Страница 1
РЕФЕРАТ
ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ
Основные источники углеводородов - нефть,природный и попутный нефтяной газы, уголь. Запасы их не безграничны. По оценкам ученых,при современных темпах добыч и потреблений их хватит: нефти – 30 - 90 лет, газа - на 50 лет, угля - на 300 лет.
Нефть и ее состав:
Нефть- маслянистая жидкость от светло - коричневого до темно - бурого, почти черного цвета с характерным запахом, в воде не растворяется, образует на поверхности воды пленку, не пропускающую воздух. Нефть- маслянистая жидкость светло-коричневого до темно –бурого, почти черного цвета, с характерным запахом, в воде не растворяется, образует на поверхности воды пленку, не пропускающую воздух. Нефть-это сложная смесь насыщенных и ароматических углеводородов, циклопарафином, а также некоторых органических соединений, содержащих гетероатомы - кислород, серу, азот и тр. Каких только восторженных имен не давали люди нефти: и «Черное золото», и «Кровь земли». Нефть и в самом деле заслуживает нашего восхищения и благородности.
По составу нефть бывает: парафиновая- состоит из алканов с прямой и разветвленной цепью; нафтеновая - содержит предельные циклические углеводороды; ароматическая - включает в ароматические углеводороды (бензол и его гомологи). Несмотря на сложный компонентный состав, элементный состав нефтей более - менее одинаков: в среднем 82- 87 % углеводорода, 11-14 % водорода, 2- 6 % др.элементов (кислород, сера, азот).
Немного истории .
В 1859 г. В США, в штате Пенсильвания 40-летний Эдвин Дрейк с помощью собственного упорства, денег нефтяной копании и старого парового двигателя пробурил скважину глубиной 22 метра и извлек из нее первую нефть.
Приоритет Дрейка как пионера в области бурения нефтяных скважин оспаривается, однако его имя все равно связано с началом нефтяной эры. Нефть обнаружили во многих частях света. Человечество наконец приобрело в большом количестве превосходный источник искусственного освещения…..
Каково происхождение нефти?
В среде ученых доминировали две основные концепции: органическая и неорганическая. Согласно первой концепции, органические остатки, захороненные в осадочных породах, с течением времени разлагаются, превращаясь в нефть, уголь и природный газ; более подвижные нефть и газ затем скапливаются в верхних пластах осадочных пород, имеющих поры. Другие ученые утверждают, что нефть образуется на «больших глубинах в мантии Земли».
Русский ученый - химик Д.И Менделеев был сторонником неорганической концепции. В 1877 г. Он предложил минеральную (карбидную) гипотезу, согласно которой возникновение нефти связано с проникновением воды в глубь Земли по разломам, где под воздействием ее на «углеродистые металлы» и получаются углеводороды.
Если бы была гипотеза космического происхождения нефти – из углеводородов, содержавшихся в газовой оболочке Земли еще во время ее звездного состояния.
Наша страна занимает первое место в мире по запасом природного газа. Важнейшие месторождения этого ценного топлива находятся в Западной Сибири (Уренгойское, Заполярное), в Волго - Уральском бассейне (Вуктыльское, Оренбургское), на Северном Кавказе (Ставропольское).
Для добычи природного газа обычно применяется фонтанный способ. Чтобы газ начал поступать на поверхность, достаточно открыть скважину, пробуренную в газоносном пласте.
Природный газ используется без предварительного разделения, потому что подвергается очистке еще до транспортировке. Из него удаляют в частности: механические примеси, водяные пары, сероводород и др. агрессивные компоненты…..А также большую часть пропана, бутана и более тяжелых углеводородов. Оставшийся практически чистый метан расходуется, во- первых, как топливо: высокая теплота сгорания; экологично;удобно добывать, транспортировать, сжигать, потому что агрегатное состояние- газ.
Во-вторых, метан становится сырьем для получения ацетилена, сажи и водорода; для производства непредельных углеводородов, в первую очередь этилена и пропилена; для органического синтеза: метилового спирта, формальдегида, ацетона, уксусной кислоты и многое другое.
Попутный нефтяной газ по своему происхождению тоже является природным газом. Особое название он получил потому, что находится в залежах вместе с нефтью – он растворен в ней. При извлечении нефти на поверхность он вследствие резкого падения давления отделяется от нее. Россия занимает одно из первых мест по запасам попутного газа и его добычи.
Состав попутного нефтяного газа отличается от природного газа- в нем гораздо больше этана, пропана, бутана и др. углеводородов. Кроме того, в его состав входят такие редкие на Земле газы, как аргон и гелий.
Попутный нефтяной газ - ценное химическое сырье, из него можно получить больше веществ, чем из природного газа. Извлекают для химической переработки и индивидуальные углеводороды: этан, пропан, бутан и др. Из них получают непредельные углеводороды реакцией дегидрирования.
Каменный уголь .
Запасы каменного угля в природе значительно превышаю запасы нефти и газа. Уголь- сложная смесь веществ, состоящая из различных соединений углерода, водорода, кислорода, азота и серы. В состав угля входят такие минеральные вещества содержащие соединения многих др. элементов.
Каменные угли имеют состав: углерод- до 98%, водород- до 6%, азот, сера, кислород- до 10%. Но в природе бывают еще и бурые угли. Их состав: углерод- до 75%, водород- до 6%, азот, кислород- до 30%.
Основной способ переработки углей- пиролиз (кокосование)- разложение органических веществ без доступа воздуха при высокой температуре (около 1000 С). При этом получаются следующие продукты: кокс (искусственное твердое топливо повышенной прочности, широко используется в металлургии); каменноугольная смола (используется в химической отрасли промышленности); кокосовый газ (используется в химической отрасли промышленности и в качестве топлива.)
Коксовый газ.
Летучие соединения (коксовый газ) , образующиеся при термическом разложении каменного угля, поступают в общий сборник. Здесь коксовый газ охлаждают и пропускают через электрофильтры для отделения каменноугольной смолы. В газосборнике одновременно со смолой конденсируется и вода, в которой растворяются аммиак, сероводород, фенол и др. вещества. Из несконденсировавшегося коксового газа выделяют водород для различных синтезов.
После перегонки каменноугольной смолы остается твердое вещество – пек, которое используется для приготовления электродов и кровельного толя.
Переработка нефти
:
Переработка нефти, или ректификация,- это процесс термического разделения нефти и нефти продуктов на фракции по температуре кипения.
Перегонка- это физический процесс.
Существует два метода переработки нефти: физический (первичная переработка) и химический (вторичная переработка).
Первичную переработку нефти осуществляет в ректификакционной колонне- аппарате для разделения жидких смесей веществ, различающихся по температуре кипения.
Фракции нефти и основные области их использования:
Бензин- автомобильная топливо;
Керосин- авиационное топливо;
Лигроин- производство пластмасс, сырье для вторичной переработки;
Газойль- дизельное и котельное топливо, сырье для вторичной переработки;
Мазут- заводское топливо, парафины, смазочные масла, битумы.
1)Поглощение- Всем вам известны солома и торф. Они поглощают нефть, после чего можно аккуратно собрать и вывезти с последующим уничтожением. Этот метод годится лишь в условиях штиля и только для не больших пятен. Способ весьма популярен в последнее время из-за своей дешевизны и высокой эффективности.
