Оценка экологической безопасности геотермальной электростанции на основе идентификации ее экологических аспектов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ОАО «НИИЭС» МГСУ, ООО «Альфамед 2000»

Оценка экологической безопасности геотермальной электростанции на основе идентификации ее экологических аспектов

Суздалева А.Л., д.б.н., Безносов В.Н., д.б.н., ,

Кучкина М.А., к.б.н., Суздалева А.А., к.т н.,

Аннотация

Суздалева А.Л., Безносов В.Н., Кучкина М.А., Суздалева А.А. Оценка экологической безопасности геотермальной электростанции на основе идентификации ее экологических аспектов // Малая энергетика. 2010. №1-2. С.59-65.

Ключевые слова: геотермальная энергетика, экологическая безопасность, экологические аспекты, ОВОС, загрязнение окружающей среды, природные геотермальные объекты.

Геотермальная энергия - это самый большой энергетический запас на планете, которым располагает человечество. По самым скромным подсчетам, температура в центре Земли составляет не менее 6600°С. При этом скорость остывания Земли составляет 300-350°С в миллиард лет. Современные технологии позволяют использовать только около 2% этой энергии, распределенной на относительно небольшом расстоянии от поверхности. Но даже эти ресурсы весьма велики. Геоэнергетический потенциал, сосредоточенный на глубинах до 10 км, в 50000 раз больше энергии, чем все мировые запасы нефти и газа. Таким образом, геотермальная энергетика сможет обеспечить энергетические потребности человечества в период, когда потенциал развития традиционных отраслей энергетики будет исчерпан.

В настоящее время проекты геотермальных электростанций (ГеоТЭС) разрабатываются и реализуются уже в десятках стран. Распространено мнение, что геотермальная энергетика является экологически безопасной, по сравнению с традиционными способами производства электроэнергии. Сокращенное название ГеоТЭС приведено в соответствии ГОСТ 26691-85 «Теплоэнергетика. Термины и определения» (пункт 32).

Однако подобный оптимистический взгляд обусловлен, главным образом тем, что экологические аспекты строительства и эксплуатации ГеоТЭС весьма специфичны. В соответствии с пунктом 3.6. ГОСТ Р ИСО 14001-2007 под экологическим аспектом environmental aspect) понимается любой элемент деятельности, который может взаимодействовать с окружающей средой. Значимым экологическим аспектом считается тот, который оказывает или может оказать значительное воздействие на окружающую среду.

В своем большинстве они не свойственны никаким другим видам производственной деятельности и по этой причине менее изучены. Вместе с тем, уже первые опыты эксплуатации ГеоТЭС показали, что их работа также может оказать значимое негативное воздействие на окружающую среду [1-5]. Обусловливающие его процессы по своей природе весьма разнородны, а сила их проявления в каждом конкретном случае зависит как от применяемых технологий, так и от местных условий, в которых осуществляется реализация проекта. По этим причинам обеспечение экологической безопасности объектов геотермальной энергетики представляет собой весьма актуальную и сложную проблему. Для ее решения необходимо идентифицировать значимые экологические аспекты ГеоТЭС и на их основе создать методологию оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС), осуществляемую на этапах размещения и проектирования этих объектов. Кроме того, идентификация значимых экологических аспектов позволяет разработать в составе проектной документации комплекс природоохранных мероприятий по предотвращению и/или снижению нежелательных экологических и социально-экологических последствий намечаемой деятельности.

Идентификация экологических аспектов базируется на оценке воздействия применяемых технологий. В связи с этим, необходимо вкратце рассмотреть основные типы современных ГеоТЭС, принцип работы которых, а, следовательно, и характер воздействия на окружающую среду, существенно различаются. Существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов:

- прямая с использованием сухого пара;

- непрямая с использованием водяного пара;

- смешанная схема производства (бинарный цикл).

В первом случае для производства электроэнергии пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор. Это старейшие геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время.

ГеоТЭС с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они создаются на базе, так называемых, «перегретых гидротерм». Горячие подземные воды (температурой свыше 182°С) закачиваются при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. В них в результате снижения давления вода быстро превращается в пар, который приводит в действие турбину.

Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода, поступающие из подземных источников, никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором. Энергия для образования пара передается через теплообменник. Строительство этого типа ГеоТЭС является весьма перспективным. Связано это с тем, что большая часть доступных геотермальных вод имеет температуру ниже 200°С и для использования в первых двух типах электростанций непригодна. В ряде случаев в качестве рабочего тела используется не вода, а специальная жидкость, имеющая более низкую температуру кипения. Геотермальные воды даже относительно низкой температуры, передавая энергию через теплообменник, вызывают образование пара из этой жидкости, который подается на турбины. Затем, после конденсации, эта жидкость по замкнутому контуру вновь подается в теплообменник.

Обобщенный анализ материалов по эксплуатации объектов геотермальной энергетики различных типов позволяет идентифицировать 9 групп значимых экологических аспектов, объединенных характером воздействия на окружающую среду. Их учет необходим при решении вопроса о размещении ГеоТЭС и выработки экологически оптимальных проектно-конструкторских решений.

Кроме того, идентификация экологических аспектов и их группировка облегчают стандартизацию процедур разработки предпроектной и проектной экологической документации по этим объектам (ОВОС). Следует особо подчеркнуть, что значимость рассматриваемых ниже аспектов является потенциальной. Сила их воздействия и последствия в конкретных случаях существенно различаются. Некоторые из экологических аспектов в силу специфики местных условий, применяемых технологий или принятия специальных мер могут рассматриваться как незначимые. В этом случае при разработке ОВОС необходимо обосновать экологическую безопасность того или иного аспекта строительства и эксплуатации ГеоТЭС.

При рассмотрении отдельных групп экологических аспектов мы сочли целесообразным указать на существующий опыт природоохранных мероприятий, направленных на снижение их неблагоприятного воздействия на окружающую среду.

1.Уничтожение при строительстве ГеоТЭС природных геотермальных объектов, снижение их рекреационного и видеоэкологического потенциалов. Геотермальные поля, на территории которых строительство ГеоТЭС наиболее перспективно, часто представляют собой уникальные ландшафтные комплексы и памятники природы. Они являются важными объектами туризма и могут также представлять исторический интерес. Промышленное использование геотермальных вод может вызвать исчезновение горячих источников или гейзеров, или стать причиной их превращения в фумаролы [6]. Места естественного выхода вод могут даже переместиться на другие участки системы, ухудшив привлекательность ландшафта (его видеоэкологический потенциал) или сделав опасным посещение этой территории.

Однако, как показывает зарубежный опыт, возведение инженерно-технических сооружений далеко не всегда снижает рекреационный и видеоэкологический потенциал территорий. Учет этих проблем при проектировании, строительстве и эксплуатации ГеоТЭС, напротив, может способствовать сохранению туристических объектов, их защите от неблагоприятных природных и антропогенных воздействий, а также повышению их социальной привлекательности. Так, одной из наиболее известных достопримечательностей Исландии является, так называемая, Голубая Лагуна (Blue Lagoon) на высокотемпературном поле Свартсенги [5]. В настоящее время это, по сути, природно-техногенный объект, облик которого поддерживается работой размещенной здесь ГеоТЭС.

Перспективным представляется также разработка и реализация проектов по инженерно-экологическому обустройству районов ГеоТЭС, создание на их базе специальных природно-техногенных объектов, привлекательных для массового туризма [4]. Это, например, могут быть организованные импульсные выводы пароводяной смеси с регулируемым режимом, высотой и формой струй, или искусственные грифоны, вокруг которых создаются условия для формирования отложений гейзерита. Подобные объекты имитируют наиболее привлекательные для туристов геотермальные объекты, но их массовое посещение более безопасно.

Следует отметить также и то, что строительство бинарных энергоблоков с использованием жидкостей с низкой температурой кипения, делает перспективным строительство ГеоТЭС и на территориях, в пределах которых поверхностные геотермальные явления не выражены.

2.Временное и безвозвратное изъятие участков природной среды, урбанизация территории. При возведении ГеоТЭС к этой группе относится широкий спектр экологических аспектов: проведение буровых работ, выемка грунтов, рытье каналов, бассейнов, возведение запруд при буровых площадках, строительстве производственных и бытовых сооружений, прокладка транспортных коммуникаций и ЛЭП. Проведение рекультивационных и эколого-мелиоративных мероприятий позволяют значительно снизить нежелательные экологические последствия указанной деятельности.

