Виды энергетических ресурсов

Прежде, чем говорить о важности и роли топливно-энергетического комплекса в мировой экономики, необходимо ознакомиться с первоосновой топливно-энергетического комплекса – с энергетическими ресурсами и их видами.

По видам энергетические ресурсы можно разделить на 2 группы.

Первая группа:

· Возобновляемые;

· Невозобновляемые.

Вторая группа:

· Первичные ресурсы;

· Вторичные ресурсы.

Начнем с первой группы с невозобновляемых источников энергии (энергетических ресурсов).

К невозобновляемым источникам энергии относятся природные источники, которые образуются или восстанавливаются гораздо медленнее, чем расходуются. Невозобновляемые это естественно образовавшиеся и накопившиеся в недрах планеты запасы веществ, способные при определенных условиях высвобождать заключенную в них энергию. К ним относятся ископаемые виды топлива и продукты их переработки:

· Каменный уголь;

· Бурый уголь;

· Горючие сланцы;

· Торф;

· Нефть;

· Природный и попутный газ;

· Ядерные ресурсы.

Такие энергетические ресурсы еще могут называться топливом. И Дмитрий Иванович Менделеев дал свое определение топливу:

«Топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты».

По происхождению топливо делится на:

· Природное (первичное);

· Искусственное (вторичное).

К природному относятся уголь, газ, нефть, торф, сланцы, древесина и т.д..

К искусственному топливу относятся дизельное топливо, бензин, кокс, брикеты и т.д..

Так же на виды топливо делится по своему агрегатному состоянию:

· Твердое (уголь, торф, сланцы, древесина и т.тд.);

· Жидкое (нефть и продукты ее переработки);

· Газообразное (природный и попутный газ);

· Расщепляющееся (ядерные ресурсы).

Еще топливо делится на виды по своему назначению:

· Энергетическое;

· Технологическое;

· Бытовое.

Органическое топливо (уголь, нефть и природный газ) составляет удельный вес в валовом энергопотреблении. Органическое топливо - результат теплового, механического и биологического воздействия в течение многих веков на останки растений и животных, откладывавшиеся в различных геологических формациях. Такое топливо всегда на углеродной основе, и энергия высвобождается из него, главным образом, в процессе горения с образованием диоксида углерода (углекислый газ).

Далее рассмотрим происхождение твердого топлива. Ископаемое твердое топливо (за исключением сланцев) является продуктом разложения органической массы растений. Самым молодым из твердых видов топлива является торф. Торф представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли. Они выглядят как землистая или черная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется («выветривается») и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, которые отличаются повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них антрацитов претерпела наибольшие изменения и на 93% состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твердостью.

Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 14000 млрд. т, из которых половина относится к достоверным (Азия 63%, Америка 27%). Наибольшими запасами угля располагают США и Россия. Значительные запасы имеются в ФРГ, Англии, Китае, на Украине и в Казахстане.

Все количество угля можно представить в виде куба со стороной 21 км, из которого ежегодно изымается человеком «кубик» со стороной 1,8 км. При таких темпах потребления угля хватит примерно на 1000 лет. Но уголь тяжелое неудобное топливо, имеющее много минеральных примесей, что усложняет его использование. Запасы его распределены крайне неравномерно.

Известнейшие месторождения угля:

· Донбасский (запасы угля 128 млрд. т),

·  Печорский (210 млрд. т),

· Карагандинский (50 млрд. т),

· Экибастузский (.10 млрд. т)

· Кузнецкий (600 млрд. т),

· Канско-Ачинский (600 млрд. т),

· Иркутский (70 млрд. т) бассейны.

· Тунгусское (2300 млрд. т, свыше 15% от мировых запасов)  

· Ленское (800 млрд. т, почти 13% от мировых запасов).

Добыча угля ведется шахтным методом (глубиной от сотен метров до нескольких километров) или в виде открытых карьерных разработок. Уже на этапе добычи и транспортировки угля, применяя передовые технологии, можно добиться снижения потерь при транспортировке, уменьшения зольности и влажности отгружаемого угля.

Перейдем к возобновляемому твердому топливу. Возобновляемым твердым топливом является древесина. Доля ее в энергобалансе мира сейчас чрезвычайно невелика, но в некоторых регионах древесина (а чаще ее отходы) также используется в качестве топлива. Как альтернатива древесине, в качестве твердого топлива могут быть также использованы брикеты. Брикеты - это механическая смесь угольной или торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.

