Тепловое загрязнение

Тепловое загрязнение.

В промышленных центрах и крупных  городах атмосфера подвергается тепловому загрязнению в связи  с тем, что в атмосферу поступают  вещества с более высокой температурой, чем окружающий воздух. Температура  выбросов обычно выше средней многолетней температуры приземного слоя воздуха. Из труб промышленных предприятий, выхлопных труб двигателей внутреннего сгорания, при отоплении домов, лесных пожарах выделяются вещества, нагретые до 60 градусов Цельсия и более. Среднегодовая температура атмосферного воздуха над крупными городами и промышленными центрами на 6-7 градусов выше температуры воздуха прилегающих территорий. Специалисты отмечают, что в последние 25 лет средняя температура тропосферы поднялась на 0,7 градусов Цельсия.

Транспорт и энергопотребление

1.     Энергия

Деятельность человека тесно связана  с использованием различных видов  энергии для выполнения работы. Энергия  дает возможность осуществлять движение различных предметов и изменять форму веществ (например, производить  сталь из железной руды и углерода). Содержание энергии на единицу массы зависит от источника энергии, но основная цель деятельности человека состоит в том, чтобы научиться эффективно, извлекать и использовать эту энергию. Чем больше производиться работы (движения или изменения формы веществ) тем больше тратиться энергии, поэтому  очевидно, что экономически развитые страны отличаются высоким уровнем потребления энергии.

Существуют четыре типа физической работы, связанные с деятельностью  человека:

• Изменение окружающей среды. Любая деятельность, заключающаяся в преобразовании среды в форму пригодную для человеческой деятельности. Например: расчистка земли для ведения сельского хозяйства, изменение гидрографии рек и озер (орошение), а также создание распределенной инфраструктуры, такой как колодцы и парники.
• Добыча ресурсов.  Включает в себя добычу полезных ресурсов из биомассы и ископаемого сырья (полезные ископаемые, нефть, лес и т.д.) с целью удовлетворения человеческих потребностей.  Добыча ресурсов также включает в себя утилизацию отходов, которые в развитом индустриальном обществе активной переработки (например, сбор, обработку и удаление).
• Переработка ресурсов. Включает в себя переработку изделий из биомассы и сырья для производства товаров в соответствии с текущими экономическими потребностями. За последние 200 лет, работы, связанные с переработкой значительно автоматизированы (например, созданы конвейерные линии).
• Транспортировка. Включает в себя перемещение грузов, людей и информации из одного места в другое. Данный вид физической работы направлен на смягчение пространственного неравенство в расположении ресурсов путем их перемещения в пространстве. Чем меньше экономическое значение транспортировки, тем меньше затрачивается энергии на транспортировку тонны груза или пассажира.  Транспортировка  потребляет значительное количество энергетических затрат в мировой экономике.

На сегодняшний день существуют огромные запасы энергии – способные  удовлетворить все будущие потребности  человечества. К сожалению, на сегодняшний день не все из этих источников энергии могу использоваться достаточно эффективно (например энергия солнца), либо источники энергии распределены достаточно неравномерно по земной поверхности (например нефть). Глядя на историю использования человечеством энергии  видно что выбор источника энергии зависел от целого ряда факторов, которые вызвали необходимость использования в качестве источников энергии сначала твердые тела, потом жидкости и в конечном счете газы.

Со времени промышленной революции  большие усилия были приложены в сфере автоматизации труда, замены ручного труда машинами, что вызвало рост производительности промышленности. Создание парового двигателя и распределённой электрической сети позволило освободить промышленность от привязки к местам расположения источников энергии, что в свою очередь значительно изменило и вызвало широкое географическое распределение промышленных производств. В то время как на ранних стадиях промышленной революции производства обычно располагались вблизи, к источникам энергии ( например водопад или месторождение угля), распространение транспорта и появление электричества позволило проявить им большую географическую гибкость при выборе месторасположения.

