Прикладная химия. ХИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИКИ (Р. К. Ашкеева, 2016)

«Никакой вид энергии не обходится так дорого, как ее недостаток» – это высказывание индийского ученого не звучало так актуально, как в наши дни, когда человечество, не считаясь с огромными финансовыми расходами, прилагает все усилия к поиску новых путей получения энергии. Проблемы, связанные с происхождением, экономичностью, техническим освоением и способами использования различных источников энергии, были и будут неотъемлемой частью жизни на нашей планете. Прямо или косвенно с ними сталкивается каждый житель Земли. Понимание принципов производства и потребления энергии составляет необходимую предпосылку для успешного решения приобретающих все большую остроту проблем современности и в еще большей степени – ближайшего будущего.

Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются правительства. Разрабатываются гигантские энергетические программы, осуществление которых требует громадных усилий и огромных материальных затрат. Уровень материальной, а, в конечном счете, и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добывать руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, необходимо израсходовать энергию. А потребности человека все растут, и людей становится больше.

Понятие «энергетика» включает в себя методы получения и использования различных видов энергии для нужд человеческого общества. Энергетика или топливно-энергетический комплекс – одна из основ развития современного общества; эффективность решения социальных, экономических и технических задач в значительной мере определяется выработкой энергии и масштабностью энергоресурсов. Энерговооруженность – показатель цивилизации страны. В конце прошлого столетия потребление энергии в расчете на одного человека в год в разных странах было следующим: США – 3000 кВт/ч; Япония – 2700 кВт/ч; Германия – 1500 кВт/ч; СНГ – 400 кВт/ч.

Развитие энергетики может отразить прогресс всего человечества:

• 5000 лет до н.э. – 100 % мускульной энергии;

• 2000 лет до н.э. – 70 % мускульной энергии, 25 % животные, 5 % древесина;

• 1500 г. – 70 % древесины, 20 % тягловые животные, 10 % мускульная энергия;

• 1910 г. – по 16 % тягловые животные и древесина, 65 % уголь, 3 % нефть;

• 1935 г. – 13 % животные, 7 % древесина, 55 % уголь, 15 % нефть, по 5 % газ и вода;

• 1972 г. – 10 % древесина, 32 % уголь, 34 % нефть, 18 % газ, 6 % атомная энергия;

• 1990 г. – 1 % древесина, 20 % уголь, 33 % нефть, 30 % газ, 16 % атомная энергия.

Таким образом, развитие человечества не что иное, как постоянный труд по овладению энергией, которая во все времена определяла мощь и уровень развития общества. Для устойчивого развития необходимы устойчивые энергоресурсы. Но дело в том, что те ресурсы, от которых зависит человек, к таковым не относятся. Кроме этого, энергетика оказывает существенное влияние на окружающую среду, являясь источником различных видов загрязнения воздуха, воды, земной поверхности и недр, а также основным потребителем минерального топлива, определяющим уровень его добычи. Вопросы взаимодействия энергетики и природной среды настолько сложны, что возникла необходимость появления новой области науки – экоэнергетики.

Можно перечислить много видов энергии. Первоисточником большинства из них служит солнечная радиация. Солнце ежесекундно направляет на Землю энергию, равную 16,76∙10³ кДж, половина которой, проходя через атмосферу, достигает поверхности Земли. Часть поглощаемой атмосферой и гидросферой энергии затрачивается на круговорот воды в природе или превращается в энергию ветра, волн, океанических течений. Часть энергии, воспринимаемая верхним слоем литосферы, расходуется на накопление теплоты и поверхностной энергии пород, приводящей к их разрушению, иногда до мелкодисперсного состояния (песок, глина). Большая часть солнечной энергии расходуется на фотосинтез и создание живого вещества.

К энергии, непосредственно не связанной с солнечной радиацией, относят тепловую энергию земных недр; энергию океанических и морских приливов; тепловую энергию, получаемую при сжигании биологических (древесина) и геохимических (торф, уголь, газ, нефть) «аккумуляторов солнечной энергии», электроэнергию, атомную энергию и энергию некоторых химических процессов (например, энергия взрыва, используемую в горном производстве).

Все способы получения энергии по характеру используемых ресурсов делятся на две группы. К первой группе относятся способы, использующие невозобновляемые источники энергии (горючие ископаемые, ядерное топливо). Во вторую группу входят способы, основанные на применении возобновляемых энергоресурсов (солнечной радиации, энергии ветра, воды).

Большинство промышленно развитых стран до 90 % своего энергопроизводства обеспечивают за счет гидроресурсов, полезных ископаемых и ядерного топлива. Следовательно, энергетика опирается на невозобновляемые ресурсы, то есть рано или поздно появится угроза истощения запасов. Поэтому возникает вопрос о поисках новых, более эффективных путей обеспечения человечества энергией, не связанных с исчерпаемыми ресурсами. Экоэнергетика – это наука о последствиях воздействия современных способов получения, хранения, передачи и использования энергии на окружающую среду, а также о возможных путях развития энергетики в направлении экологически чистых, эффективных способов получения, хранения, передачи и использования энергии.

ТОПЛИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Основными потребителями энергоресурсов являются промышленность, энергетика и транспорт. Энерговооруженность общества растет в основном за счет роста производства электроэнергии. Главный недостаток электроэнергии в том, что, несмотря на чистоту ее конечного потребления, использование первичных энергоресурсов для ее выработки неблагоприятно сказывается на окружающей среде. Известно много способов ее получения, но основной остается реакция горения. Наибольшее количество электроэнергии (около 70 %) вырабатывается при сжигании угля, нефти и природного газа, которые называют ископаемым топливом. Хотя эти ископаемые и образовались в результате биологических процессов (за счет растительных и животных остатков, в результате дегазации глубоких недр Земли), всякое пополнение их запасов по мере использования исключено по двум причинам:

• условия на Земле изменились так, что значительного накопления органического вещества уже не происходит;

• человечество потребляет горючие ископаемые со скоростью, намного превышающей необходимую для их образования.

Таким образом, запасы ископаемого топлива ограничены. Многие страны уже испытывают «энергетический кризис».

Состав топлива можно представить следующей обобщенной формулой:

где соответствующими символами обозначены углерод, водород, кислород, азот и сера; W – содержание влаги; Z – содержание золы. Количественное соотношение элементов в топливе различно и зависит не только от типа, но и от места его залегания. Но в любом случае основная доля (в среднем до 80 %) приходится на углерод. Поэтому именно этот компонент определяет теплотворную способность топлива: С + О₂ → СО₂ + 393,5 кДж/моль. Основным продуктом горения топлива является углекислый газ СО₂, огромные количества которого выбрасываются в атмосферу заводами, теплоэлектростанциями (ТЭС), транспортом. Последствием этого является «парниковый эффект».

