8.2: Екологічні виклики в енергетиці, вуглекислому газу, повітрі, воді та землекористуванні

Цілі навчання

Прочитавши цей модуль, студенти повинні мати можливість

• окреслити вплив використання енергії на навколишнє середовище
• оцінювати різні джерела енергії на основі їх впливу на навколишнє середовище
• зрозуміти глобальний потенціал для кожного невідновлюваного джерела енергії

Вступ

Енергія для освітлення, обігріву та охолодження наших будинків, підприємств та установ, виробництва продукції та керування нашими транспортними системами надходить з різних джерел, які походять з нашої планети та Сонячної системи. Це забезпечує соціальну та економічну вигоду суспільству. Земне ядро забезпечує геотермальною енергією. Гравітаційна тяга місяця і сонця створюють припливи. Сонце робить владу різними способами. Саме по собі сонце генерує пряму сонячну енергію. Сонячне випромінювання в поєднанні з гідрологічним циклом може зробити енергію вітру та гідроелектроенергію. Завдяки фотосинтезу рослини ростуть, роблячи деревину та біомасу, які розпадаються після того, як вони гинуть на органічну речовину. Протягом тисяч років цей розпад призводить до викопного палива, які концентрували або зберігали енергію. Щоб дізнатися більше про вимірювання різних видів енергії, відомих як енергія, див. Розділ 11. Кожен з цих видів енергії можна визначити як відновлюване або невідновлюване паливо, і кожен з них має певні екологічні та медичні витрати.

Запаси викопного палива не розподіляються порівну по всій планеті, а також споживання та попит. У цьому розділі ми побачимо, що розподіл палива має вирішальне значення для стійкості ресурсів викопного палива для певної географічної зони. Доступ до відновлюваних ресурсів та їх життєздатність сильно залежать від географії та клімату. Створення енергії вимагає введення енергії, тому важливо дивитися на генерується чиста енергія - різниця виробленої енергії менше вкладеної енергії.

Екологічні та медичні виклики використання енергії

Вплив використання енергії на навколишнє середовище на людину і планету може відбуватися в будь-якому місці протягом життєвого циклу джерела енергії. Вплив починається з видобутку ресурсу. Вони продовжують переробку, очищення або виготовлення джерела, його транспортування до місця вироблення енергії, ефекти від виробництва енергії, включаючи використання води, повітря та землі, і закінчуються утилізацією відходів, що утворюються під час процесу. Видобуток викопного палива, тим більше, що більш традиційні джерела виснажуються, сильно впливає на природне середовище. Коли ми копаємо глибше в гори, далі в море або далі в незаймані місця існування, ми ризикуємо пошкодити крихке середовище, а результати аварій або стихійних лих під час видобутку можуть бути руйнівними. Викопні паливо часто знаходяться далеко від місця, де вони використовуються, тому їх потрібно транспортувати трубопроводом, танкерами, залізничними або вантажними автомобілями. Всі вони представляють потенціал для аварій, витоків та розливів. При перевезенні залізницею або вантажівкою енергія повинна витрачатися і утворюються забруднюючі речовини. Переробка нафти, газу і вугілля генерує різні види викидів і відходів, а також використовує водні ресурси. Виробництво енергії на електростанціях призводить до викидів повітря, води та, найчастіше, відходів. Електростанції високо регулюються федеральним законодавством та законодавством штату відповідно до Законів про чисте повітря та чисту воду, тоді як атомні електростанції регулюються Комісією з ядерного регулювання. Поки об'єкти відповідають вимогам, значна частина впливу на навколишнє середовище пом'якшується шляхом обробки викидів та використання належних методів утилізації відходів. Однак з точки зору сталого розвитку вони все ще представляють екологічні загрози в довгостроковій перспективі і мають складні різноманітні проблеми навколо них. Малюнок\(\PageIndex{1}\) узагальнює ці виклики. Пізніше в модулі вони описані більш повно для кожного джерела енергії і наводяться приклади.

Рисунок Вплив на\(\PageIndex{1}\) навколишнє середовище невідновлюваних та відновлюваних джерел електроенергії. Джерело: Кляйн-Банай з використанням даних Адміністрації енергетичної інформації США та Агентства з охорони навколишнього середовища США

Геополітичні виклики викопного палива

Використання викопного палива дозволило більшій частині світового населення досягти більш високого рівня життя. Однак ця залежність від викопного палива призводить до багатьох значних впливів на суспільство. Наші сучасні технології та послуги, такі як транспортування, озеленення та виробництво пластмас багато в чому залежать від викопного палива. Тобто, якщо поставки стають обмеженими або надзвичайно дорогими, наша економіка вразлива. Якщо країни не мають власних запасів викопного палива, вони несуть ще більший ризик. Сполучені Штати стають все більш залежними від іноземної нафти з 1970 року, коли наш власний видобуток нафти досяг максимуму. Ми імпортували більше половини сирої нафти та нафтопродуктів, які ми споживали протягом 2009 року. Трохи більше половини цього імпорту припало на Західну півкулю (див. Рисунок\(\PageIndex{2}\)).

