1.1 Основные определения

Энергетический ресурс – носитель энергии, который при данном уровне техники или в предвиденной перспективе ее развития используется или может быть использован в народном хозяйстве.

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе, называется первичной, а носители первичной энергии называются первичными энергоресурсами.

На рис. 1.1. представлена структура первичной энергии.

Восполняемые (возобновляемые) ресурсы – это ресурсы, энергия которых непрерывно восстанавливается природой: энергия рек, морей, океанов, солнца, ветра, земных недр и т.д.

Не восполняемые (не возобновляемые) ресурсы – это ресурсы, накопленные в природе ранее, в отдаленные геологические эпохи, и в новых геологических условиях практически не восполняемые: органические топлива - уголь, нефть, газ, ядерное топливо. Практически неисчерпаемыми являются геотермальные и термоядерные энергоресурсы (они не являются возобновляемыми). В геотермальные ресурсы включаются те из них, которые могут находиться в толще земной коры на глубине до 3 км и могут быть использованы как для теплоснабжения, так и для выработки электроэнергии. Установление объемов энергии с использованием геотермальных источников и термоядерного синтеза на перспективу весьма затруднено, и поэтому не делалось попыток определить количественно этот объем.

Первичные энергоресурсы: уголь, нефть, газ, ядерная энергия, гидроэнергия, нетрадиционные нефть и газ, возобновляющиеся ресурсы (солнечная энергия, геотермальная, биомасса).

Все возобновляющиеся энергоресурсы (ВЭР) являются производными от энергии Солнца, но в целях удобства классифицированы по категориям, указанным выше.

Различные виды энергетических ресурсов обладают разной энергоемкостью.

Удельной энергоемкостью называется количество энергии, приходящееся на единицу массы физического тела энергоресурса.

Для удобства сопоставления различных видов энергоресурсов и возможности расчетов расход всех видов топлива сравнивается с расходом так называемого условного топлива. За условное топливо принято такое топливо, при сгорании 1 килограмма которого выделяется 29,3·10⁶ Дж, или 7000 ккал энергии.

В табл. 1.1. приведены значения удельной энергоёмкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом.

Таблица 1.1

Удельная энергоёмкость энергетических ресурсов

Виды топлива	Условное топливо	Уголь антрацит	Древесное топливо	Нефть	Газ пропан	Водород
Удельная энергоемкость, 106 Дж/кг	29,3	33,5	10,5	41,9	46,1	120,6
Ккал/кг	7000	8000	2500	10000	11000	28800

Вторичными энергоресурсами называются энергоносители, полученные после промышленного преобразования первичных энергоресурсов. Например, электрическая и тепловая энергия, полученная в результате сжигания органического топлива на тепловых электростанциях, энергия пара, сжатого воздуха и т.д.

Конечными энергоресурсами называются энергоресурсы, непосредственно потребляемые после их доставки конечными потребителями. Например, электрическая энергия в приводе станков и роботов на заводах.

1.2 Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Название «нетрадиционные» выбрано на том основании, что до настоящего времени их использовали ограничено.

На диаграмме энергетических потоков, приведенной на рис. 1.2, изображена структура энергетического баланса у поверхности Земли со значениями солнечной, геотермальной и гравитационной энергий.

Рисунок 1.2. Диаграмма круговорота энергии (1 ТВт = 10¹² Вт)

Вся система состоит из двух частей: динамического потока энергии (на рисунке - над поверхностью Земли) и статического количества энергии, т.е. ископаемых топлив, геотермической, ядерной и гравитационной энергий (на рисунке - под поверхностью Земли).

На поверхность Земли и её окружение направлены три основных потока энергии:

1. Солнечное излучение мощностью 174000 ТВт.

2. Тепловой поток изнутри Земли мощностью 32 ТВт.

3. Энергия морских приливов мощностью 3 ТВт.

30% солнечного излучения отражается в космическое пространство, т.е. не влияет на энергетический баланс Земли. Но остальные 70% этой энергии (около 122000 ТВт) являются решающей долей потока энергии во всей системе.

Лучшее представление о мощности 122000 ТВт, поглощаемой земной поверхностью, дадут приведённые ниже цифры. В 2000 г. вся потребленная человечеством энергия составила 880·10⁶·10¹⁸ Дж. Следовательно, энергия солнечного излучения, поглощаемого земной поверхностью и атмосферой в 4000 раз превышает эту величину.

Из оставшихся 122000 ТВт одна его часть поглощается атмосферой, океаном и сушей и при низких температурах превращается в тепловую энергию. Другая часть вызывает испарение, циркуляцию и выпадение воды в земном круговороте. Третья часть преобразуется в морские и атмосферные течения. Четвертую часть (около 40 ТВт, или 0,03% всего солнечного излучения) поглощают растения, и тем самым она становится источником одной из важнейших животворных реакций на Земле – фотосинтеза.

