Енергія

Енергія – це 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 10 500 МДж/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 ґрунти.

Поглинута біосферою сонячна радіація витрачається на здійснення роботи для забезпечення процесів життєдіяльності рослинного й тваринною світу та людського суспільства, частково розсіюється в космічний простір. Основні перетворювачі енергії в біосфері – живі організми. Рос-цими та чемна поверхня поглинають енергії в середньому 5000 МДж/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 із зростанням потреб людини. 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.

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, бо може призвести до перегрівання Землі. Нині в Україні виробляють 278,7 млрд кВт ∙ год електроенергії.

На перших етапах свого розвитку людство задовольнялося в основно-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 шляхами. У 1980 р. 70 % світової кількості енергії вироблено спалюванням нафти и 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 розподілити 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 н 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 і 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 в 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 • «Н₂О), родовища яких відкриті в багатьох районах світу. В Україні родовища газогідратів розташовані в Чорному морі.

Очікують, що на початок XXI ст. частка атомної 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. 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 5 АЕС.

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 реакціїї 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 десяток 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 викликане екологічними проблемами. Ресурси відновної енергії наведені в табл. 3.2.

Крім рослин і торфу, всі інші джерела називають ще нетрадиційними. Сонячна енергія за 22 сонячних дні за сумарною потужністю еквівалентна всім запасам органічного палива на Землі. В США протягом 1984-1988 рр. побудовані термоелектричні установки загальною потужністю 650 МВт. Термоелектричні установки меншої потужності побудовані 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 до 1-2 МВт. Перетворення енергії вітру на електроенергію у 80-ті роки в усьому світі становило 1660 МВт.

Таблиця 3.2. Ресурси відновної енергії

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 дорівнює 500 млн т. її використання може зекономити 6 млн т органічного палива щороку, а до 2010 р. – у 3 рази більше.

Океани мають потенційну енергію у вигляді теплоти, енергії течії, хвилі, 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 за 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.

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 являє собою побічну продукцію, 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.

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 і 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 капітальні вкладення в установку для утилізації теплових ВЕР, віднесені до 1 т заощадженого палива, нижчі, ніж ціна на паливо з урахуванням його транспортування.