Способы получения, транспортировки и преобразования энергии

2.1. Получение первичной энергии

В структуре мирового потребления первичной энергии (ко­нец XX в.) нефть составляла около 36 %.

Мировые запасы нефти сосредоточены в географических районах, не совпадающих с районами ее переработки и по­требления, благодаря чему существуют международные по­токи нефти.

Около 66 % мировых запасов (150 млрд т) нефти сосредоточены в Юго-Западной Азии, около 12 % - в Латинской Америке и только около 22 % мировых запасов нефти - в остальных географических районах.

В конце XX в. (с 1995 по 1998 г.) разведанные геологи­ческие запасы нефти увеличились благодаря открытиям но­вых месторождений в Бразилии, Восточной Венесуэлле, Се­верном Каспии, Карском море, Саудовской Аравии, бассейне реки Тарки в Западном Китае, в Новой Гвинее, восточной части Баренцева моря. Большие запасы этого топлива сконцентрированы в нетрадиционных источниках: сверх тяжелой нефти, битумах, нефтеносных песчаниках и слан­цах. Однако при высокой себестоимости извлечения нефти из этих источников ее добыча и использование проблема­тичны.

Рост добычи нефти стимулируется ростом цен на жидкое топливо, а также все большим распространением двигате­лей внутреннего сгорания, развитием нефтехимической про­мышленности.

Наиболее перспективными странами, исходя из соотно­шений запасов и добычи нефти, являются страны Ближнего и Среднего Востока. При сохранении темпов роста потреб­ления нефти конца XX в. ее запасов этим странам хватит более чем на 100 лет, в то время как в мире - в среднем на 48-50, а в странах СНГ и Восточной Европы - только на 20 лет. В последнее время добыча нефти значительно уменьшилась в России и Ираке и возросла в Центральной и Южной Америке, Австралии и Океании. Расширилась до­быча нефти в шельфовой зоне. Так, в Австралии более 95 % нефти добывается из шельфовых месторождений.

Разведанные запасы угля составляют около 1,24 трлн т, в том числе около 808 млрд т каменного и около 431 млрд т бурого. Основная часть (около 83 %) разведанных запасов угля находится в США, России, Китае, Великобритании, Германии, Австралии. Потребление угля растет незначительно из-за сильного загрязнения окружающей среды при его до­быче и использовании.

Около 50 % добычи угля осуществляется в США и Рос­сии, значительная часть - в Китае, Индии, Австралии, Герма­нии, ЮАР, Бразилии, Венесуэлле, Мексике, Колумбии. Дан­ный процесс требует значительно больших затрат, чем до­быча нефти и газа. В структуре мирового потребления пер­вичной энергии уголь составляет около 20 %.

Промышленные запасы газа концентрируются преиму­щественно в нефтеносных районах. Разведанные запасы природного газа составляют около 135 трлн м³. В странах СНГ - около 45 трлн м³, Иране - около 17 трлн м³, Объеди­ненных Арабских Эмиратах, Саудовской Аравии, США и Катаре - примерно по 6 трлн м³. Меньшие запасы природ­ного газа - в Канаде, Нидерландах, Юго-Западной Азии. Около 2/3 добычи природного газа осуществляется в стра­нах СНГ и США. Значительная часть мировой добычи при­родного газа приходится на Канаду, Нидерланды и Юго-За­падную Азию. По энергетическому эквиваленту мировые разведанные запасы газа составляют около 80 % разведан­ных запасов нефти. Увеличение добычи газа стимулируется значительно меньшим загрязнением окружающей среды. На мировой рынок поступает около 20 % мирового потреб­ления газа. В структуре мирового потребления первичной энергии газ составляет около 25 %.

Ядерное топливо является источником наиболее концен­трированной первичной энергии. Производство ядерного топлива - сложный технологический процесс, включающий добычу, обогащение руды и создание топливных элементов (твелов). Запасы извлекаемого природного урана почти в 100 раз больше запасов органического топлива (около 24 млн т). Годовая потребность в уране для действующих ядерных энергетических реакторов оценивается в 58 тыс. т. В структуре мирового потребления энергии ядерное топли­во составляет около 3,6 %.

Возобновляемая первичная энергия (энергия движу­щейся воды, ветра, излучения Солнца, биомассы) имеется в окружающей среде постоянно или периодически восстанавливается, но эта энергия, как правило, рассеянная. Для ее использования требуется создание концентраторов (аккуму­ляторов). Запасы этой энергии огромные, а использование не­значительное. В структуре мирового потребления первичная энергия возобновляемых источников составляет около 4,9 %.

2.2. Способы транспортировки первичной энергии

Сырая нефть и продукты ее переработки (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и др.) транспортируются по трубопро­водам, водным и, реже, железнодорожным и автомобильным транспортом. Основная часть природного газа транс­портируется по трубопроводам, незначительное количество -в сжиженном виде специальными танкерами, железнодорож­ным и автомобильным транспортом в цистернах и баллонах.