Итог: Метод дешевый, зависимый от внешних условий.
2)Самоликвидация: -этот метод применяют в том случае, если нефть разлита далеко от берегов и пятно небольшое (в этом случаи пятно лучше совсем не трогать). Постепенно оно раствориться в воде и частично испарится. Иногда нефть не исчезает и через несколько лет, мелкие пятна достигают побережья в виде кусочков скользкой смолы.
Итог: не используется химические препараты; нефть держится на поверхности длительное время.
3)Биологическая: Технология, в основе которой лежит использование микроорганизмов, способных окислять углеводороды.
Итог: минимальный ущерб; удаление нефти с поверхности, но метод трудоемок и длителен.
страница 1
Бюджетное профессиональное образовательное учреждение
Воронежской области
Россошанский медицинский колледж
Тема: «Нефть, природный и попутный нефтяной газ и каменный уголь»
Выполнила студентка 101 группы
Ковальской Виктории
Проверила преподаватель: Гринёва Н. А.
г. Россошь 2015
Введение
Нефть, природный и попутные газы, каменный уголь.
Основными источниками углеводородов являются природный и попутные нефтяные газы, нефть и каменный уголь.
крекинг нефть газ уголь
Нефть - жидкое горючее ископаемое темно-бурого цвета с плотностью 0,70 - 1,04 г/см³. Нефть представляет собой сложную смесь веществ - преимущественно жидких углеводородов. По составу нефти бывают парафиновыми, нафтеновыми и ароматическими. Однако наиболее часто встречается нефть смешанного типа. Кроме углеводородов, в состав нефти входят примеси органических кислородных и сернистых соединений, а также вода <#"justify">Природный и попутный нефтяной газы
Природный газ. В состав природного газа входит в основном метан (около 93%). Кроме метана <#"justify">Каменный уголь
Каменный уголь. Переработка каменного угля идет по трем основным направлениям: коксование, гидрирование и неполное сгорание. Коксование происходит в коксовых печах при температуре 1000-1200 °С. При этой температуре без доступа кислорода каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуется кокс и летучие продукты. Остывший кокс отправляют на металлургические заводы. При охлаждении летучих продуктов (коксовый газ) конденсируются каменноугольная смола и аммиачная вода <#"justify">+ (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH2O;
nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2O.
Если сухую перегонку угля проводить при 500-550 °С, то получают деготь, который наряду с битумом используется в строительном деле как связующий материал при изготовлении кровельных, гидроизоляционных покрытий (рубероид, толь и др.).
Природная нефть всегда содержит воду, минеральные соли и разного рода механические примеси. Поэтому, прежде чем поступить на переработку, природная нефть подвергается обезвоживанию, обессоливанию и ряду других предварительных операций.
Особенности перегонки нефти:
.Способ получения нефтепродуктов путем отгонки из нефти одной фракции за другой подобно тому, как это осуществляется в лаборатории, для промышленных условий неприемлем.
.Он очень непроизводителен, требует больших затрат и не обеспечивает достаточно четкого распределения углеводородов по фракциям в соответствии с их молекулярной массой.
Всех этих недостатков лишен способ перегонки нефти на непрерывно действующих трубчатых установках: 1.Установка состоит из трубчатой печи для нагревания нефти и ректификационной колонны, где нефть разделяется на фракции (дистилляты) отдельные смеси углеводородов в соответствии с их температурами кипения - бензин, лигроин, керосин и т. д.;
2.В трубчатой печи расположен в виде змеевика длинный трубопровод;
.Печь обогревается горящим мазутом или газом;
.По трубопроводу непрерывно подается нефть, в нем она нагревается до 320-350 °C и в виде смеси жидкости и паров поступает в ректификационную колонну.
Особенности природного газа. Основная составная часть природного газа - метан. Кроме метана, в природном газе присутствуют этан, пропан, бутан. Обычно чем выше молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе. Состав природного газа различных месторождений неодинаков. Средний состав его (в процентах по объему) следующий: а) СН4 - 80-97; б) С2Н6 - 0,5-4,0; в) С3Н8 - 0,2-1,5. В качестве горючего природный газ имеет большие преимущества перед твердым и жидким топливом. Теплота сгорания его значительно выше, при сжигании он не оставляет золы. Продукты сгорания значительно более чистые в экологическом отношении. Природный газ широко используется на тепловых электростанциях, в заводских котельных установках, различных промышленных печах. Способы применения природного газа Сжигание природного газа в доменных печах позволяет сократить расход кокса, снизить содержание серы в чугуне и значительно повысить производительность печи. В настоящее время он начинает применяться в автотранспорте (в баллонах под высоким давлением), что позволяет экономить бензин, снижать износ двигателя и благодаря более полному сгоранию топлива сохранять чистоту воздушного бассейна. Природный газ - важный источник сырья для химической промышленности, и роль его в этом отношении будет возрастать. Из метана получают водород, ацетилен, сажу. Особенности попутного нефтяного газа: .попутный нефтяной газ по своему происхождению тоже является природным газом;
.особое название он получил потому, что находится в залежах вместе с нефтью - он растворен в ней и находится над нефтью, образуя газовую «шапку»; 3) при извлечении нефти на поверхность он вследствие резкого падения давления отделяется от нее.
Способы применения попутного нефтяного газа. Прежде попутный газ не находил применения и тут же на промысле сжигался. В настоящее время его все в большей степени улавливают, так как он, как и природный газ, представляет собой хорошее топливо и ценное химическое сырье. Возможности использования попутного газа даже значительно шире, чем природного; наряду с метаном в нем содержатся значительные количества других углеводородов: этана, пропана, бутана, пентана. Каменный уголь: Каменный уголь - один из самых ценных топливно-энергетических ресурсов человечества. Его называют иногда окаменевшим солнечным светом. В результате длительного разложения и химического преобразования гигантских масс отмерших деревьев и трав, которое происходило в так называемый каменноугольный период-210-280 млн. лет назад, в недрах накопилась подавляющая часть сегодняшних запасов этого сырья. Мировые запасы его превышают 15 триллионов тонн. Каменного угля на нашей планете извлекают много больше, чем любого другого полезного ископаемого: примерно 2,5 млрд. т в год, или около 700 кг на каждого жителя Земли. Применение каменного угля очень разнообразно и широко. Его используют для выработки электроэнергии на тепловых электростанциях, а также сжигают и для других энергетических целей; из него получают кокс для металлургического производства, а при химической переработке делают еще около 300 различных продуктов промышленности. В последнее время возрастает потребление каменного угля для новых целей - получения горного воска, пластмасс, газообразного высококалорийного топлива, высокоуглеродистых углеграфитовых композиционных материалов, редких элементов - германия и галлия. Многие века каменный уголь был и остается одним из основных видов технологического и энергетического топлива, а его значение как сырья для химической промышленности все более возрастает. Поэтому разведываются все новые месторождения угля, строятся карьеры и шахты для его добычи.
