Энергообеспечение населенных мест

Россия унаследовала от Советского Союза один из крупней­ших в мире топливно-энергетических комплексов (ТЭК). На ее территории сосредоточено 45 % мировых запасов природного газа, 12 % нефти, 23 % угля и 14 % урана. Исключительна важна роль ТЭК в современной российской экономике: его доля в про­мышленном производстве составляет около 30 %, в экспорте — почти 50 %, а доля в налоговых отчислениях в бюджет — более 40 %. Суммарная мощность 440 электростанций России состав­ляет более 197 млн кВт, а общая установленная мощность — 214,3 млн кВт (Российский статистический ежегодник, 2000 г.).

Топлива делятся: 1) по агрегатному состоянию — на твердое (угли, горючие сланцы, торф и др.), жидкое (продукты перера­ботки нефти, углей, сланцев) и газообразное (природные и про-мышленно-углеводородные газы); 2) по происхождению — на при­родные и искусственные.

Твердое топливо применяется преимущественно для получе­ния тепловой и электроэнергии; жидкое — в двигателях внут­реннего сгорания, в корабельных (судовых) и стационарных ко­тельных установках (мазуты флотские и топочные); газообраз­ное — главным образом в промышленности и коммунально-бы­товом хозяйстве.

К основным видам природного топлива относятся ископае­мый уголь, торф, нефть, дрова и природный газ.

Ископаемый уголь (антрацит, каменный и бурый) использу­ется как непосредственно для сжигания, так и в целях перера­ботки в более ценные виды топлива — кокс, жидкое горючее, газообразное топливо.

Ископаемый уголь представляет собой остатки древнего рас­тительного мира; при этом чем старше уголь, тем богаче он угле­родом (табл. 7.1).

Одинаковые количества топлива дают при сжигании различ­ные количества теплоты. Поэтому для оценки качеств топлива определяют его теплотворную способность, т. е. количество теп­лоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг топлива. Энер­гопотребление в целом и его составляющие принято выражать в тоннах условного топлива (ТУТ). Под условным топливом пони­мают горючее с теплотворной способностью 7000 ккал/кг или 3-10⁴кДж/кг, или 8,12 кВт-ч/кг.

К искусственным топливам относятся: кокс доменных печей, искусственные горючие газы, моторное топливо и др.

Искусственные горючие газы подразделяют на генераторные газы, коксовые газы, газы, образующиеся при газификации твер­дых топлив (воздушный газ, водяной газ).

Водород Н₂ — 59 Оксид углерода (II) СО — 6

Метан СН₄ — 25 Энергетически бесполезные

Другие углеводороды — 3 примеси (С0₂, N₂, 0₂) — 7

Подземная газификация угля осуществляется под действием высокой температуры (1000-2000 °С) и подаваемых под давле­нием различных окислителей (как правило, воздуха, кислорода и водяного пара).

Состав и теплота сгорания газа зависят как от качества угля и состава дутья, так и от горногеологических условий. Так, газ, полученный указанным методом из угля Подмосковного бассей­на, имеет следующий (в % об.):

СО — 5-7; Н, — 15-17; СН, — 1,0-1,5; С Н — 0,2; H₂S — 1,0-2,0; С0₂ — 17-18; 0₂ — 0,3-0,5.

Теплота его сгорания составляет 3000-3300 кДж/м³.

По теплотехническим свойствам газ, полученный на воздуш­ном дутье, уступает природному. Однако при подземной газифи­кации отпадает необходимость в опасном труде людей под зем­лей, улучшается состояние воздушного бассейна, не нарушается плодородный слой почвы.

Обычно моторные топлива состоят из основного (базового) топ­лива и присадок (антидетонаторов, антиокислителей и др.). Для базового топлива используют продукты прямой перегонки нефти (бензины, керосино-газойлевые и более тяжелые фракции) и вто­ричных процессов переработки нефти (например, каталитичес­кого крекинга).

