TOPLINSKO ZAGAĐENJE: KARAKTERISTIKE, POSLJEDICE, PRIMJERI - OKOLIŠ - 2026

Toplinsko zagađenje nastaje kada neki faktor uzrokuje nepoželjne ili štetan promjene u temperaturi okoliša. Okoliš koji je najviše zahvaćen tim onečišćenjem je voda, no također može utjecati na zrak i tlo.

Prosječna temperatura okoliša može se izmijeniti i prirodnim uzrocima i ljudskim radnjama (antropogenim). Prirodni uzroci uključuju neprovocirane šumske požare i vulkanske erupcije.

Temperatura Zemljine površine. Izvor:

Među antropogene uzroke spadaju proizvodnja električne energije, proizvodnja stakleničkih plinova i industrijski procesi. Isto tako doprinose i rashladni i klimatizacijski sustavi.

Najrelevantniji fenomen toplinskog onečišćenja je globalno zagrijavanje, što podrazumijeva porast prosječne planetarne temperature. To je zbog takozvanog efekta staklenika i neto doprinosa preostale topline od strane čovjeka.

Djelatnost koja stvara najviše termičko zagađenje je proizvodnja električne energije izgaranjem fosilnih goriva. Izgaranje ugljena ili naftnih derivata difundira toplinu i stvara CO2, glavni staklenički plin.

Toplinsko zagađenje uzrokuje fizičke, kemijske i biološke promjene koje negativno utječu na biološku raznolikost. Najvažnije svojstvo visokih temperatura je njihova katalitička moć i uključuje metaboličke reakcije koje se događaju u živim organizmima.

Da bi preživjela, živa bića trebaju uvjete određene amplitude promjene temperature. Iz tog razloga, svaka promjena ove amplitude može značiti smanjenje populacije, njihovu migraciju ili njihovo izumiranje.

S druge strane, toplinsko zagađenje izravno utječe na zdravlje ljudi uzrokujući iscrpljenost topline, toplinski šok i pogoršavajući kardiovaskularne bolesti. Uz to, globalno zagrijavanje uzrokuje da tropske bolesti prošire svoj geografski raspon djelovanja.

Sprečavanje toplinskog onečišćenja zahtijeva izmjenu načina ekonomskog razvoja i navika modernog društva. To zauzvrat podrazumijeva primjenu tehnologija koje smanjuju toplinski utjecaj na okoliš.

Ovdje su prikazani neki primjeri toplinskog onečišćenja, poput nuklearne elektrane Santa María de Garoña (Burgos, Španjolska) koja je radila između 1970. i 2012. Ova elektrana je izbacila toplu vodu iz svog rashladnog sustava u rijeku Ebro, povećavajući svoju prirodnu temperaturu do 10 ° C.

Još jedan karakterističan slučaj toplinskog onečišćenja osigurava upotreba klima-uređaja. Širenje ovih sustava za smanjenje temperature povećava temperaturu u gradu poput Madrida za čak 2 ° C.

Napokon, pozitivan slučaj tvrtke koja proizvodi margarin iz Perua koja koristi vodu za hlađenje sustava, a dobivena topla voda se vraća u more. Tako su uspjeli uštedjeti energiju, vodu i smanjiti doprinos tople vode okolišu.

karakteristike

- Toplinsko i toplinsko zagađenje

Toplinsko zagađenje proizilazi iz transformacije drugih energija jer sva energija kada se koristi aktivira toplinu. Sastoji se od ubrzanja kretanja čestica medija.

Stoga je toplina prijenos energije između dva sustava koja su na različitim temperaturama.

Temperatura

Temperatura je količina koja mjeri kinetičku energiju sustava, odnosno prosječno kretanje njegovih molekula. Navedeno kretanje može biti prevođenje kao u plinu ili vibracijama kao u krutini.

Mjeri se termometrom, od kojih postoje razne vrste, a najčešći su dilatacijski i elektronički.

Ekspanzijski termometar temelji se na koeficijentu ekspanzije određenih tvari. Ove tvari, kada se zagrijavaju, protežu se i njihov porast označava postupnu skalu.

