Проблемы устойчивого развития. Часть 2

1 2

---

1.3. Доля альтернативной энергетики

Геотермальная энергия имеет минимальное негативное влияние на окружающую среду. Геотермальная энергия не зависит от Солнца, в отличие от других возобновляемых источников энергии. Геотермальная энергия берется от Земли с помощью геотермальных тепловых насосов. В некоторых районах Исландии, горячая вода из геотермальных электростанций проходит под тротуарами и дорогами, чтобы растапливать на них лед. Люди тратят много ресурсов на обогрев помещений – газ, уголь, иногда дрова, электроэнергию, а ведь в центре нашей планеты находится раскаленное ядро, его температура достигает 5000 °C. Этой огромной температуры достаточно, что бы «прогреть» всю планету до поверхности. Надо лишь знать, как это использовать [12]. Использование геотермальной энергии дает очень низкий уровень выбросов парниковых газов — примерно три процента от выбросов углекислого газа от выбросов электростанций, работающих на ископаемом топливе [12]. Тепловой насос может полностью покрыть потребности дома в тепле, ГИС, обеспечить пассивное кондиционирования, одновременно выполняя функции энергосберегающей системы вентиляции. Расходы электроэнергии по сравнению с традиционными системами отопления / кондиционирования уменьшаются в 2 раза. Принцип работы теплового насоса — «холодильник наоборот». Работает на электроэнергии, но кажется тепловая мощность в 3-5 раз больше чем тратится электроэнергии. Срок службы такого насоса- 15-25 лет. Тепловой поток, текущий из недр Земли через ее поверхность, составляет 47±2 ТВт тепла (400 тыс. ТВт/ч в год, что в 17 раз больше всей мировой выработки, и эквивалентно сжиганию 46 млрд тонн угля), а тепловая мощность, вырабатываемая Землей за счет радиоактивного распада урана, тория и калия-40 оценивается в 33±₂₀²⁸ ТВт, т.е. до 70% теплопотерь Земли восполняется. Использование даже 1% этой мощности эквивалентно нескольким сотням мощных электростанций. Однако, плотность теплового потока при этом составляет менее 0,1 Вт/м² (в тысячи и десятки тысяч раз меньше плотности солнечного излучения), что затрудняет ее использование. Преимущества тепловых насосов:

• работают круглогодично, так как используют стабильный источник постоянной положительной температуры,
• оснащены функцией охлаждения — обеспечивают пассивное кондиционирования здания через систему отопления,
• имеют встроенный бойлер, который нагревает воду для бытовых нужд или бассейна,
• специальный модуль в них отбирает тепло из вытяжного воздуха и передает его в систему сбора тепла (рекуператор-теплообменник).

