11.2: Невідновлювані джерела енергії

викопне паливо

Викопне паливо надходить з органічних речовин рослин, водоростей та ціанобактерій, які були поховані, нагріті та стиснуті під високим тиском протягом мільйонів років. Процес перетворив біомасу цих організмів на три види викопного палива: нафта, вугілля та природний газ.

Нафта (нафта)

Тридцять сім відсотків світового споживання енергії та 43% споживання енергії Сполученими Штатами припадає на нафту. Вчені та політики часто обговорюють питання про те, коли світ досягне піку видобутку нафти, точки, в якій видобуток нафти знаходиться на найбільшому рівні, а потім знижується. Як правило, вважається, що пік нафти буде досягнутий до середини 21 століття, хоча зробити такі оцінки важко, оскільки потрібно враховувати багато змінних. В даний час світові запаси становлять 1,3 трлн барелів, або 45 років залишилося на поточному рівні видобутку.

Вплив видобутку та переробки нафти на навколишнє середовище

Нафта зазвичай знаходиться на один-дві милі (1,6 — 3,2 км) нижче поверхні Землі, незалежно від того, чи є це на суші чи в океані. Після того, як нафта знайдена та видобута, вона повинна бути очищена, яка відокремлює та готує суміш сирої нафти в різні типи для газу, дизельного палива, дьогтю та асфальту. 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.

Є й інші вітчизняні джерела нафти, які розглядаються як звичайні ресурси і виснажуються. До них відносяться дьогтярні піски — поклади вологого піску і глини з 1-2 відсотками бітуму (густі і важкі нафти, багаті вуглецем і бідні воднем). Вони видаляються смуговим видобутком (див. Розділ нижче про вугілля). Іншим джерелом є нафтовий сланець, який представляє собою осадові породи, наповнені органічними речовинами, які можуть бути перероблені для отримання рідкої нафти. Видобутий стрічковим видобутком або створенням підземних шахт, 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.

Оскільки Сполучені Штати намагаються видобувати більше нафти з власних ресурсів, що зменшуються, вони бурять ще глибше в землю і збільшують 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 були витрачені на негайні зусилля по очищенню. 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.

Глобальна залежність транспорту від нафти

Дві третини споживання нафти йде на транспортування, забезпечення паливом для легкових, вантажних автомобілів, поїздів і літаків. Для Сполучених Штатів та більшості розвинених суспільств транспорт вплітається в тканину нашого життя, необхідність як центральна для щоденних операцій, як їжа чи притулок. Концентрація запасів нафти в декількох регіонах або світі робить більшу частину світу залежною від імпортованої енергії для транспортування. Зростання цін на нафту в останнє десятиліття робить залежність від імпортованої енергії для транспортування економічним, а також енергетичним питанням. Наприклад, США зараз витрачають понад 350 мільярдів доларів щорічно на імпортну нафту, витік економічних ресурсів, які можуть бути використані для стимулювання зростання, створення робочих місць, побудови інфраструктури та сприяння соціальному прогресу вдома.

Вугілля

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Історичний графік видобутку вугілля в США показує видобуток вугілля в США з 1950-2010 рр. Джерело: Управління енергетичної інформації США

На відміну від нафти, вугілля є твердим. Завдяки своїй відносно низькій вартості та достатку вугілля використовується для вироблення приблизно половини електроенергії, споживаної в США. Вугілля є найбільшим внутрішнім джерелом енергії. Видобуток вугілля в США за останні шістдесят років збільшився вдвічі (рис.\(\PageIndex{1}\)). Поточні світові запаси оцінюються в 826 000 мільйонів тонн, причому майже 30% - в Сполучених Штатах. Це великий паливний ресурс, який США контролюють всередині країни.

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% від загального обсягу викидів вуглекислого газу США, що виділяється в атмосферу Землі в 2010 році. Зола, що утворюється при згорянні, сприяє забрудненню води. Деякі видобуток вугілля негативно впливає на екосистеми та якість води, змінює ландшафти та мальовничі краєвиди (наприклад, при видобутку гірських вершин).

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 США опублікувала кількість загиблих працівників шахт, і вона варіювалася від 18-48 на рік. 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 захворіти на 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.

Малюнок\(\PageIndex{2}\). Гірська вершина видалення вугілля видобутку в окрузі Мартін, штат Кентуккі Фотографія показує гірське видалення вугілля видобуток в окрузі Мартін, Кентуккі Джерело: Flashdark.