Elektronski termometar temelji se na pretvaranju toplinske energije u električnu energiju koja se prevodi na numeričkoj skali.

Najčešća korištena ljestvica je ona koju je predložio Anders Celzijus (ºC, stupanj Celzijeva ili Celzijusova). U njoj 0 ºC odgovara tački smrzavanja vode, a 100 ºC točki vrelišta.

- Termodinamika i toplinsko zagađenje

Termodinamika je grana Fizike koja proučava interakcije topline s drugim oblicima energije. Termodinamika razmatra četiri temeljna principa:

- Dva objekta s različitim temperaturama razmjenjivat će toplinu dok ne postignu ravnotežu.

- Energija se ne stvara niti uništava, ona se samo transformira.

- Jedan oblik energije se ne može u potpunosti transformirati u drugi bez gubitka topline. A protok topline bit će od najtoplijeg medija do najmanje vrućeg, nikada obrnuto.

- Nije moguće postići temperaturu jednaku apsolutnoj nuli.

Ova načela koja se primjenjuju na termičko zagađenje određuju da svaki fizički proces stvara prijenos topline i proizvodi termičko zagađenje. Nadalje, on se može proizvesti bilo povećanjem ili smanjenjem temperature medija.

Smatra se da porast ili pad temperature zagađuje kad nadilazi vitalne parametre.

- Vitalna temperatura

Temperatura je jedan od temeljnih aspekata nastanka života kakav znamo. Raspon temperaturnih varijacija koje omogućuju većinu aktivnog života kreće se od -18 ° C do 50 ° C.

Živi organizmi mogu postojati u latentnom stanju pri temperaturama od -200 ° C i 110 ° C, no rijetki su slučajevi.

Termofilne bakterije

Određene, takozvane termofilne bakterije mogu postojati na temperaturama do 100 ° C sve dok postoji tekuća voda. Ovo se stanje događa pri visokim pritiscima na morskom dnu u područjima hidrotermalnih otvora.

To nam govori da je definicija toplinskog onečišćenja u mediju relativna i ovisi o prirodnim karakteristikama medija. Isto tako, ono je povezano sa potrebama organizama koji nastanjuju određeno područje.

Ljudsko biće

U ljudi se normalna tjelesna temperatura kreće od 36,5ºC do 37,2ºC, a homeostatski kapacitet (radi kompenzacije vanjskih varijacija) je ograničen. Temperature ispod 0 ºC dugo i bez umjetne zaštite uzrokuju smrt.

Isto tako, stalne temperature iznad 50 ºC dugoročno je vrlo teško nadoknaditi.

- Toplinsko zagađenje i okoliš

U vodi toplinsko zagađenje ima neposredniji učinak jer se ovdje toplina raspršuje sporije. U zraku i na zemlji toplinsko zagađenje ima manje snažne učinke jer se toplina raspršuje brže.

S druge strane, u malim područjima kapacitet okoliša za odvajanje velikih količina topline je vrlo ograničen.

Katalitički učinak topline

Toplina ima katalitički učinak na kemijske reakcije, tj. Ubrzava te reakcije. Taj je učinak glavni čimbenik toplinskog onečišćenja može imati negativne posljedice na okoliš.

Dakle, nekoliko stupnjeva temperaturne razlike može potaknuti reakcije do kojih se inače ne bi došlo.

uzroci

- Globalno zatopljenje

Zemlja je prošla kroz cikluse visokih i niskih prosječnih temperatura kroz svoju geološku povijest. U tim su slučajevima izvori povećanja temperature planete bili prirodne prirode, kao što su sunce i geotermalna energija.

Trenutno je proces globalnog zagrijavanja povezan s aktivnostima koje provode ljudska bića. U ovom je slučaju glavni problem smanjenje brzine rasipanja navedene topline prema stratosferi.

To se događa uglavnom zbog emisije stakleničkih plinova ljudskom aktivnošću. Oni uključuju industriju, promet u vozilima i izgaranje fosilnih goriva.

Globalno zagrijavanje danas predstavlja najveći i najopasniji proces termičkog onečišćenja koji postoji. Nadalje, emisija topline iz globalne uporabe fosilnih goriva dodaje dodatnu toplinu u sustav.

