Что такое топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) в энергетике

Первая промышленная революция, что привела к массовому применению машин в производственных технологиях, обусловила бурный рост энергетических потребностей. Технику необходимо было приводить в действие с помощью внешних силовых механических усилий. А они в свою очередь могли возникать лишь в случае, если предварительно использовались энергоресурсы. Те, что способны в результате ряда преобразований вырабатывать энергию, столь необходимую для запуска в работу машин.

Общие сведения об энергоресурсах

Энергоресурсы в своём первоначальном виде – это есть не что иное, как материальные источники энергии. Но только такие источники, что могут быть использованы в энергетике, направленной на функционирование промышленности и удовлетворение бытовых потребностей. При их извлечении из земных недр необходимо соотносить количество затраченной энергии плюс текущие расходы к энергоёмкости извлекаемого источника энергии. Лишь только в случае если такое соотношение будет превышать единицу, – процесс становится целесообразным.

Говоря об энергоресурсах, нельзя не остановиться на самом понятии «энергии», впервые введённом в обиход древнегреческим философом Аристотелем. В трактате «Физика», насчитывающем 8 книг, знаменитый учёный применяет его в качестве слова, обозначающего человеческую деятельность. Большого противоречия здесь нет, так как и сегодня одна из фундаментальных категорий философии и физики не находит всей полноты завершённого понимания.

Довольно сложное для обычного человека определение. Не вдаваясь в научную дискуссию, можно ограничиться гораздо более простым и понятным термином – «возможность совершать работу». Тем более что именно от греческого слова «работа», означавшего в праиндоевропейском языке деятельность, произошло слово «энергия».

Всё то, что относится к энергоресурсам, делится на возобновляемые, невозобновляемые, а также ядерные источники энергии. По происхождению их классифицируют на:

• возобновляемое топливо;
• невозобновляемое топливо;
• энергию процессов, происходящих в природе;
• ядерную энергию;
• Также в процессе производственно-технологической деятельности могут образовываться вторичные энергетические ресурсы.

Подсчитать мировые энергетические ресурсы невероятно трудно. Так, оценённые компанией BP (британской транснациональной нефтегазовой корпорацией) в «Статистическом обзоре мировой энергетики» за 2010 год оставшиеся запасы ископаемого топлива (газ, нефть, уголь), составляли к концу 2009 года 65,1 Зеттаджоулей (10²¹ – секстиллион джоулей).

Но эти данные абсолютно ни о чём не свидетельствуют и вполне допускают многократную погрешность. Кроме того, основаны они на 3-км бурении земной коры. Глубже проникать внутрь, с целью проведения геологических исследований, не позволяют современные технологии. А так как значительная часть дна Мирового океана находится гораздо ниже, то почти треть земной коры пока что не поддаётся детальному анализу.

Гораздо интереснее познакомиться информацией, опубликованной на страницах того же обзора в июне 2022 года. Материал предоставлен компанией «Инфо ТЭК» и основан также на данных ООН, МВФ и целом ряде иных источников (исключение составили лишь коммерческие отчёты Международного энергетического агентства, временно заблокированные из-за введённых санкций).

Виды энергоресурсов

Невозобновляемые энергетические ресурсы

Виды невозобновлямых энергоресурсов хорошо известны. К ним относится любое ископаемое топливо: природный газ, нефть, бурый и каменный уголь, горючие сланцы, торф, иные горючие минералы, топливные клаустобиолиты.

Основу мировых залежей невозобновляемых энергетических ресурсов – природного ископаемого топлива составляет уголь. При пересчёте в условное топливо (принятую единицу учёта органического топлива) на его долю приходится порядка 60% ископаемых энергоресурсов нашей планеты. На углеводороды в виде газа и нефти остаётся лишь 27%.

Если в 2010 году 91% вырабатываемой человечеством энергии генерировалось путём сжигания разнообразных видов топлива – использованием невозобновляемых ресурсов, – то к 2021 году картина несколько изменилась:

Налицо всё возрастающая роль альтернативной энергетики, хотя на ТЭС (тепловые электрические станции) по-прежнему приходится 60% вырабатываемого в мире электричества. За период с 2005 по 2017 годы наблюдалось увеличение:

• добычи угля на 23%,
• добычи нефти и газа на 18%,
• потребления электрической энергии на 41%.

Нефть

Горючая маслянистая жидкость, обычно чисто чёрного цвета. Ещё в четвёртом веке до нашей эры китайцы научились использовать в качестве топлива. А сегодня процесс нефтепереработки позволяет получать различные виды топлив, нашедших применение на транспорте: бензин, керосин, дизельное топливо; в качестве топлива для реактивных двигателей; в газотурбинных установках: дистиллят нефти, флотский и топочный мазут; в котельных: соляровое масло или солярка.

