🗊Презентация Топливно-энергетические ресурсы. Способы получения, преобразования и использования энергии

Топливно-энергетические ресурсы. Способы получения, преобразования и использования энергии.

Биосфера представляет собой открытую термодинамическую систему, в которой основной источник энергии – излучение Солнца. Под действием солнечной энергии в результате биосинтеза из углекислого газа СО2 , содержащегося в атмосфере, зеленой растительностью планеты образованы соединения углерода, или органическое топливо – торф, каменный уголь, нефть, природный газ. Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей средепотоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком. Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.  Значительную часть потребляемых в России топливно-энергетических ресурсов использует энергетика – базовая отрасль современной экономики. Через топливно-энергетический баланс России за год протекает около 1,5 млрд т условного топлива, из них примерно 90% приходится на природный газ, нефть, каменный уголь. Большинство регионов РФ не обеспечено в достаточном объеме собственными энергоресурсами, и со временем их дефицитность будет возрастать.

Нефть – ценное сырье для производства резины, пластмасс, синтетического волокна. Из нефти получают моторное топливо, мазут для теплоэнергетики. В мире идет ожесточенная борьба за нефтяные ресурсы. Одну треть всей добываемой в мире нефти потребляют Соединенные Штаты Америки, еще одну треть – Западная Европа и Япония. На долю остальных 80% населения планеты достается оставшееся. Цены на нефть на мировом рынке скачут, но имеют устойчивую тенденцию к повышению. Россия вывозит более половины добываемой в стране нефти (с учетом нефтепродуктов), доходы от экспорта нефти – ведущая статья приходной части госбюджета. Мазут для энергетики уже сейчас – наиболее дорогое топливо, к тому же при его сжигании экологические нагрузки на окружающую среду гораздо больше, чем от газовой теплоэнергетики. В ближайшие годы следует ожидать снижения роли нефти и нефтепродуктов в топливно-энергетическом балансе. Нефть – ценное сырье для производства резины, пластмасс, синтетического волокна. Из нефти получают моторное топливо, мазут для теплоэнергетики. В мире идет ожесточенная борьба за нефтяные ресурсы. Одну треть всей добываемой в мире нефти потребляют Соединенные Штаты Америки, еще одну треть – Западная Европа и Япония. На долю остальных 80% населения планеты достается оставшееся. Цены на нефть на мировом рынке скачут, но имеют устойчивую тенденцию к повышению. Россия вывозит более половины добываемой в стране нефти (с учетом нефтепродуктов), доходы от экспорта нефти – ведущая статья приходной части госбюджета. Мазут для энергетики уже сейчас – наиболее дорогое топливо, к тому же при его сжигании экологические нагрузки на окружающую среду гораздо больше, чем от газовой теплоэнергетики. В ближайшие годы следует ожидать снижения роли нефти и нефтепродуктов в топливно-энергетическом балансе. Природный газ – самое чистое топливо. Его запасы в России велики – около 35% мировых, годовая добыча – около 600 млрд нм3. За последние десятилетия газ вышел на первое место среди потребляемых видов топлива. Основные газоносные провинции России расположены в труднодоступных районах – Ямало-Ненецком автономном округе, на шельфе Баренцева моря.          Среди различных видов (форм) энергии наиболее удобной оказалась электрическая энергия, которая легко преобразуется в свет, тепло, механическую энергию и др. Расход электроэнергии сравнительно легко и точно контролируется и измеряется. Изучению законов преобразования энергии уделяется большое внимание в физике, химии и других естественных науках.

