Японцы взялись за газовое топливо будущего? January 13th, 2013

Япония сегодня начала пробную добычу гидрата метана - разновидности природного газа, запасы которого, по оценке ряда экспертов, могут во многом решить энергетические проблемы страны. Специальное исследовательское судно "Тикю" /"Земля"/ приступило к бурению в Тихом океане в 70 км к югу от полуострова Ацуми вблизи города Нагоя на восточном побережье главного японского острова Хонсю.
В течение минувшего года японские специалисты провели ряд экспериментов по бурению тихоокеанского дна в поисках метаногидратов. В этот раз они намерены опробовать полномасштабную добычу энергоресурса и выделение из него газа метана. В случае успеха промышленную разработку месторождения у города Нагоя начнут в 2018 году.

Метаногидрат или гидрат метана - это соединение газа метана с водой, напоминающее по внешнему виду снег или рыхлый подтаявший лед. Этот ресурс широко распространен в природе - например, в зоне вечной мерзлоты. Под дном океана имеются большие запасы метаногидратов, осваивать которые до сих пор считалось невыгодным. Однако японские специалисты уверяют, что нашли относительно рентабельные технологии.

Запасы метаногидратов только в районе к югу от города Нагоя оцениваются в 1 трлн кубометров. Теоретически они могут полностью обеспечить потребности Японии в природном газе в течение 10 лет. Всего же, по прогнозам специалистов, залежей метаногидратов под океанским дном в прилегающих районах стране хватит примерно на 100 лет. Тем не менее стоимость этого топлива с учетом переработки, транспортировки и прочих расходов пока превышает рыночную цену на обычный природный газ.

В настоящее время Япония лишена энергетических ресурсов и полностью их импортирует. Токио, в частности, является крупнейшим в мире покупателем сжиженного природного газа. В последнее же время после аварии на АЭС "Фукусима-1" и постепенного отключения всех атомных станций потребности Японии в энергоресурсах возросли

Несмотря на развитие альтернативных источников энергии, ископаемые виды топлива по-прежнему сохраняют и, в обозримом будущем, будут сохранять главную роль в топливном балансе планеты. По прогнозам экспертов ExxonMobil, потребление энергоресурсов в ближайшие 30 лет на планете возрастет наполовину. Так как продуктивность известных месторождений углеводородов снижается, новые крупные месторождения открываются все реже, а использование угля наносит ущерб экологии. Однако скудеющие запасы обычных углеводородов можно компенсировать.
Те же эксперты ExxonMobil не склонны драматизировать ситуацию. Во-первых, технологии добычи нефти и газа развиваются. Сегодня в Мексиканском заливе, например, нефть добывают с глубины 2,5-3 км под поверхностью воды, такие глубины были немыслимы 15 лет назад. Во-вторых, развиваются технологии переработки сложных видов углеводородов (тяжелых и высокосернистых нефтей) и нефтяных суррогатов (битумы, нефтяные пески). Это позволяет возвращаться к традиционным районам добычи и возобновлять на них работу, а также начинать добычу в новых районах. Например, в Татарстане, при поддержке компании Shell, начинается добыча, так называемой "тяжелой нефти". В Кузбассе разрабатываются проекты по добыче метана из угольных пластов.

Третье направление поддержания уровня добычи углеводородов связано с поиском путей использования нетрадиционных их видов. Среди перспективных новых видов углеводородного сырья ученые выделяют гидрат метана, запасы которого на планете, по ориентировочным оценкам, составляют не менее 250 триллионов кубических метров (по энергетической ценности это в 2 раза больше ценности всех имеющихся на планете запасов нефти, угля и газа вместе взятых).

Гидрат метана - это супрамолекулярное соединение метана с водой. Ниже приведена модель гидрата метана на молекулярном уровне. Вокруг молекулы метана образуется решетка молекул воды (льда). Соединение устойчиво при низкой температуре и повышенном давлении. Например, гидрат метана стабилен при температуре 0 °C и давлении порядка 25 бар и выше. Такое давление имеет место на глубине океана около 250 м. При атмосферном давлении гидрат метана сохраняет устойчивость при температуре −80 °C.

