§ 1.2. Виды энергоресурсов и их запасы

Мнженеру-энергетику необходимо иметь хотя бы самое общее представление о тех запасах различного вида топлива, которые имеются в мире. Рассмотрим в этом плане различные виды топ­лива.

Уголь. Общие геологические запасы угля в мире оцениваются в 61 114 млн. ТВт-ч (7500 —14 ООО млрд. т у. т.), из которых

24,4 млн. ТВт-ч (3000 млрд. т у. т.) относятся к достоверным запа­сам. Наибольшими достоверными запасами располагают Советский Союз и Соединенные Штаты. Значительные достоверные запасы имеются в ФРГ, Англии, КНР и ряде других стран. Современная техника и технология позволяют экономически оправданно добы­вать лишь 50% от всех достоверных запасов угля.

В энергобалансе СССР в начале 70-х годов произошли сущест­венные изменения: ископаемые угли уступили занимаемое ими ра­нее первое место нефти и газу. По тоннажу добыча угля значитель­но превышает добычу нефти, но выраженный в условном топливе удельный вес углей оказался меньшим, чем удельный вес жидкого и газообразного минерального топлива. Однако роль угля в снаб­жении народного хозяйства нашей страны в перспективе возрастет и будет исключительно велика. Углепромышленные бассейны имеются в ^ пределах РСФСР (Печорский, Кузнецкий, Кан- ско-Ачинский, Иркутский, Подмосковный), на Украине (Донецкий, Днепропетровский, Львовско-Волынский) и в Казахстане (Караган­динский и Экибастузский). Узлы мирового масштаба древнего на­копления угля находятся в Восточной и Западной Сибири. Среди подсчитанных общих геологических запасов углей СССР более 90% составляют запасы энергетических углей и менее 10% прихо­дится иа долю дефицитных коксующихся углей, необходимых для металлургии. Энергетические угли имеются на площадях, пригод­ных для открытой разработки (202 млрд. т). Это Канско-Ачннский бассейн в Восточной Сибири, где имеются запасы бурых углей в мощных (от 20 до 40 м) пластах, залегающих на глубине менее 200 м от поверхности, и многие другие.

Безусловно, неблагоприятно то, что 93% общесою тих запасов углей находится на территории, расположенной к doc iоку 01 ,yp_f} ла, а 60% добываемого в СССР угля потребляется на 5/рале _и в ззпздных районах. В связи с этим выросла и добыча угля в евро, пейской части Советского Союза до 50% общегосударственной, что не вполне согласовано с имеющимися здесь ресурсами. Особенно богато угольными бассейнами и месторождениями пространство между Тургайской низменностью и озером Байкал до 60° с. ш, прилегающее к Сибирской и Южно-Сибирской магистралям. Оно включает ^!/з всех подсчитанных запасов углей (Карагандинский Экибастузский, Майкюбейский, Кузнецкий, Минусинский, Каиско- Ачинский, Иркутский бассейны). На базе этих полезных ископае­мых и комплексе других создаются новые промышленно-экономиче­ские районы и центры.

Еще большие угольные ресурсы имеются в Красноярском крае и Якутской АССР за 60° с. ш. В недрах Тунгусского, Ленского и Таймырского бассейнов заключается 60% наших угольных бо­гатств, которые в силу природных условий и отдаленности от про­мышленных районов еще только начинают осваиваться.

В последнее время большое внимание уделяется изучению и освоению углей Южной Якутии, Северо-Востока и Дальнего Восто­ка, что связано с развитием металлургической и горнорудной про­мышленности, строительством Байкало-Амурской магистрали.

В этих краях насчитывается более 3% общесоюзных запасов углей (Зарынский, Буреинский, Верхне-Суйфунский, Сучанский, Мага­данский бассейны). На одном из них возможна открытая добыча угля в крупном масштабе (Зырянский бассейн). Однако развитие добычи дешевых энергетических углей в Сибири и Казахстане в любых масштабах (что позволяют сделать имеющиеся там запа­сы) не разрешит проблемы снабжения главных потребителей этого вида топлива — промышленности Урала и крупных ТЭС, находя­щихся в западных районах страны. Дальность перевозки каменных углей из Казахстана на Урал и в Поволжье и полная нерентабель­ность транспортировки на значительное расстояние рыхлых и вы­сокозольных сибирских бурых углей, а также нерешенность задачи сверхдальней передачи электроэнергии заставляют обратить осо­бое внимание на расширение площадей с энергетическими углями в старых углепромышленных районах и поиски новых месторожде­ний на Западе СССР. В этом отношении перспективны Донецкий и Печорский бассейны, обладающие реальными для освоения запа­сами энергетических углей *.

