Классификация энергетических ресурсов

Энергетическими ресурсами называют запасы энергии, которые могут быть использованы для энергоснабжения. Источниками энергии могут служить вещества, энергетический потенциал которых достаточен для последующего преобразования их энергии в другие ее виды с целью целенаправленного использования. Различают источники следующих видов энергии: тепловой (солнечное излучение, тепловая энергия недр Земли), механической (энергия водных и воздушных потоков, морских приливов и волн), химической (энергия органического топлива, растительного и минерального), ядерной (ядерное горючее).

Энергетический потенциал веществ является параметром, позволяющим оценить принципиальную возможность и целесообразность их использования как источников энергии, и выражается в единицах энергии: джоулях (Дж) или киловатт-часах (кВт×ч).
На практике широко применяется внесистемная единица калория (кал) и ее производные килокалория (ккал) и гигакалория (Гкал). Соотношения между единицами теплоты и тепловой мощности составляют:

1 Дж =1 Н×м = 2,78×10^-7 кВт×ч = 0,239 ккал;

1 кВт×ч = 3,6×10⁶ Дж = 3,6 МДж = 860 ккал;

1 кал = 4,187 Дж;

1 Гкал = 10⁹ кал = 10⁶ ккал = 4,187 ГДж = 1,163 МВт×ч;

1 Вт = 1 Дж/с = 0,86 ккал/ч = 0,239 ккал/с;

1 Гкал/ч = 1,163 МВт = 4,187 ГДж/ч.

Кроме того, весьма распространенной единицей является «тонна условного топлива»
(т у.т.) с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29 309 кДж/кг). При сгорании одной тонны условного топлива количество выделившейся теплоты составляет

7 Гкал = 29,309 ГДж = 8,141 МВт×ч.

По степени разведанности и значению для промышленного использования энергетические ресурсы разделяют на три основные категории – А, В и С. К категории А относят запасы, хорошо разведанные и подготовленные для добычи; к категории В – запасы, геологически обоснованные и относительно разведанные; к категории С – запасы предположительные, относительно слабо разведанные, устанавливаемые по геологическим прогнозам и географическим данным.

Энергоресурсы условно разделяют на первичные и вторичные. Первичными называют источники энергии, энергетический потенциал которых является следствием природных процессов и не зависит от деятельности человека (ископаемые горючие и расщепляющиеся вещества, геотермальные воды, солнце, ветер, реки). Вторичными энергоресурсами называют вещества, обладающие определенным энергетическим потенциалом и являющиеся побочными продуктами деятельности человека, например, отработавшие горючие органические вещества, городские отходы, горячий отработанный теплоноситель промышленных производств, нагретые вентиляционные выбросы, отходы сельскохозяйственного производства.

Ресурсы первичных источников энергии на Земле оцениваются общими запасами каждого источника и его энергетическим потенциалом, т. е. количеством энергии, которая может быть выделена из единицы его массы. Чем выше энергетический потенциал вещества, тем выше эффективность его использования как первичного источника энергии и, как правило, тем большее распространение оно получило при производстве энергии.

Так, например, нефть имеет энергетический потенциал, равный 40 000 – 43 000 МДж на 1 т массы, а природный и попутный газы – от 47 210 до 50 650 МДж на 1 т массы, что в сочетании с относительно невысокой стоимостью добычи сделало возможным их быстрое распространение как первичных источников тепловой энергии.

Первичные энергоресурсы разделяют на невозобновляющиеся и возобновляющиеся.

Отличительной особенностью возобновляющихся энергоресурсов является их ежегодная восстанавливаемость, поэтому их рассчитывают на год их использования. При сравнении их энергетического потенциала с потенциалом невозобновляющихся энергетических ресурсов обычно принимают срок их использования в 100 лет. Одним из традиционных возобновляющихся энергетических ресурсов являются запасы гидроэнергии рек, используемой для производства электрической энергии на гидроэлектростанциях.Общие геологические ресурсы энергии рек оценивают в 3,5 – 4,0 млрд т у. т./год. Разведанные ресурсы энергии рек составляют 1,23 млрд т у. т./год. В настоящее время используется 16 % мирового потенциала энергии рек.

Вторым видом традиционных возобновляющихся энергетических ресурсов является биотопливо,получаемое из биомассы растений и животных. Типичными видами биотоплива являются древесина и сельскохозяйственные растительные и животные отходы. Основным источником биотоплива являются леса, занимающие 30 % суши и производящие ежегодно до 50 млрд. т у. т./год биомассы, а также солома в количестве 1,5 млрд. т/год, образующаяся в виде побочного продукта при производстве зерновых. Биомасса обеспечивает до 10 % мирового потребления первичной энергии и в настоящее время является основным источником тепловой энергии у населения развивающихся стран.

