Материал: Промышленность и окружающая среда.

является совершенно уникальным, однако косвенным с той точки зрения, что человек эту энергию утилизирует через пищевую цепь или путем ис­ пользования растений и животных. Непосредственное получение энергии с помощью фосфатов и нитратов, к сожалению, пока неуправляемое, осуще­ ствляется лишь через действие взрывчатых веществ. Взрывчатые вещества, особенно на нитратной основе, могут дать энергию в больших количествах,

но очень кратковременного действия.

Применение взрывчатых веществ в мирных целях широко известно. Можно упомянуть использование направленных взрывов для проходки шахт, прокладки траншей, возведения плотин и т.д. В промышленности взрыв при­ меняется для обработки металлов. Формование взрывом в последние годы стало широко распространенной технологической операцией, основанной на действии высоких энергий в течение очень краткого периода времени. Се­ годня трудно оценить потенциальные возможности энергоисточников шес­ той энергетической системы. Однако не исключено, что применение взрыв­ чатых веществ для производства энергии в будущем может оказаться воз­ можным, как оказалось возможным осуществить в реакторах атомных элек­ тростанций управляемую реакцию расщепления атомного ядра.

Формирование энергоисточников этого своеобразного “топлива” биогеохимического происхождения связано с воздействием живого вещества на косное. Как известно, живое вещество воздействует на литосферу геохими­ чески. “Давление” жизни на неживое вещество настолько велико, что в нем происходят структурные изменения вещества, накапливается огромная энергия “внутренних напряжений”, которая после известной подготовки мо­ жет “разряжаться”. Вопрос заключается в том, можно ли управлять этим процессом. Ведь в принципе и процесс сгорания углеводородов, и процесс взрыва нитратных соединений являются аналогичными и представляют со­ бой реакции окисления и замещения. Разница между этими процессами за­ ключается в скорости прохождения реакции: в одном она медленная, в дру­ гом - очень быстрая.

И, наконец, седьмая энергетическая система также основана, строго говоря, на использовании невозобновляемых ресурсов. Здесь источник энергии - водород. Интерес к водороду как к топливу возник давно, прежде всего в авиации. Однако в наши дни в свете вероятного энергетического кризиса возможность получения и применения водорода рассматривается в более широком плане. Потенциально водород в форме газа и сжиженного газа представляет собой хорошую замену жидкому топливу, метану и при­ родному газу в промышленности, на транспорте и в быту.

Водород имеет целый ряд ценных качеств, выделяющих его из других видов топлива. Прежде всего, водород может быть получен из воды, запасы которой на Земле достаточно велики. При сжигании водород образует воду и очень малые количества азотных окислов, что делает его чрезвычайно ценным в экологическом отношении. Водород можно транспортировать как по трубам, так и на танкерах в сжиженном виде. Его легко хранить, в том числе в подземных газохранилищах. Водород может широко применяться как топливо и как ценный химический элемент, необходимый, в частности,

вметаллургии.

Кнедостаткам водорода как коммерческого топлива следует отнести, во-первых, опасность его возгорания и взрывоопасность и, во-вторых, слож­

ность и все еще высокую стоимость его получения из воды. Что касается первого недостатка, его, очевидно, можно не принимать столь серьезно, так как развитие техники идет параллельно росту обеспечения безопасности, тем более, что даже применение бензина и газа опасно для людей, если не приняты надлежащие меры. Более серьезной проблемой является задача производства водорода как коммерческого топлива.

Как известно, водород может быть получен путем электрохимической реакции расщепления молекул воды на водород и кислород. Однако этот процесс очень дорог и сам требует много энергии. Более перспективны тер­ мохимические реакции, обеспечивающие это расщепление. Последние зна­ чительно дешевле, требуют в 4-5 раз меньших затрат энергии и обладают высоким КПД преобразования энергии.

Возможность получения водорода путем термохимической реакции с ис­ пользованием низкотемпературного тепла (700-900 °С вместо 2500 °С, не­ обходимых для электрохимического расщепления молекулы воды) откры­ вает перспективы широкого применения тепла атомных реакторов для про­ изводства водорода в больших масштабах и значительного снижения стои­ мости водорода. Это становится тем более заманчивым, что таким образом решается не только проблема получения водорода, но и проблема утилиза­ ции тепла атомных реакторов, которое представляет реальную угрозу теп­ ловому балансу в биосфере.

Поиск новых более эффективных и менее опасных термохимических методов получения водорода будет продолжаться в будущем и, по-видимо­ му, есть все основания рассчитывать на успехи в этом поиске, так как воз­ можности решения проблемы водорода могут снять многие серьезные про­ блемы, выдвигаемые потребностями развития мирового энергетического хозяйства. Чрезвычайно важным стимулом в этом поиске является высокий коэффициент полезного действия преобразования энергии при получении водорода с помощью термохимических процессов.

