Классификация топливно-энергетических ресурсов. Виды возобновляемых энергоресурсов. К энергетическим ресурсам относятся
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ
Энергия - всеобщая основа природных явлений, базис культуры и всей деятельности человека. В то же время энергия понимается как количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую. По видам энергия подразделяется на химическую, механическую, электрическую, ядерную и т. д. Возможная для практического использования человеком энергия сосредоточена в материальных объектах, называемых энергетическими ресурсами.
Из многообразия энергоресурсов, встречающихся в природе, выделяют основные, используемые в больших количествах для практических нужд. К ним относят органические топлива, такие, как уголь, нефть, газ, а также энергию рек, морей и океанов, солнца, ветра, тепловую энергию земных недр (геотермальную) и т. д.
Энергоресурсы разделяют на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относят энергоресурсы непрерывно восстанавливаемые природой (вода, ветер и т. д.), а ко вторым - энергоресурсы, ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (например, каменный уголь).
Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), называется первичной. Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на специальных установках - станциях, называется вторичной (энергия электрическая, пара, горячей воды и т. д.). В своем названии станции содержат указание на то, какой вид первичной энергии на них преобразуется. Например, тепловая электрическая станция (сокращенно ТЭС) преобразует тепловую энергию (первичную) в электрическую энергию (вторичную), гидроэлектростанция (ГЭС) -энергию воды в электрическую, атомные электрические станции (АЭС) -атомную энергию в электрическую; кроме того, первичную энергию приливов преобразуют в электрическую на приливных электростанциях (ПЭС), аккумулируют энергию воды - на гидроаккумулирующих станциях (ГАЭС) и т. д.
Получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно выделить пять стадий.
1. Получение и концентрация энергетических ресурсов: добыча и обогащение топлива, концентрация напора с помощью гидротехнических сооружений и т. д.
2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энергию; она осуществляется перевозками по суше и воде или перекачкой по трубопроводам воды, газа и т. д.
3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую наиболее удобную для распределения и потребления в данных условиях форму (обычно в электрическую энергию и тепловую).
4. Передача и распределение преобразованной энергии.
5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она доставлена потребителю, так и в преобразованной.
Если общую энергию применяемых первичных энергоресурсов принять за 100%, то полезно используемая энергия составит только 35-40%; остальная часть теряется, причем большая часть - в виде теплоты (рис. 1.1).
Потери энергии определяются существующими в настоящее время техническими характеристиками энергетических машин.
Различные виды энергоресурсов неравномерно распределены по районам Земли, по странам, а также внутри стран. Места их наибольшего сосредоточения обычно не совпадают с местами потребления, что наиболее заметно для нефти. Больше половины всех мировых запасов нефти сосредоточено в районах Среднего и Ближнего Востока, а потребление энергоресурсов в этих районах в 4-5 раз ниже среднемирового. В этой ситуации важно создать оптимальные межгосударственные потоки энергоресурсов и продуктов их переработки и максимально использовать запасы энергоресурсов, расположенные вблизи от основных потребляющих районов.
Концентрация потребления энергоресурсов в наиболее развитых странах привела к такому положению (рис. 1.2), когда 30% населения в мире потребляет 90% всей вырабатываемой энергии, а 70% населения - только 10% энергии. При этом примерно 3 / 4 установленной мощности электростанций и мирового производства электроэнергии приходится всего на 10 наиболее промышленно развитых стран.
Рис. 1.1. Схемы использования энергии:
а - механической энергии и теплоты, доставленных потребителям; б - энергетических ресурсов
Наблюдается тенденция увеличения неравномерности потребления энергетических ресурсов. Так, свыше половины населения земного шара, проживающего в развивающихся странах, потребляют менее 100 кВт*ч электроэнергии, приходящейся на одного человека при среднемировом показателе, близком к 1500 кВт*ч.
Рис. 1.2. Характеристики мирового потребления энергоресурсов:
максимальное и минимальное потребление энергии на душу населения
Эти цифры характеризуют социальное неравенство, отраженное в неравномерности потребления энергоресурсов. Тенденция к увеличению неравномерности общего потребления энергии в капиталистических странах иллюстрируется.
Несовпадения мест сосредоточения и потребления энергоресурсов вызывают необходимость их транспортировки. Энергия может передаваться в различной форме (рис 1.3). Например, можно перевозить нефть и уголь от месторождений до крупных промышленных центров и городов и затем сжигать их на электростанциях, превращая электрическую энергию в тепловую. Возможен и другой вариант, когда электростанция сооружается вблизи месторождений топлива, а электрическая энергия передается по проводам к удаленным промышленным предприятиям и городам.
Целесообразность передачи на расстояние тех или иных носителей энергии определяется их энергоемкостью, под которой понимается количество энергии приходящееся на единицу массы физического тела. Среди применяемых энергоносителей наибольшей энергоемкостью обладают радиоактивные изотопы урана и тория: 2 22 ГВт-ч/кг (8-Ю 12 Дж/кг). Вследствие огромной энергоемкости атомного топлива практически не существует проблемы транспорта его на расстояние, так как для работы мощных электрических установок требуются сравнительно малые его количества. Энергоемкость применяемого топлива в среднем по всем видам составляет 0,834 кВт*ч/кг (3*10 6 Дж/кг).
Таблица 1.1
Органическое топливо вследствие его специфических свойств и исторически сложившихся условий пока остается основным источником используемой человечеством энергии. Мировые запасы органического топлива приведены в табл. 1.1. Запасы топлива, имеющего различную энергоемкость, удобно выражать в условном топливе.
Топливо по своей природе относится к невозобновляемым источникам энергии, так как оно запасено в далекие доисторические эпохи и практически не восполняется.
Оценки запасов органического топлива колеблются в широких пределах в зависимости от учитываемых условий его залегания и возможностей добычи. Прогнозные, или геологические, запасы топлива, получаемые на основе теоретического предсказания, существенно больше. В табл. 1.1 приведены округленные оценки запасов топлива на планете и соответствующие им периоды времени, в течение которых топливо может быть использовано полностью. При этом, если геологические запасы топлива принять за единицу, то достоверные запасы оказываются в 2 раза меньше, а запасы, которые можно извлечь с учетом современных технических и экономических возможностей,- в 4 раза меньше.
Рис. 1.4. Графики роста мирового продукта и энергопотребления
Потребление энергоресурсов быстро растет, что вызывается непрерывным увеличением мирового промышленного производства (рис. 1.4). Предполагается, что к 2000 г. потребление энергоресурсов составит 160-240 тыс. ТВт-ч (что соответствует условному топливу массой 20-30 млрд. т). Оставшихся после 2000 г.
Рис. 1.5. Графики изменения во времени мирового потребления различных энергетических ресурсов, выраженных в условном топливе (фактическое и ожидаемое)
Мировых запасов энергоресурсов без учета возможностей ядерной и термоядерной энергетики, видимо, хватит еще на 100- 250 лет. Эти данные, конечно, ориентировочны, однако все же они дают некоторую картину будущего. На рис. 1.5 приведены данные о мировом потреблении важнейших энергоносителей.
Общее мировое производство энергоресурсов, приведенных к условному топливу, в 2000 г. составило около 20 млрд. т. В его структуре ведущее значение имеют нефть и газ, доля которых составляет 3 / 5 всего производства энергоресурсов; 1/5 приходится на ядерное горючее; оставшуюся часть составляют твердые топлива (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Структура мирового потребления топливно-энергетических ресурсов
Значительные изменения в структуре мирового топливно-энергетического баланса произошли в 60-е годы.
Увеличилось относительное потребление жидкого и газообразного топлива. Так, в 1970 г. доля нефти в общем мировом потреблении энергии составила 46%, а природного газа - 20 %.
До конца текущего столетия основной прирост энергопотребления будет обеспечиваться за счет природного газа, угля и ядерной энергии. В начале XXI в. ожидается увеличение доли возобновляемых источников энергии, таких, как энергия солнца, ветра, тепловая энергия земных недр и др. По предварительным оценкам, на долю таких источников энергии, включая ядерную, будет приходиться около 40% суммарного производства первичных энергоресурсов в СССР. Поэтому уже сейчас в нашей стране ведутся интенсивные теоретические и экспериментальные исследования по эффективному освоению практически неисчерпаемых возобновляемых источников энергии.
Данные, оценивающие технические и экономические возможности использования энергии, меняются со временем. Поэтому прогнозы, построенные на основе этих данных, следует рассматривать как ориентировочные, которые должны периодически корректироваться.
Интересно проследить эволюцию потребления различных видов энергии начиная с доисторических времен (рис. 1.7, а). Мускульная энергия человека и животных, иногда называемая «биологической» энергией, некогда была единственным источником энергии. В настоящее время она составляет величину, меньшую 1% от общего потребления энергии (на рис. 1.7 не показана). Доля мускульной энергии будет уменьшаться и в дальнейшем. Это свидетельствует о том, что высокий уровень развития производительных сил позволил человеку почти полностью переложить на машины усилия по изготовлению необходимой продукции. Для того чтобы машины могли выполнять такую работу, человек на основе познанных им и практически используемых законов природы должен был привести в действие огромные мощности, приложив их к средствам труда. Эти мощности современных орудий труда стали неизмеримо превышать ту максимальную мощность, которая могла быть получена за счет биологических источников.
Рис. 1.7. Характеристики энергетических ресурсов Земли и их использование:
а - схема исторического изменения различных видов энергии, потребляемой человеком; б - диаграммы потребления различных источников первичной энергии в США; в - структура потребления энергоресурсов в СССР; г - структура использования в народном хозяйстве СССР органического топлива и ядерной энергии; д-прогноз мирового потребления горючих полезных ископаемых
Рис. 1.7. Продолжение
Первыми источниками теплоты были различные органические остатки и древесина. Древесина на протяжении длительного периода, вплоть до XVI в., была основным энергоносителем. Впоследствии, по мере относительно быстрого освоения других, более энергоемких источников энергии (угля, нефти), сокращалось потребление древесины, использование которой в качестве энергоносителя до 2000 г. практически полностью прекращено.
Среди доступных энергоресурсов наибольшая доля приходится на уголь (75-85%); значительны запасы нефти (10-15%) и газа (5-10%); все остальные энергоресурсы в совокупности составляют менее 2%.
В начале XX в. уголь занимал наибольшую долю от всех используемых энергоресурсов. По мере увеличения потребности в нефти, газе доля угля в выработке электроэнергии уменьшалась. На рис. 1.7,6 показана динамика потребления различных энергоресурсов в США, а на рис. 1.7, в - в СССР. Использование энергетических ресурсов для различных технических и технологических нужд в СССР иллюстрируется рис. 1.7, г.
Начало 70-х годов характеризуется выравниванием потребления таких энергоресурсов, как уголь, нефть и газ, а в некоторых странах даже уменьшением (в абсолютных цифрах) добычи угля.
Прогноз расходования мировых запасов органического топлива (рис. 1.7, д) неоднократно служил поводом
Рис. 1.7. Продолжение
для высказываемых в западных странах опасениях об «энергетическом голоде», «тепловой смерти» и т. д., якобы ожидающих человечество. Однако для таких мрачных предсказаний нет оснований. Напротив, можно полагать, что на смену органическому топливу, запасы которого действительно уменьшаются, придут новые эффективные источники энергии и в первую очередь ядерная энергия, получаемая при делении тяжелых и синтезе легких элементов. Органическое топливо будет применяться как ценное сырье для химической и фармацевтической промышленности.
Разумное сочетание различных энергоресурсов и плановое развитие энергетики несомненно позволили бы избежать тех трудностей, приобретающих иногда катастрофический характер, которые возникли в начале 70-х годов в ряде капиталистических стран. Эти трудности, получившие в западных капиталистических странах и в США название энергетического кризиса, были вызваны многолетним хищническим использованием международными монополиями сырьевых ресурсов стран и континентов. Так, международный нефтяной картель, состоящий из семи монополий (пять из которых американские), практически полностью контролировал добычу нефти в странах Арабского Востока и прочно захватил доминирующие позиции на рынках государств - потребителей нефти. Этот картель в целях извлечения максимальных прибылей тормозил работы по использованию других видов энергии. В странах Западной Европы сокращалась добыча каменного угля, закрывались шахты, часто неоправданно придерживалось развитие атомной энергетики.
