Биологические источники энергии

 

Биомасса представляет собой весьма широкий класс энергоресурсов, включающий древесину, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности, сельскохозяйственные и бытовые отходы.

Энергетическое использование биомассы возможно через сжигание, газификацию, биохимическую переработку. Однако следует учитывать, что некомпетентное использование древесной биомассы наносит большой ущерб окружающей среде: это и обезлесивание и опустынивание земли в Африке и сведение тропических лесов в Южной Америке.

С другой стороны, использование древесины с возобновляемых плантаций является примером получения энергии от органического топлива с нулевым суммарным выбросом углекислого газа.

 

Древесное топливо

 

В связи с подорожанием ископаемого топлива, в частности нефти, возрождается интерес к лесу как стабильному источнику топлива.

Лес произрастает очень медленно. Его восстановление длится 50 – 70 лет. В то же время «культурный» лес, за которым ухаживают, который подкармливают удобрениями, растет в 2 – 3 раза быстрее.

В настоящее время создаются специальные плантации быстрорастущих пород ивы, тополя, европейского каштана, эвкалипта – так называемые «агролеса». Экспериментальные плантации в США и Ирландии дают до 70 т сухой массы древесины с 1 га в год.

Использование древесного топлива наиболее целесообразно путем его газификации с последующим сжиганием генераторного газа в газовой турбине или в двигателе внутреннего сгорания.

Процессы газификации дерева и дальнейшего использования газа наиболее экологически чистые, т.к. дерево не содержит серы и тяжелых металлов, создающих угрозу отравления окружающей среды.

 

Биологические отходы

 

В сельском хозяйстве и городском быту образуется большое количество биологических отходов. В крупных городах они сжигаются на мусоросжигающих заводах, весьма дорогих и вредных для атмосферного воздуха комплексах.

Более рациональной является биологическая переработка отходов. Так, одна тонна сухого вещества биоотходов способна дать до 600 м³ биогаза с теплотворной способностью 8570 ккал/м³, что более чем в 2 раза выше теплотворной способности природного газа.

В соответствии с известной технологией биоотходы (навоз, растительные и бытовые отходы) загружаются в герметичные реакторы, куда добавляются ферменты и биологические препараты, ускоряющие разложение биомассы.

Получающийся биогаз (преимущественно метан) после очистки направляется на бытовое потребление, на отопление или используется в двигателях внутреннего сгорания. Налажен серийный выпуск модульных биогазовых установок, перерабатывающих 30 м³ биоотходов в сутки с получением 750 м³ биогаза.

Продукт переработки биологических отходов – компост – является одним из самых ценных сельскохозяйственных удобрений.

 

Другие источники

 

Существуют проекты крупномасштабного производства водорода с помощью бактерий, пищей для которых служат некоторые виды водорослей, например, быстрорастущие синезеленые водоросли. Расчеты российских и японских ученых показывают, что всю энергетику города с миллионным населением может обеспечить один лишь водород, выделяемый бактериями, питающимися синезелеными водорослями на плантации площадью всего 17,5 км².

Другой проект предусматривает выращивание в океане быстрорастущих гигантских водорослей келп, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа.

Значительный интерес представляет такой вид биогаза, как сероводород, растворенный под давлением в морской воде. При подъеме насыщенной сероводородом морской воды на поверхность из нее можно извлечь газ и разложить его на водород – ценное топливо и серу – сырье для многих производств.

В заключение следует сказать, что биота является источником не только дешевой и чистой энергии, но и неисчерпаемым источником новых идей, которые реализуются в науке и технике. Так, при создании в США нового, абсолютно взрыво- и пожаробезопасного источника света была использована технология выработки света светлячками – хемолюминесценция, заключающаяся в том, что насекомые выделяют два вещества – люцифераз и люциферин, при реакции которых друг с другом и по очереди с кислородом высвобождается энергия в виде света.

 

 

Глава 10.