Мы рассмотрели семь основных энергетических систем, в рамках кото­ рых решались, решаются и, вероятно, будут решаться проблемы получения энергии и использования энергоресурсов для удовлетворения нужд челове­ чества. Рассмотрим теперь критерии оценки энергоисточников в свете не­ обходимости решения этих проблем. При этом мы не будем касаться многих природных и технических характеристик энергоисточников, имея в виду, что существует обширная описательная и справочная литература, в которой эти сведения приводятся. Наша задача будет заключаться в выборе некото­ рых специфических критериев, отражающих современные направления ре­ шения энергетической проблемы. Таких критериев существует много, мы остановимся лишь на главных из них.

В качестве первого критерия следует назвать физико-химические каче­ ства энергоисточников. Например, чем выше калорийность топлива, тем оно ценнее. С другой стороны, чем ниже его зольность, тем выгоднее экс­ плуатация данного топлива и т.д.

Второй критерий —географическое размещение энергоисточников: ус­ ловия нахождения, доступность для добычи. Этот критерий также не нужда­ ется в особых комментариях.

Третьим критерием является стоимость добычи, переработки и транс­ портировки энергоисточников к месту их первичного потребления. Сегодня

на этот критерий следует взглянуть несколько иными глазами, чем, скажем, 30 или 50 лет тому назад. Известно, например, что добыча нефти или газа на суше проще, чем в открытом море, однако в настоящее время нефтяные вышки упорно “шагают” в море и даже в открытый океан, так как нефти на суше становится все меньше и меньше. Известно также, что переработка уг­ ля в жидкое или газообразное топливо обходится пока значительно дороже, чем использование нефти или природного газа, однако сегодня различные страны все чаще и чаще вынуждены прибегать к подобной переработке из-

за нехватки газа и нефти.

Четвертый критерий связан с вероятностью и экономической целесооб­ разностью переработки одних видов энергоресурсов в другие с тем, чтобы иметь возможность уменьшить стоимость хранения топлива либо обеспе­ чить энергией подвижные транспортные средства. Примером является по­ лучение из угля жидкого и газообразного топлива. В соответствии с этим критерием не каждый энергоисточник может быть использован, например, в транспорте или в различных нагревательных устройствах. Так, использо­ вание ядерного топлива для этих целей возможно лишь после превращения его в электроэнергию.

Пятый критерий характеризует возможность достижения наивысшего коэффициента полезного действия при преобразовании энергии из одной формы в другую. Этот критерий также не нуждается в особых комментари­ ях, так как совершенно очевидно, что чем выше тепловой КПД энергоуста­ новки в зависимости от применяемого топлива, тем оно выгоднее.

И, наконец, шестой критерий охватывает понятия безопасности ис­ пользования энергоисточников для человека и окружающей среды. Если применительно к человеку этот критерий был известен давно, то в отно­ шении окружающей среды на него стали обращать внимание сравнитель­ но недавно в связи с загрязнением ее окислами серы и азота, а также по­ вышением содержания углекислого газа в атмосфере. В качестве друго­ го примера можно назвать радиоактивность, возникающую при примене­ нии ядерных топлив.

Изложенное выше позволяет сделать определенные выводы и сформу­ лировать некоторые предложения о путях решения проблемы получения энергии и использования энергетических ресурсов.

1. Проблему нельзя рассматривать в отрыве от проблем окружающей среды, водных ресурсов и состояния воздушного бассейна, перспектив даль­ нейшего экономического прогресса, технологического развития. Другими словами, подход к решению энергетической проблемы должен быть систем­ ным. Взаимосвязь между проблемами в процессе развития человеческой ци­ вилизации усиливается, и уже в наши дни становится практически невоз­

можным прогнозировать решение любой из проблем в отрыве от решения других.

2. Сама энергетическая проблема в свою очередь должна рассматри­ ваться как совокупность системных категорий. К ним относятся рассмот­ ренные выше энергетические системы, в рамках каждой из которых долж­ ны учитываться, наличие, размеры и доступность запасов энергоисточни­ ков, возможность преобразования энергии этих источников в тот или иной вид используемой человеком энергии; возможность аккумулирования энер­ гии, создания запасов энергоисточников, а также их транспортировки; пути

утилизации энергии наиболее экономичным образом и без неблагоприят­ ных экологических последствий.