На малюнку показано, що Сполучені Штати імпортували понад половину сирої нафти та нафтопродуктів, які вони споживали протягом 2009 року. Джерело: Управління енергетичної інформації США, Річний обсяг поставок нафти, 2009, попередні дані

Власником запасів нафти на ринку нафти є Організація країн-експортерів нафти (ОПЕК) (див. Рис.\(\PageIndex{3}\)). Станом на січень 2009 року в ОПЕК налічувалося 12 країн-членів: Алжир, Ангола, Еквадор, Іран, Ірак, Кувейт, Лівія, Нігерія, Катар, Саудівська Аравія, Об'єднані Арабські Емірати та Венесуела. ОПЕК намагається вплинути на кількість нафти, доступної в світі, призначивши квоту видобутку кожному члену, крім Іраку, для якої наразі не встановлено жодної квоти. Загальне дотримання цих квот є неоднозначним, оскільки окремі країни приймають фактичні виробничі рішення. Всі ці країни мають національну нафтову компанію, але також дозволяють міжнародним нафтовим компаніям працювати в межах своїх кордонів. Вони можуть обмежити обсяги видобутку цими нафтовими компаніями. Тому країни ОПЕК мають великий вплив на те, наскільки світового попиту задовольняють пропозиції ОПЕК і не входять в ОПЕК. Недавнім прикладом цього є підвищення цін, яке відбулося протягом 2011 року після численних народних повстань в арабських країнах, включаючи Лівію.

Малюнок\(\PageIndex{3}\) Доведено власників запасів нафти. Кругова діаграма показує перевірених власників запасів нафти. Джерело: Кляйн-Банай з використанням даних статистичного огляду світової енергетики ВР (2010)

Цей тиск змусив Сполучені Штати розробити політику, яка б зменшила залежність від іноземної нафти, наприклад, розробку додаткових внутрішніх джерел та отримання її з неблизькосхідних країн, таких як Канада, Мексика, Венесуела та Нігерія. Однак, оскільки запаси викопного палива створюють робочі місця та забезпечують дивіденди інвесторам, багато на кону в країні, яка має ці резерви. Залежно від того, чи ділиться це нафтове багатство з жителями країни або зберігається нафтовими компаніями та диктатурами, як і в Нігерії до 1990-х років, нація з запасами викопного палива може отримати користь або вийти ще гірше.

Невідновлювана енергетика та навколишнє середовище

Викопне паливо також відоме як невідновлювана енергія, оскільки для їх регенерації землі потрібні тисячі років. Три основні джерела палива надходять на всі фази - тверде, рідке та газове - і будуть обговорюватися в такому порядку. Однією з головних проблем є викиди вуглекислого газу, які сприяють зміні клімату. На малюнку\(\PageIndex{4}\) відображається взаємозв'язок між типом палива і викидами вуглецю.

Малюнок Тип\(\PageIndex{4}\) палива та викиди вуглецю. Дві діаграми показують взаємозв'язок між типом палива та викидами вуглецю для споживання енергії в США в 2010 році. Джерело: Управління енергетичної інформації США

Тверде викопне паливо: вугілля

Вугілля походить з органічної речовини, яка була стиснута під високим тиском, щоб стати щільною, твердою вуглецевою структурою протягом тисячо-мільйонів років. Завдяки своїй відносно низькій вартості та достатку вугілля використовується для вироблення приблизно половини електроенергії, споживаної в США. Вугілля є найбільшим внутрішнім джерелом енергії. На малюнку\(\PageIndex{5}\) показано, як видобуток вугілля подвоївся в США за останні шістдесят років. Поточні світові запаси оцінюються в 826 000 мільйонів тонн, причому майже 30 відсотків - у Сполучених Штатах. Це великий паливний ресурс, який США контролюють всередині країни.

Малюнок\(\PageIndex{5}\) Історичне видобуток вугілля в США. Графік показує видобуток вугілля в США з 1950-2010 рр. Джерело: Управління енергетичної інформації США

Вугілля рясне і недороге, якщо дивитися лише на ринкову вартість відносно вартості інших джерел електроенергії, але його видобуток, транспортування та використання виробляє безліч впливів на навколишнє середовище, які ринкова вартість насправді не представляє. Вугілля виділяє діоксид сірки, оксид азоту та ртуть, які були пов'язані з кислотними дощами, смогом та проблемами зі здоров'ям. Спалювання вугілля виділяє більшу кількість вуглекислого газу на одиницю енергії, ніж при використанні нафти або природного газу. Вугілля становило 35 відсотків від загального обсягу викидів США вуглекислого газу, що виділяється в атмосферу Землі в 2010 році (див. Рис.\(\PageIndex{4}\)). Зола, що утворюється при згорянні, сприяє забрудненню води. Деякі видобуток вугілля негативно впливає на екосистеми та якість води, змінює ландшафти та мальовничі краєвиди. Існують також значні наслідки для здоров'я та ризики для шахтарів та тих, хто живе поблизу вугільних шахт.

Традиційний підземний видобуток є ризикованим для робітників шахт через ризик захоплення або смерті. За останні 15 років Адміністрація з безпеки та охорони здоров'я шахт опублікувала кількість загиблих працівників шахт, і вона варіювалася від 18-48 на рік (див. Рисунок\(\PageIndex{6}\)).

Малюнок Смертельні випадки, пов'язані з видобутком вугілля\(\PageIndex{6}\) США. Графік показує смертельні випадки, пов'язані з видобутком вугілля США за 1995-2010 рр. Джерело: Кляйн-Банай, використовуючи дані Міністерства праці, управління безпеки шахт та охорони здоров'я США

Двадцять дев'ять шахтарів загинули 6 квітня 2010 року в результаті вибуху на вугільній шахті Верхньої великої гілки в Західній Вірджинії, що сприяло зростанню смертей між 2009 і 2010 роками. В інших країнах, з меншими правилами безпеки, нещасні випадки трапляються частіше. Наприклад, у травні 2011 року три людини загинули, а 11 потрапили в пастку у вугільній шахті в Мексиці протягом декількох днів. Також існує ризик отримати чорну хворобу легенів (пневмоконіоз). Це захворювання легенів, викликане вдиханням вугільного пилу протягом тривалого періоду часу. Він викликає кашель і задишку. Якщо вплив припинено, результат хороший. Однак ускладнена форма може викликати задишку, яка посилюється.

