Экосистемный подход в промышленной экологии

 

Основой промышленной экологии является экосистемный подход, который ориентирует на уменьшение затрат энергии, ресурсов и снижение количества отходов, т.е. того, что умеет делать природа, не знающая ни дефицита ресурсов и энергии, ни отходов.

Особое значение имеет концепция «жизненных циклов» промышленных изделий. В биологии жизненным циклом называются изменения организма от его рождения до смерти. Наличие жизненных циклов разной сложности у разных видов биологических организмов общеизвестно. Имеют разные жизненные циклы и промышленные продукты, причем анализ этих циклов является важнейшей задачей промышленной экологии. Изучается жизненный цикл от начала создания продукта до его утилизации. Это позволяет выявлять перерасход ресурсов и энергии и загрязнение окружающей среды на разных стадиях жизненного цикла продукта (включая производство, доставку, хранение и переработку). Таким образом, совершенствуется производство в целях уменьшения его влияния на окружающую среду.

В промышленной экологии используется понятие «цепь переноса вещества и энергии» аналогичное понятию «пищевая цепь». Однако если биологическая пищевая цепь имеет достаточно четкие закономерности – она «заряжается» веществом и энергией на трофическом уровне продуцентов, а затем вещества и энергия передаются организмам более высоких трофических уровней, то в технологических цепях ситуация в принципе иная. Подпитка энергией необходима для любой трансформации вещества (на стадиях горной разработки, обогащения руды, плавки металла, изготовления деталей, сборки всего продукта). Кроме того, если в ходе и после завершения биологической (пастбищной) пищевой цепи «производимые продукты» разрушаются редуцентами и содержащиеся в них элементы вовлекаются в новый «производственный цикл», то технологическая цепь должна завершаться утилизацией продуктов, что также требует дополнительной энергии.

Для приближения технологических цепей к биологическим необходимо снижать «подкачку» энергии и использовать технологии, которые дают минимальное количество отходов на каждом этапе производственного цикла. Кроме того, следует отдавать предпочтение продукции, которая после использования может разрушаться микроорганизмами (биодеградабельные пластики, масла, пестициды и др.). Однако роль биологического разрушения промышленных продуктов невелика. Эффективный технологический рециклинг отходов по этой причине является важнейшей задачей промышленной экологии.

На аналогии работы промышленности и функционирования экосистемы зиждется принцип «промышленного симбиоза» как объединения нескольких предприятий, которые совместно используют энергию и ресурсы (их также называют экоиндустриальными парками). Примеры экоиндустриальных парков: ТЭЦ и рыборазводное предприятие, использующее тепло пруда-охладителя; предприятие, принимающее старые автомобили, и завод, где из этого вторичного сырья производятся детали; пивоваренный завод и группа предприятий, где на его отходах выращиваются грибы и овощи, разводятся свиньи и рыба; сахарный завод и скотооткормочный комплекс.

 

Проблемы энергетики

 

Проблемы энергетики – глобальны. Несмотря на то, что каждый регион (в том числе РБ) решает их по-своему, международный “энергетический климат” сказывается в любом регионе планеты. Так, кризис, разразившийся в РФ в 1998 г., последствия которого испытали на себе и жители Башкортостана, в первую очередь был связан с мировым падением цен на нефть. По этой причине, в этой главе, как и в главе о биосфере, мы выйдем за рамки проблем республики.

Прогресс цивилизации необратим, и потребность в энергии растет. Так, в ХХ столетии потребление энергоресурсов в большинстве стран возросло в 10-15 раз. Динамика потребления энергии показана на рис. 17.

Стартовая (на начало 90-х гг.) структура энергопотребления в мире была следующей: тепловая энергетика – 79%, в т.ч. уголь (а также торф и сланцы) – 28, нефть – 33, природный газ – 18, гидроэнергетика – 6, ядерная энергетика – 4, некоммерческие источники (дрова, отходы сельскохозяйственного производства и промышленности) – 4%, нетрадиционные источники – 0,4%.

Энергетика РБ в основном «углеродная»: 97% энергии получается за счет газа и мазута (при соотношении их 80% и 20%), и только 3% – за счет энергии рек. Флагманом теплоэнергетики является Кармановская ГРЭС, которая имеет 6 энергоблоков по 300 МВт каждый и входит в тройку лучших теплоэлектростанций России. Четыре Уфимских ТЭЦ суммарно дают 1070 МВт, две Салаватских ТЭЦ – 794, две Стерлитамакских ТЭЦ – 866, Приуфимская ТЭЦ – 200, Кумертауская ТЭЦ – 145 МВт.