Однако значительная её часть (свыше 16% в 2010 году) находит совершенно иное – неэнергетическое применение. И это экономически более целесообразно, чем сжигание внутри моторов или в топках котлов продуктов нефтепереработки. Что наносит ущерб природной среде, вызывая её загрязнение продуктами сгорания углеводородов.

По оценкам ОПЕК общемировые доказанные запасы нефти на начало 2020 года составляли 1550,736 млрд баррелей. По данным BP они на тот же момент времени достигали 1733,9 млрд баррелей. Наибольшими объёмами залежей располагают Венесуэла, Саудовская Аравия, Иран, Ирак, Кувейт, ОАЭ, далее идут Россия и США.

Природный газ

Природный газ представляет собой газообразную смесь углеводородов, содержащую: метан (70-98%), этан, пропан, бутан, пентан.

Кстати, метан – один из самых распространённых в космосе газов, но там его запасы не находят широкого практического применения. В то время как на нашей планете природный газ используется:

• в качестве топлива для работы ТЭС,
• для централизованного и децентрализованного теплоснабжения, организованного посредством работающих на газе котельных и теплоцентралей,
• на транспортных средствах, оснащённых газовыми двигателями,
• во время приготовления пищи на газовых плитах.

Примерно 1/5 часть вырабатываемой в мире энергии производится за счёт сжигания природного газа. Достоинство этого вида топлива – при сжигании он наносит минимум вреда окружающей экосистеме по сравнению с иными видами органического топлива.

Его неэнергетическое применение распространено в химической индустрии, а также при производстве стекла, стали, тканей, пластмасс, красок, масел. Переработанный бактериями природный газ служит белковым кормом для рыб и животных.

Наибольшими запасами голубого топлива располагают:

• страны СНГ: Россия, Украина, Азербайджан, Казахстан, Туркмения, Узбекистан;
• США;
• Канада;
• страны Персидского залива;
• Иран.

Уголь

Самый используемый вид топлива. Он также применяется в металлургии, химической промышленности и в качестве минерала для извлечения редких и рассеянных химических элементов. С началом промышленной революции минерал стал самым употребляемым топливно-энергетическим ресурсом. К настоящему времени, несколько сдав свои позиции нефти и природному газу, он обеспечивает свыше 1/3 производства мировой электроэнергии.

Однако, выделяя в процессе сжигания значительное количество углекислого газа и иных вредных веществ, уголь наносит существенный ущерб природной среде. Многие государства мира отказываются от использования его в качестве энергетического топлива, хотя и располагают значительными запасами.

Возобновляемые энергетические ресурсы

Что такое возобновляемые энергоресурсы? Это те источники энергии, что постоянно естественным путём восстанавливаются и в обозримом будущем неисчерпаемы. Действие их обусловлено процессами, происходящими на Солнце и внутри Земли.

Вклад возобновляемых ресурсов в систему мирового потребления составлял к 2019 году 26,8% (16% составила гидроэнергетика, 10,8% пришлось на долю остальных возобновляемых ресурсов). Перспективы развития возобновляемой (альтернативной, зелёной) энергетики лежат в плоскости повышения дефицита невозобновляемых топливных ресурсов, уменьшения эксплуатационных расходов и снижения уровня воздействия на биосферу Земли.

Биотопливо

Ресурс, в качестве которого выступают: сгораемое сырьё растительного или животного происхождения, продукты, получаемые в результате жизнедеятельности организмов, органические отходы промышленности. Примером их служат:

• используемые в двигателях внутреннего сгорания жидкие виды биотоплива: биодизель, метанол, этанол;
• твёрдые виды: брикеты, дрова, топливные гранулы; костра, лузга, солома, щепа;
•  газообразные виды: био-газ, водород, синтез-газ – газообразные биотоплива.

Несмотря на большое разнообразие, 38% населения планеты продолжают использовать традиционные (составляющие порядка 60% применяемого биотоплива) природные топливные ресурсы: дрова, остатки растений и сушёный навоз, применяемые для обогрева домов и приготовления пищи. А в электроэнергетике наибольшее распространение получили древесные паллеты.

Процесс освоения растительных видов биотоплива привёл к появлению сырья первого поколения (культур с высоким содержанием жиров, крахмала и сахара), сырья второго поколения (с присутствием целлюлозы и лигнина), более дешёвого в получении, чем первое и сырья третьего поколения – водорослей, что обладают высокой концентрации и быстро воспроизводятся (произрастают) в открытых прудах.