ОСНОВЫ БИОПОЗИТИВНОСТИ ЗДАНИЙ И

СООРУЖЕНИЙ

 

Особенности конструктивных и технологических решений

 

По характеру воздействия на природу здания и сооружения делят на бионегативные (наносящие вред природе), бионейтральные и биопозитивные (способствующие развитию природы).

Обычно здания массовой застройки являются бионегативными, что выражается в создании различного рода помех в экосистемах: прерываются энергетические потоки, уменьшаются или полностью исключаются экологические ниши, нарушается обмен популяционной информацией. Площадь и толща земли, занятой под строительство, практически полностью исключается из круговорота веществ. В связи с этим при разработке конструктивных решений зданий и сооружений необходимо использовать все доступные способы уменьшения давления на природную среду:

v не отторгать земли, пригодные для сельскохозяйственного, лесохозяйственного и рекреационного использования;

v не закрывать или минимально закрывать поверхность земли;

v не создавать под поверхностью земли непроницаемых экранов, чтобы не нарушать процесс естественного испарения и движения ливневых и грунтовых вод, не препятствовать деятельности почвенных организмов;

v возвращать в естественное состояние участки территории после окончания эксплуатации здания, сооружения;

v выполнять все наружные поверхности стен и кровли озеленяемыми;

v исключать внесение в природную среду загрязнений от эксплуатируемого объекта;

v утилизировать отходы;

v использовать источники возобновляемой энергии.

Наиболее важным является сохранение почвенного покрова. Эту проблему можно решить, размещая здания и сооружения выше поверхности земли, под землей, на неудобьях, на шельфе, под водой и т.д.

Если позволяют природно-климатические условия, все здания должны быть максимально озеленены с размещением растительности как на стенах, так и на крыше.

Подземные элементы конструкции зданий не должны вызывать изменение естественного состояния грунта, его плотности и водопроницаемости.

При разработке различных проектных вариантов необходимо обязательно учитывать экологические требования к технологии и организации строительства. Они заключаются в следующем.

 

Строительная площадка

 

Размеры стройплощадки в плане должны быть минимальными: в ее пределах должно находиться лишь строящееся здание и дополнительно минимальная площадь для проезда, размещения монтажных механизмов и бытовых помещений.

Почвенный слой в пределах котлована должен быть заранее снят и перевезен для дальнейшего использования при рекультивации. Почва и растительность рядом с объектом строительства должны быть полностью сохранены и защищены от загрязнения и уничтожения.

 

Автодороги

 

Для сохранения почвенно-растительного слоя временные автодороги должны быть инвентарными, полностью удаляемыми после окончания строительства. Стоянки транспорта должны быть выполнены из решетчатых железобетонных плит с озеленением проемов, размер которых должен быть меньше размера отпечатка колеса автомобиля.

Еще более экологичным является устройство дорог, поднятых над землей на небольшую высоту путем укладки плит на промежуточные П-образные или Т-образные опоры.

Подъемно-транспортное оборудование

 

Предпочтительным является использование оборудования, не требующего специальных путей для движения. Это подвесной транспорт, аэростаты и т.д. Двигатели подъемно-транспортного оборудования должны быть экологически чистыми, не загрязняющими природную среду. Примером являются двигатели, работающие на водородном топливе.

 

 

Оборудование для земляных работ и устройства фундаментов

 

По мере возможности необходимо применять оборудование, не создающее интенсивных динамических нагрузок. Так, вместо сваебойных устройств лучше использовать бурение.

 

Инструмент

 

Не следует применять строительный инструмент, выделяющий большое количество пыли (шлифовальные машины без пылеуловителя), создающий ударные нагрузки высокой интенсивности, высокочастотные и низкочастотные колебания без их гашения (пилы, дрели, строительные пистолеты), а также загрязняющий среду отходами (штукатурные сопла).

 

Временные помещения

 

Временные помещения необходимо выполнять в виде блоков с полной внутренней отделкой, которые завозятся на строительную площадку и монтируются над поверхностью земли на точечных опорах на высоте, обеспечивающей рост травы и мелких кустарников.

