TEPELNÉ ZNEČIŠTĚNÍ: VLASTNOSTI, DŮSLEDKY, PŘÍKLADY - ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ - 2025

K tepelnému znečištění dochází, když některý faktor způsobuje nežádoucí nebo škodlivou změnu teploty prostředí. Prostředí nejvíce zasažené touto kontaminací je voda, ale může také ovlivnit vzduch a půdu.

Průměrná teplota prostředí může být měněna jak přírodními příčinami, tak i lidským působením (antropogenní). Přirozené příčiny zahrnují nevyprovokované lesní požáry a sopečné výbuchy.

Povrchová teplota Země. Zdroj:

Mezi antropogenní příčiny patří výroba elektrické energie, produkce skleníkových plynů a průmyslové procesy. Stejně tak přispívají chladicí a klimatizační systémy.

Nejvýznamnějším fenoménem tepelného znečištění je globální oteplování, což znamená zvýšení průměrné teploty planety. To je způsobeno tzv. Skleníkovým efektem a čistým příspěvkem zbytkového tepla lidmi.

Činnost, která generuje nejvíce tepelné znečištění, je výroba elektřiny ze spalování fosilních paliv. Spalování uhlí nebo ropných produktů rozptyluje teplo a produkuje CO2, hlavní skleníkový plyn.

Tepelné znečištění způsobuje fyzikální, chemické a biologické změny, které mají negativní dopad na biodiverzitu. Nejvýznamnější vlastností vysokých teplot je její katalytická síla a zahrnuje metabolické reakce, ke kterým dochází v živých organismech.

Živé bytosti vyžadují podmínky určité amplitudy kolísání teploty, aby přežily. Z tohoto důvodu může jakákoli změna této amplitudy znamenat úbytek populací, jejich migraci nebo vyhynutí.

Na druhé straně tepelné znečištění přímo ovlivňuje lidské zdraví a způsobuje vyčerpání tepla, tepelný šok a zhoršuje kardiovaskulární onemocnění. Globální oteplování způsobuje, že tropické choroby rozšiřují svou geografickou působnost.

Prevence tepelného znečištění vyžaduje úpravu způsobů hospodářského rozvoje a zvyků moderní společnosti. To zase znamená implementaci technologií, které snižují tepelný dopad na životní prostředí.

Uvádíme zde některé příklady tepelného znečištění, například jadernou elektrárnu Santa María de Garoña (Burgos, Španělsko), která fungovala v letech 1970 až 2012. Tato elektrárna odváděla horkou vodu ze svého chladicího systému do řeky Ebro, čímž zvyšovala svou přirozenou teplotu až o 10 ° C.

Dalším charakteristickým případem tepelného znečištění je použití klimatizačních zařízení. Šíření těchto systémů ke snížení teploty zvyšuje teplotu města, jako je Madrid, až o 2 ° C.

Pozitivní případ margarínové společnosti v Peru, která používá vodu k ochlazení systému a výsledná horká voda se vrací do moře. Podařilo se jim tak ušetřit energii, vodu a snížit příspěvek horké vody do životního prostředí.

vlastnosti

- Tepelné a tepelné znečištění

Tepelné znečištění je odvozeno od přeměny jiných energií, protože veškerá energie, když je rozmístěna, vytváří teplo. To spočívá ve zrychlení pohybu částic média.

Teplo je tedy přenos energie mezi dvěma systémy, které mají různé teploty.

Teplota

Teplota je množství, které měří kinetickou energii systému, tj. Průměrný pohyb jeho molekul. Uvedený pohyb může být translace jako v plynu nebo vibracemi jako v pevné látce.

Měří se pomocí teploměru, jehož jsou různé typy, z nichž nejčastější jsou dilatace a elektronika.

Expanzní teploměr je založen na koeficientu expanze určitých látek. Tyto látky se po zahřátí protahují a jejich vzestup značí stupnicí.

