Лекція № 2. Енергетико-магістральний напрямок соціально-економічного розвитку суспільства.

2.1	Історія розвитку енергетики і теплової енергії
2.2.	Джерела енергії. Круговорот енергії на Земній кулі.
2.3	Енергетичні запаси палива і структура їхнього використання.

1. Використання вогню – одне з найпоширеніших явищ у людському суспільстві. Почалося воно з простої і природної потреби людини захищати себе від холоду, хижих звірів. Вогонь був першою природною силою, що нею опанувала людина, а сила ця служить йому дотепер.

По думці давньогрецького філософа Аристотеля (384 – 322 р. до н.е.), усі речовини Всесвіту виникли в результаті взаємодії чотирьох властивостей (або принципів): сухості, вологи, холоду і тепла Якщо сухість і волога – так само як холод і тепло – взаємно знищуються, то із сухості і тепла виникає вогонь, з тепла і вологи – повітря, з вологи і холоду – вода, з холоду і сухості – Земля. Вогонь, повітря, вода і Земля суть найпростіші елементи, оскільки виникли вони з основних властивостей. Вчення Аристотеля вважалося вірним майже 2000 років.

Пізніше алхіміки додали до чотирьох Аристотелевих принципів ще два, а саме: властивість «землистості і горючості», що символізується сіркою, і властивість «плинності і летючості», що символізується ртуттю. Сірку і ртуть вважали субстанціями, причому розуміли під цим усі пальні або ті, що мають металеві властивості речовини. Таким чином, передбачалося, що негорючі речовини не містять сірку, а в легко горючих сірки багато. З розвитком алхімії довелося відмовитися від уявлення, що речовини виникають зі своїх властивостей. Найбільша увага в ті часи приділялася вогневі, тому що майже всі робочі процеси хіміків (і алхіміків) були зв'язані з впливом вогню. Георг Ернст Шталь (1660-1734) висловив припущення, що всі речовини, що здатні горіти, містять «вогненний флюїд», або так називаний флогістон (від грецького «флогістос» - що згоряє). Однак виділити і дослідити сам флогістон нікому не вдалося. Багато нових відкриттів уже не можна було пояснити флогістонною теорією, їй суперечили результати кількісного дослідження хімічних реакцій. Вона стала гальмом на шляху подальшого розвитку хімії.

У 1744 році М.В.Ломоносов, міркуючи про причину тепла і холоду, спростував існування флогістону. Нагрівання речовин він пояснив взаємним рухом дрібних часток, так званих «елементів», з яких складаються речовини. Зі своїх досвідів учений зробив висновок, що не флогістон переходить з полум'я в метал, а з металом з'єднуються частки повітря. Через 18 років французький хімік Антуан Лавуазьє (1734-1794) повторив досліди зі спалюванням металом і довів, що зола являє собою з'єднання, тому що вона важить більше, ніж вихідні речовини. Процес горіння він пояснив як з'єднання елемента з киснем повітря ,що у 1774 році відкрив англійський хімік Дж. Прістлі. Це був останній удар по теорії флогістону.

2. Викопне паливо (вугілля, нафта, газ) має зараз і збереже в найближче десятиліття життєво важливе значення для людства. Вугілля вперше почали використовувати в Англії приблизно 900 років тому. Промисловий видобуток почався з розвитком виплавки заліза, тобто з кінці 18 століття. Що стосується нафти, важко сказати, коли людина з нею познайомився. У Китаї було відомо нафтове родовище ще в 3 столітті до нашої ери. Перший завод по переробці нафти в Росії був побудований у 18 столітті. Видобуток нафти у великих масштабах почався тільки із середини 19 століття. Видобуток згаданих джерел останнім часом йшов стрімкими темпами (див. табл. 3.1)

Таблиця 3.1.

Ріст видобутку вугілля і нафти у світовому масштабі

Рік	Видобуток вугілля, млн.т.	Видобуток нафти, млн.т
1870	250	0,8
1880	400	3,0
1890	510	10,3
1900	800	22,0
1930	1400	316,0
1950	1750	523,0
1970	3000	2326,0
1975	3500	2705,0

Щоб краще зрозуміти механізм виникнення викопного палива і місце, що йому належить в енергетичній системі Землі, необхідно скористатися схемою кругообігу життя на нашій планеті.

Уся система складається з двох частин: динамічного потоку енергії статичної кількості енергії, тобто викопних палив, геотермальної, ядерної і гравітаційної енергії (на мал. 3.1.)

