Энергетические ресурсы земли. Использование энергетических ресурсов. Исполнитель

Энергетические ресурсы земли. Использование энергетических ресурсов.

Энергия – всеобщая основа природных явлений, культуры и всей деятельности человека. В то же время энергия понимается как количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую. По видам энергия подразделяется на химическую, механическую, электрическую, ядерную и т.д. Возможная для практического использования человеком энергия сосредоточена в материальных объектах, называемых энергетическими ресурсами.

{spoiler=Подробнее}

Из многообразия энергоресурсов, встречающихся в природе, выделяют основные, используемые в больших количествах для практических нужд. К ним относятся органические топлива, такие, как уголь, нефть, газ, а также энергию рек, морей и океанов, солнца, ветра, тепловую энергию земных недр (геотермальную) и т.д.

Энергоресурсы разделяют на возобновляемые и не возобновляемые. К возобновляемым относят энергоресурсы, непрерывно восстанавливаемые природой (вода, ветер и т.д.), а к не возобновляемым – энергоресурсы, ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (например, каменный уголь).

Энергия непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия земли, ядерная), называется первичной.

Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на специальных установках – станциях, называется вторичной (энергия электрическая, пара, горячей воды и т.д.).

В своем названии станции содержат указание на то, какой вид первичной энергии на них преобразуется. Например, тепловая электрическая станция (ТЭС) преобразует тепловую энергию (первичную) в электрическую энергию (вторичную), гидроэлектростанция (ГЭС) – энергию воды в электрическую, атомные электрические станции (АЭС) – атомную энергию в электрическую, кроме того, первичную энергию приливов преобразуют в электрическую на приливных электростанциях (ПЭС), аккумулируют энергию воды – на гидроаккумулирующих станциях (ГАЭС) и т.д.

Получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе  энергетического производства, в котором можно выделить пять стадий.

1. Получение и концентрация энергетических ресурсов: добыча и обогащение топлива, концентрация напора с помощью гидротехнических сооружений и т.д.
   1. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энергию; она осуществляется перевозками по суше и воде или перекачкой по трубопроводам воды, газа и т.д.
   2. Преобразование первичной энергии во вторичную имеющую наиболее удобную для распределения и потребления в данных условиях форму (обычно в электрическую энергию и тепловую)
   3. Передача и распределение преобразованной энергии.
   4. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она доставлена потребителю, так и в преобразованной.

Если общую энергию применяемых первичных энергоресурсов принять за 100%, то полезно используемая энергия составит только 35-40%, остальная часть теряется, причем большая часть – в виде теплоты.

Потери энергии определяются существующими в настоящее время техническими характеристиками энергетических машин.

Потребление энергоресурсов быстро растет, что вызывается непрерывным увеличением мирового промышленного производства (рис5). Предполагается, что в 2000 году потребление энергоресурсов должно составить 160-240 тыс. ТВт-ч (что соответствует условному топливу массой 20-30 млрд. т.). Оставшихся после 2000 года мировых запасов энергоресурсов без учета возможностей ядерной и термоядерной энергетики, видимо, хватит еще на 100-250 лет. Эти данные, конечно, ориентировочны, однако все же они дают некоторую картину будущего. На рис.6 приведены данные о мировом потреблении важнейших энергоносителей.

мировой валовый продукт 10¹² долл. (в ценах 1972 г.)

25       75

                                                         - мировой   продукт

20       60

15       40                                             - энергопотребление

10       30

5          15

 1970    80      90   2000    10      20

рис5 График роста мирового продукта

и энергопотребления.

24

23

22

21                                                                                 ВСЕГО                           ГРАФИКИ  ИЗМЕНЕНИЯ  ВО  ВРЕМЕНИ                                                                                                                                           

20                                                                                                                         МИРОВОГО  ПОТРЕБЛЕНИЯ                                                                        

19                                                                                                                         РАЗЛИЧНЫХ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

18                                                                                                                         РЕСУРСОВ,  ВЫРАЖЕННЫХ  В

17                                                                                                                         УСЛОВНОМ  ТОПЛИВЕ

16                                                                                             (ФАКТИЧЕСКОЕ  И  ОЖИДАЕМОЕ)

15

14

13

12

11

10

9

8

7                                                                                  -------УГОЛЬ

6                                                                            ----------- НЕФТЬ

5

4

3                                                                            ----------ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО

2                                                                                 ------------ГАЗ

1                                                                                      ПРОЧИЕ (ДРОВА, ТОРФ, СЛАНЦЫ И ДР.)

