Экологические особенности выработки электроэнергии

 

           Добыча, транспортировка, использование органических топлив серьезно загрязняет окружающую среду. (Проблема с добычей угля – известны, добыча нефти и газа дает оседание почвы. Пример, месторождение Лонг-Бич, США – земная поверхность опускается до 10 м.). Сжигание топлива – много побочных веществ – CO, CO₂, H₂O, NO_x, SO_x. Отходящие газы поглощают инфракрасное излучение земной поверхности и часть его отражается на Землю («парниковый эффект»). При сжигании топлива образуется теплота, часть которой трансформируется в электроэнергию (h=0,4) или в механическую энергию (автомобиль). Масштабы загрязнения окружающей среды на примере тепловой электростанции мощностью P=2400 МВт работающей на угле: за 1 час работы она сжигает 1100 т угля (калорийность 22,7 мДж/кг, зольность 23%, сернистость 1,7) выбрасывая в атмосферу 10 млн м³ дымовых газов, содержащих 2350 т CO₂, 250 т паров воды, 35 т SO₂, 9 т NO₂, 2 т летучей золы, сжигает кислорода – 820 тыс. т; потребляет 17 – 20 вагонов угля в час; приблизительно 10% теплоты уходит в атмосферу с дымовыми газами, более 50% теплоты отводится в процессе охлаждения конденсаторов турбин водой из реки, водоема или градирни. Для ТЭС – 2400 требуется 300 тыс. м³ воды в час для охлаждения конденсаторов турбин.

           В целом энергетика загрязняет окружающую среду приблизительно на 50% из 100%.

 

Невозобновляемые источники энергии: производство, особенности, запасы, прогнозы.

 

           Традиционными источниками энергии являются органические топлива (уголь, нефть, природный газ), имеющие углеродную основу. Энергия освобождается из них, главным образом, в процессе образования CO₂ при горении. Удельная теплота сгорания:

§ бензин – 4,6×10⁷ Дж/кг;

§ сырая нефть – 4,3×10⁷ Дж/кг;

§ газовый конденсат – 3,5×10⁷ Дж/кг;

§ уголь – (3 ¸ 5,5) ×10⁷ Дж/кг;

§ мазут – теплосодержание 8000 – 8500 Ккал/кг.

Процесс горения органических видов топлива:

C + O₂ = CO₂ + тепло   (1.4)

           В таблице 1.18 представлены объемы производства невозобновляемых источников энергии.

Таблица 1.18

№ п/п	Ресурсы	1985 г, ЭДж	2000 г, ЭДж	2020 г, Эдж
1	Уголь	115	170	259
2	Нефть	216	195	106
3	Природный газ	77	143	125
4	Ядерная энергия	23	88	314

 

           Существуют различные прогнозы потенциальных ресурсов органического топлива находящегося в недрах земли. Запасы ископаемого органического топлива составляют примерно 15000×10⁹ тут, из которых около 10000×10⁹ тут приходится на уголь, а 1500×10⁹ тут приходится на нефть и природный газ. Извлекаемые же (в соответствии с современной технологией и экономическом рентабельностью добычи) запасы оцениваются в 25…50% прогнозируемых.

           В таблице 1.19 предоставлены прогнозируемые оценки мировых ресурсов ископаемого топлива.

Мировые ресурсы ископаемого топлива

Таблица 1.19

Топливо	Доказанные		Вероятные, млрд. тут	Всего, Млрд. тут
	млрд. тут	%
Обычная нефть	130	3,35	360	490
Нефть из сланцев	50	1,51	720	770
Нефть з песков	50	1,51	360	410
Природный газ	30	2,38	270	350
Уголь	2000	60,5	7730	9730
Лигнит	1000	30,25	2400	3400

           Примечание: лигнит – разновидность бурого угля (65 – 71% углерода) с древесной структурой.

           Оценка мировых запасов урана в тоннах:

1. Достоверно подтвержденные – 2191700 т.

2. Расчетные дополнительные – 2176200 (79% США по цене 130 USD за кг).

Подсчитано, что все израсходованное с 1900 г. по 1975 год топливо составило 245 млрд. тут. Суммарная же потребность в энергоресурсах всех видов на период наших дней до 2100 г. с учетом прогнозируемого темпа энергопотребления (3 и 2%) может составить около 6000 млрд. тут.

           Прирост производства энергии за счет развития добычи нефти и газа иллюстрирует потребление нефтегазового топлива в 1885 г:

§ СССР – 65%

§ США – 77%

§ Западная Европа – 65-70%

США половину сырой нефти получают по морю из других стран. Западная Европа 95% нефти ввозит из стран Ближнего Востока. Япония целиком ввозит нефть.