Тепловой поток изнутри Земли к ее поверхности при нормальных температурах непосредственно превращается в тепло.

Энергия приливов – это ничтожно малая часть суммарной потенциальной и кинетической энергии системы Земля-Луна-Солнце. За счет превращения этой энергии возникают морские приливы и течения. Их механическая энергия в свою очередь в результате трения также превращается в тепло.

Из баланса видно, что солнечная энергия является весьма перспективным мировым энергоресурсом. Однако в отличие от ископаемых топлив, урана и геотермальной энергии, солнечное излучение не может храниться, а представляет собой энергию в потоке. Поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности, в 13 тыс. раз больше суммарной энергии, производимой в мире в настоящее время с помощью органических топлив и урана.

Преимущества солнечного излучения - полное отсутствие неблагоприятных воздействий на окружающую среду; cолнечная энергия имеется повсюду, неисчерпаема, доступна в одной и той же форме на бесконечно долгий период времени.

Трудности применения - суточные, сезонные, климатические изменения интенсивности солнечного излучения требуют создания крупных систем накопления энергии или комбинированного использования солнечной энергии с другими энергетическими ресурсами для обеспечения круглосуточного энергоснабжения.

Солнечная энергия обладает низкой плотностью потока (в среднем 250 Вт/м²), и ее интенсивность различна для разных районов Земли, следовательно, для крупномасштабного ее использования требуется создание систем сбора и концентрации лучистой энергии Солнца.

В Германии альтернативная энергетика в 2006 году произвела 73,2 миллиарда кВт·ч электроэнергии, на 15 процентов больше, чем в 2005 году. Доля возобновляемых источников энергии в немецкой электроэнергетике выросла с 10 до 11,9 процента. Благодаря государственной поддержке альтернативной энергетики Германия уже сейчас практически выполнила поставленную ЕС цель, согласно которой к 2012 году таким образом должно производиться 12,5 процента электричества, заявил глава объединения немецких производителей электроэнергии Эберхард Меллер (Eberhard Meller).

В 2006 году с использованием энергии ветра было произведено 30,5 (27,2 в 2005 году) миллиардов кВт·ч электричества, на ГЭС – 21,6 (20,8) миллиардов, из биомассы – 15,5 (11,2) миллиардов кВт·ч. Мусоросжигательные предприятия произвели 3,6 (3) миллиарда, а из солнечной энергии получено 2 (1,3) миллиарда кВт·ч электричества.

Общая площадь солнечных водонагревателей (солнечных коллекторов) в мире превысила по неполным данным 21 млн.м², при этом годовое производство солнечных коллекторов превышает 1,7 млн.м². Страны лидеры: Япония – 7 млн.м², США – 4 млн.м², Израиль – 2,8 млн.м², Греция – 2,0 млн.м², (Россия – 0,1 млн.м²).

Германия является мировым лидером по потреблению энергии ветра (40 процентов). В Германии построены 16 тысяч ветрогенераторов, в том числе крупнейший в мире. Гигантский трехлопастный генератор вознесся над землей на башне высотой более 180 метров. Его мощность – 5 мегаватт.

Если в 1985 г. все установленные мощности мира составляли 21 МВт, то за один только 2006 г. было установлено 1744 МВт (по данным компании Navigant consulting), что на 19% больше, чем в 2005 г. В Германии установленные мощности выросли на 960 МВт, что на на 16% больше, чем в 2005 г. В Японии установленные мощности выросли на 296,5 МВт. В США установленные мощности выросли на 139,5 МВт. (+33%)

К 2005 году суммарные установленные мощности достигли 5 ГВт. Инвестиции в 2005 г. в строительство новых заводов по производству фотоэлементов составили 1 млрд. $.

Ввод в строй новых мощностей в 2005 г.: Германия – 57%; Япония – 20%; США – 7%; остальной мир – 16%. Доля стран в суммарных установленных мощностях (на 2004 г.): Германия – 39%; Япония – 30%; США – 9%; остальной мир – 22%.

Производство фотоэлементов в мире выросло с 1656 МВт в 2005 г. до 1982,4 МВт. в 2006 г. Япония продолжает удерживать мировое лидерство в производстве – 44% мирового рынка; в Европе производится 31%. США производят 7% от мирового производства, хотя в 2000 г. эта цифра доходила до 26%.

