Тема 2. 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 тепловую, механическую, электрическую, химическую, ядерную и т. д. Возможная для практического использования че­ловеком энергия сосредоточена в материальных объек­тах, называемых энергетическими ресурсами.

Баланс производства электроэнергии в мире
(Бюллетень МАГАТЭ, 1997. Т. 39, № 1, с. 6)

Тепловые электростанции (уголь, нефть, газ)..... 63%
Гидроэлектростанции...............................................19%
Атомные электростанции........................................17%
Геотермальные электростанции............................0, 5%
Солнечные, ветровые электростанции.................0, 1%

Из многообразия энергетических ресурсов, 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.2)

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.3), 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.

Структура первичного энергопотребления в России по видам энергоносителей в 1985-2009 гг., млн. т. н. э.

Рис. 3. 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. 4. Характеристики мирового потребления энергоре­сурсов:

Э макс. и Э мин. - 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 странах иллюстрируется.

Несовпадения мест сосредоточения и потребления энергоресурсов вызывают необходимость их транспорти­ровки. 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 изотопы урана и тория: 2, 22 ГВт∙ ч/кг (8∙ 10¹² Дж/кг). Вследствие огромной энергоемкости ядерного топлива практически не сущест­вует проблемы транспортировки его на расстояние, так как для работы мощных энергетических установок требуются сравнительно малые его количества.

Таблица 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. Запасы топлива, имеющего различную энергоемкость, удобно выражать в условном топливе (под условным топливом понимают такое топливо, при сгорании 1 кг. которого выделяется 29, 3 МДж теплоты).

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. 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. 5. Графики роста мирового продукта и энергопотребления

Потребление энергоресурсов быстро растет, что вы­зывается непрерывным увеличением мирового промыш­ленного производства (рис. 4). Предполагалось, что к 2010 г. потребление энергоресурсов составит 160—240 тыс. ТВт-ч (что соответствует условному топливу массой 20—30 млрд.т).

Рис. 6. Графики изменения во времени мирово­го потребления различных энергетических ресур­сов, выраженных в условном топливе.

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. 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. 6).

Рис. 7. 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 предыдущего сто­летия основной прирост энергопотребления обеспечивался за счет при­родного газа, угля и ядерной энергии. В начале XXI века начинается 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 приходится около 40% суммарного производства первичных энергоресурсов в России. Поэтому 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. 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. 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 стран. Эти трудности, получившие в западных 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 развитыестраны перед необходимостью пересмотра их энергетической полити­ки. При этом в некоторых планах предусматривалось развитие атомной энергетики. Однако, пере­ориентация энергетической политики сопряжена со 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. 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 РФ приходится более 300 млн. кВт, что состав­ляет 15% от мощностей электростанций мира или 16% от производства электроэнергии.

В результате технического прогресса, совершенство­вания орудий труда, 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. 8

Рис. 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∙ 10³ 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∙ 10³ млрд. кВт∙ ч/8∙ 10³ кВт∙ ч/т = 25 млрд. т.

Полагая, что нашу планету населяют 6 млрд. чело­век, получим, что средний расход энергетических ресур­сов, приходящийся на долю каждого человека в течение года:

25 млрд. т/6 млрд. чел. = 4, 2 т.

Этот показатель следует считать ориентировочным, дающим общие представления о рассматриваемых про­цессах освоения энергетических мощностей и потребле­ния энергии.

Инженеру-энергетику необходимо иметь хотя бы общее представление о мировых запасах топлива. Раз­личные виды топлива имеют существенно разные энерго­емкости, величины которых приведены в табл. 2.

Таблица 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 РФ 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.

Разведанные запасы углей России очень велики, они достигают 193, 3 млрд т, составляя 18% мировых. Более значительными запасами располагают лишь США. На долю каменных углей и антрацитов приходится чуть менее половины (47, 6%) запасов; остальные запасы – на долю буры углей.

В России почти 80% запасов углей находится в Сибири, в том числе более 70% – в Кузнецком, Канско-Ачинском и Тунгусском угольных бассейнах. В европейской части страны, где расположены Печорский, Донецкий и Подмосковный бассейны, находится чуть менее 9% разведанных запасов России, на Дальнем Востоке – около 10%.

Более половины в разведанных запасах составляют высококачественные угли, с невысоким содержанием золы (до 15%) и серы (не более 1%). Более 20% в российских запасах (40 млрд. т) занимают коксующиеся угли, среди которых почти 20 млрд. т относится к особо ценным маркам; большая их часть (почти 60%) сконцентрирована в Кузнецком бассейне (Кемеровская обл.), около 20% – в Южно-Якутском бассейне в Республике Саха (Якутия), 11% – в Печорском бассейне Республики Коми и 9, 5% – в месторождениях Республики Тыва.