Модель гидрата метана

Если гидрат метана нагревается, либо понижается давление, соединение распадается на воду и природный газ (метан). Из одного кубического метра гидрата метана при нормальном атмосферном давлении можно получить 164 кубических метра природного газа.

По оценкам Департамента Энергетики США, запасы гидрата метана на планете огромны. Однако, до сих пор это соединение практически не используется как энергетический ресурс. Департамент разработал и реализует целую программу (программа R&D) по поиску, оценке и коммерциализации добычи гидрата метана.

Холм из гидрата метана на морском дне

Неслучайно, что именно США готовы выделять значительные средства на разработку технологий добычи гидрата метана. Природный газ занимает в топливном балансе страны почти 23%. Большую часть природного газа США получают по газопроводам из Канады. В 2007 году потребление природного газа в стране составило 623 млрд. куб. м. К 2030 году оно может вырасти на 18-20%. Используя месторождения обычного природного газа в США, Канаде и на шельфе не возможно обеспечить такой уровень добычи.

Но тут как говорят есть другая проблема: вместе с газом поднимется огромная масса воды, от которой газ нужно будет очищать со всем возможным усердием. Нет таких двигателей, коротым было бы безразлично даже и 1% от массы топлива в виде хлоридов и прочих солей океана. Дизели умрут первыми, турбины выдержат немногим дольше. Разве что двигатель ВНЕШНЕГО сгорания Стирлинга?

Так что подавать в трубопровод газ прямо из придонного слоя - не прокатит никаким образом. Головников при очистке японцы хлебанут выше крыши. А потом за них возьмутся зелёные за загрязнения в толще океана его придонными слоями. Скорее всего струя песка и прочих примесей будет тянуться по течению и будет видна из космоса. Примерно как в Мраморном море струя из Босфора.

Очень мне этот проект и его перспективы напоминает неоднозначный и во многом спорный проект по сланцевому газу.

источники

/ 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.

Для промышленности важны три источника сырья: нефть, газ и каменный уголь .

Нефть.

Нефть - это темная, маслянистая жидкость, нерастворимая в воде , которая содержит разветвленные и неразветвленные алканы , циклоалканы. Состав зависит от месторождения.

Нефть является основным материалом для получения органических соединений методом сухой перегонки (пиролизом, карбонизацией). Основные продукты - ароматические углеводороды и их производные. Получают в основном красители, синтетические жиры и масла .

С ростом значения нефти совершенствовались способы химической переработки. В настоящее время около 90% синтетических органических соединений получены из нефти и ее производных.

Лабораторные и промышленные методы получения нефти.

Между лабораторным и промышленным способами получения нефти имеется ряд существенных различий, а именно:

• цена (в лаборатории используются малые количества реактивов, когда как в промышленности необходимы большие объемы. Поэтому в лаборатории могут использоваться дорогие и редкие соединения, а в промышленности нужно обходиться наименьшими затратами. Или использование вредных ядовитых веществ в лаборатории вполне допустимо из-за наличия вытяжных шкафов, то в промышленных масштабах это крайне опасно.);
• тепло. В промышленности подвод тепла весьма дорог для реакций, проводимых при умеренно повышенных и нармальных температурах, когда как для лаборатории такие синтезы легко осуществимы;
• чистота смеси. В лаборатории обычно работают с чистыми веществами, когда в промышленности, в основном, со смесями;
• круговорот веществ. Если в промышленности можно смеси разделять различными химическими процессами (перегонкой, фильтрованием, непрерывными процессами), то для лаборатории это нерентабельно. В промышленности имеет место цикличность процессов, когда непрореагировавшее вещество можно снова ввести в цикл процесса переработки, а в лаборатории такое осуществляется с большим трудом.

Переработка нефти.

В промышленности используют дробную перегонку «сырой нефти», в результате чего последняя разделяется на несколько фракций, которые имеют различные температуры кипения:

Бензиновая фракция состоит из петролейного эфира и экстракционного бензина. Состав фракции варьируется от С 6 - С 9 . Вся фракция является весомым нефтепродуктом, т.к. служит топливом для двигателей внутреннего сгорания.

Керосин (С 9 -С 16) используется в отопительных приборах, а также является топливом для самолетов и турбинных двигателей.

Газойль (дизельное топливо) служит топливом для дизельных двигателей.