В Японии уже предпринимаются шаги по развитию альтернативных источников получения энергии хотя эта работа находится еще в начальной стадии. Активно конструируются и устанавливаются, например солнечные батареи. В 2002 году они уже выработали 630кВт/ч электроэнергии. Начаты работы по получению энергии из биомасс. Центром этих работ является городок Кудзумаки, где работает завод с крупными мясомолочными цехами. Ежедневно здесь скапливается до 500 тонн естественных отходов производства. Сейчас там строится завод по получению из биомассы газа метана, сжигание которого будет использовано для производства электроэнергии. Правительство Японии поставило цель к 2010 году довести долю э/энергии получаемой из возобновляемых энергоресурсов до 1.5% от общего объема производимой э/энергии.

Установленная мощность агрегатов по выработке энергии из альтернативных источников в ЕС (мегаватт) приведена в табл. 1.2., прогноз структуры энергобаланса ЕС на 2030г (в %) – в табл. 1.3.

Таблица 1.2

Установленная мощность (МВт) агрегатов

по выработке энергии из альтернативных источников в ЕС

Гидроэнергия	131440	Тепловые насосы		4531
Ветер	33566	Геотермальная		2754
Солнце	11764	Всего:		196802
Биомасса	11549

Таблица 1.3

Прогноз структуры энергобаланса ЕС на 2030г (в %)

Нефть	35	Нетрадиционные в т.ч.	9
Газ	32	биомасса	5
Уголь	12	ветер	2
Энергия	11	солнце	2

Согласно прогнозу МИРЭС, на долю НВИЭ в 2020 г. будет приходиться 1150 – 1450 млн. т условного топлива (5,6 – 5,8% общего энергопотребления).При этом прогнозируемая доля отдельных видов НВИЭ составит: биомасса – 35%, солнечная энергия – 13%, гидроэнергия – 16%, ветроэнергия– 18%, геотермальная энергия – 12%, энергия океана – 6%.

1.3 Топливно-энергетический комплекс Республики Беларусь. Перспективы его развития. Анализ потребления ТЭР по отраслям в Республики Беларусь

Топливно-энергетический комплекс Республики Беларусь включает: добычу торфа и производство торфобрикетов; добычу нефти и нефтепереработку; разветвленную сеть газопроводов, нефтепроводов; производство, передачу и распределение электрической и тепловой энергии.

Энергетическая система является источником тепловой и электрической энергии. Республики Беларусь обладает высокоразвитой энергетической системой. На 1 января 2000 г. установленная мощность всех энергоисточников Беларуси по производству электрической и тепловой энергии составила 7818,3 тыс. кВт, в том числе: конденсационные электростанции (КЭС) – 3300, теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) – 4282,1, блок-станции (передвижные и дизельные) – 199,4, гидроэлектростанции – 6,8. Структура генерирующих мощностей на 1 января 2007 г. приведена на рис. 1.3.

В таблице 1.4 приведены основные сведения о линиях электропередач, географическое расположение которых показано на рис. 1.4.

Рисунок 1.3. Структура генерирующих мощностей в Республике Беларусь

Таблица 1.4

Протяженность линий электропередач

Напряжение, кВ	Протяжённость, км
750	753
330	3739
220	2281
110	16156

Рисунок 1.4. Основные ЛЭП Республики Беларусь

Белорусская энергосистема создавалась в промежутке между началом 60-х - серединой 70-х годов, когда и была построена большая часть действующих белорусских электростанций. Восемь турбин Новолукомльской ГРЭС введены в эксплуатацию между 1969 и 1974 гг. Березовская ГРЭС построена и того раньше. С середины 70-х годов никакой реконструкции энергосистемы не проводилось. По оценкам белорусских специалистов через 2-3 года изношенность оборудования станет очень серьезной проблемой. Таким образом, к 2010 г. положение энергетического сектора стало критическим. Уже сейчас 55% оборудования отработало свой нормативный срок, а к 2010г. замены потребует 90% установленных мощностей.

Все электростанции являются тепловыми, работают на органическом топливе (природный газ, мазут, каменный уголь). Общее годовое потребление топлива в республике составляет 50-60 млн. т. Таких запасов у нас нет. За счет своих ресурсов покрывается лишь 10-15% потребностей. Остальное топливо ввозится за валюту.

Топливно-энергетическая инфраструктура характеризуется следующими особенностями:

Республика Беларусь покрыта густой сетью газопроводов, по ГПТН «Дружба» газ поступает из России в Европу. Строится еще один мощный газопровод «Ямал - Европа» (рис. 1.5);

имеются два мощных нефтеперерабатывающих завода;

энергосистема Республики Беларусь объединена в единую энергосистему России, Украины, государств Прибалтики.

Рисунок 1.5. Основные газопроводы Республики Беларусь

Все это позволяет обеспечивать поставку в Беларусь природного газа, нефти, электроэнергии самыми дешевыми и выгодными для государства способами. Объемы поставок к нам ограничиваются нашей платежеспособностью.