В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более чем такие паротермы распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее +100 C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла. Гейзерный источник энергии следует разрабатывать как перспективный. Возможно, стоит создавать системы надежных трубопроводов, по которым горячая вода подавалась бы на большие расстояние, что обеспечивало б эффективность использования гейзера и его безопасность [15]. Геотермальные электростанции (геоТЭС) имеют имеют ряд особенностей: — постоянный остаток энергоресурсов, обеспечивает использование полной установленной мощности оборудования геоТЭС; — достаточно простой уровень автоматизации; — последствия возможных аварий ограничивают; — удельные капиталовложения и себестоимость электрической энергии в основном могут быть ниже, чем на электростанциях, использующих другие возобновляемые источники энергии. 1 – подземный коллектор; 2 – приемная скважина; 3 – газошлакоотделитель; 4 – нагнетательная помпа; 5 – нагнетательная скважина; 6 – теплообменник системы отопления; 7 – насос системы отопления; 8 – теплообменник работы системы горячего водоснабжения; 9 – отопительная система; 10 – система горячего водоснабжения; 11 – источник воды горячего водоснабжения; 12 – система утилизации газов и шламов Рисунок 3 – Схема геотермального теплоснабжения с использованием агрессивных геотермальных вод ГеоТЭС можно разделить на три основных типа: — станции, работающие на месторождениях сухого пара; — станции с парообразователем, работающих на месторождениях горячей воды под давлением; — станции с бинарным циклом, в которых геотермальная теплота передается вторичной жидкости (например фреона или изобутана) и происходит классический цикл Ренкина. На рисунке 4 приведена принципиальная схема станции третьего типа — с бинарным циклом работы. Наибольший эффект имеет место при комбинированных схемах использования геотермальных источников как теплоносителя для подогрева воды и выработки электроэнергии на тепловых электростанциях, обеспечивает значительную экономию органического топлива и увеличивает КПД преобразования низкопотенциальной энергии. Такие комбинированные схемы позволяют использовать для выработки электроэнергии теплоносители с начальными температурами выше 70-80° С. 1 – скважина; 2 – теплообменник; 3 – парогенератор; 4 – турбина; 5 – электрогенератор; 6 – конденсатор с воздушным охлаждением; 7 – конденсатная питательная помпа; 8 – нагнетательная помпа территории станции. Рисунок 4 – Принципиальная схема двухконтурной геоТЭС Геотермальная энергия существенно отличается от других возобновляемых источников энергии, таких как солнечные лучи и ветер. В отличие от гелиосистемы , основанная на использовании лучей звезды, геотермальная энергия добывается из глубин планеты. Электростанции используют пар, поднимается из подземных резервуаров с горячей водой. Обычно они находятся на глубине нескольких километров, но за высокого давления вода поднимается на поверхность. В такой энергетики есть и положительные, и отрицательные стороны. Геотермальная энергия является очень перспективной. Она безопасна, ее можно превратить в электроэнергию и ее эффективность превышает в 10 раз все виды ископаемого топлива вместе взятые. По оценкам экспертов, объем энергии земли, запасенный в первые 10 км земной коры, в 10 раз превышает все виды ископаемого топлива вместе взятые. Из геотермальной энергии можно получать электроэнергию, но лучше это делать локально и использовать для перерабатывающей и пищевой промышленности. Люди научились использовать энергию земли еще в древние времена. Земля, в частности, обладает гигантскими запасами энергии. В нескольких метрах ниже ее поверхности она сохраняет солнечное тепло. С ядра Земли температуры величиной 6500 ° C излучаются в ее внешние слои. Тепловые насосы используют геотермальное тепло или тепло грунтовых вод в зависимости от технологии. Энергия, накопленная в окружающем воздухе, также подходит для обогрева помещений и производства горячей воды. Тепловые насосы могут использовать эти ресурсы и, таким образом, существенно снижают затраты на производство тепловой энергии. Рисунок 5 – Схема использования геотермальной энергии для частного дома Независимо от того, какая технология используется, тепловые насосы эффективно работают даже при низких температурах окружающей среды. 75% ваших потребностей в тепловой энергии могут быть удовлетворены непосредственно из окружающей среды бесплатно. Только 25% должны быть добавлены в виде электрической энергии. В зависимости от технологии тепловые насосы могут потреблять тепловую энергию от трех различных источников тепла. Преимущества использования тепла окружающей среды в качестве источника энергии:

• отсутствие эмиссии CO

Тепловые насосы могут использовать энергию земли. Доставка энергии осуществляется двумя различными способами. При одном из них используется тепло близко к поверхности земли там, где температура одинакова почти круглый год. На поверхности земли, на глубине 1,5 м, устанавливается земляной коллектор в качестве нагревательного контура, который извлекает тепло из земли. При втором — возможна регенерация тепла с помощью малогабаритного геотермального зонда. Геотермическую тепло выводится с помощью специальных грунтовых зондов, которые углублены в землю до 100 метров. Температура является постоянной в течение всего года и составляет примерно 10 ° C, что является достаточным для получения тепла. Тепловые насосы могут использовать для отопления окружающий воздух и накопленную в нем тепловую энергию. Современные тепловые насосы работают экономно и осуществляют нагрев даже при температуре наружного воздуха до -20 ° С Преимущества использования атмосферного воздуха:

• отличная доступность к источнику энергии без переоснащения,
• не нужно разрешения,

Тепловые насосы могут извлекать тепловую энергию из грунтовых вод. Их температура постоянна независимо от времени года и наружной температуры. Для извлечения тепла из грунтовых вод необходимо скважина с достаточным ресурсом воды, извлекаемой. Преимущества использования грунтовых вод:

• высокая эффективность,

Требования к использованию грунтовых вод: Качество и количество грунтовых вод: грунтовая вода с низким содержанием минералов и взвешенных частиц.