Гірничодобувна промисловість (MTM), хоча і менш небезпечна для робітників, особливо згубно впливає на земельні ресурси. MTM - це практика поверхневого видобутку, яка передбачає видалення гірських вершин для оголення вугільних пластів та утилізації пов'язаних з ними відходів видобутку корисних копалин у сусідніх долині - «долині заливки». Процес MTM більш детально описаний Агентством з охорони навколишнього середовища США (EPA США).

Малюнок\(\PageIndex{7}\) гірська вершина видалення вугільної промисловості в окрузі Мартін, штат Кенту Фотографія показує гірські вершини видалення вугілля видобуток в окрузі Мартін, штат Кентуккі. Джерело: Flashdark.

Нижче наведено кілька прикладів впливу MTM:

• збільшення мінералів у воді, які негативно впливають на риб та макробезхребетних, що призводить до менш різноманітних та більш стійких до забруднень видів
• потоки іноді покриваються мулом від видобутку
• повторне зростання дерев і деревних рослин на переградованій землі може сповільнюватися через ущільнених грунтів
• впливає на різноманітність видів птахів та амфібій у цій місцевості, оскільки екосистема змінюється з лісистих районів на інші
• можуть виникнути соціальні, економічні проблеми та проблеми спадщини, створені втратою лісистих земель, які, можливо, мали важливе значення для традицій та економіки району

Дослідження Epstein, et al. (2011) присвоїло грошову вартість (повний облік витрат) для життєвого циклу вугілля в Сполучених Штатах, враховуючи багато впливу вугілля на навколишнє середовище та здоров'я. Автори виявили, що вартість електроенергії, виробленої з вугілля, становить близько $0,178 за кВт·год ($345,4 млрд у 2008 році), що вдвічі або втричі збільшило ціну на електроенергію, вироблену вугіллям. Це дослідження враховувало всі наслідки, про які йшлося вище, і більше.

Рідке викопне паливо: Нафта

Тридцять сім відсотків світового споживання енергії та 43 відсотки споживання енергії Сполученими Штатами припадає на нафту. Як обговорювалося вище, велика частина видобутку нафти припадає на регіон Перської затоки. ^{Вчені та політики часто обговорюють питання про те, коли світ досягне піку видобутку нафти, і в цьому рівнянні є багато змінних, але, як правило, вважається, що пік нафти буде досягнутий до середини 21 століття.} В даний час світові запаси становлять 1,3 трлн барелів, або 45 років залишилося на поточному рівні видобутку, але ми можемо скоротити видобуток, оскільки поставки низькі.

Вплив видобутку та переробки нафти на навколишнє середовище

Нафта зазвичай знаходиться на один-дві милі (1,6 — 3,2 км) нижче поверхні. Нафтопереробні заводи розділяють суміш сирої нафти на різні типи для газу, дизельного палива, смоли та асфальту. Для пошуку і видобутку нафти робітники повинні бурити глибоко нижче океанічного дна. Оскільки Сполучені Штати намагаються видобувати більше нафти з власних ресурсів, ми буріння ще глибше в землю і збільшуємо екологічні ризики.

Найбільший розлив нафти в США на сьогоднішній день почався в квітні 2010 року, коли на нафтовій вишці Deepwater Horizon стався вибух, загинув 11 співробітників і розлив майже 200 мільйонів галонів нафти, перш ніж витік може бути зупинений. Негативно вплинули дика природа, екосистеми та засоби до існування людей. Багато грошей і величезна кількість енергії і відходів були витрачені на негайні зусилля з очищення. Довгострокові наслідки досі не відомі. Національна комісія з питань розливу нафти Deepwater Horizon та морського буріння була створена для вивчення того, що пішло не так. Це відео підсумовує їхні висновки.

Після того, як олія знайдена і витягнута, її необхідно рафіновувати. Переробка нафти є одним з головних джерел забруднення повітря в США летючими органічними вуглеводнями та токсичними викидами, а також єдиним найбільшим джерелом канцерогенного бензолу.

Коли нафту спалюють як бензин або дизель, або виробляють електрику або для живлення котлів на тепло, він виробляє ряд викидів, які згубно впливають на навколишнє середовище і здоров'я людини:

• Вуглекислий газ (CO ₂) є парниковим газом і джерелом зміни клімату.
• Діоксид сірки (_{SO 2}) спричиняє кислотні дощі, які пошкоджують рослини та тварини, що живуть у воді, і збільшує або викликає респіраторні захворювання та захворювання серця, особливо у вразливих груп населення, таких як діти та люди похилого віку.
• Оксиди азоту (NO _x) та летючі органічні вуглеці (ЛОС) сприяють озону на рівні землі, який є подразником і спричиняє пошкодження легенів.
• Тверді частинки (PM) створює туманні умови в містах та мальовничих районах, а також поєднується з озоном, щоб сприяти астмі та хронічному бронхіту, особливо у дітей та людей похилого віку. Дуже маленький, або «тонкий PM», також вважається, що проникає в дихальну систему глибше і викликає емфізему та рак легенів.
• Свинець може мати серйозні наслідки для здоров'я, особливо для дітей.
• Повітряні токсини відомі або ймовірні канцерогени.

Є й інші вітчизняні джерела рідкого викопного палива, які розглядаються як звичайні ресурси і виснажуються. До них відносяться грунтові піски/дегтярні піски — поклади вологого піску та глини з 1-2 відсотками бітуму (густий і важкий нафтовий, багатий вуглецем і бідний воднем). Вони видаляються за допомогою стрічкового видобутку (див. Розділ вище про вугілля). Іншим джерелом є сланці нафти на заході Сполучених Штатів, які є осадовими породами, наповненими органічними речовинами, які можуть бути перероблені для отримання рідкої нафти. Крім того, видобуті смуговими шахтами або підземними шахтами, сланці можуть спалюватися безпосередньо, як вугілля, або запікати у присутності водню для видобутку рідкої нафти. Однак чисті енергетичні цінності низькі, і їх дорого видобувати та обробляти. Обидва ці ресурси мають серйозний вплив на навколишнє середовище внаслідок видобутку смуг, вуглекислого газу, метану та інших забруднювачів повітря, подібних до інших викопних видів палива.