Монополии, картели не останавливались ни перед какими средствами, чтобы сохранить свои позиции. В ряде стран, например, они давали огромные взятки, чтобы провалить законы о национализации энергетики (США) или дискредитировать и затормозить программу строительства атомных станций (Италия) и т. д.
Ориентация энергетики на нефть, дававшая монополиям огромные прибыли, требует в перспективе значительного увеличения ее добычи. В то же время, начиная с 1973 г., страны - производители нефтистали требовать все большую долю прибылей: они повысили на нее закупочные цены и заявили о намерении держать прирост добычи нефти в определенных пределах, поставив тем самым развитые капиталистическиестраны перед необходимостью пересмотра их энергетической политики. При этом в некоторых планах предусматривалось развитие атомной энергетики. Однако такого рода переориентация энергетической политики сопряжена с многими трудностями, такими, как необходимость получения ядерного топлива, потребность в дополнительных капиталовложениях (которые трудно изыскать в условиях перенапряженных бюджетов развитых стран), недоверие общественного мнения по обеспечению безопасности атомных электростанций, стимулируемое конкурирующими фирмами. Между тем, раздуваемая печатью (особенно США) тема энергетического кризиса явно преувеличена. Все соображения и данные о мировых запасах энергоресурсов следует рассматривать как приближенные, так как пока еще недостаточно изучены земные недра (обследована небольшая часть залежей на суше и практически не изучены ресурсы топлива под дном Мирового океана), имеется неудовлетворительного качества статистический материал о залегании энергоресурсов, в различных странах существуют разные методики учета запасов. В одних случаях исходят из общегеологических запасов, в других - из достоверных, подтвержденных геологической разведкой, в третьих-из запасов, которые могут быть извлечены исходя из экономических, географических, технологических и прочих условий. Общегеологические запасы топлива планеты оценивались специалистами примерно в 200 млн. ТВт*ч, а далее было показано, что с помощью современных технологических методов можно добыть при оправданных экономических затратах более 28 000 млн. ТВт*ч, что в 380 000 раз превышает современный уровень годовой добычи в мире всех видов топлива. Характерно то обстоятельство, что, несмотря на быстрое расходование энергоресурсов, их потенциальные запасы по мере проведения разведки не уменьшаются, а увеличиваются.
Значительная доля энергетических ресурсов расходуется на электростанциях для выработки электрической энергии, получившей в настоящее время широкое применение.
Суммарная мощность электростанций в мире в настоящее время составляет примерно 2 млрд. кВт. На долю СССР приходилось более 300 млн. кВт, что составляет 15% от мощностей электростанций мира или 16% от производства электроэнергии.
В результате технического прогресса, совершенствования орудий труда, средств транспорта, использования научных достижений в практических целях человечество освоило огромные электрические мощности, составляющие примерно 8-10 млрд. кВт. Если считать, что энергетические установки в среднем работают с КПД, равным 0,2, то для получения освоенной полезной мощности требуется извлекать природные энергетические ресурсы с мощностью, равной 40- 50 млрд. кВт (8/0,2 = 40 и 10/0,2=50). Потребляемая
мощность в течение суток и года изменяется. Использование мощности характеризуется графиком, показанным на рис.
Рис. 1.8. График использования суммарной мощности энергетических установок
Заменяя реальный график условным прямоугольником равновеликой площади, получим расчетный параметр - продолжительность (время) использования максимальной мощности Т м и определим используемую в мире энергию. Ориентируясь на меньший показатель, получим
Э=40 млрд. кВт*5000 ч = 200*10 3 млрд. кВт*ч.
Выразим эту энергию в массе условного топлива.
Так как 1 т такого топлива содержит энергию, равную 8000 кВт*ч, то, следовательно, для приведения в действие энергетических установок в течение года потребуется
200*10 3 млрд. кВт*ч/8*10 3 кВт*ч/т = 25 млрд. т.
Полагая, что нашу планету населяют 5 млрд. человек, получим, что средний расход энергетических ресурсов, приходящийся на долю каждого человека в течение года:
25 млрд. т/5 млрд. чел. = 5 т.
Инженеру-энергетику необходимо иметь хотя бы общее представление о мировых запасах топлива. Различные виды топлива имеют существенно разные энергоемкости, величины которых приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Рис. 1.9. Оценки мировых запасов угля:
а - на различных континентах; б - перспектива использования
Уголь. Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 12 000 млрд. т, из которых 6000 млрд. т относятся к достоверным. Наглядное представление о мировых запасах угля и перспективах их использования дает рис. 1.9. Наибольшими достоверными запасами располагают СССР и США. Значительные достоверные запасы имеются в ФРГ, Англии, КНР и ряде других стран. Современная техника и технология позволяют экономически оправданно добывать лишь 50% от всех достоверных запасов угля.
В энергобалансе СССР в начале 70-х годов произошли существенные изменения: ископаемые угли временно уступили занимаемое ими ранее первое место нефти и газу. Однако роль угля в снабжении народного хозяйства нашей страны источниками энергии в перспективе исключительно велика. Углепромышленные бассейны имеются в пределах РФ (Печорский, Кузнецкий, Канско-Ачинский, Иркутский, Подмосковный. Запасы угля мирового масштаба находятся в Восточной и Западной Сибири. Среди подсчитанных общих геологических запасов углей в СССР более 90% составляют энергетические угли и менее 10%-дефицитные коксующиеся угли, необходимые для металлургии. Энергетические угли большой массы (202 млрд. т) имеются на площадях, пригодных для открытой разработки. Это, например, Канско-Ачинский бассейн в Восточной Сибири, где имеются запасы бурых углей в мощных (от 20 до 40 м) пластах, залегающих на глубине менее 200 м от поверхности, и многие другие.
Более 90% общесоюзных запасов углей находится на территории, расположенной к востоку от Урала, а 60% добываемого в СССР угля потреблялось на Урале и в западных районах. Между тем, добыча угля в европейской части нашей страны достигает 50% от общей добычи. Перспективно использование запасов угля, расположенных за Уралом. Особенно богато угольными бассейнами пространство между Тургайской низменностью и озером Байкал до 60° с. ш., прилегающее к Сибирской и Южно-Сибирской магистралям.,это Кузнецкий, Минусинский, Канско-Ачинский, Иркутский, Нерюнгринский и многие другие бассейны. В местах разработок полезных ископаемых создаются новые промышленно-экономические районы и центры.
Дальность перевозки каменных углей из Казахстана на Урал и в Поволжье и полная нерентабельность транспортировки на значительное расстояние рыхлых и высокозольных сибирских бурых углей, а также нерешенность задачи сверхдальней передачи электроэнергии заставляют обратить особое внимание на расширение площадей с энергетическими углями в старых углепромышленных районах и поиски новых месторождений на западе РФ. В этом отношении перспективны Донецкий и Печорский бассейны, обладающие реальными для освоения запасами энергетических углей.
Каменный уголь состоит из остатков флоры, существовавшей на Земле в геологические эпохи задолго на нашего времени. В каменноугольный период жизни поверхность планеты была обильно покрыта растениями. Многие из современных растений, такие, например, как папоротники, в ту эпоху имели намного большие размеры. Каменный уголь образовался после отмирания растений и покрытия их осадочными породами.
Растения в период жизни запасают химическую энергию, превращая за счет энергии солнечных лучей углекислоту и воду в растворимые углеводы, откладывая их в виде клетчатки в стволах и ветках. Белковые вещества в растениях получаются синтезом неорганических азотсодержащих веществ, поступающих из почвы, и органических веществ, выработанных за счет энергии Солнца. По выражению акад. П. П. Лазарева «...химическая энергия, запасенная в древесных породах, есть превращенная энергия Солнца» .
Если дерево сжечь в присутствии кислорода с образозанием углекислоты, воды и первоначальных азотистых соединений, то полученная при этом теплота будет отвечать энергии, доставленной растению Солнцем.
При сгорании каменного угля выделяется примерно 8,14 кВт*ч/кг (29,3 МДж/ /кг) энергии.
Нефть. Оценка мировых запасов нефти в настоящее время представляет особый интерес. Это вызвано быстрым ростом ее потребления и тем, что во многих странах (Японии, Швеции к др.) нефть при производстве электроэнергии вытеснила уголь (в последнее время этот процесс приостановился). На транспорте за счет нефти в настоящее время удовлетворяется свыше 90% мирового потребления энергии.
Рис. 1.10. Примерный состав каменного угля
Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т, из которых 53 млрд. т составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производительные силы, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти.
Оценки достоверных запасов нефти по своей природе динамичны. Их величина изменяется по мере проведения разведок новых месторождений. Геологические разведки, осуществляемые в широких масштабах, приводят, как правило, к увеличению достоверных запасов нефти. Все имеющиеся в литературе оценки запасов являются условными и характеризуют только порядок величин.
Быстрый рост потребления нефти определяется в основном четырьмя причинами:
1) развитием транспорта всех видов и в первую очередь автомобильного и авиационного, для которых жидкое топливо пока незаменимо;
2) улучшением показателей добычи, транспортировки и использования (по сравнению с твердым топливом);
3) стремлением в кратчайшие сроки и с минимальными затратами перейти к использованию природных энергетических ресурсов;
4) стремлением в промышленно развитых странах получить возможно большие прибыли за счет эксплуатации нефтяных месторождений развивающихся стран.
Несоответствие между расположением нефтяных ресурсов и местами их потребления или центрами производительных сил привело к бурному прогрессу в развитии средств транспортировки нефти, в частности к созданию трубопроводов большого диаметра (больше 1м) и танкеров большой грузоподъемности.
Нефть была известна еще древним грекам и римлянам, которые называли ее питтолиумом. В VI в. до н. э. горючие газы, выделяющиеся из нефтяных источников на Апшеронском полуострове, дали повод к обожествлению вечного огня, в честь которого сооружались храмы. Примерно в то же время жидкую нефть, разлитую по берегам Каспийского моря, использовали для освещения и лечения кожных болезней. В древности нефть, вытекающую из трещин в земле и нефтяных скважин, собирали в специальные ямы, из которых она впоследствии забиралась для хозяйственных нужд.
По мере увеличения потребности в нефти, примерно с XVI в., стали вырывать специальные глубокие колодцы, откуда черпали нефть. Месторождения нефти представляют собой пористые пласты песчаника или известняка, пропитанные жидкостью. Сооружение колодцев в те времена было делом опасным. Колодец необходимо было рыть до пропитанного нефтью пласта, по мере приближения к которому нефтяные газы просачивались в колодец и делали невозможным дыхание. Один из таких колодцев на Апшеронском полуострове сохранил надпись о том, что он сооружен в 1594 г.
С помощью колодцев нефть добывали до XIX в. Первая в мире нефтяная скважина пробурена в 1848 г. Ф. А. Семеновым в урочище Биби-Эйбат на берегу Каспийского моря.
Нефть представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин и смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.
Чтобы объяснить происхождение нефти, ученые пользовались результатами опытов, при которых производилось нагревание до высоких температур растений и остатков животных без доступа воздуха. В результате такого нагревания, называемого сухой перегонкой, образовывались углеводороды, сходные с углеводородами, заключающимися в нефти.
Предполагалось, что в древние времена существовавшие и умершие флора и фауна были покрыты осадочными породами на дне морей и океанов, которые образовались при опускании земной поверхности. Можно допустить, что опускание земной поверхности происходило до больших глубин, где органические остатки под действием теплоты Земли превращались в нефть. Такое воззрение составляет основу биолого-геологической теории образования нефти, подтвержденной многочисленными исследованиями.
Природный газ. Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 трлн. м 3 . Распределение запасов газа по странам и районам приведено в табл. 1.4. Эти цифры следует рассматривать как весьма приближенные, изменяющиеся по мере проведения разведок.
