Энергетические ресурсы Земли

Почти вся энергия поступает на поверхность земли от солнца, за исключением небольшого количества теплоты за счет радиоактив­ности земной коры, наличия раскаленного земного ядра, а также гра­витационной энергии взаимодействия земли с луной и солнцем. Даже органическое топливо, используемое сегодня, обязано своим проис­хождением фотосинтезу растительности болот доисторической эпохи. Однако не весь поток энергии солнечного излучения, интенсив­ность которого составляет примерно 1,4 кВт/м², утилизируется; при­мерно 30-40% этого потока энергии рассеивается прямым отражени­ем. Коэффициент отражения (альбедо) зависит от характерных особенностей поверхности, на которую падают лучи солнца, т.е. от того, является ли она песчаной пустыней, снежной равниной, водной гладью, облачностью и т.д.

Проблема обеспечения возрастающих потребностей в электроэнер­гии намного облегчилась бы, если бы стало возможным эффективное прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Такое преобразование может осуществляться и уже осуществляется, но его КПД очень низкий, и получаемая при таком КПД энергия служит лишь незначительным добавлением к основному количеству энергии, производимой с помощью органического топлива, геофизических ис­точников и ядерных реакторов деления.

Органические топлива (первичная энергия).

Органические топлива, т. е. уголь, нефть и природный газ, состав­ляют сейчас и будут составлять в перспективе подавляющую часть всего энергопотребления. Образование органических топлив являет­ся результатом теплового, механического и биологического воздей­ствия в течение многих столетий на останки растительного и живот­ного мира, откладывавшиеся во всех геологических формациях. Все эти топлива имеют углеродную основу, и энергия высвобождается из них, главным образом, в процессе образования двуокиси углерода (диоксида углерода).

Нефтяное топливо.

Сырая нефть, поступающая из скважин, представляет собой смесь углеводородов от летучих газолинов (не путать с автомобильным бензином) до очень вязких гудронов. Она обычно представляет со­бой смесь молекул из трех основных углеводородных групп: парафи­нов, циклопарафинов или лигроинов и ароматических смол. В неболь­ших количествах в ней содержатся также другие элементы, химически связанные с молекулами углеводородов: сера (до 6%), кислород (до 4%), азот (до 1%) и следы некоторых металлов. Кроме основных уг­леводородных молекулярных структур в нефти присутствует много компаундов со значительно большей молекулярной массой, образо­ванных удлинениями или соединениями основных молекулярных блоков. Например, в одной из проб сырой нефти было обнаружено бо­лее 300 различных углеводородов.

Нефть в сыром виде не находит широкого применения, но она может быть превращена в исключительно ценные нефтепродукты путем ее переработки. Это общее понятие включает три основных процесса: физическое разделение смеси, риформинг и ректификацию. Производство различных видов продукции из нефти должно регули­роваться в соответствии с потребностью в них в зависимости от сезо­на, колебания спроса и их расходом в качестве сырьевых материа­лов. Большинство перерабатывающих заводов сооружается для переработки какого-либо одного определенного вида сырья, и сырье других сортов, имеющее иные характеристики, например повышен­ное содержание серы, для них не подходит.

Именно благодаря столь широкому разнообразию исходных ма­териалов, содержащихся в сырой нефти, последняя стала высоко це­ниться. Однако, несмотря на исключительно широкий ассортимент продукции, получаемой из нефти и имеющей широкий спрос на рын­ке, — от нейлона до красителей, от медикаментов до пластиков, — доля нефти, используемой в качестве сырья для нефтехимии, состав­ляет менее 3% ее суммарной добычи. Большая часть произведенных из нефти продуктов сжигается. Представляется, что в ближайшем будущем такое положение сохранится, — по крайней мере, до того, пока затраты на энергию, получаемую таким путем, будут ниже, чем на энергию, получаемую на базе других источников.

Природный газ.

Природный газ, в основном метан, обнаруживается вместе с мес­торождениями нефти в пропорции примерно 1300 м³ газа на 1 т сы­рой нефти или в отдельных месторождениях газа.