Газоподібне викопне паливо: природний газ

Природний газ задовольняє 20 відсотків світових енергетичних потреб і 25 відсотків потреб Сполучених Штатів. Природний газ в основному складається з метану, найкоротшого вуглеводню (CH ₄), і є дуже потужним парниковим газом. Існує два види природного газу. Біогенний газ знаходиться на невеликій глибині і виникає внаслідок анаеробного розпаду органічної речовини бактеріями, як звалищний газ. Термогенний газ надходить від стиснення органічних речовин і глибокого тепла під землею. Вони знаходяться з нафтою в пластових породах і з родовищами вугілля, і ці викопне паливо видобуваються разом.

Метан викидається в атмосферу з вугільних шахт, нафтових і газових свердловин, резервуарів для зберігання природного газу, трубопроводів і переробних заводів. Ці витоки є джерелом близько 25 відсотків загальних викидів метану в США, що становить три відсотки від загального обсягу викидів парникових газів в США. Коли природний газ видобувається, але не може бути захоплений та транспортований економічно, він «спалюється» або спалюється на ділянках свердловин. Це вважається безпечнішим і кращим, ніж викид метану в атмосферу, оскільки СО ₂ є менш потужним парниковим газом, ніж метан.

В останні кілька років виявлено новий запас природного газу - сланцеві ресурси. Сполучені Штати володіють 2,552 трлн кубічних футів (Tcf) (72,27 трлн кубічних метрів) потенційних ресурсів природного газу, при цьому сланцеві ресурси становлять 827 Tcf (23,42 тис. куб. м). Зі зростанням цін на газ стало економічніше видобувати газ із сланців. \(\PageIndex{8}\)На малюнку показано минуле та прогнозоване видобуток природного газу в США та різні джерела. Нинішніх запасів вистачає, щоб протриматися близько 110 років при темпі споживання США в 2009 році (близько 22,8 Tcf на рік -645,7 млрд куб. м на рік).

Рисунок Постачання природного газу\(\PageIndex{8}\) США, 1990-2035 рр. Графік показує історичний та прогнозований видобуток природного газу в США з різних джерел. Джерело: Управління енергетичної інформації США

Природний газ є кращим джерелом енергії при врахуванні його впливу на навколишнє середовище. Зокрема, при спалюванні опускається набагато менше вуглекислого газу (СО ₂), оксидів азоту та діоксиду сірки, ніж при згорянні вугілля або нафти (див. Рис.\(\PageIndex{1}\)). Він також не виробляє золи або токсичних викидів.

Вплив розвідки, буріння та видобутку на навколишнє середовище

Земельні ресурси впливають, коли геологи досліджують родовища природного газу на суші, оскільки транспортні засоби порушують рослинність і ґрунти. Розчищення доріг, будівництво трубопроводів та бурових майданчиків також впливають на природні місця проживання шляхом очищення та копання. Видобуток природного газу також може призвести до виробництва великих обсягів забрудненої води. Цю воду потрібно належним чином обробляти, зберігати та обробляти, щоб вона не забруднювала землю та водопостачання.

Видобуток сланцевого газу є більш проблематичним, ніж традиційні джерела через процес на прізвисько «фрекінг», або розрив свердловин, так як вимагає великої кількості води (див. Рис.\(\PageIndex{9}\)). Значне використання води може вплинути на доступність води для інших цілей у деяких регіонах, і це може вплинути на водні середовища існування. При неправильному управлінні рідина гідравлічного розриву може виділятися розливами, витоками або різними іншими шляхами впливу. Рідина містить потенційно небезпечні хімічні речовини, такі як соляна кислота, глутаральдегід, нафтовий дистилят та етиленгліколь. Ризики фрекінгу були висвітлені в популярній культурі в документальному фільмі «Гасланд» (2010).

Розрив пласта також виробляє велику кількість стічних вод, які можуть містити розчинені хімічні речовини з гідравлічної рідини та інші забруднюючі речовини, які потребують очищення перед утилізацією або повторним використанням. Через кількість використовуваної води та складнощі, притаманні обробці деяких компонентів стічних вод, очищення та утилізація є важливим і складним питанням.

Сирий газ зі свердловини може містити багато інших сполук, крім метану, який шукають, включаючи сірководень, дуже токсичний газ. Природний газ з високими концентраціями сірководню зазвичай розпалюється, який виробляє CO ₂, окис вуглецю, діоксид сірки, оксиди азоту та багато інших сполук. Свердловини та трубопроводи природного газу часто мають двигуни для роботи обладнання та компресорів, які виробляють додаткові забруднювачі повітря та шум.

Малюнок Процес\(\PageIndex{9}\) гідравлічного розриву пласта Графічний ілюструє процес гідравлічного розриву пласта. Джерело: Аль Гранберг, ProPublica. Ця графіка не може бути переліцензована для продажу, за винятком власника авторських прав (ProPublica).

Альтернативи викопному паливу

Атомна енергетика

Атомні електростанції не виробляють вуглекислого газу і тому часто вважаються альтернативним паливом, коли головною проблемою є зміна клімату. В даний час світове виробництво становить близько 19,1 трлн кВт·год, при цьому Сполучені Штати виробляють і споживають близько 22 відсотків цього. Атомна енергетика забезпечує близько дев'яти відсотків нашого загального споживання електроенергії (див. Рис.\(\PageIndex{10}\)).