Нефть и газ нужны не столько как энергетическое сырье, сколько как сырье для химической промышленности. В настоящее время известно более 5000 синтетических полезных продуктов, получаемых из нефти и газа, и число их ежегодно увеличивается. Однако пока только 3-5% от добытых запасов перерабатывается как химическое сырье. Нефтяные и газовые месторождения открываются на глубине и оцениваются только бурением глубоких скважин. Затраты на бурение составляют более 70% от затрат, расходуемых на проведение геологоразведочных работ.
Гидроэнергетические ресурсы. Гидроэнергия на Земле оценивается величиной 32 900 ТВт*ч в год. Около 25% этой энергии по техническим и экономическим условиям может использоваться для практических нужд. Эта величина примерно в 2 раза превышает современный уровень ежегодной выработки электроэнергии всеми электростанциями мира. В табл. 1.5 содержатся данные о гидроэнергетических ресурсах в различных странах. В большинстве развитых капиталистических стран доля гидроэлектростанций в выработке электроэнергии снижается, что обусловлено освоением других наиболее экономичных энергоресурсов и использованием гидростанций преимущественно в пиковых режимах.
Гидроэнергетический потенциал рек Советского Союза велик-4000 млрд. кВт*ч (среднегодовая мощность рек равна 450 млн. кВт), что составляет 12% от потенциала рек земного шара. В нашей стране широкое использование гидроэнергетических ресурсов впервые было предусмотрено в 1920 г. Ленинским планом электрификации России (ГОЭЛРО). По этому плану намечалось строительство 10 крупных по тому времени гидроэлектростанций (Волховская, Днепровская, Свирская и др.) с установленной мощностью 640 МВт. К 1941 г. мощность всех гидроэлектростанций составила 1,4 ГВт. В военные годы широко развернулось строительство ГЭС в Средней Азии, а в послевоенные (до 1966 г.)- в северо-западных районах (Кольский полуостров, Карелия, Ленинградская область и Эстонская ССР), в Закавказье, а также на Волге, Каме и Днепре.
В конце этого периода было начато строительство крупнейших гидростанций в Сибири (Братской, Красноярской, Усть-Илимской, Саяно-Шушенской).
В соответствии с основными направлениями развития электроэнергетики нашей страны в 1986 г. выработка электроэнергии на гидроэлектростанциях составила 230-235 млрд. кВт-ч при установленной мощности гидроэлектростанций 65 млн. кВт.
Уникальные запасы гидроэнергии сосредоточены на реках Ангаре и Енисее; на них будет построено более 10 крупнейших ГЭС общей установленной мощностью 60 млн. кВт, среди которых предполагается сооружение Среднеенисейской и Туруханской станций с агрегатами до 1 млн. кВт установленной мощности.
Вода океанов и морей, испаряясь под действием солнечной радиации, конденсируется в высоких слоях атмосферы в виде капелек, собирающихся в облака. Вода облаков падает в виде дождя в моря, океаны и на сушу или образует мощный снеговой покров гор. Дождевая вода дает начало рекам, питающимся подземными источниками. Круговорот воды в природе происходит под влиянием солнечной радиации, благодаря которой появляются начальные процессы круговорот испарение воды и движение облаков. Таким образом, кинетическая энергия движущейся в реках воды есть, образно говоря, освобожденная энергия Солнца.
В отличие от невозобновляемой химической энергии, запасенной в органическом топливе, кинетическая энергия движущейся в реках воды возобновляема - на гидроэлектростанциях она превращается в электрическую энергию.
Энергия приливов и отливов. В последние годы повысился интерес научной и инженерной общественности к проблемам широкого использования энергии солнечной радиации, ветра, геотермальной энергии, а также приливной и термальной энергии Мирового океана. Явления приливов и отливов связаны главным образом с положением Луны на небосклоне. Солнце также влияет на приливы и отливы, однако эффект его влияния примерно в 2,6 раза меньше. В течение лунных суток, т. е. за 24 ч 50 мин, дважды наблюдается повышение и понижение уровня воды в морях и океанах. Амплитуда колебаний уровня воды в различных точках земного шара зависит от широты и характера берега континента. Ее величина может быть значительной: так, около Магеланова пролива зарегистрирована амплитуда колебаний уровня воды 18 м, а около берегов Америки - 21 м. Приливы и отливы могут на многие километры, как, например, во Франции, менять границу воды и суши.
В закрытых морях (Каспийском, Черном) эффекты приливов и отливов практически незаметны. Максимального уровня приливная волна достигает в тех случаях, когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной прямой (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Положения Солнца, Луны и Земли, влияющие на приливы
Приведенные рассуждения следуют из тех пояснений, которые дал на основе гравитационной теории Ньютон. Вкратце они сводятся к следующему. Пусть на Землю в направлении ЬВ (рис. 1.12) действует сила притяжения Луны, которая создает ускорение Земли из, направленное по прямой ЬВ. Ускорение воды, находящейся в зоне А, больше ускорения Земли, а ускорение воды, находящейся в зоне В, меньше ускорения Земли. Различие в ускорениях приводит к смещению массы воды, которое в преувеличенном виде показано на рис. 1.12. При вращении Земли выпуклости воды перемещаются относительно поверхности, создавая трение, называемое приливным и приводящее К замедлению вращения Земли. По отношению к атмосфере, окружающей Землю, также справедливы приведенные рассуждения. Как показали исследования, в атмосфере действительно существуют приливные волны. Энергия приливов постоянностью своего проявления выгодно отличается от энергии (стока) рек, существенно зависящей от атмосферных факторов, носящих вероятностный характер. Об использовании энергии приливов еще издавна мечтал человек. Сотни лет назад на побережье Европы и Северной Америки сооружались приливные мельницы. Некоторые из них и сейчас работают в Англии и во Франции. Водяные колеса таких мельниц устанавливались при входе в бассейн и приводились во вращение течением воды.
Рис. 1.12. Характер распределения воды по поверхности Земли под действием Луны
В настоящее время сооружено несколько мощных электростанций, использующих энергию приливов. Однако большая стоимость таких станций и трудности, связанные с неравноме
Энергетический ресурс - это запасы энергии, которые при данном уровне техники могут быть использованы для энергоснабжения. Это широкое понятие относится к любому звену «энергетической цепочки», к любой стадии энергетического потока на пути от природного источника стадии потребления энергии.
Энергоресурсы классифицируются в зависимости от целей и задач классификации. Если за основу взять стадии энергетического потока, то рассматривать следующие виды энергетических ресурсов, энергии энергоносителей:
- природные энергетические ресурсы , которые, в свою очередь подразделяются на: топливные: органическое топливо-уголь, нефть, газ, сланцы, торф, дрова и некоторые другие (например, битуминозные пески); расщепляющиеся материалы (ядерное горючее) – уран 235 и 238; нетопливные: гидроэнергия, энергия Солнца, ветра, приливов, морских волн, геотермальная энергия и некоторые другие виды (например, энергия разности температурных потенциалов океанских глубин и поверхности);
- облагороженные (обогащенные) энергоресурсы : брикеты, концентраты, сортовой уголь, промпродукт, шлам, отсев;
- переработанные энергоресурсы : светлые нефтепродукты, мазуты, прочие темные нефтепродукты, кокс, полукокс, коксовая мелочь, уголь древесный, смола, антрацит;
- преобразованные энергетические ресурсы : электроэнергия, лота, сжатый воздух и газы (азот, кислород, водород, аргон, оксид, углерода и др.), генераторный газ, коксовый газ, сланцевый газ, газ нефтепереработки, биогаз и некоторые другие (например, жидкое топливо, получаемое из низкокачественных углей);
- побочные (вторичные) энергоресурсы : горючие производственные и непроизводственные отходы (твердые, жидкие, газообразные); тепловые отходы (преимущественно жидкие и газообразные); избыточное давление продуктов и промежуточных продуктов (переделов).
Мировые запасы топливно-энергетических ресурсов . Учет мировых запасов топливно-энергетических ресурсов и перспективы их использования представляют собой глобальную проблему, постоянно заботящую мировую научную общественность. Европейское объединение независимых экспертов «Римский клуб», готовит периодические доклады о путях развития человечества, где существенное место занимают топливноэнергетические вопросы. Так, в 70-е годы XX в. в связи с энергетическим кризисом 1972 г. общие мировые запасы органических топлив с учетом экономически оправданной извлекаемости оценивались (с округлением) всего в 1 трл.т (в условном исчислении). Если принять за основу перспективных расчетов тенденции прошлого - удвоение суммарного мирового энергопотребления каждые 20 лет, то при потреблении в 2000 и последующих годах (при стабилизации потребления) по 20 млрд, т этих запасов должно было бы хватить всего на 50 лет, т. е., считая от 1980 г., только до 2030 г.
Следует отметить, что аналогичные опасения возникали у человечества также в начале XX века, когда прогнозировалась исчерпаемость топливных запасов (преимущественно угля) к 60-м годам. Однако тогда мировая энергетика находилась на другом, значительно более низком уровне развития и соответственно значительно хуже были исследованы топливные месторождения, а некоторые из них вообще еще не были открыты. Тогда мировая общественность впервые задумалась о поиске новых видов энергии для будущего удовлетворения своих постоянно растущих потребностей. Именно тогда были предложены многие из известных сегодня альтернативных, так называемых «возобновляемых» видов энергии: солнечная, геотермальная, энергия ветра, приливов и отливов, движения волн, разница термического потенциала поверхности и глубин мирового океана и многое другое .
При дополнительных исследованиях и уточнениях после 1980 г. во время своеобразной «инвентаризации» мировых запасов цифры стали более оптимистичными - природного органического топлива должно хватить на весь XXI в. Однако все эти прогнозы, как и в начале века, дали ощутимый толчок к поиску возобновляемых энергоресурсов, альтернативных органическому топливу.
По данным ЮНЕСКО в недрах Земли содержится 10 16 т (10 10 Гига-тонн - Гт; 1 Гт = 1 млн. т) ископаемого углерода. К сожалению, не весь он легко или рентабельно добываем.
Уголь является после дров самым широко применяемым видом природного органического топлива. Известные, доступные для разработки, запасы угля оцениваются в 600 Гт (примерно в 4 раза больше добытого). Возможно, что запасы угля на Земле достигают 10 000Гт. Предполагается, что 2500 Гт из них доступны для разработки.
Нефть , по оценкам ЮНЕСКО, использована примерно на 1/3 от уровня и доступных для разработки мировых запасов. Доказанные запасы составляют 884 Гт, однако в конечном счете пригодными для добычи могут оказаться около 300 Гт. В последние годы открываются или уточняются по запасам месторождения нефти общим объемом около 5 Гт ежегодно, т.е. больше, за год. Предполагается, что в настоящее время достигнут максимум добычи нефти, после чего ее мировое производство и потребление начнут снижаться.
Природный газ к настоящему использован примерно на 40 % его известных запасов, около 590 Гт, причем его извлекаемость больше, чем у нефти, и составить также примерно 300 Гт. Максимум производства и потребления ожидается в 2010 г., когда его потребление в 3- раза превысит существующее.
Горючие сланцы и битуминозные пески - наименее эффективные виды ископаемого органического топлива. Из них, правило, добывается нефть, причем значительная часть добываемого сырья составляет пустая порода. Так, в бывшем СССР ежегодно перерабатывалось 35 млн. тонн сланцев, из которых извлекалось около 12 т нефти.
Доказанные на по оценкам 70-80-х годов XX в. составляют примерно 900 млрд. т в пересчете на угольный эквивалент (с теплотой сгорания 6000 ккал/кг). В числе: уголь - 600 млрд.т, нефть - 200 млрд.т, газ - 100 млрд.т; потребление энергии в год - 5 млрд.т. Позже мировые запасы несколько переоценены, и современные цифры, особенно по запасам угля, существенно выше.
Среди возобновляемых источников энергии наиболее существенными признаются следующие.
Геотермальная энергия . Каждый квадратный метр поверхности Земли постоянно излучает около 0,06 Вт-слишком малая величина, чтобы ее мог ощутить человек. Однако в целом планета ежегодно теряет около 2,8- 10 14 кВт ч. При таких темпах Земля должна бы остыть до температуры космического пространства через 200 млн. лет. Но тот факт, что Земле уже 4,5 млрд. лет, означает, что энергия поступает изнутри нее, и именно от нагрева в результате радиоактивного распада определенных изотопов в горных породах земной коры, находящихся порой на значительной глубине. Известно понятие геотермический градиент : температура земных недр возрастает на 30°С с увеличением глубины на 1 километр. В некоторых районах геотермическая активность усиливает этот эффект и температура может повышаться до 80°/км. Однако пар геотермального происхождения имеет температуру выше 300 °С, что ограничивает эффективность его использования. Таким образом, геотермальная энергия - это фактически разновидность ядерной энергии.
