Энергетика и экология

Экология (от греч. букв. - дом. жилище, местопребывание и ...логия). т.е. наука об отношениях организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой. Термин экология был предложен в 1866 году Э.Геккелем, немецким биологом-эволюционистом. Объектами экологии могут быть популяции организмов, виды, сообщества, экосистемы (единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой обитания) и биосфера в целом (область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы - земной коры).

С середины XX века, в связи с усилившимся воздействием человека на природу, экология приобрела особое значение как научная основа рационального природопользования и охраны живых организмов, а сам термин «экология» получил более широкий смысл.

С 70-х годов XX века складывается экология человека или социальная экология, изучающая закономерности взаимодействия общества и окружающей среды, а также практические проблемы ее охраны. Она включает различные философские, социологические, экономические, географические и др. аспекты (например, экология города, техническая экология, экологическая этика и др.). В этом смысле говорят об «экологизации» современной науки. Экологические проблемы, порожденные современным общественным развитием, вызвали ряд общественно-политических движений («Зеленые» и др.), выступающих против загрязнения окружающей среды и других отрицательных последствий научно-технического прогресса.

Прогресс в технике, в частности в энергетике, к концу XX века привел к тому, что масштабы влияния промышленности и ее энергетических установок стали оказывать существенное воздействие на глобальные процессы. происходящие в природе.

Только сравнительно недавно человек стал задумываться о последствиях своей деятельности, негативно отражающихся на изменении окружающей среды. Наблюдается интенсивное загрязнение вредными веществами атмосферы, водных пространств, земель, лесов в результате разливов нефтепродуктов, выбросов газов установками химической промышленности, теплоэнергетики и автотранспортом, загрязнение земель непомерным применением химических веществ для борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений и т.п. Человечество все более и более проникается пониманием пагубности негативных процессов и начинает намечать систему мер и организовывать их реализацию, что должно свести к минимуму неблагоприятные воздействия на окружающую среду, которые к началу XX века уже были достаточно большими.

Из энергетических объектов подавляющий объем вредных выбросов в атмосферу производят тепловые электростанции и котельные, работающие как на твердом, жидком, так и на газовом топливах (сернистый газ, окислы азота, углекислый газ, пепел, зола, теплые воды, расход большого количества кислорода на горение топлива). Кроме того, что газы и продукты золоотвалов токсичны и содержат в себе канцерогены, углекислый газ увеличивает парниковый эффект на Земле. Углекислый газ поглощает длинноволновое излучение нагретой поверхности Земли, нагревается и тем самым способствует сохранению на ней теплоты. Повышение на несколько градусов нижних слоев атмосферы может привести к таянию ледников Гренландии и Антарктиды и затоплению части суши, на которой проживают почти 25% населения Земли.

В составе выбросов имеются радиоактивные элементы, в частности долго живущие изотопы радия, поэтому радиационный фон вокруг ГЭС выше, чем вокруг АЭС.

ТЭС и АЭС оказывают вредное влияние на окружающую среду из-за сброса в водоемы горячей воды после конденсаторов турбин, что приводит к недопустимому температурному режиму, нарушающему экологическое равновесие, установившееся в естественных условиях в реках и озерах, что неблагоприятно влияет на флору и фауну. Кроме того, АЭС представляет опасность не столько в период штатной ее эксплуатации, сколько в период вывода ее из работы после исчерпания ресурса, а также в момент аварии на АЭС.

Наряду с увеличением содержания углекислого газа происходит уменьшение доли кислорода в атмосфере. Ежегодно в мире при сжигании топлива из атмосферы расходуется 10-13 млрд. т свободного кислорода. Один только самолет типа «Боинг» при перелете из Парижа в Нью-Йорк использует 35 т кислорода, а при взлете выбрасывает столько же ядовитых веществ, сколько выбрасывают 5000-6000 автомобилей. Автомобиль средней мощности, пробегая 1000 км, расходует годовую норму потребления кислорода человеком. При 5%-ном приросте в год сжигаемого топлива примерно через 50-100 лет доля свободного кислорода может понизиться до критической для человека величины. Здесь уместно подчеркнуть, что гидростанции не используют кислород вовсе.

Особенно вредное воздействие на животный и растительный мир оказывает окись серы, максимальная доля выбросов которой приходится на ТЭС и отопительные установки, работающие на органическом топливе.

Человечество, развиваясь, будет неизбежно воздействовать на окружающую природу, и остановить этот процесс невозможно, поэтому регулирование воздействия в соответствии с законами природы и условиями гармоничного развития человека является одним из основных направлений деятельности общества.