Существует также положительный опыт целенаправленного повышения социальной привлекательности и видеоэкологического потенциала индустриального ландшафта, формирующегося на территориях крупных ГеоТЭС. Это достигается путем оборудования специальных сооружений, которые могут использоваться в качестве туристического объекта. Примером их являются грязевые котлы, создание которых при ГеоТЭС «Вайракея» в Новой Зеландии на месте естественных геотермальных источников, деградировавших в результате строительства электростанции, вызвало не возмущение общественности, а, напротив, привело к значительному увеличению потока туристов [4].

3.Экологические аспекты, обусловливающие развитие опасных геологических процессов и явлений (ОГПиЯ). Непродуманное использование геотермальных вод может вызвать целый комплекс различных ОГПиЯ, в том числе сопровождаться проседанием земной поверхности, изменением рельефа территории, вызвать образование оползней и даже провоцировать землетрясения [3, 7]. Проседание происходит, когда скорость извлечения вод из геотермальных систем значительно превышает естественный приток воды в них. Подобные явления отмечались почти во всех районах, где осуществляется промышленное использование геотермальных вод. Однако величина опускания сильно варьирует. На территории геотермальной системы Вайракей в Новой Зеландии максимальное опускание составляет 15 м (400 мм/год) [8], тогда как в районе геотермального поля Свартсенги в Исландии общее опускание менее 28 см (10 мм/год) [5, 9]. В тех случаях, когда опускание достигает значительных величин, происходит образование, так называемой, «депрессионной воронки», обусловливающей трансформацию рельефа, изменение границ поверхностных водных объектов и их режима, и, как следствие, увеличивается риск техногенных аварий, сопровождающихся загрязнением окружающей среды. Так, в результате опускания в районе эксплуатирующейся геотермальной системы Вайракей (Новая Зеландия) наблюдались повреждения трубопроводов, скважин, дорог, линий электропередач и зданий. В долине протекавшего по этой территории ручья возникло новой озеро.

Понижение уровня подземных вод может также привести к образованию или быстрому увеличению «паровой шапки» и последующему кипению и дегазации поля. Такое развитие может способствовать взрывам, которые приводили в прошлом даже к гибели людей [10].

Извлечение геотермальных вод может также привести к повышению сейсмичности. Подобные явления, например, наблюдалось в геотермальной системе Свартсенги (Исландия) [3].

В качестве перспективного природоохранного мероприятия, способного предотвратить или снизить развитие указанных ОГПиЯ, в настоящее время рассматривается «реинжекция» [11], то есть закачка отработанных геотермальных вод в глубинные слои. Однако использование этого метода требует большой осторожности. При определенных условиях реинжекция сама может стать причиной весьма нежелательных явлений, в том числе, привести к повышению сейсмичности [3].

4.Экологические аспекты, оказывающие влияние на микроклимат. На участках геотермальных полей, в пределах которых функционирует подавляющее большинство современных ГеоТЭС, формируются особые климатические условия. Именно этот фактор во многом обусловливает специфичность растительного и животного мира этих территорий, а также их рекреационное значение. По этой причине идентификации данной группы экологических аспектов при размещении и проектировании ГеоТЭС необходимо уделять большее значение, чем при работе с другими объектами. Влияние деятельности, связанной с их строительством и эксплуатацией, может проявляться в противоположных направлениях. С одной стороны, эксплуатация ГеоТЭС вызывает сокращение объема или даже прекращение выброса пара и тепла из естественных геотермальных проявлений. С другой стороны, при бурении скважин на геотермальных полях при строительстве ГеоТЭС выбросы пара способны вызвать значительное повышение температуры и влажности среды, привести к образованию облачности и туманов. Подобные явления происходят и в период эксплуатации геотермальных электростанций, использующих градирни. Значимое влияние могут оказывать большие объемы выбросов пара и воды из глушителей и из регуляторов расхода пара. Все перечисленные выше явления следует рассматривать в качестве потенциально значимых экологических аспектов.

