Органическое топливо

Энергетические ресурсы и их использование.

Значение энергии в жизни людей.

В 20-м столетии потребление энергии человеком увеличилось в 13 раз. В среднем увеличение в 2 раза потребления и выработкиэнергии, в том числе электрической, происходит в мире каждые 12-15 лет. Уровень жизни человека или уровень развития государства определяется уровнем производства и потребления электроэнергии на 1-го человека. Так, например, потребление в Индии на 1-го человека в 50 раз меньше, чем в США. В России в 2,5 раза меньше, чем в США. 30% населения используют 90% электроэнергии. В среднем на жителя Африки приходится 100 Вт мощности в год.

Современное человечество использует энергию в различных формах, а именно тепловой, механической, электрической, энергии электромагнитных полей.

Виды энергоресурсов и единицы измерения.

Энергоресурсы подразделяются на возобновляемые и невозобновляемые.

Невозобновляемые ресурсы человечество может использовать только 1 раз, т. к. их запасы практически не пополняются. Относятся: ископаемые, органическое топливо, торф, дрова, каменный уголь, горючие сланцы, нефть, природный газ. Невозобновляемыми являются также различные виды ядерного топлива и тепловая энергия Земли(геотермальная).

Возобновляемые источники постоянно пополняются либо непрерывно, либо циклически, непрерывно поступает энергия Солнца. Часть этой энергии превращается в химическую энергию биомассы, в химическую энергию движения воздушных масс в атмосфере(ветровую), энергию рек, энергия морских приливов и отливов обуславливается взаимодействием Луны и Земли. Значительная часть энергии получается от различных источников, преобразуют в промежуточную энергию для удобства передачи: электрическую, тепловую, исскуственного топлива.

При оценке количества энергоресурсов и масштабов их потребления используют различные единицы измерения. В России применяется система СИ (Дж, калл, кВтч и в тоннах условного топлива).

1Дж=1Вт*с

1кВтч=1000*3600Дж=3,6*10⁶ Дж

1калл=4,19Дж

Условным принято считать такое топливо, из 1 кг которого можно получить 7 тыс. ккалл равных 29300 кДж

Основной единицей мощности является Вт – это количество энергии, получаемое в 1 единицу времени, 1Вт = 1Дж/с

Органическое топливо

Из всех энергетических потребностей человека около 3% удовлетворяется за счет органического топлива. В органическом топливе запасена химическая энергия, которая образовалась в процессе различных преобразований, происходящих на Земле миллионы лет назад. Преобразование органического топлива путем его сжигания происходит в различных устройствах: в очагах, топках, камерах сгорания. Образовавшаяся в процессе химической реакции окисления тепловая энергия может использоваться как напрямую или, как правило, в виде других теплоносителей.

В большинстве случаев органическое топливо, извлеченное из месторождения, нуждается в небольшой переработке.

Температурный уровень при сжигании топлива можно варьировать в очень широких диапазонах. Легкой регулировке поддается тепловая мощность.

Общей чертой органического топлива является их низкая концентрация энергии по сравнению с другими. Количество энергии, которое выделяется при сжигании 1 кг топлива, называется удельной теплотой сгорания.

Торф 6-9 МДж/кг

Б.уголь 8-16

К. уголь 14-30

Горюч.сланцы 5-13

Нефть 40-42

Горюч.газ 32-60 кДж/м³

Как правило, месторождение топлива располагается вдалеке от промышленных центров, поэтому встает проблема транспортировки.

Атомная энергия

Для производства атомной энергии используется ядерное горючее – изотоп урана 235, который в природе встречается в урановой руде в очень малом количестве – 0,7%, а остальное составляет изотоп урана 238. Поэтому перед сжиганием ядерного горючего урановая руда проходит обогащение на обогатительных фабриках и концентрация урана 235 поднимается до 2-3%.

Для превращения ядерной энергии в тепло используются ядерные реакторы. В реакторе атомы урана 235 бомбардируются нейтронами. В результате бомбардировки атомы расщепляются, образуя 2-3 свободных нейтрона, которые бомбардируют другие атомы, в результате происходит “цепная реакция” делений атомов урана. Если этой реакцией не управлять, то “цепная реакция” происходит мгновенно и называется ядерным взрывом. 1г урана распадаясь даст 23,5 МВтч тепла, равного 8300МДж. Это в 2 млн. раз больше, чем получается при сжигании 1г нефти.

С учетом неизбежных потерь и пересчетом на природный уран, эффективность тепловыделения получается больше в несколько сотен раз, чем нефти. Высокая концентрация энергии в единице ядерного топлива является его большим достоинством. Благодаря этому нет необходимости строить атомные станции вблизи месторождений.

