Лекция 2

Рассматриваемые вопросы: классификация энергетических ресурсов, уголь как энергоресурс, нефть как энергоресурс.

Классификация Энергоресурсов (эр)

Энергетические ресурсы являются частью всей совокупности природных ресурсов и подразделяются на восполняемые и невосполняемые.

Восполняемыми, или возобновляемыми источниками энергии называются источники, потоки энергии которых постоянно существуют или периодически возникают в окружающей среде и не являются следствием целенаправленной деятельности человека.

К восполняемым энергоресурсам относят энергию:

- Солнца;

- мирового океана в виде энергии приливов и отливов, энергии волн;

- рек;

- ветра;

- морских течений;

- соленую;

- морских водорослей;

- вырабатываемую из биомассы;

- водостоков;

- твердых бытовых отходов;

- геотермальных источников.

Недостатком возобновляемых источников энергии является низкая степень ее концентрации. Но это в значительной степени компенсируется широким распространением, относительно высокой экологической частотой и их практической неисчерпаемостью. Такие источники наиболее рационально использовать непосредственно вблизи потребителя без передачи энергии на расстояние. Энергетика, работающая на этих источниках, использует потоки энергии, уже существующие в окружающем пространстве, перераспределяет, но не нарушает их общий баланс.

Учитывая истощенность энергетических ресурсов, роль использования возобновляемых источников энергии во многих странах с каждым годом возрастает. Так, выработка электроэнергии на ветряных установках увеличивается в среднем в год на 24 %, от солнечных батарей - на 17, а на геотермальных станциях - на 4%. В Дании на ветроустановках вырабатывается 10 % всей производимой в стране электроэнергии.

Основным сдерживающим фактором использования возобновляемых источников энергии в мире являются высокие первоначальные инвестиции в оборудование и инфраструктуру. Однако, по мнению специалистов, благодаря рациональной энергетической политике уже через 50 лет доля биомассы в энергопроизводстве возрастет с 2 до 10 %, а доля солнечной энергии составит более 10 %. При этом производство энергии с использованием нефти сократится вдвое, а угля - почти втрое. Предполагается, что к 2100 году большую часть потребляемой энергии человечество будет получать именно из возобновляемых источников. Так, на долю биомассы будет приходиться более 20 % потребляемой энергии, Солнца - более 40, тогда как доля газа сократится до 10, нефти - до 8, угля - до 3-4 %.

К невосполняемым энергетическим ресурсам относят:

- каменный уголь, запасы которого в мире оцениваются в 10-12 трлн т;

- нефть, запасы которой распределены крайне неравномерно на Земле: на Ближнем и Среднем Востоке - 67, в Африке - 12,5, Юго-Восточной Азии и Дальнем Востоке - 3, Северной Америке - 9, Центральной и Южной Америке - 5,5, Западной Европе - 3 %. По уровню добычи нефти Россия занимает 3-е место в мире, уступая только Саудовской Аравии и США. В 1999 г. ее добыто 305 млн т.

Подавляющая часть нефти потребляется в Северной Америке, и, прежде всего в США, в индустриально развитых странах Западной Европы и Японии;

- природный газ, запасы которого характеризуются данными, приведенными в таблице 4. Как видно из этих данных, основные разведанные запасы газа в мире сосредоточены в России (32 %), Иране (15,7 %), Катаре (6 %). Добыча газа в России составляет 25,1, в США - 24,1, Канаде -8,1 % от мировой. Владельцами крупных газовых месторождений также являются: Казахстан, Туркменистан, Ирак, Саудовская Аравия, Объединенные Арабские Эмираты, Египет, Алжир, Ливия. Активно осваиваются газовые шельфы в Северном и Норвежском морях. Суммарные запасы природного газа здесь превышают российские.