 

Снабжение теплом, электроэнергией, водой

 

Для временного снабжения теплом и электроэнергией желательно использовать возобновляемые источники и прежде всего солнечную и ветровую энергию. Водоснабжение необходимо выполнять по замкнутой схеме с очисткой и вторичным использованием воды.

 

Строительные материалы

 

Рекомендуется использование таких строительных материалов, которые не загрязняют окружающую природную среду при их транспортировке и использовании. Это, например, готовые блоки, плиты, рулонные материалы.

 

Отходы строительства

 

Все отходы строительства (бой кирпича, бетона, стекла, плитки, некондиционные железобетонные изделия, песок, щебень, металлические обрезки, лакокрасочные материалы и т.д.) должны собираться в специальные контейнеры и увозиться на утилизацию.

Для недопущения выноса загрязнений за пределы стройплощадок на выезде с них монтируются установки для мытья автотранспорта и строительных машин и механизмов.

 

Уровни биопозитивности

 

Минимальное условие биопозитивности зданий и сооружений – создание возможности существования и развития на их поверхностях различных видов растений. Закрепленные на зданиях растения улучшают состав атмосферного воздуха, очищают его от загрязнений, улучшают микроклимат, создают биомассу, обеспечивают существование микроорганизмов, создают звуко- и теплозащиту.

Биопозитивность более высокого уровня предусматривает существование на озелененной поверхности здания высших организмов, например, птиц. Следующая ступень – получение с этих площадей биопродукции.

Природосберегающие функции биопозитивных зданий могут быть усилены за счет использования дополнительной энергии. Например, можно очищать атмосферный воздух, принудительно прокачивая его через фильтры, устанавливаемые в стенах здания.

Активные кровли зданий с встроенными в них водяными фильтрами могут очищать от загрязнений атмосферные осадки перед их стеканием на землю.

Активное биопозитивное здание, таким образом, может выполнять следующие функции:

1) очищать окружающий атмосферный воздух и выпадающие атмосферные осадки, воспроизводить биопродукцию, равноценную или большую, чем ранее производимая на занятой зданием земле;

2) создавать благоприятный микроклимат внутри помещений и комфортные условия проживания людей;

3) создавать условия для нормального существования растений и животных, обитающих в данном регионе.

 

Шумозащитные стены и здания

 

Одним из специальных конструктивных решений, обеспечивающих защиту от транспортного шума в городах, является устройство шумозащитных стен.

Биопозитивные шумозащитные стены – это озеленяемые стены с внутренним заполнением растительным грунтом и двусторонним сплошным озеленением.

Конструктивно стены представляют собой полые железобетонные емкости, в которые засыпается грунтовая смесь. Элементы грунта контактируют как между собой за счет отверстий в емкостях, так и с естественным грунтом в основании стены. Корни растений, высаженных в стене, проникают в естественный грунт и, благодаря этому, не требуют специальной поливки.

Шумозащитные стены на автомагистралях могут выполнять функцию очистки атмосферного воздуха, если снабдить их фильтрами и обеспечить подпитку энергией, например, от солнечных батарей.

Территории вдоль протяженных городских транспортных магистралей можно застраивать протяженными многоэтажными шумозащитными зданиями длиной до 100 м, максимально приближая их к проезжей части.

На первых этажах подобных зданий-экранов целесообразно размещать предприятия и учреждения культурно-бытового обслуживания. Окна, балконы и лоджии, естественная вентиляция в зданиях должны быть в шумозащитном исполнении.

 

Энергоактивные здания

 

Если биопозитивное здание снабдить энергией от возобновляемых источников, не вносящих загрязнений в окружающую среду, и утилизировать все отходы, то в итоге здание станет экологически чистым.