Каменный уголь состоит из остатков флоры, существовавшей на Зем­ле в геологические эпохи задолго до нашего времени. В каменноугольный период жизни земного шара поверхность планеты была обильно покрыта растениями. Многие из современных растений, такие, как папоротник, в ту эпоху имели на

запасов от Ура- Урале и j в евро- ной, что >собенно 'ранство 0° с. ш, гм. Оно инский, Канско- скопае- юмиче-

м крае кого и >1Х бо- )Т про-

ЙИЮ и Восто- й про- трали. углей Мага- обыча титие хтане запа-

,3*1010

04%-Углерод

⁴5 %-Водород Рис. 1.4. Примерный состав каменного угля

1% -Сера 1% -Азот Кислород

п большие размеры. Каменный уголь образовался после отмирания растений Укрытия их осадочными породами.

¹ растения в период своей жизни запасают химическую энергию, превращая за ■чет энергии солнечных лучей углекислоту и воду в растворимые углеводы, откла- дывая их в виде клетчатки в стволах и ветках. Белковые вещества в растениях Случаются синтезом неорганических азотсодержащих веществ, поступающих из яочвы, и органических веществ, выработанных за счет энергии Солнца. По выра- жению акад. П. П. Лазарева, «...химическая энергия, запасенная в древесных по- родах, есть превращенная энергия Солнца» *.

Если дерево сжечь в присутствии кислорода с образованием углекислоты, воды и первоначальных азотистых соединений, то полученное при этом тепло будет отвечать энергии, доставленной растению Солнцем.

Каменный уголь, представляющий собой почти чистый углерод, выделяет при сжигании до 8,14 кВт-ч/кг (29,3 МДж/кг) энергии.

Примерное содержание различ- ных элементов в каменном угле показано на рис. 1.4.

Нефть. Оценка мировых запа- сов нефти в настоящее время представляет особый интерес.

Это вызвано быстрым ростом ее потребления и тем, что во мно- гих странах (Япония, Швеция и др.) нефть при производстве электроэнергии вытеснила уголь, хотя в последнее время этот про- цесс приостановился.

Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т, из которых 53 млрд. т составляют достоверные запасы. Более поло- вины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Сред- него и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеют- ся высокоразвитые производительные силы, сосредоточены относи-

та гг кип ий/^п ттт-лтша чяпярм нргЬтм (тя^п 1

Оценки достоверных запасов нефти по своей природе липам,_{п с}

н

1< И-

л ЧСС^Т

пазл*

ко#^,,ь

пых

раляс¹

мерно

нефть

или и

дИМО

му не Один что 01 С

с к» а ж Каспи

И

тую ¹

IIЫЙ С

пажне лии, п Ч

зульт; тур р нагре: ные с Г

и фа} образ ние з

КИ П( OCHOI ЧИСЛ'

ы. Их пеличипа изменяется но мере проведения разведок нс)в_ы> ^,,Г -

месторождений. Геологические рпзведки, осуществляемые в iijгip_f, ких масштабах, приводят, как правило, к увеличению достоперн^^ запасов нефти. Все имеющиеся в литературе оценки запасов явд_5} ются условными и характеризуют только порядок величин.

Исключительно быстрый рост потребления нефти определяется в основном четырьмя причинами:

1. развитием транспорта всех видов и в первую очередь автомо­бильного и авиационного, для которых жидкое топливо пока неза­менимо;

2. лучшими показателями добычи, транспортировки и использо­вания (по сравнению с твердым топливом);

3. стремлением в кратчайшие сроки и с минимальными затра­тами перейти к использованию природных энергетических ресур­сов;

4. в промышленно развитых капиталистических странах — стремлением получить возможно большие прибыли за счет эксплуа-, тации нефтяных месторождений развивающихся стран.

Несоответствие между размещением нефтяных ресурсов и места­ми их потребления или центрами производительных сил привело к бурному прогрессу в развитии средств транспортировки нефти, в частности к созданию трубопроводов большого диаметра (боль­ше 1 м) и танкеров большой тоннажности.

Соотношения между производством энергоресурсов и их потреб­лением. Проследив по группам стран и районов такие соотношения, можно наглядно представить картину экспорта и импорта энерге­тических ресурсов. Примерно 75% всего мирового потребления коммерческих энергоресурсов приходится на 10 стран: США, СССР, Великобританию, Японию, ФРГ, Канаду, Францию, Италию, ГДР и Чехословакию. Из них только Советский Союз имеет положитель­ный топливный баланс, т. е. полностью обеспечивает свои потреб­ности за счет собственных коммерческих энергоресурсов и продает !

топливо другим странам. Остальные 9 стран покрывают спрос на юте энергоресурсы за счет импорта. Причем потребление ими коммер- дол

ческих эиергоресурсов все время превышает их производство. Та- газ

кое же положение имеется и в ряде других стран: превышение про­исходит в Дании в 28, Швейцарии — в 15, Финляндии — в 11,

Швеции — в 5,8, Италии — в 4,5 раза.