Практически все жидкое топливо пока получают путем переработки нефти. Нефть, жидкое горючее полезное ископаемое, 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, смазочные масла, а также вазелин, применяемый, в медицине и парфюмерии. Сырую нефть нагревают до 300—370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции^ конденсирующиеся при различной температуре tk; сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, tk = 30—180 °С), керосиновую (около 11%, tk = 120—135 °С), дизельную (около 18%, tk = 180—350 °С. Жидкий остаток с температурой начала кипения 330—350 °С называется мазутом. Мазут, как и моторное топливо, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят, в основном, углерод (84-86%) и водород (10-12%). Мазут, получаемый из нефти ряда месторождений, может содержать много серы (до 4,3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при его сжигании. Зольность мазута не должна превышать 0,14%, а содержание воды должно быть не более 1,5%. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому ее часто используют в качестве сырья для получения, например, ванадия. В котлах котельных и электростанций обычно сжигают мазут, в бытовых отопительных установках печное бытовое топливо (смесь средних фракций).

Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т, из которых 53 млрд. т составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока: В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производства, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти. Разведанные запасы нефти все время увеличиваются. Прирост происходит в основном за счет морских шельфов. Поэтому все имеющиеся в литературе оценки запасов нефти являются условными и характеризуют только порядок величин.

Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля. Но нефть более удобное для использования топливо, особенно в переработанном виде. Поcле подъема через скважину нефть направляется потребителям в основном по нефтепроводам, железной дорогой или танкерами. Поэтому в себестоимости нефти существенную часть имеет транспортная составляющая.

Теперь, когда мы рассмотрели невозобновляемые источники энергии, можем перейти к возобновляемым. Возобновляемые источники в большинсве своем представлены электроэнергетикой за исключением древесных ресурсов, которые не относятся к электроэнергетике и электростанций использующих невозобновляемые виды топлива (их мы отдельно обозначим).

 В электроэнергетику входят:

· Тепловая электроэнергетика. В этом случае в электрическую энергию преобразуется термическая энергия сгорания органических видов горючего. К тепловой электроэнергетике относятся тепловые электростанции (ТЭС), которые бывают двух видов:

· Конденсационные (КЭС или ГРЭС);

· Теплофикационные (теплоэлектроцентрали, ТЭЦ). Теплофикацией называется комбинация выработок электрической и тепловой энергии на одной и той же станции.

КЭС и ТЭЦ имеют схожие технологические процессы. В обоих случаях имеется котёл, в котором сжигается топливо и за счёт выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подаётся в паровую турбину, где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает ротор электрогенератора — таким образом энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подаётся в электрическую сеть. Главным отличием ТЭЦ от КЭС является то, что часть нагретого в котле пара уходит на теплоснабжение.

· Ядерная энергетика. К ней относятся атомные электростанции (АЭС). На практике ядерную энергетику часто считают подвидом тепловой электроэнергетики, так как, в целом, принцип выработки электроэнергии на АЭС такой же, как и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании топлива, а при делении атомных ядер в ядерном реакторе. Дальше схема производства электроэнергии ничем глобально не отличается от ТЭС. Ядерное топливо является невозобновляемым ресурсом. Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер плутония-239 или урана-235. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом появляются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладаютколоссальной кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

· Гидроэнергетика. К ней относятся гидроэлектростанции (ГЭС). В гидроэнергетике в электрическую энергию преобразуется кинетическая энергия течения воды. Для этого при помощи плотин на реках искусственно создаётся перепад уровней водяной поверхности (т. н. верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний по специальным проточным каналам, в которых расположены водяные турбины, лопасти которых раскручиваются благодаря водяному потоку. Турбина  вращает ротор электрогенератора. Особой разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Их нельзя считать генерирующими мощностями в чистом виде, так как они потребляют практически столько же электроэнергии, сколько вырабатывают, однако такие станции очень эффективно справляются с разгрузкой сети в пиковые часы.

· Ветроэнергетика — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии.

· Гелиоэнергетика — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей.

Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики являются относительная маломощность станций при их дороговизне. Также в обоих случаях обязательно нужны аккумулирующие мощности на ночное (для гелиоэнергетики) и безветренное (для ветроэнергетики) время;

· Геотермальная энергетика — использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. По сути, геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара является не котёл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла. Недостатком таких станций является географическая ограниченность их применения: геотермальные станции рентабельно строить только в регионах тектонической активности, то есть, там, где естественные источники тепла наиболее доступны;

· Водородная энергетика — использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет крайне высокий КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно экологически чисто (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода). Однако в полной мере удовлетворить потребности человечества водородная энергетика на данный момент не в состоянии из-за дороговизны производства чистого водорода и технических проблем его транспортировки в больших количествах.

· Приливная энергетика использует энергию морских приливов и отливов. Распространению этого вида электроэнергетики препятствует необходимость совпадения крайне большого количества факторов при проектировании и строительстве электростанции: необходимо такое побережье, на котором приливы и отливы были бы достаточно сильны и регулярны. К примеру, на побережье Чёрного моря невозможно построить работающую приливную электростанцию, так как перепады уровня воды на Чёрном море в прилив и отлив слишком малы.