Основная часть угля используется в странах, его добыва­ющих. Транспортировка угля осуществляется железнодо­рожным и водным транспортом, более энергозатратным, чем трубопроводный. Осваивается транспортировка угля по тру­бопроводам в контейнерах в виде пульпы (50 % - измель­ченный уголь, 50 % - вода).

Для транспортировки ядерного топлива создаются спе­циальные контейнеры, которые оснащены защитными обо­лочками, снижающими радиоактивное излучение до норма­тивных пределов.

Местные виды первичной энергии (торф, дрова, биомасса) транспортируются на небольшие расстояния в основном же­лезнодорожным и автомобильным транспортом.

Возобновляемая первичная энергия не требует транспортиров­ки (концентрируется и преобразуется в местах ее нахождения).

2.3. Сравнение экономической и экологической эффек­тивности различных способов получения энергии

Основная часть первичной энергии (нефть, газ, уголь) из­влекается из недр Земли, чему предшествует разведка, оцен­ка запасов и технологического обеспечения. Коэффициент извлечения (отношение извлеченной массы к оценочной массе запасов в месте добычи) зависит от вида топлива, характе­ристики месторождения, технологии добычи. Извлеченное топливо транспортируется на переработку, а переработанное -к месту потребления.

Процессы разведки, добычи, транспортировки и использо­вания сопровождаются материальными, энергетическими зат­ратами и экологической нагрузкой на окружающую среду. Для различных энергетических источников перечисленные факторы не одинаковы. Различаются показатели и для оди­наковых источников энергии, но разных регионов и стран, применяемых технологий на каждом из этапов.

Экономическая эффективность различных видов топли­ва зависит от коэффициента извлечения, материальных и энергетических затрат на добычу, транспортировку, пере­работку топлива, а также затрат на возмещение причинен­ного при этом ущерба окружающей среде.

Для нефти коэффициент извлечения составляет 0,3-0,4. Добыча нефти - хорошо отработанный технологический процесс.

Коэффициент извлечения природного газа составляет 0,5-0,8. Стоимость добычи, транспортировки, технологического оснащения, материалоемкость и энергозатраты для газа выше, чем для нефти. Для создания запасов газа требуется соору­жение дорогостоящих, герметичных, чаще подземных газо­хранилищ большого объема.

Коэффициент извлечения угля составляет 0,25-0,5. До­быча угля (открытым или шахтным способом) - сложный, дорогостоящий технологический процесс, сопровождающийся значительно более высокими энергетическими и трудовыми затратами, чем добыча газа и нефти. Для угля характерны более высокие затраты на транспортировку и хранение.

При прочих равных условиях (добыча внутри государ­ства или поставка по мировым ценам и др.) экономически наиболее предпочтительно использовать нефть, а наименее предпочтительно - уголь.

В процессе добычи, транспортировки, хранения, перера­ботки и использования топлива происходит загрязнение окружающей среды, как самим топливом, так и продуктами сгорания.

Процесс добычи угля оказывает наибольшую нагрузку на окружающую среду. Эксплуатация угольного карьера сопровождается выводом из пользования больших земель­ных площадей, как правило, без последующей рекультива­ции. На большие расстояния разносится угольная пыль.

Наиболее значительное загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами происходит в местах добычи, при аварийных и других случаях утечки в процессе транс­портировки.

Загрязнение природной среды газом происходит за счет утечек при добыче, транспортировке и из газохранилищ.

При сгорании перечисленных видов топлива и продук­тов их переработки в процессе использования происходит выброс в атмосферный воздух, а затем попадание в почву и воду таких загрязняющих веществ, как оксиды азота, серы, углерода, углеводороды, сажа (при неполном сгора­нии), тяжелые металлы и др. Относительные выбросы ок­сидов азота (отношение выбросов оксидов азота при сжи­гании данного топлива к выбросам при сжигании эталон­ного бестопливного азота) для природного газа составля­ют 0,25-0,75, для нефти - 0,8-2, для угля - 2,6-3,9. Ана­логичное сравнение выбросов других веществ, а также валовых выбросов позволяет сделать вывод, что использо­вание газа оказывает наименьшее отрицательное воздей­ствие на окружающую среду.

В ядерном топливном цикле не используется кислород, в атмосферу не выбрасываются продукты горения, но происхо­дит радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наиболее опасно для живой природы, в том числе для человека.

2.4. Преобразование энергии и оценка его эффек­тивности

Энергию, способную совершить работу, называют вторич­ной (свободной). Эта энергия необходима для производства и хранения продуктов питания, приготовления пищи, созда­ния комфортных условий для проживания, функциониро­вания производства, транспорта и др. Поэтому все виды пер­вичной энергии преобразуют во вторичную (механическую, тепловую, электрическую).