Однак існують екологічні проблеми з атомною енергетикою. Видобуток та переробка уранової руди та виготовлення реакторного палива вимагає великої кількості енергії. Самі рослини виготовлені з металу та бетону, для виготовлення яких також потрібна енергія. Основною екологічною проблемою для атомної енергетики є відходи, включаючи хвости уранових заводів, відпрацьоване (відпрацьоване) реакторне паливо та інші радіоактивні відходи. Ці матеріали мають тривалий радіоактивний період напіврозпаду і, таким чином, залишаються загрозою для здоров'я людини протягом тисячоліть. Комісія з ядерного регулювання США регулює роботу атомних електростанцій та обробку, транспортування, зберігання та захоронення радіоактивних матеріалів для захисту здоров'я людей та навколишнього середовища.

За обсягом хвости уранових млинів є найбільшими відходами, і вони містять радіоактивний елемент радій, який розпадається з утворенням радону, радіоактивного газу. Ці відходи розміщуються поблизу переробного підприємства або млина, звідки вони надходять, і покриваються бар'єром з такого матеріалу, як глина, щоб запобігти виходу радону в атмосферу, а потім шаром ґрунту, гірських порід або інших матеріалів для запобігання ерозії ущільнювального бар'єру.

Радіоактивні відходи високого рівня складаються з відпрацьованого ядерного реакторного палива. Це паливо знаходиться в твердій формі, що складається з невеликих паливних гранул в довгих металевих трубках, і його слід зберігати та обробляти з багаторазовою оболонкою, спочатку охолодженою водою, а пізніше в спеціальних відкритих бетонних або сталевих контейнерах, які охолоджуються повітрям. Довгострокового зберігання цього палива в Сполучених Штатах немає.

Існує багато інших нормативних заходів, що регулюють надання дозволів, будівництво, експлуатацію та зняття з експлуатації атомних електростанцій через ризики від неконтрольованої ядерної реакції. Потенціал забруднення повітря, води та їжі високий, якщо відбудеться неконтрольована реакція. Навіть при плануванні найгірших сценаріїв завжди є ризики несподіваних подій. Наприклад, землетрус у березні 2011 року та подальше цунамі, яке вразило Японію, призвели до краху реактора на атомній електростанції Фукусіма Даіічі, що завдало величезної шкоди навколишній території.

Атомна електростанція Фукусіма-Дайічі

• Березень 11, 2011: Землетрус магнітудою 9.0 в 231 милі на північний схід від Менш ніж через 1 годину - 14-метровий цунамі
• 50 співробітників електростанції працювали цілодобово, щоб спробувати стабілізувати ситуацію

Ядерні реактори США мають судини стримування, які призначені для протистояння екстремальним погодним явищам та землетрусам. Однак після інциденту в Японії вони переглядають свої об'єкти, політику та процедури.

Рисунок Споживання енергії\(\PageIndex{10}\) США за джерелом енергії, 2009. Відновлювана енергетика становить 8% споживання енергії в США. Джерело: Управління енергетичної інформації США

Гідроенергетика

Гідроенергетика (гідроелектростанція) вважається чистим і відновлюваним джерелом енергії, оскільки вона безпосередньо не виробляє викидів забруднювачів повітря, а джерело енергії регенерується. Однак гідроенергетичні греблі, водосховища та робота генераторів можуть мати вплив на навколишнє середовище. \(\PageIndex{11}\)На малюнку показана електростанція Гувера, розташована на річці Колорадо. Гідроенергетика забезпечує 35 відсотків споживання відновлюваної енергії США (див. Рисунок\(\PageIndex{10}\)). У 2003 році потужність становила 96 000 МВт, і, за оцінками, потужність 30 000 МВт є нерозвиненою.

Малюнок електростанція\(\PageIndex{10}\) Гувер. Вид на електростанцію Гувера на річці Колорадо, як видно зверху. Джерело: Міністерство внутрішніх справ США

Міграція риб в райони нересту вище за течією може бути перешкоджена греблею, яка використовується для створення водосховища або для відводу води на річкову гідроелектростанцію. Водойма та експлуатація греблі можуть впливати на природне водне середовище існування через зміни температури води, хімії, характеристик течії та мулових навантажень, що може призвести до значних змін екології та фізичних характеристик річки вгору та вниз за течією. Будівництво водойм може призвести до охоплення природних територій, ферм та археологічних пам'яток та змусити населення переселятися. Гідротурбіни вбивають і травмують деякі риби, які проходять через турбіну, хоча є способи зменшити цей ефект. У районах, де лосось повинен подорожувати вгору за течією, щоб нереститися, наприклад, вздовж річки Колумбія у Вашингтоні та Орегоні, греблі заважають. Цю проблему можна частково полегшити, використовуючи «рибні сходи», які допомагають лососеві встати на греблі.

Вуглекислий газ і метан також можуть утворюватися у водоймах, де вода більш застійна і викидається в атмосферу. Точна кількість парникових газів, що виробляються з водосховищ ГЕС, є невизначеною. Якщо водойми розташовані в тропічних та помірних регіонах, включаючи США, ці викиди можуть дорівнювати або перевищувати парниковий ефект викидів вуглекислого газу від еквівалентної кількості електроенергії, виробленої за допомогою викопного палива (EIA, 2011).

Тверді побутові відходи

Відходи в енергетичні процеси набирають поновлений інтерес, оскільки вони можуть вирішити відразу дві проблеми — утилізація відходів у міру зменшення потужності полігону та виробництва енергії з відновлюваних ресурсів. Багато з впливу на навколишнє середовище подібні до впливу вугільної установки - забруднення повітря, утворення золи тощо Оскільки джерело палива менш стандартизоване, ніж вугілля та небезпечні матеріали можуть бути присутніми у твердих побутових відходах (ТПВ), або смітті, сміттєспалювальних установках та електростанціях від відходів до енергії потрібно очистити стек гази шкідливих матеріалів. EPA США регулює ці рослини дуже суворо і вимагає встановлення пристроїв проти забруднення. Крім того, під час спалювання при високій температурі багато токсичних хімічних речовин можуть розпастися на менш шкідливі сполуки.

