Энергия в природе и ее виды (стр. 5 )

электроэнергетическая система (электроэнергетика), в состав которой в качестве подсистемы входит теплоснабжающая система (теплоэнергетика);

система нефте - и газоснабжения;

система угольной промышленности;

ядерная энергетика;

нетрадиционная энергетика.

Производство электроэнергии обеспечивают электрические станции;преобразование – трансформаторы, транспорт;

распределение электрической энергии – линии электропередачи;потребление– различные приемники.

2.2 Виды топлива, характеристика и запасы

По определению , «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты». Минеральное топливо - основной источник энергии в современном хозяйстве и важнейшее промышленное сырье. Переработка минерального топлива является базой формирования промышленных предприятий, в т. ч. нефтехимических, газохи-мических, торфобрикетных и т. п.

Топливо подразделяют на следующие четыре группы:

- твердое;

- жидкое;

- газообразное;

- ядерное.

Самым первейшим видом твердого топлива были (а во многих местах остаются и в настоящее время) древесина и другие растения: солома, камыш, стебли кукурузы и т. п.

Первая промышленная революция, которая в XIX веке полностью преобразовала аграрные страны Европы, а затем и Америку, произошла в результате перехода от древесного топлива к ископаемому угольному. Потом пришла эра электричества.

Открытие электричества оказало огромное влияние на жизнь человечества и обусловило зарождение и рост крупнейших городов мира.

Применение нефти (жидкий вид топлива) и природного газа в сочетании с развитием электроэнергетики, а затем и освоение энергии атома позволили промышленно развитым странам осуществить грандиозные преобразования, итогом которых стало формирование современного облика Земли.

Таким образом, к  твердому  виду топлива относят:

- древесину, другие продукты растительного происхождения;

- уголь (с его разновидностями: каменный, бурый);

- торф;

- горючие сланцы.

Ископаемые твердые топлива (за исключением сланцев) являются продуктом разложения органической массы растений. Самый молодой из них торф, представляющий собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли - землистая или черная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется (выветривается) и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них - антрацитов претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твердостью.

Горючие сланцы представляют собой полезное ископаемое из группы твердыхкаустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы, близкой по составу к нефти.

Жидкие виды топлива получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300 ... 370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре:

- сжиженный газ (выход около 1 %);

- бензиновую (около 15%, tк =30... 180°С);

- керосиновую (около 17 %, tк = 120 ... 135 °С);

- дизельную (около 18 %, tк = 180 ... 350 °С).

Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 - 350 °С называется мазутом.

Газообразными видами топлива являются природный газ, добываемый как непосредственно, так и попутно с добычей нефти, называемый попутным. Основным компонентом природного газа является метан СН4 и в небольшом количестве азот N2, высшие углеводороды  СnНm, двуокись углерода СО2. Попутный газ содержит меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому выделяет при сгорании больше теплоты.

В промышленности и, особенно в быту, находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти. На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы. Они используются здесь же на заводах для отопления печей и технологических аппаратов. В районах расположения угольных шахт своеобразным «топливом» может служить метан, выделяющийся из пластов при их вентиляции. Газы, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив, в большинстве стран практически вытеснены природным газом, однако в настоящее время снова возрождается интерес к их производству и использованию.

В последнее время все большее применение находит биогаз - продукт анаэробной ферментации (сбраживание) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т. д.).

Ядерным топливом является уран. Об эффективности использования его показывает работа первого в мире атомного ледокола «Ленин» водоизмещением 19 тыс. т, длиной 134 м, шириной 23,6 м, высотой 16,1 м, осадкой 10,5 м, со скоростью 18 узлов (около 30 км/ч). Он был создан для проводки караванов судов по Северному морскому пути, толщина льда по которому достигала 2 и более метров. В сутки он потреблял 260-310 граммов урана. Дизельному ледоколу для выполнения такого же объема работы, которую выполнял ледокол «Ленин», потребовалось бы 560 т дизтоплива.

Анализ оценки обеспеченности ТЭР показывает, что наиболее дефи-цитным видом топлива является нефть. Ее хватит по разным источникам на 250 лет. Затем, через 35-64 года, истощатся запасы горючего газа и урана. Лучше всего обстоит дело с углем, запасы которого в мире достаточно велики, и обеспеченность углем составит 218-330 лет.

2.2 Условное топливо,  калорийность, энергетический потенциал.

Экономические расчеты, сравнение показателей топливоиспользующих устройств друг с другом и планирование необходимо осуществлять на единой базе. Поэтому введено понятие так называемого условного топлива.

Условное топливо представляет собой единицу учета органического топлива, применяемую для сопоставления эффективности различных видов топлива и суммарного учета. Использование условного топлива особенно удобно для сопоставления экономичности различных теплоэнергетических установок.

В качестве единицы условного топлива применяется 1 кг топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг), что соответствует хорошему малозольному сухому углю. Для сравнения укажем, что бурые угли имеют теплоту сгорания менее 24 МДж/кг, а антрациты и каменные угли - 23-27 МДж/кг. Соотношение между условным топливом и натуральным выражается формулой

Вт= (Qнр / 7000 ) Вн = Э Вн,

где  Вт  - масса эквивалентного количества условного топлива, кг;

Вн  - масса натурального топлива, кг (твердое и жидкое топливо) или м3 - газообразного;

Qнр - низшая теплота сгорания данного натурального топлива, ккал/кгили ккал/м3.

