Экологические последствия развития солнечной энергетики

Данная статья посвящена вопросам изучения взаимосвязи развития солнечной энергетики и угрозы роста экологических проблем. Актуальность выбранной темы обусловлена тем фактом, что основной фактор развития цивилизации на сегодняшний день — это непосредственно использование различных источников энергии. На данный момент ни для кого не секрет, что углеродные ресурсы весьма быстрыми темпами истощаются, и ежели поиски альтернативных источников энергии в ближайшем будущем не увенчаются успехом, то в таком случае перспективы цивилизации нашей абсолютно невелики. Так, из возможных преемников, что способны подхватить эстафету традиционной энергетики, самой привлекательной среди альтернативных энергетических источников является именно солнечная энергия, которую считают экологически чистой потому, что она уже миллиарды лет поступает на нашу Землю и, соответственно, все процессы земные с ней давно уже свыклись. Но в последние годы ученые все чаще ставят вопрос о огромном влиянии солнечной энергетики на экологию нашего мира. Так, потоки солнечной энергии просто обязаны быть взятыми людьми под контроль и использоваться максимально, но при сбережении уникального земного климата.

Ключевые слова: солнечная энергия, энергетика, экология, экологические проблемы, климат, окружающая среда.

Солнечная энергетика — это направление альтернативной энергетики, которое основано на непосредственном применении солнечного излучения в целях получения энергии. Солнечная энергетика применяет возобновляемые источники энергии, она является «экологически чистой», не производящей отходов в процессе использования. Производство энергии при помощи солнечных электростанций отлично сочетается с концепцией распределяемого производства энергии.

Энергетика в современном мире является основой развития основополагающих отраслей промышленности, определяющих общий прогресс производства. Во всех промышленных развитых государствах темпы развития энергетики опережают темпы развития остальных отраслей [4, с. 71].

Использования энергии является важным условием существования человечества. Доступная для потребления энергия всегда была необходима для удовлетворения многих потребностей человека, улучшения условий и увеличения продолжительности его жизни.

При этом энергетика — это один из очагов неблагоприятного воздействия на человека и окружающую среду. Она оказывает влияние на атмосферу (выбросы газов, потребление кислорода, влаги, твердых частиц), гидросферу (создание искусственных водохранилищ, потребление воды, сбросы нагретых и загрязненных вод, жидких отходов), на литосферу (изменение ландшафта, потребление ископаемых топлив, выбросы токсичных веществ).

В процессе производства фотоэлементов объем загрязнений не превышает допустимый уровень для производственных предприятий микроэлектронной промышленности. Фотоэлементы имеют заданный срок службы, который составляет 30–50 лет. Использование кадмия, при производстве некоторых видов фотоэлементов в целях повышения эффективности преобразования, образует сложный вопрос их обезвреживания и утилизации, который не имеет приемлемого решения с экологической точки зрения, хотя такие элементы распространены незначительно, и при современном производстве соединениям кадмия уже найдена достойная альтернатива [7, с. 102].

В последнее время усиленно развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, которые содержат в своем составе всего 1 % кремния относительно массы подложки, куда наносятся тонкие плёнки. Благодаря малому расходу материалов на поглощающий слой, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы обходятся дешевле в производстве, однако пока имеют неустранимую деградацию характеристик и меньшую эффективность во времени. Также распространено производство тонкоплёночных фотоэлементов на иных полупроводниковых материалах, например, Смиг, серьезный конкурент кремнию. Так, в 2005 году корпорация «Shell» приняла решение сконцентрировать производство на тонкоплёночных элементах, и продала бизнес по производству нетонкоплёночных (монокристаллических) кремниевых фотоэлектрических элементов [7, с. 107].

С учетом отмеченных факторов негативного влияния энергетики на окружающую среду, прирост потребления энергии особой тревоги у общественности не вызывал. Так продолжалось до 70-х годов, когда специалисты объявили о многочисленных данных, свидетельствующих о значительном антропогенном давлении на климат, что таит угрозу катастрофы при неконтролируемом возрастании уровня энергопотребления. С тех времен ни одна другая проблема такого пристального внимания не привлекает, как проблема настоящих и предстоящих изменений климата.

Принято считать, что одной из основных причин этого изменения стала энергетика. Под энергетикой понимается любая область деятельности человека, связанная с потреблением и производством энергии. Значительная часть энергетических ресурсов обеспечивает энергией, освобождающейся при сжигании ископаемого топлива (угля, газа и нефти), что приводит к выбросу огромного количества веществ в атмосферу.

Подобный упрощенный подход наносит реальный вред экономике всего мира и может нанести особенно сильный удар по экономике стран, которые не достигли требуемого для окончания индустриальной стадии развития уровня использования энергии. Россия относится в число этих государств. При этом на самом деле все обстоит сложнее. Кроме парникового эффекта, проблема которого по большему счету основывается на энергетике, на климат нашей планеты оказывает влияние множество естественных причин, к которым относятся в особенности солнечная активность, параметры орбиты Земли, вулканическая деятельность, автоколебания в системе «атмосфера и океан». Корректный анализ проблемы можно провести только с учетом целого комплекса факторов, при этом, конечно, необходимо уточнить вопрос, как будет реагировать мировое энергопотребление в будущем, на самом ли деле человечеству следует установить самоограничения в использовании энергии для того, чтобы избежать глобального потепления [1, с. 387].

