Органическое топливо (уголь, нефть, газ)

Уголь, нефть и газ - это результат теплового, механического, биологического и радиационного воздействия на останки расти­тельного и животного мира в течение многих столетий. В составе органического топлива превалируют углерод и водород, поэтому часто его именуют углеводородным топливом. Различают две раз­новидности земной органики: залегающее пластами гумусовое ве­щество (останки высших земных организмов) и рассеянное в гли­нистой породе сапропелевое (останки фито- и зоопланктона) [2.7]. С течением времени в этих веществах без доступа кислорода про­исходит увеличение доли атомов углерода. Этот процесс называют карбонизацией или «углефикацией». Сконцентрированное в пласты гумусовое органическое вещество формирует угли, а нефть и газ суть побочные продукты карбонизации тонко диспергированного в глинистых слоях сапропелевого органического вещества.

Количественной мерой карбонизации служит весовая концен­трация углерода в органике. Для торфа - продукта начального пре­вращения растительного материала - весовое содержание углерода не превышает 60 %. На следующей - буроугольной стадии - оно поднимается до 73 %.

Сегодня углеводородное топливо - главный источник энергии и будет продолжать служить таковым в ближайшие десятилетия. Сжигание угля, нефти и природного газа обеспечивает около 80 % мирового энергопотребления. Мировое производство электроэнер­гии в настоящее время также обеспечивается в основном за счет ископаемого органического топлива (на 60 - 65 %) [2.4] - [2.6].

Уголь. Три тысячелетия назад китайцы обнаружили уголь и на­чали применять его в качестве топлива. Вернувшись после путеше­ствия в Китай, Марко Поло в XIII веке представил уголь западному миру [2.5].

Уголь имеет углеродную основу, и энергия при его сгорании в кислороде высвобождается главным образом в процессе образова­ния двуокиси углерода (углекислого газа) по реакции

С + О2 = СО2 + q, (2.2)

где q - теплотворная способность углерода, равная 393 кДж/моль = = 33 МДж/кг углерода. Если относить теплотворную способность не к 1 кг углерода, а к одной реакции (сгоранию одного атома угле­рода), то величина теплотворной способности составит

q = 33-10⁶-12-1,66-10^-27 = 6,57-10^-19 Дж = 4,1 эВ.

Электрон-вольт (эВ или eV) - внесистемная единица измерения энергии, удобная в атомной и ядерной физике. Электрон-вольт - это энергия, приобретаемая частицей с зарядом, численно равным заряду электрона, в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В: 1эВ = 1е1В = 1,6.10^-19 Кл1В = 1,6.10^-19 Дж.

Разведанные запасы угля в России оцениваются в 150 - 170 млрд т, что при сохранении его добычи на уровне 2000 г. (0,25 млрд т в год) приведет к их истощению лишь через 650 лет. Основное количество запасов энергетических углей приходится на районы Западной и Восточной Сибири. Наиболее благоприятные для извлечения высококачественные каменные угли сосредоточены в Кузнецком бассейне, а бурые - в Канско-Ачинском бассейне.

На Земле запасы каменных углей значительны и их залежи рас­пределены достаточно равномерно. По оценке геологов, разведан­ные рентабельно извлекаемые запасы угля превышают 1 трлн т (10¹² т), так что при современных темпах потребления разведанных запасов хватит на 250 лет. Самые крупные производители угля, КНР и США, добывают по 1 млрд т/год.

Природный газ. Природный газ состоит преимущественно из метана СН4. При полном сгорании метана по реакции

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + q (2.3)

на 1 кг метана расходуется 16-4/(12 + 4) = 4 кг кислорода, т.е. больше, чем на сжигание 1 кг угля. Теплотворная способность ме­тана q = 37 МДж/кг или 6,1 эВ.

Подтверждённые запасы природного газа находятся в интервале (1,3^1,6) 10¹⁴ м³. При современных темпах потребления этого ко­личества могло бы хватить на 70 лет Разведанные извлекаемые запасы газа в России оцениваются в 40 - 50 трлн м³, что составляет около 30 % мировых [2.4] - [2.6], [2.8]. При стабилизации добычи газа на уровне около 0,7 трлн м³ в год истощение запасов наступит через 60 - 70 лет. Три месторож­дения в Западной Сибири (Ямбургское, Уренгойское, Медвежье) обеспечили около 75 % добычи газа в 2000 г. Из-за выработки этих месторождений к 2020 г. добыча газа здесь не превысит 11 % до­бычи в России. Ввод в эксплуатацию крупнейших в мире месторо­ждений газа на полуострове Ямал и в российской части арктиче­ского шельфа позволит России укрепить позиции на мировом рын­ке газа. В то же время удаленность месторождений от потребите­лей газа приводит к тому, что на прокачку газа по российским га­зопроводам расходуется около 30 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Эти расходы равны энергии, вырабатываемой все­ми ГЭС и АЭС России, вместе взятыми.

