Невозобновляемые энергоресурсы

1. Невозобновляемые энергоресурсы

Для понимания роли и значения тех или иных видов энергоустановок необходимо проанализировать общую ситуацию, складывающуюся в современном мире в области энергообеспечения. Например, развитие атомной энергетики в последние два-три десятилетия сдерживается во многом из-за негативного отношения к ней со стороны значительной части общественности. При этом главные доводы против строительства новых АЭС состоят в том, что энергетические потребности человечества могут быть удовлетворены и без использования внутриядерной энергии, что электростанции на ядерном топливе неприемлемы с точки зрения экологических требований и экономически неоправданны.

 Так ли это? Если да, то почему наиболее развитые страны мира (США, Япония, Франция и многие другие) с демократическим государственным строем, передовой наукой и техникой, рыночной экономикой не отказываются от атомной энергетики, а настойчиво ищут пути повышения безопасности и экономичности АЭС?

Чтобы попытаться ответить на этот и другие подобные вопросы, давайте внимательно посмотрим, какие энергоресурсы имеются в распоряжении человечества, каковы их достоинства и недостатки и, самое главное, в какой степени на них можно рассчитывать в ближайшей и более далекой перспективе.

Различные виды энергоресурсов (первичные источники энергии) принято подразделять на два вида – возобновляемые и невозобновляемые.

Возобновляемые энергоисточники будут существовать всегда, пока есть Солнце и Земля. К ним относятся энергия прямого солнечного излучения, энергия ветра, гидроэнергия (в том числе энергия океанских приливов) и др.

К невозобновляемым источникам энергии относят все виды ископаемого органического топлива (уголь, нефть, газ и др.). Строго говоря, в природе постоянно идет возобновление таких энергоресурсов, но этот процесс протекает с несопоставимо меньшей скоростью, чем расходование топливных запасов человечеством.

Рассмотрим достоинства и недостатки основных видов органического (т.е. углеводородного) топлива, которое в настоящее время играет ведущую роль в топливно-энергетическом балансе.

Рекомендуемые материалы

По существующим оценкам запасов нефти и газа хватит на несколько десятков, а угля – на несколько сотен лет, если сохранится нынешняя динамика прироста их потребления.

Уголь

Пожалуй, единственным достоинством угля по сравнению с другими видами органического топлива можно считать его большие запасы на Земле, которых должно хватить на многие сотни лет. В пересчете на условное топливо они более чем в 20 раз превышают ресурсы нефти.  Считается, что уголь будет призван сыграть роль «переходного» топлива на то время, которое понадобится человечеству для освоения каких-то новых стратегических источников энергии, например, управляемого термоядерного синтеза.

Заметим, что на такую же «буферную» роль претендует и атомная энергетика, но после аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году темпы ее развития существенно снизились.

Уголь образовался в результате длительного процесса превращения древних растительных остатков, скапливавшихся на дне доисторических болот, в твердую каменистую массу. В ходе этого процесса шло постепенное преобразование органического вещества сначала в торф, потом в бурый уголь, и с течением времени плотность угольных пластов все более  возрастала. Самые «созревшие» слои содержат антрацит, который считается наиболее ценной маркой угля и имеет настолько высокую твердость, что даже мог бы стать строительным материалом, не будь он высококачественным топливом. 

Такая природа угольных месторождений рождает одну из наиболее серьезных проблем при использовании угля в качестве котельного топлива - неоднородность его состава, даже в пределах одного угольного бассейна. Кроме того, существующие технологии добычи неизбежно приводят к засорению топлива пустой породой, так как толщина угольных пластов непостоянна. Еще сильнее различаются угли из разных месторождений – от низкокалорийных бурых до самых качественных углей (антрацитов).  

Такая особенность угольного топлива затрудняет разработку и внедрение новых прогрессивных технологий в теплоэнергетике, которые могли бы улучшить технико-экономические показатели и снизить вредное экологическое воздействие пылеугольных электростанций.