Вследствие низкой плотности всех видов возобновляемой энергии для ее утилизации необходимы установки с большой площадью поверхности. Наиболее эффективным решением в этом случае является максимальное совмещение зданий с установками для преобразования энергии. Наилучшие условия для утилизации энергии могут быть достигнуты оригинальными архитектурно-планировочными решениями:

¨ сооружением зданий криволинейной формы в плане;

¨ изменением конфигурации зданий по высоте (см., например, рис. 53);

¨ устройством специальных проемов для концентрации ветровых потоков.

 

Гелиоэнергоактивные здания

 

Здания с активными солнечными энергосистемами, предназначенными для теплоснабжения и горячего водоснабжения, называют гелиоэнергоактивными. При проектировании зданий такого типа должны учитываться требования их незатененности, рациональной формы и ориентации относительно Солнца.

Для повышения экономичности здания сооружают с энергетически эффективной формой, а также применяют специальные конструктивные решения:

v устанавливают внешние и внутренние отражатели, концентрирующие солнечное излучение на гелиоприемнике;

v устраивают дополнительные отражатели на смежных зданиях;

v выносят коллектор большой площади за пределы здания, например, на склон;

v обеспечивают следящее вращение здания или коллектора за Солнцем.

 

Ветроэнергоактивные здания

 

Ветроэнергоактивное здание – это жилое, промышленное или иное здание, выполняющее дополнительную функцию производства полезной энергии путем преобразования энергии ветра устройствами, расположенными в здании.

Благоприятной для строительства ветроэнергоактивных зданий является скорость ветра 3…10 м/с при повторяемости 60…90%.

Простейшая конструкция ветроэнергоактивного здания представлена на рис. 68.

 

 

 

Ветроагрегат

 

 

Рис. 68. Ветроэнергоактивное здание с концентратором воздушного потока

 

 

Биоэнергоактивные здания

 

Биоэнергоактивное здание представляет собой обычное здание сельскохозяйственного, лесохозяйственного или промышленного назначения, в которое встраивается комплекс устройств по переработке биомассы в биогаз и монтируются установки по использованию биогаза для снабжения здания теплом и электроэнергией.

Наиболее рациональным является совмещение всех этих установок и устройств с несущими конструкциями – фундаментами и стенами подвала здания.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Б.Небел. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. Т.1,2. - М., Мир, 1993.

2. Н.Ф.Реймерс. Экология. Теории, законы, правила, принципы и гипотезы. - М., Россия молодая, 1994.

3. К.М.Петров. Общая экология. Взаимодействие общества и природы. - С-Пб, Химия, 1997.

4. А.Н.Тетиор. Строительная экология. - Киев, УМКВО, 1991.

5. В.Л.Лапин и др. Основы экологических знаний инженера. - М., Экология, 1996.

6. Проблемы охраны окружающей природной среды и природопользования. Учебно-методическое пособие. Под ред. Н.А.Буркова и В.В.Ширяева. - Киров, Гос. комитет по охране окружающей среды Кировской обл., 1998.

7. Б.Бретшнайдер, И.Курфюрст. Охрана воздушного бассейна от загрязнений. Технология и контроль. - Л., Химия, 1989.

8. А.И.Родионов и др. Техника защиты окружающей среды. - М., Химия, 1989.

9. И.Е.Евгеньев, В.В.Савин. Защита природной среды при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог. - М., Транспорт, 1989.

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................................................................... 3

Глава 1................................................................................................................................................................................................ 5

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ........................................................................................................................................... 5

§1. История развития экологической науки................................................................................................................... 5

§2. Структура современной экологии............................................................................................................................... 6

§3. Основные задачи экологии............................................................................................................................................. 7

Глава 2. БИОСФЕРА ЗЕМЛИ И ЕЕ РАЗВИТИЕ................................................................................................................ 7

§1. Границы, особенности строения и компоненты биосферы............................................................................. 7

§2. Роль магнитного поля Земли.......................................................................................................................................... 9

§3. Функции живого вещества биосферы...................................................................................................................... 10

§4. Этапы эволюционного развития биосферы.......................................................................................................... 11

§5. Этапы взаимодействия человечества с биосферой.......................................................................................... 12