Список литературы
1.Алёна Игоревна Титаренко. Шпаргалка по органической химии
Происхождение природных источников энергии
Мировое производство энергии стремительно растет. В 1962 г. оно уже достигло примерно 33x1015 ккал. Большую часть этого количества человечество использует для механической работы и отопления. Непрерывно возрастает количество электрической энергии, включаемой в этот процесс в качестве посредника.
Как уже говорилось, работу нельзя накапливать, таким образом, в природе не может быть "запаса работы". Нет на Земле также электрической энергии в форме, доступной для непосредственного макроскопического использования. Поэтому для покрытия энергетических потребностей общества мы вынуждены обратиться к другим источникам.
Поскольку энергию нельзя "создать" из ничего, мы вынуждены производить необходимые для нас виды энергии путем преобразования других форм, причем это превращение должно быть экономичным и возможным в широких производственных масштабах. К носителям таких видов энергии следует отнести в первую очередь уголь (каменный и бурый), а также нефть и природный газ, применяющийся в настоящее время в промышленности в качестве топлива для двигателей, производящих механическую работу или электрическую энергию. Помимо указанных выше носителей энергии, в странах с подходящим рельефом местности довольно широко используется энергия воды ("белый уголь") и в меньшей мере ветра. В развитых странах применение мускульной энергии животных все больше и больше отходит на задний план. В настоящее время постоянно растет доля атомных электростанций в общем производстве электрической энергии. В связи со стремительным ростом потребности в энергии во всем мире предпринимаются попытки использовать в производственных целях новые источники энергии, например солнечное излучение. Предлагается, в частности, концентрировать солнечную энергию с помощью зеркал, а добытое таким образом тепло использовать для получения пара, который сможет приводить в движение турбины. Исследования в области проводников еще не дали больших результатов, но в настоящее время они уже обеспечивают возможность изготовления термо- и фотоэлементов, при помощи которых энергия теплового или светового излучения Солнца может быть превращена в электрическую энергию с КПД 10-13 %. Ученые занимаются также проблемой использования тепла Земли. Температура внутри Земли растет с глубиной. Если подвести тепло с больших глубин к поверхности земли, то можно понижая эту температуру частично превратить тепло в работу. На этом принципе уже построены геотермические электростанции. Однако на пути их более широкого распространения стоят еще не преодоленные технические трудности.
Предпринимаются также попытки использовать энергию, соответствующую разности уровней поверхности воды во время прилива и отлива.
Все эти новые источники энергии, в настоящее время покрывают весьма малую часть мирового потребления энергии. Ныне потребность в энергии удовлетворяется в основном за счет угля, нефти и прородного газа; такое положение, очевидно, сохранится и в ближайшем будущем. В связи с этим несомненный интерес представляет вопрос о происхождении энергии, накопленной в этих природных источниках.
Происхождение каменного угля
Уголь (каменный и бурый), употребляемый как горючее или топливо, в большинстве случаев залегает в земле (частично на глубине многих сотен метров). Только некоторые залежи бурого угля встречается на поверхности земли или непосредственно вблизи поверхностных слоев. Добытый уголь, кроме углерода, содержит различное количество соединений (главным образом соединений углерода с кислородом и водородом, и в меньшем количестве - с азотом, серой и другими элементами). Основными химическими элементами, входящими в состав угля, являются углерод, кислород и водород.
Бурые и каменные угли в большинстве своем имеют растительное происхождение и содержат в небольшом количестве минеральные вещества. Они образовались в теплом и сыром климате в глубокой древности из сильно разросшихся растений, когда они после гибели погружались на дно водоемов и поэтому не подвергались тлению и горению, при которых содержащийся в растениях углерод большей частью превращается в углекислый газ и другие летучие вещества. В процессах разложения этих растений (главным образом tj||| под воздействием микроорганизмов) вИЙ из них высвобождаются соединения, богатые водородом и кислородом, а содержание углерода растет - образуется торф. Торф затем покрывается другими отложениями (песком, глиной) и в результате геологических, движений опускается в глубь земли, где под давлением и при высокой температуре процесс торфооб-разования переходит в процесс угле-образования (повышение содержания углерода). В ходе связанной с этим процессом миграции элементов содержание водорода и кислорода продолжает уменьшаться, а содержание углерода - расти; в результате из торфа получаются бурый уголь, каменный уголь и, наконец, антрацит. Бурые угли образуются в течение 40-60 миллионов лет
Происхождение нефти и природного газа
Нефть и природный газ состоят главным образом из углеводородов (соединений углерода и водорода), а также в небольшом количестве из других элементов (серы, азота, кислорода и т.д.). Нефть содержит 82-87 % углерода и 11-14 % водорода. По вопросу происхождения нефти существуют различные точки зрения. Наиболее признанной является теория, согласно которой газ и нефть состоят из органических веществ, главным образом животного происхождения (некоторые ученые полагают, что нефть и газ во многих случаях образовались в глубинах земли в результате действия воды на карбиды металлов). Живые организмы, погибшие и опустившиеся на морское дно, попадают в такие условия, где они не могут ни распадаться в результате окисления, ни уничтожаться микроорганизмами, а вследствие отсутствия контакта с воздухом образуют илистые осадки. В результате геологических движений эти осадки проникают на большие глубины. Там под влиянием давления и высокой температуры, а возможно, и под воздействием микроорганизмов в течение миллионов лет проходит процесс сухой возгонки, при котором содержащийся в осадках углерод в большей своей части переходит в углеводородные соединения, в то время как большая часть кислорода и других элементов мигрирует. Жидкая субстанция, состоящая главным образом из смеси различных по молекулярному весу углеводородов, может и самостоятельно мигрировать, проникая через поры и трещины земных недр. Основными составными частями природного газа являются низкомолекулярные углеводороды (прежде всего метан и этан), нефть же представляет собой высокомолекулярные углеводороды.
Названия каменный уголь, нефть, указывающие на их происхождение из неживого материала (геологическое, а не биологическое), оправданы только отчасти. В действительности эти продукты образовались из веществ, возникших в результате жизнедеятельности животных и растений, и поэтому имеют биологическое происхождение. Однако те превращения, которые привели к образованию из животных и растительных организмов каменного угля, нефти и газа, в большинстве своем не носят биологического характера, а являются следствием геологических и геохимических условий (давление, температура и т.д.), создавшихся в окружающей неживой среде. Известны и другие минералы, которые представляют собой продукты превращений биологических веществ (например мел).
Происхождение энергии угля, нефти и природного газа
Таким образом, основные природные источники энергии имеют биологическое происхождение и содержат главным образом углерод. В связи с этим естественно возникают различные вопросы. Откуда берется энергия у живых существ? Какую роль играет углерод в энергоносителях? Как происходит накопление энергии в них и ее последующее превращение в тепло или работу? Глубоко не вдаваясь в подробности биологических процессов, можно сказать, что в развитии живого мира решающую роль играют растения. Известно, что растения могут существовать без животных, а животные без растений нет. Значительная часть животных поедает растения, остальные (плотоядные) питаются мясом травоядных (это относится также к человеку). Таким образом, косвенно, они добывают свою пищу также из растительного мира; последний служит не только материалом для строительства тканей тела, но и дает необходимую им энергию. Итак, чтобы узнать происхождение энергии у живых организмов, достаточно исследовать вопрос о происхождении энергии, аккумулированной в растениях.
