионах, повышение энергетической и экологической эффективности различных производств, в том числе объектов электроэнергетики. Проблема изменения климата на Земле затрагивает все континенты. Ее решение заключается в использовании принципов корпоративной социальной ответственности, суть которых направлена на существенное снижение количества вредных выбросов и их воздействия на окружающую среду. Эти принципы основаны, прежде всего, на стремлении к гармоничному развитию планеты и общества, в котором вопросы экологии должны стоять на первом месте.

Список использованной литературы

1. Бондаренко, Л.В. Глобальное изменение климата и его последствия / Л.В. Бондаренко // Вестник Российского экономического университета им. Г. В. Плеханова. – 2018. – С. 84-93.2. Борьба с изменением климата: глобальная повестка и актуализация проблематики для России. - https://globalcentre.hse.ru/data/2019/08/20/1536987052/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%86%D0%B0,%20%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D0%BA%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B0.pdf (дата обращения: 07.04.2022).3. Бушуев, В.В. Энергетика и климат в системе «природа – общество – человек / В.В. Бушуев // Энергетическая политика. – 2017. - № 4. – С. 6–9.4. Комолова, М.Н. Энергосбережение – решение проблемы изменения климата. - https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3693 (дата обращения: 07.04.2022).5. Маврищев, В.В. Основы экологии / В.В. Маврищев. - М.: Минск: Вышэйшая школа, 2019. – 447 c.6. Мешечко, Е.Н. Основы экологии / Е.Н. Мешечко. - М.: Мн: Экоперспектива, 2018. – 376 c.7. Соловьев, Д.А. Климатические изменения и энергетика: влияние, прогнозы и последствия / Д.А, Соловьев, А.М. Залиханов // Окружающая среда и энерговедение. – 2021. - №3. – С. 62-74.8. Ядерская, А.М. Климатические изменения. Глобальное потепление и его результаты. - https://school-science.ru/5/2/35107 (дата обращения: 07.04.2022).