Индустриальная революция выявила  огромную потребность в ископаемом топливе. В конце 20-ого века изобретение и коммерческое развитие двигателя внутреннего сгорания, особенно в транспорте, сделало возможным эффективное перемещение людей, грузов и информации на большие расстояния и стимулировало развитие международной торговли. В условиях глобализации, на транспорт приходится непрерывно растущая доля от общемирового объема потребляемой энергии. Потребление энергии сильно зависит от уровня экономического развития стран. В экономически развитых странах  на транспорт расходуется от 20 до 25% всей потребляемой энергии. Выгода, вызванная возможностью транспортировки людей и грузов на большие расстояние, до текущего момента позволяла компенсировать все возрастающие затраты энергии, расходуемые на поддержание транспортной отрасли. В начале 21-ого века доминирующим видом топлива для получения энергии стали ископаемые ресурсы, в основном нефть. Из 15 ТВт общемировой ежегодной выработки энергии, примерно 86 % получены из ископаемого топлива.

2.Транспорт и энергопотребление 

Соотношение между количеством транспорта и объемом расходуемой энергии представляет собой прямую зависимость, но может иметь различные коэффициенты в зависимости от вида транспорта. Всегда существует компромисс между скоростью доставки грузов и объемом затрачиваемой на эту доставку энергии, существование данного компромисса связано с размером желаемой экономической отдачи от транспортировки грузов и людей. Пассажиры и дорогостоящие грузы могут при перемещении использовать скоростные виды транспорта,  однако данные виды транспорта отличаются высоким уровнем энергопотребления,  но данный фактор не является критическим для данных категории перемещаемых объектов, в данном случае гораздо более важную роль начинает играть временной фактор транспортировки. Одним из наиболее экономичных видов транспорта является морской транспорт, фактор экономии связан с низким объемом энергии, затрачиваемой на транспортировку единицы массы груза, однако данный экономический фактор компенсируется довольно таки низкой скоростью транспортировки. Этот вид транспорта целесообразнее всего использовать для транспортировки грузов, особенно грузов отличающихся большими габаритами и массой. Для сравнения можно привести авиатранспорт, отличающийся высоким уровнем энергопотребления связанным с возможностью высокоскоростной транспортировки грузов и людей.

В 1950 годах появился новый тренд, связанный с все возрастающим потреблением нефти транспортной отраслью.  Мировой рынок потребления всех первичных энергоресурсов вырос на 40% за период 1980-2000 годов. На транспортную отрасль на сегодняшний день приходится около 25% мирового спроса на энергию и более 62% потребления всей добываемой нефти. Транспорт почти полностью зависит (95%) от нефтепродуктов, за исключением железных дорог использующих электроэнергию. Спрос на нефть в основных секторах экономики, таких как промышленность и выработка электроэнергии последние годы остается относительно стабильным, основной же рост спроса на нефть генерируется возрастающим спроса на перевозки.

Воздействия транспорта на потреблении энергии разнообразно, и включает в себя множество различных сфер:

• Производство, техническое обслуживание и утилизации автомобилей. Объем энергии, затрачиваемой на производство и утилизацию автомобилей находиться в прямой зависимости от степени сложности конструкции транспортного средства, используемых материалов,  объема парка транспортных средств и длительности жизненного цикла автомобилей.
• Эксплуатация транспортного средства. Главным образом включает в себя энергию в виде топлива, используемую для придания импульса движения транспортным средствам, а так же для различных операций выполняемых транспортными средствами. Топливный рынок является одним из самых значимых рынков в мировой экономике.
• Инфраструктура, строительство и обслуживание. Строительство дорог, железных дорог, мостов, тоннелей, терминалов, портов и аэропортов и обеспечение освещения и сигнализации так же требуют значительного расхода энергии. Существует прямая зависимость данной сферы от количества транспортных средств, так увеличение дорожной сети вызывает увеличение количества транспортных средств перевозящих грузы и людей.
• Управление транспортом. Расходы, связанные с планированием, развитием и управлением транспортной инфраструктурой. Включают в себя время, деньги и навыки, которые могут быть включены в общее потребление энергии в транспортном секторе. В особой степени это относиться к общественному транспорту.
• Производство и торговля. Процессы разведки, добычи, переработки и транспортировки топлива или генерации и передачи энергии также потребляют энергию. В результате преобразования 100 единиц исходной энергии в виде сырой нефти производится лишь 85 единиц энергии в виде бензина. Любые изменения в транспортной отрасли оказывают значительное влияние на мировой энергетический рынок.

