Источники энергии. Классификация источников энергии

Основными источниками энергии для промышленности служат горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, пара, биомасса и ядерное топливо. Незначительная доля приходится на энергию ветра, солнца, приливов и геотермальную энергию.

Объем энергии, вырабатываемой в настоящее время на планете, составляет примерно 3×10¹⁴ кВт×ч в год.

Все энергетические ресурсы подразделяются на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые, топливные и не топливные.

Невозобновляемые энергетические ресурсы связаны с горючими ископаемыми. Среди них каменный уголь, нефть, природный газ, торф, горючие сланцы, битуминозные пески. Остальные виды энергии являются возобновляемыми. К ним относятся энергия солнца, ветра, приливов, био- и геотермальная энергии. Все перечисленные виды энергетических ресурсов являются первичными.

Вторичными энергоресурсами называют энергетический потенциал конечных, побочных и промежуточных продуктов и отходов химического производства, используемых для энергоснабжения установок, машин и механизмов. К ним относят теплоту экзотермических реакций, энтальпию отходящих продуктов процесса, а также потенциальную энергию сжатых газов и жидкостей. Предприятия нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и химической промышленности, а также металлургии располагают наибольшими ресурсами вторичной энергии, главным образом, в виде тепловой. Схематично классификация источников энергии приведена на рисунке 2.5.

Рис. 2.5. Классификация энергетических ресурсов

2.2.3. Рациональное использование энергии

Большая доля энергетических затрат в химической продукции требует рационального и экономичного подхода к использованию энергии. Критерием экономичности при этом является коэффициент использования энергии равный отношению количества энергии, теоретически необходимой для производства единицы продукции, к фактически затраченной энергии.

В случае высокотемпературных эндотермических процессов этот коэффициент не превышает 0,7, то есть свыше 30 % энергии теряется с продуктами реакции или путем теплопередачи через стенку в окружающую среду.

Существует ряд методов снижения тепловых потерь, которые сводятся к двум типам: разработке энергосберегающих технологий и экономичному использованию энергии при существующей технологии.

К первому типу относятся следующие мероприятия:

– разработка новых энергоэкономных технологий;

– замена применяемых методов разделения менее энергоёмкими, например, ректификацию на экстракцию;

– создание комбинированных энерготехнологических схем, объединяющих технологические операции, протекающие с поглощением и выделением энергии.

Ко второму типу энергосберегающих мероприятий относится:

– снижение тепловых потерь за счет эффективной теплоизоляции и уменьшения излучающей поверхности аппаратуры;

– снижение потерь на электросопротивление в электрохимических процессах.

2.2.4.Новые виды энергии в химической технологии

В последние десятилетия в химическую технологию все более интенсивно внедряются новые виды энергии, полученные с применением плазмохимических процессов, ультразвука, фото- и радиационного воздействия, низковольтного электрического разряда, лазерного излучения. Эти экстремальные воздействия способствуют активации молекул реакционной системы, возникновению в ней возбужденных частиц и инициированию химического, в том числе с высокой селективностью, процесса. Эта область составляет новый раздел химии – химию высоких энергий (ХВЭ), изучающую состав, свойства и химические превращения в системах, содержащих возбужденные частицы.

Из перечисленных процессов наиболее перспективными и универсальными являются плазмохимические процессы. Они отличаются протеканием химических процессов в плазменном состоянии.

Различают низкотемпературную (10³ – 10⁴ К) и высокотемпературную (10⁶ – 10⁸ К) плазму. В химической технологии применяют низкотемпературную плазму. Исследования по применению плазмы в химической промышленности проводились более чем в 70 технологических процессах, некоторые из которых внедрены в производство, в том числе:

– синтез тугоплавких соединений, таких как карбиды урана и тантала, нитриды титана, алюминия, вольфрама;

– восстановление металлов из оксидов и солей (железо, алюминий, вольфрам, никель, тантал);

– окисление различных веществ (азот, хлороводород, оксид углерода, метан);

– пиролиз углеводородного сырья;

– одностадийный синтез из элементов (аммиака, цианистого водорода, гидразина, фторуглеводородов);

– синтез соединений, образующихся только в условиях плазмы: озона, дифторида криптона, оксида серы (II), оксида кремния (II).

В промышленных масштабах плазмохимические процессы применяют для производства ацетилена и водорода из природного газа, ацетилена, этилена и водорода из нефтепродуктов, диоксида титана.

Плазмохимические процессы отличаются очень малым временем контакта 10^-2 – 10^-5с. Небольшое время контакта определяет незначительные размеры реактора. Плазмохимические процессы легко управляемы, оптимизируются и моделируются, и затраты энергии на их проведение не выше, чем в традиционных процессах.

Особое место в ряду перспективных источников энергии занимает водород. Его применение имеет ряд преимуществ:

– широкое распространение в земной коре (горючие ископаемые) и в виде практически неисчерпаемых водных ресурсов;

– высокое энергосодержание (в 3,5 раза выше, чем энергосодержание нефти);

– экологическая чистота продуктов сгорания (вода).

В России наиболее экономичный источник водорода – природный газ, из которого водород получают путем парокислородной или паровоздушной конверсии, базирующейся на химических реакциях (2.4, 2.5):

СН₄ + Н₂О ↔ СО + 3Н₂, (2.4)

СН₄ + ½О₂ ↔ СО + 2Н₂. (2.5)