Реакция сгорания топлива требует значительных затрат кислорода. При недостатке кислорода О₂ не достигается основная задача – получение тепла, так как становится возможным эндотермический процесс: С + СО₂ → 2СО – 410 кДж/моль или процесс с выделением намного меньшего количества теплоты, чем в случае образования углекислого газа СО₂:

С + 1/2О₂ → СО + 110,5 кДж/моль. Параллельно образуется очень ядовитый угарный газ СО.

Опираясь на обобщенную формулу топлива, можно перечислить другие химические процессы, протекающие при его сгорании. Так, одной из самых вредных примесей в топливе является сера. В процессе сжигания топлива она выделяется в виде диоксида серы: S + О₂ → SО₂ + 296,9 кдж/моль. Известно, что диоксид серы SО₂ – один из источников «кислотных осадков». Кроме этого сера можно выделяться и в виде серосодержащих соединений, обладающих высокой токсичностью и коррозионным воздействием.

В значительных количествах содержится в топливах и азот. Высокие температуры способствуют образованию оксидов азота – NO_x:

N₂ + O₂ ↔ 2NO – Q (эндо); 2NO + O₂ ↔ 2NO₂ + Q (экзо).

NO_x – компоненты «кислотных осадков» и разрушители озонового слоя.

На ТЭС топливо сжигается в топках паровых котлов, где его химическая энергия превращается в тепловую энергию пара. В паровой турбине энергия пара переходит в механическую, которая в турбогенераторе превращается в электрическую. Уголь перемалывается в угольную пыль и непрерывно подается в топки котлов; туда же в больших количествах непрерывно поступает вода, к чистоте которой предъявляются высокие требования. Пар, отработавший в паровых турбинах, охлаждаясь, превращается в воду и затем снова направляется в котлы. При этом происходит тепловое загрязнение водоема – охладителя. Кроме оксидов углерода, серы и азота при работе ТЭС в атмосферу выбрасывается огромная масса золы, пыли и дыма, содержащих до 25 элементов, в том числе тяжелых металлов. В последние годы было обнаружено, что радиационное загрязнение вокруг тепловой станции, работающей на угле, в среднем в 100 раз выше фона естественной радиации. Это связано с тем, что обычный уголь всегда содержит микропримеси урана-238, тория-232. Все это поступает в окружающую среду.

Каждый вид топлива имеет свои преимущества и недостатки.

Уголь: в зависимости от относительного содержания элементов различают бурые, каменные угли и антрациты. При переходе от бурых углей к антрацитам увеличивается доля углерода (от 65 % до 90 %) и соответственно снижается доля водорода и кислорода. Органическая масса углей включает в себя битумы (жидкие или твердые смеси и их кислородные, сернистые и азотистые производные), гуминовые кислоты (высокомолекулярные соединения с фенолгидроксильными, карбоксильными, аминогруппами) и остаточный уголь (полуароматические соединения). Теплотворная способность бурого угля – 12000 кДж/кг, каменного угля – 19000 кДж/кг, антрацита – 29000 кДж/кг. Добывают уголь открытым и подземным способами. При подземной добыче не менее половины угля приходится оставлять на месте во избежание обвала шахты. При открытой разработке почва и горные породы над угольным пластом вскрываются гигантскими экскаваторами. При этом полностью уничтожаются наземные экосистемы. Хотя остающиеся карьеры и их отвалы можно рекультивировать, то есть разровнять, удобрить грунт и высадить на нем растения, прежде чем восстановиться экосистема пройдет много времени. Наиболее значительные экологические недостатки угля как топлива – загрязнения диоксидом серы SО₂, а также наличие больших зольных остатков. Кроме этого, отходы от сжигания угля в следовых количествах содержат мышьяк, свинец, ртуть, а также ряд радиоактивных веществ.

Торф и сланцы: теплотворная способность торфа и сланцев топлива 24000 кДж/кг. Но высокая зольность этих видов топлива, даже по сравнению с углем, делает их применение неэффективным, экологически сложным (зола составляет от 30 до 60 %).

Нефть: человечеству нефть известна с древнейших времен. Точных данных, когда именно впервые была обнаружена нефть, нет, но первая промышленная скважина глубиной 23 м была пробурена в 1859 г. в штате Пенсильвания в США. С 1880 г. добыча нефти растет по экспоненте, и сейчас ее ежегодно извлекают из недр Земли свыше 3,2.10¹² л. Это смесь углеводородов трех типов – алканов (СnH2n + 2), циклоалканов (СnH2n) и аренов (СnH2n – ₆). Кроме этого, в нефти в наибольших количествах содержатся сера S – до 4 %, азот N – 1 % и немного меньше кислорода О. Эти добавочные элементы обычно входят в состав молекул углеводородов. В качестве микропримесей нефть содержит до 27 элементов (фосфор Р, ванадий V, марганец Mn, хром Cr, кобальт Co, бор B, магний Mg, никель Ni, железо Fe, алюминий A1 и другие). Всего в различных нефтях идентифицировано 805 индивидуальных химических соединений. Нефть – маслянистая жидкость от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она немного легче воды и практически в ней не растворяется. Так как нефть – смесь различных углеводородов, то у нее нет определенной температуры кипения. Основное различие между нефтью, добытой в различных географических районах, обусловлено не химическим составом, а содержанием отдельных компонентов, что и влияет на химические и физические свойства сырой нефти. Некоторые нефтепродукты почти бесцветны, другие имеют черную, янтарную или зеленую окраску. Некоторые нефтепродукты имеют приятный запах эфира, скипидара и камфары, а другие – очень неприятный запах, вызываемый присутствием серосодержащих компонентов. Биологические и химические свойства различных углеводородов существенно различаются. Поэтому при оценке влияния компонентов нефти на окружающую среду необходимо знать состав определенного нефтепродукта.

Теплотворная способность нефтей высокая – 43000 кДж/кг, у продуктов нефтепереработки – до 46000 кДж/кг. Нефть практически лишена присущего твердым топливам недостатка – зольности. Но ее применение связано с одной специфической трудностью – транспортировкой. Химическая энергия, заключенная в нефти – самый «перевозимый» вид энергии. Почти вся нефть используется не там, где добывается. Добывается она там, где ее много и где добывать ее удобнее, а потребляется там, где есть развитая промышленность. В энергетическом балансе развитых стран главное место принадлежит нефти. Нефть универсальна в применении. Кроме того, что она используется в энергетике, в промышленности из нее получают более чем 3000 различных продуктов, в том числе в синтетические волокна, пластмассы, лекарства, красители и пестициды.

Углеводороды, находящиеся в составе нефти в месторождениях практически безвредны для окружающей среды. Но, попадая в атмосферу, почву, воду при использовании их человеком, нефть и нефтепродукты становятся загрязнителями природной среды. Легкокипящие фракции углеводородов являются огне- и взрывоопасными веществами и при попадании в атмосферу в больших количествах могут становиться виновниками взрывов и пожаров.