Качество добываемого угля напрямую связано с его зольностью при сжигании, а, значит, и с температурой плавления шлаков. В некоторых случаях возможны даже такие явления как неустойчивость горения топлива и зашлаковывание поверхностей нагрева котельных агрегатов золой.

Большие проблемы имеются также с транспортировкой угля. Речь здесь идет не только о высокой стоимости железнодорожных перевозок на далекие расстояния, хотя в условиях рыночной экономики такое обстоятельство само по себе очень весомо (тем более в России, где промышленность сосредоточена в европейской части страны, а крупнейшие угольные месторождения находятся за тысячи километров, главным образом в Сибири). Дело еще и в существенных потерях угля от пыления в процессе погрузки и транспортировки в открытых вагонах, в способности топлива к самовозгоранию во время перевозки по железной дороге, в смерзании влажных углей в вагонах в холодное время года. Важное значение будет иметь разработка экономичных способов превращения угля в жидкое или газообразное синтетическое топливо.

Наконец, пылеугольные ТЭС оказывают пагубное влияние на окружающую среду. Это вредное экологическое воздействие может приобрести глобальные масштабы при дальнейшем росте потребления угля в энергетике.

Вывод из всего вышесказанного может быть только один: в интересах всего человечества от использования угольного топлива на электростанциях желательно было бы отказаться как можно быстрее. Кстати сказать, в последние полтора десятилетия в отечественной теплоэнергетике это фактически и реализуется – во всех возможных случаях уголь стал заменяться природным газом. Даже появился термин «газовая пауза», означающий период временного использования газа в качестве основного котельного топлива - до наступления какого-то нового этапа, связанного с изменением структуры энергопотребления в России.

Таким образом, уголь в настоящее время в нашей стране фактически замыкает топливно-энергетический баланс, так как по совокупности значимых показателей он в целом уступает и газу, и нефти.

Вместе с тем, научно-технический прогресс в угледобывающей отрасли и заметное увеличение доли добычи открытым способом позволяют в перспективе надеяться на некоторое удешевление угля - в отличие от нефти и газа, которые постоянно дорожают.

Назовем основные месторождения угля в России. К угольным бассейнам федерального значения относятся:

- Кузнецкий бассейн (Кузбасс, Кемеровская область), где добываются высококачественные коксующиеся угли (кокс – это пористая масса, получаемая путем спекания угля при высокой температуре без доступа воздуха; кокс нужен для доменной выплавки чугуна; слабоспекающиеся угли называют «тощими», причем такое название никак не связано с теплотой сгорания); 

- Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс (КАТЭК) в Красноярском крае; здесь угли невысокого качества, низкокалорийные, высокозольные, сыпучие (пылящие), влажные (смерзающиеся), способные к самовозгоранию при перевозке; они залегают на небольшой глубине и поэтому могут добываться открытым способом в угольных разрезах, с использованием мощных роторных экскаваторов, оборудованных вращающимися ковшами.

Межрегиональное значение будут иметь:

- Печорский угольный бассейн (север России) с коксующимися углями;

- Южно-Якутский (Нерюнгринский) угольный бассейн, расположенный вблизи Байкало-Амурской железнодорожной магистрали (БАМ); здесь имеются значительные и к настоящему времени практически нетронутые запасы высококачественного коксующегося угля.

Залежи низкокалорийных бурых углей имеются в Подмосковье (слово «бурый» означает не цвет угля, а его качество; все марки каменного угля имеют черный цвет, но различаются твердостью и поверхностным блеском, например, гладкие куски антрацита могут блестеть почти как металлы).

В восточных и северных районах России обнаружены гигантские месторождения угля (сотни миллиардов и даже триллионы тонн) - Тунгусское, Ленское, Таймырское. Это очень далеко от основных потребителей электроэнергии, поэтому решающую роль в крупномасштабном освоении угольных запасов в отдаленных районах страны может сыграть прогресс в создании новых материалов, обладающих высокотемпературной («теплой») сверхпроводимостью.