Количество ядерного горючего, находящегося в активной зоне реактора , должно быть не меньше некоторой величины, называемой критической массой, зависящая от степени обогащения урана и некоторых конструктивных особенностей реактора. Большие затраты требуются также на утилизацию ядерных отходов.

Ядерная (атомная) станция наиболее эффективна, когда единичная мощность блоков высокая, например 1 млн. кВт. У нас в стране используется 2 типа ядерных реакторов: РБМК-1000 и ВВЭР-1000.РБМК – реактор большой мощности канальный. ВВЭР – водоводяной энергетический реактор. Если ограничиться на станциях только запасом урана 235, то запас этого топлива эквивалентен запасам органического топлива.

Термоядерная энергия.

Огромное количество энергии получается при термоядерной реакции синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития – это изотопы водорода, имеющих массу 2 и 3. Чтобы осуществить реакцию синтеза, надо заставить ядра дейтерия и трития сталкиваться с огромными скоростями, которые достигаются при нагревании газов до температуры 100 млн К.

Д + Д → ³Не + n + 3,2 МэВ

Д + Д → Т + р + 4,0 МэВ

Реализация данных Реализация данных реакций требует высоких температур.

Д + Т → ⁴Не + n + 17,6 МэВ

Проблема - дейтерий и тритий находятся в океане. Трития слишком мало по сравнению с дейтерием, его в 10¹⁸ меньше, чем водорода.

Геотермальная энергия.

За счет естественного распада радиоактивных элементов в недрах Земли поддерживается высокая температура. В среднем при углублении на 33м температура повышается на 1°С. В средах с вулканической активностью рост температуры более значителен. Современная техника позволяет бурить скважины до 15 км, там температура 700 К. Стоимость таких скважин очень велика, а при транспортировке тепла будут иметь место значительные потери. Однако есть места на земной поверхности, где тепло близко подходит(на Камчатке на 3,5км температатура 600К). От горячих слоев земной коры происходит нагрев воды, которую человек использует для своих нужд .Такая перегретая вода находится под давлением 5-6 МПа. При снижении давления такая вода частично превращается в пар. В Н. Зеландии на базе этого вырабатывается окло 40% всей производимой энергии, в Италии 6%. Во многих случаях воды имеют недостаточную температуру для использования на электростанциях, однако с успехом применяется для обогрева жилищ и теплиц.

В процессе многолетних наблюдений выяснили, что Земля остывает, поэтому мы можем считать,что геотермальная энергия невозобновляемая.

Солнечная энергия.

Количество энергии, непрерывно излучаемой Солнцем, составляет громадную величину: 3,5*10³⁰ кВтч/год. Поверхности Земли достигает значительно меньше: 10¹⁸ – это в 10 тысяч раз больше количества энергии, которое содержится во всех видах топлива, добываемого на Земле. Своим происхождением энергия Солнца обязана термоядерной реакции. С практической точки зрения, Солнце является неиссекаемым источником энергии. Рассосредоточенность энергии по поверхности Земли ослажняет ее использование. Существует 3 основных пути использования солнечной энергии:

1. Создание различных нагревательных теплоустановок, использующих тепловую энергию, полученную от Солнца. Концентрируя солнечную энергию с помощью зеркал, удается повысить температуру до 4000°С. Такие устройства не нашли широкого применения из-за их высокой стоимости и зависимости от погоды.

2. Прямое преобразование лучистой энергии Солнца в электрическую применяется на космических аппаратах и мало эффективно из-за атмосферы.

3. Фотосинтез – посредством которого зеленые растения улавливают солнечные лучи, превращая их в химическую энергию органических веществ. Несмотря на преимущество солнечной энергии над другими видами, в ближайшее время не приходится ожидать этого вида энергии в общем балансе. Значительный рост наблюдается только в районах с большим солнечным потоком и с большим количеством солнечных дней в году.

Ветровая энергия.

Движение воздушных масс Земли (ветер) возникает из-зи неравномерного прогрева солнцем. На движение воздушных потоков оказывает влияние движение Земли. Общая энергия ветра в 2,5-3 раза превышает количество энергии, расходуемое человеком в год. Однако реально может быть использовано около 5% энергии ветра. Сегодня на долю ветровой энергии приходится 0,1%. Имеются и реализованы проекты ветровых эл.станций мощностью 150 МВт.

Гидроэнергия.

Энергия рек.

Движение воды рек есть одно из проявлений круговорота воды в природе.Разность уровней обусловливает потенциальную энергию рек. Однако не везде эта энергия доступна для использования. По оценкам реально может использоваться 4-я часть гидропотенциала. Но и это в 2 раза превышает потребление энергии человеком. Практически доля энергии, вырабатываемой на ГЭС для большинства стран составляет 10-20%. Особенности гидроэнергии – жесткая привязка к географии рек.