Особенно опасны последствия загрязнения гидросферы нефтью. Серьезное беспокойство вызывает загрязнение нефтью океанов в результате крушения танкеров и выбросов нефти на буровых скважинах, расположенных в открытом море. Такие примеры очень серьезны, но загрязнения нефтью вызванные ими, составляют лишь небольшую долю от общего количества загрязнений нефтяными углеводородами акватории мирового океана. Основная доля загрязнений приходится на транспортировку нефти (48 %, в то время как аварии около 5 %). В настоящее время более 58 % нефти перевозят морским путем, и ежегодно в морскую среду поступает до 3,5 млн. тонн нефти и нефтепродуктов. Почти такой же вклад в загрязнение океана нефтепродуктами дают реки и городские стоки. Значительная доля нефтяных углеводородов осаждается в районах крупных городов, попадая сюда из различных источников. К ним относятся системы отопления, работающие на нефти, операции обслуживания автомобилей, свалки израсходованных смазочных материалов и т.д. Дожди вымывают эти остатки вначале в дренажные сооружения, а затем в воду. Периодически повторяющийся приток нефтепродуктов в воду даже в небольших количествах может привести к сокращению числа видов водных организмов, а в некоторых случаях – и к полному уничтожению жизни. В акваториях аккумуляции нефтепродуктов резко снижает содержание растворенного в воде кислорода, вызывая массовую гибель водных организмов не только в водной толще, но и в донных отложениях. Некоторые нефтяные продукты канцерогенны, и их накопление в трофической цепи может представлять опасность для человека. Загрязнение озерных вод нефтепродуктами губительно действует на водную растительность и плавающую птицу. Кроме того, нефтяные пленки на поверхности водоемов нарушают обмен энергией, теплом, влагой и газами между водой и атмосферой. Попавшая на поверхность воды нефть растекается на большие площади с расходом примерно 150 – 1000 л/км². Вода приобретает запах керосина при содержании нефти 0,2 – 0,4 мг/л, причем этот запах не устраняется даже при хлорировании и фильтровании воды.

После попадания в океан нефть начинает перемещаться под влиянием ветра, течения, приливов и отливов. В результате таких процессов, как испарение, растворение, усвоение живыми организмами и выпадение в осадок, состав нефти постоянно меняется из-за разложения и трансформирования составляющих нефти. Все виды нефти содержат легкокипящие компоненты, которые быстро испаряются. В течение нескольких дней 25 % нефтяного пятна исчезает в результате испарения. Низкомолекулярные компоненты выводятся из нефтяного пятна главным образом в результате растворения (до 5 %), причем ароматические углеводороды растворяются быстрее, чем н-парафины при одинаковой температуре. Тяжелые фракции нефти с температурой кипения выше 370⁰С остаются на поверхности и, постепенно уплотняясь, со временем оседают на дно. Не разлагающиеся и не осаждающиеся нефтяные остатки обнаруживаются на поверхности воды в виде смолистых шариков. Биохимическое воздействие бактерий на компоненты нефти гораздо шире и охватывает самые разнообразные вещества по сравнению с процессами испарения или растворения. Но нет какого-либо одного микроорганизма, способного разрушить все компоненты нефти. Большинство превращений углеводородов нефти под действием бактерий сводится к процессу:

Нефтяные углеводороды подвержены также процессам химического окисления и фотоокисления. Подсчитано, что для полного окисления 4л сырой нефти требуется О₂, содержащийся в 1,5∙10⁶л морской воды, насыщенной воздухом при 60⁰С; это эквивалентно количеству морской воды, содержащейся в слое глубиной 30 см с площадью 0,5∙10⁴м². Сокращение площадей, покрытых нефтяной пленкой за счет испарения, растворения, оседания, эмульгирования, биологического и химического окисления свидетельствует о больших способностях морей и океанов к самоочищению, но эти возможности не безграничны.

По наблюдениям со спутников, нефтяная пленка покрывает до 10-15 % поверхности Мирового океана или 36-54 млн. км². Эта пленка, будучи достаточно устойчивой, нарушает водо- и газообмен между океаном и атмосферой, угнетает процессы фотосинтеза, изменяет световой и температурный режим у поверхности воды. Интенсивность света под слоем нефти убывает до 90 %, испарение воды уменьшается на 60 %. Одна тонна пролитой нефти может загрязнить около 12 км² поверхности океана и погубить в нем все живое. Если загрязнение океана будет продолжаться, то это повлияет на кругообороты кислорода, диоксида углерода и воды. Многие ароматические соединения, находящиеся в пленке, в морской воде превращаются в ядовитые вещества, обладающие канцерогенными свойствами. Так, под действием некоторых морских растений из ароматических углеводородов нефти образуются конденсированные полициклические соединения ряда бензо[а]пирена, накапливающиеся в морских водорослях и травах.

Еще большую опасность нефть и нефтепродукты представляют для подземных вод. Когда углеводороды нефти попадают в подземную воду, они полностью сохраняют устойчивость, и не приходится рассчитывать на их бактериальное разложение или биохимическое окисление, что обусловлено недостатком бактерий и отсутствием кислорода, а также низкой температурой. Для загрязнения воды хватает совершенно незначительных количеств нефти, при содержании нефтепродуктов от 0,001 до 1 мг/л вода приобретает специфический запах и привкус. Восстановление первоначального состояния такой воды может происходить в течение длительного времени – даже столетий. А ведь подземные воды представляют собой не возобновляемые ресурсы пресной воды, которые необходимо сохранить для будущих поколений.

При аварийных разливах нефть проникает и в глубокие слои почвы, вплоть до грунтовых вод. Основные причины разливов нефти и нефтепродуктов – это коррозия и механические повреждения трубопроводов, нарушение герметичности резервуаров и аварии на нефтепромыслах. Разрыв только одного трубопровода может вызвать загрязнение территории площадью до 0,11 га. Реальные последствия для почв при накоплении в них различных нефтяных продуктов изучены далеко не полно. Поступление в почву компонентов нефти вызывает изменение физических, химических, биологических свойств и характеристик. Все это неизбежно вызывает снижение и даже полную утрату почвенного плодородия. Кроме того, углеводороды нефти способны образовывать в процессе трансформации токсичные соединения, обладающие канцерогенными свойствами, характеризующиеся стойкостью к микробиологическому расщеплению и способные переходить в растения, что значительно снижает качество возделываемых культур и создает определенную угрозу для здоровья человека и животных. В загрязненных нефтью почвах нарушаются важнейшие генетические показатели: изменяются содержание и состав гумуса, азота, фосфора, нарушается почвенно-поглощающий комплекс, снижаются порозность, аэрация и водопроницаемость, уменьшается доступная растениям влага.

Токсичные химические вещества нефти в процессе геохимической миграции в цепи почва – растения – живые организмы нарушают генетические свойства почв, оказывают ингибирующее влияние на растения, уменьшают их общую зеленую массу, вызывают глубокие изменения в составе крови живого организма, в клетках мозга, являются причиной онкологических заболеваний. Высокая степень загрязнения почв и атмосферного воздуха нефтепромыслов токсичными химическими веществами вызывает у населения тяжелые формы гепатита, болезней органов дыхания и туберкулез.