На развитие энергетики будущего в первую очередь влияют запасы ископаемых энергоносителей, которые исчерпаемы. Cчитается, что газа хватит на 40-60 лет, нефти – на 20-30 (по некоторым прогнозам всего на 40 лет), угля – на 500-700, урана (при современных способах получения энергии) – на 30-80 лет, хотя при переходе на новые типы термоядерных реакторов это время может увеличиться в 20 раз. Кроме того, уран может быть заменен торием, запасы которого велики.

Таким образом, 90% мирового энергоснабжения базируется на невосполнимых источниках, причем около 40% приходится на нефть. С учетом низкой эффективности известных вариантов нетрадиционной энергетики (см. раздел 16.3), в ближайшем будущем основными источниками энергии станут уголь и “ядерное топливо».

Рассмотрим экологические проблемы основных видов традиционной энергетики.

Тепловая энергетика. При этом варианте энергетики энергия получается за счет энергоносителей, содержащих углерод (как правило, это уголь, нефть, газ, сланцы, торф). Все формы тепловой энергетики ведут к повышению концентрации углекислого газа в атмосфере и усилению парникового эффекта. Угольная энергетика, кроме того, сопровождается накоплением на поверхности планеты огромного количества твердых отходов – токсичной и радиоактивной золы.

В США при использовании современных установок по очистке выбросов угольных ТЭС в атмосферу удается улавливать до 99% твердых и газообразных отходов, но это в несколько раз удорожает производство энергии. Кроме того, всегда остается проблема утилизации уловленных отходов. Современная система очистки, будь то газовые выбросы или стоки, переводит их, по сути, из одного физического состояния в другое, что не решает проблему в целом.

В США, ФРГ, Японии, Австралии отрабатывается уже второе поколение опытных установок по производству жидкого топлива из угля, что сделает этот вариант теплоэнергетики более экологичным. Однако самый перспективный способ использования угля как источника энергии – подземная газификация – обходится еще дороже, чем очистка дымов угольных ТЭС.

Газовая энергетика загрязняет среду несравненно меньше, чем угольная, однако, поскольку запасы газа ограничены, и она возможна лишь как временная, дающая энергию в период, пока не разработаны новые типы эффективных и экологически безопасных ядерных реакторов. Ущерб, наносимый природе при добыче газа, нефти и угля, соотносится как 1:4:11, а мировые цены в пересчете на получаемую электроэнергию – как 1:1,7:0,8.

Атомная энергетика. Получение электрической энергии за счет использования ядерного топлива обладает неоспоримым преимуществом перед теплоэнергетикой, так как не повышает содержание в атмосфере углекислого газа и не усиливает парниковый эффект. Защитники атомной энергетики указывают и на несопоставимое количество отходов атомной и угольной энергетики. Подсчитано, что при производстве энергии, которую потребляет в течение жизни средний англичанин, образуется 20 м³ радиоактивной золы на угольных ТЭЦ и только 150 мл высокоактивных отходов на АЭС.

В то же время атомная энергетика экологически опасна ввиду возможного радиоактивного загрязнения окружающей среды. Экологическую опасность представляет загрязнение среды, происходящее не только при работе АЭС и захоронении их отходов, но и на всех этапах т.н. топливного цикла, включая добычу урановой руды, ее переработку, производство тепловыделяющих элементов (ТВЭлов), их реутилизацию и т.д. Однако в таких странах, как Великобритания и Франция, почти все эти проблемы решены, и загрязнения окружающей среды не происходит ни на одном из этапов топливного цикла, кроме утилизации отработанного топлива. К сожалению, данный вопрос не решен нигде в мире.

После Чернобыльской аварии по миру прокатилась волна протестов общественности (в первую очередь “зеленых”) против строительства новых и функционирования старых АЭС. Эти волнения коснулись даже стран, в которых атомная энергетика является основным или важным источником энергии (Франция – 73%, Бельгия – 60%, Швеция – 51%, Швейцария – 44%). Сформировался особый “австро-шведский” взгляд на атомную энергетику как экологически опасную и бесперспективную. Австрия не ввела в строй единственную, практически уже подготовленную к запуску АЭС, а Швеция объявила о закрытии к 2000 г. всех своих шести АЭС. В Германии также принята программа ликвидации всех АЭС. В последние годы против развития атомной энергетики выступают Л.Браун (2003) и немецкий эколог Г.Шеер (2002).