Полезно может использоваться энергия морских приливов. Под действием притяжения Луны уровень воды в океанах и открытых морях периодически меняется. Из-за высокой стоимости строительства приливных эл.станций и проблем с эксплуатацией данный вид станций не нашел широкого применения.

§2. Топливно-энергетическая сеть РФ.

С чисто технологических позиций энергетика охватывает добычу энергоресурсов, производство, преобразование, транспортировку и использрвание различных энергоресурсов. Данную цепочку производств и преобразование называют топливно-энергетическим комплексом (ТЭК). В качестве подсистем входит: система топливоснабжения, система электро и теплоснабжения и система ядерной энергетики.

ТЭК

с-ма угле- с-ма нефте- с-ма газо- с-ма эл. и с-ма ядерной

снабжения снабжения снабжения теплоснабжения энергетики

1 2 3 4 5

1. Углеснабжающая система России занимает одно из первых мест в мире по добыче угля. Крупнейшее месторождение: Канско-Ачинский угольный бассейн и Кузнецкий бассейн. Они удалены от промышленных центров, что затрудняет их использование.

2. Нефтеснабжающая система страны объединяет нефтепромыслы, магистральные трубопроводы и насосные станции для перекачки нефти к местам ее переработки: заводы и нефтехранилища. В сыром виде нефть не сжигается, а используется мазут.

3. Газоснабжающая система России занимает второе место в мире после США по объему добычи. В настоящее время эксплуатируется около 100 месторождений природного газа, крупнейшие: Зап. Сибирь, север. Данная система включает около 100 магистральных газопроводов, по которым газ подается в европейскую часть и на Запад.

4. Электро- и теплоснабжающая система включает все установки, обеспечивающие потребителей электрической и тепловой энергией.

5. Система ядерной энергетики состоит из предприятий по добыче и переработке ядерного топлива и использование его в ядерных реакторах, заводах по восстановлению отработанного горючего, уничтожению и консервации отходов.

Особенности ТЭК:

1. Непрерывность и неразрывность процесса производства и потребления энергии.

2. Сильные внутренние технические и экологические связи, основанные на широкой взаимозаменяемости подсистем.

На 1 января 1996 года производственный потенциал ТЭК характеризуется следующими показателями:

Количество нефтяных скважин________________________________________144 тыс.

Количество газовых скважин__________________________________________5,5 тыс.

Протяженность магистральных нефтепроводов__________________________49тыс. км

Протяженность магистральных газопроводов____________________________148 тыс. км

Общая протяженность ЛЭП___________________________________________2,5 млн. км

Количество нефтеперерабатывающих заводов_________________________ __28

Доля продукции ТЭК в валовом внутреннем продукте_____________________ 27,5%

Доля предприятий ТЭК стоимости основных

производственных фондов страны _____________________________________35.4%

В мировом масштабе Россия обладает значительными энергетическими ресурсами. На ее территории, занимающей 10% суши Земли где проживает 2.6% населения Земли, сосредоточенно свыше 38% разведанных запасов газа, 13% нефти,12% угля. В промышленно развитых странах на развитие ТЭК направляется 25-30% от общего объема инвестиций. В нем занято 10-15% населения. Также масштаб определяют повышенный спрос и интерес к проблемам и перспективам развития энергетики. Скачкообразное возрастание этого интереса произошло в начале 70-х в период энергетического кризиса. Именно с этого момента начались серьезные и всесторонние исследования долгосрочных перспектив развития мировой энергетики. В результате произошли значительные изменения:

1. сегодня ясно, что экспотенциальный характер развития энергетики с учетом конечности запасов энергоресурсов, должен смениться периодом постепенного затухания темпов производства, приближаясь к постоянному.

2. Был сделан вывод о том, что система мирового хозяйства может избежать кризисных ситуаций, связанных с энергетикой, если общество будет придерживаться стратегии оптимизации своего развития, в том числе в сфере энергопотребления, проводя масштабную энергосберегающую политику.

3. Необходимо четко представлять, что эра расточительства дешевых энергоресурсов закончилась. Сегодня мы являемся свидетелями дорожания энергетических топлив за счет усложнения их добычи в более отдаленных труднодоступных районах: север, болото, морское дно.

§3. Технический аспект развития энергетики.

Виды энергии и их источники.