Гірничодобувна промисловість (MTM), хоча і менш небезпечна для робітників, особливо згубно впливає на земельні ресурси. MTM - це поверхнева гірнича практика, яка передбачає видалення гірських вершин для оголення вугільних пластів та утилізації пов'язаних з ними відходів видобутку корисних копалин у сусідніх долині. Така форма видобутку дуже шкодить навколишньому середовищу, оскільки буквально прибирає вершини гір, руйнуючи існуюче середовище проживання. Крім того, сміття з MTM скидається в долини, що ховають струмки та інші важливі місця проживання.

Природний газ

Природний газ задовольняє 20% світових енергетичних потреб і 25% потреб США. Природний газ в основному складається з метану (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.

Природний газ 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% 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, що перетворює його на СО ₂. 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 природний газ стало економічніше видобувати газ із сланців. \(\PageIndex{3}\)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).

Малюнок\(\PageIndex{3}\). Постачання природного газу США, 1990-2035 Графік показує історичний та прогнозований видобуток природного газу в США з різних джерел. Джерело: Управління енергетичної інформації США

Природний газ є кращим викопним паливом при врахуванні його впливу на навколишнє середовище. Зокрема, при спалюванні опускається набагато менше вуглекислого газу (CO ₂), оксидів азоту та діоксиду сірки, ніж при спалюванні вугілля або нафти. Він також не виробляє золи або токсичних викидів.

Видобуток природного газу 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 гідророзрив свердловин, так як вимагає великої кількості води (рис.\(\PageIndex{4}\)). Техніка використовує рідини високого тиску для руйнування нормально твердих сланцевих відкладень та випуску газу та нафти, захоплених всередині породи. Щоб сприяти витоку газу з гірської породи, дрібні частинки твердих речовин включаються в рідини для розриву пласта, щоб осідати в сланцеві тріщини і тримати їх відкритими після розгерметизації рідин. 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).

Малюнок\(\PageIndex{4}\). Графічно ілюструє процес гідророзриву пласта. Джерело: Аль Гранберг, ProPublica.

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.

Внесок вугілля та природного газу у виробництво електроенергії

В даний час викопним паливом, що використовується для виробництва електроенергії в США, переважно є вугілля (44%) та природний газ (23%); на нафту припадає приблизно 1%. Вугільна електроенергія веде своє походження до початку 20 століття, коли це було природним паливом для парових двигунів, враховуючи його велику кількість, високу щільність енергії та низьку вартість. Газ gatural є пізнішим доповненням до суміші викопної електроенергії, що надходить у значних кількостях після Другої світової війни та з найбільшим зростанням з 1990 року. З двох видів палива вугілля виділяє майже вдвічі більше вуглекислого газу, ніж природний газ для однакової теплової потужності, що робить його значно більшим фактором глобального потепління та зміни клімату.

Майбутнє природного газу та вугілля

Майбутній розвиток вугілля та природного газу залежить від ступеня громадської та регуляторної турботи щодо викидів вуглецю, а також відносної ціни та пропозиції двох видів палива. Постачання вугілля в США є достатком, а транспортний ланцюг від шахт до електростанцій добре налагоджена. Первинним невідомим фактором є ступінь громадського та регуляторного тиску, який буде чинити на викиди вуглецю. Сильний регуляторний тиск на викиди вуглецю сприятиме звільненню вугілля та додаванню електростанцій на природному газі. Ця тенденція підкріплюється недавнім різким розширенням запасів сланцевого газу в США за рахунок прогресу в технології буріння. Видобуток сланцевого природного газу збільшувався на 48% щорічно в 2006-2010 роках, при цьому очікується більше зростання. Більший видобуток сланцевого газу в США поступово зменшить імпорт і в кінцевому підсумку може зробити США нетто-експортером природного газу.

Малюнок\(\PageIndex{5}\). Глобальний цикл вуглецю, 1990-ті роки Глобальний вуглецевий цикл для 1990-х років, показуючи основні річні потоки в GtC yr-1: доіндустріальні «природні» потоки в чорному кольорі та «антропогенні» потоки в червоному кольорі. Джерело: Зміна клімату 2007: Основа фізичної науки: внесок Робочої групи I до Четвертого звіту про оцінку Міжурядової групи з питань зміни клімату, Cambridge University Press, малюнок 7.3

Атомна енергетика

Ядерна енергія - це енергія, що виділяється від радіоактивного розпаду елементів, таких як уран, який виділяє велику кількість енергії. Атомні електростанції не виробляють вуглекислого газу і тому часто вважаються альтернативним паливом (крім викопного палива). В даний час світове виробництво електроенергії з атомної енергетики становить близько 19,1 трлн кВт·год, при цьому Сполучені Штати виробляють і споживають близько 22% з них. Атомна енергетика забезпечує близько 9% електроенергії в США (рис.\(\PageIndex{7}\)).

