Енергія.

Енергія - загальна міра руху при всіх матеріальних процесах і видах взаємодій. Які б процеси не відбувалися, які б перетворення форм руху не здійснювалися, завжди загальна кількість енергії залишається незмінною. Відповідно до закону збереження й перетворення енергії, вона за будь-яких процесів в ізольованій системі зберігається, перетворюючись лише в чітко певній кількості з одного виду на інший.

Джерелом енергії на Землі є сонячне випромінювання, кінетична енергія обертання планети Земля та її супутника Місяця і енергія земних надр. Кінетична енергія виявляється в морських припливах. Енергія земних надр підтримується розпадом урану і торію. Сонячна енергія виникає в резуль­таті термоядерного перетворення водню на гелій і надходить на Землю у вигляді променистої енергії з довжиною хвиль 0,3-2,0 мкм. На поверхню атмосфери нашої планети постійно надходить потік енергії в кількості 8,09 Дж/см² за 1 хв. Ця величина відхиляється від середнього значення на 0,1-0,2 %. Річний потік сонячної енергії на Землю становить 10,5 ГДж/м², 40 % якої відбивається в космічний простір, 15 % поглинається атмосфе­рою, 20 % витрачається на підтримання геологічного циклу, 0,06 % - на фотосинтез. В атмосфері основну кількість променистої енергії погли­нає водяна пара, в гідросфері - вода, а в літосфері - гірські породи і грунт.

Поглинута біосферою сонячна радіація витрачається на здійснення роботи для забезпечення процесів життєдіяльності рослинного й тварин­ного світу та людського суспільства, частково розсіюється в космічний простір. Основні перетворювачі енергії в біосфері - живі організми. Рослини та земна поверхня поглинають енергії в середньому 5 ГДж/м² за рік. Перенесення енергії в живій речовині біосфери характеризується низькою ефективністю. Перенесення від продуцентів до консументів І порядку становить 10 %, а від консументів І порядку до II - 20 %.

Для організації матеріального виробництва людина також використовує енергію, яку вона виробляє з викопного палива та добуває з природних джерел. Кількість енергії, що виробляється в світі, невпинно зростає одно­часно зі зростанням потреб людини (табл. 3.2). В 60-70-х роках XX ст. кількість споживаної енергії подвоювалась упродовж 15 років, у 80-х ро­ках - 10 років, тоді як останнє подвоєння чисельності населення відбулося впродовж 38 років. Отже, виробництво енергії відбувається випереджаю­чими темпами.

Таблиця 3.2.

Світове споживання енергії в 1990 і 1997 рр.

На початку 80-х років щорічне споживання енергії в світі наблизилось до 10 млрд. т умовного палива (близько 2 т на людину). Доступного для добування вуглецю є 10-20 тис. млрд. т. Якщо поділити величину резер­вів вуглецевого палива на видобуток, то нафти вистачить на 30-35 ро­ків, вугілля - на 200, газу - на 40-50 років.

Нині енергетичний потенціал Землі становить 1 млн. МВт, надходжен­ня сонячної енергії - 173 000 ТВт. На початок XXI ст. очікується зрос­тання енергетичного потенціалу до 100 тис. ТВт, що наближає нас до критичної межі, оскільки може призвести до перегрівання Землі. Нині в Україні виробляють 278,7 млрд. кВт · рік електроенергії.

На перших етапах свого розвитку людство задовольнялося в основно­му сонячною енергією. Більше того, надлишкова частина використаної енергії відкладалася у вигляді покладів вугілля, нафти, газу і торфу. Із зростанням чисельності населення та його потреб кількість споживаної енергії зростала і людство змушене було починаючи з XVIII-XIX ст. „за­лізти в природну комору”. Воно почало використовувати спочатку деревину, потім природні запаси вугілля, нафти і газу, а також енергію води, вітру та інших природних джерел. Нині енергію добувають різними спосо­бами. У 1980 р. 70 % світової кількості енергії вироблено спалюванням нафти й газу, 20 - вугілля, 3 - гідроелектростанціями, 2 % - атомними електростанціями. Решта 5 % припадає на нетрадиційні джерела енергії. Нині одна людина споживає в Японії 1,5-5 т, у США - близько 7 т, а в країнах, що розвиваються, - 0,15-0,3 т енергії в нафтовому еквіваленті.

Усі види енергетичних ресурсів можна поділити на первинні і вторинні. До первинних належать невідновні (нафта, вугілля, сланці, природний газ, газогідрати) та відновні (деревина, гідроенергія, енергія вітру, сонячна енергія, геотермальна енергія, торф, термоядерна енергія) енергоресурси. До вторинних енергоресурсів належать проміжні продукти збагачення і сортування вугілля, гудрони, мазут та інші залишкові продукти переробки нафти; тріски, пні, сучки, що утворились в процесі заготівлі деревини; горючі гази (доменний, коксовий); теплота відхідних газів; гаряча вода із системи опалення; відпрацьована пара силових промислових установок.

