Введение (стр. 2 )

ценности к комплексному освоению ресурсов, гарантировать создание инфраструктуры в новых газодобывающих районах, использование эко­логически приемлемых технологий и технических средств добычи и транспортировки газа в районах многолетней мерзлоты и на шельфах арктических морей, переработку конденсатосодержащего газа. В перс­пективе появится необходимость в технологии для добычи газа с больших глубин и в слабопроницаемых породах.

Основным новым районом добычи природного газа в ближайшие де­сятилетия станет полуостров Ямал, а также его шельфовая зона. Предстоит освоить и новый крупный регион добычи газа в Восточной Сибири.

1.4. Уголь

Уголь имеет принципиально иное происхождение, чем нефть. По­явление нефти связывают с осадочными отложениями в морской воде, а уголь образовался из осадков органических веществ в пресной воде доисторических болот. Уголь обнаруживается в пластах всех геологи­ческих эпох от нижнего палеозоя (350-млн. лет тому назад) до срав­нительно недавнего четвертичного периода (1 млн. лет тому назад). Последовательность возникновения угля (торф, лигнит, бурый уголь, суббитуминозный и битуминозный уголь, антрацит) - от недавних рас­тительных образований до наиболее твердых с высоким содержанием углерода сортов угля.

Высокая теплота сгорания угля определяется высоким содержани­ем в нем водорода и углерода. Чем старее уголь, тем выше его качество. Большая разница в теплоте сгорания различных сортов угля очень затрудняет оценку угольных ресурсов, поскольку нужно знать не просто количество извлекаемого угля, но, что важнее, количество энергии, которое можно получить из него.

Уголь добывается более 1000 лет, а его использование в круп­ных масштабах насчитывает около 200 лет. В табл.1.4 приведены дан­ные об извлекаемых запасах угля в 1980 г.

Таблица 1.4

Страны, регион	Геологические запасы, млрд. т
СССР	4310
США	1486
Азия	681
Северная Америка, кроме США	601
Южная и Центральная Америка	14
Западная Европа	377
Африка	110
Океания, включая Австралию	59
Всего	7633

Запасы угля которые могут быть извлечены на данном уровне развития технических средств при приемлемых затратах, оцениваются в 663 млрд. т у. т., их может хватить при современном уровне потребления на 240 лет.

Данные по добыче угля в различных регионах мира приведены в табл.1.5.

Таблица 1.5

Страны, континенты	Добыча угля млн. т
1960	1973	1980
Всего в мире	1966,9	2183,0	2718,0
В том числе:
Канада	6,4	12,3	20,2
США	391,5	529,6	710,4
Австралия	21,9	55,5	76,6
ФРГ	148,0	103,7	94,5
Великобритания	196,7	130,2	128,2
Африка	39,7	68,4	121,7
Азия	486,6	557,1	767,6
Центральная и Южная Америка	7,3	11,6	19,0

Основные запасы угля сосредоточены в США, России, Китае, Ве­ликобритании, ЮАР, Германии, Австралии, Индии и Канаде. В обзоре энергетических ресурсов, выполненном МИРЭК, указано, что экономи­ческие запасы угля, которые можно извлечь при приемлемых затратах имеются еще в 80 странах.

Рассмотрим состояние добычи угля в бывшем СССР и РФ. Основные угледобывающие районы в СССР были:

1) в РСФСР - Печорский, Кузнецкий, Канско-Ачинский, Иркутс­кий, Подмосковный, Дальний Восток;

2) на Украине - Донецкий, Днепропетровский, Львовско-Волынский;

3) в Казахстане - Карагандинский и Экибастузский.

Среди подсчитанных общих геологических запасов углей в стране более 90% составляют запасы энергетических углей и менее 10% при­ходится на долю дефицитных коксующихся углей, применяемых в метал­лургии. Энергетические угли имеются на площадях, пригодных для открытой разработки (202 млрд. т у. т.). Это Канско-Ачинский бассейн в Восточной Сибири, где запасы бурых углей находятся в мощных (от 20 до 40 м) пластах, залегающих на глубине менее 200 м от поверхнос­ти. Богато угольными бассейнами и месторождениями пространство между озером Байкал и Тургайской низменностью. Большие угольные ресурсы имеются также в Красноярском крае и Якутии.

Приведем динамику добычи угля в РФ, млн. т:

1990 г. ..................................

1992 г. ..................................

1995 г. ...............................

1997 г. ...............................

2000 г. ...............................

2010 г.................................

Неблагоприятно для РФ то, что 93% запасов угля находятся на территории к востоку от Урала, а 60% добываемого угля потребляется в европейской части страны и на' Урале. Дальность перевозки камен­ных углей из Сибири на Урал и европейскую часть и полная нерента­бельность транспортировки на значительное расстояние рыхлых и высокозольных сибирских углей несколько сдерживает темпы их добычи и выдвигает проблему обогащения и переработки этих углей в местах их непосредственной добычи.