Зола цих рослин може містити високі концентрації різних металів, які були присутні в вихідних відходах. Якщо зола досить чиста, її можна «переробляти» як покриття полігону ТПВ або будувати дороги, цементний блок та штучні рифи.

Біомаса

Біомаса отримується з рослин. Приклади включають тирсу пиломатеріалів, шлам паперової фабрики, відходи двору або вівсяні лушпиння з заводу з переробки вівсяних пластівців. Основною проблемою біомаси є визначення того, чи дійсно вона є більш стійким варіантом. Для отримання енергії часто потрібна енергія, а біомаса є одним із прикладів, коли обробка, щоб зробити її, не може бути компенсована енергією, яку вона виробляє. Наприклад, спалювання біомаси може збільшувати або зменшувати викиди забруднювачів повітря залежно від типу біомаси та видів палива або джерел енергії, які вона замінює. Біомаса зменшує попит на викопне паливо, але коли рослини, які є джерелами біомаси, вирощуються, майже еквівалентна кількість CO ₂ захоплюється за допомогою фотосинтезу, таким чином він переробляє вуглець. Якщо ці матеріали вирощувати та збирати стійким способом, не може бути чистого збільшення викидів CO ₂. Кожен тип біомаси повинен бути оцінений на його повний життєвий цикл, щоб визначити, чи дійсно він сприяє стійкості та зменшенню впливу на навколишнє середовище.

\(\PageIndex{12}\)Малюнок Тріска. На фотографії зображена купа тріски, яка є різновидом біомаси. Джерело: Ульріхюльріх

Тверда біомаса: спалювання деревини

Використання деревини та деревного вугілля, виготовленого з деревини, для опалення та приготування їжі може замінити викопне паливо і може призвести до зниження викидів CO ₂. Якщо деревину збирають з лісів або лісових ділянок, які потрібно проріджувати, або з міських дерев, які все одно падають або потребують вирубки, то використання її для біомаси не впливає на ці екосистеми. Однак деревний дим містить шкідливі забруднювачі, такі як чадний газ та тверді частинки. Для опалення будинку він найбільш ефективний і найменш забруднює при використанні сучасної дров'яної печі або камінної топки, які призначені для виділення невеликої кількості твердих частинок. Однак у місцях, де дрова та деревне вугілля є основними паливами для приготування їжі та опалення, наприклад, у нерозвинених країнах, деревина може бути заготовлена швидше, ніж дерева можуть рости, що призводить до вирубки лісів.

Біомаса також використовується в більших масштабах, де є невеликі електростанції. Наприклад, Colgate College мав дров'яний котел з середини 1980-х років, і за один рік він переробляв приблизно 20 000 тонн місцевої та стійко заготовленої деревної тріски, що еквівалентно 1,17 мільйона галонів (4,43 мільйона літрів) мазуту, уникаючи 13,757 тонн викидів та заощаджуючи університет понад 1,8 мільйона доларів у витратах на опалення. Парогенеруюча дров'яна установка університету в даний час задовольняє більше 75 відсотків потреб кампуса в тепло і побутової гарячої води. Для отримання додаткової інформації про це натисніть тут

Газова біомаса: звалищний газ або біогаз

Звалищний газ і біогаз - це свого роду техногенний «біогенний» газ, про який говорилося вище. Метан і вуглекислий газ утворюються в результаті біологічних процесів на очисних спорудах, сміттєзвалищах, анаеробному компостуванні та системах поводження з гноєм худоби. Цей газ захоплюється і спалюється для отримання тепла або електроенергії, як правило, для генерації на місці. Електроенергія може замінити електроенергію, вироблену спалюванням викопного палива, і призвести до чистого скорочення викидів CO ₂. Єдиний вплив на навколишнє середовище - це будівництво самого заводу, подібного до впливу заводу на природному газі.

Рідке біопаливо: етанол та біодизель

Біопаливо можна вважати вуглецево-нейтральним, оскільки рослини, які використовуються для їх виготовлення (наприклад, кукурудза та цукрова тростина для етанолу та соєві боби та пальмова олія для біодизеля) поглинають СО ₂ у міру зростання і можуть компенсувати CO ₂, вироблений при виготовленні та спалюванні біопалива. Розрахунок чистої енергії або CO ₂, що генерується або зменшується в процесі виробництва біопалива, має вирішальне значення для визначення його впливу на навколишнє середовище.

Навіть якщо вплив на навколишнє середовище є чистим позитивним, необхідно враховувати економічні та соціальні наслідки вирощування рослин на паливо, оскільки земля, добрива та енергія, що використовуються для вирощування біопаливних культур, можуть бути використані для вирощування продовольчих культур замість цього. Конкуренція землі за паливо проти продуктів харчування може підвищити ціну на продукти харчування, що негативно позначається на суспільстві. Це також може зменшити постачання продовольства, збільшуючи недоїдання та голод у всьому світі. Біопаливо може бути отримано з частин рослин, які не використовуються в їжу (целюлозна біомаса), тим самим зменшуючи цей вплив. Целюлозна сировина етанолу включає місцеві прерійні трави, швидко зростаючі дерева, тирсу і навіть макулатуру. Крім того, в деяких куточках світу були вирубані великі площі природної рослинності та лісів для вирощування цукрової тростини для етанолу та сої та пальмових олійних дерев для виготовлення біодизеля. Це не стійке землекористування.