В настоящее время действует около 20 геотермальных электростанций мощностью от нескольких МВт до 500 МВт каждая. Их общая мощность около 1,5 ГВт (1 ГВт = 10 3 МВт = 10 6 кВт). В среднем одна буровая скважина, пробуренная на нужную глубину (от сотен метров до километра в зависимости от характера земной коры), может дать около 5 MВт, и срок ее действия-10 - 20 лет.
Приливные волны Мирового океана несут около 3 ТВт знергии (1 ТВт = 10 12 Вт= 10 9 кВт= 10 6 МВт = 10 3 ГВт). Однако ее получение рентабельно лишь в нескольких районах планеты, где приливы особенно высоки, например, в некоторых районах Ла-Манша и Ирландского моря вдоль побережья Северной Америки и Австралии и на отдельных участках Белого и Баренцева морей.
По техническим причинам приливные станции работают лишь на 25 % своей нормативной мощности, так что из общего потенциала 80 ГВт может быть использовано лишь 20 ГВт. Несколько лет действует одна из самых крупных приливных электростанций близ Ла-Ранс (Франция) проектной мощностью 240 МВт, которая при довольно небольших затратах производит 60 МВт.
Волны Мирового океана содержат еще около 3 ТВт энергии. Обычная волна в Северном море несет 40 кВт энергии на каждый метр длины на протяжении 30 % времени своего существования и около 10 кВ на метр в течение 70 % времени. Расчетные данные о том, какую энергию можно получить от волн, сильно расходятся. Согласно одним - это 100 ГВт во всем мире, по другим - 120 ГВт можно получить лишь у берегов Англии. Несколько экспериментальных прототипов волновых энергетических установок построено в Англии и Японии.
Дующие на Земле ветры обладают энергией в 2700 ТВт, но лишь 1/4 часть их находится на высоте до 100 метров над поверхностью Земли. Если на всех континентах построить ветряные установки, беря в расчет только поверхность суши и учитывая неизбежные потери, то это может дать максимум 40 ТВт. Однако даже 1/10 часть этой энергии превышает весь гидроэнергетический потенциал. При использовании энергии ветра человечество столкнулось с неожиданными проблемами. В США на побережье Флориды были сооружены мощные ветряки с диаметром лопастей свыше 3-х метров. Оказалось, что эти установки генерируют довольно мощное излучение неслышимого инфразвука, который, во-первых удручающе действует на человеческую психику, а во-вторых, резонирует естественные колебания таким образом, что на расстоянии нескольких километров дрожат и лопаются стекла в домах, стеклянная посуда, люстры и т.п. Изменение (уменьшение) диаметра ветряных установок пока не дало положительных результатов, так что дальнейшее сооружение подобных генераторов является проблематичным.
Гидроэнергия . На Земле имеется 10 18 т воды, однако лишь 1/2000 часть ее ежегодно вовлекается в круговорот, испаряясь и вновь выпадая на поверхность в виде дождя и снега. Но даже эта ничтожная доля составляет 500 000 км 3 воды. Ежегодно из океанов испаряется 430 000 и с суши 70 000 км 3 воды. Из них 390 000 км 3 воды выпадает в виде осадков обратно в океаны и 110 000 - на сушу. Таким образом, ежегодно 40 000 км 3 воды стекает с континентов в океаны. Средняя высота континентов - 80 м.
Энергетический потенциал гидроресурсов, использовать который экономически целесообразно, в России составляет порядка 1 трлн. кВт ч/год, в том числе на больших и средних реках около 850 млрд. кВт.ч/год. По этому показателю мы занимаем второе место в мире после Китая (табл. 2.1).
Таблица 2.1. Использование гидроэнергетического потенциала
| Страна | Экономический гидроэнергетический потенциал, млрд. кВт.ч/год | Выработка электроэнергии на ГЭС, млрд. кВт.ч/год | Доля использованного экономического потенциала |
| Китай | 92,0 | 7,0 | |
| США | 330,0 | 46,8 | |
| Бразилия | 165,4 | 25,2 | |
| Канада | 304,3 | 56,9 | |
| Индия | 51,0 | 27,6 | |
| Япония | 91,5 | 69,3 | |
| Норвегия | 106,5 | 81,9 | |
| Швеция | 64,9 | 76,4 | |
| Франция | 71,6 | 89,5 | |
| Италия | 44,5 | 70,6 | |
| Россия | 160,1 | 18,8 |
Тепловая энергия океанов . мировой океан поглощает 70% солнечной энергии, падающей на Землю. В океанских течениях заключено 5-8 Твт энергии. Перепад температур между холодными водами на глубине несколько сот метров и теплыми водами на поверхности океана представляет собой огромный источник энергии, оцениваемый в 20-40 тыс.ТВт, из которых практически могут быть освоены лишь 4 ТВт.
Солнечная энергия . Энергетическая отдача Солнца равнозначна сжиганию или превращению в энергию массы в количестве 4,2-10 6 т/с. Учитывая, что общая масса Солнца составляет 22 10 26 т, можно подсчитать, что Солнце будет продолжать выделять энергию еще в течение 2000 млрд. лет. Земля, находящаяся от Солнца на расстоянии 150 млн. км, получает приблизительно 2 миллиардные доли общего излучения Солнца. Общее количество энергии Солнца, достигающей поверхности Земли за год, в 50 раз превышает всю ту энергию, которую можно получить из доказанных запасов ископаемого топлива, и в 35 000 раз превышает нынешнее ежегодное потребление энергии в мире. Из общего количества энергии отражение от поверхности Земли - 5 %, отражение облаками - 20 %, поглощение самой атмосферой - 25 %, рассеивается в атмосфере, но достигает земли - 23 %, достигает земли непосредственно 27%, всего на поверхности Земли - 50 %. Среднее количество солнечной энергии, попадающей в атмосферу Земли, 1,353 кВт/м 2 или 178000 ТВт. Гораздо меньшее ее количество достигает поверхности Земли, а доля, которую можно использовать, еще меньше. Среднегодовая цифра составляет 10 000 ТВт, что примерно в 1000 раз превышает нынешнее потребление энергии в мире. Максимальное солнечное облучение достигает 1 кВт/м 2 , но это длится лишь в течение 1-2 ч в разгар летнего дня. В большинстве районов мира среднее облучение солнечным светом составляет порядка 200 Вт/м 2 .
Один из методов получения солнечной энергии заключается в нагреве парового котла турбины с помощью системы зеркал, собирающих солнечный свет. Солнечная электростанция мощностью 10 МВт потребует около 2000 рефлекторов площадью по 25 м 2 каждый. Другой путь - использование фотоэлементов, которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электричество, обычно с КПД 10-15 %. Небольшие установки мощностью 250-1000 кВт существуют, однако они дороги из-за высокой стоимости фотоэлементов. При массовом производстве таких установок есть надежда сократить затраты до уровня, при котором станет осуществимой электрификация изолированных поселений с помощью фотоэлементных установок.
Солнечное топливо . Около 90 % солнечной энергии, накопленной на поверхности Земли, сосредоточено в растениях. Общее количество такой энергии - около 635 ТВт-лет, что примерно равно количеству энергии, содержащейся в наших запасах угля.
Однако сегодня для энергетического использования низкокалорийного древесного и древовидного топлива нецелесообразно его прямое сжигание. На базе низкокачественной древесины, древесных отходов, горючего мусора, фекальных стоков и отбросов цивилизации возникла и развивается биоэнергетика, позволяющая с помощью бактерий, в том числе анаэробных, перерабатывать органическую массу в топливо, преимущественно - в метан.
Оценивая современное и перспективное использование нетрадиционных источников энергии, мировая научная общественность сходится на следующих цифрах (табл. 2.2).
Таблица 2.2. Современное и прогнозируемое использование и возобновляемых источников энергии в мире, млрд. кВт.ч
| Источник | Современное использование | Начало ХХI в. |
| Солнце | 2-3 | 2000-5000 |
| Геотермальная энергия | 1000-5000 | |
| Ветер | 1000-5000 | |
| Приливы | 0,4 | 3-60 |
| Энергия волн | ||
| Тепловая энергия океанов | ||
| Биомасса | 550-700 | 2000-5000 |
| Древесное топливо | 10 000-12 000 | 15 000-20 000 |
| Древесный уголь | 2000-5000 | |
| Торф | ||
| Тягловые животные | 30 (в Индии) | |
| Горючие сланцы | ||
| Битуминозные пески | ||
| Гидроэнергия | ||
| Итого (округленно): | 12 000- 13 000 | 30 000-53 000 |
Общая картина добычи и производства различных видов первичной энергии и энергетических ресурсов в будущем приведена в табл. 2.3.
Таблица 2.3. Варианты производства первичной энергии в мире в 1975-2030 гг., ТВт - год в год.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ (а. energy resources; н. Energieressourcen; ф. ressources energetiques; и. recursos energetiсоs) — все доступные для промышленного и бытового использования источники разнообразных видов энергии: механической, тепловой, химической, электрической, ядерной.
Темпы научно-технического прогресса, интенсификация общественного производства, улучшение условий труда и решение многих социальных проблем в значительной мере определяются уровнем использования энергетических ресурсов. Развитие топливно-энергетического комплекса и энергетики является одной из важнейших основ развития всего современного материального производства.
Среди первичных энергоресурсов различают невозобновляемые (невоспроизводимые) и возобновляемые (воспроизводимые) энергетические ресурсы. К числу невозобновляемых энергетических ресурсов относятся в первую очередь органические виды минерального топлива, добываемые из земных недр: нефть, природный газ, уголь, горючие сланцы, другие битуминозные горные породы, торф. Они используются в современном мировом хозяйстве в качестве топливно-энергетического сырья особенно широко и, поэтому, нередко называется традиционными энергетическими ресурсами. К возобновляемым (воспроизводимым и практически неисчерпаемым) энергетическим ресурсам относятся гидроэнергия (гидравлическая энергия рек), а также так называемые нетрадиционные (или альтернативные) источники энергии: солнечная, ветровая, энергия внутреннего тепла Земли (в том числе геотермальная), тепловая энергия океанов, энергия приливов и отливов. Особо должна быть выделена ядерная или атомная энергия, относимая к невозобновляемым энергетическими ресурсами, так как её источником являются радиоактивные (преимущественно урановые) руды. Однако со временем, с постепенной заменой атомных электростанций (АЭС), работающих на тепловых нейтронах, атомными электростанциями, использующими реакторы-размножители на быстрых нейтронах, а в будущем термоядерную энергию, ресурсы ядерной энергетики станут практически неисчерпаемыми.