Данное явление было открыто в середине 80-х годов прошлого столетия швейцарскими учеными-инженерами Беднорцом и Мюллером, а в последующие месяцы и годы исследователи из других стран развили их успех.

До этого открытия свойство сверхпроводимости материалов достигалось лишь при использовании жидкого гелия, который обеспечивает достижение очень низкой температуры - минус 269 ^оС. Гелий является сильно текучим веществом и имеет высокую стоимость, что ограничивает его применение.

Новые же керамические материалы на основе иттрия, бария, меди и других элементов могут проявлять сверхпроводимость уже при температуре жидкого азота (минус 196 ^оС), который в десятки раз дешевле жидкого гелия, намного технологичнее и может быть получен из обычного воздуха.

Высокотемпературная сверхпроводимость позволила бы свести к минимуму потери в линиях электропередачи (ЛЭП). Кроме того, появится возможность отказаться от нескольких ступеней преобразования напряжения электрического тока, неизбежных в настоящее время при транспортировке электроэнергии с помощью сверхвысоковольтных ЛЭП. Все это может решающим образом сказаться на экономической эффективности крупных электростанций (причем не только пылеугольных) в отдаленных районах России.

Определенную роль в топливоснабжении нашей страны играют также Донецкий угольный бассейн в Украине (высококачественные коксующиеся угли, добываемые шахтным способом) и Экибастузский топливно-энергетический комплекс в Казахстане (Павлодарская область), где открытым способом добывается низкокачественный уголь.

Следует сказать здесь несколько слов и о торфе, который, как было отмечено выше, можно считать «предшественником» угля в процессе образования угольных пластов. При разработке плана ГОЭЛРО (государственного плана электрификации России), принятого в 1920 году на VIII Всероссийском съезде Советов, торф рассматривался как один из видов котельного топлива для новых электростанций. Но сейчас он полностью вытеснен из теплоэнергетики из-за низкой скорости и температуры горения, а также по экологическим соображениям. Кроме того, запасы торфа совсем невелики.

Нефть

Нефть представляет собой сложную смесь сотен веществ, в основном различных углеводородов. Содержание углерода и водорода в ней превышает 90%, остальное приходится на долю кислорода, азота, серы. По вопросу о происхождении нефтяных залежей существуют разные гипотезы. Некоторые исследователи считают, что нефть образовалась из органических животных остатков. Есть и «неорганическая» версия, основанная на предположении о минеральной природе исходных продуктов, в процессе преобразования которых появились углеводородные соединения, составляющие нефть.

За нефтью прочно закрепилось другое ее название – «черное золото».  Несколько перефразируя слова великого русского ученого Д.И.Менделеева, можно образно сказать, что топить нефтью – это все равно, что топить ассигнациями. Так подчеркивается тот факт, что нефть является ценным химическим сырьем для производства различных пластиков, синтетических тканей, медикаментов, красителей и т.д.

На тепловых электростанциях чаще всего используется не сама нефть, а мазут, являющийся одним из продуктов ее переработки. Он выделяется из сырой нефти как темная фракция вслед за светлыми продуктами – бензином (самая горючая составляющая), керосином, соляркой (это краткое название солярового масла, т.е. газойля, используемого в качестве топлива для некоторых дизельных двигателей). Дальнейшая переработка самогό мазута позволяет получить вазелин, парафин, гудрон, смазочные масла, битум, асфальт, нефтяной кокс и др.

Технология перегонки, т.е. разделения сырой нефти на отдельные фракции, основана на том, что составляющие ее различные углеводородные соединения имеют неодинаковую температуру кипения. Это позволяет выделять нужные вещества путем их испарения из исходной смеси с последующей конденсацией.