3.Возможность реализации той или иной энергетической системы нахо­ дится в тесной зависимости от принятых или достигнутых показателей каче­ ства окружающей среды или решений, проводимых в экономической и тех­ нологической областях. Эта возможность будет также определяться крите­ риями оценки энергоисточников, рассмотренными выше. Развитие тех или иных видов энергоисточников станет во все большей степени подчиняться режиму экономии как с точки зрения расходования энергоресурсов при пре­ образовании энергии из одной формы в другую, так и с точки зрения ис­ пользования энергии.

4.Экологические требования неизбежно будут заставлять человека про­ изводить все более и более “чистую” энергию, не оказывающую влияния на качество окружающей среды.

5.Прогноз решения энергетического кризиса должен учитывать пер­ спективы освоения водных ресурсов. Вероятно, в понятие комплексного использования водных ресурсов должна органически входить возмож­ ность получения с их помощью энергии. Чрезвычайно важным является также соображение о теплоспособности водных ресурсов, рассматривае­ мой как источник энергии. Программное исследование водных ресурсов

сточки зрения получения энергии нельзя, вероятно, ограничивать лишь вопросами создания гидроэлектростанций и гидронасосных сооружений. Важные тепловые процессы, связанные с водой (испарение, выпадение осадков, морские и воздушные течения), требуют к себе пристального внимания и исследования. Именно вода переносит огромное количество тепловой энергии с одного места в другое. Понять и научиться использо­ вать низкотемпературные тепловые градиенты поверхностных и атмо­ сферных вод - чрезвычайно интересная и перспективная задача для ис­ следователей.

6.Решение энергетической проблемы будет определяться успехами на­ учно-технического прогресса. Прогнозировать развитие энергетических си­ стем без прогноза успехов технологии было бы, по меньшей мере, ошибоч­ ным. Развитие энергетики традиционно обслуживается определенными сферами технологии. Вероятно, прогноз развития этих сфер в зависимости от других смежных областей научно-технического прогресса мог бы сослу­ жить хорошую службу в деле анализа возможных направлений решения проблемы энергии.

Рассмотрим положение дел с ресурсами различных видов ископаемых

топлив.

К категории топливно-энергетических ресурсов относят полезные иско­ паемые, используемые для производства энергии: нефть, каменные и бурые угли, горючие газы, битумные сланцы, уран.

Каждый вид топливно-энергетического сырья обладает определен­ ной теплотворной способностью. Например, при сжигании 1 т каменного угля в среднем выделяется около 28 103 МДж энергии, бурого угля - около 14 • 103 МДж, 1 т нефти - около 42 103 МДж, 1 тыс. м3 природно­ го газа - 39 • 103 МДж. Для сравнения различных видов топлива, а также для общих топливно-энергетических расчетов используют следующие единицы:

- тонна условного топлива в угольном эквиваленте (т у.т. в уг. экв.). Его теплота сгорания аналогична теплоте сгорания 1 т антрацита (7 106 ккал или 27,91 103 МДж).

- тонна условного топлива в нефтяном эквиваленте (т у.т. в нефт. экв.), имеющая теплоту сгорания 1 т нефти (106 ккал или 41,87 103 МДж).

Оценка состояния мировых топливно-энергетических ресурсов произво­ дится на мировых энергетических конференциях (МИРЭК), учрежденных в 1924 г. Одна из последних оценок разведанных месторождений приведена в табл. 2.48.

Гидроэнергетический потенциал рек оценивается в 102 млн ПДж. Еще 111,6 млн ПДж можно выработать, использовав приливно-отливные и вол­ новые колебания Мирового океана. Общий энергопотенциал мира состав­ ляет, таким образом, примерно 560 млн ПДж. В 1990 г. ежегодно потребля­ лось различных видов топливного сырья 338 тыс. ПДж, что в 1000 раз мень­ ше мирового энергопотенциала.

2.3.4.1. НЕФТЬ

Ископаемая нефть - наиболее важный и экономически эффективный вид топливного сырья, отличающийся не только высокой калорийностью, но и низким содержанием примесей. Нефть легко транспортируется, а в процессе переработки дает широкий ассортимент продуктов, находящих разнообразное применение в хозяйстве. Мировые энергетические потреб­ ности на 32% удовлетворяются за счет нефти (1990 г.). В ряде отраслей эко­ номики (например, в транспорте) нефть и нефтепродукты в настоящее вре­ мя незаменимы.

Природные флюиды нефтяного ряда представляют собой смеси многих органических соединений, которые можно условно подразделить на битумы (настолько вязкие, что они практически лишены текучести), нефть и при­ родный газ. Такие их свойства, как плотность, вязкость и температура нача­ ла кипения, довольно плавно изменяются от сравнительно высоких значе­ ний, характерных для битумов, до более низких, свойственных нефтям.