Немалое число угольных месторождений находится в слабо освоенных регионах с суровыми природными условиями; это некоторые месторождения Тунгусского, Зырянского, Ленского и Южно-Якутского бассейнов в Якутии, месторождения Таймырского муниципального района, Магаданской области, Чукотского АО и Сахалинской области. Их разработка требует высоких производственных и транспортных затрат.

В 2007 г. Государственным балансом учитывалось 1688 объектов с запасами углей. В распределённом фонде недр находилось 396 месторождений, сосредоточенных в основном в Кузнецком и Канско-Ачинском бассейнах; угли их отличаются высоким качеством, запасы составляют 15, 1% разведанных запасов РФ. Объекты нераспределенного фонда, как правило, заключают угли, сопоставимые по качеству с углями лицензированных объектов, но отличаются сложными горно-геологическими условиями отработки и/или расположены в регионах с неразвитой инфраструктурой.

Основные угольные бассейны

Угольный бассейн (тип углей*) Запасы, Добыча Качество углей

млрд т в 2007 г., Содержание, % млн т золы серы

Кузнецкий К, Б 51 161, 8 10-16 0, 3-0, 8 Канско-АчинскийБ, К 79, 6 38 5, 8-15 0, 3-1

Печорский К, Б 7, 3 10 8, 5-25 0, 5-1

Донецкий К 6, 5 5, 35 10, 5-29 1, 8-4, 2 Южно-Якутский К 4, 56 11, 5 5-50 0, 3-0, 5 Иркутский К, Б 7, 6 8, 75 7-15 1, 5-5

Минусинский К 5 9, 7 6, 6-29, 7 0, 5-0, 6 Подмосковный Б 3, 3 0, 38 31 3-5

* К – каменный, Б – бурый

В 2007 г. в России осваивалось значительное количество угольных месторождений: велось строительство 81 угольного предприятия (34 шахт и 47 разрезов) общей проектной мощностью 57, 4 млн т/год. Большая их часть (40 предприятий) сооружалась в Кемеровской области, еще 22 – на других территориях Сибирского федерального округа.

Динамика добычи угля в РФ с 1997г. по 2007г. (млн.т.)

Прирост разведанных запасов углей в результате геологоразведочных работ в 2007 г. составил 752, 9 млн. т; это произошло в основном в результате постановки на Государственный баланс запасов Сейдинского месторождения в Республике Коми, участка коксующихся углей Жерновский-1 в Кемеровской области и Побединской угленосной площади в Сахалинской области. Это позволило в полной мере компенсировать убыль запасов при добыче и даже в некоторой степени (на 265 млн. т, или на 0, 1%) увеличить по сравнению с 2006 г. количество разведанных запасов России. Предварительно оцененные запасы выросли на 219 млн. т, или почти на 0, 3%.

Добыча углей в России ежегодно увеличивается; в 2007 г. она выросла по сравнению с 1997 г. более чем на 26%, однако по сравнению с уровнем 2006 г. – всего на 1, 5%. Россия по добыче углей остается на пятом месте в мире после Китая, США, Индии и Австралии.

Большая часть углей извлекается в Кузнецком, Канско-Ачинском, Печорском и Южно-Якутском угольных бассейнах, дающих стране почти 77, 6% угля. В 2007 г. доля этих бассейнов в российской угледобыче увеличилась почти на 5%.

Более 75% добытых в 2007 г. углей – каменные, доля бурого угля ежегодно сокращается. В 2007 г. по сравнению с 2006 г. производство бурых углей снизилось на 5%, тогда как добыча коксующихся углей выросла по сравнению с предыдущим годом на 4, 5%, а каменных углей для энергетики – на 3, 2%.

Большая часть российской добычи углей сосредоточена в руках крупных угольных и металлургических компаний.

Крупнейшим продуцентом является ОАО «Сибирская угольная энергетическая компания (СУЭК)», владеющая угледобывающими предприятиями в Красноярском, Приморском и Хабаровском краях, Иркутской, Читинской и Кемеровской областях, в Республиках Бурятия и Хакасия, а также активами в двух российских энергогенерирующих компаниях. На ее долю приходится почти треть российской угледобычи, эта компания входит в десятку лидеров мировой угольной промышленности.

В последние годы в связи с ростом цен на коксующийся уголь интерес к угольным активам проявляют не только собственно угледобывающие, но и металлургические компании. В 2007 г. наиболее активными покупателями этих активов были сталелитейные компании.