5.Химическое загрязнение окружающей среды компонентами геотермальных вод и паров. Химическое загрязнение при эксплуатации ГеоЭС происходит, главным образом, в результате выброса в атмосферу пара, газов и аэрозолей, а также отработанных термальных вод в водные объекты или на рельеф. Среди токсичных компонентов геотермальных вод, выход которых может привести к нежелательным экологическим последствиям, отмечены: СО2, H2S, Rn, СН4, NH3, As, В, Hg, Pb, Cd, Fe, Zn, Mn, Li, Al [3, 5]. Эти вещества могут вызывать отравление и массовую гибель организмов, а также постепенно накапливаться в телах животных и растений. На территории геотермальных систем Южной Камчатки при опытно-эксплуатационных выпусках пароводяной смеси из скважин отмечались случаи отложения из водяного сепарата геля кремнезёма, который покрывал растения, после чего они гибли.

Вместе с тем, рассматривая проблему химического загрязнения среды, следует обратить внимание на то, что выброс в атмосферу и в водные объекты большого количества различных веществ происходит на геотермальных полях и в естественных условиях. Поэтому работа ГеоТЭС далеко не всегда сопровождается значительным повышением их эмиссии. В ряде случаев пуск электростанции даже влечет снижение уровня загрязненности среды в результате внедрения экологически безопасных технологий (например, использования бинарных энергоблоков с реинжекцией отработанных геотермальных вод) и/или осуществления специальных природоохранных мероприятий (строительство отстойников, использование воздушных фильтров и др.).

6.Выброс парниковых газов. При оценке экологической безопасности ГеоТЭС данная проблема носит многоплановый характер. Углекислый газ (СО2) в больших количествах присутствует в выбросах многих ГеоТЭС. В ряде случаев в них содержится и значительное количество метана (СН4). Таким образом, формально эксплуатация ГеоТЭС сопровождается выбросом парниковых газов. Однако не следует забывать, что эти газы и в естественных условиях на геотермальных полях просачиваются в атмосферу. Результаты специальных исследований позволяют считать, что эксплуатация ГеоТЭС не создает дополнительного притока парниковых газов по сравнению с их общим потоком через природные геотермальные объекты, на базе которых они функционируют [3]. На некоторых электростанциях (например, ГеоТЭС «Кизилдер» в Турции) одновременно с выработкой электроэнергии в качестве побочного продукта производства осуществляется добыча СО2 из подземных вод.

Учитывая изложенное выше, можно сделать вывод, что в тех случаях, когда эксплуатация ГеоТЭС является альтернативой производства электроэнергии на основе сжигания органического топлива, их строительство приводит к значимому уменьшению эмиссии парниковых газов в атмосферу. Например, подсчитано, что введение в эксплуатацию только одного бинарного энергоблока на Паужетской ГеоТЭС, позволит сократить выбросы СО2 (при необходимом уровне регионального энергопотребления) более чем на 8 тонн/год.

7.Экологические аспекты, оказывающие негативное воздействие на почвенно-растительный покров и животный мир. Возведение ГеоТЭС, как и строительство любого другого производственного объекта, может оказать негативное воздействие на биоту наземных и водных экосистем, привести к утрате местообитаний, гнездовий и нерестилищ, создать препятствия на пути миграции животных (например, в виде новых транспортных коммуникаций). Специфика данной проблемы заключается в том, что на территориях геотермальных полей, где в настоящее время возводится основная часть ГеоТЭС, формируются особые типы почв, растительности, обитают теплолюбивые виды-эндемики, не встречающиеся в других местах [12]. Это требует особого внимания к размещению объектов и планированию строительных работ.

Важным фактором, способным оказать значимое воздействие на животный мир, является шумовое загрязнение. В период строительства особенно сильный шум возникает при выпусках скважин. Он может превышать 120 децибелл (болевой порог) и производить, так называемый, «отпугивающий эффект», вызывающий массовый уход животных из находящихся вблизи местообитаний. В период эксплуатации ГеоЭС основной шум создается работой расположенного на подводящем паропроводе регуляторе расхода пара [4]. В особенности шум усиливается в ночное время, когда потребление электрической энергии, вырабатываемой ГеоЭС, снижается.