1.3 Страны, развивающие гейзерную энергетику

Сегодня 58 стран используют тепло своих геотермальных ресурсов не только для производства электроэнергии, но и непосредственно в виде тепла:

• для обогрева ванн и бассейнов — 4%;
• для отопления — 23%;
• для тепловых насосов — 12%;
• для обогрева теплиц — 9%;
• для подогрева воды в рыбных хозяйствах — 6%;
• в промышленности — 5%;
• для сушки сельхозпродуктов, таяния снега и кондиционирования — 1%;
• для других целей — 2%.

Геотермальная энергия широко используется в Калифорнии на более чем 30 геотермальных электростанций, производят более 90% от геотермальной электроэнергии в США. Удельный вес геотермальной энергии в электроэнергии составляет менее 1 процента от общего объема электроэнергии, производимой в США.

1.4 Перспективы гейзерной энергетики

Интерес к альтернативным источникам энергии обусловлен истощением запасов углеводородного топлива и необходимостью решения ряда экологических проблем. Мировая экономика сейчас взяла курс на переход к рациональному сочетанию традиционных и альтернативных источников энергии. Неисчерпаемая тепловая энергия Земли занимает среди них одно из первых мест. На всемирных геотермальных конгрессах (WGC), что начиная с 1995 г. регулярно проводятся раз в пять лет, отмечается, что использование тепла Земли станет одним из магистральных направлений в энергетике третьего тысячелетия. Предполагается, что к концу XXI в. доля геотермальных ресурсов в энергобалансе мировой экономики возрастет более чем на 30%. Факторами, замедляющими развитие геотермальной энергетики, являются:

• высокая стоимость скважин и низкие транспортабельные качества термальных вод,

В связи с этим перед геотермальной энергетикой возникают следующие основные научно-технические и технологические проблемы:

• освоение технологий строительства высокодебитных скважин с горизонтальными стовбурами в продуктивном горизонте,
• технологии геотермальных циркуляционных систем,
• разработка эффективных методов борьбы с коррозией и отложением солей,
• разработка двухконтурных систем геотермального энергоснабжения на основе дешевых устойчивых к коррозии теплообменников и серийный выпуск модульного оборудования для строительства одноконтурных и бинарных ГеоЭС,
• создание эффективных комплексных технологий утилизации геотермальной и сопутствующих видов энергии и гидроминеральных ресурсов,
• разработка эффективных технологий утилизации низкопотенциального геотермального тепла.

1.5 Преимущества и недостатки

Возможности использования гейзеров в деятельности человека:

• гейзер мощный источник электрической энергии (пар, выделяемый во время извержений, используется для вращение турбин электростанций). В связи с дешевизной данного вида энергии она приобретает огромную популярность в местах где возможно ее использование (Исландия полностью отказалась от использования других видов энергии в пользу термальной),
• подземное тепло, выделяемое в процессе извержения, активно используется в сельском хозяйстве (ведется строительство больших тепличных комплексов на прогретой гейзерами территории),
• в связи с тем, что нагретая геотермальной энергией вода проходит через большой слой горных пород происходит процесс ее минерализации. Следовательно вода приобретает полезные свойства минералов которые в ней растворены (ее используют в лечебных и санаторно — курортных учреждениях),
• нагретую воду термальных источников можно использовать в сфере ЖКХ (для отопления жилого фонда),
• в водах многих источников содержатся многие виды используемых в промышленности ценных минералов.

Вблизи гейзеров можно располагать парники и теплицы, бальнеологические курорты. Используя энергию гейзеров человек не загрязняет окружающую среду, не разрушает земли добычей полезных ископаемых, не тратит ресурсы. Есть, конечно, определенные факторы, ограничивающие использование гейзеров.

• их количество на планете ограничено, ареал их влияния тоже ограничен. Например, они отсутствуют в Европе, Африке, Австралии. Поэтому, они не способны обеспечить теплой водой большую площадь и большое количество населения. Ареал применения их энергии ограничен небольшой площадью вокруг гейзера,
• эксплуатация их небезопасна, поскольку фонтан воды имеет температуру выше 100°С, поэтому они опасны для людей, а также могут повредить все, с чем соприкасаются. Для их эксплуатации нужно специальное оборудование, для людей, находящихся поблизости – спецобувь и спецодежда. Кипящие фонтаны могут вырваться из-под земли на других, близлежащих участках, в случаях разрыва труб кипящий поток тоже может выскочить наружу и принести огромный вред людям,
• как правило, они находятся вблизи от вулканов и поэтому нахождение возле них также может быть опасным. Если извержение вулкана можно спрогнозировать и эвакуировать из этой зоны людей, но то извержение лавы и камнепад могут разрушить постройки и оборудование, а значит, принести ущерб [14].