Дальность перевозки каменных углей из Сибири 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 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 образованием углекислоты, воды и первоначальных азотистых соединений, то полученная при этом теплота будет отвечать энергии, доставленной растению Солнцем.

Среднее содержание различных элементов в камен­ном угле показано на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Примерный состав каменного угля

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.

На начало 2004 г. мировые запасы нефти составили 189 млрд тонн, что почти на 23% больше, чем два года назад. В том и другом случае рост произошел из-за изменения оценок в одной отдельно взятой стране. В первом случае - в Канаде, где в категорию доказанных неожиданно были включены запасы битуминозных песков, во втором - в Иране.

К началу 2003 г. мировые достоверные запасы нефти, по данным немецкого отраслевого объединения " Mineraloelwirtschaftsverband" (" MWV"), достигли рекордного уровня в 165 млрд. тонн по сравнению со 140 млрд. годом ранее. Причиной столь заметного их роста явилась переоценка запасов в Канаде. В условиях значительного роста цен в прошлом году и при использовании имеющихся технологий рентабельной стала разработка части ресурсов тяжелой нефти, содержащейся в битуминозных песчаниках и сланцах, что позволило увеличить оценку запасов в стране с менее 1 млрд. тонн до более чем 24 млрд. Таким образом, Канада, доля которой в глобальных запасах повысилась почти до 15%, в списке 10 наиболее богатых нефтью стран заняла второе место, оттеснив на третье Ирак (его доля превышает 9%). Лидером остается Саудовская Аравия, на которую приходится более 1/5 мировых запасов нефти.

Из государств с наиболее высоким уровнем запасов только два не являются членами ОПЕК - наряду с Канадой также Россия, запасы которой превышают 8 млрд. тонн, что соответствует доле в 5%.

Суммарная доля ОПЕК в глобальных запасах после выдвижения вперед Канады снизилась с 80 до 68%. Тем не менее на страны Ближнего Востока все еще приходится почти 60%. В то же время Америка смогла существенно повысить свою долю - с почти 15 до 26%. Удельный вес Западной Европы составляет около 2% (в том числе в Германии разведанные запасы исчисляются всего в 47 млн. тонн).

Достоверные запасы нефти по странам мира

на начало 2003 года (млрд. тонн)

" MWV" указывает, что с учетом залежей тяжелой нефти в битуминозных песчаниках и сланцах, которые не могут рентабельно разрабатываться в современных условиях, ее общие ресурсы в мире во много раз больше достоверных.

Россия обладает значительными запасами нефти, газа и руд металлов. По запасам нефти (по данным EIA: 48, 6 млрд. баррелей) Россия уступает только государствам Ближнего Востока и Венесуэле, а по запасам газа занимает 1-е место в мире (по данным EIA: 1, 7 трлн. куб. футов). До сих пор нефтяные компании работали лишь в некоторых ключевых районах, в частности на Урале и в Западной Сибири, в то время как огромные территории Сахалинского и Арктического шельфов, Тимано-Печорского бассейна и Восточной Сибири, где, по оценкам, возможно, также имеются значительные запасы, пока остаются неразведанными и неразработанными. Обеспеченность большинства российских нефтяных компаний подтвержденными запасами составляет не менее 15-20 лет, а издержки на разведку и разработку новых запасов взамен использованных, как правило, невысоки.

Сырьевую базу нефтегазового комплекса России на современном этапе ее геологического изучения и промышленного освоения составляют 2734 нефтяных, нефтегазовых, газовых и газоконденсатных месторождений, которые открыты в недрах, а также на континентальном шельфе Российской Федерации.

На долю России приходится 13-15% мировых текущих запасов нефти и газового конденсата и около 35% запасов газа. Разведанные извлекаемые запасы нефти в Российской Федерации оцениваются в 25, 2 млрд. тонн.

По разведанным запасам и добыче нефти Россия занимает второе место в мире. Начальные суммарные ресурсы нефти составляют по суше 87, 6%, по шельфу - 12, 4%. Месторождения нефти расположены в 40 субъектах Российской Федерации. Наибольшие из них сосредоточены в Западной Сибири - 69%, Урало-Поволжье - 17%, на Европейском Севере - 7, 8% и Восточной Сибири - 3, 6%. Основные разведанные запасы нефти расположены в Уральском федеральном округе (66, 7%).

Преобладающая часть запасов нефти России заключена в сравнительно небольшом количестве месторождений. Так, на месторождения с извлекаемыми запасами более 30 млн. тонн приходится 73% общероссийских запасов и около 76% добычи 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 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.