14000ТВт Сонячна		Короткохвильове випромінювання	Довгохвильове випромінювання
Пряме відбиття 5200ТВт (30%)				Енергія морських припливів
			Припливи
Пряме перетворення в теплоту 82000ТВт (47%)			Морські течії 3ТВт
Випар опадів 40000ТВТ (23%)		Запаси води і льоду
			Вулкани і горючі джерела
Вітер, атмосферна течія і т.п. 370ТВТ
			Теплопровідність 32 ТВт
Фотосинтез 40ТВт	Нагромадження рослинної біомаси		Розкладання
			Тваринний світ
				Земна енергія
Земна кора
	Викопне паливо			Ядерна, теплова і гравітаційна енергія.

Рис. 3.1. Діаграма круговороту енергії на земній кулі

1 ТВт (тераватт) = 10¹² Вт під поверхнею землі.

На поверхню Землі і її оточення спрямовані три основних потоки енергії:

1. сонячне випромінювання потужністю 174000 ТВт;

2. тепловий потік зсередини Землі потужністю 32 ТВт;

3. енергія морських припливів потужністю 2 ТВт.

Видно, що 30% сонячного випромінювання відбивається в космічний простір, тобто не впливає на енергетичний баланс Землі. Але інші 70% (122000 ТВт) цієї енергії складають вирішальну роль частини припливу енергії у всій системі. Тепловий потік зсередини Землі до її поверхні при нормальних температурах безпосередньо перетворюється в тепло. Енергія припливів – це мізерно мала частина сумарної потенційної і кінетичної енергії системи Земля – Місяць – Сонце. За рахунок перетворення цієї енергії виникають морські припливи і течії; їхня механічна енергія у свою чергу в результаті тертя перетвориться в тепло.

Енергія сонячного випромінювання, що поглинається земною поверхнею й атмосферою щорічно, у 18000 разів перевищує загальне споживання первинної енергії людством у 1970 році і, згідно з прогнозом, у 4000 разів перевищує цю величину в 2000 році.

Одна його частина поглинається атмосферою, океаном і сушею і при низьких температурах перетворюється в теплову енергію. Інша частина викликає випар, циркуляцію і випадання води в її земному круговороті. Третя частина перетвориться в морські й атмосферні течії. Четверту частину в абсолютному вираженні (близько 40 ТВт, тобто ледве більш 0,03% усього сонячного випромінювання, захопленого земною поверхнею й атмосферою) поглинають рослини, і тим самим вона стає джерелом однієї з найважливіших життєдайних реакцій на Землі – фотосинтезу. Механізм реакції дотепер точно не відомий, а приблизно її записують так:

_nСО₂ + _nН₂О + сонячне випромінювання ( СН₂О)_n + О₂

Отже, необхідна для фотосинтезу енергія накопичується хімічним шляхом. Саме цей потік енергії дуже важливий для нас. Це єдине джерело енергії, за рахунок котрого здійснюються фізіологічні процеси у всіх живих організмах.

Зворотну реакцію можна записати так:

Органічні речовини + О₂  Н₂О + СО₂ + енергія.

Враховуючи те, що при фотосинтезі в хімічну енергію перетворюється тільки 1 – 2% енергії падаючого сонячного випромінювання, отримуємо, що вона складає 0,0003 – 00005 сонячного випромінювання, що поглинається Землею. І цієї частки досить для благополучного існування усього світу.

Хімічні процеси протікають надзвичайно повільно протягом довгих геологічних періодів. У результаті цих процесів утворюються поклади викопних палив. Нагромадження викопного палива в земній корі відбувалося 300 – 600млн.років тому, причому вік більшості шарів кам'яного вугілля оцінюється в 300 – 700млн.років, а природного газу - 500 – 600млн.років.

Однією з основних ознак, за якими ми класифікуємо викопне паливо, служить його агрегатний стан: тверде, рідке, газоподібне. Тверде – торф, буре вугілля, кам'яне вугілля, антрацит, пальні сланці; рідке – нафта; газоподібне – природний газ.

Найбільш правдоподібною теорією походження палив вважається теорія Генрі Потоні. Відповідно до цієї теорії, вихідним матеріалом для усіх видів сучасних викопних палив були залишки древніх рослинних і тваринних організмів, що у ході тривалих процесів поступово піддавалися хімічним перетворенням. Під процесом обвуглювання варто розуміти, насамперед, поступове збагачення мертвої органічної речовини вуглецем при одночасному зниженні змісту кисню і водню. При цьому значну роль грають температура, тиск, доступ повітря і, природно, час.