Теоретически таких объемов хватает и для собственных нужд и для экспорта электроэнергии. Но на практике получается, что импортировать выгоднее, чем производить на собственных мощностях. Таким образом, в данный момент Белорусская энергосистема загружена на 53%. По оценкам международных и отечественных специалистов она являлась таковой до 2010 г.

Возможности использования местных и нетрадиционных видов топлива в Республике Беларусь

Местные ТЭР Республики Беларусь представлены нефтью, попутными нефтяными газами, бурым углем, горючими сланцами, торфом, древесиной. Не следует исключать такие источники энергии, как отходы жилищно-коммунального, лесотехнического и коммерческого секторов экономики, отходы сельскохозяйственного производства, растительную биомассу. В перспективе может быть рассмотрен такой источник энергии, как геотермальное тепло.

Реальные возможности использования этих источников таковы:

Нефть: ежегодная добыча нефти из месторождения Припятского нефтегазоносного бассейна достигает 2 млн. т (2,9 млн. т у.т) . Обращает на себя внимание низкий коэффициент ее извлечения из недр. До 70% нефти остается в недрах залежей.

Попутные нефтяные газы: при сепарации добываемой нефти получают незначительное количество попутного газа, оцениваемого в 0,3 млн. т у.т. в год.

Бурый уголь: на территории Припятского прогиба известно более 10 групп углепроявлений с общими запасами около 1 млрд. т. Промышленные запасы составляют 121,5 млн. т. К промышленной разработке подготовлена Северная залежь Житковичского района с проектной мощностью добычи 1,2 млн. т угля в год.

Торф: объем годовой добычи торфа в республике составляет 4,5 млн т. Слой торфа толщиной в 1 м образуется в среднем за 30-50 лет, в связи с чем торф можно рассматривать как возобновляющийся энергоресурс. Торф рассматривается в первую очередь как ценное сырье для ряда производств, в том числе как сырье для получения высокоэффективных органических удобрений.

Горючие сланцы: Республика обладает большими запасами горючих сланцев. В пределах глубины до 600 м их запасы превышают 11 млрд т, в том числе 5,5 млрд т сосредоточено на глубине до 300 м. Высокая зольность (66-87%) практически исключает целесообразность их извлечения на поверхность. Единственный, хотя и технологически сложный метод использования энергетического потенциала горючих сланцев состоит в их подземном сжигании с получением газообразных энергоносителей тепловой энергии.

Геотермальная энергия: недра республики относительно холодные. И только в пределах Припятского прогиба температура горных пород несколько повышена (92,7^о С на глубине 3326 м и 130^о С на глубине более 5000 м).

Органические отходы:

1. Твёрдые бытовые отходы (ТБО). Ежегодное накопление ТБО достигает 3млн т, 65% которых представлены горючими материалами (бумага, пищевые отходы, текстиль, кожа, резина и т.д.). В республике отсутствуют технологии и оборудование для утилизации отходов, поэтому вся масса ТБО поступает на свалки, бесконтрольно сваливается в пригородных лесах, на берегах рек, водохранилищ. В то же время их сжигание в специальных печах равнозначно использованию 0,65 млн. т у.т. в год.

2. Лигнин. Это отходы гидролизного производства. Количество технического гидролизного лигнина составляет 30-40% перерабатываемого сырья. Его можно использовать как энергетическое топливо и органическое удобрение. В республике на предприятиях гидролизной промышленности в Бобруйске и Речице образуется соответственно по 36,4 и 52,6 тыс.т лигнина в год, а за несколько десятков лет запасы лигнина накопились в количестве 5 млн. т.

3. Нефтешламы. Это смесь различных механических примесей, нефтепродуктов, воды, которая образуется в процессе эксплуатации систем водоснабжения и канализации. Образующиеся нефтешламы складируют в шламонакопителях. Это – один из источников загрязнения окружающей среды. Ежегодно в республике образуется до 32,5 тыс.т таких отходов. При соответствующей технологии утилизации они могут быть дополнительными источниками энергоресурсов.

4. Растительная биомасса. Это одно из немногих реальных богатств Республики обусловленное её природным ландшафтом и климатическими условиями. Страна занимает равнинную площадь 208 тыс. кв.км. На ее территории проживает 10,3 млн. человек. На каждого жителя приходится около 2 га земли. При этом под сельскохозяйственные угодья занято 45%, под леса – 39,7, болота – 4,8, застройки общего пользования – 4, прочие – 4,1% земли. То есть более 90% земель занято под выращивание сельскохозяйственных культур и лесотехнический комплекс. За счет биомассы в Республики Беларусь возможно обеспечить до 15% потребностей в топливе.