Современная энергетика (сюда следует отнести и все те системы, которые обеспечивают производство того или иного вида энергии) тесно связана со всеми видами человеческой деятельности. От нее напрямую зависит состояние промышленности, транспорта, сельского хозяйства, быта и в целом биосферы. В свою очередь человек влияет на состояние энергетики, исходя из своих запросов в процессе развития общества, т.е. энергетические системы и их объединения, а также снабжающие их отрасли, являются составными частями единой глобальной системы функционирования человеческого общества.

Исходя из приведенных схем, необходимо особенно тщательно прогнозировать последствия развития энергетики при перспективном проектировании составных частей энергетических систем. Примером учета неблагоприятного экологического влияния в период составления прогноза может служить отказ от концентрированного размещения нескольких ТЭС на сравнительно небольшой площади Канско-Ачинского угольного бассейна, что могло привести к загрязнению обширной территории не только в России, но и за ее пределами, т.е. при оценке современных энергетических систем необходимо понимать, что они имеют исключительно важное значение в обеспечении нормальной жизни общества. Аварии в энергетических системах, как правило, влекут тяжелые и социальные последствия. Поэтому к надежности энергосистем предъявляются чрезвычайно высокие требования.

Весьма значимое место в энергетических системах с точки зрения и эффективности, и надежности, как мы уже видели ранее, занимают гидростанции, которые всегда имеют тот или иной тип гидротехнических сооружений, и которые, встраиваясь в окружающую среду, активно влияют и на нее. и на социально-экономическое состояние общества в целом.

Из генерирующих источников в энергосистемах наименьшее загрязнение атмосферы оказывают ГЭС и АЭС (в штатном режиме). В мире соотношение мощности ГЭС в энергосистемах составляет около 20%. Ранее уже указывалось, что наряду с этим сооружение ГЭС сопровождается затоплением земель, переносом населенных пунктов, повышением давления на сушу от веса воды в водохранилище, изменением экологического равновесия в водоемах. Поэтому при сооружении гидростанций необходимо особенно тщательно исследовать и учитывать комплекс проблем, связанных с изменением экологической среды и влиянием на различные отрасли хозяйства страны таким образом, чтобы оно ограничивалось социально-приемлемым допустимым уровнем. Особое место при проектировании и возведении ГЭС занимает вопрос о надежности их плотин, в частности, так называемых «больших плотин» (плотины высотой более 15 м по международной классификации). Больших плотин в мире, по данным на 1998 год, построено 44 тысячи. Из 25 410 гидроузлов с большими плотинами, зарегистрированных Международной комиссией по Большим Плотинам, 6440 или 25% имеют в своем составе гидростанции (примечательно, что из 25410 плотин только в Китае насчитывается 16 000 плотин - это примечание лишний раз сделано к вопросу о понимании социальной важности гидроэнергетики).

Установленная мощность всех гидростанций мира составляет 634 млн. кВт. которые вырабатывают 2 460 млрд. кВт-ч электроэнергии в год. Эта электроэнергия составляет 18,5 % от общей выработки и одновременно составляет всего 27,6 % от экономически целесообразного потенциала выработки в мире.

Большие плотины, как уже отмечалось ранее, являются сложными сооружениями, и каждая из них, как правило, уникальна. Сложность сооружения, большие размеры, огромные нагрузки на него создают определенную опасность для жизни людей, поэтому во избежание экологических катастроф надежности плотин при их создании уделяется особое внимание. Несмотря на это, в мире за последние 200 лет произошел ряд крупных катастроф.

Разрушение плотины является крупным экологическим бедствием, поэтому вопросы безопасности гидросооружений должны стоять во главе угла при их проектировании и возведении.

Говоря о безопасности и надежности любого сооружения, необходимо прежде всего конкретизировать тот смысл, который вкладывается в эти понятия, и те критерии, которые должны быть использованы для их оценки. От слишком частого и не всегда строгого употребления этих терминов для характеристики прочности, устойчивости, безаварийности и долговечности понятия безопасности и надежности приобрели весьма широкий смысл и для их оценки часто используются те или иные частные критерии, отражающие лишь одну из сторон этих многогранных понятий (см. гл.9).

Надежность, как уже указывалось ранее, - это техническое свойство объекта, характеризующее его способность выполнять определенные функции в определенных условиях эксплуатации. Она характеризуется такими качествами, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Для конкретных объектов и условий их эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость.