Энергопотребление сильно зависит от вида транспорта:

• Наземные перевозки потребляют наибольшее количество энергоресурсов. Только автомобильные перевозки в развитых странах потребляет в среднем 85% от общих энергозатрат транспортной отрасли. Именно автомобильная отрасль ответственна за все возрастающее энергопотребление  в течение последних 25 лет.  Несмотря на спад объема железнодорожных перевозок, железнодорожный транспорт по сравнению с автомобилями, по-прежнему потребляет в четыре раза меньше энергоресурсов при пассажирских перевозках и в два раза меньше энергоресурсов при перевозке грузов. Энергопотребление железнодорожного транспорта составляет примерно 6% от энергопотребления мировой транспортной отрасли.
• Морской транспорт осуществляет 90% объема международных грузовых перевозок. Особенности морского транспорта и эффект от объема единовременно перевозимых грузов, позволяет существенно снизить энергозатраты.  На сегодняшний день энергозатраты морского транспорта составляют 7% от энергопотребления мировой транспортной отрасли, что не сопоставимо с громадным объемом грузов перевозимым морским транспортом.
• Воздушный транспорт играет важную роль в глобализации транспортных сетей. Энергопотребление авиационной отрасли составляет 8% от энергопотребления мировой транспортной отрасли. Воздушный транспорт отличается высоким уровень энергопотребления, связанный с высокой скоростью транспортировки. Топливо составляет вторую по величине статью расходов авиационной отрасли, примерно 13-20% от общей суммы расходов. На сегодняшний день это около 1,2 млн. баррелей в день. Технологические инновации, такие как более экономичные двигатели и оптимизация аэродинамики, позволяют постоянно повышать энергоэффективности каждого нового поколения самолетов.

Так же необходимо рассмотреть различие в энергопотреблении при перевозке грузов и при транспортировке людей:

• Пассажирские перевозки потребляют 60 - 70% энергии мировой транспортной отрасли. Частные автомобили – вносят существенный вклад в пассажирские перевозки, но к сожалению отличаются плохой энергоэффективностью. Хотя мы должны заметить что, начиная с 1970 годов, энергоэффективность частного транспорта существенно повысилась, во много благодаря растущей стоимости топлива и ряду принятых законов.  Всего лишь 12% топлива, расходуемого автомобилем тратиться на придания ему движения. Существует тесная связь между ростом доходов населения, количеством автомобилей в собственности у населения и расстояние, преодолеваемого на собственном автомобиле.  Соединенные Штаты отличаются одним из самых высоких уровней автомобилизации населения страны. Жители США обладают одним автомобилем на каждых двух человек. Около 60% всех американских семей имеют два и более автомобиля, а 19% владеющих тремя или более. Еще более тревожная тенденция связана с увеличения роста приобретения в собственность минивенов, малотоннажных грузовых и спортивных автомобилей и соответствующего снижения эффективности расходования топлива. Кроме того количество километров проезжаемых ежегодно на частном автомобиле тесно связано с ценой на топливо и во многих странах данный параметр стабилизировался.
• Грузовые перевозки В данной сфере доминируют железнодорожные и морские перевозки, как два вида наиболее энергоэффективного транспорта. Прибрежные и внутренние водные пути обеспечивают энергоэффективный способ транспортировки пассажиров и грузов. Буксир тянущий 15 стандартных барж перевозит объем грузов эквивалентный 225 грузовым железнодорожным вагонам или 870 грузовикам.  Департамент Морского Транспорта США измерил расстояние на которое может быть перемещена 1 тонна груза с использованием 3,785 литра топлива. Буксир, работающих на внутренних водных путях может баржу с одной тонной груза на 857 километров. Такое же количество топлива будет израсходовано железнодорожным транспортом для перемещения 1 тонны груза на 337 километров или для перемещения одной тонны груза автомобильным транспортом на 98 км.