           Рост потребления топливно-энергетических ресурсов в мире: 1970 – 9.4 млрд. т.у.т, 1990 – 16,8 млрд. т.у.т. Прирост производства энергии за счет развития добычи нефти за 100 лет (1860 – 1960 года) на Земле добыто 18 млрд. т нефти, за 20 лет (1961 – 1981) – 44,5 млрд т нефти.

           Уголь добывается более 1000 лет, а его использование в крупных масштабах насчитывает не менее 200 лет. Хорошо изучено и расположение угольных пластов. Происхождение нефти связывают с отложениями в морской воде (по гипотезе Менделеева нефть образуется под влиянием высоких температур и огромного давления в глубинах земли как результат синтеза органической материи и неорганических веществ), а угля – с осадочными отложениями в пресной воде доисторических болот. Последовательность возникновения угля: торф, лигнит, бурый уголь, суббитуминозный и битуминозный уголь, антрацит, т.е. от недавних растительных образований до наиболее твердых с высоким содержанием углерода, сортов угля.

           К 1910 г. доля ископаемых углей в мировом энергетическом балансе достигла 90%. Растет очень быстро абсолютное количество потребляемой энергии. С 1850 по 1950 года израсходовано энергии столько, сколько было израсходовано примерно за 10 предыдущих столетий. Со времени добычи угля человечество сожгло примерно 100 млрд. тонн, но ¾ этого количество – после 1900 года.

           Сырая нефть, добываемая из скважин – смесь углеродов (от летучих газолинов до вязких гидролинов) количество которых доходит до 300, кроме этого в ней – сера до 6%, кислород до 4%, азот до 1% и следы некоторых металлов. Из нефти после переработки получают: газовый конденсат (пропан, бутан), растворители, бензины автомобильные и авиационный, топливо для реактивных самолетов, дизельное топливо, мазут. Нефтехимия (примерно 3% суммарной добычи): от нейлона до красителей, от медикаментов до пластиков.

           Нефть в природе есть и в твердом состоянии – в веществе называемом «кероген», здесь другая молекулярная структура. При дистилляции получается жидкое топливо.

           В последние годы возрастающее значение приобретают морские разработки нефти на шельфе (полоса моря у берега с глубиной до 200 м). Площадь шельфов в мире 22×10⁶ км². Кроме чистой нефти в природе есть ее большое количество, поглощенной разными породами земли: песком, глиной и др. Добыча нефти из смеси в настоящее время экономически не выгодна. Процесс отделения – сложный и дорогой.

           Природный газ в основном метаны находится в основном вместе с нефтью пропорции 1 т сырой нефти – 1300 м³ газа. Более тяжелые компоненты природного газа (этан, бутан, пропан) при температуре в 20°С и давлении 0,1 МПА – в жидком состоянии – газовый конденсат. Обычно извлекают с помощью современных методов около 35% содержащейся в месторождении нефти. Для увеличения добычи закачивают в пласт воду или CO₂. Коэффициент нефтедобычи пластов может быть повышен в 1,5 – 2 раза в недалеком будущем. Поэтому оценка запасов нефти пересматривается раз в несколько лет в сторону ее повышения.

           Для разработки, реализации и внедрения крупных проектов по использованию природного газа больше чем в других секторах экономики необходимы стабильность и надежность экономики, политики, общества и ОС. Обычно проекты по экономичному использованию газового месторождения рассчитываются на 30 лет (до истощения). На этот срок рискуют и экспортеры, и импортеры. Изменение значения газа в энергоснабжении сира вызвано следующими факторами:

§ Значительным увеличением рентабельности извлекаемых запасов;

§ Увеличением спроса на газ, вызванное его безотходным сжиганием и эффективной транспортировкой, легкостью маневрирования этим видом топлива;

§ Соответствием требованиям эффективности и безопасности использования;

§ Относительно благоприятным воздействием на ОС.

Содержащиеся в недрах запасы органического топлива возникли в результате воздействия солнечных лучей на биосферу и процессе длительного развития Земли. Подсчитано, что общее количество солнечной энергии, падающей в среднем на Землю в течении суток, эквивалентно примерно 540 млрд. т условного топлива. Путем фотосинтеза может быть усвоена лишь та часть солнечной энергии, которая падает на биологически активные поверхности, составляющие 10% всей поверхности земли. Если допустить, что реальная эффективность фотосинтеза равно 0,1…1%, то возможные темпы накопления органического топлива на земле могут составлять 20…200 тут в год.