Газообразные топлива: сюда входят природный газ, попутные газы нефтедобычи, а также образующиеся во многих процессах углехимии, нефтепереработки и нефтехимии в качестве сопутствующих основным продуктам смеси газообразных горючих веществ (коксовый и генераторный газы, газы крекинга и пиролиза, отходящие газы многих производств органического синтеза). Природные газы богаты метаном (95 %) и почти не имеют в своем составе непредельных углеводородов. Попутные газы нефтяных месторождений обогащены пропаном и бутаном. В качестве примесей в горючих газах содержатся циклические и ароматические углеводороды, небольшое количество азота N2, водорода H2 аргона Ar, гелия He; нередко присутствие значительных количеств сероводорода Н₂S, меркаптанов и углекислого газа СО₂. В зависимости от состава газы используют как сырье для химической промышленности, а также как промышленное и бытовое топливо. Теплотворная способность природного газа 34000 кДж/м³. По сравнению с твердым и жидким топливом газ содержит меньшее количество нежелательных примесей, полностью отсутствует зольность. Но он взрывоопасен, возможны аварии на газопроводах, помещениях и так далее.

Транспорт почти на 100 % обеспечивается жидким топливом, на выработку электричества идет уголь, в быту – природный газ. Но запасы ископаемого топлива ограничены. Поэтому в настоящее время рассматриваются перспективы получения синтетического топлива. Все виды топлива близки по своему составу. Самое существенное отличие – содержание водорода. Следовательно, есть возможность химическим путем получить, например, из угля нефтеподобный набор жидких углеводородов.

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

В конце второй мировой войны была открыта энергия атома. Ведущие страны мира взяли курс на «атомную эру». Предполагалось, что ядерная энергия позволит вырабатывать электричество в огромных количествах и очень дешево. Поэтому параллельно с совершенствованием ядерного оружия были развернуты научные и технические разработки в области создания атомных электростанций (АЭС). Интерес к АЭС стал падать в 70х годах, а после Чернобыльской катастрофы в 1986 г. сменился недоверием. Тем не менее, АЭС существуют и перспективы атомной энергии огромны.

Высвобождение ядерной энергии происходит в результате ядерных реакций, в которых меняются сами атомы. Происходит это в результате расщепления ядра (тяжелое ядро одного элемента распадается на два более легких ядра др. элементов) или ядерного синтеза (два легких ядра соединяются в одно более тяжелое ядро другого элемента). В обоих случаях суммарная масса продуктов реакции меньше, чем у исходного материала. «Теряемая» масса превращается в энергию. Количество энергии, выделяющееся при ядерной реакции, чрезвычайно велико. Мгновенное расщепление или слияние ядер одного кг вещества по своему эффекту соответствует взрыву атомной бомбы.

Основной процесс, идущий на современных АЭС – это управляемое расщепление, при котором тепловая энергия выделяется за счет высвобождения энергии связи n и р при делении ядер U-235 под воздействием n. Если при сжигании 1 г угля выделяется 7 ккал теплоты, то при «сжигании» 1 г ядерного топлива – 20 млн. ккал, т.е. почти в 3∙10⁶ раз больше. Для агрегата ТЭС мощностью 1 млн. кВт в течение трех лет нужно 300 тыс. вагонов угля, а для АЭС той же мощности за три года потребуется два вагона ядерного топлива. Три года – продолжительность непрерывной работы реактора АЭС без смены «горючего». АЭС строятся в месте, где имеется много воды, для охлаждения реактора и где нет серьезной сейсмической опасности, отсутствует осаждение грунта и нет угрозы разрушения здания АЭС в результате каких-либо внешних причин.

В тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) находится ядерное горючее, содержащее обычно около 3 % U-235 и 97 % U-238. U-235 единственное природное вещество, способное самостоятельно поддерживать цепную реакцию деления ядер. В природе цепная реакция не происходит, т.к. атомы U-235 слишком рассеяны среди атомов других элементов, в том числе и стабильного U-238: 99,3 % – U-238 и 0,7 % – U-235. В таких условиях, когда U-235 спонтанно расщепляется, выделившиеся нейтроны редко достигают другие такого же атома. Поэтому высвобождается энергия одного ядра, которую можно зафиксировать с помощью специальных счетчиков. Чтобы получить ядерное топливо, добытую руду очищают и обогащают. Обогащение означает разделение U-238 и U-235 с получением материала, в котором концентрация U-235 повышена. Функция ядерного реактора на АЭС заключается в поддержании непрерывной цепной реакции, которая не должно переходить в ядерный взрыв. Это достигается путем обогащения руды до содержания в нем 3 % U-235 и 97 % U-238. Такая низкая степень обогащения не позволяет цепной реакции выйти из-под контроля.

Захватывая нейтроны n, U-235 превращается в крайне неустойчивый U-236, который расщепляется на 2-3 осколка более легких элементов (бром Br, иод I, криптон Kr, барий Ba и другие). Образующийся «дефект массы» вызывает выделение большого количества энергии и рождение новых двух-трех нейтронов, обеспечивающих дальнейшее протекание ядерной реакции. Эти новые n обладают огромной скоростью (около 20000 км/с) и начальной энергией в несколько млн. электрон-вольт. Захват нейтронов n ядрами U-235 эффективен, если движение нейтронов n в реакторе замедлить до 2 км/с. При этом появляется возможность управлять цепной реакцией в реакторе. Замедление «быстрых» нейтронов n происходит с помощью тяжелой воды или графита.

Возможна реакция и на быстрых нейтронах. Часть нейтронов захватывается ядрами неделящегося U-238, который составляет основную «начинку» ТВЭЛов. При этом появляется новое ядерное «горючее» – плутоний-239, который в природе не встречается из-за относительно малого периода полураспада: ²³⁸₉₂U + n → ²³⁹₉₂U → ²³⁹₉₃Np → ²³⁹₉₄Pu.

Pu-239 является более эффективным ядерным «горючим», чем U-235 и используется для создания ядерного оружия. Вместо U-238 можно использовать торий-232. В этом случае конечным продуктом является U-233: ²³²₉₀Th + n → ²³³₉₀Th –_{23,5 мин.} → Pa –_{27,4 мин} → ²³³₉₂U.

Через три года эксплуатации отработанные ТВЭЛы вынимают из реактора и около трех лет выдерживают на АЭС в спец. бассейнах. За это время полностью распадаются накопившиеся в ТВЭЛах радиоактивные продукты (радионуклиды) с малым периодом полураспада. После этого из ТВЭЛов выделяют Pu-239, а отходы готовят к захоронению. Захоронению подлежат и сами реакторы, срок службы которых составляет 30-40 лет.