Elektronický teploměr je založen na přeměně tepelné energie na elektrickou energii převedenou v číselném měřítku.

Nejběžnější používanou stupnicí je škála navržená Andersem Celsiem (° C, ° C nebo Celsius). V něm 0 ° C odpovídá bodu tuhnutí vody a 100 ° C bodu varu.

- Termodynamika a tepelné znečištění

Termodynamika je odvětví fyziky, které studuje interakce tepla s jinými formami energie. Termodynamika uvažuje o čtyřech základních principech:

- Dva objekty s různými teplotami budou vyměňovat teplo, dokud nedosáhnou rovnováhy.

- Energie není vytvořena ani zničena, pouze transformována.

- Jedna forma energie nemůže být zcela přeměněna na jinou bez ztráty tepla. A tok tepla bude od nejžhavějšího média k nejméně horkému, nikdy naopak.

- Nelze dosáhnout teploty rovné absolutní nule.

Tyto zásady aplikované na tepelné znečištění určují, že každý fyzický proces vytváří přenos tepla a vytváří tepelné znečištění. Dále může být vyroben buď zvýšením nebo snížením teploty média.

Má se za to, že zvýšení nebo snížení teploty je znečišťující, pokud jde nad rámec životně důležitých parametrů.

- vitální teplota

Teplota je jedním ze základních aspektů výskytu života, jak jej známe. Rozsah teplotních variací, které umožňují většinu aktivního života, se pohybuje od -18 ° C do 50 ° C.

Živé organismy mohou existovat v latentním stavu při teplotách -200 ° C a 110 ° C, jedná se však o vzácné případy.

Termofilní bakterie

Některé takzvané termofilní bakterie mohou existovat při teplotách až 100 ° C, pokud je kapalná voda. K tomuto stavu dochází při vysokých tlacích na mořské dno v oblastech hydrotermálních průduchů.

To nám říká, že definice tepelného znečištění v médiu je relativní a závisí na jeho přirozených vlastnostech. Podobně to souvisí s požadavky organismů, které obývají danou oblast.

Lidská bytost

U lidí je normální tělesná teplota v rozmezí 36,5 ° C až 37,2 ° C a homeostatická kapacita (pro kompenzaci vnějších variací) je omezená. Teploty pod 0 ° C po dlouhou dobu a bez umělé ochrany způsobují smrt.

Stejně tak je dlouhodobě velmi obtížné kompenzovat teploty nad 50 ºC.

- Tepelné znečištění a životní prostředí

Ve vodě má tepelné znečištění okamžitější účinek, protože zde teplo odvádí pomaleji. Ve vzduchu a na zemi má tepelné znečištění méně silné účinky, protože teplo se rychleji rozptyluje.

Na druhé straně v malých oblastech je kapacita prostředí rozptylovat velké množství tepla velmi omezená.

Katalytický účinek tepla

Teplo má katalytický účinek na chemické reakce, to znamená, že tyto reakce urychluje. Tento účinek je hlavním faktorem, kterým může mít tepelné znečištění negativní dopad na životní prostředí.

Tedy, několik teplotních rozdílů může vyvolat reakce, které by jinak nenastaly.

Příčiny

- Globální oteplování

Země prošla během své geologické historie cykly vysokých a nízkých průměrných teplot. V těchto případech byly zdroje nárůstu teploty planety přírodní povahy, jako je slunce a geotermální energie.

V současné době je proces globálního oteplování spojen s činnostmi prováděnými lidmi. V tomto případě je hlavním problémem snížení rychlosti rozptylu uvedeného tepla směrem k stratosféře.

K tomu dochází hlavně kvůli emisím skleníkových plynů lidskou činností. Patří sem průmysl, automobilový provoz a spalování fosilních paliv.

Globální oteplování dnes představuje největší a nejnebezpečnější proces existujícího tepelného znečištění. Emise tepla z globálního využívání fosilních paliv navíc do systému přidávají další teplo.