Иногда вместо надежности или физической безопасности используется понятие вероятности разрушения, т.е. вероятности того, что произойдет событие, которое приведет к аварии или разрушению сооружения.

Надежность является составной частью безопасности, но отнюдь ее не заменяет.

Понятие безопасности сооружения имеет более широкий философский смысл, так как помимо технических аспектов включает экономические и социальные, а также психологические аспекты, связанные с чувствами живущего в непосредственной близости от сооружения населения, а также с моральным ущербом, в том числе и международным, который может нанести разрушение или повреждение сооружения той стране, организации и инженерам, которые проектировали, строили и эксплуатировали сооружения.

Безопасность сооружения - это его характеристика не создавать опасности для жизни и здоровья людей, а также для экономической инфраструктуры и окружающей среды как в период строительства сооружения, так и в период его эксплуатации.

Так, например, «Бюро мелиорации США» следующим образом определяет безопасность плотин: «Безопасная плотина - это та, которая своим присутствием не подвергает население недопустимому риску».
Таким образом, это определение безопасности подразумевает не только необходимость оценки риска, но и выяснение его «допустимости», т.е. оценки, как уже отмечалось выше, социально-приемлемого уровня ущерба.

К сожалению, в настоящее время не существует единого подхода к оценке «допустимого» риска как с точки зрения потери человеческих жизней, так и с точки зрения ущерба для инфраструктуры и окружающей природной среды.

Возвращаясь к понятию надежности, т.е. к оценке технического риска разрушения или повреждения самого сооружения, следует отметить, что ни одно сооружение, каким бы совершенным оно ни было, не может рассматриваться как «абсолютно надежное». Всегда существует риск повреждения или разрушения сооружения, который связан как с непредвиденными природными явлениями, так и с самим человеком, который запроектировал, построил и эксплуатирует сооружение.

Отличительным признаком надежности является то, что она (надежность) характеризуется вероятностными процессами, так как все участвующие в рассмотрении параметры прочности устойчивости и долговечности так же, как и силовые воздействия, сами по себе имеют стохастическую (случайную) природу.

В инженерной практике всегда приходится оперировать с системами, о которых что-то неизвестно. Особенно очевидно это проявляется при проектировании и строительстве сооружений на естественных основаниях. В этом случае степень нашего незнания определяется естественной неоднородностью массивов, вызывающей непостоянство их физических параметров, так и сложностью, а, следовательно, и точностью определения этих параметров в натурных условиях.

При проектировании и строительстве сооружений на скальных массивах, являющихся трещиноватыми и анизотропными средами, большое значение приобретают следующие факторы:

- характеристики прочности и деформируемости оснований определяются на локальных участках в поле или на образцах в лаборатории и затем эти характеристики распространяются на все основание, причем степень достоверности такого переноса определяется, в свою очередь, выдержанностью характеристик по объему массива (его однородностью), а также числом и точностью экспериментальных определений;
- геометрические параметры трещин в скальном основании (азимуты и углы падения, длина, густота и т.п.) имеют вероятностную природу;
- нагрузки, воспринимаемые сооружением (сейсмические, гидравлические, ледовые), а также возможные в процессе эксплуатации перегрузки также могут носить случайный характер;
- расчетная математическая модель неизбежно аппроксимирует реальный массив с определенной степенью приближения, что в полной мере относится и к выбранным методам расчета, учитывающим лишь группу «наиболее важных» с точки зрения инженера, факторов.

В общепринятой сегодня инженерной практике оценка устойчивости или прочности конструкции осуществляется методом вычисления коэффициента запаса, который практически представляет собою отношение максимальной нагрузки, которую может выдержать сооружение, к эксплуатационной. Такое определение коэффициента запаса позволяет использовать его как для оценки возможной перегрузки, так и для оценки возможности потери прочности в рассматриваемом сечении.

Однако использование таких детерминистических коэффициентов, как коэффициенты запаса, устойчивости, перегрузки и др., не позволяет судить о вероятности отказа элемента или конструкции, а, следовательно, не позволяет в полной мере судить об имеющемся риске или о надежности сооружения. Чем сложнее система, чем более сложным является механизм взаимодействия ее параметров, а также, чем меньше мы знаем о ее работе и чем менее достоверна наша информация, тем более эффективным на любом этапе проектирования является использование вероятностных подходов. Вероятность разрушения сооружения с одним и тем же коэффициентом запаса, равным 1,5, может варьироваться от 10,2до 10,7 при увеличении числа исследований механических характеристик от 5 до 20.