Еще большую проблему представляет захоронение различных радиоактивных веществ, накопившихся в ходе многолетней наработки плутония Pu для ядерного топлива на всех АЭС. Именно радиоактивные отходы и возможность аварий на АЭС вызывают всеобщую тревогу. Чтобы оценить опасность ядерной энергетики, надо представить себе, что такое радиоактивные вещества и в чем суть их воздействия на окружающую среду. При делении какого-либо тяжелого элемента, образующиеся легкие атомы представляют собой нестабильные изотопы, которые, переходя в стабильное состояние, испускают элементарные частицы и высокоэнергетическое радиоактивное излучение. Сами же нестабильные изотопы называют радиоактивными веществами. Кроме непосредственных продуктов деления ядерного топлива нестабильными могут стать и другие вещества внутри и вокруг реактора, поглотив испускаемые при ядерной реакции n. Все эти прямые и косвенные продукты расщепления называются радиоактивными отходами АЭС.

Отходы классифицируются по различным признакам:

1. по агрегатному состоянию – твердые – детали реактора на АЭС, инструменты, спец.одежда; жидкие – вода, используемая в технологическом процессе на АЭС и т.п.; газообразные – изотопы криптона, особенно ⁸⁸Kr.

2. по периоду полураспада – короткоживущие t1/2 < 1года; среднего времени жизни 1год< t1/2 < 100 лет; долгоживущие t1/2 > 100 лет.

3. по удельной активности – низкоактивные менее 0,1 Кu/м³; среднеактивные 0,1-1000 Кu/м³; высокоактивные свыше 1000 Кu/м³.

4. по составу излучения – α – излучатели (испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов – ядро атома Не); β – излучатели (испускание атомом электронов); γ – излучатели (выброс электромагнитного излучения); нейтронные излучатели.

До сих пор не решена проблема радиоактивных отходов. Наиболее распространенный способ их уничтожения – захоронение.

Из таких же веществ состоят радиоактивные осадки при ядерном взрыве. Радиоактивные излучения приводят к очень серьезным заболеваниям, так как разрушают молекулы в составе клеток. Облучение тканей организма при ядерном распаде вызывает процессы ионизации и образования радикалов. Мягкие ткани состоят главным образом из воды, и основные реакции протекающие под действием облучения, связаны с ее распадом (радиолизом). В первую очередь молекулы воды дают сольватированные электроны (е_водн.), т.е. электроны, окруженные гидратной оболочкой. При этом образуются два радикала: Н₂О → Н∙ + ОН∙ + е_водн. Продолжительность существования этих продуктов распада около 1мс. В окислительных условиях в живых клетках в дальнейшем образуются новые радикалы. Это ведет к возникновению множества дальнейших реакций, которые отражаются на функциях пораженных тканей организма. Сильная склонность к кровотечению после получения больших доз облучения позволяет сделать вывод о повреждении мембран клеток. Радикалы Н∙ и е_водн. реагируют с основаниями нуклеиновых кислот. Частично измененные основания при синтезе нуклеиновых кислот вступают в реакции с новыми партнерами, что приводит к образованию ложных нуклеотидов и возникновению мутаций. При синтезе нуклеиновых кислот кроме нарушения нормального образования пар оснований происходит и разрыв мостиков в структуре ДНК. В то время как разрыв отдельных мостиков может быть скомпенсирован их восстановлением, массовое разрушение мостиков может привести к выпадению целых сегментов в молекуле ДНК. После получения высоких доз облучения, как и после взаимодействия с определенными веществами мутагенного действия, можно с помощью микроскопа наблюдать полностью разрушенные хромосомы.

Таким образом, использование ископаемого и ядерного топлива противоречит принципу устойчивого развития, так как эти ресурсы невозобновляемы, а применение их загрязняет окружающую среду. Движение к устойчивому обществу требует постепенного устранения зависимости от ископаемого и ядерного топлива и перехода к альтернативным источникам энергии.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

К этой группе источников энергии относятся источники, основанные на применении возобновляемых энергоресурсов (солнечной радиации, энергии ветра, воды).

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. Солнечная энергия – эта кинетическая энергия излучения, образующаяся в результате термоядерных реакций в недрах Солнца. Так как ее запасы практически неистощимы (подсчитано, что Солнце будет «гореть» еще несколько млрд. лет) ее относят к возобновляемым энергоресурсам. Полная мощность излучения Солнца выражается астрономической цифрой – 4∙10¹⁴ млрд. кВт. На каждый квадратный метр суши приходится около 0,16 кВт. Для всей же поверхности Земли количество падающей солнечной энергии составляет 10⁵ млрд. кВт, что в 20 тыс. раз превышает производство всех известных видов энергии.

В естественных экосистемах лишь 1 % солнечной энергии поглощается листьями и используется для фотосинтеза. Она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органического вещества. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем. Подсчитано, что примерно такого же процента солнечной энергии достаточно для обеспечения всех нужд транспорта, промышленности и нашего быта. Кроме того, независимо от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится. Весь вопрос в том, как преобразовывать энергию падающего излучения Солнца в доступную для практического использования электрическую энергию. Также надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение ночью и в пасмурные дни. Сейчас энергия солнечного излучения в основном используется для получения в основном низкопотенциальной тепловой энергии (до 100⁰С) для нужд коммунального хозяйства, в сельском хозяйстве и частично в промышленности. Это различного рода водо- и воздухонагреватели, теплицы, сушилки, опреснители воды и т.д. Световое излучение можно улавливать и использовать непосредственно, когда оно достигает Земли. Это называется прямым использованием солнечной энергии. Существует несколько таких методов, доступных в настоящее время.

1. Фотогальванические элементы (ФГ) или фотоэлектрические преобразователи. Поток фотонов от Солнца попадает на верхнюю часть двухслойного полупроводника (например, кремния). Фотоны возбуждают электроны, и они мигрируют к поверхности раздела между кремнием различных типов. При этом создается избыток электронов на верхней поверхности раздела, поэтому здесь образуется разность потенциалов. Такая разность потенциалов составляет около 0,8В. Для того чтобы получить больший потенциал, следует соединить последовательно большее число кремниевых элементов. При увеличении площади кремния элементов можно получить ток желаемой величины. В этом случае используются полупроводниковые свойства кремния Si (или германия Ge). Полупроводник – вещество, электрическое сопротивление которого имеет промежуточное значение между значениями электрических изоляторов (диэлектриков) и проводников. Полупроводники n-типа (электронные) имеют в кристаллической решетке избыточные электроны, а следовательно, обладают эффективным отрицательным зарядом. Полупроводники р-типа (дырочные) имеют в кристаллической решетке «электронные дырки», то есть эффективные положительные заряды. Электроны, текущие через кремниевую пластинку р-типа, останавливаются на стыке (переходе) между двумя пластинками. Этот стык называется n-р-переходом. Электроны, идущие в обратном направлении, проходят через переход, чтобы заполнить «дырки» в слое р-типа.

При осуществлении фотогальванического метода преобразования энергии возникают трудности экономического характера. К таким трудностям относится получение кремния нужного качества. SiО₂ (кремнезем), является одним из наиболее распространенных веществ на Земле. Но для получения химически чистого кремния, необходимо осуществить восстановительную стадию, чтобы выделить материал из имеющегося в изобилии кремнезема. Трудности заключаются в следующем:

• для ФГЭ нужно получить материал исключительно высокой чистоты. Электроны, возбужденные фотонами, теряют энергию при столкновении с атомами примесей; при этом они теряют высокую энергию, которой обладали в зоне проводимости, и, попадая снова в валентную зону вещества (если это полупроводник) с меньшей энергией, больше не участвуют в диффузии. В результате они не достигают поверхности раздела между двумя типами кремния и не участвуют в создании разности потенциалов.