- Termoelektrane

Termoelektrana je industrijski kompleks dizajniran za proizvodnju električne energije iz goriva. Spomenuto gorivo može biti fosilni (ugljen, nafta ili derivati) ili radioaktivni materijal (na primjer, uran).

Endesa kao Pontes Termoelektrana (Španjolska). Izvor: sliku je dao ☣Banjo

Ovaj sustav zahtijeva hlađenje turbina ili reaktora i za tu vodu se koristi. U redoslijedu hlađenja, velika količina vode crpi se iz pogodnog, hladnog izvora (rijeka ili more).

Nakon toga, pumpe proguraju kroz cijevi koje su okružene vrućom ispušnom parom. Toplina prelazi iz pare u rashladnu vodu, a grijana se voda vraća izvoru, dovodeći višak topline u prirodni okoliš.

- Šumski požari

Šumski požari danas su uobičajena pojava koja su u mnogim slučajevima uzrokovana izravno ili neizravno ljudskim bićima. Izgaranje velikih šumskih masa prenosi ogromne količine topline uglavnom u zrak i tlo.

- Klima uređaji i rashladni sustavi

Klima uređaji ne samo da mijenjaju temperaturu u zatvorenom prostoru, već također uzrokuju neravnoteže u vanjskom prostoru. Na primjer, klima uređaji rastavljaju izvana 30% više od topline koju ispuštaju iznutra.

Prema podacima Međunarodne agencije za energiju, u svijetu postoji oko 1.600 milijuna klima uređaja. Isto tako, hladnjaci, hladnjaci, podrumi i sva oprema dizajnirana za snižavanje temperature u zatvorenom prostoru stvaraju toplinsko zagađenje.

- Industrijski procesi

U stvari, svi procesi industrijske transformacije uključuju prijenos topline u okoliš. Neke industrije to rade po vrlo visokim stopama, poput ukapljivanja plina, metalurgije i proizvodnje stakla.

Tekući plinovi

Industrija reasifikacije i ukapljivanja različitih industrijskih i medicinskih plinova zahtijeva rashladne procese. Ti su procesi endotermični, odnosno apsorbiraju toplinu hlađenjem okolnog okoliša.

Za to se koristi voda koja se vraća u okoliš na nižoj temperaturi od početne.

metalurški

Peći za topljenje topline emitiraju toplinu u okoliš jer dosežu temperature iznad 1.500 ° C. S druge strane, postupci hlađenja materijala koriste vodu koja na višim temperaturama ponovno ulazi u okoliš.

Proizvodnja stakla

U postupcima taljenja i lijevanja materijala postižu se temperature do 1.600 ° C. U tom smislu, toplinsko zagađenje koje stvara ova industrija je veliko, posebno u radnom okruženju.

- Rasvjetni sustavi

Žarulje sa žarnom niti ili žarulje i fluorescentne svjetiljke rasipaju energiju u obliku topline u okoliš. Zbog visoke koncentracije izvora rasvjete u urbanim područjima, to postaje izvor značajnog toplinskog onečišćenja.

- Motori s unutarnjim sagorijevanjem

Motori s unutarnjim sagorijevanjem, poput onih u automobilima, mogu stvoriti oko 2500 ° C. Ta se toplina raspršuje u okoliš putem rashladnog sustava, posebno kroz radijator.

Uzimajući u obzir da stotine tisuća vozila dnevno kruže gradom, moguće je zaključiti količinu prenesene topline.

- Urbana središta

U praksi je grad izvor toplinskog onečišćenja zbog postojanja u njemu mnogih već spomenutih čimbenika. Međutim, grad je sustav čiji toplinski učinak tvori toplinski otok u okviru njegove okoline.

Otočni otoci u Španjolskoj. Izvor: Galjundi7

Albedo efekt

Albedo se odnosi na sposobnost objekta da odražava sunčevo zračenje. Osim kaloričnog doprinosa koji mogu imati svi prisutni elementi (automobili, domovi, industrije), urbana struktura pokazuje značajnu sinergiju.