Таблица 4- Доказанные запасы газа в мире

Регионы и страны	Запасы на 1 января 2000 г.
	млрд м^3	%
Северная Америка В т. ч. США	7305,1 4645,1	5,0 3,2
Центральная и Южная Америка В т. ч. Венесуэла	6304,8 4035,2	4,3 2,7
Ближний и Средний Восток В т. ч.: Абу-Даби Иран Катар Саудовская Аравия	49533,4 5553,0 23002,0 8495,1 5776,7	33,8 3,8 15,7 5,8 3,9
Африка В т. ч.: Алжир Нигерия	11161,6 4522,2 3511,3	7,6 3,1 2,4
Западная Европа В т. ч.: Нидерланды Норвегия	7108,8 1771,0 3847,0	4,9 1,2 2,6
Восточная Европа и СНГ В т. ч. Россия	54916,7 46900,0	37,5 32,0
Юго-Восточная Азия и Австралия Вт. ч.: Китай Малайзия Индонезия	10292,5 1367,7 2313,5 2046,4	6,9 1,5 1,4
ВСЕГО	146622,8	100,0

На начало 2000 года месторождения нефти и газа были открыты более чем в 90 странах мира. Разведанные запасы газа в мире составляют 146,6 трлн м³, нефти - 138, 6 млрд т. Доля газа в топливно-энергетическом комплексе мира составляет в настоящее время 22 %, в России - более 50 %, в которой открыто 769 месторождений, а разведанные запасы к началу 2000 года насчитывали 46,9 трлн м³.

В промышленности используют другую классификацию энергетических ресурсов:

1) первичные

2) вторичные

Первичные энергетические ресурсы – это энергетические ресурсы, которые непосредственно получает потребитель. Пример: электричество, теплота от теплоцентралей, топливо.

Вторичные энергетические ресурсы - энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом процессе. Например, пар, который получается в технологических процессах после теплообменников, может быть использован для обогрева помещений.

Вторичные делят на 3 группы:

1) тепло отходящих газов (50 – 70 % от всех ВЭР);

2) тепло самих продуктов производственного процесса (15 - 30 %);

3) тепло отводимое от стенок технологических аппаратов или технологической среды (10 – 20 %).

Запасы Энергетических Ресурсов различны. Возьмем нефть.

1) Разведанный запас (то количество нефти, которое содержится в известных месторождениях, для условия экономической выгоды добычи этой нефти). Так нефти в месторождении может быть 1 млн. тон, однако выгодным может быть, например добыча 600 тыс. тонн – следовательно, разведанный запас 600 тыс. тон. Т.е. то количество, которое используется в настоящее время или в ближайшее время будет использоваться.

2) Оцененный запас (то количество, о котором имеются только предварительные данные).

3) неразведанный запас – это те запасы, наличие которых четко не установлено, но о возможности их существования говорят геологи и статистические данные.

При изменении ситуации на мировом рынке ЭР эти количества могут изменяться, кроме того, могут одни виды переходить в другие.

Основной энергоресурс на данный момент – нефть. Нефть с сжиженным газом составляют около 40 % всех энергоресурсов, далее следуют уголь – 24 % и природный газ 22 %.

Основные мировые производители и потребители ЭР:

1) США

2) Россия

3) Китай

4) Канада

5)Саудовская Аравия

Первые три страны производит около 39 % всех мировых ЭР, но в тоже время они потребляют около 41 %. А все пять стран производят 49% ЭР. Далее следуют – Иран, Индия, Венесуэла, Норвегия. Первые 10 стран производят 61 % ЭР.

Вопросы по поводу имеющихся запасов нефти и других невозобновляемых ЭР возникают часто, ответы чаще всего связаны с различной экономической выгодой и необходимостью выделения средств на определенные проекты.

Но в любом случае традиционные ЭР – ценное энергетическое сырье возникает вопрос о комплексном его использовании (легкие фракции нефти для синтеза, мазут для сжигания).

УГОЛЬ

1) Классификация

2) Химический состав

3) Основные физико-химические характеристики

4) Условия залегая и добычи

5) Ресурс как ценное энергетическое сырье

6) Интегрированное использование

Уголь – ископаемое горючее топливо. Предполагается, что уголь произошел из веществ органического происхождения, которые остались в земле без доступа воздуха и подверглись карбонизации, т.е. доля углерода повысилась, а доля водорода снизилась.