Гидроэнергия

Пожалуй, самый древний способ получения энергии, выполняемый путём использования силы падающей или быстро текущей воды. Водяные колёса появились ещё за пятьсот лет до нашей эры и продолжали использоваться вплоть до середины XIX века. До тех пор пока на смену им не пришла вырабатывающая электрическую энергию гидротурбина. 

Это было время строительства первых гидроэлектростанций, сооружаемых на реках или высоко расположенных озёрах посредством возведения плотины и организации водохранилища. Способ хорош, так как нет нужды в сжигании топлива. Тем не менее, он требует значительных первоначальных затрат и связан с множеством проблем социального, экономического и экологического плана.

Сегодня 45 тыс. работающих ГЭС производят 2 650 млрд кВт∙ч электроэнергии, обеспечивая тем самым 1/6 часть общемировой генерации, в то время как ресурсный потенциал гидроэнергии планеты оценивается в 10 трлн кВт∙ч. Практически половина его приходится на такие страны, как США, Канада, Бразилия, Заир, Россия и Китай.

Альтернативная энергетика

Направление в энергетике ставящее своей целью извлечение энергии нетрадиционными способами. Его преимуществами выступают высокий уровень локализации. В связи с этим и по ряду характерных для альтернативной энергетики признаков, вероятность негативного воздействия на окружающую среду сводится к минимуму.

Наибольшее развитие в последние десятилетия получили ветровая и солнечная энергетика.

Значительно меньше построено геотермальных, волновых и приливных станций; а также агрегатов, что работают на биотопливе. В экспериментальной стадии пребывают установки, использующие энергию молний.

Ядерная энергетика

ТЭР – это в энергетике не одни только углеводороды и возобновляемые энергоресурсы, но и ядерное топливо, предназначенное для выработки электрической и тепловой энергии. Организован процесс на атомных электростанциях, и осуществляется он путём проведения управляемой ядерной реакции.

Запасы урана

На современных АЭС в качестве ядерного топлива применяется в основном уран. Минерал, весовое содержание которого в земной коре достигает 0,00027%. И это достаточно высокий показатель, превышающий в 1000 раз концентрацию золота и в 30 раз – концентрацию серебра. Среди двухсот минералов, содержащих U, промышленный интерес представляют уранинит, урановая смолка, урановые черни.

Запасы урана в мире достигают 6,1 млн тонн. Наиболее крупные месторождения расположены в Австралии, Казахстане, Канаде и России. Лидерство по его добыче удерживают:

• Казахстан – 40% мировой добычи.
• Австралия – 13%.
• Намибия – 11%.
• Канада – 8%.
• Узбекистан – 7%.

Реактор-размножитель

Реактор-размножитель (РР) – это установка для выработки ядерного топлива из изотопов урана-238 и тория-232, что не используются в обычных ядерных реакторах. При этом сам РР ещё и вырабатывает электрическую энергию.

Запасы названных изотопов в 100 раз превосходят запасы традиционного ядерного топлива урана-235. Исходя из этого, можно предположить, что в ближайшие тысячелетия АЭС будут обеспечены топливом. Сегодня в списке реакторов-размножителей пребывают БН-600 и БН-800 Белоярской атомной электростанции и БН-20 Китайской ядерной корпорации. Ранее вырабатывающие ядерное топливо реакторы БН-350 в Казахстане и Феникс во Франции остановлены.

Безопасность ядерных реакторов

Атомная энергетика в начале XXI века переживает непростые времена. Истощение природных топливных ресурсов открывает перед ней широкую перспективу развития. Но отрасль представляет значительную угрозу для людей, и для природы. Ведь последствия аварий и катастроф на объектах ядерной энергетики могут принимать глобальные масштабы.

Вот факторы опасности, которые надо учитывать разрабатывая, проектируя, строя и эксплуатируя ядерные реакторы:

• Вероятность аварии, сопровождающейся разгоном реактора.
• Радиоактивное заражение близлежащей местности.
• Необходимость утилизации и захоронения отходов, использованного оборудования и самого реактора.
• Облучение персонала.

Применяемые методы и средства (системы безопасности, системы ограничения выхода активности, повышение требований к оборудованию, ужесточение ответственности персонала) в значительной степени усложняют эксплуатацию АЭС, что вызывает существенное увеличение капитальных и текущих расходов.