Смазочные масла (С 20 - С 50) используются в качестве смозочных материлов.

Мазут (остаток) - используют как топливо, его перегоняют в результате чего получают высококипящую углеводородную фракцию.

Химические превращения углеводородов, содержащихся в нефти.

Значимость топлива в современном мире значительно возрастает. Именно по этой причине нашли самый оптимальный способ получения бензина из высококипящих фракций - крекинг - нагрев высших алканов без доступа воздуха, вследствие чего происходит распад на низшие и высшие углеводороды:

Если крекинг протекает без использования катализатора, то он называется термическим. Если же в качестве катализатора используют SiO 2 или Al 2 O 3 , то это каталитический крекинг. Продуктом таких процессов является этан и пропен, которые стали важным сырьем для промышлености.

Для совершенствования качеств бензина проводят реформинг и алкилирование.

Риформинг (изомеризация) - процесс, в котором неразветвленные алканы при нагревании с катализатором превращаются в более разветвленные с большим октановым числом. Например,

Алкилирование - процесс, при котором смесь алканов и алкенов превращается в разветвлённые соединения с большим октановым числом, при использовании в качестве катализатора - кислоты :

Природный газ.

Природный газ - совокупнсть газов, состав которых зависит от месторождения. В основном, это смесь метана, этана и пропана, но еще могут встретиться небольшие количества азота, высших алканов, углерода , гелия (редко).

Природный газ является промышленным топливом, важнейшим соединением служит синтез-газ (смесь оксида углерода и водорода):

Его можно получить воздействием раскаленного кокса с водяным паром, соединение, которое получается в данном процессе, носит название водяной газ :

Именно из оксида углерода и водорода получают метанол:

Реакция протекает под давлением в присутствие катализаторов.

Каменный уголь.

Каменный уголь служит сырьем для получения ароматических углеводородов. Схематически процесс можно представить так:

Аналогично можно получить толуол.

При сухой перегонке при высоких температурах получают смесь твердых, жидких и газообразных продуктов.

Газофазным продуктом является коксовый газ , основным компонентом которого является водород и метан.

Жидкий продукт представляет собой деготь , из которого выделяют большое количество фенола, крезола, нафталина, тиофена, антрацена.

Твердым продуктом является кокс .

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.

ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ

Углеводороды все такие разные -
Жидкие и твёрдые, и газообразные.
Почему так много их в природе?
Дело в ненасытном углероде.

Действительно, этот элемент, как никакой другой, “ненасытен”: он так и стремится образовывать то цепи, прямые и разветвлённые, то кольца, то сетки из множества своих атомов. Отсюда множество соединений из атомов углерода и водорода.

Углеводороды – это и природный газ – метан, и другой бытовой горючий газ, которым наполняют баллоны – пропан С 3 Н 8 . Углеводороды – это и нефть, и бензин, и керосин. А ещё – органический растворитель С 6 Н 6 , парафин, из которого сделаны новогодние свечи, вазелин из аптеки и даже полиэтиленовый пакет для упаковки продуктов…

Важнейшими природными источниками углеводородов являются полезные ископаемые – каменный уголь, нефть, газ.

КАМЕННЫЙ УГОЛЬ

На земном шаре известно больше 36 тысяч угольных бассейнов и месторождений, которые в совокупности занимают 15% территории земного шара. Угольные бассейны могут тянуться на тысячи километров. Всего общегеологические запасы угля на земном шаре составляют 5 трлн. 500 млрд. тонн , в том числе разведанные месторождения -1 трлн. 750 млрд. тонн .

Различают три главных вида ископаемых углей. При горении бурого угля, антрацита – пламя невидимое, сгорание бездымное, а каменный уголь при горении издаёт громкий треск.

Антрацит – самый древний из ископаемых углей. Отличается большой плотностью и блеском. Содержит до 95% углерода.

Каменный уголь – содержит до 99% углерода. Из всех ископаемых углей находит самое широкое применение.

Бурый уголь – содержит до 72% углерода. Имеет бурый цвет. Как самый молодой из ископаемых углей, часто сохраняет следы структуры дерева, из которого он образовался. Отличается большой гигроскопичностью и высокой зольностью (от 7% до 38 %), поэтому используется только как местное топливо и как сырьё для химической переработки. В частности, путём его гидрогенизации получают ценные виды жидкого топлива: бензин и керосин.

