Глава 2. Топливо для производства электроэнергии
Что такое возобновляемые и невозобновляемые источники энергии?
Каким должно быть топливо для котла теплоэлектростанции?
Каковы ресурсы основных видов топлива на нашей планете?
В чем особенности использования основных видов топлива для производства электроэнергии?
Немного об экономике.
Как используется для производства электроэнергии энергия солнца, ветра, падающей воды и энергия земных недр?
Об энергетике России сегодня и завтра.
Топливные ресурсы
Все источники тепловой энергии, имеющиеся в распоряжении обитателей Земли, можно разбить на три основные категории:
• Возобновляемые органические источники энергии: древесина и некоторые зерновые культуры, пригодные для производства топлива, например, этилового спирта или метанола.
• Невозобновляемые источники энергии: уголь, газ и нефть (органические топливные ресурсы), уран и торий (энергия расщепления ядер атомов).
• Возобновляемые естественные источники энергии: солнечная теплота и свет, энергия ветра, энергия океанских волн, энергия течения рек, геотермальное тепло (глубинное тепло Земли), океанские температурные градиенты, энергия слияния легких атомных ядер.
В качестве топлива в котлах ТЭС чаще всего используются различные сорта угля, природный газ и продукты переработки нефти (мазут).
Каким должно быть топливо для производства электроэнергии в густонаселенных и индустриально развитых странах? Требования к нему легко понять:
Топливо должно быть по возможности дешевым, и давать дешевую энергию. Как известно, электростанции не часто строят рядом с месторождением топлива. Тогда топливо должно быть таким, чтобы его было экономически выгодно транспортировать и надежно запасать.
Запасы топлива должны быть велики и желательно, чтобы оно годилось только для реакции горения и ни для чего другого. Так, например природный газ и нефть, а также продукты переработки нефти – слишком ценные вещества, чтобы использовать их как котельное топливо. Даже применение торфа для этих целей с каждым годом сокращается, так как он является прекрасным удобрением и веществом, благоприятно влияющим на структуру почвы.
Отходы от применения топлива должны перерабатываться с минимальным загрязнением окружающей среды. В последнее десятилетие сюда же добавляется требование об исключении влияния на глобальное потепление планеты.
Топливо должно быть безопасным, как при обычной эксплуатации, так и в аварийных ситуациях.
Наиболее широко для производства электроэнергии в настоящее время используются четыре вида топлива: уголь, природный газ, нефть (продукты ее переработки) и уран. Это невозобновляемые источники энергии. Сожженные в котлах электростанций, эти природные ресурсы утрачиваются для нас навсегда.
Органические невозобновляемые топливные ресурсы
Уголь : При сгорании одного килограмма различных сортов угля выделяется 20-34 МДж тепловой энергии. Это не очень много по сравнению с нефтью и природным газом (см. Часть 1, таблица 1 в Приложении 2). Однако из всех видов топлива для производства электроэнергии в настоящее время наиболее важен именно уголь. В настоящее время уголь дает 39% всей электроэнергии в мире.
Уникальность угля как топлива заключена в его универсальности: его можно использовать в любом климате, на электростанциях самой различной мощности, вплоть до индивидуальных котлов. Однако самое важное в том, что сейчас разработаны и практически испытаны новейшие технологии сжигания угля. В этом случае экологии наносится минимальный вред. Современные угольные электростанции стали более эффективными, чем в прошлом. При небольших дополнительных затратах их влияние на окружающую среду, вызванное выбросом в атмосферу серы и углекислого газа, может быть значительно уменьшено.
Добыча угля на больших карьерах обходится довольно дешево, но затраты на его транспортировку на большие расстояния увеличивают стоимость этого вида топлива. Если большие количества угля перевозить на большие расстояния, стоимость транспортировки сильно удорожает стоимость получаемой из него электроэнергии.