Na primjer, materijali u urbanim središtima (uglavnom beton i asfalt) imaju malu albedo. Zbog toga se vrlo zagrijavaju, što zajedno s toplinom koju emitiraju aktivnosti u gradu povećava toplinsko zagađenje.

Neto doprinosi gradske topline

Različita istraživanja pokazuju da stvaranje topline ljudskim aktivnostima tijekom vrućeg dana u gradu može biti vrlo veliko.

Na primjer, u Tokiju postoji neto unos topline od 140 W / m2, što je porast temperature od približno 3 ° C. Neto doprinos u Stockholmu procjenjuje se na 70 W / m2, što je ekvivalent porastu temperature od 1,5 ° C.

posljedice

- Promjene u fizičkim svojstvima vode

Povećanje temperature vode kao posljedica toplinskog onečišćenja uzrokuje fizičke promjene u njoj. Na primjer, smanjuje otopljeni kisik i povećava koncentraciju soli, utječući na vodene ekosustave.

U vodenim tijelima koja su podložna sezonskim promjenama (zimsko smrzavanje) dodavanje tople vode mijenja prirodnu brzinu smrzavanja. To zauzvrat utječe na živa bića koja su se prilagodila toj sezonalnosti.

- Utjecaj na biološku raznolikost

Vodeni život

U termoelektričnim sustavima za hlađenje biljaka, izlaganje visokim temperaturama stvara fiziološki šok za određene organizme. U ovom slučaju utječu fitoplankton, zooplankton, jaja i ličinke planktona, riba i beskralježnjaka.

Mnogi vodeni organizmi, posebno ribe, vrlo su osjetljivi na temperaturu vode. Kod iste vrste idealni temperaturni raspon varira ovisno o temperaturi aklimatizacije svake pojedine populacije.

Zbog toga temperaturne razlike uzrokuju nestanak ili migraciju čitave populacije. Na taj način voda za ispuštanje iz termoelektrane može povećati temperaturu za 7,5-11 ºC (slatka voda) i 12-16 ºC (slana voda).

Ovaj toplinski šok može dovesti do brze smrti ili izazvati nuspojave koje utječu na opstanak populacije. Između ostalih učinaka, zagrijavanje vode smanjuje otopljeni kisik u vodi, uzrokujući hipoksične probleme.

eutrofikacija

Ovaj fenomen ozbiljno utječe na vodene ekosustave, čak uzrokujući nestanak života u njima. Počinje s razmnožavanjem algi, bakterija i vodenih biljaka kao rezultat umjetnog doprinosa hranjivih tvari u vodi.

Kako se populacija ovih organizama povećava, oni troše otopljeni kisik u vodi, uzrokujući smrt riba i drugih vrsta. Povećanje temperature vode doprinosi eutrofikaciji smanjujući otopljeni kisik i koncentrirajuće soli, što pogoduje rastu algi i bakterija.

Zemaljski život

U slučaju zraka, promjene temperature utječu na fiziološke procese i ponašanje vrsta. Mnogi insekti smanjuju svoju plodnost na temperaturama iznad određenih razina.

Isto tako, biljke su osjetljive na temperaturu za svoje cvjetanje. Globalno zagrijavanje uzrokuje da neke vrste proširuju svoj geografski raspon, dok druge smatraju ograničenim.

- Ljudsko zdravlje

Toplinski udar

Neobično visoke temperature utječu na zdravlje ljudi, a može doći i do takozvanog toplinskog udara ili toplotnog udara. Sastoji se od akutne dehidracije koja može izazvati paralizu različitih vitalnih organa i čak dovesti do smrti.

Toplinski valovi mogu izazvati stotine, pa čak i tisuće ljudi kao u Chicagu (SAD), gdje je 1995. godine umrlo oko 700 ljudi. U međuvremenu, valovi vrućine u Europi između 2003. i 2010. godine uzrokovali su smrt tisuća ljudi.

Kardiovaskularne bolesti

S druge strane, visoke temperature negativno utječu na zdravlje ljudi s kardiovaskularnim bolestima. Ova je situacija posebno ozbiljna u slučajevima hipertenzije.