В современной физике выделено 15 видов энергии, их практическая ценность определяется по следующим показателям:

1) количество источников и величина их ресурсов на Земле

2) способность к возобновлению этих ресурсов

3) возможность непосредственного использования

4) возможность накоплять и сохранять

5) возможность транспортировки на дальние расстояния

6) экономичность и скорость превращения в другие виды энергии

7) концентрация в единице объема или веса

По первому показателю среди невозобновляемых источников энергии лидируют следующие виды:

энергоноситель вид запасенной энергии процесс превращения

В тепловую энергию

ядерное топливо термоядерное синтез ядер легких

элементов

ядерное топливо атомная реакция деления

изотопов урана

орг.топливо химическая реакция горения

вода, пар, подземные тепловая(геотермальная) ----------

источники

Если получение в промышленных масштабах ядерной энергии достигло стадии практического освоения, то человечество бы безграничный экологически чистый источник энергии. По оценкам ученых, такое возможно к середине столетия.

Запасы ядерного горючего для реакции деления оцениваются числом, в 200 раз меньше. На 3-м месте стоит химическая энергия ископаемых органических топлив: нефть, газ, уголь, запасы которого оцениваются в 55 тысяч триллионов кВтч. Это примерно в 650 раз больше, чем потреблялось в 2000 году. Внутреннее тепло Земли не может быть рассмотрено как сколько-нибудь значительное. Среди возобновляемых источников на 1-м месте энергия солнечных лучей, которая соизмерима с запасами атомной энергии, получаемой в реакциях деления. Однако практическое использование солнечной энергии осложняется ее низкой концентрацией.

На втором месте находится энергия морских приливов. Вместе с тем, зоны морских и океанических приливов, чаще всего удалены от центров потребления электрической энергии. Эти факторы не позволяют рассматривать энергию приливов в качестве существенного средства обеспечения электрической энергией на сегодня или в будущем. Аналогичный вывод приходится сделать и в отношении энергии ветра, запасы которой в 2.5 раза превышают годовое потребление. Полезно может быть использовано только 5%.

Энергия рек также относится к возобновляемым источникам энергии. Мировой гидроэнергетический потенциал оценивается в 30 триллионов кВтч. Из которых практически может быть использовано 20-25%, что в 2 раза превышает ежегодное потребление эл. энергии.

Все перечисленные источники энергии относятся к разряду первичных, из числа которых на Земле непосредственно используется электромагнитное излучение Солнца в виде тепла и фотосинтеза растений, а также тепло земных недр в виде пара и горячей воды. В повседневной жизни люди используют вторичные виды энергии, получаемые за счет преобразования первичных.

На первом месте из вторичных стоит тепловая энергия, на долю которой приходится 75% всей потребляемой энергии. Это, в первую очередь, расход тепла на промышленные нужды к отоплению. На долю механической энергии приходится 24% от всей потребляемой энергии – привод различных устройств. И 1% - доля электрической энергии в преобразованной форме.

В общем случае на пути от источника до потребителя осуществляется серия преобразований одного вида энергии в другую. Наиболее часто используется 6 превращений, в которых участвуют 5 видов энергии:

А Э

Т

Х М

Несовпадение первичных и непосредственно используемых полезных форм энергии, а также мест добычи и использования энергоресурсов, порождает ряд технических проблем:

1. Транспортировка энергоносителей

2. Преобразование одних форм энергии в другие

3. Аккумулирование энергии

Проблема транспортировки энергоносителей.

На сегодня наиболее развит транспорт 3-х видов энергии:

1. Химической, запасенной в массе органических топлив

2. Тепловой энергии, содержащейся в веществе, имеющем температуру выше температуры окружающей среды

3. Электрической, переносимой потоком электронов по линии электропередач

Эффективность транспорта топлива тем выше, чем больше его энергоемкость или теплотворная способность (калорийность). На первом месте по эффективности транспортировки находится природный газ, затем – нефть, каменный уголь, бкрый уголь. Горючие сланцы и торф относятся к низкосортным топливам, которые не подлежат транспортировке на большие расстояния и используются в местах добычи. В мировом масштабе на первом месте по объему транспортировки находится нефть. В сыром виде она переводится на нефтеперегонные заводы, где разделяется на фракции. Сырая нефть транспортируется 2-мя способами:

1. по трубопроводам

2. с помощью танкерного флота

В последнем случае на сырую нефть приходится 70%, а на нефтепродукты – 30%.

Технические проблемы трубопроводов транспорта.

1. Создание коррозионно стойких металлических труб большого диаметра.

2. Повышение производительности и надежности нефтеперерабатывающих станций.

Эффективность перевозки нефти танкерным флотом увеличивается с ростом дальности перевозок и одиночной мощности танкера. Сегодня создаются танкеры вместимостью 500-800 тыс. тонн.