Глава 3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ.......................................................................................................... 13

§1. Классификация экологических факторов............................................................................................................. 13

§2. Абиотические факторы................................................................................................................................................... 14

§3. Биотические факторы...................................................................................................................................................... 15

§4. Фундаментальный биологический принцип........................................................................................................ 16

§5. Закон минимума Либиха............................................................................................................................................... 18

§6. Ареал обитания и экологическая ниша. Адаптации........................................................................................ 18

§7. Экологическая система и биогеоценоз.................................................................................................................. 19

Глава 4. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭКОСИСТЕМ............................................................................... 21

§1. Движение вещества и энергии по пищевым цепям.......................................................................................... 21

§2. Круговорот элементов.................................................................................................................................................... 23

§3. Источник энергии для экосистем. Пирамида биомассы................................................................................ 25

Глава 5. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРИРОДУ.................................................................................. 26

§1. Классификация антропогенных воздействий.................................................................................................... 26

§2. Виды воздействий на литосферу............................................................................................................................... 31

§3. Загрязнение литосферы.................................................................................................................................................. 34

§4. Загрязнение гидросферы. Водопользование и водопотребление............................................................... 36

§5. Загрязнение атмосферы................................................................................................................................................. 42

§6. Воздействие атмосферных выбросов на почвы и живые организмы...................................................... 47

§7. Взаимодействие и трансформация загрязнений в атмосфере. Вторичные явления......................... 48

§8. Энергетические загрязнения природных сред..................................................................................................... 52

§9. Проблемы околоземного пространства.................................................................................................................. 53

Глава 6. ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ЛИТОСФЕРЫ......................................................................................................... 54

§1. Основные пути решения проблемы........................................................................................................................... 54

§2. Противоэрозионные мероприятия. Рекультивация земель............................................................................ 55

§3. Использование вторичных ресурсов........................................................................................................................ 56

§4. Методы подготовки и переработки твердых отходов..................................................................................... 58

§5. Сохранение поверхности земли и рельефа при строительстве.................................................................... 64

Глава 7. ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ГИДРОСФЕРЫ....................................................................................................... 66

§1. Контроль качества водных ресурсов....................................................................................................................... 66

§2. Нормирование сбросов загрязняющих веществ в водные объекты.......................................................... 69

§3. Условия выпуска сточных вод в водоемы............................................................................................................ 70

§4. Мероприятия по сохранению и восстановлению чистоты водоемов..................................................... 71

§5. Вопросы охраны водных ресурсов при проектировании................................................................................ 73

§6. Очистка сточных вод....................................................................................................................................................... 74

Глава 8. ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ........................................................................................................ 84

§1. Контроль качества атмосферного воздуха.......................................................................................................... 84

§2. Защита атмосферы от промышленных загрязнений....................................................................................... 86

§3. Гравитационные, инерционные и центробежные пылеуловители............................................................ 88

§4. Очистка газов в фильтрах.............................................................................................................................................. 92

§5. Очистка газов в мокрых пылеуловителях............................................................................................................. 94

§6. Электрическая очистка газов...................................................................................................................................... 97

Глава 9. НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.......................................................................................... 98

§1. Причины повышенного интереса к нетрадиционным энергоисточникам............................................ 98

§2. Солнечная энергетика.................................................................................................................................................. 100

§3. Энергия атмосферных источников......................................................................................................................... 108

§4. Энергия океана................................................................................................................................................................. 110

§5. Энергия литосферы......................................................................................................................................................... 113

§6. Биологические источники энергии......................................................................................................................... 115

Глава 10. ОСНОВЫ БИОПОЗИТИВНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ......................................................... 116

§1. Особенности конструктивных и технологических решений..................................................................... 116

§2. Уровни биопозитивности............................................................................................................................................ 118

§3. Энергоактивные здания............................................................................................................................................... 119

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................................................ 121

ОГЛАВЛЕНИЕ............................................................................................................................................................................... 122