Экскурсия по атомной станции // Агрессивная среда

При возникновении ряда интегрированных обстоятельств: одновременного отказа нескольких агрегатов и систем, ошибки оператора, стихийного бедствия, умышленно наносимого вреда в случае вооружённых конфликтов или террористических актов, они не обеспечивают защиту. Подтверждением сказанного могут служить общеизвестные исторические факты:

28 мая 1979 года. АЭС Три-Май-Айленд, что расположена вблизи города Гаррисберга, штат Пенсильвания. Технологический отказ, усугублённый ошибкой оператора, вывел из строя реактор, что сопровождалось расплавлением активной зоны. В результате чего произошло радиоактивное загрязнение атмосферы.

26 апреля 1986 года. Четвёртый реактор Чернобыльской АЭС, находящейся в 3 км от города Припять (тогда это была Украинская ССР в составе Советского Союза). Взрыв водорода во время проводимого эксперимента по остановке реактора привёл к разрушению самого здания реактора. Это привело к гибели людей, как во время взрыва, так и позднее от лучевой болезни. Кроме того, вызвало сильнейшее загрязнение почвы и воды.

Была проведена массовая эвакуация людей, к работам по ликвидации аварии было привлечено более полумиллиона человек. Расходы на устранение последствий аварии оценены в 68 млрд долларов. По Международной шкале ядерных событий происшествие было оценено в 7 баллов, что соответствует максимальной степени тяжести.

11 марта 2011 года. АЭС Фукусима-1, посёлок Окума префектуры Фукусима. Самое сильное в истории Японии землетрясение и произошедшее затем цунами привели к затоплению подвальных помещений. Последствием чего стало полное обесточивание АЭС и отказ системы аварийного охлаждения. Взрыв гремучей смеси на первом, втором и четвёртом энергоблоках вызвал загрязнение региона изотопами йода и цезия. Ориентировочные затраты на приведение к 2040 году объекта в безопасное, стабильное состояние составят 22 триллиона иен. Это была вторая в истории человечества авария максимальной степени тяжести в сфере атомной энергетики.

Энергия термоядерного синтеза

В сравнении с энергией, получаемой в атомных реакторах – энергией деления ядер, гораздо более перспективным в энергетическом и экологическом отношении выглядит энергия термоядерного синтеза. В основе её лежит управляемый процесс синтеза двух лёгких ядер в одно более тяжёлое. В результате небольшая доля массы превращается в значительное количество энергии. Нечто аналогичное происходит на Солнце, где соединения ядер водорода приводит к возникновению ядра гелия. В земных условиях планируется использовать дейтерий, тритий, гелий-3 и бор-11.

Первым, кто выдвинул идею осуществления термоядерного синтеза с помощью плазменной магнитной ловушки в 1951 году, был физик из США Л. Спитцер. Проводя в жизнь секретный проект «Маттерхорн» им был впервые сконструирован реактор для термоядерного синтеза, получивший название «стеллатор». Позднее усилия были сосредоточены на осуществлении магнитного и инерциального управляемого синтеза.

Значительных успехов здесь добились советские учёные 50 лет назад на своих токамаках (тороидальных камерах с магнитным полем). Исследователям из Великобритании на реакторе JET 30 октября 1977 года удалось достичь баланса между плазменными потерями и ядерными выделениями энергии. В юго-восточном регионе Франции Прованс-Альпы-Лазурный Берег было начато сооружение Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER), призвано вступить в строй в 2025 году.

Ряд источников утверждает, что к 2022 году дальше всех продвинулись американцы, сумевшие на инерциальной ядерной установке с лазерным приводом (что пребывает в Национальном центре зажигания США) добиться превышения выходной мощности над входной. Событие означает факт получения устойчивого коэффициента усиления энергии в процессе реакции проведения термоядерного синтеза.

Желающим ознакомиться с актуальными вопросами ядерной энергетики можно рекомендовать следующий видеоматериал:

Тысячи маленьких солнц | Как решить энергетическую проблему человечества? | Сортировочная

Рациональное использование энергии

Рост потребления энергоресурсов ощущается с каждым годом всё больше и больше. Хотя и постоянно строятся новые электростанции, проводятся геологические изыскания топливных минеральных ресурсов, исследуются новые источники энергии, вопросы её экономии и рационального потребления становятся всё актуальнее.

Нельзя утверждать, что уже испытывается дефицит энергоресурсов, но нельзя игнорировать то, что всё нарастающая тенденция увеличения их потребления ведёт к глобальному энергетическому кризису. Вывод: необходимо не только экономить, но и принимать эффективные меры по аккумулированию и транспортировке энергии. Которые следует осуществлять во всех отраслях промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в быту.