Новейшие достижения в области энергетики, а также создание га­зопроводов большого диаметра и больших океанских танкеров, в которых можно поддерживать достаточно низкую температуру, что­бы перевозить сжиженный газ, обеспечивают хорошие перспективы для использования большей части всего имеющегося в недрах Земли газа. Используя приведенное выше соотношение и оценки мировых конечных ресурсов нефти, для предельной добычи газа Q_∞ получим диапазон от 235 до 380 трлн. м³.

Более тяжелые компоненты природного газа — этан, бутан, про­пан и другие — при нормальных температуре и давлении (т.е. 20°С и 0,1 МПа) находятся в жидком состоянии. При выходе природного газа из скважины они удаляются из газового потока для того, чтобы их конденсат не затруднял передачу газа; добыча газового конденса­та регистрируется в газовой промышленности отдельно. В среднем по США соотношение добычи газового конденсата и сырой нефти составляет 220 кг конденсата на 1 т сырой нефти.

Уголь.

Уголь имеет принципиально иное происхождение, чем нефть. Про­исхождение последней связывают с осадочными отложениями в мор­ской воде, в то время как уголь образовался из осадков органических веществ в пресной воде доисторических болот. Уголь обнаруживает­ся в пластах всех геологических эпох — от нижнего палеозоя (350 млн. лет тому назад) до сравнительно недавнего четвертичного периода (1 млн. лет тому назад). Последовательность возникновения угля (торф, лигнит, бурый уголь, суббитуминозный и битуминозный уголь, антрацит) — от недавних растительных образований до наиболее твердых, с высоким содержанием углерода, сортов угля.

Высокая теплота сгорания угля определяется высоким содержа­нием в нем водорода и количеством углерода. Поскольку содержа­ние водорода до какой-то степени зависит от содержания углерода, очевидно, что воздействие бактерий разрушает углеводородные мо­лекулярные структуры, составляя химически активный водород и уг­лерод. Следовательно, чем дольше происходит это воздействие, тем вероятнее повышение теплоты сгорания угля. Вообще, чем старее уголь, тем выше его качество (или сортность, если использовать тер­минологию, принятую в промышленности). Большая разница в теп­лоте сгорания различных сортов угля очень затрудняет оценку уголь­ных ресурсов, поскольку нужно знать не просто количество извлекаемого угля, но, что важнее, количество энергии, которое мож­но получить из него.

Уголь добывается более 1000 лет, а его использование в крупных масштабах насчитывает, по меньшей мере, 200 лет. Хорошо изучено и расположение угольных пластов. Задача оценки извлекаемого объе­ма угля значительно проще, чем аналогичная задача для нефти. Но, как и для нефти, процессы, происходящие в недрах, не изучены и ни­когда не смогут быть изучены полностью. Как следствие, оценки за­пасов угля по прошествии определенного периода времени по мере поступления новой информации должны пересматриваться в сторо­ну их повышения.

Древесное топливо.

Состоит в основном из клетчатки С₆Н₁₀О₅ (50-70%) и межклеточного вещества лигнина (20-30%). Ценность древес­ного топлива состоит в малой зольности (до 1%), отсутствии серы и большом содержании горючих летучих (до 85%). Возможная значи­тельная влажность (W^p до 60%) существенно снижает его теплотвор­ную способность. Иногда для дров вводят понятие абсолютной влаж­ности, определяемой по формуле:

 

W=(G-G₁)100/G₁,%,

где G и G₁, — вес влажной и высушенной до постоянного веса при Т= 100-105°С древесины, кг.

Соответственно по этой влажности дрова подразделяются на:

1. Воздушно-сухие с содержанием влаги до 25%.

2. Полусухие с содержанием влаги от 26 до 30%.

3. Сырые с содержанием влаги более 50%.

Отходы растениеводства.

По своей структуре и топливным харак­теристикам близко подходят к древесине. Большинство из них отличается относительно высокой теплотворной способностью (табл.). Для сравнения приведены данные по городскому мусору.

Средние значение Q_M^P для растительных отходов, ккал/кг.

Солома	Костра льняная	Коробочки хлопчатника	Стебли хлопчатника	Подсолнечная лузга	Рисовая шелуха	Городской мусор