Отметим, что при определенных температурах и давлениях можно путем крекинга (расщепления молекул) превратить одни фракции нефти в другие, более высокие, например, керосин или солярку в бензин. С этой точки зрения мазут также не стоит рассматривать только как «пропадающие» отходы, которым суждено лишь одно полезное применение – сгореть в котельных топках. Достижение более глубокой переработки нефти считается одной из ближайших задач топливно-энергетического комплекса страны.

Достоинствами мазута являются меньшие затраты на транспортировку (в железнодорожных цистернах или по трубопроводам) по сравнению с твердым и газообразным котельным топливом, а также высокая калорийность. К недостаткам следует отнести то, что вредные экологические последствия от сжигания мазута больше, чем при использовании природного газа. Как и уголь, нефть по своему составу бывает весьма различной, что может негативно отражаться и на качестве топлива для тепловых электростанций.

Что можно сказать о перспективах мазута как котельного топлива в энергетике? Желательно как можно быстрее отказаться от него, поскольку запасы нефти на нашей планете совсем невелики, и было бы разумно сохранить ее для себя и для новых поколений – хотя бы в качестве химического сырья. Казалось бы, это дело будущего, однако, думается, что весьма недалекого (во всяком случае, при разработке ЭС-2020 предусматривается использование добываемой в России нефти в основном для производства моторных топлив, а также как сырья в нефтехимической промышленности и для продажи другим странам).

Надо признать, что времена, когда открывались новые гигантские месторождения, а нефть долго фонтанировала из скважин, практически уже закончились. Сейчас доля трудноизвлекаемой нефти превысила 50%, средняя глубина бурения достигла нескольких километров, большинство разрабатываемых месторождений в главных нефтеносных регионах России вступило в стадию падающей добычи.

Ресурсы вновь открываемых месторождений в наше время в несколько раз ниже, чем у существующих, причем затраты на разведку достигают 50% от всех затрат на разработку месторождения. Нужно постепенно привыкать к тому, что новые залежи нефти придется искать под дном морей и океанов, в арктической зоне и других труднодоступных местах.

Ко всему вышесказанному необходимо добавить еще и то, что в последние десятилетия неуклонно ухудшается среднее качество добываемого сырья, все чаще приходится извлекать из недр не только «светлую» или «легкую», но и вязкую, густую нефть, как, например, на части месторождений в Башкортостане и Татарстане.

Нефтеносные залежи могут сопровождаться попутным газом, состав которого с химической точки зрения более ценный, чем у обычного природного газа. В цивилизованном мире полная утилизация попутного газа (а не бесполезное его сжигание в факелах) должна считаться обязательным условием эксплуатации нефтяных месторождений.

Сейчас основным местом нефтедобычи в нашей стране является Западная Сибирь (Самотлор, Нижневартовск, Сургут и др.), на долю которой приходится примерно 2/3 всей извлекаемой в России нефти. Продолжается эксплуатация нефтяных скважин в Волго-Уральском районе, который в свое время называли «вторым Баку» (в Татарстане ежегодно добывается около 30 млн т нефти, но запасов осталось немного). Среди новых месторождений можно назвать Тимано-Печорское, шельфы Каспийского и северных морей (Баренцева, Восточно-Сибирского, Лаптевых и др.). Континентальный шельф – это прибрежная часть дна морей и океанов, являющаяся как бы продолжением материка от берега до того места, где заканчивается постепенное нарастание глубины и начинается более крутой подводный склон. Обычно шельфы простираются до глубин примерно 200 м.

В странах ближнего зарубежья нефть в промышленных масштабах имеется в Азербайджане (бакинские нефтепромыслы, шельф Каспийского моря), Казахстане (Прикаспийская низменность, Гурьев, Мангышлак).

В Эстонии добываются горючие сланцы, которые можно рассматривать как нефть в твердом состоянии (горючие сланцы иногда называют сланцевой нефтью). С экологической точки зрения это топливо еще проблемнее, чем сама нефть.