Углерод основная составная часть каменного угля(99% ), бурого угля (до 72% ). Происхождение названия углерод, то есть, “рождающий уголь”. Аналогично и латинское название “карбонеум” в основе содержит корень карбо-уголь.

Как и нефть, каменный уголь содержит большое количество органических веществ. Кроме органических веществ, в его состав входят и неорганические вещества, такие, как вода, аммиак, сероводород и, конечно же, сам углерод – уголь. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование – прокаливание без доступа воздуха. В результате коксования, которое проводят при температуре 1000 0 С, образуется:

Коксовый газ – в его состав входят водород, метан, угарный и углекислый газ, примеси аммиака, азота и других газов.

Каменноугольная смола – содержит несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и разные гетероциклические соединения.

Надсмольная или аммиачная вода – содержащая, как ясно из названия, растворённый аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества.

Кокс – твёрдый остаток коксования, практический чистый углерод.

Кокс используется в производстве чугуна и стали, аммиак - в производстве азотных и комбинированных удобрений, а значение органических продуктов коксования трудно переоценить. Какова же география распространения этого полезного ископаемого?

Основная часть угольных ресурсов приходится на северное полушарие – Азию, Северную Америку, Евразию. Какие же страны выделяются по запасам и добыче угля?

Китай, США, Индия, Австралия, Россия.

Главными экспортёрами угля являются страны.

США, Австралия, Россия, ЮАР.

Главные центры импорта.

Япония, Зарубежная Европа.

Это очень экологически грязное топливо. При добыче угля происходят взрывы и возгорания метана, возникают определенные проблемы, связанные с окружающей средой.

Загрязнение окружающей среды – это любое нежелательное изменение состояния этой среды в результате хозяйственной деятельности человека. Это происходит и при добыче полезных ископаемых. Представим ситуацию в районе добычи угля. Вместе с углём на поверхность поднимается огромное количество пустой породы, которое за ненадобностью просто отправляют в отвалы. Постепенно образуются терриконы – огромные, в десятки метров высотой, конусообразные горы пустой породы, которые искажают облик природного ландшафта. А весь ли уголь, поднятый на поверхность, обязательно будет вывезен потребителю? Конечно, нет. Ведь процесс негерметичен. Огромное количество угольной пыли оседает на поверхность земли. В результате изменяется состав почв, грунтовых вод, что неминуемо повлияет на животный и растительный мир района.

Уголь содержит радиоактивный углерод - С, но после сжигания топлива опасное вещество вместе с дымом попадает в воздух, воду, почву, спекается в шлак или золу, которая используется для производства строительных материалов. В результате, в жилых домах стены и перекрытия “фонят” и представляют угрозу для здоровья человека.

НЕФТЬ

Нефть известна человечеству с древних времён. На берегу Евфрата она добывалась

6-7 тыс. лет до н. э. Использовалась она для освещения жилищ, для приготовления строительных растворов, в качестве лекарств и мазей, при бальзамировании. Нефть в древнем мире была грозным оружием: огненные реки лились на головы штурмующих крепостные стены, горящие стрелы, смоченные в нефти, летели в осаждённые города. Нефть являлась составной частью зажигательного средства, вошедшего в историю под названием “греческого огня”. В средние века она использовалась главным образом для освещения улиц.

Нефтегазоносных бассейнов разведано больше 600, разрабатывается 450, а общее число нефтяных месторождений достигает 50 тысяч.

Различают легкую и тяжелую нефть. Легкую нефть извлекают из недр насосами или фонтанным способом. Из такой нефти делают в основном бензин и керосин. Тяжелые сорта нефти иногда добывают даже шахтным способом (в Республике Коми), и готовят из нее битум, мазут, различные масла.

Нефть наиболее универсальное топливо, высококалорийное. Её добыча отличается относительной простотой и дешевизной, ведь при добыче нефти нет необходимости опускать под землю людей. Транспортировка нефти по трубопроводам не представляет большой проблемы. Главный недостаток этого вида топлива – невысокая ресурсообеспеченность (около 50 лет) . Общегеологические запасы равны 500 млрд. тонн, в том числе разведанные 140 млрд. тонн.