Nagle promjene temperature

Iznenadne razlike u temperaturi mogu oslabiti imunološki sustav i učiniti tijelo podložnijim respiratornim bolestima.

Higijena i radno okruženje

Toplinsko zagađenje je faktor zdravlja na radu u nekim industrijama, primjerice metalurgija i staklo. Ovdje su radnici izloženi zračenju topline koja može uzrokovati ozbiljne zdravstvene probleme.

Iako su očigledno poduzete sigurnosne mjere, termičko zagađenje je značajno. Uvjeti uključuju iscrpljenost topline, toplotni udar, ekstremno zračene toplinske opekline i probleme plodnosti.

Tropske bolesti

Povećanje globalne temperature uzrokuje da bolesti dosad ograničene na određena tropska područja proširuju svoj radijus.

U travnju 2019. u Amsterdamu je održan 29. Europski kongres kliničke mikrobiologije i zaraznih bolesti. U ovom slučaju je istaknuto da se bolesti poput chikungunya, denga ili leishmaniasis mogu proširiti Europom.

Slično tome, encefalitis krpelji može utjecati na isti fenomen.

Kako to spriječiti

Cilj je smanjiti neto doprinos topline okolišu i spriječiti zadržavanje proizvedene topline u atmosferi.

- Korištenje učinkovitijih izvora energije i tehnologija za proizvodnju električne energije

Izvori energije

Termoelektrane uzrokuju najveći doprinos toplinskom zagađenju u smislu neto prijenosa topline u atmosferu. U tom smislu, za smanjenje toplinskog onečišćenja ključno je zamijeniti fosilna goriva čistim energijama.

Procesi proizvodnje energije iz solarne energije, vjetra (vjetrova) i hidroelektrane (vode) daju vrlo male zaostale unose topline. Isto se događa i s drugim alternativama poput energije valova (valovi) i geotermalne (toplina iz zemlje),

tehnologije

Termoelektrane i industrije čiji procesi zahtijevaju rashladne sustave mogu koristiti sustave zatvorene petlje. Mehanički sustavi za difuziju topline također se mogu ugraditi kako bi se smanjila temperatura vode.

- Kogeneracija

Kogeneracija se sastoji od istodobne proizvodnje električne energije i korisne toplinske energije, poput pare ili tople vode. Za to su razvijene tehnologije koje omogućuju obnavljanje i iskorištavanje otpadne topline stvorene u industrijskim procesima.

Na primjer, projekt INDUS3ES koji financira Europska komisija razvija sustav koji se temelji na "transformatoru topline". Ovaj sustav može apsorbirati nisku temperaturu zaostale topline (70 do 110 ºC) i vratiti ga na višu temperaturu (120-150 ºC).

Druge dimenzije proizvodnje energije

Složeniji sustavi mogu uključivati ​​i druge dimenzije proizvodnje ili transformacije energije.

Među njima imamo trigeneracije, koje se sastoje od uključivanja procesa hlađenja uz proizvodnju električne i toplinske energije. Pored toga, ako se dodatno generira mehanička energija, govorimo o tetrageneraciji.

Neki sustavi su zamke CO2, osim što proizvode električnu, toplinsku i mehaničku energiju, u kojem slučaju govorimo o četiri generacije. Svi ovi sustavi također doprinose smanjenju emisije CO2.

- Smanjite emisiju stakleničkih plinova

Budući da je globalno zagrijavanje fenomen termičkog onečišćenja s najvećim utjecajem na planetu, potrebno je ublažiti njegovo ublažavanje. Da bi se to postiglo, glavna stvar je smanjiti emisiju stakleničkih plinova, uključujući CO2.

Smanjenje emisija zahtijeva promjenu obrasca ekonomskog razvoja, zamjenu fosilnih izvora čistom energijom. U stvari, to smanjuje emisiju stakleničkih plinova i proizvodnju otpadne topline.

- Period hlađenja vodom za hlađenje

Alternativa koju koriste neke termoelektrane je izgradnja bazena za hlađenje. Njegova funkcija je odmaranje i hlađenje voda dobivenih iz sustava hlađenja prije nego što ih vrate u svoj prirodni izvor.