Важная задача для России - освоить промышленное производ­ство сжиженного природного газа (СПГ, в английской аббревиату­ре LNG) и построить терминалы по отправке специализированных судов СПГ-танкеров в другие страны [2.8]. В последние годы объ­ем реализации СПГ быстро растет: утроение за 10 лет. Ожидается, что к 2010 г. доля СПГ в мировой торговле газом достигнет 30 %.

Нефть. Нефть представляет собой сложную смесь углеводо­родных соединений. Из нее получают бензин (СН₂)^ керосин, ди­зельное топливо, мазут и ряд других видов топлива. Нефть являет­ся исходным и труднозаменимым сырьем для химической про­мышленности (при производстве масел, пластмасс, резины, битума, растворителей и т.д.). Только на эти цели требуется ежегодно око­ло 1 млрд т нефти. Цена некоторых продуктов нефтехимии в 100 раз превышает цену сырой нефти.

Разведанные и пригодные для добычи запасы нефти на Земле оцениваются в 1000 - 1500 млрд баррелей (около 143 - 215 млрд т), т.е. менее 35 тонн на ныне живущего человека [2.4] - [2.6], [2.10]. При современных темпах потребления (на уровне 3,5 млрд т в год) этого количества хватит на 50 лет. По оценкам геологов, общие запасы нефти на Земле могут составлять 2300 млрд баррелей (из них к настоящему времени израсходовано 700 млрд баррелей).

Более 40 % мировой добычи обеспечивают страны ОПЕК, около 30 % - экономически развитые страны (в том числе 10 % - США, 9 % - страны Европы), 9 % - Россия, 10 % Южная и Центральная Америка, 5 % - Китай. ОПЕК - это организация стран-экспортеров нефти. В состав ОПЕК входят 11 стран: Алжир, Венесуэла, Индо­незия, Иран, Ирак, Катар, Кувейт, Ливия, Нигерия, Объединенные арабские эмираты, Саудовская Аравия.

Разведанные запасы нефти в России составляют 12 - 13 % миро­вых. Этих запасов при стабилизации добычи нефти на уровне 0,3 млрд т в год хватит примерно на 50 - 60 лет.

В последние годы начата разработка технологий освоения шельфовых месторождений. В этой области Россия существенно отстает от других стран. Ресурсы российского континентального шельфа оцениваются в 140 млрд ТУТ, из которых около 15 - 20 % приходится на нефть, остальное - на газ [2.8] - [2.10]. Россия пре­тендует на площадь континентального шельфа в 6,2 млн.кв.км, что составляет 21 % всего шельфа мирового океана. Наибольшая часть шельфа относится к Западной Арктике (Баренцево и Карское мо­ря), Восточной Арктике (моря Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское), дальневосточным морям (Берингово, Охотское, Япон­ское) и южным (Каспийское, Черное, Азовское). Более 85 % общих запасов нефти и газа приходится на арктические моря.

Большая доля добываемой нефти идет на нужды вооруженных сил. Авторы «взрывной дейтериевой энергетики» [2.11] называют нефть одним из самых «милитаризованных продуктов» и «самым массовым оружием поражения». Действительно, боеприпасы со­временных армий не могут быть применены, если не будет нефти.

Во время локальной войны в Югославии весной 1999 г. было со­жжено в двигателях и уничтожено в нефтехранилищах столько же нефти, сколько за всю вторую мировую войну [2.11].

Уменьшает энергетический век нефти и то, что она является не­заменимым сырьем для химической промышленности. Однако, переработка углеводородного сырья пока является не самым силь­ным козырем российского нефтегазового комплекса. Так, при еже­годной добыче около 300 млн т нефти производство автобензина в 2005 г. составило 32 млн т, дизельного топлива - 59 млн т, мазута - 56 млн т, авиакеросина - 8 млн т [2.9], [2.10].