Быстрое развитие мировой энергетики в 20 в. опиралось на широкое использование минерального (ископаемого) топлива, особенно нефти, природного газа и угля, добыча которых до середины 70-х гг. была сравнительно недорогой и в техническом отношении доступной. Доля нефти и газа в мировом потреблении энергетических ресурсов достигала 60% и доля угля — свыше 25% (в 1950 доля угля составляла 50%). Следовательно, свыше 85% суммарного потребления энергетических ресурсов в мире в тот период приходилось на невозобновляемые ресурсы органические топлива и лишь около 15% — на возобновляемые ресурсы (гидроэнергия, дровяное топливо и др.). С 70-х гг., когда сложность и стоимость добычи нефти и газа стали резко увеличиваться в связи с исчерпанием или значительным сокращением их запасов в легкодоступных месторождениях, появилась необходимость их жёсткой экономии и строго ограниченного использования в качестве топлива. Главные области применения ресурсов нефти и газа как ценнейшего технологического сырья стала химическая и нефтехимическая промышленность, в том числе производство синтетических материалов и моторных топлив. Важным первичным энергоресурсом для электроэнергетики становится в конце 20 века и в перспективе ядерная энергетика. В середине 80-х годов на атомных электростанциях мира было выработано свыше 12% всей электроэнергии, произведённой на планете, а в начале 21 века её доля в мировом электробалансе увеличится ещё в 2-2,5 раза. Большая роль в производстве электроэнергии принадлежит гидроэнергетическим ресурсам, источником которых является постоянное течение рек; в середине 80-х гг. на долю гидроэлектростанций приходилось 23% всей электроэнергии, выработанной в мире. Значительно возрастает роль и таких возобновляемых нетрадиционных энергетических ресурсов, как солнечная энергия (энергия солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли), энергия внутреннего тепла самой Земли (в первую очередь геотермальная энергия), тепловая энергия Мирового океана (обусловленная большими перепадами температур между поверхностными и глубинными слоями воды), энергия морских и океанических приливов и энергия волн, ветровая энергия, энергия биомассы, основой которой является механизм фотосинтеза (биоотходы сельского хозяйства и животноводства, промышленные органические отходы, использование древесины и древесного угля). По имеющимся прогнозам, доля возобновляемых энергетических ресурсов (гидроэнергетических и перечисленных нетрадиционных) достигнет в 1-й четверти 21 века примерно 7-9% в мировом суммарном использовании всех видов первичных энергоресурсов (свыше 20-23% будет приходиться на атомную ядерную энергию и около 70% сохранится за органическим топливом — углём, газом и нефтью).
Для сопоставления тепловой ценности различных видов топливно-энергетических ресурсов используется расчётная единица, называемая условным топливом.
Введение
1. Энергетические ресурсы Российской Федерации
1.1 Состав ТЭК России
1.2 Роль и значение ТЭК для экономики и внешней торговли России
2. Современная энергетическая политика России
2.1 Проблемы и угрозы энергетической безопасности России
2.2 Энергетическая безопасность и энергетическая политика России
Заключение
Список источников
В энергетическом секторе мирового хозяйства ведущую роль играют топливно-энергетические ресурсы — нефть, нефтепродукты, природный газ, каменный уголь, энергия (ядерная, гидроэнергия).
Среди топливно-энергетических ресурсов особое место занимают нефть и природный газ. Эта группа товаров сохраняют роль лидеров среди прочих товарных групп в международной торговле, уступая только продукции машиностроения.
Россия играет ключевую роль на мировом рынке энергетических ресурсов.
Наша страна выступает одним из гарантов общей энергетической безопасности и стабильности мира в долгосрочной перспективе, т.к. доля России в мировом производстве нефти более 12%, природного газа около 30%, угля около 7%. Суммарно на Россию приходится 10,5% производства первичной энергии.
Для самой России топливно-энергетический комплекс (ТЭК) приносит более 50% доходов федерального бюджета.
Также сегодня ТЭК обеспечивает 25% валового внутреннего продукта и 30% объема промышленного производства в стране. Темпы добычи нефти и газа в России все нарастают, так добычи природного газа в России к 2010 г. может составить 645-665 млрд. м³., а к 2020 г. возрасти до 710-730 млрд. м³. А по другим прогнозам она напротив может упасть на 30-50%.
В настоящее время, в силу сырьевой ориентации российской экономики наличие ТЭР стало основой успешного развития регионов РФ, обладающих ими.
С ними напрямую связано благосостояние всех граждан России, такие проблемы, как безработица и инфляция. Возросшее значение ТЭР в развитии нашей страны обусловило пристальный интерес к ним со стороны общества и правительства, а появившиеся в последние десятилетия проблемы отрасли становятся проблемами каждого гражданина России.
Эффективная энергетическая политика для России имеет стратегическое значение, отсюда и высока актуальность данной темы.
Цель работы — анализ современного состояния энергетического сектора и рассмотрение энергетической политики России.
Определить роль и значение энергетического сектора для России;
Проанализировать современное использование энергетических ресурсов и определить проблемы связанные с их использованием;
Рассмотреть основные направления перспективного развития энергетической политики России.
В настоящее время энергетическая безопасность России признана одним из приоритетов национальной политики.
Появились специализированные публикации и нормативные документы по проблеме. Для написания этой работы использовались такие труды как: "Энергетика России", 2008; "Энергетическая безопасность России", 2004; "Реформирование энергетики и энергетическая безопасность", 2006 и другие работы.
При написании работы использовались последние статистические данные Госкомстата РФ, аналитического центра "Минерал", а так же Федерального агентства по недропользованию РФ.
1.
Энергетические ресурсы Российской Федерации
1.1 Состав ТЭК России
Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) России объединяет отрасли по добычи топливно-энергетических ресурсов и производству на их основе электроэнергии.
Топливно-энергетические ресурсы — запасы топлива и энергии в природе, которые при современном уровне техники могут быть практически использованы человеком для производства материальных благ.
К топливно-энергетическим ресурсам относятся: различные виды топлива: каменный и бурый уголь, нефть, горючие газы, горючие сланцы, торф, дрова; — энергия падающей воды рек, морских приливов, ветра; — солнечная и атомная энергия .
Таблица 1.
Топливно-энергетический потенциал РФ
Главные для России виды ТЭР — топливные (природный газ, нефть, уголь), объем их производства приведен в таблице 2.
Таблица 2.
Энергетические ресурсы
Показатели динамики добычи первичных ТЭР.
Анализируя основные показатели производства ТЭР за последние годы, можно отметить, что начиная с 1992 года добыча ТЭР в стране снижалось.
С 1997 году впервые получен прирост добычи. В настоящее время по добычи ТЭР Россия достигла докризисного периода (1991) и продолжает их наращивать, хотя, с учетом экономического кризиса и снижения спроса в мире на энергоносители, можно прогнозировать некоторое снижение объемов добычи ТЭР в России в ближайшие годы .
Так же к группе топливных ресурсов относится торф и горючий сланец.
Еще один вид — ядерное топливо. Топливом для атомных электростанций является уран.
Наша страна является лидером по производству обогащенного ядерного топлива и занимает 40 процентов его мирового рынка.
Российские газоцентрифужные разделительные заводы обеспечивают потребности в ядерном топливе не только собственных потребителей, но и примерно трети всех АЭС в мире. Однако по запасам урановых руд, Россия уступает лидерам (США, Австралии, Бразилии). После распада СССР и потери крупнейших месторождения в Средней Азии и Украине в РФ добывается 3000 тонн урана в год, нехватка сырья устраняется за счет экспорта, так в 2008 году было заключено соглашение о ежегодной закупке 4500 тонн уранового концентрата в Австралии .
Гидроэнергетические ресурсы еще один существенный энергетический ресурс России.
На территории нашей страны сосредоточено около 9% мировых запасов гидроресурсов. По обеспеченности гидроэнергетическими ресурсами Россия входит в число лидеров (второе место).
энергетический топливный комплекс россия
Общий валовой гидроэнергопотенциал России оценивается в 2900 млрд кВт-ч годовой выработки электроэнергии. Технически достижимый уровень использования гидроэнергоресурсов оценивается в 70% от указанной цифры. В настоящее время уровень освоения гидропотенциала России составляет всего 20%, притом, что Россия занимает второе место в мире по запасу гидроресурсов.
На рисунке 1 представлен топливно-энергетический баланс России за 2008 год.
Рис.1. Топливно-энергетический баланс России
Таким образом, Россия богата разнообразными энергетическим ресурсами и является мировым лидером по их добычи. Однако, используются они не равномерно.
На рисунке представлен топливно-энергетический баланс России. Видно, что в нем преобладают природный газ, нефть и уголь. На другие виды топливно-энергетических ресурсов, в том числе альтернативные источники приходится всего 8,7%.
1.2 Роль и значение ТЭК для экономики и внешней торговли России
Топливно-энергетический комплекс тесно связаны со всей промышленностью страны. На использование (добычу, транспорт, перерарботку) ТЭР расходуется более 20% всех денежных средств.
На отрасли занятые использованием ТЭР приходится 30% основных фондов и 30% стоимости промышленной продукции России. Предприятия ТЭК используют 10% продукции машиностроительного комплекса, 12% продукции металлургии, потребляет 2/3 труб в стране, дает больше половины экспорта РФ и значительное количество сырья для химической промышленности .
Топливно-энергитические ресурсы — важнейший экспортный товар России, обеспечивающий основную долю валютных поступлений, формирующий бюджет нашей страны, поддерживающий ее авторитет на международной арене.
Доля энергоресурсов в товарной структуре экспорта России
Нефть важнейший продукт потребления на внутреннем рынке. Потребление нефти внутри РФ оценивается долей около 60%. Нефть основное сырье, для нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности, продукты первичной переработки нефти (мазут) — важное сырье для топливной промышленности.
Кроме этого нефть важнейший экспортный товар для России, от которого во много зависит наполняемость федерального бюджета (рисунок 3).
Рис.3 Динамика экспорта нефти из России
Россия — крупнейший в мире экспортёр газа, на её долю приходится более 20% мировых межгосударственных поставок.
Экспорт природного газа из РФ впервые за последние годы сократился — на 2,1% по сравнению с 2005 г.; он составил 182,8 млрд. куб. м, или около 31% добытого (рисунок 4).
Рис.4 Динамика экспорта газа из России
Россия входит в число лидеров по экспорту угля на мировой рынок, поставляя его в 45 стран мира.
Так и энергетического, занимая третье место по объёмам экспорта угля в мире после Австралии и Индонезии. С 1999 г.
российский экспорт угля неуклонно растёт, в 2006 г. он увеличился очень существенно — на 18%, превысив 90 млн. т. . Более 80% российского угольного экспорта составляют угли Кузнецкого бассейна, отличающиеся высоким качеством. В мировом объеме экспорт российского угля составляет около 12%.
В 2006 г. российский экспорт вырос более чем на 9 % и составил, 7,36 млн. т.
Анализ динамики и структуры валового внутреннего продукта в России
1.2 Состав ВВП
валовой национальный счет доход В состав ВВП включается только то, что продается.
Глава 2 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
При вычислении ВВП приходится суммировать в единый экономический показатель множество совершенно разнородных товаров…
Анализ отчета о прибылях и убытках
1. Состав и значение отчета о прибылях и убытках в России и в международной практике
Внебюджетные фонды
2.
Состав внебюджетных фондов в России, их назначение
Согласно ст.144 Бюджетного кодекса РФ в состав бюджетов государственных внебюджетных фондов входят бюджеты государственных внебюджетных фондов Российской Федерации и бюджеты территориальных государственных внебюджетных фондов…
Государственное регулирование экономики
1.1 Состав ТЭК
Топливно-энергетический комплекс представляет собой сложную систему — совокупность производств, процессов, материальных устройств по добыче топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), их преобразованию, транспортировке…
Методы ценообразования
1.1 Состав цены
«Формирование цены происходит в процессе движения товара от производителя до потребителя, и ее величина зависит от количества посредников, уровня затрат в каждом звене, доли прибыли, получаемой каждым участником товародвижения…
Отраслевая структура машиностроительного комплекса и факторы размещения его отраслей и производств
1.
Состав и значение машиностроения в народном хозяйстве России
Машиностроительный комплекс — основа научно-технического прогресса и материально-технического перевооружения всех отраслей народного хозяйства Машиностроительный комплекс является ведущим среди межотраслевых комплексов и отражает…
Оценка эффективности деятельности ОАО «Сбербанк»
2.1 Характеристика ОАО «Сбербанк России» и оценка его положения на финансовом рынке России
История Сбербанка России началась более 170 лет назад, в XIX веке.
За почти два столетия банк завоевал статус крупнейшего финансового института страны. Сбербанк сегодня — это современный универсальный банк…
Реформирование структуры российских монополий
2.2 Монополии в России на примере ОАО «Газпрома», РАО «ЕЭС России», ОАО «Российские железные дороги»
ОАО «Газпром» — глобальная энергетическая компания Путем преобразования Государственного газового концерна в феврале 1993 г.