З різновидних вихідних матеріалів у різних умовах виникають різні види вугілля. Наймолодшим з вугіль можна вважати торф, у якому найменше вуглецю. Самим древнім вугіллям є графіт, що являє собою майже чистий вуглець. З приводу походження нафти існують дві протилежні гіпотези (теорії).

Органічна теорія, відповідно до якої нафта виникла з органічної речовини, переважно рослинного і тваринного планктону, морських трав і інших водоростей під дією тепла, бактерій і каталізаторів, а можливо, і радіоактивності.

Неорганічна теорія припускає виникнення нафти з неорганічних речовин, насамперед, з карбідів металів і води. На думку деяких дослідників, нафта і супутній їй природний газ утворюються в наш час у процесі різних реакцій на великих глибинах у розпеченій магмі. Останнім часом фахівці допускають, що справедливі обидві гіпотези – перша переважно для нафти дрібного залягання, друга – для глибоких і древніх нафтових родовищ.

Методи видобутку палив: вугілля (наземна і підземна).

Видобуток нафти. Способи підвищення нафтовіддачі шарів.

3. Енергетичні запаси палива і їхня структура використання

Таблиця 3.2.

Світове енергоспоживання, млн.т.у.п

Роки	Споживання енергоресурсів	На душу населення, кг	Частка різних видів палива в загальному балансі, %
			частка рідкого	частка твердого	частка природного газу	частка ядерної енергії
1973	7438,1	1923	46,7	30,3	20,7	0,3
1975	7439,7	1825	45,7	30,9	20,9	0,6
1980	8544,3	1919	44,2	31,2	21,9	1,0
1985	9077,4	1875	40,8	32,9	22,5	1,9
2000	13000	2167	47,7	35,1	14,1	9,2

1 т.у.п = 2,93*10¹⁰Дж

Таблиця 3.3.

Світовий енергобаланс на перспективу, млрд.т.у.п до підсумку, %

Первинні енергоресурси	1985рік		2000рік		2020рік
Тверде паливо	3,0	(29,1)	4,2	(30,0)	6,1	(33,2)
Рідке паливо	4,0	(38,8)	4,6	(32,9)	3,9	(21,2)
Газ	2,1	(20,4)	3,0	(21,4)	3,5	(19,0)
Ядерна енергетика	0,5	(4,9)	1,2	(8,6)	2,5	(13,6)
Гідроенергетика і нетрадиц. поновлення джерел енергії	0,7	(6,8)	1,0	(7,1)	2,4	(13,0)

Таблиця 3.4.

Розвідані запаси і геологічні ресурси палива, млрд. тонн.

Вид палива	Розвідані ресурси	Геологічні ресурси	Усього
Тверде паливо	1280	3860	5140
Нафта	138	51	189
Нетрадиційні поклади нафти	19	434	451
Природний газ	106	223	329

Основна частина природних палив розміщена до півночі від 30⁰ п.ш., причому 53% усіх геологічних запасів залягають на території колишнього СРСР, 27% на території США і близько 9,0% - на території Китаю. Значні запаси твердого палива зосереджено в європейських країнах, Канаді, Індії, Африці Австралії і Японії (всього 10%).

Дотепер добуто 135млрд.т., що складає приблизно чверть його достовірних запасів, і близько 1% світових геологічних ресурсів. СРСР добуває ¹/₄ світового видобутку, США – 17%, Китай – 13%.

Нафта. Усього добуто нафти 41 млрд. т. Багаті нафтою райони Перської затоки і Північної Африки. Величезні запаси вуглеводневої сировини були і будуть відкриті в північних областях азіатської частини СРСР і на Алясці. Великі родовища можуть бути в порівняно короткий термін знайдені в тропічній частині Південної Америки.

Газ. У СРСР приблизно 1/3 усіх світових запасів. В основному газ є в Азії, Близькій Схід, Океанії.

Нафтоносні сланці і піски. Маються в Анголі, Албанії, Румунії, Венесуелі, Канаді, США і на острові Мадагаскар. Найбільший зміст вуглецю в пісках Канади, деякі уже використовуються.

Таблиця 3.5.

Світові ресурси викопних палив.

Вид палива (доступні запаси)	Кількість 10^12т.у.п	Споживання в 1972році 10^6 т.у.п.	Відношення запасів
Тверді палива	1,1 (0,6)	2984 (2984)	3686 (197)
Нафта	0,092	2408	38
Газ природний	0,037	94	40
Нафтові піски і сланці	0,230	-	-