- Termoelektrické elektrárny

Termoelektrická elektrárna je průmyslový komplex určený k výrobě elektřiny z paliva. Uvedeným palivem může být fosilie (uhlí, ropa nebo deriváty) nebo radioaktivní materiál (například uran).

Termoelektrická elektrárna Endes As Pontes (Španělsko). Zdroj: Obrázek poskytl ☣Banjo

Tento systém vyžaduje chlazení turbín nebo reaktorů a pro tuto vodu se používá. V chladicí sekvenci je velké množství vody odebíráno z vhodného studeného zdroje (řeka nebo moře).

Čerpadla jej následně protlačují trubkami, které jsou obklopeny horkou parou. Teplo přechází z páry do chladicí vody a zahřátá voda se vrací do zdroje, čímž se přebytečné teplo přivádí do přírodního prostředí.

- Lesní požáry

Lesní požáry jsou dnes běžným jevem a jsou v mnoha případech způsobeny přímo nebo nepřímo lidmi. Spalování velkých lesních hmot přenáší obrovské množství tepla hlavně do vzduchu a země.

- Klimatizační a chladicí systémy

Klimatizační zařízení nejen mění teplotu vnitřního prostoru, ale také způsobují nerovnováhu ve venkovním prostoru. Například klimatizace odvádí ven o 30% více než teplo, které odvádí zevnitř.

Podle Mezinárodní energetické agentury je na světě kolem 1 600 milionů klimatizací. Stejně tak chladničky, chladničky, sklepy a veškerá zařízení určená ke snížení teploty v uzavřeném prostoru způsobují tepelné znečištění.

- Průmyslové procesy

Ve skutečnosti všechny procesy průmyslové transformace zahrnují přenos tepla do životního prostředí. Některá průmyslová odvětví tak činí obzvláště vysokou mírou, jako je zkapalňování plynu, hutnictví a výroba skla.

Zkapalněné plyny

Průmysly pro zplynování a zkapalňování různých průmyslových a lékařských plynů vyžadují chladicí procesy. Tyto procesy jsou endotermické, tj. Absorbují teplo ochlazováním okolního prostředí.

K tomu se používá voda, která se vrací do okolního prostředí při nižší teplotě než původní.

Metalurgický

Vysoké tavicí pece emitují teplo do okolního prostředí, protože dosahují teplot nad 1500 ° C. Na druhé straně procesy chlazení materiálů používají vodu, která znovu vstupuje do prostředí při vyšší teplotě.

Výroba skla

Při procesu tavení a formování materiálu se dosahuje teploty až 1600 ºC. V tomto smyslu je tepelné znečištění způsobené tímto odvětvím značné, zejména v pracovním prostředí.

- osvětlovací systémy

Žárovky nebo reflektory a zářivky rozptylují energii ve formě tepla do okolí. Vzhledem k vysoké koncentraci světelných zdrojů v městských oblastech se toto stává zdrojem významného tepelného znečištění.

- Vnitřní spalovací motory

Motory s vnitřním spalováním, stejně jako motory v automobilech, mohou generovat přibližně 2 500 ° C. Toto teplo je odváděno do okolního prostředí prostřednictvím chladicího systému, konkrétně prostřednictvím radiátoru.

Vzhledem k tomu, že ve městě cirkulují denně stovky tisíc vozidel, je možné odvodit množství přeneseného tepla.

- Městská centra

V praxi je město zdrojem tepelného znečištění kvůli existenci mnoha již zmíněných faktorů. Město je však systém, jehož tepelný efekt vytváří v jeho okolí tepelný ostrov.

Tepelné ostrovy ve Španělsku. Zdroj: Galjundi7

Albedo efekt

Albedo odkazuje na schopnost objektu odrážet sluneční záření. Kromě kalorického přínosu, který může přinést každý prvek (automobily, domy, průmyslová odvětví), má městská struktura výraznou synergii.