• кремний нужно получить в виде монокристалла или в виде материала с высокой степенью монокристалличности. Так как большинство материалов являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа индивидуальных кристалликов, то возбужденные электроны будут перемещаться от одного кристаллика к другому, дезактивируясь при столкновении с гранями кристалликов. Из-за этого лишь незначительное число электронов достигнет поверхности раздела, и примет участие в создании разности потенциала. Достаточно высоким напряжением обладают только чистые монокристаллы кремния. Поэтому этот метод использования энергии Солнца является весьма дорогостоящим. Но в противоположность атомной энергетике преобразователь солнечной энергии является целиком и полностью «чистым».

2. Метод зеркального гелиоконцентрата более простой, чем ФГ метод. Установка содержит ряд зеркал, образующих следящую систему, которая поворачивается вслед за Солнцем. Целью этого движения является слежение за Солнцем в течение дня, при этом фокус зеркал, установленных в строго определенном порядке, собирает всю солнечную энергию. Площадка, на которой находится зеркало, направленное в данный момент на Солнце, является частью кипятильника, установленного на башне на несколько десятков метров выше ряда зеркал. Кипятильник заполняется рабочей жидкостью, например водой или жидкостью с низкой температурой кипения типа аммиака. Кипятильник работает как обычная тепловая машина.

3. Солнечные коллекторы. Прямое использование солнечной энергии идеально подходит для отопления, горячего водоснабжения. Достаточно плоского коллектора. Существует множество разновидностей коллекторов, но у всех есть черная поверхность, а над ней «окно» из стекла или прозрачной пластмассы. Эта поверхность поглощает световую энергию и превращает ее в тепловую, а «окно» не позволяет теплу рассеиваться в пространство. Воздух для нагреваний пропускают между черной поверхностью и окном, а воду – по трубам внутри самой поверхности. Затраты на улавливание солнечной энергии и преобразование ее в тепловую сводится к минимуму.

4. Солнечные пруды. Искусственный водоем частично заполняется рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему слою остыть. Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещение.

К недостаткам всех перечисленных установок преобразования солнечной энергии относится то, что для них необходимы большие площади, не менее чем на три порядка больших, чем для ТЭС той же мощности, причем недалеко от потребителя (в пределах 80 км). Иначе потери при передаче электроэнергии будут недопустимо высоки. Также, любой способ преобразования солнечной энергии отличается высокой материалоемкостью (алюминий, кремний и другие); при отборе солнечного тепла будет происходить похолодание, пропорциональное количеству преобразованной солнечной энергии. Этим эффектом можно пренебречь при строительстве маломощных домашних устройств, но не при проектировании крупных солнечных электростанций (СЭС), которые должны вносить заметный вклад в энергетический баланс страны и занимать сотни км². По мнению академика Капицы, применение фотопреобразователей с высоким коэффициентом полезного действия может привести к падению температуры, из-за которого начнется конденсация водяного пара в атмосфере и, следовательно, прекратят работу фотоприемники.

Солнечная энергия обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха, накопление органического вещества в биосфере. Все это различные преобразованные формы энергии Солнца, полностью зависят от его падающего на Землю излучения. Обращаясь к этим энергоресурсам, идет непрямое использование солнечной энергии.

БИОЭНЕРГЕТИКА. Биоэнергетика – это использование в качестве источника энергии биомассы. Биомасса – это любая органика, образующаяся за счет фотосинтеза. Ее энергетическое использование – непосредственное применение в виде топлива или переработка в различные его виды. Здесь существует несколько способов.

1. Прямое сжигание – это топка печей дровами. Этот вид использования биомассы самый простой, но экологически грязный, т.к. идет загрязнение атмосферы и уничтожение лесных экосистем.

2. Получение бензоспирта. Первой страной, начавшей крупномасштабное производство из сахарного тростника как автомобильного горючего, является Бразилия:

С₆Н₁₂О₆ (глюкоза) → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂. Но это топливо не лишено недостатков. Во-первых, в качестве исходных продуктов используются пищевые продукты (сахарный тростник, зерновые). Во-вторых – загрязнение окружающей среды. Хотя сгорание спирта – довольно чистый с экологической точки зрения процесс, его производство очень «грязное» из-за использования для перегонки др. топлива (например, угля), причем оно требуется в больших количествах. Поэтому спирт очень дорогой продукт.

3. Получение биогаза (биометаногенез). Питание бактерий органикой в анаэробных условиях сопровождается выделением биогаза, на 2/3 состоящего из метана СН₄. Процесс биометаногенеза осуществляется бактериями в три стадии.

На первой стадии происходит растворение и гидролиз сложных органических соединений до пропионовой, масляной и молочной кислот:

Вторая стадия – ацидогенез – идет под действием уксуснокислых бактерий:

Третья стадия – метаногенез – идет под действием метанобактерий:

Биогаз состоит в основном из метана СН₄ (65 %) и углекислого СО₂ (30 %). Его теплотворная способность составляет 23000 кДж/м³.

В строго анаэробных условиях метан можно получить из ароматических соединений. Этот процесс используется также при утилизации отходов и детоксикации сточных вод. В природе этим путем может идти биотрансформация некоторых биоцидов:

суммарное уравнение: 4С₆Н₅СООН + 12Н₂О → 15СН₄ + 13СО₂.

Используя сельскохозяйственные отходы и экскременты животных, а также, что очень важно с экологической точки зрения, канализационные и промышленные стоки, можно получать значительные количества топлива в виде метана СН₄ в специальных реакторах – дайджестерах. В некоторых странах (Индия, Китай, Филиппины) разработаны национальные энергетические программы, нацеленные на производство биогаза. А в Китае многие фермеры специально сбраживают навоз и получаемого биогаза хватает на удовлетворение всех энергетических нужд хозяйства. Таким образом, использование биогаза в качестве источника энергии таит в себе большие возможности.

ГИДРОЭНЕРГЕТИКА. Выработка электроэнергии на гидроэнергетических установках не сопровождается загрязнением окружающей среды. Полные расчетные гидроресурсы рек планеты оцениваются в 1000 трлн. кВт/час. Гидроресурсы, которые можно реализовать с помощью гидроэлектростанций (ГЭС), примерно в 30 раз меньше. По оценкам специалистов, даже при полном использовании потенциала всех рек планеты, гидроэнергетика может обеспечить человечество электроэнергией не более чем на 25 %. На территории бывшего СССР находится 12 % мировых гидроресурсов, эффективность использования которых составляла 20 %. В развитых странах эффективность использования гидроресурсов выше: в Канаде – 50 %, в Японии 62, в Швеции и Италии – 74, во Франции и Швейцарии – 90, в США – 44 %.