Зачастую малая достоверность исходных данных, неточности расчетной модели и, как следствие этого, погрешности в окончательных результатах могут зародить сомнение в полезности расчетов надежности. Поэтому крайне важно понять, когда и для чего нужны расчеты надежности.

Вероятностная оценка надежности сооружения на стадии технического проектирования позволит проверить корректность принятых решений, выявить слабые места проекта и выработать определенные рекомендации по повышению надежности сооружения как с помощью конструктивных поправок, так и за счет уточнения исходной информации, которая определяющим образом влияет на уровень надежности сооружения.

Это гораздо более правильный подход, нежели численная оценка надежности единственным коэффициентом запаса (иногда с точностью до сотых), который пытается учесть все неопределенности исходной информации с помощью множества вспомогательных коэффициентов.

Для оценки надежности сооружения или его основания, как правило, используются критерии прочности, устойчивости или деформации.

Как уже говорилось, понятие надежности связано с возможностью нарушения работы или разрушением самого сооружения и поэтому оно является составной частью безопасности. Однако для суждения о безопасности следует рассмотреть те последствия, к которым может привести авария сооружения:

- опасность для жизни людей;
- экономический ущерб (включая стоимость самого сооружения и потери, связанные с прекращением его нормальной эксплуатации);
- социальный ущерб, связанный с физическим и психическим травматизмом;
- ущерб, причиненный окружающей среде.

Очевидно, что не все из перечисленных факторов могут быть оценены количественно, не говоря уже о травматизме и гибели людей.

Существуют различные подходы к оценке уровней надежности и безопасности, так как до настоящего времени не выработано единого критерия, исходя из большого разнообразия инженерных сооружений, их многоцелевого назначения и индивидуальных особенностей строительства.

Для оценки допустимого уровня надежности сооружения можно использовать различные методы:

1. Статистический анализ аварий, происшедших на уже построенных сооружениях.

При всей кажущейся простоте и очевидности определения «существующего» уровня надежности, этот метод страдает множеством недостатков, связанных с различием типов сооружения и его основания, годом его постройки, уровнем знаний в период его проектирования, причиной аварии и т.п.

Например, как показывает статистика, на протяжении последних 90 лет вероятность разрушения плотин составляет порядка 10,4 в год. При этом частота разрушений земляных и каменно-набросных плотин в 5 раз превышает частоту разрушений бетонных плотин: в среднем 2,1 против 0,4 соответственно. Кроме того, следует отметить, что аварии и разрушения чаще всего происходят при первом заполнении водохранилища и в первые 5 лет эксплуатации плотины. Затем, в течение довольно долгого периода плотины работают без аварий, но по истечении нескольких десятилетий аварии на плотинах (но не разрушения) учащаются за счет старения плотин.

Большое значение имеет также год постройки плотины и уровень знаний инженеров в тот период. Профессор Бала Перти из Дельфтского Университета Голландии в своем докладе на состоявшихся в Трондхейме (Норвегия) заседаниях «Гидроэнергия-97» продемонстрировал, что из всех построенных до 1900 года больших плотин были разрушены 4%, в то время как для плотин, построенных после 1950 года, процент разрушенных составил уже 2,2 %, а для плотин, построенных в период 1950-1986 годов, он составил всего 0,5%.

2. Оценка уровня безопасности на основе мнений экспертов

Этот метод получил широкое распространение в ядерной энергетике, в химической промышленности, при оценке риска землетрясений. Следует отметить достаточно высокие значения допустимого риска. Это происходит довольно часто. Люди, как правило, на значительно более высокий риск идут добровольно, чем в случае, когда этому риску их подвергают без их согласия. Так, например, люди спокойно строят свои жилища и сооружения на естественных склонах с вероятностью обрушения 10"2, это добровольный риск. В то же время при строительстве вблизи их жилища искусственной насыпи, жители требуют надежности не менее 10"5. Это свидетельствует о том, что добровольно люди могут принять риск в 1000 раз превышающий риск принудительный.

В условиях отсутствия количественных методов оценки возможного ущерба, в настоящее время в некоторых странах широко используются качественные оценки возможных последствий разрушения сооружения. Эти классификации, как правило, состоят из трех категорий возможного риска.