Для каждой страны вопросы импорта топлива играют большую роль во внешней политике и в том положении, которое занимает эта страна в международной торговле, так как при значитель- —

ных объемах экспортируемой готовой продукции значительная _<

часть валютных затрат на импорт энергоресурсов возвра- щается.

Северная Америка, Западная Европа и страны Дальнего Восто­ка находятся в большой зависимости от импорта энергоресурсов из стран Среднего и Ближнего Востока, которые, экспортируя огром*

_е количество эпергорссурсов (см. рис. I>.2), потребляют отпоси- небольшое количество.

Нефть была известна еще древним грекам и римлянам, которые называли ее ийттолиумом. В VI в. до и. э. горючие газы, выделяющиеся из нефтяных источни­ки «а Апшеронском полуострове, дали повод к обожествлению печного огня, _ь ^ть которого сооружались храмы. Примерно в то же время жидкую нефть, мП'ЮТуи ^1,0 берегам Каспийского моря, использовали для освещения и лечения коаных болезней. В древности нефть, вытекающую из трещин в земле и нефтя* ны? скважин, собирали п специальные ямы, из которых она впоследствии заби­ралась для хозяйственных нужд. По мере увеличения потребности в нефти, при­мерно г XVI п., стали вырывать специальные глубокие колодцы, откуда черпали нефть. Месторождения нефти представляют собой пористые пласты песчаника или известняка, пропитанные жидкостью.

Сооружение колодцеп п те времена было делом опасным. Колодец пеобхп днмо было рыть до пропитанного нефтью пласта, по мере приближения к которо’ му нефтяные газы просачивались п колодец и делали невозможным дыханпо Один из таких колодцев па Апшеронском полуострове сохранил надпись о том, uto он сооружен в 1594 г.

С помощью колодцев нефть добывали до XIX в. Первая в мире нефтяная скнажина пробурена в 1848 г. Ф. А. Семеновым в урочище Биби-Эйбат на берегу Каспийского моря.

Нефть по своему виду и свойствам представляет бурую жидкость, содержа­щую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобраз­ный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих ножное техническое значение — бензин, керосин и смазочные масла, а также вазе' лин, применяемый в медицине и парфюмерии.

Чтобы объяснить происхождение залеганий нефти, ученые пользовались ре­зультатами опытов, при которых производилось нагревание до высоких темпера­тур растений и остатков животных без доступа воздуха. В результате такого нагревания, называемого сухой перегонкой, образовывались углеводороды, сход­ные с углеводородами, заключающимися в нефти.

Предполагалось, что в древние времена существовавшая и умершая флора и фауна была покрыта осадочными породами на дне морей и океанов, которые образовались при опускании земной поверхности. Можно допустить, что опуска­ние земной поверхности происходило до больших глубин, где органические остат­ки под действием тепла Земли превращались в нефть. Такое воззрение составляет основу биолого-геологической теории образования нефти, подтвержденной много­численными исследованиями.

Природный газ. Мировые геологические запасы газа оценива­ются в 140—170 трлн. м³, из которых 70 трлн. м³ приходится на долю СССР и 34 трлн. м³ — на долю США. Распределение запасов газа по странам и районам приведено в табл. 1.6. Эти цифры сле-

Таблица 1.6

%

Страна, район

от мировых

В настоящее время известно уже более оиии cmhicih^..,.

ных продуктов из нефти и газа, и число их ежегодно увеличивается на 400. Однако пока всего 3—5% от добытых запасов перерабаты­ваются как химическое сырье.

Нефтяные и газовые месторождения открываются на глубине и могут быть оценены только бурением глубоких скважин, являю­щихся завершающим этапом в комплексе геологоразведочных ра­бот на нефть и газ. Затраты на бурение составляют более 70% ₀т затрат на проведение всех геологоразведочных работ.

Гидроэнергетические ресурсы. Гидроэнергетические ресурсы на Земле оцениваются величиной в 32 900 ТВч-ч в год, из которых около 25% по техническим и экономическим условиям оказываются пригодными для использования. Эта величина примерно в 2 раза превышает современный уровень ежегодной выработки электро­энергии всеми электростанциями мира, т. е. определенные запасы гидроэнергии еще имеются. В табл. 1.7 содержатся данные о гидро­энергоресурсах в различных странах.