В 2007 году российские учёные доказали мировому сообществу, что подводные хребты Ломоносова и Менделеева, которые находятся в Северном Ледовитом океане являются шельфовой зоной материка, а следовательно принадлежат Российской Федерации. О составе нефти, её свойствах расскажет учитель химии.

Нефть – это “сгусток энергии”. С помощью лишь 1мл её можно нагреть на один градус целое ведро воды, а для того чтобы вскипятить ведёрный самовар, нужно менее половины стакана нефти. По концентрации энергии в единице объёма нефть занимает первое место среди природных веществ. Даже радиоактивные руды не могут конкурировать с ней в этом отношении, так как содержание в них радиоактивных веществ настолько малы, что для извлечения 1мг. ядерного топлива надо переработать тонны горных пород.

Нефть – это не только основа топливно-энергетического комплекса любого государства.

Здесь к месту знаменитые слова Д. И. Менделеева “сжигать нефть – это то же, что топить печь ассигнациями” . В каждой капле нефти содержится более 900 различных химических соединений, более половины химических элементов Периодической системы. Это действительно чудо природы, основа нефтехимической промышленности. Примерно 90% всей добываемой нефти используется в качестве топлива. Несмотря на “ свои 10%”, нефтехимический синтез обеспечивает получение многих тысяч органических соединений, которые удовлетворяют насущные потребности современного общества. Недаром люди уважительно называют нефть “чёрным золотом”, “кровью Земли”.

Нефть – маслянистая темно-коричневая жидкость с красноватым или зеленоватым оттенком, иногда чёрная, красная, синяя или светлая и даже прозрачная с характерным резким запахом. Бывает нефть белая или бесцветная, как вода (например, в Суруханском месторождении в Азербайджане, в некоторых месторождениях в Алжире).

Состав нефти неодинаков. Но все они обычно содержат углеводороды трёх видов – алканы (преимущественно нормального строения), циклоалканы и ароматические углеводороды. Соотношение этих углеводородов в нефти различных месторождений бывает разное: например, нефть Мангышлака богата алканами, а нефть в районе Баку – циклоалканами.

Основные запасы нефти находятся в северном полушарии. Всего 75 стран мира добывают нефть, но 90% её добычи приходится на долю всего 10 стран. Около ? мировых запасов нефти приходится на развивающиеся страны. (Учитель называет и показывает на карте).

Главные страны производители:

Саудовская Аравия, США, Россия, Иран, Мексика.

В то же время больше 4/5 потребления нефти приходится на долю экономически развитых стран, которые являются главными страны-импортеры:

Япония, Зарубежная Европа, США.

Нефть в сыром виде нигде не используется, а находят применение продукты нефтепереработки.

Переработка нефти

Современная установка состоит из печи для нагревания нефти и ректификационной колонны, где нефть разделяется на фракции – отдельные смеси углеводородов в соответствии с их температурами кипения: бензин, лигроин, керосин. В печи имеется свернутая в змеевик длинная труба. Печь обогревается продуктами сгорания мазута или газа. В змеевик непрерывно подается нефть: там она нагревается до 320 - 350 0 Си в виде смеси жидкости и паров поступает в ректификационную колонну. Ректификационная колонна – это стальной цилиндрический аппарат высотой около 40м. Она имеет внутри несколько десятков горизонтальных перегородок с отверстиями – так называемые тарелками. Пары нефти, поступая в колонну, поднимаются вверх и проходят через отверстия в тарелках. Постепенно охлаждаясь при своем движении вверх, они частично сжижаются. Углеводороды менее летучие сжижаются уже на первых тарелках, образуя газойлевуюфракцию; более летучие углеводороды собираются выше и образуют керосиновую фракцию; ещё выше – лигроиновую фракцию. Наиболее летучие углеводороды выходят в виде паров из колонны и после конденсации, образуют бензин. Часть бензина подаётся обратно в колону для “орошения”, что способствуют лучшему режиму работы. (Запись в тетради). Бензин – содержит углеводороды С5 – С11, кипящие в интервале от40 0 С до 200 0 С; лигроин – содержит углеводороды С8 - С14 с температурой кипения от 120 0 С до 240 0 С;керосин- содержит углеводороды С12 – С18, кипящие при температуре от180 0 С до 300 0 С; газойль - содержит углеводороды С13 – С15, отгоняют при температуре от 230 0 С до 360 0 С; смазочные масла- С16 – С28, кипят при температуре 350 0 С и выше.