0

           1900         20        40        60        80         2000

Общее мировое производство энергоресурсов приведенных к условному топливу, в 2000 г. ожидается равным  20 млрд. т. В его структуре ведущее значение будут иметь нефть и газ, доля которых составит 3/5 всего производства энергоресурсов; 1/5 будет приходиться на ядерное горючее; оставшуюся часть составят твердые топлива. (рис. 7).

100                                                               ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

80

                                                                      ПРИРОДНЫЙ ГАЗ

60         НЕФТЬ                                                                                                  РИС.  7     СТРУКТУРА  МИРОВОГО                                                                                                       ПОТРЕБЛЕНИЯ        ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

40                                                                                                                                         РЕСУРСОВ

20                   УГОЛЬ

   0

               1980               2000                   2020

Среди доступных энергоресурсов наибольшая доля приходится на уголь (75-80%); значительны запасы нефти (10-15%)  и газа (5-10%); все остальные энергоресурсы в совокупности составляет менее 2%.

В результате технического процесса, совершенствование орудий труда, средств транспорта, использования научных достижений в практических целях человечество освоило огромные электрические мощности, составляющие примерно 8-10 млрд. кВт. Если считать, что энергетические установки в среднем работают с КПД, равным 0,2, то для получения освоенной полезной мощности требуется извлекать природные энергетические ресурсы с мощностью, равной 40-50 млрд. кВт. (8/0,2=40 и 10/0,2=50).

Мощность в течение суток и года изменяется. Использование мощности характеризуется графиком, показанным на рис. 8

Рmax                                                         

                     Тmax

                                                           5000            8760 Т, ч

Заменяя  реальный график условным прямоугольником равновеликой площади, получим расчетный параметр – продолжительность (время) использования максимальной мощности Тм и определим используемую в мире энергию. Ориентируясь на меньший показатель, получим:

Э = 40 млрд. кВт - 5000 ч. = 200 - 10³ млрд. кВт-ч

Выразим эту энергию в массе условного топлива. Т. к. 1т. такого топлива содержит энергию, равную 8000 кВт-ч, то, следовательно, для приведения в действие энергетических установок в течение года потребуется

200 -10³  млрд. кВт-ч./8-10³ кВт-ч/т. = 25 млрд. т.

Полагая, что нашу планету населяют 5 млрд. человек, получим, что средний расход энергетических ресурсов, приходящийся на долю каждого человека в течении года:

25 млрд. т./5 млрд. чел. = 5т.

Этот показатель следует считать ориентировочным, дающим общие представления о рассматриваемых процессах освоения энергетических мощностей и потребления энергии.

Виды энергетических ресурсов и их запасы.

Инженеру-электрику необходимо иметь хотя бы общее представление о мировых запасах топлива. Различные виды топлива имеют существенно разные энергоемкости, величины которых приведены в таблице 1:

Уголь.  Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 12000 млрд. т., из которых 6000 млрд. т. относятся к достоверным.

Узбекистан располагает большими запасами угля и по геологическим его запасам занимает второе место в Центральной Азии. Добыча угля в Узбекистане ведется на трех месторождениях: Ангренском, Шаргуньском и Байсунском с общими запасами – 2 млрд. тонн.

При добыче угля попутно извлекаются ценнейшие минерально-сыревые ресурсы: каолины, известняки, кварцевые пески, галечники и др. редкоземельные элементы, которые являются мощной сырьевой базой для развития многих видов современных производств.

Нефть.  Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т., из которых 53 млрд. т. Составляют достоверные запасы.

Оценки достоверных запасов нефти по своей природе динамичны. Их величина изменяется по мере проведения разведок новых месторождений.

Быстрый рост потребления нефти определяется в основном четырьмя причинами:

1. развитием транспорта всех видов и в первую очередь автомобильного и авиационного, для которых жидкое топливо незаменимо;
2. улучшением показателей добычи, транспортировки и использование (по сравнению с твердым топливом);
3. стремлением в кратчайшие сроки и с минимальными затратами перейти к использованию природных энергетических ресурсов;
4. стремлением в промышленно развитых странах получить, возможно, большие прибыли за счет эксплуатации нефтяных месторождений развивающихся стран.

Природный газ.  Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 трлн. м³ Нефть и газ нужны не столько на энергетическое сырье, сколько как сырье для химической промышленности. В настоящее время известно более 5000 синтетических полезных продуктов, получаемых из нефти и газа, и число их ежегодно увеличивается. Однако пока только 3-5% от добытых запасов перерабатываются как химическое сырье. Нефтяные и газовые месторождения открываются на глубине и оцениваются только бурением глубоких скважин. Затраты на бурение составляют более 70% от затрат, расходуемых на проведения геологоразведочных работ.

В недрах Узбекистана находятся огромные залежи нефти и газа. Около 60% территории республики являются перспективными для их добычи. Разведанные запасы газа составляют около 2 трлн. кубометров, и имеется более 160 месторождений нефти.