Більша частина викопних запасів органічного палива знаходиться в країнах Північної Америки (40 %) і Азії (35 %), менші запаси в Західній Європі (12 %), Африці (7 %), Південній Америці та Океанії (по 3 %). Запа­си палива в надрах складаються з вугілля, нафти, газу, уранової руди. Світові запаси вугілля оцінюють у 9-11 трлн т умовного палива при ви­добутку понад 4,2 млрд. т за рік. Запаси розвіданих родовищ вугілля ста­новлять, млрд. т: США - 430; країни СНД - 290; ФРН - 100; Австра­лія - 90; Англія - 50; Канада - 50; Індія - 29; Україна - 150.

Світові запаси нафти оцінюють у 840 млрд. т умовного палива, з них 10 % - достовірні і 90 % - вірогідні запаси. Основним постачальником нафти на світовий ринок є країни Близького та Середнього Сходу. Вони мають 66 % світових запасів нафти, Північна Америка - 4 %, Росія – 8- 10 %. В Україні запаси нафти становлять 125 млн. т; нині щороку добува­ють 4,9 млн. т. Немає родовищ нафти в Японії, ФРН, Франції та багатьох інших країнах.

Запаси природного газу оцінюють у 300-500 трлн м³. Найбільші за­паси знаходяться в Іраку, Саудівській Аравії, Алжирі, Лівії, Нігерії, Вене­суелі, Мексиці, США, Канаді, Австралії, Англії, Норвегії, Голландії. Ро­сія має 30 % світових запасів і щороку видобуває 800-850 млрд. м³ при­родного газу. В Україні запаси газу становлять понад 4100 млрд. м³. Крім того, є досить великі запаси горючих сланців (2 млрд. т) і торфу (3,5 млрд. т). До невідновних видів палива належать газогідрати (СН₄ · nН₂0), родови­ща яких відкриті в багатьох районах світу. В Україні родовища газогід­ратів розташовані в Чорному морі.

Очікують, що на початок XXI ст. частка ядерної енергії в загальному енергозабезпеченні становитиме 15 %. В окремих країнах її частка значно вища. Вже нині, %: у США - 24, Франції - 65, Швеції - 40, ФРН - 25, Японії - 23, Україні - близько 40. Потреба в урані при цьому становить 135 тис. т. Запаси урану в надрах становлять понад 4 млн. т, з них 50 % - достовірні. На початок 1986 р. у світі діяло 350 енергетичних реакторів загальною потужністю понад 250 млн. кВт. Нині у різних країнах світу вже збудовано понад 400 АЕС, які виробляють 5 % всієї енергії. У 1985 р. в СРСР частка АЕС у загальному обсязі виробництва електроенергії становила близько 14 %. Було побудовано 10 великих АЕС, на яких пра­цювало 40 енергоблоків загальною потужністю 22 млн. кВт, а в 1990 р. - 47 енергоблоків. В Україні нині працюють 4 АЕС (Чорнобильську АЕС закрито).

Перспективними є реактори на швидких нейтронах. В них з урану-238 утворюється вторинне паливо - плутоній-239, причому уран використовується повністю. У звичайних реакторах на теплових нейтронах, які пра­цюють на урані-235, уран використовується неповністю. Ведуться дослідні роботи в галузі термоядерної енергетики. В результаті термоядерної реакції, що відбувається за температури близько 100 млн. градусів, атоми гідрогену перетворюються на атоми гелію. Для того щоб цей процес був стійким, таку високу температуру плазми слід витримувати впродовж 1-2 с. Тривалість цього процесу в сучасних камерах „Токамак” сягає лише десятих часток секунди.

Згідно з прогнозом, до 2030 р. відновні джерела енергії замінять близько 2,5 млрд. т умовного палива. їх частка в загальному балансі теплоти і енергії становитиме близько 8 %. Використання цих джерел енергії зумовлене екологічними проблемами. Ресурси відновної енергії наведено в табл. 3.3.

Таблиця 3.3.

Ресурси відновної енергії.

Крім рослин і торфу, всі інші джерела називають ще нетрадиційними. Сонячна енергія за 22 сонячні дні за сумарною потужністю еквівалент­на всім запасам органічного палива на Землі. В США протягом 1984- 1988 рр. побудовано термоелектричні установки загальною потужністю 650 МВт. Термоелектричні установки меншої потужності побудовано в Іспанії та Йорданії. Вартість добутої в них енергії становить 10 центів за 1 кВт · год.

Фотоелектроенергія виробляється напівпровідниковими приладами, що перетворюють сонячне випромінювання на електричний струм. Со­нячна батарея з коефіцієнтом корисної дії 12 %, площею 40 м², побудова­на на південному боці даху, здатна забезпечити всі побутові потреби в електроенергії будинку. Сонячне теплозабезпечення використовують у ба­гатьох країнах. Тільки в США експлуатують сонячні колектори площею 10 млн. м², що економить 1,5 млн. т палива на рік.