Například materiály v městských centrech (hlavně beton a asfalt) mají nízké albedo. To způsobí, že se velmi zahřejí, což spolu s teplem vyzařovaným činností ve městě zvyšuje tepelné znečištění.

Čisté příspěvky městského tepla

Různá šetření ukázala, že tvorba tepla lidskými činnostmi během horkého dne ve městě může být velmi vysoká.

Například v Tokiu je čistý tepelný příkon 140 W / m2, což odpovídá zvýšení teploty přibližně o 3 ° C. Ve Stockholmu se čistý příspěvek odhaduje na 70 W / m2, což odpovídá zvýšení teploty o 1,5 ° C.

Důsledky

- Změny fyzikálních vlastností vody

Zvýšení teploty vody v důsledku tepelného znečištění v ní způsobuje fyzické změny. Například snižuje rozpuštěný kyslík a zvyšuje koncentraci solí a ovlivňuje vodní ekosystémy.

U vodních útvarů podléhajících sezónním změnám (zimní mrazení) přidávání horké vody mění přirozenou rychlost zmrazení. To zase ovlivňuje živé věci, které se přizpůsobily této sezónnosti.

- Dopad na biologickou rozmanitost

Vodní život

V termoelektrických chladicích systémech způsobuje vystavení vysokým teplotám fyziologický šok pro určité organismy. V tomto případě jsou ovlivněny fytoplankton, zooplankton, vejce a larvy planktonu, ryb a bezobratlých.

Mnoho vodních organismů, zejména ryby, jsou velmi citlivé na teplotu vody. U stejného druhu se ideální teplotní rozmezí mění v závislosti na teplotě aklimatizace každé konkrétní populace.

V důsledku toho změny teploty způsobují vymizení nebo migraci celé populace. Vypouštěná voda z termoelektrické elektrárny tak může zvýšit teplotu o 7,5-11 ° C (čerstvá voda) a 12-16 ° C (slaná voda).

Tento tepelný šok může vést k rychlé smrti nebo vyvolat vedlejší účinky, které ovlivňují přežití populací. Kromě jiných účinků zahřívání vody snižuje rozpuštěný kyslík ve vodě, což způsobuje hypoxické problémy.

Eutrofizace

Tento jev vážně ovlivňuje vodní ekosystémy, dokonce způsobuje zmizení života v nich. Začíná proliferací řas, bakterií a vodních rostlin v důsledku umělého přispívání živin do vody.

Jak populace těchto organismů rostou, spotřebovávají rozpuštěný kyslík ve vodě, což způsobuje smrt ryb a jiných druhů. Zvýšení teploty vody přispívá k eutrofizaci snížením rozpuštěného kyslíku a koncentrací solí, což podporuje růst řas a bakterií.

Pozemský život

V případě vzduchu ovlivňují změny teploty fyziologické procesy a chování druhů. Mnoho hmyzů snižuje jejich plodnost při teplotách vyšších než určité úrovně.

Podobně jsou rostliny citlivé na teplotu pro své kvetení. Globální oteplování způsobuje, že některé druhy rozšiřují svůj geografický rozsah, zatímco jiné to považují za omezené.

- Lidské zdraví

Úpal

Neobvykle vysoké teploty ovlivňují lidské zdraví a může dojít k tzv. Tepelnému šoku nebo úpalům. Jedná se o akutní dehydrataci, která může způsobit ochrnutí různých životně důležitých orgánů a dokonce vést k smrti.

Vlny veder mohou způsobit stovky až tisíce lidí jako v Chicagu (USA), kde v roce 1995 zemřelo přibližně 700 lidí. Mezitím vlny veder v Evropě v letech 2003 až 2010 způsobily smrt tisíců lidí.

Kardiovaskulární choroby

Na druhé straně vysoké teploty negativně ovlivňují zdraví lidí s kardiovaskulárními chorobami. Tato situace je zvláště závažná v případech hypertenze.