8.Тепловое загрязнение водных объектов. Технология производства электроэнергии на большинстве ГеоТЭС сопровождается образованием подогретых вод, использовавшихся для конденсации пара, подаваемого на турбины. Объем этих вод значительно меньше, чем на АЭС и ТЭС с отрытой системой технического водоснабжения, но все же способен вызвать тепловое загрязнение поверхностных водных объектов и оказать значимое воздействие на их экосистемы. Поэтому на ГеоТЭС средней и большой мощности для обеспечения экологической безопасности необходима организация специальных водоемов-охладителей, в которых сбрасываемые воды охлаждаются до естественного уровня. Целесообразным является создание на базе сбросов подогретых вод так называемых энергобиологических комплексов (ЭБК) [13], включающих тепличные и рыбоводческие объекты.

9.Негативное воздействие на памятники культуры и ритуальные объекты. Оценка данного фактора является обязательным требованием действующего законодательства РФ и международных экологических стандартов к любой намечаемой деятельности. В отношении объектов геотермальной энергетики данный аспект особенно актуален, поскольку естественные выходы термальных вод с глубокой древности использовались человеком и, в ряде случаев, приобретали культовое, а в последствии и культурно-историческое значение [3-4, 6]. Этот фактор необходимо тщательно учитывать при выборе участков размещения ГеоТЭС. Вместе с тем, следует отметить, что строительство геотермальных электростанций при своевременной разработке и реализации комплекса специальных мероприятий может способствовать сохранению памятников культуры и ритуальных объектов. Подобные места, как и уникальная природа геотермальных полей, практически всегда притягивают значительные массы туристов. В тех случаях, когда этот людской поток носит неорганизованный характер, неминуемо возникает угроза сохранности памятников культурно-исторического наследия природы, а иногда и предпосылки для конфликтов на конфессиональной основе. С этой точки зрения, как показывает зарубежный опыт, строительство ГеоТЭС часто может рассматриваться как позитивный фактор. Возникающая одновременно с ней инфраструктура и предусмотренные проектом специальные мероприятия позволяют организовать охрану памятников и режим их посещения, не наносящий ущерба как самим объектам культурно-исторического наследия, так и религиозным чувствам коренных жителей. Кроме того, организация массового туризма создает новые рабочие места и повышает уровень жизни населения.

геотермальный электростанция экологический природоохранный

Литература

1.Axtman R.C. Environmental impact of a geothermal power plant // Science, 1975. - 187.

2.Webster J.G., Timperley M.H., 1995. Biological impacts of geothermal development. In: Environmental Aspects of Geothermal Development. World Geothermal Congress 1995, IGA pre-congress course, Pisa, Italy.

3.Hunt Т., 2001. Five lectures on environmental effects on geothermal energy utilization. United Nations University Geothermal Training Programme 2000, Report 1, Reykjav3k, Iceland.

4.Белоусов В.И., Белоусова СП. Природные катастрофы и экологические риски геотермальной энергетики. Учебно-методическое пособие. - Петропавловск-Камчатский: Издательство КГПУ, 2002.

5.Kristmannsdottir H., Armannsson H. Environmental aspects of geothermal energy utilization // Geothermics, 2003. - 32.

6.Glover R.B., Hunt T.M., Severne CM. Impacts of development on a natural thermal feature and their mitigation - Ohaaki Pool, New Zealand // Geothermics, 2000. - 29.

7.Goff S., Goff F. Environmental impacts during development: Some examples from central America // Proceedings of the NEDO International Geothermal Symposium, Sendai, 1997.

8.Allis R.G. Review of subsidence at Wairakei field, New Zealand // Geothermics, 2000. - 29.

9.Eysteinsson H. Elevation and gravity changes at geothermal fields on the Reykjanes peninsula, SW Iceland // Proceedings of World Geothermal Congress, 2000.

10.Goff S., Goff F. Environmental impacts during development: Some examples from central America // Proceedings of the NEDO International Geothermal Symposium, Sendai, 1997.

11.Christopher H., Armstead H. Summary of Section V Environment Factors and Waste Disposal // Second United Symposium on the Development and Use of Geothermal Resources. Washington. Vol. I, 1976. -(XXXVII-XIV).

12.Чернягина О.А. Флора термальных местообитаний Камчатки // Тр. Камчатского Ин-та экологии и природопользования, 2000. - Вып. 1.

13.Научное обоснование разработки энергобиологических комплексов. //Сборник научных трудов Гидропроекта. - М., 1986. - Вып. 116.

Размещено на Allbest.ru