Солнечная энергия,т. е. энергия электромагнитной радиации солнечных лучей, достигающих земной поверхности, относится к самым крупным энергетическим ресурсам Земли. Средняя интенсивность солнечного излучения на 1 м² поверхности Земли составляет в сутки от 7,2 МДж на севере Европы до 21,6 МДж в солнечных засушливых районах.
До 35 % общей солнечной радиации отражается от земной поверхности, до 22 % расходуется на процессы испарения, конденсации, перемещений воздуха и воды, фотосинтез, а 43 % преобразуется в тепловую энергию. Энергетические ресурсы этой составляющей солнечной радиации существенно превышают разведанные ресурсы органического и ядерного топлива на Земле.

Косвенными видами солнечной энергии являются энергия ветра, энергия волн и тепловая энергия океана. Энергетические ресурсы этих источников существенно меньше солнечной энергии, но достаточно значительны для рассмотрения их в качестве перспективных.

Под геотермическими ресурсами понимают запасы подземных нагретых (термальных) вод, залегающих на технически доступной глубине и возобновляющихся естественным путем. Специфической особенностью термальных вод является их минерализация и насыщенность газами; давление вод обычно превышает атмосферное.

Геотермальные воды относятся к низкопотенциальным ресурсам и располагаются на глубине до 20 км в осадочных и изверженных горных породах. Температура воды по мере углубления от земной поверхности на 33 м увеличивается на 1 ^оС. В районах, подверженных вулканическим воздействиям, в газо- и нефтеносных районах, иногда в угольных бассейнах температура вод повышается быстрей. Так, на Камчатке температура увеличивается на 1 ^оС при углублении на 2 – 3 м. Теплота в недрах земли выделяется в результате распада радиоактивных элементов, сжатия и разрыва при складкообразовании в горных породах.

Геотермальные ресурсы, имеющие температуру более 15 °С и расположенные на глубине до 3 км, делят на 4 вида: горячая вода, сухой пар, горячая скальная порода и подземные воды под давлением; по температуре: до 100 °С, 100 – 150 °С и свыше 150 °С. Максимальная температура геотермальных ресурсов не превышает 360 °С. 88 % мировых геотермальных энергетических ресурсов приходится на низкотемпературные геотермальные источники энергии с температурой менее 100 °С. Основные ресурсы геотермальной энергии находятся в Северной Америке, в Западной и Восточной Европе.

Энергетическими ресурсами для производства термоядерной энергии в первом поколении термоядерных энергетических реакторов предполагаются ресурсы дейтерия и трития. Ресурсы дейтерия, сосредоточенного в воде Мирового океана, практически не ограничены и достигают 46 трлн т.

К невозобновляющимся энергоресурсам относятся энергонесущие полезные ископаемые, образование которых происходило в течение длительных геологических периодов и возобновление которых практически невозможно. Особенностью невозобновляющихся энергетических ресурсов (угля, нефти, природного газа, урана) являются их высокий энергетический потенциал и относительная доступность и целесообразность извлечения. До 90 % всех используемых в настоящее время энергетических ресурсов составляет эта группа, а в ней – ископаемые горючие органические вещества – органическое топливо. Темпы его добычи и потребления во многом определяют энергетическую политику.

Наибольшие энергетические ресурсы органического топлива сосредоточены в угле. Общие прогнозируемые геологические ресурсы каменного и бурого угля составляют
6000 – 15 000 млрд. т у. т., причем из них запасы каменного угля и антрацитов составляют примерно 77 %, а бурого угля – 23 %. Разведанные запасы угля не превышают
600 – 680 млрд т у. т. Основные разведанные запасы угля (89 % всех мировых запасов) сосредоточены на территории бывшего СССР, США и КНР. При годовом потреблении угля в количестве 3 млрд. т у. т. разведанные запасы угля будут исчерпаны через 200 – 230 лет. Геологических ресурсов нефти в мире в 20 – 30 раз меньше, чем угля, они составляют
286 – 515 млрд. т у. т. Месторождения нефти разведаны значительно полнее, чем угля. Основные геологические ресурсы нефти расположены на Ближнем Востоке, в Северной Африке, в России, КНР и Северной Америке, а также на континентальных шельфах в различных регионах мира. При добыче нефти степень извлечения ее из пласта не превышает 40 % запасов месторождения; при разработке новых технологий добычи нефти ресурсы ее месторождений могут быть увеличены в 2 раза. В мире есть также большие запасы так называемых нетрадиционных ресурсов нефти, для извлечения которой нужны новые технологии – это битуминозные пески и нефтеносные сланцы, а также уголь, который может быть сырьем в производстве синтетической нефти.

Ресурсы природного газа на Земле оцениваются в 177 – 314 млрд. т у.т., разведанные запасы составляют 39 – 55 % общегеологических. Степень извлечения природного газа из месторождений равна ~80 % по отношению к запасам. Основные мировые запасы природного газа расположены на территории России, в странах Ближнего Востока, в странах Северной Америки.