3.     Сжигание углеводородов

Не секрет что почти во всех видах  транспорта используются двигатели  внутреннего сгорания, два наиболее важных типа этих двигателей - дизельный двигатель и газовая турбина. Изобретение именно этих типов двигателей дало толчок к началу феномена глобализации. Двигатели кораблей и грузовиков являются примера использования дизельных двигателей, реактивные двигатели самолетов являются примером использования двигателей работающих по принципу газовой турбины.

Большинство двигателей внутреннего сгорания работают на бензине (C8H18 например четырехтактный двигатель  Отто) но так же могут использовать и другие источники энергии например  так ие как метан (CH4 в газовых турбинах), дизельное топливо (в основном грузовых автомобилях), мазут (в судах ) и керосин ( в турбореактивных самолетах).  При полном сгорании чистого бензина осуществляется следующая химическая реакция:

(2) C 8 H 18 + (25) O 2 = (16) CO 2 + (18) H 2 O + энергия

При сгорании 1 кг бензина выделяется 11552 Ккал энергии, так же при сгорании 1 кг бензина  расходуется от 16 до 24 литров воздуха. Несколько факторов и условий  влияют на уровень сгорания в двигателе  внутреннего сгорания, поддерживая импульс, обеспечивающий движения и обуславливающие эффективность эксплуатационных режимов ДВС. Достигнутая температура ДВС зависит от темпа впрыска и скорости сгорания топлива. Воздух является самым доступный источник кислорода, но воздух также содержит в себе достаточно большое количества азота, поэтому именно азот является главным элементом продуктов горения. Скорость сгорания топлива в ДВС может быть увеличена путем распыления топлива по всему объему двигателя и предварительному смешиванию его с воздухом.

Если бы все  двигатели внутреннего сгорания работали согласно вышеупомянутому   химическому уравнению, выбросы и воздействие на окружающую среду в процессе транспортировки были бы незначительны (за исключением выделений углекислого газа). Однако проблема состоит в том, что процесс сгорания в ДВС является неэффективным и неполным по двум следующим причинам:

• Во-первых, топлива и воздух не являются абсолютно химически чистыми, в результате чего процесс сгорания не является полным. Хотя процесс ректификации нефти обеспечивает достаточно чистое топливо, бензинвсе равно имеет примеси например такие как сера (0.1 - 5 %), иногда антидетонационные присадки и другие углеводороды ( такие как бензол и бутадиен), воздух в свою очередь состоит из 78% азота и 21% кислорода. Таким образом другие химические компоненты  так же принимают участие в процессе сгорания.
• Во-вторых, частично по причине указанной в пункте один, частично из-за несовершенства технологии двигателя, сгорание является неполным и выхлопные газы двигателя содержат большое количество посторонних химических веществ. Впрыск топлива в камеру сгорания в современном двигателе происходит в среднем с частотой 25 раз в секунду, что ограничивает время необходимое для полного сгорания топлива. Помимо углекислого газа и воды, типичный двигатель внутреннего сгорания так же содержит в выхлопных газах угарный газ (СО), углеводороды (бензол, формальдегид, бутадиен и ацетальдегид), энергозависимые органические соединения (VOC), двуокись серы (SO2), макрочастицы, и окиси азота (NOx). Эти продукты сгорания - главные загрязнители, которые попадают в окружающую среду при транспортировку людей и грузов.