Енергію вітру використовують при його швидкостях понад 5 м/с. В Україні освоюють виробництво вітроенергетичних установок потуж­ністю 1-2 МВт. Перетворення енергії вітру на електроенергію у 80-ті роки XX ст. в усьому світі становило 1660 МВт.

Геотермальні теплові електростанції (ГеоТЕС) використовують як енергію природні парогідротерми, що залягають на глибині до 5 км. Цей вид енергетики достатньо інтенсивно розвивається в США, Мексиці, Іта­лії, Японії, Росії та на Філіппінах. Потужність найбільшої ГеоТЕС, побу­дованої в США, становить 50 МВт.

Для виробництва електричної і теплової енергії в лісопромисловості широко використовують біомасу - енергоносій рослинного походжен­ня, що утворюється в процесі фотосинтезу. Так, у Бразилії при викорис­танні біомаси з винокурень утворюється настільки великий надлишок електроенергії, що її реалізація робить спирт дешевшим за нафту. Тільки з цукрової тростини можна добувати 50 % енергії, що виробляється нині у 80 країнах, які вирощують цю культуру. Річний обсяг органічних від­ходів (біомаси) в країнах СНД становить 500 млн. т. її використання може зекономити 6 млн. т органічного палива щороку.

Океани мають потенційну енергію у вигляді теплоти, енергії течії, хвиль і припливів. Енергопотенціал припливів оцінюють у 780 млн. кВт. У Канаді працює припливна станція потужністю 20 МВт, в Росії - 400 кВт. Роз­робляється проект станції потужністю 87 млн. кВт. Гідроенергетика, за прогнозами, збереже 3 % загального обсягу енергії, що виробляється, при­близно до середини наступного століття. В Україні майже повністю вичерпані можливості побудови гідравлічних електростанцій (ГЕС). У 1987 р. у колиш­ньому СРСР на ГЕС вироблялось близько 300 млрд. кВт·год електроенергії.

Потенційні гідроенергетичні ресурси річок такі: у Карпатах 250-500, у басейні Дніпра – 100-250 тис.м³·год/км². Найменші потенційні гідроенергетичні ресурси на Причорноморській низовині - менш як 10 тис. м³ · год/км².

Перспективним та екологічно чистим паливом є водень. Він має втри­чі більшу теплоту згоряння, ніж нафта. Світове виробництво водню пере­вищує 200 млрд. м³ на рік. Більше половини його використовують для ви­робництва аміаку й близько третини - на нафтопереробних заво­дах. Водень добувають з природного газу, нафти і вугілля за реакцією

С + Н₂О = Н₂ + СО.

Нині в усьому світі вчені працюють над проблемою добування водню з води. Електролізом добувати водень з води поки що дорого. В Японії працює дослідна установка, на якій водень добувають з води термохі­мічним методом. Вчені вже проводять дослідження з різними каталіза­торами, які, знаходячись у воді, освітленій сонячним промінням, здатні в недалекому майбутньому забезпечити енергетику дешевим воднем.

Вторинні енергетичні ресурси (ВЕР) - це енергія різних видів, яка за­лишає технологічний процес чи установку і використання якої не є обо­в'язковим для здійснення основного технологічного процесу. Вона є по­бічною продукцією, що за відповідного рівня техніки може бути частково або повністю використана для потреб нової технології чи енергозбере­ження інших процесів на тому самому підприємстві або за його межами. Нині особливо великі витрати теплоти на електростанціях, у металургій­ній, хімічній, нафтопереробній та нафтодобувній промисловості, у сільському господарстві та інших галузях господарства. За розрахунка­ми, до 50 % виробленої теплоти в Україні втрачається. Тому для енерго­збереження є великі резерви.

ВЕР поділяють на три основні групи: надлишкового тиску, горючі і теп­лові. ВЕР надлишкового тиску - це потенційна енергія відходів, газів, води, пари з підвищеним тиском, яка може бути використана перед викидом в атмосферу. Такі ВЕР використовують для отримання механічної й електрич­ної енергії. Горючі ВЕР - це горючі гази і відходи одного виробництва, які можуть бути застосовані у вигляді палива в інших виробництвах (тріски, тирса, стружка в деревообробній промисловості, доменний газ у металур­гійній, тверді й рідкі паливні відходи в різних галузях промисловості). Теп­лові ВЕР - фізична теплота відхідних газів, основної та побічної продукції виробництва, попелу і шлаків; гарячої води й пари; робочих тіл систем охо­лодження технологічних процесів. Теплові ВЕР можна використати для отримання теплоти, холоду, електроенергії в утилізаційних установках. Об'єм теплоенергії, виробленої за рахунок теплових ВЕР, становить близько 25 % у структурі теплоенергетичного балансу. Використання ВЕР у багатьох випадках економічно ефективне, оскільки питомі капіталовкладення в уста­новку для утилізації теплових ВЕР, віднесені до 1 т заощадженого палива, нижчі, ніж ціна на паливо з урахуванням його транспортування.