Біопаливо зазвичай замінює нафту і використовується для живлення транспортних засобів. Хоча етанол має більш високі октанові та етанол-бензинові суміші, що горять чистіше, ніж чистий бензин, вони також є більш летючими і, таким чином, мають більш високі «випарні викиди» з паливних баків та обладнання для дозування. Ці викиди сприяють утворенню шкідливого, наземного озону і смогу. Бензин вимагає додаткової обробки для зменшення викидів випарів перед змішуванням з етанолом.

Біодизель може бути виготовлений з відпрацьованого рослинного масла і виробляється на дуже місцевій основі. Порівняно з нафтовим дизелем, спалювання біодизеля виробляє менше оксидів сірки, твердих частинок, чадного газу та незгорілих та інших вуглеводнів, але більше оксиду азоту.

Нескінченні джерела енергії: Земля, вітер і Сонце

Геотермальна енергія

П'ять відсотків портфеля відновлюваних джерел енергії США припадає на геотермальну енергію (див. Рисунок\(\PageIndex{13}\)). Температура надр землі забезпечує нескінченний енергетичний ресурс. Вплив геотермальної енергії на навколишнє середовище залежить від того, як вона використовується. Безпосереднє використання та опалення практично не мають негативного впливу на навколишнє середовище.

Малюнок\(\PageIndex{13}\) Установка геотермальної труби. Система буріння для установки геотермальної системи наземного джерела труб. Джерело: Управління сталого розвитку, UIC

Геотермальні електростанції не спалюють паливо для виробництва електроенергії, тому їх рівень викидів дуже низький. Вони виділяють менше одного відсотка викидів вуглекислого газу заводу з викопного палива. Геотермальні установки використовують скрубберні системи для очищення повітря від сірководню, який природним чином міститься в парі і гарячій воді. Вони виділяють на 97 відсотків менше кислотних сполук сірки, що викликають дощ, ніж викидаються заводами викопного палива. Після того, як пара і вода з геотермального резервуара були використані, їх нагнітають назад в землю.

Геотермальні системи наземних джерел використовують систему теплообміну, яка працює в надрах приблизно на 20 футів (5 метрів) нижче поверхні, де земля знаходиться при постійній температурі. Система використовує землю як джерело тепла (взимку) або радіатор (влітку). Це зменшує споживання енергії, необхідної для отримання тепла від газу, пари, гарячої води, а також чиллера та звичайних електричних систем кондиціонування. Детальніше читайте в розділі 10.

Сонячна енергія

Сонячна енергетика має мінімальний вплив на навколишнє середовище, в залежності від того, де вона розміщена. У 2009 році один відсоток відновлюваної енергії, виробленої в Сполучених Штатах, припадав на сонячну енергію (1646 МВт) з восьми відсотків загальної генерації електроенергії з відновлюваних джерел. Виробництво фотоелектричних (PV) елементів створює деякі небезпечні відходи від хімічних речовин і розчинників, що використовуються в обробці. Часто сонячні батареї розміщують на дахах будівель або над паркінгами або інтегрують в будівництво іншими способами. Однак великі системи можуть бути розміщені на суші і особливо в пустель, де ці тендітні екосистеми можуть бути пошкоджені, якщо не буде доглянуто. Деякі сонячні теплові системи використовують потенційно небезпечні рідини (для передачі тепла), які потребують належного поводження та утилізації. Концентровані сонячні системи, можливо, доведеться регулярно очищати водою, яка також потрібна для охолодження турбогенератора. Використання води з підземних свердловин може вплинути на екосистему в деяких посушливих місцях.

Малюнок Сонячні установки\(\PageIndex{14}\) на даху. Сонячна установка на даху на Дуглас-Холл в Університеті штату Іллінойс в Чикаго не впливає на земельні ресурси, виробляючи електроенергію з нульовими викидами. Джерело: Управління сталого розвитку, UIC

Вітер

Вітер є поновлюваним джерелом енергії, яке є чистим і має дуже мало екологічних проблем. Вітрові турбіни стають більш помітною пам'яткою у Сполучених Штатах, навіть у регіонах, які, як вважають, мають менший вітровий потенціал. Вітряні турбіни (їх часто називають вітряками) не виділяють викидів, що забруднюють повітря або воду (за рідкісним винятком), і їм не потрібна вода для охолодження. На кінець 2010 року у вітроенергетичній галузі США було встановлено 40 181 МВт потужності вітрової енергії, при цьому лише у 2010 році встановлено 5116 МВт, що забезпечує понад 20 відсотків встановленої вітрової енергії по всьому світу. За даними Американської вітроенергетичної асоціації, понад 35 відсотків усіх нових електрогенеруючих потужностей в США з 2006 року припадає на вітер, перевершений лише природним газом.

Малюнок\(\PageIndex{15}\) Twin Groves Вітропарк, Іллінойс. Вітроенергетика стає все більш популярним джерелом енергії в Сполучених Штатах. Джерело: Управління сталого розвитку, UIC

Оскільки вітрова турбіна має невеликий фізичний слід щодо кількості виробленої електроенергії, багато вітроелектростанцій розташовані на сільськогосподарських, пасовищних та лісових угіддях. Вони сприяють економічній стійкості, забезпечуючи додатковий дохід фермерам та скотоводам, дозволяючи їм залишатися в бізнесі та утримувати своє майно від розробки для інших цілей. Наприклад, енергію можна виробляти шляхом установки вітрових турбін в горах Аппалачі США замість того, щоб займатися видаленням вершини гори для видобутку вугілля. Берегові вітрогенератори на озерах або океані можуть мати менший вплив на навколишнє середовище, ніж турбіни на суші.

Вітрові турбіни мають кілька екологічних проблем. Є естетичні проблеми для деяких людей, коли вони бачать їх на ландшафті. Кілька вітрових турбін загорівся, а деякі просочилися мастильними рідинами, хоча це відносно рідко. Деяким людям не подобається звук, який видають лопатки вітрових турбін. Послухайте один тут і подивіться, що ви думаєте.