Вопрос о происхождении вещества, из которых строятся растительные организмы, составляет предмет научного спора уже в течение столетий, поскольку процесс питания растений (в отличие от животных) не поддается непосредственному наблюдению. Только в XIX столетии было окончательно установлено, что растения строят свои организмы-из атмосферного углекислого газа, всасываемой из почвы воды, а также азота, фосфора, серы, калия и других элементов, входящих-в состав неорганических веществ, которыми питаются растения. Углекислый газ и вода, служащие основным питанием растений,- очень простые, энергетически бедные соединения, характеризующиеся низкой химической активностью, тогда как основные соединения растительного (а также животного) происхождения имеют, как правило, очень сложный состав, высокое энергетическое содержание и, при определенных условиях, относительно большую химическую активность. Таким образом, естественно предположить, что построение растительных организмов из природного "сырья" должно происходить под воздействием некоего мощного источника энергии, которая может быть превращена в химическую энергию сложных соединений. Только во второй половине XIX столетия было точно установлено, что источником этой энергии является Солнце (его световая энергия).
Энергия солнечного излучения., ежегодно достигающая Земли, равна 1021 ккал. Большая ее часть превращается в тепло или снова отражается в мировое пространство.
Незначительную часть (сотые доли процента), однако, потребляют растения и с помощью хлорофилла, содержащегося в их зеленых частях, в процессе фотосинтеза строят из углекислого газа, воды и других энергетически бедных веществ сахар, крахмал, глюкозу, протеин, нуклеиновые кислоты, алкалоиды и другие энергетически богатые и сложные по составу соединения. В общих чертах это совершается следующим образом: с помощью поглощаемой хлорофиллом световой энергии химические связи в углекислом газе, воде и других питательных веществах ослабляются или разрываются, временно образуются богатые энергией атомы и радикалы, из которых в ходе различных химических процессов возникают вещества со все более сложными молекулами. Многочисленные атомы связаны в них друг с другом большим числом различных химических связей. Солнечная энергия аккумулируется, таким образом, в виде химической энергии. Схематически реакцию фотосинтеза можно наглядно показать на процессе образования 1 моля глюкозы:
6СО2 + бШО + 674 ккал -> CeffizOs + 6O2.
При фотосинтезе освобождается кислород. Реакции с образованием кислорода называются восстановительными.
Следовательно, живые организмы черпают свою химическую энергию из энергии излучения Солнца. Концентрация солнечной энергии происходит главным образом в углеводах: (соединения состоящие из углерода, водорода и кислорода) глюкоза (СсШгОс), свекловичный сахар (CuHjzO11)i крахмал и целюлоза (CeHioOsJn, где n-переменная величина. В дальнейшем часть углеводов окисляется, при этом, например, из 1моля глюкозы образуются углекислый газ и вода в соответствии со следующей химической реакцией:
СбНпОв + 6О2 -> бСОг + бВЬО + 674 ккал.
Энергия, освобождающаяся при этом из углеводов, идет на построение необходимых для функционирования организма еще более сложных и энергетически богатых соединений (жиров, протеинов, нуклеиновых кислот, алкалоидов и т.д.).Часть этих веществ (прежде всего жиры) окисляется, выделяющаяся при этом энергия концентрируется в организме и идет на покрытие его энергетических потребностей;
В результате окисления сложные органические соединения, полученные в процессе фотосинтеза, снова превращаются в исходные энергетически бедные вещества - углекислый газ и воду. В конечном счете весь растительный организм либо отмирает, либо становится кормом для животных (или людей). Соединения в отмершем организме начинают распадаться и под воздействием микроорганизмов окисляться.
Круговорот углерода, водорода и кислорода
Углерод, водород и кислород совершают, таким образом, круговорот в природе: из энергетически бедных углеродных соединений в живых организмах под воздействием солнечной энергии образуется энергетически более богатые органические соединения, при этом освобождается кислород; затем в ходе длинного ряда сложных превращений при поглощении кислорода вновь образуется углекислый газ и вода и т.д.
Циклический характер химии живого мира, т.е. то обстоятельство, что при распаде снова образуются исходные продукты ("сырье"), чрезвычайно важен, так как в результате этого сырьевой баланс живых организмов никогда не может быть нарушен. Если бы, например? микробы не разлагали отмершие организмы, то жизнь на Земле не могла бы долго продолжаться, так как в этом случае имеющийся в нашем распоряжении запас углерода "за короткий срок" (с геологической точки зрения) осел бы в отмерших организмах. Не следует забывать, что изученная часть Земли (земная кора и воздух) содержит лишь 0,09% углерода.
В течение своего "нормального" круговорота углерод задерживается в живых организмах относительно короткое время (самое большое - несколько сотен лет). Уже здесь он может быть использован: древесина и остальные части растений также являются энергоносителями, используемыми людьми с древнейших времен. С ростом потребности общества в энергии дерево уже не могло больше удовлетворить этой потребности, а стремительное уменьшение лесных массивов привело к настоятельной необходимости использовать вместо дерева другие источники энергии. В XIX столетии быстро возрасло значение каменного угля как источника энергии. Уголь начали добывать уже с ХШ века, но до XIX века его в основном использовали лишь для отопления.
Нарушение круговорота
Каменный уголь фактически образовался вследствие нарушения естественного круговорота углерода, когда распад сложных углеродных соединений живых организмов не дошел до самого низкого энергетического состояния (до углекислого газа), а остановился на промежуточной ступени. Для беспрепятственного круговорота углерода, т.е. полного завершения процесса распада, необходимо столькд кислорода, сколько можно выделить из воздуха. Если же в ходе процесса распада органические вещества были по каким-либо причинам геологического характера лишены доступа воздуха, то течение его изменялось - он значительно замедлялся. В этих условиях вследствие недостатка кислорода окислительные процессы уступали место восстановительным, продукты которых во многом зависят- от физических и химических условий превращения (давление, температура, микроорганизмы и т.д.). При образовании нефти и газа из соединений органического происхождения, состоящих главным образом из углерода, в первую очередь возникают углеводороды, в то время как в ходе образования угля из большей части веществ погибших организмов углерод высвобождается. Как углеводороды, так и элементарный углерод содержат больше химической энергии, чем углекислый газ, поэтому они сжигаются (соединяются с кислородом) с выделением тепла и при этом образуется более бедный энергией углекислый газ:
СН4 + 2О2 -> СО2 + 2Н2О + 210,8 ккал,
СзН8 + 5О2 -> ЗСОг + 4ШО + 526,3 ккал,
С + О2 -» СОг + 94,3 ккал.
Углекислый газ несгораем, он не может при соединении с воздухом (кислородом) высвобождать энергию.
Какое состояние вещества наиболее стабильно?