1.5. Синтетическое топливо

Большие запасы каменного угля во многих странах и истощаемые запасы нефти и газа выдвигают задачу разработки технологий произ­водства синтетической нефти из угля и нефтеносных сланцев. Необхо­димо также искать замену природному газу. В США, Германии, Японии и других странах уже созданы ряд технологических процессов для производства синтетического жидкого (СЖТ) и синтетического газооб­разного топлива (СГТ).

Поскольку природный газ состоит в основном из метана (СН4), для производства его синтетического заменителя требуется дешевый природный углерод. Лучше всего для этой цели подходит каменный уголь. Общий принцип получения синтетического газа представлен на рис.1.2. В первых образцах газогенераторов уголь подвергался пере­гонке без доступа воздуха в газогенераторе. Полученный каменноу­гольный газ КГ обладал высокой теплотой сгорания (до 50% от при­родного газа), но этого было недостаточно для его транспортировки на большие расстояния, и он применялся в промышленности и в быту рядом с месторождениями угля.

Рис. 1.2. Стадии газификации угля:

1 – подготовка угля к газификации; 2 - дистилляция без доступа воз­духа; 3 - дистилляция в присутствии воздуха; 4 - дистилляция в присутствии Н20 и О2; 5 - конверсия водяного газа (СО + Н2О = СО2 + H2); 6 - очистка газа; 7 - каталитическая метанизация (ЗН2 + СО = СН4 + Н2О); КГ - каменноугольный газ; ЭГ – энергетический газ; СГТ - синтетическое газовое топливо

Современные процессы основаны на том, что уголь подвергается перегонке в присутствии либо воздуха, либо водяного пара и кисло­рода. При газификации угля на воздушном дутье образуется энергети­ческий газ ЭГ, обладающий относительно низкой теплотой сгорания, который целесообразно использовать только на электростанциях, рас­положенных на месте его производства. В процессе с парокислородным дутьем (О2 + Н2О) образуется газ более высокого качества, который можно подвергать дальнейшей переработке для получения метана с высокой теплотой сгорания. Этот генераторный газ содержит высокий процент окиси углерода СО и азота N2 , поэтому он подвергается очистке в реакторе. Диоксид углерода СО2 и примеси серы Н2S удаля­ются, а оставшийся газ, состоящий в основном из Н2, СО, СН4 и Н2О, проходит стадию каталитической метанизации, на которой СО и Н2 вступая в реакцию, образуют метан СН4.

В США наряду с газификацией угля по схеме рис.1.2 применяется подземная газификация. В пласте угля, находящемся под землей, про­буривают с поверхности скважины, дробят пласт для обеспечения дос­тупа воздуха, а затем уголь поджигают. В воспламененный угольный пласт нагнетают воздух, чтобы поддержать процесс горения. Если вместо воздуха подавать чистый кислород и водяной пар, можно по­лучить газ более высокого качества.

Современные газогенераторы имеют производительность от 8,5 до 48,1 тыс. м3/ч.

Рис. 1.3. Стадия процесса сжижения угля:

1 - газификация угля; 2 - очистка газа; 3 - конверсия водяного га­за; 4 - каталитическая конверсия; 5 - перегонка продуктов сжиже­ния; 6 - полимеризация; ЭГ - энергетический газ: ГГ - генераторный газ; ДТ - дизельное топливо; ТЖТ - тяжелое жидкое топливо

Для производства СЖТ применяется принцип сжижения угля по ме­тоду Фишера-Тропша (рис.1.3). Сущность метода состоит в том, что после газификации угля осуществляется каталитическая конверсия по­лучаемого продукта. Используя соответствующий катализатор, можно получить из синтетического газа различные виды углеводородных сое­динений.

Газ, нефть и электроэнергия являются взаимозаменяемыми видами энергоносителей на многих стационарных установках. Поэтому методы получения синтетического газа и синтетических нефтепродуктов сле­дует оценивать с точки зрения их рыночной стоимости. В табл. 1.6 приведены значения сметной стоимости 1 т у. т. различных энергоно­сителей на месте их производства (по данным американских ученых).

Таблица 1.6

Вид энергоносителя	Стоимость, дол (в ценах 1980 г.)
Природный газ, добываемый на традиционных месторождениях с большой глубины	88-117
Природный газ, добываемый на нетрадиционных месторождениях	102-147
Синтетический высококалорийный газ, получаемый из угля (второе поколение газогенераторов)	117-161
Синтетический среднекалорийный газ, получаемый из угля (первое поколение газогенераторов)	117-161
Низкосернистое тяжелое нефтяное топливо, полу­чаемое из угля	147-190
Дистиллятное нефтяное топливо, получаемое из угля	176-206
Метанол, получаемый из угля	176-264
Бензин, получаемый из угля	236-328
Электроэнергия, отпускаемая с шин угольных ТЭС	352-410
Этиловый спирт, получаемый из биомассы	380-530

Как видно из табл.1.6. по себестоимости конечного продукта процесс газификации угля мог бы успешно соперничать с другими ме­тодами получения газа. Так, отопление жилых помещений синтетичес­ким газом более экономично, чем электроотопление.

2. ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ

2.1. Гидроэнергия.

Преобразование потенциальной энергии воды, накопленной в во­доемах в механическую энергию вращения с целью приведения в дейс­твие мельниц и других механизмов применяется со времен Римской им­перии. Преобразование гидроэнергии в электрическую энергию стало возможным в конце XIX в. благодаря открытиям физики и техническому прогрессу. Крупные гидроэлектростанции начали появляться на рубеже XIX и XX вв.

Гидроэнергетические ресурсы на Земле оцениваются величиной в 32900 ТВт*ч в год, из них около 25% по техническим и экономическим условиям оказываются пригодными для использования. В табл. 2.1 со­держатся данные о гидроэнергоресурсах в различных странах.

Гидроэнергетический потенциал рек бывшего СССР велик - 4000 ТВт*ч (450 млн. кВт среднегодовой мощности), или 12% от потенциала рек земного шара.

Таблица 2.1

Страна	Располагаемая мощность при среднегодовых расходах воды, ГВт	Страна	Располагаемая мощность при среднегодовых расходах воды, ГВт
СНГ	249,4	Франция	3,4
США	53,9	Испания	2,9
Канада	25,1	Италия	2,6
Норвегия	20,0	Швейцария	2,4
Япония	13,2	Германия	1,5
Швеция	8,9	Англия	0,6

Физические принципы процесса преобразования энергии падающей воды в электроэнергию довольно просты, однако техническое их воплощение достаточно трудоемко. Вода под напором, создаваемым плотиной, нап­равляется в водовод, который заканчивается турбиной. Турбина вра­щает вал, к которому присоединен ротор генератора. Выработка электроэнергии зависит от потенциальной энергии воды, запасенной в водоеме, и КПД ее преобразования в электроэнергию. Мощность ГЭС зависит как от количества воды, так и от перепада между водной по­верхностью водохранилища и уровнем установки гидроагрегатов; этот перепад называется напором. Вода поступающая на турбину под высо­ким напором, имеет большую потенциальную энергию, чем при малом напоре, поэтому на высоконапорной ГЭС требуется меньший расход во­ды для получения одинаковой мощности. Чем выше напор, тем меньше необходимые габариты турбины, что удешевляет стоимость всего соо­ружения.

В СНГ насчитывается около 775 тыс. рек общей протяженностью более 5 млн. километров. Общий объем среднемноголетнего речного стока составляет 4720 км3. К числу крупнейших рек относят Енисей - среднемноголетний сток 623 км3, Лена - 508; Обь - 397, Амур -373, Волга – 251, Печора - 131, Нева - 78, Амударья - 72, Днепр -52, Сырдарья - 36 км3. Распределение гидроэнергетических ресурсов по территории страны и данные об их использовании по состоянию, на конец 1980 г. приводятся в табл.2.2.

Таблица 2.2

Территория страны	Гидроэнергетический потенциал
Теоретичес­кий, ТВт*ч	Экономический
Полный, ТВт*ч	Используемый ТВт*ч
Всего	3942	1095	184/16,8
Европейская часть, включая Кавказ	692	201	80,4/40
В том числе: Северо-Запад	86	41	14,4/35
Северный Кавказ и Закавказье	352	69	14,6/21
Остальные районы Европейской части	254	91	51,4/56
Средняя Азия и Казахстан	757	173	27,7/16
Сибирь и Дальний Восток	2493	721	75,8/11

Другой путь использования водной энергии - приливные гидроэлектростанции (ПЭС). В некоторых районах мирового океана наблюдаётся очень большая амплитуда приливной волны и разность между верхней и нижней отметками прилива достигает 10 м. Если открыть шлюз в дамбе в то время, когда приливная волна набирает высоту, дать возможность заполниться водохранилищу и затем в высшей точке прилива шлюз закрыть, то накопленную воду можно во время отлива пропустить через турбины и таким образом выработать электроэнер­гию. Более эффективно, если турбины сделать реверсивными, в этом случае они будут работать как при заполнении водохранилища, так и при его опорожнении. Однако выработка электроэнергии на ПЭС воз­можна лишь в определенные промежутки времени суток, что затрудняет, использование приливной энергии в крупных энергосистемах. Значение суммарного энергетического потенциала, по оценкам специалистов, составляет 13000 МВт. Во Франции построены две ПЭС: одна мощностью 9 МВт, другая мощностью 240 МВт. В РФ эксплуатируется опытная ПЭС ; на Кольском полуострове мощностью 7 МВт.