Существует 3 вида гидроэнергетических установок (ГЭУ):

1. гидроэлектрические станции (ГЭС) используют энергию рек. ГЭС представляют собой наиболее простые устройства для получения электроэнергии. ГЭС имеют очень высокий коэффициент полезного действия (кпд) (93 %), в то время как кпд ТЭС – 40 %. ГЭС являются мобильными установками и свободно меняют свою мощность. На них гораздо легче, чем на АЭС или ТЭС пускать или останавливать агрегаты, нет ограничений по скорости изменения их мощности. Поэтому ГЭС имеют важное значение как дешевый источник энергии.

Отрицательное воздействие ГЭС на окружающую среду проявляется в следующем:

• затопляются земли, часть которых относится к высокопродуктивным сельскохозяйственным и лесным угодьям. Затопленные плодородные почвы обогащают воду большим количеством биогенных элементов, что приводит к развитию процессов эвтрофикации и вызывает резкое ухудшение качества воды;

• наличие плотины является практически непреодолимым препятствием для нерестового хода рыб, что отрицательно сказывается на состоянии рыбных запасов;

• к отрицательным последствиям относят также увеличение потерь воды на испарение, локальное изменение климата, нарушения в режиме грунтовых вод и так далее;

• создание крупных водохранилищ можно способствовать возникновению или повышению сейсмической активности в прилегающих к ним районах.

2. гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) способны накапливать и использовать энергию озер и искусственных водоемов. ГАЭС используют ту гидравлическую энергию, которая специально ими же накоплена. Они объединяют две установки: турбинную и насосную. Насосная установка позволяет накачать воду из реки в специальный бассейн. На это затрачивается энергия. В требуемое время вода из бассейна может быть пропущена через турбины, которые стоят на станции под напором, и тем самым будет получена определенная энергетическая мощность. Коэффициент полезного действия ГАЭС – 70-80 %. Создание ГАЭС связано с проблемой пиковой энергии. Электроэнергия потребляется неравномерно – больше всего утром и вечером. Для покрытия кратковременных пиков и существуют ГАЭС. Ночью они, потребляя энергию ТЭС или АЭС, накачивают воду в бассейн и создают запас энергии. В часы пика нагрузки эта энергия используется. Недостатки ГАЭС те же, что и у ГЭС.

3. приливные электростанции (ПЭС) используют энергию приливов и отливов морей и океанов. Морские приливы и отливы – следствие воздействия на Землю (на ее водную поверхность) лунного (главным образом) и солнечного притяжений, а также воздействия центробежных сил, образовавшихся в результате вращения систем Земля-Луна и Земля-Солнце. Приливы и отливы происходят два раза в сутки. Максимальное поднятие воды (полная вода) над минимальным опусканием уровня воды (малая вода) составляет в открытом океане около 1 м. Но в зависимости от очертания береговой линии, а также географической широты, глубины моря вблизи суши и других факторов, величина прилива может быть гораздо больше. В некоторых местах разность уровня моря во время приливов и отливов достигает 18 м (например, побережье Атлантического океана). Но таких мест на Земле мало. Так как приливная волна периодически изменяется (волна то наступает на берег, то отступает), то в соответствии с ней меняются напор и мощность станции. Первая ПЭС мощностью 240 тыс. кВт была построена во Франции в 1967 г. в месте впадения реки Роны в Ла-Манш. Устье реки было перегорожено дамбой длиной 700 м. В теле дамбы установлены «обратимые» гидроагрегаты, вращающиеся в одну стороны при приливе и в обратную при отливе. Стоимость сооружения ПЭС на Роне в 2,5 раза превысила стоимость обычной речной ГЭС такой же мощности.

Главный недостаток ПЭС – их вынужденный режим. ПЭС дают свою мощность, когда этого требует потребитель, а в зависимости от приливов и отливов волны. По мнению академика Капицы, есть еще более серьезные последствия использования ПЭС: строительство ПЭС большой мощности (сотни гигаватт) – а именно такие нужны для компенсации дефицита горючих ископаемых, на доли секунды замедлит вращение Земли. Последствия этого трудно даже предположить.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА. Ветер – движение воздуха относительно поверхности Земли, также имеет солнечное происхождение. Поверхность Земли в разных местах имеет различную степень черноты. Поэтому различные участки Земли под действием солнечной радиации нагреваются до различной температуры. Следовательно, и нижние слои атмосферы имеют неравномерный нагрев. Из-за этого неодинаково давление воздуха на одной и той же высоте, то естьь в атмосфере существует горизонтальное распределение давления. Это приводит к перемещению больших масс воздуха и возникает ветер. Наряду с энергией воды и домашних животных, ветер также используется с глубокой древности (ветряные мельницы). Сейчас используются ветротурбины. Чем больше площадь лопастей ветротурбин, тем больше энергии она позволяет получить. Очень эффективно использование комплексов небольших по размерам ветротурбин с размахом лопастей около 17 м и мощностью порядка 100кВт. От 50 до нескольких тысяч таких установок объединяют в ветроэлектростанцию (ВЭС). Например, в Калифорнии ВЭС в 17 тыс. ветротурбин суммарной мощностью 1500 МВт, заменяют полторы АЭС. Стоимость сооружения этих установок всего 1,25$ в пересчете на ватт, в то время как для ТЭС и АЭС расходы составляют 3 и 5$ соответственно.

Отрицательное воздействие ВЭС на окружающую среду проявляется в следующем:

1. для изготовления десятков тысяч ветряных колес и башен придется резко увеличить производство алюминия или стеклопластика, а это весьма грязные производства;

2. при мощности одной установки в 250 кВт возникает шум силой 50-80дБ;

3. ветряные колеса генерируют опасные инфразвуковые колебания, которые весьма неблагоприятно действуют на организм, причем до такой степени, что территория самой ВЭС и прилегающие к ней участки становятся непригодными для жизни людей и животных;

4. возникают сильные радиопомехи;

5. нарушаются траектории движения перелетных птиц, ликвидируются места традиционного обитания птиц;

6. из-за крупномасштабного использования энергии ветра, он может рассеиваться; изменится «роза ветров», и следовательно, может нарушится климатическое равновесие, перенос влаги и тепла не только в районе, где построена ВЭС, но и далеко за его пределами;

7. ветровые установки требуют огромных территорий.

Трудность использования энергии ветра заключается также в его непостоянстве, как по силе, так и по направлению.

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. В недрах Земли в результате распада природных радиоактивные веществ идет постоянное высвобождение энергии. Поэтому внутренняя часть нашей планеты представляет собой расплавленную горную породу, которая время от времени вырывается наружу в виде вулканических извержений. Тепло земных недр и называется геотермальной энергией. Она практически неисчерпаема и вечна. Геотермальную энергию можно использовать и в тех местах, где с горячими горными породами соприкасаются грунтовые воды. Пар можно добывать, пробурив скважину от перегретых водоносных горизонтов, и с его помощью привести в движение турбогенераторы. К концу 90х годов общая мощность установок, работающих на геотермальной энергии, составляло около 5000 МВт. В общей сложности геотеплоэлектростанции (ГЕОТЭС) вырабатывают около 0,1 % от суммарной мощности электростанций мира.