На первый взгляд может показаться неожиданным, что элементарная форма углерода энергетически не самая бедная, не самая стабильная. Следует отметить, что наиболее стабильными являются такие состояния веществ, при которых в данных условиях их энергия имеет наименьшее значение,
Рассмотрим пример из механики. Пусть в комнате на четвертом этаже шар находится в- устойчивом положении тогда, когда он лежит на полу. На столе или на шкафу состояние шара менее устойчиво: отсюда он может "сам по себе" (без подвода энергии) упасть на пол, причем его потенциальная энергия превращается в кинетическую, а затем при ударе об пол - в тепловую и звуковую. В обратном направлении это процесс "сам по себе" идти не может. Перенести шар на стол или шкаф возможно лишь при затрате определенной энергии. На полу (при условии, что он ровный и строго горизонтальный) шар сам по себе не будет перемещаться, его состояние стабильно. Однако эта стабильность относительна и не означает, что шар больше не обладает потенциальной энергией - ведь он: находится на значительной высотё"над землей. В данном случае имеет место только относительный минимум энергии. При изменении условий может произойти дальнейшее высвобождение потенциальной энергии. Например, если на полу окажется дыра, то шар упадет на этаж ниже, если и здесь будет дыра, то он упадет еще ниже и т.д. Он может достичь таким образом первого этажа, при этом потенциальная энергия шара переходит в другие виды. Стабильность шара даже на первом этаже не абсолютна. При соответствующих условиях он может упасть в подвал или достичь дна глубокой шахты и т.д.
Аналогичная картина наблюдается при превращениях природных энергоносителей, содержащих углерод. В углеродных соединениях органического происхождения накоплено много химической энергии. В ходе химических превращений эта энергия может частично высвобождаться и, будучи преобразованной в другие виды, использоваться. Сами по себе происходят только такие химические превращения, которые связаны с уменьшением свободной энергии, и только они могут быть использованы для получения энергии. Содержание энергии в веществах, образовавшихся в процессе превращения, меньше, чем в исходном веществе, как раз на количество освободившейся энергии. Химические превращения в зависимости от условий происходят быстро или медленно (иногда даже миллионы лет) и идут до тех пор, пока не образуются продукты, энергия которых при данных условиях уже не может уменьшаться (такие продукты будут стабильны).
Если окисление углеродных соединений происходит при наличии достаточного количества воздуха, то возникают соединения, все более богатые кислородом, пока, наконец, углерод не предстанет в форме углекислого газа, а водород - в форме воды. Эти соединения не могут далее окисляться, и из них при обычных условиях не высвобождается химическая энергия. СОг и НгО в естественных условиях предстайляют собой стабильное состояние углерода и водорода. Таким образом, газ и вода -это самые стабильные конечные продукты, которые могут быть превращены в другие вещества только с помощью дополнительной энергии иного происхождения (например солнечной или электрической).
Аккумуляция солнечной энергии
Отдельные.периоды круговорота углерода в природе (образование энергетически богатых углеродных соединений из углекислого газа и воды и их последующий распад на те же соединения) имеют продолжительность от нескольких месяцев до нескольких столетий. Если же обычные условия меняются (как это произошло, например, при образовании нефти, газа и угля), процессы превращения могут протекать исключительно медленно, в течение миллионов лет.
В земной коре без доступа воздуха углеводороды и уголь относительно стабильны, и часть химической энергии в них еще сохранилась в неизменном виде: они как бы законсервировали солнечную энергию. Здесь очевидна аналогия с рассмотренным выше примером с шаром. При изменении условий (извлечении нефти, угля или газа на поверхность земли и их использовании) стабильность состояния этих веществ нарушается: при сгорании они соединяются с кислородом, образуя углекислый газ и воду. На этом круговорот углерода и водорода, нормальный ход которого по геологическим причинам задержался на миллионы лет, быстро заканчивается. При сжиганий освобождается энергия солнечного излучения, которую растения долгое время хранили в себе. Таким образом, нефть, природный газ и каменный уголь - это законсервированная энергия, являющаяся частью когда-то поглащенной солнечной энергии.
Происхождение энергии воды и ветра
Известно, что гидростанции потребляют ту потенциальную энергию воды в реках и водопадах, которая освобождается благодаря естественному перепаду высот. Но вода в своем вечном круговороте попадает на возвышенные участки земли в результате испарения мерей, рек и озер, которое происходит в первую очередь под действием солнечного излучения. Пар, превращаясь в капли воды, собирается в облака или тучи, откуда вода в виде дождя вдш снега попадает обратно на землю, » том числе и на возвышенности. Скапливающаяся здесь вода обладает большим запасом потенциальной энергии, которая затем при помощи турбин,приведенных в действие естественными или искусственно созданными водопадами, может быть превращена в электрическую энергию или механическую работу. Таким образом, большая часть энергии, полученной на гидростанциях, также обязана своим происхождением солнечному излучению. Только незначительная часть энергии, потребляемой при испарении различных, водоемов,- это тепло Земли, которое в свою очередь, освобождается в результате происходящих внутри Земли процессов, радиоактивного распада.
Энергия ветра также в значительной степени обязана своим происхождением Солнцу: разница в нагреве отдельных областей земной поверхности вызывает атмосферные течения (т.е. ветер).
Хорошо ли используется солнечная энергия?
Как мы уже убедились, большая часть нашей потребности в энергии покрывается за счет солнечной энергии. Но к сожалению, живая природа использует эту солнечную энергию недостаточно эффективно.
Солнце излучает ежегодно огромное количество энергии, равное ~ Зх1030ккал, из нее Земли достигает около 1021 ккал. Примерно 60% энергии поглощается воздухом (2,5% ее превращается в энергию ветра); 25,5% достигает водной поверхности, но из этого количества только 0,04% передается воде; очень незначительную часть потребляют водные растения; 14,5% энергии солнечного излучения достигает суши и только 0,12 % ее благодаря растениям превращается в химическую энергию. "Неиспользованная" энергия солнечного излучения Земли переходит обратно в мировое пространство. Земля отдает больше энергии, чем получает от Солнца, так как она излучает еще и энергию, освобождающуюся в результате радиоактивных процессов, происходящих в ее недрах.
Таким образом, растительный и животный мир, включая человека, использует совершенно ничтожную долю солнечной энергии, прпадаю-щей на Землю. Задача будущего - найти и разработать средства и методы, которые помогут человеку более полно использовать эту энергию.
Глубокое проникновение в тайны природы, по-видимому, поможет открыть принципиально новые возможности в этой области.
Один из методов более эффективного использования солнечной энергии, требующий дальнейшей теоретической разработки,-это интенсификация сельского хозяйства за счет лучшей обработки почвы и внесения искусственных удобрений, а также культивирования таких растений, которые более рационально используют эту энергию. Другой метод -создание термо- и фотоэлементов, где происходит непосредственное превращение солнечной энергии в электрическую.
Запасы природных источников энергии
Углерод (как энергоноситель) распределяется на Земле следующим образом: в атмосфере его содержится 640 млрд.т в виде углекислого газа, при этом около 150 млрд.т ежегодно потребляются растениями в процессе фотосинтеза; в растительных организмахзапасено 500 млрд.т, а в животных - 5 млрд.т углерода. Большая часть углерода, содержащегося в живых организмах, после окисления снова поступает в атмосферу в виде углекислого газа. Углерод, не участвующий в окислительных процессах, накоплен в недрах земли в виде торфа (~1000 млрд.т), угля (~ 10000 млрд.т), нефга(~ 20 млрд.т).