Преимущества Главные положительные факторы:

• возобновляемость. Геотермальная энергия будет существовать до тех пор, пока не остынет наша планета. Подземные резервуары являются естественными хранилищами горячей воды. В отличие от залежей нефти, газа, угля, эти резервуары постоянно заполняются водой.

• степенью точности. Не нужно беспокоиться по облачный день или отсутствие ветра. Горячая вода поступает из-под земли круглосуточно.
• технология быстро совершенствуется. Постоянно появляются новые решения, позволяющие использовать подземную горячую воду и пару более рационально. Это касается и других возобновляемых источников энергии. Именно такое современное оборудование представлено в интернет-магазине 220volt.

Недостатки Негативные особенности геотермальной энергии:

• ограниченная зональность. На планете существует довольно мало мест, где горячая вода выходит из-под земли в достаточном для строительства электростанций количестве. Чаще всего эти места находятся далеко от населенных пунктов.
• вред для экологии. Хотя геотермальная энергетика является «зеленым», определенное негативное влияние на природу все же присутствует. При переработке горячей воды выделяется определенное количество парниковых газов.
• землетрясения. Бурение глубоких скважин и выкачивания воды из подземных резервуаров потенциально может привести к тектонических сдвигов. В основном они не опасны из-за удаленности термальных электростанций от населенных пунктов. Но совсем игнорировать эту опасность нельзя.
• высокие начальные затраты. Бурение скважины на глубину несколько километров, строительство электростанции, прокладки инфраструктуры для передачи энергии требует значительных средств.

2 Расчетная часть. Определение эффективности очистки сточных вод

2.1 Задание для проведения расчетов по накоплению метанола в сточных водах.

Исходные данные: Таблица 1 — Данные для выполнения расчетной части  Таблица 2- Концентрация загрязнителя Определить, достаточна ли существующая эффективность.

2.2 Расчет эффективности очистки сточных вод от метанола

 

1. Определение коэффициента смешения γ:
2. Найдем вначале коэффициент турбулентной диффузии [5]:

Е = Ʊср.*Нср./200 =  0,0019,             (1) где  Ʊср — , Нср. —  .   1.2. Далее рассчитаем расход очищенных сточных вод, сбрасываемых в реку городскими очистными сооружениями [1]. Qос = Qпсв+Qгсв = 0,41+5,2= 5,61 м³/с,             (2) где Qос —  , Qпсв —   , Qгсв —   , 1.3. Вычислим коэффициент α :   = 0,084,                (3) где ζ = 1,5 при выпуске сточных вод в стрежень реки, а φ = 10. 1.4. Коэффициент β Вычисляется значение выражения в числителе уравнения = 1,333                              (4) Вычисляется значение коэффициента β = 0,26369,                     (5) где L = 4000 м – расстояние от места выпуска сточных вод до створа, расположенного на 1 км выше по течению реки границы пункта В. 1.5. Коэффициент находим как: = 0,183           (6) Определение кратности разбавления очищенных сточных вод речной водой: = 3,087          (7) Допустимая концентрация метанола в очищенном стоке, сбрасываемом в реку после очистных сооружений [2]: Сос = (п – 1)(Спдк – Св) + Спдк,                     (8) где Сос —   , Спдк —    , Св —  , п —   . Сос =(3,087 – 1)(3 – 0,1) + 3,0 = 9,034 мг/л. Допустимая концентрация метанола в смеси бытовых и промышленных сточных вод, поступающей на городские очистные сооружения: = 9,096 мг/л,                 (9) где Ссм —  . Допустимая концентрация метанола в промышленных сточных водах, сбрасываемых в городскую канализацию [3]: Ссм · (Qгсв + Qпсв) – Сгсв · Qгсв Сд.псв = ──────────────────────,      (10) Qпсв где Сд.псв —    , Ссм —  , Qгсв —   , Qпсв —  , Сгсв —  .   9,096*(5,2 + 0,41) – 5,2 *0,5 Сд.псв = ─────────────── = 118,118 мг/л.   Занесем результаты расчетов в таблицу 3:   Таблица 3 — Расчет допустимости сброса сточных вод промышленного предприятия в городскую канализацию Поскольку фактическое значение метанола (40 мг/л) не превышает  допустимого (118,118 мг/л), то можно сказать, что существующая система очистки сточных вод достаточно эффективна (90%) и не нуждается в совершенствовании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В теоретической  части были рассмотрены гейзеры как источник альтернативной энергии. Поскольку они выделяют большое количество кипящей воды, то могут быть использованы для отопления, в курортных, целях и как источник энергии. В расчетной части был выполнен расчет допустимой концентрации метанола в смешанных сточных водах и сравнение его с фактическим. Поскольку фактическое значение метанола (40 мг/л) не превышает  допустимого (118,118 мг/л), то можно сказать, что существующая система очистки сточных вод достаточно эффективна (90%)  и не нуждается в совершенствовании.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афанасьева, Е. А. Основные проблемы энергетики и возможные способы их решения/Е.А. Афанасьева, М.Д. Кислякова // Молодой ученый. — 2017. — №40. — С. 1-4.
2. Ветошкин, А. Г. Инженерная защита атмосферы от вредных выбросов: учеб.-практ. пособие / А. Г. Ветошкин. — Москва: Вологда : Инфра-Инженерия, 2016. — 316 с.
3. Ветошкин А. Г. Основы инженерной защиты окружающей среды: учеб. пособие / А. Г. Ветошкин. — Москва: Инфра-Инженерия, 2016. — 455 с.
4. Водородная энергетика имеет в Якутии больший потенциал, чем солнечная. ПАО «Якутэнерго». Региональный центр биотехнологий. – Республика Саха Якутия, 2016. [Электронный ресурс], —  http://greenevolution.ru/ — статья в интернете. (Дата обращения: 20.06.2020 г.).
5. Дякина, С.П. Обострение борьбы за природные ресурсы в современном мире/ С.П. Дякина // Гуманитарные, социально-экономические и общественные науки. – 2015. — Вып.№1. — С.52-54.
6. Махинов, А. Н. Наводнение в бассейне Амура 2013 года: причины и последствия/ А.Н. Махинов, В.И. Ким, Б.А. Воронов // Вестник ДВО. — 2014. — № 2. — С. 5-14.
7. Микшевич, Н.В. Водная среда и безопасность человека: учеб. пособие / Н.В. Микшевич, Л.А. Ковальчук.— Екатеринбург: Урал. гос. пед. ун-т, 2014. Ч. 1. – 118 с.
8. Основы государственной политики РФ в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу. [Электронный ресурс], — http://www.scrf.gov.ru/document.98.html — статья в интернете. (Дата обращения: 20.06.2020 г.).
9. Попов, А. Комплексные критерии качества вод и технологий/ А. Попов, Н. Сечкова, Г. Оболдин // Вода Magazine. – 2016. — № 1. — С. 25-36.
10. Рагулина, И.В. Количество и качество водных ресурсов в бассейне реки Москвы / И.В. Рагулина, В.И. Клёпов // Экология. Экономика. Информатика: Сборник статей. В 2-х т. Т. 1: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. – 2016. — Вып. 1.- С. 629.

11. Степаненко, В.П. Выбор накопителей в изолированных энергосистемах с возобновляемыми источниками энергии / В.П. Степаненко // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2017. – № 3. – С. 217–227.
12. Шевцов, М. Н. Водно-экологические проблемы и использование водных ресурсов / М. Н. Шевцов. — Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2015. — 197 с.
13. Шевцов, М. Н. Русловые переформирования реки Амур в районе Хабаровска и их влияние на гидротехнические сооружения / М.Н. Шевцов, А.Н. Махинов // Дальний Восток: проблемы развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплекса. — 2014. — Вып. 14. — С. 532-535.
14. Экологические основы охраны водных ресурсов: учебное пособие /А. Ф. Никифоров, А. С. Кутергин, В. С. Семенищев, С.В. Никифоров. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 192 с.
15. Экология: учебник и практикум для академического бакалавриата / О. Е. Кондратьева [и др.]; под редакцией О. Е. Кондратьевой. — Москва: Издательство Юрайт, 2018. — 283 с.

---

1 2