Тепловое загрязнение

Тепловое загрязнение — выброс тепла в атмосферу и водные ресурсы, вызванный техногенной деятельностью человека, и наряду с выбросами парниковых газов, служащий одним из факторов глобального потепления.^[1]

Любая тепловая машина характеризуется величиной КПД, показывающей отношение полезной работы к затраченной энергии. КПД на современных АЭС составляет примерно 30-35%, а на ТЭЦ 35-40%. Это означает, что большая часть тепловой энергии (60-70 %) выбрасывается в окружающую среду.^[2][3] Транспорт, работающий на ДВС, и потребляющий основную часть продуктов нефти, также вносит большой вклад в тепловое загрязнение.

В конечном итоге вся энергия  от ископаемых улеводородов (нефть, уголь, газ, торф) и урана в превращается в тепло, вызывая тепловое загрязнение атмосферы и водных ресурсов.

Тепловое загрязнение является причиной создания тепловых островов, местной (искусственной) инверсии температур над источником, что приводит к  развитию микроциркуляций атмосферы, изменению микроклимата и усложнению механизма переноса загрязнений.

Возникают проблемы в реках и  прибрежных океанических водах. Обычно такое загрязнение связано с  использованием природных вод в  качестве охлаждающих агентов в  промышленных процессах, например на электростанциях. Вода, возвращаемая в водоемы предприятиями, теплее исходной и, следовательно, содержит меньше растворенного кислорода. Одновременно нагревание среды увеличивает интенсивность метаболизма её обитателей, а, значит, их потребность в кислороде. Если температура сбрасываемой воды незначительно отличается от температуры воды в водоеме, то никаких изменений биотического компонента экосистемы может не произойти. Если же температура повышается существенно, то в биоте могут произойти серьёзные изменения. Например, для проходных рыб типа лосося бедные кислородом участки рек становятся непреодолимыми препятствиями, и связь этих видов с нерестилищами прерывается.

Меняются физические свойства воды, что неблагоприятно влияет на обитателей водоемов. Основным фактором ухудшения  её качества является снижение растворимости  кислорода, которая уменьшается  на одну треть при температуре 30С, вызывая эфтрофикацию водоёмов и их видовой состав.

Происходит увеличении температуры подземных вод против фоновых значений. Тепловому загрязнению сопутствуют, как правило, уменьшение содержания кислорода в воде, изменение её химического и газового состава, цветение воды и увеличение содержания в воде микроорганизмов. Тепловое загрязнение подземных вод обусловливается как поступлением в водоносные горизонты нагретых сточных вод с поверхности, так и внедрением вод нижележащих горизонтов вследствие затрубных перетоков.

Выбросы тепла в окружающую среду  в центрах крупных городов  приводят к повышению температуры  воздуха на 2-3 С по сравненю с периферией.

Тепловые загрязнения среды  обитания возникают в местах использования  различных энергоносителей. Наиболее значительными источниками теплового  загрязнения среды являются ТЭС  и АЭС. Основная доля тепловых сбросов  приходится на системы конденсации  отработавшего пара турбин. Потребление  воды в системе конденсации пара на ТЭС составляет до 150 л / (кВт ч), что объясняется ограничением нагрева охлаждающей воды на величину не более 10 С. При этом нагрев воды в естественных водоемах, куда сбрасывается теплота, не должен превышать 5 зимой и 3 С летом.^[4]

Основным способом снижения теплового  загрязнения является постепенный  отказ от ископаемого топлива  и переход на возобновляемую энергию, использующую солнечные источники энергии: свет, ветер и гидроресурсы. Вспомогательной мерой может быть переход от экономики общества потребления к ресурсной экономике. Защита окружающей среды от тепловых загрязнений

     По распространению и по  масштабам воздействия тепловое  загрязнение – один из наиболее  крупных видов физического загрязнения  окружающей среды: с довольно  большой степенью достоверности  можно считать объёмы потребления энергопотребителем топлива, горячей воды, пара одновременно и объёмами теплового загрязнения прилегающего района. Динамика теплового загрязнения в мире от энергетических производств представлена в таблице 14 [34].

Температура – пожалуй, важнейший  из абиотических факторов, влияющих на процессы в мире микроорганизмов, на выживание животных и растений. Последнее  сегодня особенно актуально для  водной фауны и флоры, поскольку  по сложившейся технологии сброса избыточного  тепла значительная его часть  отводится в водоёмы, что при  относительно малом объёме поверхностных  вод (средний расход планетарного поверхностного стока составляет ~ 1,24×10^-3 км³/с) приводит к их значимому подогреву.