На пути крупномасштабного использования геотермальной энергии есть проблемы. Горячие пар и вода, выносимые на поверхность Земли, содержат высокие концентрации солей и др. загрязнителей, в частности соединений серы. Эти примеси вызывают быструю коррозию турбин и др. оборудования, а выбрасываясь в конечном итоге в ОС, загрязняют воздух и воду. При закачивании воды фиксируются микроземлетрясения. Недавно обнаружилось, что ГЕОТЭС гораздо более радиоактивны, чем ТЭС в основном за счет радиоактивного радона и продуктов его распада. Установлено, что из всех естественных источников радиации радон является наиболее опасным. Он ответственен за 3/4 индивидуальной эффективной годовой дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и ½ дозы от всех естественных источников радиации. Кроме этого, мест с геотермальными водами невелико и многие из них расположены далеко от потребителя.

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. В 70-е годы впервые возникла идея о том, что для уменьшения загрязнения ОС в результате сжигания ископаемых топлив целесообразна замена их на Н₂. О водороде стали все чаще говорить как о «топливе будущего». Это легко воспламеняющийся газ, который можно использовать в быту вместо природного; Н₂ может служить автомобильным горючим. Теплотворная способность водорода Н₂ – 120000 кДж/кг. Использование водорода гораздо чище с экологической точки зрения, так как единственным продуктом горения является вода Н₂О. Таким образом, значительно сократилось бы загрязнение атмосферы. Водород самый распространенный элемент на Земле, но он практически не встречается в свободном виде, так как окисляется до воды. Это единственная серьезная преграда на пути крупномасштабного использования водорода в качестве горючего топлива. Следовательно, нужны перспективные методы его получения, хотя способов синтеза Н₂ много. Простейшие из них – взаимодействие водных растворов кислот и оснований с металлами:

Заслуживают внимания три варианта получения Н₂ из органического сырья:

1. паровая конверсия метана СН₄, являющегося главным компонентом природного газа:

СН₄ + Н₂О → СО + 3Н₂ – 50 ккал

СО + Н₂О → СО₂ + Н₂ + 10 ккал

СН₄ + 2Н₂О → СО₂ + 4Н₂ – 40 ккал – суммарное уравнение.

2. паракислородная конверсия метана СН₄ – более совершенный вариант:

2СН₄ + О₂ → 2СО + 4Н₂ + 16 ккал

СН₄ + Н₂О → СО + 3Н₂ – 50 ккал

7СН₄ + 3О₂ + Н₂О → 7СО + 15Н₂ – 34 ккал – суммарное уравнение.

Как следует из уравнений, в обоих вариантах требуется затрата больших количеств дефицитного природного газа как исходного сырья.

3. газификация угля: 2С + О₂ → 2СО + 55 ккал; С + Н₂О → СО + Н₂ – 30 ккал. Комбинацией этих двух реакций можно получить смесь водорода и угарного газа, называемого «водяным газом». В последнее время метод получения водорода из воды и угля считается одним из наиболее перспективных. Но уголь – ограниченный ресурс.

Очень перспективным, по мнению специалистов, является вариант использования водяного газа для восстановления окислов железа при 800-900⁰С: 2Fe3O4 + CO + H2 → 6FeO + H2O + CO2 – 22 ккал с последующей обработкой FeO водяным паром при 600-700⁰С. После конденсации паров воды можно получить чистый Н₂: 3FeO + Н₂О → Fe3O4 + Н₂ + 16 ккал. Экономичность процесса здесь возрастает из-за того, что последняя реакция экзотермична и позволяет некоторое количество выделяющегося тепла использовать для нагрева водяного газа до температуры, при которых в соответствии с последней реакцией имеет место восстановления оксидов железа.

Казалось бы, самым простым и чистым способом получения водорода должен быть электролизный способ, непосредственно расщепляющий молекулу воду на водород и кислород. Но этот процесс сам требует много электроэнергии и экономически пока еще остается невыгодным.

Термолиз (термораспад) воды также нерентабельный процесс, так как при температуре 2000⁰С выход водорода составляет 1 %. Но вместо термолиза напрямую предложили термохимические циклы, где водород получают в несколько стадий.

Один из циклов Mark – 1: 2CuBr2 + 4H2O → 2Cu(OH)₂ + 4HBr (730⁰C);

4HBr + Cu₂O → 2CuBr₂ + H₂O + H₂ (100⁰C);

2CuBr₂ + 2Cu(OH)₂ → 2CuO + 2CuBr₂ + 2H₂O (100⁰C);

2CuO → Cu2O + 1/2O2 (100⁰C).

Отрицательное воздействие водородной энергетики на окружающую среду следующее:

• при горении водорода на воздухе развиваются температуры, достаточные для окисления азота. Поэтому кроме воды среди продуктов горения есть некоторое количество оксидов азота NхО_у;

• 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, необходимо затратить эквивалентное количество первичной энергии, которая не является экологически чистой. Значит, загрязнение из одного региона (где водорода потребляют) переносится в другой (где его получают);

• низкая плотность, взрывоопасность, высокая диффузионная подвижность требуют для работы с водородом новых материалов и технологий, которые вряд ли будут экологически чистыми;

• еще одна проблема – это аккумулирование водорода. Расход водорода, как и любого другого энергоносителя, будет неравномерным. Следовательно, нужно заранее проектировать устройства для его аккумулирования. На сегодня лучшими являются интерметаллические аккумуляторы (трехкомпонентные сплавы на основе редкоземельных элементов). Следовательно, нужно увеличение производства редкоземельных элементов, что не безопасно с точки зрения охраны окружающей среды.

Таким образом, использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии и энергосбережение, возможно, решат энергетические проблемы.

Немецкие ученые подсчитали мировой технический потенциал альтернативных источников энергии в год (млрд. тонн условного топлива):

биомасса – 5,6;

гидроэнергия – 2,8;

энергия ветра – 2,8;

геотермальная энергия – 1,9;

энергия приливов – 0,9;

энергия Солнца – 6,3;

всего – 20,3 млрд. тонн условного топлива.

Для сравнения – первичной энергии используется 9 млрд. тонн условного топлива.

1. Проблемы энергетики и причины их возникновения.

2. Какова роль химии в решении энергетических проблем?

3. Классификация энергоресурсов.

4. Традиционные виды топлива, их характеристика.

5. Основные продукты переработки нефти.

6. Перспективы развития синтетического топлива.

7. Влияние энергетики на окружающую среду.

8. Что такое тепловыделяющие элементы, где их используют?

9. Проблемы ядерной энергетики.

10. Альтернативные источники энергии, их характеристика.

11. Какие существуют альтернативные источники энергии, в использовании которых преобладают химические процессы?

12. Какие способы получения водорода вам известны?

13. Что такое биогаз? Способы его получения.