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 (Wp 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 QMP для растительных отходов, ккал/кг.
| Солома | Костра льняная | Коробочки хлопчатника | Стебли хлопчатника | Подсолнечная лузга | Рисовая шелуха | Городской мусор |