Náhlé změny teploty

Náhlé změny teploty mohou oslabit imunitní systém a zvýšit náchylnost těla k onemocněním dýchacích cest.

Hygiena a pracovní prostředí

Tepelné znečištění je v některých průmyslových odvětvích, například hutnictví a sklo, faktorem ochrany zdraví při práci. Zde jsou pracovníci vystaveni sálavému teplu, které může způsobit vážné zdravotní problémy.

Přestože jsou zjevně přijata bezpečnostní opatření, tepelné znečištění je významné. Podmínky zahrnují vyčerpání tepla, tepelný šok, extrémně vyzařované tepelné pálení a problémy s plodností.

Tropické choroby

Nárůst globální teploty způsobuje, že nemoci dosud omezené na určité tropické oblasti rozšiřují svůj poloměr působení.

V dubnu 2019 se v Amsterdamu konal 29. evropský kongres klinické mikrobiologie a infekčních nemocí. V tomto případě bylo zdůrazněno, že do Evropy se mohou rozšířit nemoci jako chikungunya, dengue nebo leishmanióza.

Stejným jevem může být ovlivněna také klíšťová encefalitida.

Jak tomu zabránit

Cílem je snížit čisté přínosy tepla pro životní prostředí a zabránit tomu, aby se produkované teplo zachytávalo v atmosféře.

- využití účinnějších zdrojů energie a technologií pro výrobu elektřiny

Zdroje energie

Termoelektrické elektrárny způsobují největší podíl tepelného znečištění z hlediska čistého přenosu tepla do atmosféry. V tomto smyslu je pro snížení tepelného znečištění nezbytné nahradit fosilní paliva čistými energiemi.

Procesy výroby sluneční, větrné a vodní energie (vody) vytvářejí velmi nízké zbytkové tepelné vstupy. Totéž se děje s jinými alternativami, jako je vlnová energie (vlny) a geotermální (teplo ze Země),

Technologie

Termoelektrická zařízení a průmyslová odvětví, jejichž procesy vyžadují chladicí systémy, mohou používat systémy s uzavřenou smyčkou. Pro snížení teploty vody mohou být také použity mechanické systémy pro difúzi tepla.

- Kogenerace

Kogenerace sestává ze současné výroby elektrické energie a užitečné tepelné energie, jako je pára nebo horká voda. Za tímto účelem byly vyvinuty technologie, které umožňují využití a využití odpadního tepla generovaného v průmyslových procesech.

Například projekt INDUS3ES financovaný Evropskou komisí vyvíjí systém založený na „tepelném transformátoru“. Tento systém je schopen absorbovat zbytkové teplo při nízké teplotě (70 až 110 ºC) a vrátit ho na vyšší teplotu (120 až 150 ºC).

Další rozměry výroby energie

Složitější systémy mohou zahrnovat další dimenze výroby nebo transformace energie.

Mezi nimi máme trigeneraci, která spočívá v začlenění chladicích procesů vedle výroby elektřiny a tepla. Kromě toho, pokud je navíc generována mechanická energie, mluvíme o tetrageneraci.

Některé systémy jsou pastí na CO2, kromě výroby elektřiny, tepelné a mechanické energie, v tomto případě hovoříme o čtyřech generacích. Všechny tyto systémy také přispívají ke snížení emisí CO2.

- Snížit emise skleníkových plynů

Protože globální oteplování je jev tepelného znečištění s největším dopadem na planetu, je nutné jeho zmírnění. K dosažení tohoto cíle je hlavní věcí snížení emisí skleníkových plynů, včetně CO2.

Snížení emisí vyžaduje změnu struktury hospodářského rozvoje a nahrazení fosilních zdrojů energie čistou energií. Ve skutečnosti to snižuje emise skleníkových plynů a produkci odpadního tepla.

- Období chlazení vodou

Alternativou používanou některými termoelektrickými elektrárnami je výstavba chladicích jezírek. Jeho funkcí je odpočívat a ochlazovat vody získané z chladicího systému před jejich návratem do jejich přirozeného zdroje.