Було виявлено, що турбіни спричиняють смерть птахів та кажанів, особливо якщо вони розташовані вздовж їх міграційного шляху. Це викликає особливе занепокоєння, якщо ці види знаходяться під загрозою зникнення або під загрозою зникнення. Існують способи пом'якшити цей вплив, і в даний час він досліджується.

Є деякі невеликі наслідки від будівництва вітрових проектів або ферм, такі як будівництво службових доріг, виробництво самих турбін та бетон для фундаментів. Однак загальний аналіз життєвого циклу виявив, що турбіни виробляють набагато більше енергії, ніж кількість, яка використовується для їх виготовлення та встановлення.

Резюме

Ми отримуємо нашу енергію з безлічі ресурсів, які мають різні екологічні проблеми, пов'язані із забрудненням повітря та води, землекористуванням, викидами вуглекислого газу, видобутком та постачанням ресурсів, а також пов'язаними з ними проблемами безпеки та охорони здоров'я. Різноманітність ресурсів може допомогти зберегти політичну та економічну незалежність для Сполучених Штатів. Відновлювані джерела енергії мають менший вплив на навколишнє середовище і можуть забезпечити місцеві енергетичні ресурси. Кожен ресурс потрібно оцінювати в рамках парадигми сталого розвитку. Найближчим часом ми можемо очікувати тимчасового використання більш складних та екологічно складних методів видобутку для забезпечення викопного палива до тих пір, поки зростання та розвиток відновлюваних та чистих джерел енергії не зможуть задовольнити наші енергетичні потреби.

Переглянути питання

1. Опишіть три основні екологічні проблеми для викопного палива загалом або одну зокрема.
2. Які вагомі причини продовжувати використовувати вугілля, незважаючи на його виклики?
3. Оцініть наступні джерела електроенергії за їх внесок у зміну клімату від більшості до найменших: біомаса, вугілля, сонячна енергія, вітер, ядерна енергія, природний газ, нафта, геотермальна енергія, гідроелектростанція, ТПВ. Чи є вагомі причини не використовувати жодне з вуглецево-нейтральних (без чистих викидів вуглецю) джерел?
4. Охарактеризуйте екологічні та соціальні проблеми щодо біопалива.

Ресурси

Щоб дізнатися більше про глобальні енергетичні проблеми, відвідайте веб-сайт Міжнародного енергетичного агентства.

Щоб дізнатися більше про американські та міжнародні енергетичні питання, відвідайте веб-сайт Адміністрації енергетичної інформації США.

Щоб дізнатись більше про Комісію з ядерного регулювання США, натисніть тут.

Дізнайтеся про свої варіанти чистої енергії тут.

Посилання

1. Американська вітроенергетична асоціація. Статистика галузі. Отримано 6 вересня 2011 року з www.awea.org/learnabout/indus... статистика/index.cf
2. Епштейн, П.Р., Буонокаре, Дж. Дж., Еккерле, К., Хендрікс, М., Стаут III, Б.М., Хайнберг, Р. та ін. (2011). Повний облік витрат на життєвий цикл вугілля. Літописи Нью-Йоркської академії наук, 1219, 73-98. Отримано 17 травня 2011 року з MLUI.org/Завантаження/CoalExtern... rd02-17-11.pdf
3. Адміністрація енергетичної інформації США. Гідрогенератори виробляють чисту електроенергію, але гідроенергетика має вплив на навколишнє середовище. Отримано 6 вересня 2011 року з http://www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=hydropower_environment
4. Вуд, Дж. Х., Лонг, Г.Р., і Морхаус, Д.Ф. (2004). Довгострокові світові сценарії поставок нафти: Майбутнє не є ні таким похмурим, ні райдужним, як стверджують деякі. Управління енергетичної інформації. Отримано 17 травня 2011 року з http: //www.eia.doe.gov/паб/нафта_газ/нафто/feature_articles/2004/worldoilsupply04.html

Глосарій

біодизель

Паливо, як правило, виготовляється з сої, каноли або інших рослинних олій; тваринних жирів; і переробленого жиру та масел. Він може служити заміною звичайного дизельного або дистилятного палива.

біопалива

Рідке паливо та змішувальні компоненти, вироблені з матеріалів біомаси, використовуються переважно у поєднанні з транспортним паливом, таким як бензин.

біомаси

Органічний, не викопний матеріал біологічного походження, який є поновлюваним, оскільки його можна швидко виростити повторно, приймаючи вуглець, який виділяється при його спалюванні.

геотермальна енергія

Гаряча вода або пар, що видобуваються з геотермальних водойм в земній корі. Вода або пара, що видобуваються з геотермальних водойм, може використовуватися для геотермальних теплових насосів, підігріву води або виробництва електроенергії. Геотермальне тепло або охолодження також можуть надходити від теплообміну наземного джерела, використовуючи перевагу постійної температури в землі під поверхнею.

геотермальна установка

Електростанція, в якій основним двигуном є парова турбіна. Турбіна приводиться в рух або парою, що виробляється з гарячої води, або природною парою, що джерело тепла знаходиться в гірській породі.

невідновлювані види палива

Паливо, яке буде витрачено, незамінне.

фотоелектричні елементи

Електронний пристрій, що складається з шарів напівпровідникових матеріалів, які виробляються для формування суміжних шарів матеріалів з різними електронними характеристиками та електричними контактами і здатні перетворювати падаюче світло безпосередньо в електрику (постійний струм).

радіоактивний період напіврозпаду

Кількість часу, необхідного для зниження радіоактивності радіоактивного матеріалу до половини початкового рівня.

відновлювані види палива

Паливо, яке ніколи не вичерпується або може бути замінено.