создано РАО «Газпром», в 1999 г…
Современное состояние малого бизнеса в России
1. Состав и структура малого предпринимательства в России
Российский малый бизнес, как и малый бизнес в любой другой стране, многолик и включает в себя разные типы и формы предпринимательства. Самый тонкий, «верхний» слой его — это немногочисленные, малые по числу занятых…
Технико-экономическое обоснование деятельности предприятия
3.1 Понятие и состав
К трудовым ресурсам относится та часть населения, которая обладает необходимыми физическими данными, знаниями и навыками труда в соответствующей отрасли.
Достаточная обеспеченность предприятий нужными трудовыми ресурсами…
Технико-экономическое обоснование производства нового изделия
5.1. Состав капиталовложений
В состав капитальных вложений включаются единовременные затраты на формирование основных фондов или долгосрочных активов предприятия. Эти затраты связаны с приобретением оборудования, строительством зданий и сооружений…
Управление государственной недвижимостью
2.1 Состав и характеристика государственного недвижимого имущества в России
Под понятием «государственная недвижимость» подразумевают собственность или имущество Российской Федерации или ее субъектов, а также представителей муниципальной власти.
Любые органы власти при этом имеют право распоряжаться ей…
Ценообразование на предприятии
1. Состав и структура цен
Все действующие в экономике цены взаимосвязаны и образуют систему, которая находится в постоянном развитии под влиянием множества рыночных факторов. Эта система состоит из отдельных блоков (оптовые цены, закупочные цены, розничные цены и др.)…
Экономика электроэнергетики
2.12 Абонентная плата за услуги РАО «ЕЭС России» по организации функционирования и развитию ЕЭС России
Оплата услуг РАО определяется: , руб./год где: НРАО — норматив платы за услуги РАО «ЕЭС России» по организации функционирования и развитию ЕЭС России, руб./МВт*час; (см…
Экономическое районирование
3.2 Состав крупных экономических районов России
В настоящее время в составе России имеется 12 крупных экономических районов (регионов): Северный, Северо-Западный, Центральный, Центрально-Черноземный, Волго-Вятский, Поволжский, Северо-Кавказский, Уральский, Западно-Сибирский…
Энергетический ресурс - это запасы энергии, которые при данном уровне техники могут быть использованы для энергоснабжения. Это широкое понятие относится к любому звену «энергетической цепочки», к любой стадии энергетического потока на пути от природного источника стадии потребления энергии.
Энергоресурсы классифицируются в зависимости от целей и задач классификации.
Если за основу взять стадии энергетического потока, то рассматривать следующие виды энергетических ресурсов, энергии энергоносителей:
- природные энергетические ресурсы , которые, в свою очередь подразделяются на: топливные: органическое топливо-уголь, нефть, газ, сланцы, торф, дрова и некоторые другие (например, битуминозные пески); расщепляющиеся материалы (ядерное горючее) – уран 235 и 238; нетопливные: гидроэнергия, энергия Солнца, ветра, приливов, морских волн, геотермальная энергия и некоторые другие виды (например, энергия разности температурных потенциалов океанских глубин и поверхности);
- облагороженные (обогащенные) энергоресурсы : брикеты, концентраты, сортовой уголь, промпродукт, шлам, отсев;
- переработанные энергоресурсы : светлые нефтепродукты, мазуты, прочие темные нефтепродукты, кокс, полукокс, коксовая мелочь, уголь древесный, смола, антрацит;
- преобразованные энергетические ресурсы : электроэнергия, лота, сжатый воздух и газы (азот, кислород, водород, аргон, оксид, углерода и др.), генераторный газ, коксовый газ, сланцевый газ, газ нефтепереработки, биогаз и некоторые другие (например, жидкое топливо, получаемое из низкокачественных углей);
- побочные (вторичные) энергоресурсы : горючие производственные и непроизводственные отходы (твердые, жидкие, газообразные); тепловые отходы (преимущественно жидкие и газообразные); избыточное давление продуктов и промежуточных продуктов (переделов).
Мировые запасы топливно-энергетических ресурсов .
Учет мировых запасов топливно-энергетических ресурсов и перспективы их использования представляют собой глобальную проблему, постоянно заботящую мировую научную общественность. Европейское объединение независимых экспертов «Римский клуб», готовит периодические доклады о путях развития человечества, где существенное место занимают топливноэнергетические вопросы.
Так, в 70-е годы XX в. в связи с энергетическим кризисом 1972 г. общие мировые запасы органических топлив с учетом экономически оправданной извлекаемости оценивались (с округлением) всего в 1 трл.т (в условном исчислении).
Если принять за основу перспективных расчетов тенденции прошлого - удвоение суммарного мирового энергопотребления каждые 20 лет, то при потреблении в 2000 и последующих годах (при стабилизации потребления) по 20 млрд, т этих запасов должно было бы хватить всего на 50 лет, т.
е., считая от 1980 г., только до 2030 г.
Следует отметить, что аналогичные опасения возникали у человечества также в начале XX века, когда прогнозировалась исчерпаемость топливных запасов (преимущественно угля) к 60-м годам. Однако тогда мировая энергетика находилась на другом, значительно более низком уровне развития и соответственно значительно хуже были исследованы топливные месторождения, а некоторые из них вообще еще не были открыты.
Тогда мировая общественность впервые задумалась о поиске новых видов энергии для будущего удовлетворения своих постоянно растущих потребностей.
Именно тогда были предложены многие из известных сегодня альтернативных, так называемых «возобновляемых» видов энергии: солнечная, геотермальная, энергия ветра, приливов и отливов, движения волн, разница термического потенциала поверхности и глубин мирового океана и многое другое .
При дополнительных исследованиях и уточнениях после 1980 г. во время своеобразной «инвентаризации» мировых запасов цифры стали более оптимистичными - природного органического топлива должно хватить на весь XXI в.
Однако все эти прогнозы, как и в начале века, дали ощутимый толчок к поиску возобновляемых энергоресурсов, альтернативных органическому топливу.
По данным ЮНЕСКО в недрах Земли содержится 1016 т (1010 Гига-тонн - Гт; 1 Гт = 1 млн.
т) ископаемого углерода. К сожалению, не весь он легко или рентабельно добываем.
Уголь является после дров самым широко применяемым видом природного органического топлива.
Известные, доступные для разработки, запасы угля оцениваются в 600 Гт (примерно в 4 раза больше добытого). Возможно, что запасы угля на Земле достигают 10 000Гт.
Предполагается, что 2500 Гт из них доступны для разработки.
Нефть , по оценкам ЮНЕСКО, использована примерно на 1/3 от уровня и доступных для разработки мировых запасов.
Доказанные запасы составляют 884 Гт, однако в конечном счете пригодными для добычи могут оказаться около 300 Гт. В последние годы открываются или уточняются по запасам месторождения нефти общим объемом около 5 Гт ежегодно, т.е. больше, за год. Предполагается, что в настоящее время достигнут максимум добычи нефти, после чего ее мировое производство и потребление начнут снижаться.
Природный газ к настоящему использован примерно на 40 % его известных запасов, около 590 Гт, причем его извлекаемость больше, чем у нефти, и составить также примерно 300 Гт.
Максимум производства и потребления ожидается в 2010 г., когда его потребление в 3- раза превысит существующее.
Горючие сланцы и битуминозные пески - наименее эффективные виды ископаемого органического топлива. Из них, правило, добывается нефть, причем значительная часть добываемого сырья составляет пустая порода.
Так, в бывшем СССР ежегодно перерабатывалось 35 млн. тонн сланцев, из которых извлекалось около 12 т нефти.
Доказанные на по оценкам 70-80-х годов XX в. составляют примерно 900 млрд. т в пересчете на угольный эквивалент (с теплотой сгорания 6000 ккал/кг).
В числе: уголь - 600 млрд.т, нефть - 200 млрд.т, газ - 100 млрд.т; потребление энергии в год - 5 млрд.т. Позже мировые запасы несколько переоценены, и современные цифры, особенно по запасам угля, существенно выше.
Среди возобновляемых источников энергии наиболее существенными признаются следующие.
Геотермальная энергия .
Каждый квадратный метр поверхности Земли постоянно излучает около 0,06 Вт-слишком малая величина, чтобы ее мог ощутить человек. Однако в целом планета ежегодно теряет около 2,8- 1014 кВт ч. При таких темпах Земля должна бы остыть до температуры космического пространства через 200 млн.
лет. Но тот факт, что Земле уже 4,5 млрд. лет, означает, что энергия поступает изнутри нее, и именно от нагрева в результате радиоактивного распада определенных изотопов в горных породах земной коры, находящихся порой на значительной глубине. Известно понятие геотермический градиент : температура земных недр возрастает на 30°С с увеличением глубины на 1 километр. В некоторых районах геотермическая активность усиливает этот эффект и температура может повышаться до 80°/км. Однако пар геотермального происхождения имеет температуру выше 300 °С, что ограничивает эффективность его использования.
Таким образом, геотермальная энергия - это фактически разновидность ядерной энергии.
В настоящее время действует около 20 геотермальных электростанций мощностью от нескольких МВт до 500 МВт каждая.
Их общая мощность около 1,5 ГВт (1 ГВт = 103 МВт = 106 кВт). В среднем одна буровая скважина, пробуренная на нужную глубину (от сотен метров до километра в зависимости от характера земной коры), может дать около 5 MВт, и срок ее действия-10 - 20 лет.
Приливные волны Мирового океана несут около 3 ТВт знергии (1 ТВт = 1012Вт= 109кВт= 106 МВт = 103 ГВт).
Однако ее получение рентабельно лишь в нескольких районах планеты, где приливы особенно высоки, например, в некоторых районах Ла-Манша и Ирландского моря вдоль побережья Северной Америки и Австралии и на отдельных участках Белого и Баренцева морей.
По техническим причинам приливные станции работают лишь на 25 % своей нормативной мощности, так что из общего потенциала 80 ГВт может быть использовано лишь 20 ГВт.
Несколько лет действует одна из самых крупных приливных электростанций близ Ла-Ранс (Франция) проектной мощностью 240 МВт, которая при довольно небольших затратах производит 60 МВт.
Волны Мирового океана содержат еще около 3 ТВт энергии. Обычная волна в Северном море несет 40 кВт энергии на каждый метр длины на протяжении 30 % времени своего существования и около 10 кВ на метр в течение 70 % времени.
Расчетные данные о том, какую энергию можно получить от волн, сильно расходятся. Согласно одним - это 100 ГВт во всем мире, по другим - 120 ГВт можно получить лишь у берегов Англии. Несколько экспериментальных прототипов волновых энергетических установок построено в Англии и Японии.
Дующие на Земле ветры обладают энергией в 2700 ТВт, но лишь 1/4 часть их находится на высоте до 100 метров над поверхностью Земли. Если на всех континентах построить ветряные установки, беря в расчет только поверхность суши и учитывая неизбежные потери, то это может дать максимум 40 ТВт.
Однако даже 1/10 часть этой энергии превышает весь гидроэнергетический потенциал. При использовании энергии ветра человечество столкнулось с неожиданными проблемами.
В США на побережье Флориды были сооружены мощные ветряки с диаметром лопастей свыше 3-х метров. Оказалось, что эти установки генерируют довольно мощное излучение неслышимого инфразвука, который, во-первых удручающе действует на человеческую психику, а во-вторых, резонирует естественные колебания таким образом, что на расстоянии нескольких километров дрожат и лопаются стекла в домах, стеклянная посуда, люстры и т.п.
Изменение (уменьшение) диаметра ветряных установок пока не дало положительных результатов, так что дальнейшее сооружение подобных генераторов является проблематичным.
Гидроэнергия . На Земле имеется 1018 т воды, однако лишь 1/2000 часть ее ежегодно вовлекается в круговорот, испаряясь и вновь выпадая на поверхность в виде дождя и снега. Но даже эта ничтожная доля составляет 500 000 км3 воды. Ежегодно из океанов испаряется 430 000 и с суши 70 000 км3 воды.
Из них 390 000 км3 воды выпадает в виде осадков обратно в океаны и 110 000 - на сушу. Таким образом, ежегодно 40 000 км3 воды стекает с континентов в океаны. Средняя высота континентов - 80 м.
Энергетический потенциал гидроресурсов, использовать который экономически целесообразно, в России составляет порядка 1 трлн.