Для количественных расчетов необходимо принять единицу измерения энергии. В международной системе единиц СИ (System International) за единицу энергии принят джоуль (Дж). Камень массой в 2 кг, летящий со скоростью 1 м/с, имеет кинетическую энергию 1 Дж. Для расчетов, связанных с тепловой и биологической энергией, часто используют старую (внесистемную) единицу энергии калорию (кал) или килокалорию (ккал): 1 ккал = 1000 кал. Калория - это такое количество тепловой энергии, которое необходимо подвести к массе воды в 1 грамм, чтобы нагреть ее на 1 градус Цельсия (Кельвина). Джоуль и калория связаны соотношением (с точностью до 4-х значащих цифр): Для количественных расчетов необходимо принять единицу измерения энергии. В международной системе единиц СИ (System International) за единицу энергии принят джоуль (Дж). Камень массой в 2 кг, летящий со скоростью 1 м/с, имеет кинетическую энергию 1 Дж. Для расчетов, связанных с тепловой и биологической энергией, часто используют старую (внесистемную) единицу энергии калорию (кал) или килокалорию (ккал): 1 ккал = 1000 кал. Калория - это такое количество тепловой энергии, которое необходимо подвести к массе воды в 1 грамм, чтобы нагреть ее на 1 градус Цельсия (Кельвина). Джоуль и калория связаны соотношением (с точностью до 4-х значащих цифр): 1 кал = 4,187 Дж, 1 ккал = 4187 Дж = 4,187 кДж. Для глобальных оценок используют единицу измерения энергии 1Q = 1021 Дж. Это очень большая энергия: в год население Земли потребляет около 0,3Q энергии. За все время существования чело­вечества израсходовано около 10Q энергии. В литературе встречается также энергетическая единица эксаджоуль (ЭДж): 1 ЭДж = = 1018 Дж, 1Q = 1000 ЭДж. Для сравнения различных видов топлива используют понятие условное топливо - это топливо с теплотворной способностью 7000 ккал/кг = 29,3 МДж/кг (МДж = Мегаджоуль = 106 Дж). То есть при сгорании 1 тонны условного топлива (ТУТ) выделяется энер­гия 29,3 ГДж (ГДж = Гигаджоуль = 109 Дж = 1000 МДж): 1 ТУТ = 29,3 ГДж.  

Сжигание органического топлива приводит к опасным экологическим последствиям: загрязнению атмосферы диоксидом серы, оксидами азота, несгоревшими углеводородами, золой и сажей. Выбросы углекислоты, или диоксида углерода СО2, приводят к парниковому эффекту, потеплению климата планеты и повышению уровня Мирового океана с затоплением прибрежных участков суши. Проблема усугубляется вырубкой леса – основного переработчика углекислого газа в атмосфере Земли. Альтернативой сжиганию органического топлива считалась атомная энергетика. Во Франции около 80% потребляемой электроэнергии производится на АЭС, в Бельгии – около 60% (в России – 15%). Ядерное топливо, применяемое в широко распространенных реакторах на тепловых нейтронах, - это уран, обогащенный нуклидом 235U. Он тоже исчерпаем. При современном уровне использования ядерного топлива месторождений урана, пригодных для добычи, хватит лет на 40…50. Возможно использование оружейного высокообогащенного урана и плутония, накопленных во времена гонки ядерных вооружений, что продлит возможность использования подобных реакторов еще лет на 10. Не до конца решена атомной энергетикой проблема хранения и переработки радиоактивного отработавшего ядерного топлива. В атомной энергетике применяются также реакторы на быстрых нейтронах, в которых топливом является недефицитный нуклид 238U и к тому же нарабатывается новое топливо – плутоний 239Pu. Для этих реакторов сырьем будут служить огромные количества 238U, накопленные в процессе производства ядерного топлива и оружия.

В связи с сокращением природных запасов традиционных энергоносителей (главным образом нефти и природного газа), ростом цен на них, озабоченностью экологическими проблемами мировая экономика все больше уделяет внимания поиску и освоению нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Разрабатываются меры экономической поддержки НВИЭ: налоговые, кредитные и тарифные льготы, правовая поддержка, государственные программы развития. Так, в Германии установлены повышенные закупочные цены на электроэнергию, произведенную на нетрадиционных установках: 0,08 евро за 1 кВт∙ч на ветровых, 0,51 евро – на солнечных. Выполняется государственная программа «100 000 солнечных крыш», обеспеченная бюджетом в 570 млн. евро, направленная на использование солнечной энергии. По прогнозу Международного энергетического конгресса, к 2020 году доля НВИЭ в общем энергопотреблении развитых стран (США, Англии и др.) достигнет 20%. Основной недостаток НВИЭ – низкие плотности энергии. Так, для ветровых, солнечных, геотермальных установок характерны плотности энергии менее 1 кВт/м2 , тогда как в современных котлах и ядерных реакторах достигаются в тысячу раз большие плотности теплового потока. Соответственно нетрадиционные энергоустановки имеют большие габариты, металлоемкость, занимают гораздо большие площади по сравнению с действующими ТЭС, АЭС, котельными.