Продолжают наращивать потенциал атомной энергетики только Япония (сегодня – 30% от всей используемой энергии) и Южная Корея (47%). Японцы довели технику безопасности до таких пределов, что крупнейшая в мире АЭС «Фукусима» построена на берегу моря в районе с сейсмической опасностью, и это не вызывает радиофобии у населения. Япония планирует построить еще 20 АЭС.

Французы усиленно разрабатывают новую технологию получения ядерной энергии с использованием реакторов на быстрых нейтронах, что позволит получать энергию наиболее экономичным способом.

В конце 80-х гг. было начато строительство Башкирской АЭС. После катастрофы в Чернобыле под давлением общественности это строительство было прекращено. Однако снижение добычи нефти в республике уже сказывается: энергия становится дефицитом, все большее количество нефти приходится получать из-за пределов Башкортостана (из Тюменской области, Татарстана). По этой причине строительство Башкирской АЭС возобновляется.

Развитие атомной энергетики – видимо, неизбежная реалия, хотя эта точка зрения не является общепринятой. Очевидно, что более перспективно использование ядерной реакции синтеза, а не расщепления урана или тория. Для этого нужна «тяжелая» вода, которая уже давно не является проблемой. Однако пока отсутствует приемлемая технология даже в перспективе, так как надежды, возлагавшиеся на «Токомак», не оправдались.

Гидроэнергетика – отрасль энергетики, получающая электрическую энергию за счет энергии рек и озер. Этот вариант энергетики с созданием рукотворных морей развивался в 50-70-е гг. Тогда был создан крупнейший каскад гидроэлектростанций (ГЭС) на Волге и реках Сибири (Шушенская, Ангарская, Братская, Красноярская и др.). В РБ была построена Павловская ГЭС на реке Уфа. Уже в 90-е гг. было завершено строительство Нижнекамской ГЭС, что вызвало подъем уровня воды в низовьях р. Белой. Построена ГЭС в верховьях Белой на Юмагузинском водохранилище. Ее мощность невелика (50 МВт), однако эта электростанция позволяет обеспечивать экологически чистой энергией южные районы Предуралья Башкортостана.

Строительство равнинных ГЭС не только отчуждает от использования огромные массивы плодородных земель (как случилось при строительстве каскада ГЭС на Волге), но и полностью нарушает жизнь экосистемы реки.

Горные ГЭС имеют то преимущество, что площадь их водохранилищ сравнительно невелика, и под воду уходят малоценные склоновые земли со скалистым грунтом. Однако такие водохранилища опасны из-за возможных катастроф, вызываемых сейсмической нестабильностью этих районов.

По современным представлениям, у крупных ГЭС нет перспектив. Строительство ГЭС имеет смысл лишь в ограниченных масштабах, на малых реках или же на больших, но с использованием особых гидротурбин, позволяющих обходится без строительства плотин. Такая малая гидроэнергетика экологически безопасна и условно относится к энергетике нетрадиционных источников.

В РБ 300 рек и столько же водохранилищ технического назначения, на которых можно соорудить малые ГЭС. В ближайшие годы планируется построить или завершить строительство более 30 малых ГЭС, к 2020 г. будет построено еще 10. Малые ГЭС могут строиться на базе существующих объектов, которые имеют водохозяйственное значение. Если каждый киловатт установленной мощности при строительстве больших ГЭС обходится в 1000 долларов, то на малых ГЭС затраты в 5 раз меньше. Стоимость мини-ГЭС столь невелика, что ее строительство под силу фермеру.

Разумеется, малая гидроэнергетика не в состоянии заменить действующие ТЭЦ и крупные ГЭС, но она очень эффективна. Небольшие рассредоточенные источники энергии не нарушают окружающую среду и могут снабжать электрическом средние и даже большие сельские населенные пункты. Отпадает необходимость тянуть дорогостоящие линии электропередачи, которые вызывают электромагнитной загрязнение территории, кроме того, при передаче значительная часть энергии теряется.