Большинство объемов электроэнергии производится на ТЭС (тепловых электростанциях). Далее идут ГЭС (гидроэлектростанции) и АЭС (атомные электростанции).

В большинстве стран доля электроэнергии, вырабатываемой с помощью ТЭС, более 50 %. На ТЭС в качестве топлива обычно используются мазут, газ, уголь, сланцы. Ископаемое топливо можно отнести к невозобновимым ресурсам. В соответствии с оценками экспертов угля на планете может хватить только на 100–300 лет, природного газа на 40–120 лет, нефти на 50–80 лет [1, с. 388].

Параллельно с топливом ТЭС использует значительное количество воды. Коэффициент полезного действия (КПД) ТЭС составляет 36–39 %. Типичная ТЭС мощностью в 2 млн. кВт каждые сутки потребляет 18 000 тонн угля, 150 000 м3 воды, 2500 тонн мазута. На охлаждение обработанного пара на ТЭС применяется 7 млн. м3 воды (каждые сутки), что приводит к загрязнению водоема-охладителя [1, с. 388].

ТЭС свойственно высокое токсичное и радиационное загрязнение окружающей среды. Обусловлено это тем, что самый обычный уголь и его зола содержат примеси ряда токсичных элементов, в том числе урана, причем в значительных концентрациях. При строительстве ТЭС или даже их комплексов загрязнение более значительно. Могут появляться новые эффекты, такие, как обусловленные высокой скоростью сжигания кислорода по сравнению со скоростью его образования посредством фотосинтеза земных растений, или вызванные ростом концентрации в приземном слое углекислого газа [1, с. 389].

Из источников топлива самым перспективным является уголь (запасы угля огромны, если сравнивать с запасами газа и нефти). Основные запасы угля находятся в России, США и Китае. При этом в настоящее время большая часть энергии вырабатывается на ТЭС благодаря использованию нефтепродуктов. Так, структура запасов топлива не соответствует объемам его современного потребления. В перспективе — полный переход на новую структуру использования ископаемого топлива (угля) начнет вызывать значительные экологические проблемы, изменения в промышленности и материальные затраты. Ряд государств уже начал базовую перестройку энергетики [6, с.45].

Если анализировать ГЭС, то в данном случае основными достоинствами являются:

-          быстрая окупаемость (себестоимость около в 4 раза меньше, а окупаемость в 4 раза быстрее, нежели на ТЭС);

-          низкая себестоимость полученной электроэнергии;

-          высокая маневренность, а это очень важно во время пиковых нагрузок;

-          аккумуляция энергии.

Однако даже при полном применении потенциала всех рек планеты можно обеспечить максимум четверть современных потребностей человечества. На территории России используется не более 20 % гидроэнергетического потенциала. При этом в развитых странах эффективность применения гидроресурсов в 3 раза выше, то есть здесь у России видны определенные резервы. Однако строительство ГЭС (в особенности на равнинных реках) приведет ко многим проблемам с экологией. Водохранилища, необходимые для равномерной работы ГЭС, создают условия для изменения климата на территориях на расстоянии до сотен километров [3, с. 97].

Сине-зеленые водоросли, которые могут развиваться в водохранилищах оказывают влияние на процессы эвтрофикации (а именно ускоряют) и, к сожалению, это оказывает негативное влияние на качество воды, а также функционирование экосистем. Зачастую при строительстве водохранилищ имеет место быть нарушение естественных нерестилищ, а также подтопление большого количества плодородных земель. Также определенные изменения касаются уровня подземных вод.

Большую перспективность представляют ГЭС, которые строят на горных реках. Причина этого — больший энергетический потенциал рек горного плана по сравнению с обыкновенными, равнинными. Также, можно отметить, что при строительстве водохранилищ в горных районах не происходит затопления плодородных земель (в больших объемах).

Рассмотрим атомные электростанции, которые во время работы не вырабатывают углекислый газ. При этом, уровень загрязнения атмосферы другими элементами низкий, по сравнению с ТЭС. Можно отметить, что количество радиоактивных веществ, которые будут образовываться во время работы ничтожно мало. Уже длительный период времени АЭС считались полноценной заменой ТЭС, в плане экологичности и влияния на глобальное потепление. Но в тоже время, вопрос безопасности использования АЭС еще не до конца решен. Можно отметить, что процесс замены ТЭС на АЭС невозможно выполнить в массовом формате, ведь это сопровождается большим количеством финансовых затрат [5, с. 187].