После отгонки из нефти светлых продуктов остаётся вязкая чёрная жидкость – мазут. Он представляет собой ценную смесь углеводородов. Из мазута путём дополнительной перегонки получают смазочные масла. Неперегоняющуюся часть мазута называют гудроном, который используется в строительстве и при асфальтировании дорог.(Демонстрация фрагмента видеофильма). Наиболее ценной фракцией прямой перегонки нефти является бензин. Однако выход этой фракции не превышает 17-20% от массы сырой нефти. Возникает проблема: как удовлетворить все возрастающие потребности общества в автомобильном и авиационном топливе? Решение было найдено в конце 19 века русским инженером Владимиром Григорьевичем Шуховым . В 1891 году он впервые осуществил промышленный крекинг керосиновой фракции нефти, что позволило увеличить выход бензина до 65-70% (в расчёте на сырую нефть). Только за разработку процесса термического крекинга нефтепродуктов благодарное человечество золотыми буквами вписало имя этого уникального человека в историю цивилизации.

Полученные в результате ректификации нефти продукты подвергают химической переработке, включающей ряд сложных процессов, Один из них – крекинг нефтепродуктов (от английского “Сracking”-расщепление). Различают несколько видов крекинга: термический, каталитический, крекинг высокого давления, восстановительный. Термический крекинг заключается в расщеплении молекул углеводородов с длинной цепью на более короткие под действием высокой температуры (470-550 0 C). В процессе этого расщепления наряду с алканами образуются алкены:

В настоящее время наиболее распространён каталитический крекинг. Он проводится при температуре 450-500 0 С, но с большей скоростью и позволяет получать бензин более высокого качества. В условиях каталитического крекинга наряду с реакциями расщепления идут реакции изомеризации, то есть превращения углеводородов нормального строения в углеводороды разветвлённые.

Изомеризация влияет на качество бензина, так как наличие разветвленных углеводородов сильно повышает его октановое число. Крекинг относят к так называемым вторичным процессам нефтепереработки. К вторичным относят и ряд других каталитических процессов, например риформинг. Риформинг – это ароматизация бензинов, путём нагревания их в присутствии катализатора, например, платины. В этих условиях алканы и циклоалканы превращаются в ароматические углеводороды, в следствии чего октановое число бензинов также существенно повышается.

Экология и нефтепромысел

Для нефтехимического производства особенно актуальна проблема окружающей среды. Добыча нефти связана с затратами энергии и загрязнением окружающей среды. Опасным источником загрязнения Мирового океана является морская нефтедобыча, также Мировой океан загрязняется при транспортировке нефти. Каждый из нас видел по телевизору последствия аварий нефтеналивного танкера. Чёрные, покрытые слоем мазута берега, чёрный прибой, задыхающиеся дельфины, Птицы, крылья которых в вязком мазуте, люди в защитных костюмах, собирающие нефть лопатами и вёдрами. Хочу привести данные серьёзной экологической катастрофы, которая произошла в Керченском проливе в ноябре 2007 года. В воду попали 2 тысячи тонн нефтепродуктов и около 7 тысяч тонн серы. Больше всего из-за катастрофы пострадали коса Тузла, которая находится на стыке Чёрного и Азовского морей, и коса Чушка. После аварии мазут осел на дно из - за чего погибла мелкая ракушка-сердцевидка-основная еда обитателей моря. На восстановление экосистемы уйдет 10 лет. Погибло более 15 тысяч птиц. Литр нефти, попав в воду, растекается по её поверхности пятнами площадью 100 кв.м. Нефтяная пленка, хотя и очень тонкая, образует непреодолимую преграду на пути кислорода из атмосферы в водную толщу. В результате нарушается кислородный режим и океан “задыхается”. Гибнет планктон, являющийся основой пищевой цепи океана. В настоящее время нефтяными пятнами покрыто уже около 20% площади Мирового океана, и площадь, пораженная нефтяным загрязнением растет. Кроме того, что нефтяной пленкой покрыт Мировой океан, мы можем её наблюдать и на суше. Например, на нефтяных месторождениях Западной Сибири в год проливается нефти больше, чем вмещает танкер - до 20 млн. тонн. Около половины этой нефти попадает на землю в результате аварий, остальное – “плановые” фонтаны и утечки при запуске скважин, разведочном бурении, ремонте трубопроводов. Наибольшая площадь нефтезагрязнённых земель, по данным Комитета по окружающей среде Ямало-Ненецкого автономного округа, приходится на Пуровский район.