Příklady tepelného znečištění

Termoelektrická elektrárna Brayton (Spojené státy americké). Zdroj: Wikimaster97commons

Jaderná elektrárna Santa María de Garoña

Jaderné elektrárny vyrábějí elektrickou energii z rozkladu radioaktivního materiálu. To generuje velké množství tepla, což vyžaduje chladicí systém.

Jaderná elektrárna Santa María de Garoña (Španělsko) byla elektrárnou typu BWR (vařící vodní reaktor), která byla slavnostně otevřena v roce 1970. Její chladicí systém používal 24 kubických metrů vody za sekundu od řeky Ebro.

Podle původního projektu by odpadní voda vrácená do řeky nepřekročila 3 ° C s ohledem na teplotu řeky. V roce 2011 zjistila zpráva Greenpeace potvrzená nezávislou ekologickou společností mnohem vyšší nárůst teploty.

Voda v oblasti úniku dosáhla 24 ° C (6,6 až 7 ° C přírodní říční vody). Poté, čtyři kilometry po proudu od oblasti úniku, přesáhl 21 ° C. Závod přestal fungovat 16. prosince 2012.

Klimatizace v Madridu (Španělsko)

Ve městech je stále více klimatizačních systémů, které snižují okolní teplotu v horkém období. Tato zařízení pracují tak, že odvádějí horký vzduch zevnitř a rozptylují ho ven.

Obvykle nejsou vysoce účinné, takže rozptylují ještě více tepla venku, než se odvádějí zevnitř. Tyto systémy jsou proto relevantním zdrojem tepelného znečištění.

V Madridu zvyšuje sada klimatizačních zařízení ve městě teplotu okolí až o 1,5 nebo 2 ° C.

Pozitivní příklad: závod na výrobu margarínu v Peru

Margarín je náhražkou másla získaného hydrogenací rostlinných olejů. Hydrogenace vyžaduje nasycení rostlinného oleje vodíkem při vysokých teplotách a tlacích.

Tento proces vyžaduje vodní chladicí systém, aby zachytil vznikající odpadní teplo. Voda absorbuje teplo a zvyšuje jeho teplotu a poté se vrací do okolního prostředí.

Ve společnosti vyrábějící peruánské margaríny způsobil tok horké vody (35 ° C) tepelné znečištění moře. Za účelem vyvážení tohoto účinku společnost zavedla kogenerační systém založený na uzavřeném chladicím okruhu.

Pomocí tohoto systému bylo možné znovu použít horkou vodu k předehřátí vody vstupující do kotle. Tímto způsobem byla ušetřena voda a energie a snížen průtok horké vody do moře.

Reference

1. Burkart K, Schneider A, Breitner S, Khan MH, Krämer A a Endlicher W (2011). Vliv atmosférických tepelných podmínek a městského tepelného znečištění na mortalitu způsobenou všemi příčinami a kardiovaskulární úmrtnost v Bangladéši. Znečištění životního prostředí 159: 2035–2043.
2. Coutant CC a Brook AJ (1970). Biologické aspekty tepelného znečištění I. Účinky vypouštěcího a výtokového kanálu ∗. Kritické recenze CRC v environmentální kontrole 1: 341–381.
3. Davidson B a Bradshaw RW (1967). Tepelné znečištění vodních systémů. Environmental Science & Technology 1: 618–630.
4. Dingman SL, Weeks WF a Yen YC (1968). Účinky tepelného znečištění na podmínky ledu. Water Resources Research 4: 349–362.
5. Galindo RJG (1988). Znečištění v pobřežních ekosystémech, ekologický přístup. Autonomní univerzita v Sinaji, Mexiko. 58 str.
6. Projekt Indus3Es. (Viděno 12. srpna 2019). indus3es.eu
7. Nordell B (2003). Tepelné znečištění způsobuje globální oteplování. Globální a planetární změna 38: 305–12.