Аккумулирование электроэнергии

Электроэнергия имеет один очень существенный недостаток – её трудно хранить. Поэтому более эффективно временно сохранять энергию в ином виде, чему благоприятствуют суточные и сезонные колебания нагрузок в системах электроснабжения. ГАЭС в периоды провалов потребления закачивают воду в водохранилища или объёмные резервуары.

Принцип работы ГАЭС

Выпуская её в периоды максимума нагрузок можно покрывать пики электроснабжения, дополнительно вырабатываемой электроэнергией. Аналогичная технология могла бы найти применение при использовании сжатого воздуха, заполняющего собой хорошо изолированные подземные пустоты и полости.

Передача электроэнергии

Бич современного электроснабжения – это потери при транспортировке электроэнергии. В России их процент один из наиболее высоких в мире! Вот почему так важно освоение явления сверхпроводимости – достижения минимума величины электрического сопротивления в условиях температур близких к абсолютному нулю.

Много лет и усилий затратили учёные, исследователи на то, чтобы достичь здесь практических результатов. И вот, наконец, свершилось. По сообщению, датированному началом декабря 2022 года, в текущем 2023 году ожидается ввод в эксплуатацию ВТСП КЛ (высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии) в Санкт-Петербурге. Для «заморозки» проводящей части кабеля до температуры в 67 К использована двухконтурная система криогенного обеспечения, протяжённостью в 5 км (длина линии составляет 2,5 км, 1,5 км трассы уже проложено).

Водород как теплоноситель

Лёгкий газ, при температуре -253° C превращающийся в жидкость, вполне мог бы взять на себя роль идеального теплоносителя. Ведь его теплотворная способность в 2,75 раза выше теплотворной способности природного газа. В процессе сжигания в воздушной среде он образует лишь воду, не нанося вреда экологической обстановке. Он хорошо храниться в условиях криогенных температур, а транспортировать водород можно по стандартным трубам.

Пределы потребления электроэнергии

Говоря о перспективах ТЭР, не стоит забывать об истощении земных энергоресурсов, загрязнении окружающей среды и о глобальном потеплении. Ведь по прогнозам, при нынешних темпах увеличения численности населения и роста душевого энергопотребления, к 2060 году ожидается повышение температуры планеты на 1° C. А это вызовет значительное изменение климата, на который уже самым существенным образом влияет углекислота, выделяемая в процессе сжигания ископаемых топлив.

Ближайшее и отдалённое энергетическое будущее нашей цивилизации

Если читающий эти строки думает, что он теперь знает что такое ТЭР, то ему необходимо… Нет, не спуститься с неба на землю, а как раз наоборот.

Первый уровень энергетического развития нашей цивилизации состоит в том, чтобы использовать энергоресурсы места своего обитания – планеты Земля.

По мере освоения космического пространства и в силу их исчерпания, встанет вопрос об энергоресурсах Солнечной системы. Это второй уровень, начало которому уже положено на Земле: солнечные и приливные электростанции, запуск на орбиту космических зеркал, эксперименты по практическому применению отражённого Луной солнечного света. И даже за её пределами: работа солнечных батарей в космосе и на других планетах, попытки освоения энергии солнечного ветра, использование сил гравитации планет Солнечной системы для разгона космических летательных аппаратов.

240 секунд о Солнечном ветре

Но это только начало большого, очень большого пути по освоению энергетических ресурсов нашей Галактики, иных Галактик и дальнего космоса. Что ознаменует собой третий этап. Первые опыты по использованию света далёких звёзд в торжественных целях уже состоялись.

За ним последует и четвёртый и пятый. Чтобы не сбиться с пути в столь дальней дороге, постараемся дать ориентиры. Наш космический адрес во Вселенной:

1. Планета Земля.
2. Солнечная система.
3. Местное межзвёздное облако в галактическом рукаве Ориона.
4. Галактика Млечный Путь Местной группы скопления галактик.
5. Местное сверхскопление галактик Дева в Сверхскоплении галактик Ланиакея.
6. Стена: Комплекс сверхскоплений Рыб-Кита.

Многомерная 6D-карта:

Потоки неиссякаемой энергии, арифметически выражаемыми астрономическими величинами, текут во Вселенной. Для сведения: энергия излучения Солнца составляет 4-10²⁶ Вт. А самыми мощными источниками энергии выступают квазары, наиболее крупный из которых ежесекундно выделяет 10⁴² Джоулей, что за год составляет 3*10⁴⁹ Джоулей. Вне всякого сомнения, будущим учёным-энергетикам найдётся что осваивать.