Образование нефти, газа и угля - процесс, длившийся много миллионов лет в специфических условиях, которых нет в настоящее время, поэтому в ближайшем будущем нельзя рассчитывать на появление новых месторождений.
Из запасов угля, составляющих около 10000 млрд.т, человечество на сегодняшний день использовало приблизительно 60-70 млрд.т. В настоящее время ежегодная потребность составляет больше 2 млрд.т. Это незначительный расход по сравнению с имеющимися запасами. Такое же положение и с нефтью. Кроме того, благодаря применению новейших методов геологоразведки открываются новые месторождения, однако все они не неисчерпаемы и распоряжаться ими следует разумно. Нужно также учесть, что нефть, природный газ и уголь являются не только источниками энергии, но и важнейшим сырьем для химической промышленности. Из них получают исходные продукты для предприятия органической химии, они служат сырьем для производства искусственных удобрений и взрывчатых веществ, поскольку водород, необходимый для получения аммиака Nffi, основного исходного продукта этих отраслей промышленности, экономичнее всего получать из нефти или газа. Поэтому важнейшей задачей научных и прикладных исследований является разработка новых методов получения энергии, что позволит передать нефть и газ химической промышленности.
Итак, почти во всех природных источниках энергии в основном запасена энергия Солнца. Можно сказать, что в настоящее время каждая электростанция-или двигатель питаются фактически ею. Исключением являются атомные электростанции, однако в общем производстве электроэнергии они пока играют ничтожную роль. Но и атомная энергия косвенным образом связана с солнечным излучением, так как образование урана, как и других химических элементов, связано с Солнцем, с возникновением Солнечной системы.
/ Энергия будущего: что делать, когда закончатся нефть, газ и уголь
05.10.2011. Энергия будущего: что делать, когда закончатся нефть, газ и уголь
Великий русский поэт Александр Пушкин, пытаясь передать прелесть белых ночей в Санкт-Петербурге, когда-то писал: «Пишу, читаю без лампады, и ясны спящие громады». К счастью, современному человеку лампада для чтения не нужна - на смену ей давно пришло электричество, представить жизнь без которого почти невозможно.
Однако эксперты предупреждают, что так будет не всегда. По примерным оценкам, через 100-150 лет нефть, газ и уголь, используемые как топливо для большинства электростанций, закончатся, и электричество станет роскошью. Что же в таком случае делать человечеству? Выходом может стать альтернативная энергетика. Правда, в России она пока совершенно не развита.
Россия замыкает
Вариантов нестандартного получения энергии за счет возобновляемых источников великое множество. В качестве одной из альтернатив, которая могла бы прийти на смену нефти и газу, раньше называлась атомная энергия. Однако после аварии на «Фукусиме», приведшей к значительному выбросу смертельной радиации, многие страны задумались об опасности мирного атома.
Другим вариантом замены углеводородов могли бы стать крупные гидроэлектростанции. Но и здесь есть проблема - их потенциал ограничен, и построить их можно далеко не везде. Получается, что ГЭС могут обеспечивать электричеством только небольшое количество людей.
В результате интерес мирового сообщества сосредоточился на нетрадиционных источниках энергии. В число перспективных направлений вошли солнечная энергетика, ветряная, биотопливная, а также мини-гидроэлектростанции, в том числе на основе геотермальной энергии и работающие на силе прилива.
Главными преимуществами альтернативных технологий перед нефтью и газом является высокая экологическая безопасность. Как отмечает представитель «РусГидро» (в России компания занимается возобновляемыми источниками) Иван Слива, при их работе практически нет отходов, выброса загрязняющих веществ в атмосферу или водоемы.
Отсутствуют и экологические издержки, связанные с добычей, переработкой, транспортировкой и утилизацией топлива. Кроме того, альтернативные технологии позволяют обеспечить энергией регионы, куда транспортировка традиционных источников затруднена.
В хозяйстве все сгодится
Потенциал возобновляемых источников энергии в России колоссален. Как отмечает директор по направлению «экология и энергоэффективность» Агентства по прогнозированию балансов в электроэнергетике (АПБЭ) Ольга Новоселова, этот потенциал достигает 4,5 млрд тонн условного топлива в год, что более чем в четыре раза превышает ежегодное внутреннее потребление первичных энергоресурсов в стране. При этом практически в каждом российском регионе есть свой вид возобновляемого ресурса.
Одним из наиболее перспективных направлений является ветроэнергетика. Технический потенциал отрасли в России оценивается в 50 млрд кВт/ч в год, а экономический - около 30% от всего производства электроэнергии в стране. При этом суммарная мощность всех ветровых электростанций РФ до сих пор не превышает 18 МВт.
Еще одним интересным для нашей страны направлением эксперты называют биоэнергетику. Ежегодно в России образуется порядка 100 млн тонн пригодных для получения энергии отходов биомассы - навоз, свалки, опилки, стружки и много другое. Энергетическая ценность такого мусора составляет до 300 млн МВт/ч, при этом уровень реальной утилизации не превышает 10%, отмечают в АПБЭ. Из биотоплива можно производить и биогаз, который является альтернативой природному газу в селе. По оценкам экспертов, биогазовый потенциал России эквивалентен 60-80 млрд кубометров в год (около 10% современной газодобычи в России). И в ближайшее время ожидается бум, в стадии утверждения десятки проектов общей мощностью до 50 МВт.
В области солнечной энергетики в целом суммарный объем введенных мощностей по разным оценкам, составляет не более 5 МВт. При этом уровень инсоляции России сопоставим с показателями той же Германии, где объем солнечной генерации на сегодняшний день достиг уже 20 ГВт. По оценкам координатора Ассоциации солнечной энергетики России Антона Усачева, большим потенциалом обладают южные территории России, а также регионы Дальнего Востока.
Значительные возможности скрыты и в энергетических технологиях, связанных с водой. В частности, на Кавказе есть возможности для строительства мини-ГЭС, а на Камчатке - геотермальных электростанций. Также в России существуют проекты приливных энергообъектов.
Огорчает лишь тот факт, что, несмотря на значительные ресурсы, уже реализованные российские проекты в области альтернативной энергетики пока можно пересчитать по пальцам. Например, в области производства биотоплива особо выделяется Вологодская область, где построен ряд мини-ТЭЦ, работающих на древесных отходах, отмечает специалист «Института проблем естественных монополий (ИПЭМ)» Сергей Белов.
В области геотермальной энергетики еще в 1966г. на Камчатке была построена экспериментальная Паужетская геотермальная электростанция мощностью 11 МВт, а в 2003г. была пущена в эксплуатацию Мутновская ГеоЭС, мощность которой в настоящее время составляет 60 МВт. В сфере ветряной генерации стоит отметить Куликовскую ВЭС, крупнейшую ветряную электростанцию в России, которая была введена в эксплуатацию в 2002г. с мощностью 5,1 МВт.