Гидроэнергетический потенциал рек Советского Союза велик — 4000 млрд. кВт-ч (450 млн. кВт среднегодовой мощности), или 12% от потенциала рек земного шара. В нашей стране широкое ис­пользование гидроэнергетических ресурсов впервые было преду­смотрено в 1920 г. в ленинском плане электрификации России (ГОЭЛРО). По этому плану намечалось строительство 10 крупных

25,1	15,85	Швейцария
13,2	5,6	Испания	5,0
20,0	12,0	Германия	3,7
8,9	2,9	Англия	1.2

1.ШЛ

Канада

Япония

Норвегия

Швеция

п

1,5

0,6

о тому времени гидроэлектростанции (Волховская, Днепровская, Свнрская и др.) с установленной мощностью в 640 МВт. К 1941 г. мощность всех гидростанции составила 1,4 ГВт. В военные годы широко развернулось строительство ГЭС в Средней Азии, а в по­слевоенные до 1966 г. — в северо-западных районах (Кольский по­луостров, Карелия, Ленинградская область и Эстонская ССР), в Закавказье, а также на Волге, Каме и Днепре. В конце этого периода было начато строительство крупнейших гидростанций в Сибири (Братской, Красноярской, Усть-Илимской, Саяно-Шушен­ской).

Количество ГЭС, включенных в энергосистему СССР, составило в 1965 г. 174 с общей мощностью в 21,7 ГВт. Таким образом, к это­му времени освоение энергетического потенциала рек СССР соста­вило 4,8%, а уже к 1970 г. достигло 10%.

В последние два пятилетия усиленно развивается освоение гидроресурсов Ангары и Енисея, где возможно строительство кас­кадов 16 ГЭС с производительностью до 265 ТВт-ч в год. Наме­чается широко развернуть разработку канско-ачинских углей, на базе которых намечено создание топливно-энергетического комплекса с мощностью электростанций около 70 ГВт.

Вода океанов и морей, испаряясь под действием солнечной радиации, конден­сируется s высоких слоях атмосферы в виде капелек, собирающихся в облака. Вода облаков падает в виде дождя в моря, океаны и на сушу или образует миц як* свегово* покров гор. Дождевая вода дает начало рекам, питающимся под _ вемвымк ясттшами. Круговорот воды в природе происходит под влиянием _л

|]{м ' '*^{14 л} t V ' г ■■ ' * * .

}чМ5 » местах, удобных длл се использования, значим

Ядсрнля энергия. Тепловое содержание геологических заиасш» урана в мире оценивается величиной, превышающей в 820 раз теп- ловос содержание всех мировых запасов минерального топлива. Однако обшегеологическая оценка имеет малое практическое зна­чение, гак как добыча урана решающим образом зависит от кон­центрации его запасов. По данным Международного агенетва по лтомной энергии, общее количество урана, которое может быть до­быто при сравнительно низких затратах (ниже 22 долл. за 1 кг) составляет 1500 тыс. т. При затратах, превышающих в 2—3 раза существующие сейчас, можно будет добыть приблизительно в 10 раз больше урана. Полагают, что овладение энергией ядериого распада примерно удвоило бы энергетические ресурсы мира.

Однако при очевидных достоинствах развития энергетики с по­мощью ядерных реакций нельзя пройти мимо одного отрицательно­го момента, связанного с получением электроэнергии на современ­ных атомных установках. Это то обстоятельство, что цепная реакция в них осуществляется в урановых стержнях или смеси гра­фита и урана, но не во всей массе, а только в изотопе ²³⁵U, содер­жащемся в количестве 0,7% в основном элементе — ²³⁸U. Поэтому уже в самом начале «атомной эры» возникла проблема поисков путей более экономного использования урана. Уже в 1949—1950 гг. наметилась в перспективе возможность создания реакторов-размно­жителей на быстрых нейтронах. Опытные реакторы этого типа были построены в Обнинске, и к концу 50-х годов в них было до­стигнуто воспроизводство ядерного горючего. В настоящее время в СССР, США, Англии и Франции разрабатываются новые типы реакторов на быстрых нейтронах, позволяющие использовать зна­чительно большую (примерно в 20 раз) часть делящегося материа­ла, чем в обычных котлах, работающих на тепловых нейтронах. Таких реакторов-размножителей мощностью в 250—350 МВт во всем мире имеется три. Один из них работает с 1972 г. в г. Шевчен­ко, а два других находятся во Франции и Англии.

По прогнозу Международной комиссии по атомной энергии, в 1980 г. мощность всех АЭС в мире составит 284 ГВт, а потреб­ность в окиси урана достигнет 450 тыс. т. С развитием строитель­ства реакторов-размножителей возможно, что еще до конца XX в., в 80-е — 90-е годы, атомная энергия займет первое место в выра­ботке электроэнергии, в получении технологического тепла и опрес­нении морской воды.

Научная и инженерная мысль сейчас усиленно работает также над созданием для далекого будущего еще одного нового источника энергии. Речь идет об осуществлении термоядерного контролируе­мого синтеза, который может стать для будущих поколений мощ­ным источником электроэнергии и тепла. При термоядерном син­тезе используется изотоп водорода — дейтерий, содержащийся в морской воде. Энергия, выделяющаяся при термоядерной реак­ции на единицу топлива, по весу превосходит энергию, получаемую