Primjeri toplinskog onečišćenja

Termoelektrana Brayton (Sjedinjene Države). Izvor: Wikimaster97commons

Nuklearna elektrana Santa María de Garoña

Nuklearne elektrane proizvode električnu energiju od raspada radioaktivnog materijala. To stvara puno topline, zahtijeva sustav hlađenja.

Nuklearna elektrana Santa María de Garoña (Španjolska) bila je postrojenje za proizvodnju električne energije tipa BWR (reaktor kipuće vode) pokrenuto 1970. Njegov rashladni sustav koristio je 24 kubika vode u sekundi iz rijeke Ebro.

Prema izvornom projektu, otpadna voda koja se vraća u rijeku ne bi prelazila 3 ° C u odnosu na temperaturu rijeke. U 2011. godini, Greenpeaceovo izvješće, potkrijepljeno neovisnom ekološkom tvrtkom, otkrilo je znatno veća porasta temperature.

Voda na području izlijevanja dosegla je 24ºC (6,6 do 7ºC prirodne riječne vode). Potom je četiri kilometra nizvodno od područja izlijevanja premašio 21 ° C. Postrojenje je prestalo s radom 16. prosinca 2012.

Klima uređaji u Madridu (Španjolska)

U gradovima je sve više klimatizacijskih sustava za smanjenje temperature okoline u vrućoj sezoni. Ovi uređaji djeluju tako da izvade vrući zrak iznutra i difuzuju ga izvana.

Obično nisu visoko učinkoviti, pa iznose još veću toplinu izvana nego što izvlače iznutra. Ti su sustavi stoga relevantan izvor toplinskog onečišćenja.

U Madridu, skup uređaja za klimatizaciju prisutnih u gradu podiže temperaturu okoline do 1,5 ili 2 ºC.

Pozitivan primjer: postrojenje za proizvodnju margarina u Peruu

Margarin je zamjena za maslac dobiven hidrogenacijom biljnih ulja. Za hidrogenaciju je potrebno zasićivanje biljnog ulja vodikom pri visokim temperaturama i pritiscima.

Ovaj postupak zahtijeva sustav hlađenja na bazi vode za hvatanje nastale otpadne topline. Voda apsorbira toplinu i podiže temperaturu, da bi se potom vratila u okoliš.

U peruanskoj tvrtki za proizvodnju margarina, protok tople vode (35 ° C) uzrokovao je toplinsko zagađenje u moru. Kako bi spriječila ovaj učinak, tvrtka je implementirala kogeneracijski sustav temeljen na zatvorenom krugu hlađenja.

Kroz ovaj sustav bilo je moguće ponovno koristiti toplu vodu da bi se prethodno zagrijala voda koja ulazi u bojler. Na taj način uštedjela je voda i energija i smanjen je protok tople vode u more.

Reference

1. Burkart K, Schneider A, Breitner S, Khan MH, Krämer A i Endlicher W (2011). Učinak atmosferskih toplinskih uvjeta i urbanog termičkog onečišćenja na uzročnike i kardiovaskularnu smrtnost u Bangladešu. Zagađivanje okoliša 159: 2035–2043.
2. Coutant CC i Brook AJ (1970). Biološki aspekti toplinskog onečišćenja I. Učinci ugradnje i ispuštanja na kanale discharge. Kritički osvrti CRC-a u kontroli zaštite okoliša 1: 341–381.
3. Davidson B i Bradshaw RW (1967). Toplinsko zagađenje vodnih sustava. Znanost i tehnologija o okolišu 1: 618–630.
4. Dingman SL, Weeks WF i Yen YC (1968). Učinci toplinskog onečišćenja na riječne ledene uvjete. Istraživanje vodenih resursa 4: 349–362.
5. Galindo RJG (1988). Onečišćenje obalnih ekosustava, ekološki pristup. Autonomno sveučilište Sinaloa, Meksiko. 58 str.
6. Projekt Indus3Es. (Viđeno 12. kolovoza 2019.). indus3es.eu
7. Nordell B (2003). Toplinsko zagađenje uzrokuje globalno zagrijavanje. Globalna i planetarna promjena 38: 305–12.