При фракционной перегонке нефть разделяют на фракции («погоны») и получают следующие нефтепродукты:

1. 
   бензины (температуры кипения 40-180 °С) содержат угле­водороды от С₅Н₁₂ до С₁₀Н₂₂; при повторной перегонке из них могут быть выделены легкие нефтепродукты, кипящие в более узких температурных пределах: петролейный эфир (40—70 °С), авиационный бензин (70-100 °С), автомобильный бензин (100-120 °С);
   
2. 
   керосины (температуры кипения 180—270 °С) содержат уг­леводороды от С₁₀Н₂₂ до С₁₆Н₃₄;
   
3. 
   соляровые масла (температура кипения 270—360 °С) содер­жат смеси углеводородов от С₁₂ до С₂₀; из них получают смазоч­ные масла и различные виды дизельного топлива;
   
4. 
   мазут (нефтяные остатки — до 40—50 %) содержат еще более тяжелые (высшие) углеводороды; из мазута получают тя­желые смазочные масла, вазелин, парафин.
   

При этом следует помнить, что моторные топлива с антидето­натором (например, этилированный бензин) обладают повышен­ной токсичностью и являются вредными загрязнителями среды обитания.

В ряде случаев к моторным топливам добавляют специальные вещества — антиокислители, предотвращающие их осмоление и образование нагара на стенках цилиндров.

Дизельное топливо. Дизельное топливо получают при атмос­ферной или вакуумной перегонке нефти с последующими гидро­очисткой и депарафинизацией. В некоторые сорта дизельных топлив добавляют до 20 % гидроочищенного газойля, получае­мого каталитическим крекингом.

Для разных климатических зон и условий работы дизельные топлива выпускают трех видов: арктическое, зимнее и летнее; они различаются температурой застывания, фракционным соста­вом и другими показателями.

В связи с тенденцией увеличения доли дизелей на автомо­бильном транспорте, что связано с их экономичностью и мень­шим уровнем загрязнения среды обитания, роль дизельного топ­лива неуклонно возрастает.

Реактивное топливо. В отличие от ДВС, где движущим фак­тором является давление взрыва горючей газовой смеси в мото­ре, воздушно-реактивные двигатели работают благодаря созда­нию внутри двигателя мощного газовоздушного потока. После­дний способен с большой скоростью вращать агрегаты двигателя и создавать на выходе из него реактивную тягу. Газовоздушный поток образуется в специальных камерах сгорания, где происхо­дит горение топлива в потоке атмосферного воздуха.

В целом топливо для воздушно-реактивных двигателей пред­ставляет собой фракции нефти, выкипающие в пределах 65— 350 °С, т. е. бензиновая, лигроиновая, керосиновая, а для сверх­звуковых самолетов — газойлевая с соответствующими характе­ристиками.

Для улучшения эксплуатационных свойств некоторых реак­тивных топлив в них добавляют антиокислители, антистатики, антиобледенительные, антикоррозионные, биоцидные (против микроорганизмов) и другие присадки.

3. Альтернативное углеродсодержащее топливо

В связи с постепенным истощением запасов нефти и угля, а также усилением загрязнения среды обитания вредными про­дуктами сгорания развернуты работы по поиску и применению альтернативного топлива. Его получают в основном из сырья нефтяного происхождения и применяют в целях сокращения потребления нефти и традиционных нефтепродуктов, например, бензина.

Основными видами такого топлива являются: 1) сжиженные и компримированные горючие газы: 2) спирты, продукты их переработки и смеси с бензином; 3) топливные смеси; 4) искусст­венное жидкое топливо; 5) водород.

Сжиженные и компримированные горючие газы — это преж­де всего углеводородные газы С₃ и С₄ (пропан-бутановые фрак­ции, которые получают переработкой нефтяных попутных и при­родных газов), а также метан — продукт газификации твердых топлив.

К достоинствам* указанных газов следует отнести высокую теплоту сгорания, относительную экологическую безвредность продуктов сгорания. К недостаткам — необходимость примене­ния специального оборудования для сжатия, сжижения, хране­ния топлива, распределения и транспортирования.

Метанол можно получать и при сухой перегонке дерева, по­этому его называют иногда древесным спиртом.

Недостатком метанола является то, что он токсичен: прием внутрь даже небольших доз вызывает слепоту, а больших — смерть.