Конечно, в России есть еще много интересных проектов, в том числе и находящихся в стадии строительства. Однако даже если собрать их все воедино - вряд ли они смогут как-то изменить ситуацию в этой сфере и обеспечить электроэнергией значительную часть населения. Правда, у каждого из нас также есть возможность внести свою лепту в альтернативную энергетику, установив у себя дома или на даче свой источник электричества.
Народный подход
Среди населения спрос на альтернативную энергетику растет параллельно с ростом цен на электричество. Интереса к ней добавляет и низкое качество современного электроснабжения, зачастую приводящее к порче бытовой техники и многодневным отключениям. При этом российские и иностранные «кулибины» готовы предложить населению целый спектр решений в области независимого электроснабжения.
Несмотря на то, что Россия не самая солнечная страна в мире, наибольшей популярностью пользуются маленькие солнечные электростанции. Некоторые фирмы уже за 40 тыс. руб. готовы поставить комплекс оборудования, которые в летние месяцы может обеспечить светом дачный дом, подзарядить батарейки телефонов и ноутбуков и даже выдержать на какое-то время чайник и холодильник. Если купить комплекс за 200 тыс. руб. - то холодильник сможет работать несколько дольше, в сеть можно включать утюг и другие приборы. Есть возможность приобрести и мобильные солнечные модули, позволяющие заряжать телефоны и фонари в походе.
Минусом такой техники является тот факт, что зимой электричества с ее помощью в центральной России получить практически невозможно.
Еще одним вариантом получения энергии может стать установка комбинированной системы, включающей возможности получения ветровой и солнечной энергии, а в их отсутствии - с помощью традиционных источников. Подобная система способна надежно обеспечить электричеством в случае перебоев в электроснабжении.
Также можно установить и собственную ветровую станцию. В частности, одна из компаний готова поставить ветровую электростанцию. Предполагается, что при удачной эксплуатации стоимость вырабатываемой ею электроэнергии может составить 50-60 копеек за киловатт.
Большой потенциал есть и у строительства Микро-ГЭС. Правда, для таких станций есть требования к водным объектам, на которых они должны быть установлены. Как рассказал РБК генеральный директор компании, занимающейся альтернативными технологиями, - «Спецэнергоснаб» - Валерий Брянцев, для ГЭС мощностью 10 кВт может понадобиться водоем с перепадом высот от 2 метров или течением со скоростью 3,5-4 м в секунду. Если таких условий нет, возможно, придется сооружать небольшую плотину. Стоимость создания подобных ГЭС в среднем может быть около 2 тыс. долл. за один кВт мощности. При мощности в 10 кВт можно обеспечить более 40 коттеджей. Правда, не факт, что станция будет работать на полную.
Также перспективным направлением является производство биотоплива, в частности, биогаза на основе отходов со свалок, навоза и опилок. Здесь стоимость установок может варьироваться от нескольких десятков до сотен тысяч евро.
Почему нет?
Во всем мире в последнее время альтернативная энергетика бурно развивается - рост составляет 20-30% в год. Использование возобновляемых источников увеличивается не только в странах Европы и США. Например, Китай в 2010г. по сравнению с 2009г. увеличил потребление возобновляемой энергии на 74,5%, Турция - на 88,1%, Египет - на 35%, приводит данные генеральный директор исследовательского агентства INFOLine Иван Федяков.
Россия на общем фоне выглядит более чем скромно. В стране на альтернативные источники (кроме крупных ГЭС) приходится не более 1% от общего объема генерации и этот показатель не растет. На него не может повлиять даже применение «ручного» управления. К примеру, еще три года назад премьер-министр Владимир Путин призывал к 2020г. увеличить долю альтернативной энергетики до 4,5%, но за прошедший период она так и не изменилась ни на один процентный пункт. Между тем, во многих других странах эра альтернативных источников энергии уже началась. И примеров тому достаточно. Например, в Дании есть возможность использовать энергию ветра - и в некоторые ветряные ночи страна полностью обеспечивает свои потребности в электроэнергии за счет этой технологии. А Анталия (Турция) полностью отапливается за счет ресурсов солнца, которое там светит 300 дней в году.
Так что же мешает развитию альтернативной энергетики в России? Причин этому несколько, уверены эксперты. Прежде всего, мешает наличие нефти и газа и отсутствие хороших советников и объективной информации по возобновляемым источникам у высшего руководства страны, считает генеральный директор компании «Аэнерджи» Станислав Черница. Также влияют консерватизм, нежелание менять привычки, недостаток собственных ресурсов, как технических, так и человеческих.
Пеняют эксперты и на отсутствие государственной поддержки в этой области. Как поясняет Ольга Новоселова, не лучшим образом влияют недостаточно развитая нормативно-правовая база и отсутствие конкретных финансовых механизмов государственной поддержки. Между тем за рубежом для подобных технологий предусмотрены налоговые льготы и прямая государственная поддержка.
Конечно, у альтернативной энергетики есть и свои минусы. В частности, существует мнение, что солнечные модули при массовом использовании способны затемнить значительную часть суши, а производство биотоплива - истощить земли. Также аналитики отмечают непостоянство возобновляемых источников во времени, проблему с запасанием энергии, минимизации потерь при ее передаче на расстояния.
Другой аргумент - высокие капитальные затраты на подобные технологии. Например, строительство ветряков и солнечных панелей существенно дороже обычных электростанций, а инвестиции в нетрадиционную энергетику окупаются вполне традиционным способом - за счет конечного потребителя. В результате, полагает эксперт «Института проблем естественных монополий» Сергей Белов, альтернативная энергетика остается забавой для богатых, но обделенных природными ресурсами, регионов. Для России же, богатой на полезные ископаемые, более актуальными могли бы быть вопрос газификации и строительства инфраструктуры.
Однако неизвестно, помогут ли данные меры в решении энергетической проблемы - ведь энергетика, построенная на основе нефти, газа и угля, рано или поздно может столкнуться с исчерпаемостью этих ресурсов. А это, судя по всему, перспектива не самая дальняя. По прогнозам министра природных ресурсов Юрия Трутнева, углеводороды в мире могут закончиться уже через 100-150 лет. И какое место на изменившейся энергетической карте мира достанется в этом случае России - пока непонятно.
Уголь, нефть и газ - это результат теплового, механического, биологического и радиационного воздействия на останки растительного и животного мира в течение многих столетий. В составе органического топлива превалируют углерод и водород, поэтому часто его именуют углеводородным топливом. Различают две разновидности земной органики: залегающее пластами гумусовое вещество (останки высших земных организмов) и рассеянное в глинистой породе сапропелевое (останки фито- и зоопланктона) . С течением времени в этих веществах без доступа кислорода происходит увеличение доли атомов углерода. Этот процесс называют карбонизацией или «углефикацией». Сконцентрированное в пласты гумусовое органическое вещество формирует угли, а нефть и газ суть побочные продукты карбонизации тонко диспергированного в глинистых слоях сапропелевого органического вещества.
Количественной мерой карбонизации служит весовая концентрация углерода в органике. Для торфа - продукта начального превращения растительного материала - весовое содержание углерода не превышает 60 %. На следующей - буроугольной стадии - оно поднимается до 73 %.
