Добычей и использованием различных видов топливно-энергетических ресурсов занимается энергетика

История развития человечества теснейшим образом связана с получением и использованием энергии. Издавна в качестве основных источников энергии – энергетических ресурсов, или энергоресурсов, – использовались дрова, торф, древесный уголь, вода, ветер. Первобытный человек, сжигая в костре сучья, хворост, обломки деревьев, мох, добывал, таким образом тепло (или тепловую энергию) для приготовления еды и обогрева жилища. Уже в древнем мире люди использовали тепло для изготовления из меди, бронзы, железа и других металлов предметов быта, инструментов, орудий труда, различных приспособлений, оружия.

С древнейших времен известны также уголь и нефть – вещества, дающие при сжигании большое количество теплоты. Использовались также некоторые виды сланцев как природного, так и искусственного происхождения. Но только те из них, которые при сжигании выделяют значительное количество теплоты, широко распространены в природе, добываются промышленным способом, получили название — топливо. Такими веществами являются нефть и нефтепродукты (например, керосин, бензин, мазут, дизельное топливо), уголь, природный горючий газ, древесина и растительные отходы (солома, лузга и т.п.), а также торф, горючие сланцы. В наше время слово «топливо» часто применяют к веществам, используемым в ядерных реакторах на атомных электростанциях, – ядерное топливо, в ракетных двигателях – ракетное топливо.

Свойства топлива зависят главным образом от его химического состава. Основным элементом любого топлива природного (органического) происхождения является углерод (содержание его составляет от 30 до 85% массы топлива). В состав топлива в различных пропорциях входят также водород, кислород, азот, сера, зола, вода.

Нефть – горючая маслянистая жидкость, являющаяся смесью углеводородов, красно-коричневого, иногда почти черного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в желто-зеленый цвет и даже бесцветная нефть, имеет специфический запах, распространена в осадочной оболочке Земли.

Нефть обнаруживается вместе с газообразными углеводородами на глубинах от десятков метров до 5-6 км. Однако на глубинах свыше 4,5-5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством легких фракций. Максимальное число залежей нефти располагается на глубине 1-3 км. На малых глубинах и при естественных выходах на земную поверхность нефть преобразуется в густую мальту, полутвердый асфальт и другие образования – например, битуминозные пески и битумы.

По химической природе и происхождению нефть близка к естественным горючим газам, озокериту, а также асфальту. По способности растворяться в органических жидкостях (сероуглероде, хлороформе, спиртобензольной смеси) нефть, как и другие петролиты, а также вещества, извлекаемые этими растворителями из торфа, ископаемых углей или продуктов их переработки, принято относить к группе битумов.

Разведанные запасы нефти в 2006 году составляют около 3,8 млрд. т в год, или 30 млрд. баррелей в год. Таким образом, при нынешних темпах потребления, разведанной нефти хватит примерно на 40 лет, неразведанной – еще на 10-50 лет. Также растет и потребление нефти – за последние 35 лет оно выросло с 20 до 30 млрд. баррелей в год.

Каменный уголь – осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Большинство залежей каменного угля было образовано в палеозое, преимущественно в каменноугольном периоде, примерно 300 – 350 миллионов лет тому назад.

По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящие в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами. Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75% до 95%.

Бурый уголь – твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65-70% углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье.

Горючие сланцы – ценное полезное ископаемое, состоящее из органической (сапропелевой или гумусово-сапропелевой) и минеральной (глинистой, кремнистой, известковой и др.) частей. При сухой перегонке горючих сланцев получают смолу (сланцевое масло) – источник химических продуктов, горючие газы и подсмольные воды. Выход смол составляет 5-50%. Максимальная теплота сгорания горючих сланцев – 14,6-16,7 МДж/кг. Мировые запасы горючих сланцев составляют около 460 млрд. т.

Торф – горючее полезное ископаемое, образованное скоплением остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Торф содержит 50-60% углерода. Максимальная теплота его сгорания составляет около 24 МДж/кг. Торф используется комплексно, т.е. как топливо, удобрение, теплоизоляционный материал и т.д. Мировые запасы торфа составляют около 267 млрд. тонн.

Также используется энергия падающей воды – энергия, сосредоточенная в потоках водных масс в русловых водотоках и приливных движениях. Для повышения разности уровней воды, особенно в нижних течениях рек, сооружаются плотины. Первый широко используемый для технологических целей вид энергии. До середины XIX века для этого применялись водяные колеса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. Позднее появились более быстроходные и эффективные гидротурбины.

До конца XIX века энергия вращающегося вала использовалась непосредственно, например для размола зерна на водяных мельницах или для приведения в действие кузнечных мехов и молота. Сейчас практически вся механическая энергия, создаваемая гидротурбинами, преобразуется в электроэнергию.

Также применяют и используют энергию ветра – кинетическая энергия воздушных масс в атмосфере. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2008 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 120 гигаватт, увеличившись вшестеро с 2000 года.

Основной недостаток природного топлива — его крайне медленная восполняемость. Существующие ныне запасы образовались десятки и сотни миллионов лет назад. В то же время добыча топлива непрерывно увеличивается.

Одним из перспективных энергоресурсов является водород. Его выделяют из обыкновенной воды, он хорошо хранится и транспортируется в трех видах: газообразном, жидком и твердом (химически «связанном»). Большое количество газа выгодно хранить в огромных подземных хранилищах, жидкость в резервуарах. Чтобы жидкий водород не испарялся (его температура кипения – 252°С), оболочку резервуара снаружи покрывают хорошей тепловой изоляцией. Одного резервуара, например, емкостью 3500 м³ хватило бы для снабжения энергией в течение целого года небольшого города с 20-тысячным населением. Перспективный способ хранения водорода основан на способности водорода образовывать химические соединения с некоторыми металлами. При небольшом давлении металлы, словно губка, впитывают в себя водород, а чтобы получить его обратно, их слегка подогревают. Такие способы хранения водорода давно применяют в лабораториях и в промышленности.

Переход на водородное топливо имеет и еще одну привлекательную сторону. Если каменный уголь, нефть, природный газ расходуются безвозвратно, то водород может участвовать в круговороте энергии сколько угодно: сгорая, он превращается в водяной пар, затем в воду. Кстати, крупные потребители водородного топлива кроме тепловой энергии смогут получать много пресной воды. Тот же водородопровод способен напоить водой целый город. Что же мешает уже сейчас заменить природное топливо на водород? Высокая стоимость его производства из воды.

При сжигании топлива образуются продукты сгорания (сажа, оксиды серы и азота, диоксид углерода), которые обычно через дымовые трубы выбрасываются в атмосферу. Ежегодно, таким образом, в атмосферу попадают сотни миллионов тонн различных, зачастую вредных, веществ. Для защиты окружающей среды от загрязнения ее продуктами сгорания топлива используют различные фильтры и другие устройства, улавливающие или разлагающие вредные выбросы, разрабатываются и применяются способы сжигания топлива, исключающие образование таких веществ. Охрана природы стала одной из важнейших задач человечества.