Є екологічні проблеми з атомною енергетикою. Видобуток та переробка уранової руди та виготовлення реакторного палива вимагає великої кількості енергії. Також атомні електростанції дуже дорогі і вимагають великої кількості металу, бетону та енергії для будівництва. 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. Період напіврозпаду радіоактивного елемента - це час, необхідний для того, щоб 50% матеріалу радіоактивно розпадалися. 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 відходи видобутку урану, звані хвостами уранових млинів, є найбільшими відходами і містять радіоактивний елемент радію, який розпадається з утворенням радону, радіоактивного газу. 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.

Малюнок\(\PageIndex{7}\). Споживання енергії в США джерелом енергії, 2009 Відновлювана енергія становить 8% споживання енергії в США. Джерело: Управління енергетичної інформації США

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 обрушилося на Японію, призвели до краху реактора на атомній електростанції Фукусіма Даіічі, завдавши величезної шкоди навколишній території.

Обговорення ядерної енергетики

З точки зору сталого розвитку ядерна електроенергія представляє цікаву дилему. З одного боку, ядерна електроенергія не виробляє викидів вуглецю, що є головною стійкою перевагою у світі, що стикається з антропогенними змінами клімату. З іншого боку, ядерна електроенергія виробляє небезпечні відходи, які i) повинні зберігатися поза навколишнім середовищем протягом тисяч років, ii) може виробляти плутоній та уран, що можуть бути відведені терористами чи іншими особами для знищення міст та отруєння навколишнього середовища, і iii) загрожує природним та вбудоване середовище за рахунок випадкових витоків довгоживучого випромінювання. Вдумливі вчені, політики та громадяни повинні зважити користь цього джерела безвуглецевої електроенергії з екологічним ризиком зберігання відпрацьованого палива, суспільним ризиком розповсюдження ядерної зброї та впливом випадкового або навмисного викиду радіації. Існує дуже мало прикладів того, як люди мають силу постійно змінювати динаміку землі. Глобальна зміна клімату від викидів вуглецю - один із прикладів, а радіація від вибуху достатньої кількості ядерної зброї - інший. Ядерна електроенергія зачіпає обидві ці можливості, з позитивного боку для скорочення викидів вуглецю та з негативної сторони ризику розповсюдження ядерної зброї.

Ядерна електроенергія вийшла на енергетичну сцену надзвичайно швидко. Після розвитку ядерних технологій наприкінці Другої світової війни для військових цілей атомна енергетика швидко набула нового мирного шляху для недорогого виробництва електроенергії. Одинадцять років після закінчення Другої світової війни, дуже короткий час в енергетичному плані, перший комерційний ядерний реактор виробляв електроенергію в Колдер-Холлі в Селлафілді, Англія. Кількість ядерних реакторів неухильно зростала до більш ніж 400 до 1990 року, через чотири роки після Чорнобильської катастрофи в 1986 році і одинадцять років після острова Три-Майл в 1979 році. З 1990 року кількість діючих реакторів залишається приблизно рівною, а нове будівництво балансує зняття з експлуатації через небажання громадськості та уряду продовжувати плани розширення ядерної електроенергії.

Результат цієї дискусії визначить, чи переживає світ ядерне відродження, яке виробляється вже кілька років. На глобальну дискусію сильно вплинула малоймовірна ядерна аварія у Фукусімі, Японія, у березні 2011 року. Атомна катастрофа на Фукусімі була спричинена землетрусом і цунамі, які вивели з ладу систему охолодження ядерно-енергетичного комплексу, що складається з діючих ядерних реакторів та басейнів для зберігання під водою відпрацьованого ядерного палива, в кінцевому підсумку викликаючи часткове розплавлення деяких ядер реактора і виділення значного випромінювання. Ця подія, 25 років після Чорнобиля, нагадує нам, що безпека та довіра суспільства особливо важливі в атомній енергетиці, без них розширення атомної енергетики не відбудеться.

Автори та атрибуція

• Основи екологічної науки Камали Доршнер ліцензовано відповідно до CC BY 4.0. Модифікований з оригіналу Метью Р. Фішер.