Для каждого вида существует свой интервал температур, благо-приятный для обитания (диапазон толерантности по фактору температуры, раздел 2). Для любого конкретного вида диапазон переносимых температур относительно узок, в некоторых случаях – крайне узок, до нескольких градусов по Цельсию [35]. У теплокровных животных развит набор механизмов для поддержания тела в требуемых температурных пределах, в том числе механизм поведенческого регулирования температуры: например, рыба, перемещаясь, находит место с оптимальной для неё температурой. Организмы же, не способные перемещаться (укоренённые растения, взрослые устрицы) находятся в полной зависимости от температуры окружающей воды, и таких организмов много, если не большинство. Но даже рыбы могут стать жертвой теплового загрязнения: привыкнув к подогретой воде, они оказываются беззащитными перед водой с естественной температурой, например, зимой, когда ТЭС по каким-либо причинам временно прекращает тепловые сбросы в реку (ремонт и т.п.).

Таблица 14 - Динамика теплового  загрязнения в мире от энергетических производств

          Однако менее очевидные эффекты  могут иметь более серьёзные  последствия, например, влияние температуры  на репродуктивную фун-кцию организмов. Так, форели необходимы низкие температуры воды летом для формирования нормальных, жизнеспособных икринок. Взрослые особи способны выжить в тёплой воде, но они не смогут размножаться. Другой пример: повышение температуры может вызвать раннее вылупление насекомых из яиц – раньше, чем в обычных, без нагрева воды, условиях. Затем они погибают, так как в это время года пища для них «ещё не готова» [35]. В перспективе такие и подобные эффекты могут стать более губительными для популяции, чем непосредственная гибель от перегрева воды. Температура может оказывать воздействие на структуру всего водного сообщества. Например, изменение температуры может изменить конкурентные позиции различных видов. В целом, повышение температуры ведёт к упрощению водных сообществ, то есть число различных видов уменьшается, хотя количество представителей отдельных видов может быть велико. В исследованиях показано, что при 31°С число видов уменьшалось вдвое, чем при 26°С, при повышении температуры до 34°С исчезли ещё 24 % видов. Повидимому, такие экосистемы гораздо менее устойчивы, чем исходная, более сложная экосистема.

Проблема теплового загрязнения  имеет два измерения: глобальное (планетарное) и локальное. Можно  допустить, что в глобальном масштабе это загрязнение (уровень 2000 г.) пока невелико и составляет лишь       0,019 % от поступающей на Землю солнечной радиации: ~ 1,68×10⁵ млн. МВт [5]. То есть ситуация находится в рамках правила одного процента [5]. Правда, для глобальных систем, таких, как биосфера, их энергетика, повидимому, не может превзойти уровень примерно 0,2 % от поступающей солнечной радиации (уровень энергетики фотосинтеза)  без катастрофических последствий [5]. Но ожидаемая в 2000 г. антропогенная энергетика (32 млн. МВт) пока ещё меньше энергетики фотосинтеза (~ 100 млн. МВт), хотя по порядку величины фактически достигла данного принципиального порога.

Гораздо более впечатляющи  локальные очаги теплового загрязнения  в промышленных районах. Так, плотность  потока антропогенного тепла от Земли  на территории ФРГ, в среднем, составляет 1,6 Вт/м² (в 1973г. 33 % этого тепла приходилось на коммунальную сферу, 25 % - на   электрические станции, 29 % - на промышленность, 13 % - на транспорт), в Вестфалии – 4,5 Вт/м², в Руре – 17 Вт/м², в Берлине - 22 Вт/м², в центре Манхеттена – 630 Вт/м², в зоне бумажной фабрики – 2000 Вт/м², на угольной ТЭС 1000 МВт – 24000 Вт/м² [36]. Заметим, что максимальная плотность потока солнечной радиации вблизи поверхности Земли сос-тавляет ~ 935 Вт/м² [37]. Значит, тепловое загрязнение по ФРГ составляет, в среднем, 0,17 % от падающей на Землю радиации, а на отдельных территориях (в Руре, например) достигает 2 %. На основании этих данных легко представить, какого уровня достигнет тепловое загрязнение Земли, если все страны будут продвигаться к уровню энергопотребления, достигнутому в ФРГ. Тем более, что существуют мнения, что пороговой величиной для антропогенной энергетики является величина 0,1 % от падающей на Землю солнечной радиации [38], а не 0,2 % по [5].          