Этиловый спирт или этанол С₂Н₅ОН получают из различ­ных сахаристых веществ, например, виноградного сахара (глю­козы). Глюкоза С₆Н₁₂0₆ в результате «брожения», вызываемого действием ферментов (энзимов), вырабатываемых дрожжевыми грибками, превращается в этиловый спирт:

В настоящее время осахариванию подвергают целлюлозу (клет­чатку), образующую основную массу древесины. С этой целью ее гидролизуют в присутствии кислот. Полученный полупродукт содержит глюкозу, которая в дальнейшем сбраживается на спирт при помощи дрожжей (гидролизный спирт). Указанный метод позволяет экономить большое количество пищевых продуктов: из 5500 т сухих опилок (ежегодные отходы среднего по произво­дительности лесопильного завода) можно получить 790 т спирта, что дает возможность сохранить около 3 тыс. т зерна или 10 тыс. т картофеля.

Этиловый спирт может быть получен синтетическим путем из этилена (в присутствии катализатора):

Таким образом, метанол и этанол являются весьма перспек­тивными топливами, поскольку для их производства имеется широкая сырьевая база. В частности, в ряде стран Южной Аме­рики этанол постепенно вытесняет бензин как автомобильное топливо.

Гидрогенизация угля — это превращение высокомолекуляр­ных веществ органической массы угля под действием водорода в жидкие и газообразные продукты при 400-500 °С в присутствии различных веществ (органических растворителей, катализаторов и т. д.). В результате гидрогенизации из угля и каменноуголь­ных смол получают бензин, дизельное топливо, парафины, сма­зочные масла и т. п.

Проблема вовлечения твердого топлива, главным образом угля, в переработку для получения жидких продуктов становится ныне весьма актуальной. Это связано с тем, что при существующих масштабах мирового потребления нефти (более 4 млрд т/год) за­пасы ее, пригодные для добычи экономичными методами, будут истощены уже в первой половине XXI века.

Другой потенциальный источник синтетического топлива — горючие сланцы — осадочные породы, содержащие дегтеподоб-ное органическое вещество — кероген. При нагревании горючих сланцев до 600 °С кероген выделяет углеводородные пары, кото­рые можно сконденсировать в черную и вязкую сырую нефть, а ее затем перегнать в бензин и другие нефтепродукты. Из тонны высококачественных сланцев получается около 150 кг нефти.

Сейчас основное количество энергии получают за счет сжига­ния или переработки природного углеродсодержащего топлива (табл. 7.2).

Естественно, что каждая страна старается использовать те ресурсы, которыми она обладает. Это легко обнаружить по про­центу использования каждого вида.

Считается, что качество жизни напрямую связано с потребле­нием энергии на душу населения. В настоящее время на каждого

(А. Н. Кононов, 2001 г.)

В настоящее время на каждого жителя Земли приходится чуть больше 2 кВт-ч в день при норме 10 кВт-ч. В промышленно развитых странах этот показатель в 14 раз выше, чем в развивающихся странах. Например, в Норве­гии потребляется 25 тыс. кВт-ч, Италии — 3 тыс., а в Бангла­деш — всего 46 кВт-ч на душу населения в год.

Россия является крупнейшим в мире производителем топлив­но-энергетических ресурсов: около 17 % нефти, 25 % газа, 15 % каменного угля от добываемых в мире (Э. В. Гирусов и др., 2000 г.). В то же время на фоне постоянного увеличения экспор­та энергоресурсов (прежде всего газа и нефти) рост промышлен­ности в стране наталкивается на нехватку электроэнергии. Так, в 2006 г. в России было выработано около 1 трлн кВт-ч электро­энергии, а дефицит составил более 50 млрд кВт-ч. Экономисты подсчитали, что из-за нехватки электроэнергии страны недопо­лучает ВВП почти на 1,5 трлн рублей.

Обращает на себя внимание, что в США неуклонно возрастает доля угля (12,5 % в 1970 г.), падает нефти (с 45 %), заметно снижается доля газа (с 35,6 % в 1970 г.). В России же иная тенденция: несмотря на большие запасы угля (крупнейшие в мире) произошло (за этот же срок) снижение его доли с 40 до 16 %, доля газа повысилась с 22 до 46 %, нефти — тоже несколько увеличилась. Таким образом, в России быстрее выгорают те виды энергоресурсов, запасы которых растают быстрее (табл. 8.2). Добавим к этому, что нефть и газ — основное сырья для синтеза важных для экономики страны материалов.