СоотношениеЭ =  Qнр  / 7000

называется калорийным коэффициентом, и его принимают для:

- нефти - 1,43; 

- природного газа - 1,15;

- торфа - 0,34-0,41 (в зависимости от влажности); 

- торфобрикетов - 0,45 -0,6 (в зависимости от влажности);

- дизтоплива - 1,45;

- мазута - 1,37.

Теплотворная способность различных видов топлива, ккал/кг, составляет примерно:

нефть                 - 10 000 (ккал/кг); 

природный газ  - 8 000 (ккал/ м3);

каменный уголь  -  7000(ккал/кг);

дрова влажностью 10%  -  3900(ккал/кг);

  40%  - 2400(ккал/кг);

торф влажности  10%  -  4100(ккал/кг);

  40%  -  2500(ккал/кг);

Параметром, определяющим возможность использования источника энергии являетсяЭнергетический потенциал. Он  выражается в единицах энергии  [Дж]  или [кВт час]. Энергетический потенциал энергоресурсов Земли, измеряемый в эксаджоулях, (эДж=1018Дж), оценивается следующими величинами [2]:

ядерная энергия деления                 1,97 · 106 геотермальная энергия                 2,94 · 106 энергия Солнца на уровне Земли, за 1 год                 2,41 · 106 химическая энергия химического топлива          5,21 · 105 термоядерная энергия                 3,60 · 105 энергия приливов, за 1 год                 2,52 · 105 энергия ветра, за 1 год                 6,12 · 103 биоэнергия лесов, за 1 год                 1,46 · 103 энергия рек, за 1 год                 1,19 · 102

2. 3 Энергетические ресурсы мира

Структура мирового энергохозяйства на сегодня сложилась так, что 80 % потребляемой электроэнергии получается при сжигании топлива на электростанциях, где химическая энергия топлива превращается сначала в тепло, теплота – в работу, а работа – в электричество. Ощутимый процент дает и гидроэнергетика (около 15 %), остальное покрывается другими источниками, в основном атомными электростанциями. Потребности человека растут, людей становится все больше и это вызывает гигантские объемы производства энергии и темпы роста ее потребления. Сегодня традиционные источники энергии (различные топлива, гидроресурсы) и технологии их использования уже не способны обеспечивать требуемый уровень энерговооруженности общества, потому что это невозобновляемые источники и их количество стремительно сокращается. И хотя разведанные запасы природных топлив очень велики, проблема истощения природных кладовых при нынешних и прогнозируемых темпах их разработки переходит в реальную и недалекую перспективу. Уже сегодня ряд месторождений из-за истощения оказывается непригодным для промышленной разработки, и за нефтью и газом, например, приходится идти на труднодоступные, отдаленные территории, на океанские шельфы и т. п. Серьезные прогнозисты доказывают, что при сохранении нынешних объемов и темпов роста энергопотребления в 3 … 5 % (а они без сомнения будут еще выше) запасы органических топлив полностью иссякнут через 70 – 150 лет.

Ограниченность запасовневозобновляемых ресурсов, используемых для получения электроэнергии даже с учетом экономии,  отражена в табл.2.1. Развитие современных технологий требует повышение уровня использования электроэнергии. Кроме этого, необходимо учесть, что темпы роста населения позволяют прогнозировать, что лет через 40 на Земле будет жить 12 млрд. человек, поэтому столь жестко стоят проблемы энергосбережения.

Таблица 2.1. Энергетические ресурсы мира

Мировые ресурсы	Год истощения
Невозобновляемые: уголь – 6 641 200 млн. т нефть – 76 200 млн. т природный газ – 49 900 млрд. м 3 уран – 761 400 т	2083-2500 2025-2100 2010-2015
Возобновляемые: гидроэнергия солнечная энергия ветер биомасса	неистощаема, но применяется ограниченно неистощаема, но применяется ограниченно неистощаема, но применяется ограниченно неистощаема, но применяется ограниченно

Электроэнергетика является важнейшей отраслью экономики любой страны, поскольку ее продукция (электрическая энергия) относится к универсальному виду энергии. Ее легко можно передавать на значительные расстояния, делить на большое количество потребителей. Без электрической энергии невозможно осуществить многие технологические процессы, как невозможно представить нашу повседневную жизнь без отопления, освещения, охлаждения, транспорта, телевизора, холодильника, стиральной машины, пылесоса, утюга, использования современных средств связи (телефон, телеграф, телефакс, ЭВМ), которые также потребляют электроэнергию.

В большинстве развитых зарубежных стран электрическая составляющая всего топливно-энергетического комплекса достигает 35-40%, а к началу XXI века превысила 50%. Электрическая энергия внедряется практически во все новые сферы промышленности, сельского хозяйства и быта.

В США производится около 2,5 трлн. кВт·ч электроэнергии, в СНГ – около 1,75 трлн. кВт·ч. Общая мощность электростанции в США составляет 660 млн. кВт·ч., в СНГ – около 350 млн. кВт·ч., причем 30 % из них в США находится в горячем резерве. В СНГ горячего резерва нет, а холодный составляет 6-8% при нормативе – 13%.Степень же электрической вооруженности в республике Беларусь составляет 22%, что значительно ниже показателей не только развитых стран, но среднемирового уровня (27%).

Хотя последние 25 лет развитые страны перестали наращивать потребление энергии на душу населения, рост потребления остается высоким за счет наращивания энергопотребления на душу населения в развивающихся странах. При нынешних темпах рост электроэнергетики будет идти еще долго, в том числе и нашей.