Природный газ

Природный газ состоит в основном из метана CH₄. Другие составляющие - этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀ , пентан C₅H₁₂ и еще более сложные представители гомологического ряда углеводородов – образуют газовый конденсат при выходе добываемого газа из скважины, так как при обычных условиях (атмосферное давление и температура примерно 20 ^оC) они находятся в жидком состоянии. В небольших количествах метан содержится в угольных пластах, но объемы его извлечения оттуда пока незначительны - по экономическим причинам.

Из всех видов органического топлива газ обеспечивает наилучшие экологические показатели электростанции, поэтому он считается предпочтительным топливом для ТЭЦ в крупных городах. Газовое топливо наиболее удобно при подготовке к сжиганию, которая сводится только к регулированию давления газа. А есть ли какие-нибудь недостатки? Пожалуй, лишь один: транспортировка газа по трубопроводам экономична при высоком давлении и пониженной температуре (для увеличения плотности), требует высоконадежных компрессорных станций, потребляющих значительное количество электроэнергии. Можно перевозить сжиженный газ в цистернах, но железнодорожный транспорт дешевым не бывает.

Надо прямо сказать, что природный газ – это самое желанное топливо для энергетиков. При его использовании на ТЭС топливное хозяйство несравненно проще и экономичнее, чем при сжигании мазута и тем более угля. Если к этому добавить еще и необоснованные, явно заниженные тарифы на газ, то станет понятным постоянно возрастающий спрос на «голубое топливо» все последние годы.

Без установления экономически обоснованных цен «газовая пауза» в нашей стране может сильно затянуться. Кроме того, малозначительная топливная составляющая в себестоимости любой продукции не стимулирует осуществление эффективных мер по энергосбережению.

Между тем, затраты на газодобычу продолжают возрастать. Это происходит по тем же причинам, что и в нефтяной отрасли – скважины становятся все глубже и беднее, а сами месторождения все севернее и восточнее.  

Природный газ называют не только «голубым топливом», но и «голубым золотом», поскольку он, как и нефть, является ценным химическим сырьем.

Особо нужно подчеркнуть то, что газ удобен для использования в быту - достаточно хотя бы сравнить газовые плиты с электрическими или дровяными.

Основными положениями ЭС-2020 предусматривается использование добываемого в России природного газа:

- в качестве топлива для коммунально-бытового энергоснабжения (в том числе как котельного топлива ТЭЦ);

- в качестве сырья для химической промышленности, производства минеральных удобрений и т.п.;

- в технологических процессах металлургии, машиностроения, промышленности стройматериалов и др.;

Ещё посмотрите лекцию "СКОПАС" по этой теме.

- для экспорта.

Главным районом газодобычи в нашей стране сейчас является Западная Сибирь (север Тюменской области) – здесь извлекается более 80% всего объема газа. В советское время было построено 6 магистральных газопроводов, соединяющих этот регион с центром страны, в том числе газопровод Уренгой (место добычи газа) – Помары (бывшая Марийская АССР) – Ужгород (западная Украина) протяженностью примерно 4500 км.

Большинство месторождений тюменского севера (Медвежье, Уренгойское, Ямбургское и др.) вступило в период падающей добычи. Давно добывается газ в Оренбургской и Астраханской областях.

Новые месторождения расположены еще дальше от центра России – на полуострове Ямал, в Заполярье, на шельфах северных морей, в восточной Сибири (Ковыктинское месторождение в Иркутской области), на Дальнем Востоке.

Из стран ближнего зарубежья по объемам добычи и экспорта природного газа следует выделить Туркменистан, причем покупка Россией некоторого количества туркменского газа для снабжения южных районов нашей страны может быть признана экономически целесообразной.

Таковы основные достоинства и недостатки различных видов извлекаемого из недр Земли органического топлива. В следующей главе обратим наше внимание на те виды энергоресурсов, которые принято считать возобновляемыми.