Основная часть электрической энергии производится теп-лоэлектрогенераторами "огневым способом" (сжиганием органического топлива). Часть электрической энергии по­лучают преобразованием первичной энергии ядерного топ­лива в тепловую с последующим преобразованием в элект­рическую. Меньшая часть производится прямым преобра­зованием первичной возобновляемой энергии (воды, ветра, излучения Солнца, биомассы и др.). Незначительную часть электрической энергии получают путем проведения физи­ко-химических процессов, протекающих при низких темпе­ратурах (например, разложение воды на водород и кислород с последующим сжиганием водорода).

Тепловую энергию (основную часть) получают путем сжи­гания органического топлива в виде "лучистого тепла" (ин­фракрасное излучение) или теплоносителя (горячей воды, водяного пара под давлением и др.).

Незначительную часть тепловой энергии получают из возобновляемых источников:

- прямым поглощением солнечного излучения (солнеч­ные коллекторы);

- аккумулированием энергии солнечного излучения;

- извлечением энергии недр Земли (геотермальное тепло);

- извлечением энергии горячих течений (морей, океана);

- извлечением энергии из вторичных энергоносителей (теп­ловые насосы);

- отбором части энергии электроэнергетических установок;

- извлечением энергии биохимических реакций (обогрев теплиц);

- извлечением энергии отходов жизнедеятельности, в том числе твердых (свалка).

Основную часть механической энергии получают с помо­щью различных двигателей, которые преобразуют в меха­ническую энергию другие виды энергии, в большинстве слу­чаев - электрическую (электродвигатели).

Для обеспечения работы транспорта используются двигате­ли внутреннего сгорания, газотурбинные и реактивные, кото­рые в механическую энергию превращают энергию топлива.

Также механическую энергию получают из естественных источников:

- водяное колесо (гидротурбина);

- ветроколесо (ветряные мельницы и другие ветроэнерге­тические установки).

Наиболее доступной для использования является элект­рическая энергия. Для производства определенного количе­ства свободной энергии необходимо построить электростан­цию, добыть топливо, осуществить его транспортировку, обес­печить работу самой электростанции.

Общее количество электроэнергии, которое планируется получить от электростанции за срок ее службы, можно раз­делить на 2 части:

В настоящее время по всем видам ископаемого топлива отмечена тенденция к уменьшению значения энергоотдачи. Это объясняется усложнением добычи и ростом удаленнос­ти месторождений от энергопотребителей. Например, на пе­рекачку газа от многих месторождений расходуется до 10 % энергии, заключенной в нем.

Энергоотдача позволяет объективно, независимо от неус­тойчивости денежных единиц, сравнивать между собой эф­фективность как различных источников энергии, так и про­изводственных систем, включая учет затрат на восстановле­ние среды. Коэффициент энергоотдачи в среднем по всем ТЭС, без разделения на отдельные виды топлива, равен 5. Коэф­фициент энергоотдачи АЭС (при коэффициенте использования мощности 0,7, содержании урана в руде 0,1 %) без учета зат­рат на демонтаж и захоронение отходов - 4, а с их учетом - 2.

Анализ функционирования топливно-энергетических объектов показывает, что экономически наиболее эффектив­ны электростанции, не имеющие громоздкого топливного цикла: гидроэлектростанции, солнечные, ветряные, геотер­мальные и ряд других на возобновляемых источниках.

По мере усовершенствования технологий преобразова­ния энергии возобновляемых источников происходит ее по­стоянное удешевление. Например, с 1970 по 2000 г. сто­имость энергии, производимой солнечными элементами, сни­зилась с 60 долларов за киловатт-час до 24 центов, а на полупроводниковых системах - до 8-10 центов. Все эле­менты солнечных станций могут производиться в заводс­ких условиях и монтироваться на месте установки. В этом случае не требуются расходы на транспортировку топлива и вырабатываемой электроэнергии и теплоты на большие расстояния. Поэтому энергоотдача энергетического комп­лекса на возобновляемых источниках намного выше, чем энергоотдача энергетических комплексов на традиционных источниках энергии.

При выработке тепло- и электроэнергии огневым спосо­бом (путем сжигания органического добываемого топлива) выброс парниковых газов составляет около 1,4 кг на 1 кВт-ч. Наиболее высокие уровни выброса С0₂ имеют электростан­ции, работающие на угле, наименьшие - работающие на при­родном газе. Ядерная энергетика дает значительно меньше выбросов, загрязняющих атмосферу, чем другие ТЭС. В конце 2000 г. 17 % мирового производства электроэнергии состав­ляла энергия, выработанная на АЭС. Это позволило снизить выброс углекислого газа в атмосферу на 2,3 млрд т ежегодно.

Энергетика на возобновляемых источниках отличается огромными экологическими преимуществами, так как ис­пользуются чистые неисчерпаемые энергоресурсы. Главная трудность на пути широкого внедрения альтернативной энер­гетики - это создание промышленной инфраструктуры, обес­печивающей ее функционирование.