кВт ч/год, в том числе на больших и средних реках около 850 млрд. кВт.ч/год. По этому показателю мы занимаем второе место в мире после Китая (табл. 2.1).
Таблица 2.1. Использование гидроэнергетического потенциала
Тепловая энергия океанов .
мировой океан поглощает 70% солнечной энергии, падающей на Землю. В океанских течениях заключено 5-8 Твт энергии. Перепад температур между холодными водами на глубине несколько сот метров и теплыми водами на поверхности океана представляет собой огромный источник энергии, оцениваемый в 20-40 тыс.ТВт, из которых практически могут быть освоены лишь 4 ТВт.
Солнечная энергия .
Энергетическая отдача Солнца равнозначна сжиганию или превращению в энергию массы в количестве 4,2-106 т/с. Учитывая, что общая масса Солнца составляет 22 1026 т, можно подсчитать, что Солнце будет продолжать выделять энергию еще в течение 2000 млрд.
лет. Земля, находящаяся от Солнца на расстоянии 150 млн. км, получает приблизительно 2 миллиардные доли общего излучения Солнца. Общее количество энергии Солнца, достигающей поверхности Земли за год, в 50 раз превышает всю ту энергию, которую можно получить из доказанных запасов ископаемого топлива, и в 35 000 раз превышает нынешнее ежегодное потребление энергии в мире.
Из общего количества энергии отражение от поверхности Земли - 5 %, отражение облаками - 20 %, поглощение самой атмосферой - 25 %, рассеивается в атмосфере, но достигает земли - 23 %, достигает земли непосредственно 27%, всего на поверхности Земли - 50 %.
Среднее количество солнечной энергии, попадающей в атмосферу Земли, 1,353 кВт/м2 или 178000 ТВт. Гораздо меньшее ее количество достигает поверхности Земли, а доля, которую можно использовать, еще меньше.
Среднегодовая цифра составляет 10 000 ТВт, что примерно в 1000 раз превышает нынешнее потребление энергии в мире. Максимальное солнечное облучение достигает 1 кВт/м2, но это длится лишь в течение 1-2 ч в разгар летнего дня. В большинстве районов мира среднее облучение солнечным светом составляет порядка 200 Вт/м2.
Один из методов получения солнечной энергии заключается в нагреве парового котла турбины с помощью системы зеркал, собирающих солнечный свет.
Солнечная электростанция мощностью 10 МВт потребует около 2000 рефлекторов площадью по 25 м2 каждый. Другой путь - использование фотоэлементов, которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электричество, обычно с КПД 10-15 %. Небольшие установки мощностью 250-1000 кВт существуют, однако они дороги из-за высокой стоимости фотоэлементов.
При массовом производстве таких установок есть надежда сократить затраты до уровня, при котором станет осуществимой электрификация изолированных поселений с помощью фотоэлементных установок.
Солнечное топливо . Около 90 % солнечной энергии, накопленной на поверхности Земли, сосредоточено в растениях.
Общее количество такой энергии - около 635 ТВт-лет, что примерно равно количеству энергии, содержащейся в наших запасах угля.
Однако сегодня для энергетического использования низкокалорийного древесного и древовидного топлива нецелесообразно его прямое сжигание. На базе низкокачественной древесины, древесных отходов, горючего мусора, фекальных стоков и отбросов цивилизации возникла и развивается биоэнергетика, позволяющая с помощью бактерий, в том числе анаэробных, перерабатывать органическую массу в топливо, преимущественно - в метан.
Оценивая современное и перспективное использование нетрадиционных источников энергии, мировая научная общественность сходится на следующих цифрах (табл.
Таблица 2.2. Современное и прогнозируемое использование и возобновляемых источников энергии в мире, млрд. кВт.ч
Общая картина добычи и производства различных видов первичной энергии и энергетических ресурсов в будущем приведена в табл.
Таблица 2.3. Варианты производства первичной энергии в мире в 1975-2030 гг., ТВт - год в год.
| Первичный источник | Базовый год 1975 | Максимальный вариант | Минимальный вариант | ||
| 2000 г. | 2030 г. | 2000 г. | 2030 г. | ||
| Нефть | 3,62 | 5,89 | 6,83 | 4,75 | 5,02 |
| Газ | 1,51 | 3,11 | 5,97 | 2,53 | 3,47 |
| Уголь | 2,26 | 4,95 | 11,8 | 3,93 | 6,45 |
| Реакторы на обычной воде | 0,12 | 1,7 | 3,21 | 1,27 | 1,89 |
| Реакторы – размножители на быстрых нейтронах | 0,04 | 4,88 | 0,02 | 3,28 | |
| Гидроэнергия | 0,5 | 0,83 | 1,46 | 0,83 | 1,46 |
| Солнечная энергия | 0,1 | 0,49 | 0,09 | 0,3 | |
| Прочие | 0,21 | 0,22 | 0,81 | 0,17 | 0,52 |
| Всего | 8,21 | 16,84 | 35,65 | 13,59 | 22,39 |
2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Энергетическими ресурсами называют выявленные природные запасы различных видов энергии, пригодные для использования в широких масштабах для народного хозяйства. Их следует отличать вообще от природных запасов, которые практически бесконечны - это солнечная и геотермальная энергии, энергия океанов и морей, ветра, но эта энергия в обозримой перспективе в значительных масштабах применяться не будет.
Основные виды энергетических ресурсов в современных условиях - уголь, газ, нефть, торф, сланцы, гидроэнергия, атомная энергия.
Энергетические ресурсы используют для получения того или иного вида энергии.
Под энергией понимается способность какой-либо системы производить работу или тепло (Макс Планк). Соответственно, получение требуемого количества энергии связано с затратой некоторого количества ка-кого-либо рода энергетического ресурса.
Энергоресурсы, также как и энергия, могут быть первичными и вторичными.
Первичные - ресурсы, имеющиеся в природе в начальной форме. Энергия, получаемая при использовании таких ресурсов, является первичной.
Среди первичных - выделяют возобновляемые и невозобновляемые.
Возобновляемые - восстанавливаются постоянно, например, гидроэнергия и энергия ветра, солнца и т.
К невозобновляемым - относятся те, запасы которых по мере их добычи необратимо уменьшаются, например уголь, сланцы, нефть, газ, ядерное топливо.
Подразделение на группы, а также перечень отдельных Первичных энергоресурсов, используемых в настоящее время, приведены ниже:
Ядерная энергия. геотермальная энергия,
Гравитационная энергия, энергия морских приливов.
Если исходная форма первичных энергоресурсов в результате превращения или обработки изменяется, то образуются вторичные энергоресурсы и, соответственно, вторичная энергия.
Ко вторичным - относятся все первичные энергоресурсы после одного или нескольких превращений. Вторичные энергоресурсы - это большая часть топливных форм (бензин и другие нефтепродукты, электричество и т.
д.), которые представлены ниже :
Для соизмерения ресурсов и определения действительной экономичности их расходования принято использовать понятие «условное топливо».
Его низшую рабочую теплоту сгорания Qp принимают равной 29300 ГДж/кг (7000 Гкал/кг).
Классификация энергетических ресурсов
Зная теплоту сгорания и количество натурального топлива, можно определить эквивалентное количество тонн условного топлива, (т у.
Где Внат - количество натурального топлива, т.
При оценке ресурсов газа в условном топливе в формулу (2.1) Виат подставляется в тыс. м3, а теплота сгорания натурального топлива принимается в килоджоулях на 1 м3.
При необходимости оценки энергоресурсов в том числе гидроресурсов в кВт ¦ ч - 1 кВт ч приравнивается к 340 г у.
В современных условиях 80-85 % энергии получают, расходуя иево-зобновляемые энергоресурсы: различные виды угля, горючие сланцы, нефть, природный газ, торф, ядерное горючее.
Преобразование топлива в конечные виды энергии связано с вредными выбросами твердых частиц, газообразных соединений, а также большого количества тепла, воздействующих на окружающую среду.
Возобновляемые энергоресурсы (исключая гидроэнергетические) не нуждаются в транспортировке к месту потребления, но обладают низкой концентрацией энергии, в связи с чем преобразование энергии большинства возобновляемых источников требует больших затрат материальных ресурсов и, следовательно, больших удельных затрат денежных средств (руб/кВт) на каждую установку.
Возобновляемые источники энергии в экологическом отношении обладают наибольшей чистотой.
Из возобновляемых энергоресурсов в настоящее время в основном используются гидроэнергия и в относительно малых количествах энергия солнца, ветра, геотермальная энергия.
Из всех видов потребляемой энергии наибольшее распространение получила электроэнергия.
Возобновляемые), а также гидроэнергия (ресурсы , неисчерпаемые) и др. Запасы энергии атомного распада и ядерного синтеза являются физически неисчерпаемыми.
Вплоть до начала XX в. основным энергетическим ресурсом на планете была древесина. Затем ее значение начало падать, и стал заметен первый «энергетический переход» - к широкому использованию угля. Однако на смену ему пришли добыча и потребление иных видов топлива - нефти и , использование ядерной энергии.
«Эра нефти» дала толчок интенсивному развитию экономики, что потребовало, в свою очередь, увеличения производства и потребления ископаемого топлива. Увеличивается количество потребляемой на планете энергии (причем в последние десятилетия потребность в ней удваивается каждые 13-14 лет).
Согласно последним данным Мирового энергетического совета (МИРЭС), доказанные извлекаемые запасы органического топлива в мире составляют 1220 млрд тонн «условного» топлива (т у. т.), тогда как конечные (общие) извлекаемые ресурсы, оценены весьма условно - в 4,5 раза больше. То есть доказанные запасы органического топлива достаточны для удовлетворения ожидаемого роста мирового спроса на них в течение многих десятилетий.
Общемировые запасы органического топлива слагаются в первую очередь из запасов угля (до 60%), нефти и газа (около 27%), причем все пересчитывается в эквиваленте «условного топлива». В совокупном мировом их производстве (т. е. добыче) картина по удельному весу энергоносителей складывается иная - на уголь приходится более 30%, а на нефть и газ - более 67% от общей добычи топливных ресурсов.
В общемировых разведанных (т. е. конечных извлекаемых) запасах выделяют еще достоверные (извлекаемые при современном уровне развития техники). В середине 1990-х гг. достоверные запасы нефти в мире определялись в 130-140 млрд т или 200 млрд т у. т. (а общие разведанные - в три раза больше), природного газа - в 140 трлн м3 (или 150 млрд т у. т.).
При этом только на долю стран, входящих в экономическую группировку (Организацию стран-экспортеров нефти), приходится около 77% мировых запасов нефти и 41% мировых запасов природного газа.
В 1960 г. мировая добыча нефти и газового конденсата составляла 1053 млн т, а природного газа - 454 млрд м3; в 1994 г. ее объем увеличился до 3000 млн т и 2215 млрд м3 (соответственно).
Обеспеченность текущей добычи нефти достоверными запасами в настоящее время определяется в целом по миру в 45 лет. При этом в странах крупнейших производителях нефти обеспеченность запасами выше среднего уровня. Так, при нынешних темпах разработки запасов и добыче нефти в (которая является одним из основных экспортеров этого ценного сырья в мире) ее хватит примерно на 90 лет. Эксперты полагают, что резервы истощатся приблизительно через 140 лет, - через 70 лет и т. д.
Единой системы учета запасов угля и его классификации по видам не существует, поэтому и статистические данные, публикуемые в разных изданиях, существенно различаются. Так, например, мировые ресурсы (конечные извлекаемые) каменного и бурого угля в середине 1990-х гг. оценивались МИРЭС в 4850 млрд т у. т. А доказанные извлекаемые запасы угля и лигнита оценивались в 870 млрд ту. т. (т. е. немногим более 1 трлн метрических тонн).
Наиболее крупными запасами всех видов углей из зарубежных стран обладают , КНР, . Более 90% достоверных запасов (извлекаемых с использованием существующих технологий) сосредоточено в США (1/4), на территории республик (более 1/5), КНР (1/5) и ЮАР.
Само же понятие «энергетический кризис» можно определить как напряженное состояние, сложившееся в результате несовпадения между потребностями современного общества в энергии и запасами энергоресурсов, в т. ч. вследствие нерациональной структуры их потребления.