ПРИРОДНЫЙ И ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗЫ

В природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой, основными компонентами является метан . Его содержание в газе различных месторождений колеблется от 80% до 97%. Кроме метана – этан, пропан, бутан. Неорганические: азот– 2%; СО2; Н2О; Н2S, благородные газы. При сгорании природного газа выделяется много тепла.

По своим свойствам природный газ как топливо превосходит даже нефть, он более каллориней. Это самая молодая отрасль топливной промышленности. Газ ещё проще добывают и транспортируют. Это самое экономичное из всех видов топлива. Есть, правда, и недостатки: сложная межконтинентальная транспортировка газа. Танкеры – метанавозы, перевозящие газ в сжиженном состоянии представляют собой исключительно сложные дорогие конструкции.

Применяется в качестве: эффективного топлива, сырья в химической промышленности, в производстве ацетилена, этилена, водорода, сажи, пластмассы, уксусной кислоты, красителей, медикаментов и др. Попутные (нефтяные газы) – природные газы, которые растворяются в нефти и выделяются при её добыче. В нефтяном газе содержится меньше метана, но больше пропана, бутана и других высших углеводородов. А где газ добывается?

Более 70 стран мира обладают промышленными запасами газа. Причём, как и в случае с нефтью, очень крупными запасами располагают развивающиеся страны. Но добычу газа ведут в основном развитые страны. Они имеют возможности для его использования или способ продавать газ другим странам, находящимися с ними на одном материке. Международная торговля газом менее активна, чем торговля нефтью. На международном рынок поступает около 15% добываемого в мире газа. Почти 2/3 мировой добычи газа дают Россия и США. Бесспорно ведущим регионом газодобычи не только нашей страны, но и в мире является Ямало-Ненецкий автономный округ, где эта отрасль развивается уже 30 лет. Наш город Новый Уренгой по праву признан газовой столицей. К крупнейшим месторождениям относятся Уренгойское, Ямбургское, Медвежье, Заполярное. Уренгойское месторождение включено в “Книгу рекордов Гиннеса”. Запасы и добыча месторождения уникальны. Разведанные запасы превышают 10 трлн. м 3 , с момента эксплуатации уже добыто 6 трлн. м 3 . В 2008 году ОАО “Газпром” планирует добыть на Уренгойском месторождении 598 млрд. м 3 “голубого золота”.

Газ и экология

Несовершенство технологии добычи нефти и газа, их транспортировки обуславливает постоянное сжигание объёма газа на тепло-агрегатах компрессорных станций и в факелах. На долю компрессорных станций приходится около 30% этих выбросов. На факельных установках ежегодно сжигается около 450 тыс. тонн природного и попутного газа, при этом в атмосферу поступает более 60 тыс. тонн загрязняющих веществ.

Нефть, газ, каменный уголь – это ценное сырьё для химической промышленности. В недалёком будущем им будет найдена замена в топливно-энергетическом комплексе нашей страны. В настоящее время учёные ведут поиск путей использования энергии солнца и ветра, ядерного горючего с целью полной замены нефти. Наиболее перспективным видом топлива будущего является водород. Сокращение использования нефти в теплоэнергетике – путь не только к более рациональному её применению, но и к сохранению этого сырья для будущих поколений. Углеводородное сырьё должно использоваться только в перерабатывающей промышленности для получения разнообразной продукции. К сожалению, ситуация пока не меняется, и до 94% добываемой нефти служит топливом. Д. И. Менделеев мудро говорил: “Сжигать нефть – это то же, что топить печь ассигнациями”.

Справочники