Сегодня углеводородное топливо - главный источник энергии и будет продолжать служить таковым в ближайшие десятилетия. Сжигание угля, нефти и природного газа обеспечивает около 80 % мирового энергопотребления. Мировое производство электроэнергии в настоящее время также обеспечивается в основном за счет ископаемого органического топлива (на 60 - 65 %) - .
Уголь. Три тысячелетия назад китайцы обнаружили уголь и начали применять его в качестве топлива. Вернувшись после путешествия в Китай, Марко Поло в XIII веке представил уголь западному миру .
Уголь имеет углеродную основу, и энергия при его сгорании в кислороде высвобождается главным образом в процессе образования двуокиси углерода (углекислого газа) по реакции
С + О2 = СО2 + q , (2.2)
где q - теплотворная способность углерода, равная 393 кДж/моль = = 33 МДж/кг углерода. Если относить теплотворную способность не к 1 кг углерода, а к одной реакции (сгоранию одного атома углерода), то величина теплотворной способности составит
q = 33-10 6 -12-1,66-10 -27 = 6,57-10 -19 Дж = 4,1 эВ.
Электрон-вольт (эВ или eV) - внесистемная единица измерения энергии, удобная в атомной и ядерной физике. Электрон-вольт - это энергия, приобретаемая частицей с зарядом, численно равным заряду электрона, в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В: 1эВ = 1е1В = 1,6.10 -19 Кл1В = 1,6.10 -19 Дж.
Разведанные запасы угля в России оцениваются в 150 - 170 млрд т, что при сохранении его добычи на уровне 2000 г. (0,25 млрд т в год) приведет к их истощению лишь через 650 лет. Основное количество запасов энергетических углей приходится на районы Западной и Восточной Сибири. Наиболее благоприятные для извлечения высококачественные каменные угли сосредоточены в Кузнецком бассейне, а бурые - в Канско-Ачинском бассейне.
На Земле запасы каменных углей значительны и их залежи распределены достаточно равномерно. По оценке геологов, разведанные рентабельно извлекаемые запасы угля превышают 1 трлн т (10 12 т), так что при современных темпах потребления разведанных запасов хватит на 250 лет. Самые крупные производители угля, КНР и США, добывают по 1 млрд т/год.
Природный газ. Природный газ состоит преимущественно из метана СН4. При полном сгорании метана по реакции
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + q (2.3)
на 1 кг метана расходуется 16-4/(12 + 4) = 4 кг кислорода, т.е. больше, чем на сжигание 1 кг угля. Теплотворная способность метана q = 37 МДж/кг или 6,1 эВ.
Подтверждённые запасы природного газа находятся в интервале (1,3^1,6) 10 14 м 3 . При современных темпах потребления этого количества могло бы хватить на 70 лет Разведанные извлекаемые запасы газа в России оцениваются в 40 - 50 трлн м 3 , что составляет около 30 % мировых - , . При стабилизации добычи газа на уровне около 0,7 трлн м 3 в год истощение запасов наступит через 60 - 70 лет. Три месторождения в Западной Сибири (Ямбургское, Уренгойское, Медвежье) обеспечили около 75 % добычи газа в 2000 г. Из-за выработки этих месторождений к 2020 г. добыча газа здесь не превысит 11 % добычи в России. Ввод в эксплуатацию крупнейших в мире месторождений газа на полуострове Ямал и в российской части арктического шельфа позволит России укрепить позиции на мировом рынке газа. В то же время удаленность месторождений от потребителей газа приводит к тому, что на прокачку газа по российским газопроводам расходуется около 30 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Эти расходы равны энергии, вырабатываемой всеми ГЭС и АЭС России, вместе взятыми.
Важная задача для России - освоить промышленное производство сжиженного природного газа (СПГ, в английской аббревиатуре LNG) и построить терминалы по отправке специализированных судов СПГ-танкеров в другие страны . В последние годы объем реализации СПГ быстро растет: утроение за 10 лет. Ожидается, что к 2010 г. доля СПГ в мировой торговле газом достигнет 30 %.
Нефть. Нефть представляет собой сложную смесь углеводородных соединений. Из нее получают бензин (СН 2)^ керосин, дизельное топливо, мазут и ряд других видов топлива. Нефть является исходным и труднозаменимым сырьем для химической промышленности (при производстве масел, пластмасс, резины, битума, растворителей и т.д.). Только на эти цели требуется ежегодно около 1 млрд т нефти. Цена некоторых продуктов нефтехимии в 100 раз превышает цену сырой нефти.
Разведанные и пригодные для добычи запасы нефти на Земле оцениваются в 1000 - 1500 млрд баррелей (около 143 - 215 млрд т), т.е. менее 35 тонн на ныне живущего человека - , . При современных темпах потребления (на уровне 3,5 млрд т в год) этого количества хватит на 50 лет. По оценкам геологов, общие запасы нефти на Земле могут составлять 2300 млрд баррелей (из них к настоящему времени израсходовано 700 млрд баррелей).
Более 40 % мировой добычи обеспечивают страны ОПЕК, около 30 % - экономически развитые страны (в том числе 10 % - США, 9 % - страны Европы), 9 % - Россия, 10 % Южная и Центральная Америка, 5 % - Китай. ОПЕК - это организация стран-экспортеров нефти. В состав ОПЕК входят 11 стран: Алжир, Венесуэла, Индонезия, Иран, Ирак, Катар, Кувейт, Ливия, Нигерия, Объединенные арабские эмираты, Саудовская Аравия.
Разведанные запасы нефти в России составляют 12 - 13 % мировых. Этих запасов при стабилизации добычи нефти на уровне 0,3 млрд т в год хватит примерно на 50 - 60 лет.
В последние годы начата разработка технологий освоения шельфовых месторождений. В этой области Россия существенно отстает от других стран. Ресурсы российского континентального шельфа оцениваются в 140 млрд ТУТ, из которых около 15 - 20 % приходится на нефть, остальное - на газ - . Россия претендует на площадь континентального шельфа в 6,2 млн.кв.км, что составляет 21 % всего шельфа мирового океана. Наибольшая часть шельфа относится к Западной Арктике (Баренцево и Карское моря), Восточной Арктике (моря Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское), дальневосточным морям (Берингово, Охотское, Японское) и южным (Каспийское, Черное, Азовское). Более 85 % общих запасов нефти и газа приходится на арктические моря.
Большая доля добываемой нефти идет на нужды вооруженных сил. Авторы «взрывной дейтериевой энергетики» называют нефть одним из самых «милитаризованных продуктов» и «самым массовым оружием поражения». Действительно, боеприпасы современных армий не могут быть применены, если не будет нефти.
Во время локальной войны в Югославии весной 1999 г. было сожжено в двигателях и уничтожено в нефтехранилищах столько же нефти, сколько за всю вторую мировую войну .
Уменьшает энергетический век нефти и то, что она является незаменимым сырьем для химической промышленности. Однако, переработка углеводородного сырья пока является не самым сильным козырем российского нефтегазового комплекса. Так, при ежегодной добыче около 300 млн т нефти производство автобензина в 2005 г. составило 32 млн т, дизельного топлива - 59 млн т, мазута - 56 млн т, авиакеросина - 8 млн т , .
Енвд