Есть несколько типов углей (отличаются друг от друга по содержанию углерода и теплотворной способности):

1) торф (наименее углеродсодержащий, много растительных остатков),

2) бурый уголь (лигнит), (теплотворная способность 16250 кДж/кг)

3) битаминозный уголь (жирный теплотворная способность 30000 кДж/кг)

4) антрацит

На сегодняшний день основная масса угля используется для получения электричества или в котельных.

Мировые запасы угля распределены более или менее равномерно (что подтверждает гипотезу о происхождении).

Распределение основных запасов угля:

Страны бывшего СССР – 25 %,

США – 20 %,

Китай – 16 %,

Австралия – 8 %,

На данный момент угольная отрасль – это убыточная отрасль. Поэтому она спонсируется государством. Химический состав: углерод, органические остатки, сера. Уголь является одним из самых грязных видов ископаемого топлива. Кроме этого уголь содержит до 5 % влаги, что понижает его теплотворную способность.

Добыча. 2 способа добычи:

а) открытый способ (наиболее предпочтителен). Выкапывается карьер. Туда заезжают экскаваторы и грузовики. Используются траншейные и контурные методы (залегание у подножья холмов) разработки месторождения. После разработки остается откос или яма. В результате происходит отчуждение земельных угодий. Если применять меры рекультивации площадей, возврата породы цена добычи возрастает на 30 %.

б) шахтный или каперно-столбовой метод добычи. Если уголь залегает на большой глубине. Вырывают шахту и от нее делают боковые ходы. Этот вид добычи очень опасен, т.к. бывают обвалы или взрывы метана.

Транспортировка угля достаточно сложна. Методы:

1) Железная дорога.

2) Водный транспорт.

3) Углепроводы. (Уголь смешивают с водой 1:1 и качают по трубам, однако уголь становится мокрым, но суммарный расчет показывает, что это достаточно выгодно).

Средняя электростанция на угле (100 МВт·ч) требует 1500 железнодорожных составов в год (около 3 составов в день 2000 тонн один состав). Себестоимость угля состоит на 50 % из стоимости добычи и на 50 % из стоимости транспортировки.

Кроме всего уголь экологически грязное топливо, так как в нем содержится достаточно много серы. Существует проблема использования угля в качестве топлива. Для использования в качестве топлива необходимо наибольшее содержание углерода, однако залежи антрацита не велики. Используют уголь с более низким содержанием углерода, однако – это топливо с достаточно большой зольностью, достаточно большим содержанием серы (загрязнение ОС), низкая теплотворная способность.

Доля же низкосортного угля составляет около 40%. Для решения проблемы низкого теплосодержания используют несколько подходов.

1) Смешивают уголь с жидким органическим топливом (подсветка топлива). Это приводит к улучшению показателей угля, однако, это очень часто экономически не выгодно.

2) Сжигают уголь в кипящем слое. Кипящий слой позволяет добиться более интенсивного процесса горения угля и сжигать топливо при достаточно большом количестве золы.

3) Термическое обогащение угля. Его нагревают до 400 - 450 °С. Получившийся продукт называют термоуголем. Выход теромоугля составляет 50 - 53 %. При этом выход потенциального тепла составляет 92.5 %. Процесс весьма приемлемый, однако достаточно дорогой. Экономически целесообразно его применять в отдаленных уголках, где отсутствуют другие виды топлива.

Проблему очистки угля от вредных примесей тоже решают по разному:

1) очистка угля химическими методами для уменьшения содержания серы, мышьяка, селена и т.д. (это приводит к повышению стоимости угля однако и снижает затраты на аппаратуру по сжиганию угля);

2) сжигают в таком виде, но дымовые газы фильтруют от ядовитых и активных примесей (этот метод очень дорогой);

3) сжигают также в имеющемся виде, а результаты сгорания выбрасывают высоко в атмосферу для чего строят высокие дымовые трубы (выбросы распределяются по более широкой территории, чем снижается концентрация).