Однако, Чернобыльская катастрофа значительно изменила понимание большинства население касательно безопасности проживания и использования АЭС. Именно поэтому, перспектива последовательной замены ТЭС на АЭС сошла на нет. Можно выделить несколько основных проблем использования АЭС:

1.    Безопасность работы реакторов. Все реакторы, которые используются в АЭС несут в себе потенциальную угрозу глобальной аварии. При этом, аварии подобные Чернобыльской катастрофе, могут произойти как из-за неправильной конструкции используемых реакторов, так из-за человеческого фактора, природных катаклизмов. Принцип самозащиты активной зоны реактора должен быть положен в принцип проектировки реактора при любых, даже самых худших вариантах развития событий. Ядерные технологии сложны и чтобы понять весь их потенциал должны пройти годы.

2.    При использовании АЭС всегда будет оставаться определенная неопределенность в вопросе безопасности, а решить их все заранее будет достаточно трудно. Большинство из них будет обнаруживаться во время использования реакторов.

3.    Снижении уровня эмиссии углекислого газа. Многие эксперты считают, что благодаря использованию атомных электростанций вместо тепловых удастся снизить количество выбросов углекислого газа — одного из главных газов, которые влияют на потепление климата. Но при этом, электростанции которые работают на комбинированном цикле (на природном газе) значительно экономичнее не только чем ТЭС, но и АЭС. При этом можно отметить, что при равных затратах на рабочий процесс удается снизить количество выбросов диоксида углерода (учитывается полный период работы).

4.    Вывод из эксплуатации некоторых реакторов АЭС. Есть пугающая статистика — в 2010 году большая половина рабочих реакторов была старше 25 лет. Именно поэтому в планах постепенный вывод реакторов из эксплуатации. Согласно данным, которые предоставила Всемирная ядерная ассоциация уже около 130 реакторов выведены из эксплуатации (либо уже в крайней фазе вывода). И можно выделить основную проблему, которая возникает во время этого процесса — утилизация радиоактивных отходов. Для безопасной утилизации их следует тщательно изолировать и сохранять длительный период, а расходы на это соизмеримы с тратами на строительство новой атомной электростанции.

5.    Опасность использования АЭС из-за возможного распространения ядерного оружия. За год работы один реактор будет производить то количество плутония, которого хватит для создания нескольких атомных бомб. В отработанном ядерном топливе, которое обязательно образуется после работы содержится множество других элементов. Именно поэтому МАГАТЭ прилагает максимум усилий, чтобы контролировать процесс использования отработанного ядерного топлива во всех странах, где работают АЭС [2, с. 70–71].

Небольшую атомную бомбу можно создать из отработанного ядерного топлива любого реактора. Но при этом, для создания полноценной ядерной бомбы нужно организовать сложное производство, привлечь множество специалистов, то для создания примитивных самодельных бомб ничего такого не необходимо — и в этом главная опасность. Именно данным аспектом могут воспользоваться террористы, приобретя необходимые материалы на черном рынке. И хотя ядерного взрыва от этого не возникнет, но территория, на которой используют данную «самоделку» будет достаточно сильно заражена радиацией.

Таким образом, считают, что возобновляемые источники энергии, такие, как ветровые источники энергии, геотермальные, солнечные, волновые и пр., модульные станции при использовании природного газа или топливных элементов, утилизирование отработанного пара, а также сбросного тепла — являются реальными способами защиты от климатических изменений без возникновения новых угроз для современного мира.

Подытоживая, отметим, что солнечными концентраторами вызываются огромные по площади затенения земель, что в последствии приводит к очень сильным изменениям условий почвенных, к изменениям в растительном мире и пр. Нежелательные экологические влияния на экологию в районах расположения энергетических станций вызывает мощный нагрев воздуха посредством прохождении солнечного излучения через него, сконцентрированного зеркальными отражателями, что приводит к изменениям влажности, теплового баланса, а также направления ветров. Кроме того, в определенных случаях возможны возгорание систем и перегревы. Применение низкокипящих жидкостей совместно с неизбежными утечками их в солнечных энергетических системах при длительной эксплуатации привести могут к сильному загрязнению питьевой воды. Также особую опасность представляют различные жидкости, которые содержат нитриты и хроматы, и которые являются высокотоксичными веществами.

Литература:

1.                  А. да Роза. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы. — М.: Интеллект, МЭИ, 2010. — 704 с.

2.                  Кашкаров А. П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. — М.: ДМК Пресс, 2011. — 144 с.

3.                  Минат В. И., Коломеец Н. В. Причины экологических бедствий. — М.: Реноме, 2010. — 220 с.

4.                  Панич Н. В., Тюкина Т. А. Экологические проблемы современности. — М.: МГИМО-Университет, 2012. — 102 с.

5.                  Смил В. Энергетика. Мифы и реальность. Научный подход к анализу мировой энергетической политики. — М.: АСТ-Пресс Книга, 2012. — 272 с.

6.                  Хайтун С. Д. «Тепловая смерть» на Земле и сценарий ее предотвращения. Часть 1. Энергетика, построенная на круговороте тепла и вечных двигателях 2-го рода. — М.: Либроком, 2009. — 192 с.

7.                  Хандогина Е. К., Герасимова Н. А., Хандогина А. В. Экологические основы природопользования. — М.: Форум, Инфра-М, 2010. — 160 с.