Уголь имеет важные применения не только в качестве топлива. Углерод, например, содержащийся в угле, необходим в больших количествах для выплавки металлов. Природные запасы угля хоть и велики, но не настолько, чтобы сейчас не, думать о вопросах его сохранения.
Природный газ: Природный газ важен для производства электроэнергии в мире. В 1994 году его доля в мировом производстве электроэнергии составляла около 14%, и этот вклад непрерывно увеличивается. Использование газа приводит к меньшим выбросам углекислого газа в атмосферу, чем использование угля. Поэтому в некоторых странах он будет постепенно замещать угольное топливо для производства энергии.
Природный газ – незаменимый ресурс. Его можно выкачивать из земли, легко и экономно транспортировать по трубопроводам на большие расстояния, подводить к отдаленным населенным пунктам. Использование природного газа может быть очень эффективным (до 90% с учетом потерь при транспортировке). Удельная теплота сгорания газа так же высока, как у нефти . Газ может быть превращен в жидкость для отгрузки морским транспортом. В Японию и Корею газ доставляют именно таким способом. Однако при этом газ - ценное химическое сырье, используемое для производства различных товаров. Это означает что крупномасштабное использование этого топлива для производства электроэнергии там, где менее доступны другие способы, может привести к серьезным проблемам. Возможно наши внуки будут сожалеть, что мы не были настолько прозорливы, чтобы ограничить в свое время использование газа на планете и оставить хоть какую-то часть им. Кроме того, весьма вероятно, что исключительная роль природного газа как топлива для производства энергии приведет к повышению его стоимости в будущем. В этом случае он станет менее конкурентоспособным для производства электроэнергии.
Нефть: В 1994 нефть обеспечивала 11% всего производства электроэнергии в мире, и значительное количество нефти все еще используется сегодня для этой цели в некоторых странах. Достоинства нефти как топлива состоят в ее высокой удельной теплоте сгорания – 44-46 МДж/кг - и сравнительной простоте транспортировки . Однако нефть, как и газ, важна как исходное сырье для производства пластических масс и фармацевтических изделий. Поэтому в местах, где есть экономически оправданная возможность использования иных топливных ресурсов, продукты переработки нефти не используют для производства электроэнергии.
Мировые тенденции показывают, что нефть становится все более дорогой и постепенно должна вытесняться другими видами топлива с рынка энергоресурсов.
Хотя с 1970-х годов и проводится политика сохранения природных запасов сырой нефти, прогноз показывает, что лет через 50-80 все ресурсы органического топлива, кроме угля, будут исчерпаны. Уголь к тому времени займет ту же роль, какую нефть занимает сегодня, особенно в качестве ценного химического сырья.
Каковы же ресурсы органического топлива на нашей планете? В настоящее время ежегодно расходуемая всеми странами мира энергия (полученная из всех доступных источников) составляет всего 0,1% от возможных для использования запасов органического топлива. Но потребление всех видов энергетических ресурсов быстро растет. Что же будет дальше?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно представить себе структуру ресурсов органического топлива на Земле. Они разделяются на общие и извлекаемые. Практически невозможно добыть и использовать все топливо, имеющееся в месторождениях. Коэффициент извлечения зависит от вида топлива, характера месторождения и техники добычи: для нефти – в пределах 0.3-0.4 для природного газа – 0.5-0.8, для угля – 0.25-0.5 (среди месторождений угля имеется много тонких пластов, лежащих глубоко под землей). Специалисты оценивают имеющиеся извлекаемые ресурсы органического топлива Земли (угля, нефти и природного газа, вместе взятых) величиной 4 х 1012 Тт , или 4000 млрд.Тт. Много?
В 1980 г. потребление всех видов энергетических ресурсов всеми странами мира составило примерно 10 млрд.Тт., а в 2000 году - около 20 млрд.Тт. Эти цифры означают, согласно прогнозам ученых, что запасов органического топлива человечеству хватит еще на 200 лет (рис. 5).