Один из наиболее прогрессивных методов дальнейшего использования угля – это его газификация и сжижение. Для этого строят газогенераторы (подземные или надземные), в них уголь окисляют в малом количестве кислорода и в присутствии водяного пара. В результате получают смесь углеводородов (жидких или газообразных). Их уже можно использовать в качестве обычного топлива, даже дизельного.

Уголь – химическое сырье.

Уголь не является весьма ценным химическим сырьем, из него получают ароматические углеводороды (бензол, толуол, нафталин, фенолы), каменноугольные масла, газы после обработки угля используют для получения водорода, и гетероциклические соединения.

Лидирующая позиция в энергетике Германии, США и Великобритании.

Нефть

Это также ископаемое топливо представляющее собой смесь жидких углеводородов с примесями серы и азота. Это вязкая жидкость от светло-желтого до черного цвета.

Состав нефти зависит от месторождения. Средний состав таков:

Углерод ––– 82 – 87 %

Водород ––– 11.5 – 14.5 %

Кислород –– 0.05 – 0.7 %

Сера –––––– 0.001 – 5.5 %

Азот –––––– 0.01 – 2 %.

Нефть с содержанием серы менее 1 % – называется обессеренной, а с высоким содержанием кислой сырой нефтью.

Много споров по поводу происхождения нефти.

1) Органическая теория – нефть образовалась из органического вещества (растений и животных, водорослей, трав, планктона и т.п.). Под действием тепла, воздействия бактерий, недостатка кислорода, неорганических катализаторов, возможно даже радиоактивности.

2) неорганическая теория – нефть образовалась из неорганических веществ (предположительно карбидов металлов) в присутствии воды и больший температур (вблизи магмы).

Условия залегания нефти

Нефть залегает в резервуарах внутри осадочных пород. Очень часто сопровождается попутным газом. Количества попутного газа невелики и он находится над залежью нефти. При бурении его чаще всего не используют. Распределение по земному шару весьма не равномерно основное количество в странах персидского залива.

Условия залегая определят цену добываемой нефти. Два варианта залегания нефти:

1) Залегание на холмистой местности на небольшой глубине.

2) Залегание на больших глубинах под землей.

В Персидской заливе глубина залегания в среднем около 200 м, а в Республике Беларусь около 3-5 км.

Добыча нефти

Стадии эксплуатации месторождения:

Первичная стадия – на данной стадии нефть добывается путем использования естественного давления и не превышает 20 % всего запаса месторождения. В этой стадии используется два режима добычи:

1) Волюметрический режим – под давлением попутного газа нефть сама вытекает на поверхность. Все что нужно труба для отвода нефти и кран для регулирования потока.

2) капиллярный режим – естественный процесс выхода нети на поверхность за счет капиллярных явлений в породах.

Вторичная стадия требует уже внешнего вмешательства в процесс добычи нефти при этом используется гидравлический режим добычи нефти. В этом режиме в скважину закачивают воду, нефть легче воды и выходит на поверхность. Так добывают около 30 % всей нефти в месторождении. Прекращают добычу по двум причинам:

– растет плотность нефти, и она перестает выходить на поверхность,

– образуется эмульсия нефти и воды, для использования нефти в эмульсию нужно добавлять деэмульгаторы.

Экономически эффективно добывать до 50 – 60 % нефти в месторождении. Имеющиеся методики добычи больших количеств нефти пока не часто используются.

Переработка нефти и основные продукты переработки

Нефть перегоняют и делят на фракции: газойль, бензин, керосин, мазут (смазочные масла и битум). Для редких сортов нефти из нее первоначально извлекают необходимые химические соединения а потом разгоняют.

Нефть как топливо

Нефть топливо для котельно-печных установок и двигателей внутреннего сгорания. использование нефти вызывает ряд экологических проблем связанных с неполным сгоранием нефти и выделением SO₂, N_xO_y, а также CO.

Нефть как химическое сырье

Нефть на 70-80 % состоит из алканов и других углеводородов. Их используют для получения пластмасс, резин и т.д.

Цена на нефть сильно зависит от условий добычи. В результате в себестоимость нефти включаются транспортировка, зарплата и аппаратура (В России добывается в условиях низких температур) и состав нефти (содержание серы).