Существуют другие методы оценки уровня безопасности плотин. Приведенное выше служит лишь иллюстрацией сложности и неоднозначности подходов к безопасности гидротехнических сооружений и важности этого вопроса для человеческого общества, который обязаны инженеры решать так, чтобы энергетические системы не представляли реальной угрозы для людей и окружающей среды, т.е. риск необходимо свести к чрезвычайно малой вероятности. В главе 9 уже отмечалось, что законодательством в России, поскольку также нет однозначных предложений по численному определению уровня риска аварии ГТС, принято на стадии проектирования считать уровень риска допустимым, если сооружение запроектировано в соответствии со СНиП. А на стадии эксплуатации уровень риска считается допустимым, если не превышены предельно допустимые критерии. Соблюдение этих условий означает, что экологический ущерб будет соответствовать минимальному социально-приемлемому уровню. В энергетических системах, кроме плотин, немало составляющих элементов, влияние которых необходимо учитывать при решении глобальных экологических проблем, в частности, учитывать и снижать воздействие на окружающую среду тепловых и химических процессов, радиоактивности и запыленности, а также влияние электрических полей высокого напряжения.

Существующее вблизи проводов высоковольтных ЛЭП электромагнитное поле, как уже указывалось, неблагоприятно действуют на организм человека. Исследования показывают, что в нормальном человеческом организме заряд меняется с периодами в 6 час. и 27 суток. И на этот процесс окружающее электромагнитное поле (природное и искусственное) оказывает заметное влияние. Существует, например, определенная связь между природными магнитными бурями и состоянием больных сердечнососудистыми заболеваниями. Радиоволны в некотором диапазоне частот оказывают разрушительное действие на живые клетки. Например, имеются данные о том, что при излучении 27 МГц гибнет ряд растений и животных. По мнению биологов, жизнь - это тонкий электрический процесс. Возле электромагнитного поля могут изменяться электрохимические, а, следовательно, и любые биохимические процессы в клетках организмов. В то же время ни у животных, ни у растений не удалось обнаружить специальных магниточувствительных органов. Однако, несомненно, магнитные и электрические поля оказывают (пока не до конца ясное) влияние на живые организмы.

Влияние электромагнитных полей (изменяющихся с промышленной частотой 50 Гц) на человека пока недостаточно изучено. Проведенные в нашей стране и за рубежом исследования показали, что сильное электромагнитное поле вызывает функциональное нарушение сердечно-сосудистой системы и нарушение невралгического характера. Первоначально вредные воздействия сильных полей на человека были замечены при вводе в эксплуатацию высоковольтных ЛЭП и подстанций напряжением 400-500 кВ. Повторяющееся электромагнитное облучение человека приводит к накапливающимся (кумулятивным) эффектам, пока еще также не вполне изученным. Однако уже очевидно, что вредные последствия пребывания человека в сильном электромагнитном поле зависят от напряженности Е поля и продолжительности его воздействия Т. Чем больше напряженность поля, тем меньшая допускается продолжительность пребывания в нем человека.

Уже отмечалось, что неблагоприятным фактором воздействия водохранилищ ГЭС и других гидроузлов на окружающую среду является затопление земель, особенно сельскохозяйственного назначения. Это влияние тем меньше, чем больше оно учитывается. На примере создания водохранилищ в Европейской части России, в Сибири и на Дальнем Востоке можно увидеть, что относительные и абсолютные размеры затоплений наиболее ценных сельскохозяйственных земель существенно отличаются.

Затопление земель из расчета на 1 млн. кВт-ч годовой выработки электроэнергии при создании Днепровского и Волжско-Камского каскадов составило от 50 до 200 га, а по Енисейско-Ангарскому каскаду - около 15 га, т.е. в 3-15 раз меньше.

В структуре затопляемых сельскохозяйственных земель в районах Сибири и Дальнего Востока преобладают территории, покрытые лесами и кустарниками, в то время как в Европейской части - пашни и сенокосы. Учет этих важнейших факторов при создании гидростанций существенно снизит негативное экологическое влияние и повысит социальную значимость гидроузлов.

Здесь уместно подчеркнуть, что такой показатель как затопление земель при строительстве гидростанций в нашей стране не самый худший в сравнении с этим показателем в промышленно развитых странах. Например, в бывшем СССР затопление площадей под водохранилищами составило 0,3% от территории страны, в Канаде - 0,6%, в США - 0,8%.

Приведенными примерами влияния плотин ГЭС и электрических устройств, как составных частей энергетических систем, на окружающую среду показана сложность проблем, которые должен знать инженер, работающий в области электроэнергетики, в результате чего труд его приобретает все более творческую направленность, вызываемую, с одной стороны, потребностями развития техники, а с другой, - минимизацией вредных экологических последствий.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.