Можно выделить пять основных нефтегазоносных регионов: Устюрский, Бухаро-Хивинский, Юго-Западно-Гиссарский, Сурхандарьинский, Ферганский.

Разведанные запасы покрывают потребность республики по природному газу более чем на 35, а нефти – на 30 лет. Свыше 90% нефти добывается наиболее дешевым фонтанным способом.

В Узбекистане за последние годы динамичное развитие получила нефтегазовая отрасль. На территории республики действуют два нефтеперерабатывающих (Ферганский и Алтыарыкский), и два газоперерабатывающих завода (Шуртанский и Мубарекский), производящих широкий ассортимент нефте- и газопродуктов. За годы независимости в республике освоен выпуск новых видов изделий – бензин, авиакеросин, авиабензин, различные виды нефти – масел, сжиженный газ и др.

Гидроэнергетические ресурсы.  Гидроэнергия на земле оценивается величиной 32900 ТВт-ч. в год. Около 25% этой энергии по техническим и экономическим условиям может использоваться для практических нужд.

Эта величина примерно в два раза превышает современный уровень ежегодной выработки электроэнергии всеми электростанциями мира.

В настоящее время сооружено несколько мощных электростанций, использующих энергию приливов. Однако большая стоимость таких станций и трудности, связанные с неравномерностью их работы (пульсирующий характер выдачи мощности), не позволяют пока считать приливные станции достаточно эффективными, в связи, с чем развитие их идет медленно.

Атомная энергия.  К 1980 г. суммарная мощность атомных электростанций ( АЭС) в 20 странах мира достигла 140 тыс. МВт. Предполагается, что в 2000 году она должна составить примерно 900 -1000 тыс. МВт.

Прочие энергоресурсы.  Громадные запасы энергоресурсов, таких, как энергия ветра, солнца, геотермальная энергия,  энергия, обусловленная разностью температуры в глубинах океанов и на поверхности, и т.д. используются совершенно незначительно.

Энергия ветра. На земном шаре оценивается в 175 – 219 тыс. ТВт-ч. в год, при этом  развиваемая им мощность достигает (20 –25)10⁹  кВт. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете считают, однако, что полезно может быть использовано только 5 % от этой величины. В настоящее же время используется значительно меньше.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность эквивалентен условному топливу массой 1,2-10¹⁴ т. Солнце, как и другие звезды, являются раскаленным газом. В его составе 82% водорода, 17% гелия, остальные элементы составляют около 1%. Внутри Солнца существует область высокого давления, где температура достигает 15-20 млн. градусов. На Солнце имеется в незначительном количестве кислород и поэтому процессы горения, понимаемые в обычном смысле, не протекают сколько-нибудь заметно. Огромная энергия образуется на Солнце за счет синтеза легких элементов водорода и гелия.

Одна из проблем использования солнечной энергии заключается в том, что наибольшее количество ее поступает летом, а наибольшее потребление ее происходит зимой. Лучистую энергию Солнца можно использовать на гелиотермических электростанциях, превращающих эту энергию в тепловую энергию рабочего тела, а затем в электричество. Гелиотермические электростанции можно создавать мощностью до нескольких сот мегаватт.

На планете имеются значительные запасы геотермальной энергии. Эта энергия почти неисчерпаема и ее использование весьма перспективно. Земля непрерывно отдает в мировое пространство теплоту, которое постоянно восполняется за счет распада радиоактивных элементов.

Термальные воды широко применяются для отопления и горячего водоснабжения в ряде стран.

Эксплуатация первой геотермальной эл. Станции была начата в Италии в 1904 году. Интерес к таким станциям возрос в последние годы в связи с резким увеличением цен на ископаемое топливо на мировом рынке.

В последнее время рассматриваются проекты создания искусственных энергетических плантаций, на которых предполагается выращивание биомассы и последующее использование биологической энергии растений.

Химическая энергия водорода  приобретает в последнее время большое значение. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты, т.к. он имеется везде и может быть использован повторно неограниченное число раз. Водород связанном состоянии содержится в молекулах воды, при его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.

В настоящее время водород в основном получают из природного газа в процессе газификации угля. Процесс электролиза, используемый для получения водорода из-за промежуточной стадии преобразования теплоты в эл. энергию, имеет низкий общий КПД и неэкономичен, этот процесс можно активизировать использованием более высоких давлений и температур.

Широкое применение водородного топлива может решить три наиболее актуальные проблемы: уменьшить потребление органического и ядерного топлива, удовлетворить постоянно растущую потребность в энергии и снизить загрязнение окружающей среды.

{/spoilers}