Энергетические ресурсы - это больше для промышленного и бытового использования источника различных видов энергии: механической, тепловой, химической, электрической, ядерной.
К невозобновляемых энергоресурсов относятся в первую очередь различные виды минерального топлива: нефть, природный газ, уголь, горючие сланцы, торф, другие каустобиолиты (горючие ископаемые горные породы органического происхождения) нефтяного и угольного рядов, а также радиоактивные (преимущественно урановые) руды. Они используются в современном мировом хозяйстве как топливно энергетическое сырье особенно широко и поэтому нередко называются "традиционными энергоресурсами", то есть источниками энергии для традиционной энергетики (теплоэнергетики, гидроэнергетики, ядерной энергетики). В принципе все перечисленные энергоресурсы способны к восстановлению, но сроки их восстановления измеряются в масштабах геологического времени.
К возобновляемых энергоресурсов (ресурсов "одного урожая") относятся: энергия Солнца; энергия ветра; энергия течений воды
(Преимущественно гидравлическая энергия рек), волн, приливно-отливные энергия; тепловая энергия Земли (в том числе геотермальная), воздух, морей и океанов; энергия биомассы. Они являются источниками энергии для нетрадиционной энергетики (малой гидроэнергетики, ветроэнергетики, гелиоэнергетики, геотермальной энергетики, биоэнергетики и т.д.). Возобновляемые энергоресурсы постоянно возобновляются за счет естественного поступления за сроки, которые соизмеримы со сроками их эксплуатации, поэтому их условно можно отнести к "неисчерпаемых" природных ресурсов.
Углеводородное сырье. В пределах территории Украины выделяются три нефтегазоносные районы: Восточный (Днепровско-Донецкая впадина и северо-западная часть Донбасса), Западный (Волыно-Подольская плита, Прикарпатье, Карпаты и Закарпатье) и Южный (Причерноморье, Крым и шельф в пределах исключительной (морской) экономической зоны Черного и Азовского морей). Государственным балансом запасов полезных ископаемых учтено запасы нефти, газа и газового конденсата за 381 месторождением. Основное их количество - 211 - сосредоточена в Восточном регионе, сто двенадцатый Западном, сорок пятый Южном. Объем ежегодной добычи жидких углеводородов за последние годы в среднем на 4 млн. Т нефти с конденсатом, что составляет 10%, потребляемых в стране. В целом в течение 2011 - 2020 гг. Планируется увеличить 32500000. Т, а в течение 2021 - 2030 - 40 млн. Т нефти и конденсата. Добыча природного газа с середины 1970-х годов в Украине снизился с 68,3 до 20 млрд. М3 и продолжает снижаться, а добыча нефти уменьшился с 11,6 до 3500000. Т. Основными причинами сокращения добычи углеводородного сырья является резкое уменьшение объемов геологоразведочных работ (что привело к значительному снижению прироста запасов углеводородного сырья) и истощения нефтегазовых месторождений. Объем ежегодной добычи природного газа в Украине за последние годы в среднем на 18-20 млрд. М, что составляет 20% от потребляемых в стране. В целом в течение 2011 - 2020 гг. Планируется увеличить 127 млрд. М3, а в течение 2021 - 2030 - 160 млрд. М3 газа (Общегосударственная программа развития минерально-сырьевой базы Украины на период до 2030 года).
Кроме традиционной газообразной углеводородного сырья интерес представляют нетрадиционные источники природного газа (сланцевый газ, метан угольных пластов, газогидраты). Следует заметить, что значительные резервы нетрадиционного газа Украины составляют: газ низко-проницаемых коллекторов центрально-бассейнового типа, ресурсы которого составляют более 8 трлн, м, метановый газ месторождений угля Донбасса - от 12 до 25 трлн, м3; газ сланцевых толщ, ресурсы которого, по разным источникам, составляет от 2 до 32 трлн. м3. Перспективы газоносности связываются с аргиллитами, алевролитами-глинистым и породами и плотными песчаниками девонского-карбонового и пермского периодов. По состоянию на 1.01.2010 г.. В Украине балансовые запасы категорий А + В + С1 + С2 оценены в 313 900 000 000. М3 метана угольных пластов (на балансе действующих шахт - 140800000000. М3). В этом направлении предусматриваются: разработка методов изучения и оценки запасов метана угольных пластов; проведения геологоразведочных работ по оценке запасов и ресурсов метана угольных пластов отдельных участков; получения промышленных категорий запасов метана угольных пластов для обеспечения его добычи в объеме 8 млрд. м3 в 2020 и 16 млрд. м3 в 2030 г.. В центральной глубоководной части Черного моря количество метан-гидрата оцениваются в 20 - 30 трлн, м, а в целом в морском бассейне в 60 - 80 трлн. м3. По данным академика НАНУ Е.Ф. Шнюкова (2012), запасы метан-гидрата достигают 25 трлн, м3, и из них на Украину приходится примерно 7 трлн. м3.
Угля в Украине - единственная энергетическое сырье, запасов которой потенциально достаточно для обеспечения энергетической безопасности государства. Добыча угля и его переработка в готовую угольную продукцию на прогнозируемый период остается основным источником обеспечения потребностей Украины в энергоносителях. Общие ресурсы угля Украины: балансовые, внебалансовые, прогнозируемые (по состоянию на 1.01.2010 г..) Составляют 117 120 000 000. Т, в т. Ч. Разведанные запасы - 56250000000. Т, из них коксующихся марок - 17 21 млрд. т (30,6%), антрацитов - 7,60 млрд. т (13,5%). Вместе с тем угольные месторождения Украины характеризуются очень сложными природными условиями их разработки, а имеющийся шахтный фонд - высокой изношенностью и низким техническим уровнем, в результате чего отечественная угольная промышленность является убыточной и нуждается в государственной поддержке.
В Украине могут использоваться горючие сланцы Болтышский месторождения (запасы 4 млрд. Т) и менилитовые сланцы олигоцен-миоценовых отложений складчатых Карпат и Предкарпатского прогиба.
На 5 украинских АЭС работают 14 реакторов, которые сейчас производят около 50% общего объема электроэнергии, производимой в Украине. Удовлетворения потребностей в сырье для атомной энергетики на 30% достигается за счет разработки Ватутинского, Центрального и Мичуринского месторождений, Кировоградского урановорудного района Украинского кристаллического щита. Готовится для ввода в эксплуатацию Новоконстантиновское месторождение. Общее состояние урановой минерально-сырьевой базы оценивается как удовлетворительное. Основу ее составляют большие по запасам месторождения в Кировоградском рудном районе, урановые руды которых по качеству относятся к рядовым и бедных. Второе место по своему промышленному значению занимают месторождения в углисто-песчаных отложениях палеогена Днепровского бассейна, которые пригодны для отработки методом подземного выщелачивания на месте их залегания. Хотя отдельные месторождения этого типа небольшие по запасам, но их общие ресурсы значительны. К резервным относятся небольшие по запасам месторождения на украинском кристаллическом щите - Южное, Лозоватская и Калиновское, руды которых вместе с ураном содержат торий, молибден и редкоземельные металлы.
Геотермальные электростанции всегда были географически "привязаны" к районам геотермальных месторождений. В Украине первую геотермальную циркуляционную систему (на основе применения подъемных и нагнетательных скважин) построен в 1988 году. На территории с. Ильинки Сакского района Крыма. По состоянию на 2004г. в Украине введено 9 геотермальных установок с суммарной тепловой мощностью 10,6 МВт. Конечно, в общем балансе энергетики Украины этот вид энергии не может играть значительную роль, но для районов с благоприятными геотермическими условиями геотермальные электростанции могут удовлетворить потребности в электроэнергии; их можно применять в технологических процессах пищевой и местной перерабатывающей промышленности, для производства строительных материалов, в сушильных установках и т.д.).
В Украине развитие ветроэнергетики и солнечной энергетики пока находятся на начальном этапе. Согласно "Энергетической стратегии Украины на период до 2030 года" ориентировочно доля возобновляемых источников энергии в 2010г. должна составлять 2 - 3%, до 2030 гг. - 6 - 7% и более. В "Комплексной программе развития ветроэнергетики", разработанная и утвержденная КМУ в 1996г. в рамках "Национальной энергетической программы Украины" (Постановление ВР Украины №191 / 96-ВР 1996) до 2010г. суммарная мощность ветроустановок Украины должна быть 1990 МВт. К 2002 было разработано 14 отраслевых руководящих документов, касающихся специфики обеспечения процессов производства ветроустановок (ВЭУ), проектирование и эксплуатации ВЭУ; 3 Государственных стандартов Украины (ДСТУ 3896-99, ДСТУ 4037-2001, ДСТУ 4051-2001), адаптированные к условиям Системы ДСТУ 9 международных стандартов по ветроэнергетике, которые введены в действие в 2003г. В Украине перспективы ветроэнергетики в первую очередь связываются с побережьями морей, южным берегом Крыма, вершинами гор, Донецкой возвышенностью, Приазовской и Причерноморской низменности, которые характеризуются среднегодовой скоростью ветра 5,5 - 6,0 м / с и имеют очень высокий ветроэнергетическим потенциал. Есть перспективы для использования их в других регионах Украины с постоянными ветрами. Установленная мощность ветровых электростанций Украины составляет 0,75 - 17,3 МВт (вместе 58,38 МВт). В Украине ветровые электростанции целесообразно размещать в местах, где постоянно дуют ветры: на побережьях морей, крупных озер и водохранилищ, в степях, предгорьях и в горных районах, то есть в районах со значительным ветроэнергетическим потенциалом.
В Украине насчитывается более 63 тыс. Малых рек и водотоков общей длиной 135,8 тыс. Км. При использовании энергетических ресурсов малых рек важное значение имеет продолжительность ледяного покрова зимой, что влияет на кинетическую энергию потока рек. В начале 1950-х гг. Количество малых ГЭС в Украине составляла 956 единиц с общей мощностью ЗО тыс. КВт. Однако через концентрирования производства электроэнергии на мощных ТЭС и ГЭС их строительство было приостановлено, началась их консервация, демонтаж, сотни малых ГЭС были разрушены. Осталось всего 48 малых ГЭС, которые характеризуются неудовлетворительным техническим состоянием. АО "Киевэнергомаш" в рамках "Программы развития малой энергетики Украины" разрабатывает проекты по восстановлению и реконструкции существующих и строительства новых малых ГЭС. Малая гидроэнергетика через ее незначительный удельный вес (0,2%) в общем энергобалансе не может существенно влиять на условия энергоснабжения страны, однако эксплуатация малых ГЭС дает возможность производить почти 250 млн. КВт электроэнергии в год, что эквивалентно ежегодной экономии до 75 тыс. Т дефицитного органического топлива.
Перспективная биоэнергетика - получение полезной энергии или топлива путем использования биомассы. За счет преобразования биомассы можно генерировать электроэнергию, теплоту, производить жидкое, газообразное и твердое топливо. В 2004 г.. Энергетическое использование биомассы составил: в США 3,2%, Дании - 8%, Австрии - 11%, Швеции - 19% и Финляндии - 21% общего потребления первичных энергоносителей (в основном путем использования отходов древесины). В Украине этот показатель был лишь 0,6%, но перспективный энергетический потенциал составляет 122 млн. МВт-ч / год. Одним из перспективных направлений в процессе обеспечения себя доступными источниками энергии в Украине считается использование энергии биотоплива, но исключительно за счет переработки отходов, обогащенных органическими веществами.
Именно использование альтернативных источников энергии позволяет экономить нэп обновляемые ресурсы и значительно уменьшать загрязнение природных систем. Сегодня в мире использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии достигло промышленного уровня. Ветроэнергетика успешно развивается в Дании, Германии и других западноевропейских странах. В Украине в настоящее время вклад нетрадиционных источников энергии очень низкий и составляет в последние годы 0,3 - 3,0% в структуре общего энергетического баланса. Например есть значительные предпосылки для получения энергии из биомассы, в первую очередь, из отходов лесоперерабатывающей, пищевой и других отраслей промышленности, отходов животноводческих комплексов, твердых бытовых отходов.