· Волновая энергетика при детальном рассмотрении может показаться самой перспективной. Волны представляют собой сконцентрированную энергию того же солнечного излучения и ветра. Мощность волнения в разных местах может превышать 100 кВт на погонный метр волнового фронта. Волнение есть практически всегда, даже в штиль («мёртвая зыбь»). На Чёрном море средняя мощность волнения примерно 15 кВт/м. Северные моря России — до 100 кВт/м. Использование волн может обеспечить энергией морские и прибрежные поселения. Волны могут приводить в движение суда. Мощность средней качки судна в несколько раз превышает мощность его силовой установки. Но пока волновые электростанции не вышли за рамки единичных опытных образцов.

Передача электрической энергии от электрических станций до потребителей осуществляется по электрическим сетям.

Электросетевое хозяйство — естественно-монопольный сектор электроэнергетики: потребитель может выбирать, у кого покупать электроэнергию (то есть энергосбытовую компанию), энергосбытовая компания может выбирать среди оптовых поставщиков (производителей электроэнергии), однако сеть, по которой поставляется электроэнергия, как правило, одна, и потребитель технически не может выбирать электросетевую компанию. С технической точки зрения, электрическая сеть представляет собой совокупность линий электропередачи (ЛЭП) и трансформаторов, находящихся на подстанциях.

Линии электропередачи представляют собой металлический проводник, по которому проходит электрический ток. В настоящее время практически повсеместно используется переменный ток. Электроснабжение в подавляющем большинстве случаев — трёхфазное, поэтому линия электропередачи, как правило, состоит из трёх фаз, каждая из которых может включать в себя несколько проводов. Конструктивно линии электропередачи делятся на воздушные и кабельные.

· Воздушные линии (ВЛ) подвешены над поверхностью земли на безопасной высоте на специальных сооружениях, называемых опорами. Как правило, провод на воздушной линии не имеет поверхностной изоляции; изоляция имеется в местах крепления к опорам. На воздушных линиях имеются системы грозозащиты. Основным достоинством воздушных линий электропередачи является их относительная дешевизна по сравнению с кабельными. Также гораздо лучше ремонтопригодность (особенно в сравнении с бесколлекторными кабельными линиями): не требуется проводить земляные работы для замены провода, ничем не затруднён визуальный контроль состояния линии. Однако, у воздушных ЛЭП имеется ряд недостатков:

· Широкая полоса отчуждения: в окрестности ЛЭП запрещено ставить какие-либо сооружения и сажать деревья; при прохождении линии через лес, деревья по всей ширине полосы отчуждения вырубаются;

· Незащищённость от внешнего воздействия, например, падения деревьев на линию и воровства проводов; несмотря на устройства грозозащиты, воздушные линии также страдают от ударов молнии. По причине уязвимости, на одной воздушной линии часто оборудуют две цепи: основную и резервную;

· эстетическая непривлекательность; это одна из причин практически повсеместного перехода на кабельный способ электропередачи в городской черте.

· Кабельные линии (КЛ) проводятся под землёй. Электрические кабели имеют различную конструкцию, однако можно выявить общие элементы. Сердцевиной кабеля являются три токопроводящие жилы (по числу фаз). Кабели имеют как внешнюю, так и междужильную изоляцию. Обычно в качестве изолятора выступает трансформаторное масло в жидком виде, или промасленная бумага. Токопроводящая сердцевина кабеля, как правило, защищается стальной бронёй. С внешней стороны кабель покрывается битумом. Бывают коллекторные и бесколлекторные кабельные линии. В первом случае кабель прокладывается в подземных бетонных каналах — коллекторах. Через определённые промежутки на линии оборудуются выходы на поверхность в виде люков — для удобства проникновения ремонтных бригад в коллектор. Бесколлекторные кабельные линии прокладываются непосредственно в грунте. Бесколлекторные линии существенно дешевле коллекторных при строительстве, однако их эксплуатация более затратна в связи с недоступностью кабеля. Главным достоинством кабельных линий электропередачи (по сравнению с воздушными) является отсутствие широкой полосы отчуждения. При условии достаточно глубокого заложения, различные сооружения (в том числе жилые) могут строиться непосредственно над коллекторной линией. В случае бесколлекторного заложения строительство возможно в непосредственной близости от линии. Кабельные линии не портят своим видом городской пейзаж, они гораздо лучше воздушных защищены от внешнего воздействия. К недостаткам кабельных линий электропередачи можно отнести высокую стоимость строительства и последующей эксплуатации: даже в случае бесколлекторной укладки сметная стоимость погонного метра кабельной линии в несколько раз выше, чем стоимость воздушной линии того же класса напряжения. Кабельные линии менее доступны для визуального наблюдения их состояния (а в случае бесколлекторной укладки — вообще недоступны), что также является существенным эксплуатационным недостатком.