2. Типы электростанций и их воздействие на окружающую среду

Определения и обозначения

Тепловая электростанция (ТЭС) — станция, где энергию топлива превращают в тепло, а затем в электричество. Тепло образует пар, пар вращает турбину, а генератор преобразует механическую энергию вращения в электрическую. Это помогает понять, почему ТЭС расходует топливо и создаёт выбросы.

Гидроэлектростанция (ГЭС) использует энергию движущейся или падающей воды. Поток вращает турбину, соединённую с генератором. Определение показывает, зачем нужны плотина и перепад высот.

Атомная электростанция (АЭС) получает тепло при делении ядер атомов. Далее вода превращается в пар, который приводит в движение турбину. Так можно отличить АЭС от ТЭС: тепло возникает не при горении, а в ядерном реакторе.

Возобновляемые источники энергии естественно восполняются: к ним относятся солнечное излучение, ветер и водный поток. Их запас не сгорает при использовании, но доступность зависит от погоды и природных условий.

Как это устроено

На электростанции первичный источник энергии должен привести в действие устройство, связанное с генератором. Генератор преобразует механическую энергию вращения в электрическую благодаря движению проводников в магнитном поле. Поэтому общая цепочка часто выглядит так: энергия источника превращается в механическую, а затем в электрическую. На солнечной станции свет может преобразовываться в электричество непосредственно в фотоэлектрических панелях, без турбины.

На ТЭС топливо сжигают, потому что его химическая энергия при горении выделяется в виде тепла. Тепло передаётся воде, вода превращается в пар высокого давления и вращает турбину. При горении образуются углекислый газ, зола и другие вещества, поэтому нужны очистка дымовых газов и безопасное удаление отходов. Запасы топлива ограничены, так что его приходится постоянно добывать и доставлять.

На ГЭС вода движется вниз под действием силы тяжести и отдаёт турбине энергию. Плотина удерживает воду и создаёт перепад высот, благодаря которому возникает напор и поток становится достаточно сильным для вращения турбины. Водохранилище затапливает часть территории, изменяет течение реки, уровень грунтовых вод и условия жизни организмов. Поэтому ГЭС не имеет выбросов от сжигания топлива, но заметно меняет местный ландшафт.

На АЭС деление ядер сопровождается выделением большого количества тепла, поэтому небольшого количества ядерного топлива достаточно для длительной работы. Тепло нагревает воду, пар вращает турбину, а генератор производит ток. При нормальной эксплуатации станция не сжигает топливо и почти не выбрасывает продукты горения. Однако необходимо строго контролировать оборудование, учитывать риск аварий и безопасно хранить радиоактивные отходы.

Ветровая установка получает энергию движения воздуха, а солнечная панель — энергию излучения Солнца, поэтому на самой станции топливо не сжигается. Их работа сопровождается меньшими выбросами, но ветер бывает не всегда, а солнечный свет зависит от облачности, времени суток и сезона. Для устойчивого снабжения нужны накопители энергии, резервные станции или объединённая энергосистема. Строительство установок, прокладка линий и использование больших площадей также способны влиять на природу.

Сравнение электростанций и их воздействия на окружающую среду

Сначала сравните источник энергии и способ получения электричества, а затем — последствия для природы. Отсутствие выбросов при работе не означает полного отсутствия воздействия: учитывают строительство, материалы и размещение.

Разбор задач

Задача 1

Определите, какая электростанция использует энергию падающей воды, и назовите один возможный эффект её строительства для природы. Нужно связать источник энергии с устройством станции. Затем следует вспомнить последствия создания плотины.

1. Падающая вода обладает механической энергией и может вращать турбину.
2. Станция, использующая энергию воды, называется гидроэлектростанцией, или ГЭС.
3. Плотина образует водохранилище, поэтому часть территории может оказаться затопленной.

Ответ: это ГЭС. Один из возможных эффектов — затопление территории и изменение условий жизни речных организмов.

Задача 2

На электростанции сжигают уголь, получают пар и вращают турбину. Назовите тип станции и укажите два возможных воздействия на окружающую среду. Ключевой признак здесь — сжигание топлива, а не сам факт вращения турбины.

1. Уголь является топливом, химическая энергия которого при горении превращается в тепло.
2. Тепло превращает воду в пар, поэтому станция относится к ТЭС.
3. При горении возникают выбросы загрязняющих веществ и углекислого газа, а после сгорания остаётся зола.

Ответ: это тепловая электростанция. Два воздействия — выбросы в атмосферу и образование зольных отходов; дополнительно добыча угля нарушает природные территории.

Задача 3

Две станции одинаковое время выдают мощность 40 МВт: первая — ТЭС, вторая — ГЭС. Сравните произведённую ими электрическую энергию и объясните, почему одинаковая выработка не означает одинакового воздействия. Используем связь энергии, мощности и времени: E = Pt.

1. У обеих станций одинаковы P = 40 МВт и время t, значит E₁ = 40 МВт · t и E₂ = 40 МВт · t.
2. Следовательно, E₁ = E₂: за одинаковое время станции выработали одинаковую электрическую энергию.
3. ТЭС сжигает топливо и создаёт выбросы, а ГЭС использует поток воды, но может изменить реку плотиной и водохранилищем.

Ответ: произведённая энергия одинакова. Воздействие различается из-за разных источников энергии и устройства станций: у ТЭС важны выбросы и отходы, у ГЭС — изменение природных условий.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все станции вырабатывают электричество одинаково. Её допускают, потому что результатом везде является электрический ток. Проверьте себя: назовите первичный источник энергии и устройство, которое вращает генератор или заменяет его.

Ошибка: утверждать, что ГЭС совсем не влияет на природу. Так думают из-за отсутствия сжигания топлива и дымовых выбросов. Проверьте ответ: учтены ли плотина, водохранилище, затопление земель и изменение течения реки?

Ошибка: считать АЭС станцией, где сжигают ядерное топливо. На самом деле энергия выделяется при делении ядер, а не при горении. Проверьте себя: источник тепла на АЭС — ядерный реактор, хотя дальнейшее получение пара похоже на процесс на ТЭС.

Ошибка: приравнивать отсутствие выбросов к полной безвредности. Ошибку вызывает рассмотрение только работы станции, без её строительства и закрытия. Проверьте оценку по всему жизненному циклу: материалы, территория, отходы и возможные аварии.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны закон сохранения энергии и различие между механической, тепловой и электрической энергией. Они помогают проследить, куда переходит энергия на каждом этапе работы станции. Если энергия не исчезает, то её форма и полезность могут изменяться.

Тема связана с тепловым действием тока, устройством генератора и преобразованием энергии. Знание генератора объясняет, как вращение турбины превращается в электрический ток. Эти представления пригодятся при изучении электрических сетей, энергетики и охраны природы.

Что запомнить

• Электростанции преобразуют энергию источника в электрическую.
• На ТЭС электричество получают, используя энергию сгорающего топлива.
• На ГЭС турбину вращает поток воды.
• На АЭС тепло выделяется при делении ядер.
• Ветер, солнечное излучение и водный поток относятся к возобновляемым источникам энергии.
• Разные типы электростанций по-разному воздействуют на окружающую среду.
• Оценивать нужно не только работу станции, но и последствия её строительства и эксплуатации.