 В большинстве промышленных  стран установлены пределы теплового  загрязнения. Они относятся, как  правило, к режимам водоёмов, так  как по сложившейся технологии  отвода «тепловых отходов» водоёмы  (реки, озёра, моря) принимают основную  часть сбросного тепла и наиболее  страдают от теплового загрязнения.  В Европе принято, что вода  водоёма не должна подогреваться  больше, чем на 3°С по сравнению с естественной температурой водоёма. В США нагрев воды в реках не должен превышать  3°С, а озёрах – 1,6°С, в прибрежных водах морей и океанов – 0,8°С летом и 2°С в остальное время [39]. В России, согласно «Правилам охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами», действующим с 1975 г., температура воды в водоёмах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения не должна повышаться более чем на 3°С по сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого месяца в последние 10 лет. Для водоёмов, в которых обитают холодноводные рыбы (лососевые и сиговые), температура не должна повышаться более чем на 5°С с общим повышением не более чем до 20°С летом и 5°С зимой.         

 В настоящее время  около 30 % энергопотребления приходится  на электроэнергетику, 35 % - на отопление  и горячее водоснабжение, 30 % - на  технологическое потребление тепла.  Согласно статистике, из всех  тепловых сбросов 18 % приходятся  на отходы использования тепла, 22 % – отопления и горячего  водоснабжения и 42 % - теплоконденсации на ТЭС. Первый и третий виды сбросов, как правило, отводят непосредственно в атмосферу, вторые и четвёртые – через системы водяного охлаждения. Напомним, что внедрение установки Геллера (раздел 2) позволяет отвести значительную часть потока теплового загрязнения от водоёмов и направить её в атмосферу. Хотя общий поток теплового загрязнения биосферы при этом остаётся неизменным, но тепловая нагрузка на водоёмы ощутимо уменьшается и облегчается участь водных сообществ (экосистем). И участь весьма нелёгкая. Так, в Нарвском водохранилище при сбросе подогретых на 8…10°С вод тепловое загрязнение охватывает зону радиусом 10км [40, 41]. В реках тепловое загрязнение, связанное с повышением температуры на 8…10°С, сохраняется неизменным примерно на расстоянии 2 км вниз по течению, затем температура начинает снижаться [42].         

 Если говорить о  масштабах теплового загрязнения  атмосферы, то показательны такие  оценки:  от  промышленного  центра  с  населением    2 млн. человек, с электростанциями суммарной мощностью 4600 МВт и нефтехимическими заводами шлейф тепловых загрязнений распрос-траняется на 80…120 км при ширине зоны загрязнения 50 км и высоте около 1 км [43].         

 Борьба с тепловым  загрязнением с инженерной точки  зрения идентична работе по  энергосбережению. Чем на более  высоком уровне находится энергосберегающая  политика и работа, тем более  интенсивно ведётся борьба с  тепловым загрязнением. Положим,  если бы удалось благодаря  внедрению источников освещения  с высокой светоотдачей и систем  автоматического отключения источников  уменьшить электро-потребление на нужды освещения в 2 раза, то соответственно примерно в 2 раза уменьшилось бы и тепловое загрязнение, связанное с данным сектором энергопотребления. И так обстоит дело в любом секторе энергопотребления: в системе отопления жилых и производственных помещений, в сфере транспорта, в промышленных отраслях.         

 В проблеме теплового  загрязнения присутствует и, повидимому, будет присутствовать такой аспект: всегда стремиться найти полезное применение тепловым отходам, а не просто сбрасывать тепло. Ниже приведены некоторые достаточно привлекательные способы утилизации тепловых отходов электростанций [35]:

1)  орошение сельскохозяйственных земель (правда, это ведёт к возрастанию безвозвратных потерь воды, раздел;

2) использование в тепличном  хозяйстве;

3) подогрев свежей воды, поступающей на электростанцию, для предупреждения осаждения  солей на стенках трубопроводов;

4) поддержание северных  морских гаваней в свободном  ото льда состоянии;

5) перегонка мазута и  других тяжёлых нефтепродуктов;

6) аквакультура – разведение рыб для вылова, выращивание тепло-любивых видов в северных районах;

7) получение дополнительной  электроэнергии, например, с помощью  термоэлементов;

8) защита животных в  природе путём устройства подогреваемых  зимой прудов для водоплавающей  птицы;

9) ликвидация туманов  и очистка посадочных и рулевых  дорожек при обеспечении безопасности  в аэропортах.