Топливно-энергетическое сырье

К категории топливно-энергетического сырья относят полезные ископаемые, используемые для производства энергии: нефть, каменные и бурые угли, горючий газ, уран, битуминозные сланцы.

Каждый вид топливного сырья обладает определенной теплотворностью. Например, при сгорании 1 т. каменного угля выделяется 27,91х10³ МДж энергии, бурого угля - 13,96х10³, 1 т. нефти - 41,87х10³, 1 тыс. куб.м., газа - 38,84х10³ МДж. Для сравнения различных видов топлива, а также для общих топливно-энергических расчетов пользуются следующими единицами: а) тонна условного топлива в угольном эквиваленте (сокращенно -т.у.т. в уг. экв), ее теплота сгорания аналогична теплоте сгорания 1 т антрацита (7 млн. ккал, или 27,91 х 10³ МДж); б) тонна условного топлива в нефтяном эквиваленте (т.у.т. в неф.-экв), имеющая теплоту сгорания 1 т нефти (10 млн. ккал, или 41,87х10³ МДж).

Оценка современных мировых топливно-энергетических ресурсов производится на мировых энергетических конференциях (МИРЭК), учрежденных в 1924 году. Последняя конференция (XIV) состоялась в 1989 году в Торонто. На ней была дана оценка разведанных извлекаемых и дополнительных энергоресурсов. Кроме того, топливно-энергетический потенциал включает запасы урана для реакторов на быстрых нейтронах, до настоящего времени недостаточно освоенные производством, но по оценкам достигающие 223,3 млн. Дж, почти равные энергетическому содержанию горючих полезных ископаемых. Гидроэнергетический потенциал рек планеты оценивается в 9780 млрд. кВт/час (освоено 21%). Общий энергопотенциал мира оценивается примерно 560млн. Дж. Современное ежегодное потребление различных видов топливного сырья и освоение гидроресурсов в целом составляет 338 тыс. Дж, что в 1000 раз меньше мирового энергопотенциала, и, следовательно, истощения энергоисточников можно не опасаться. Однако разные виды топлива обладают разной доступностью и освоенностью, они не равнозначны для энергетики и распределены очень неравномерно по территории суши. Региональная структура топливно-энергетического потенциала отражена на рис. 1.

рассчитано по World Resources, 1990-1991

Рисунок 1. Структура разведанных извлекаемых запасов органического топлива по материкам и регионам.

Самым значительным объемом топливного сырья обладают Евразия и Северная Америка, где сосредоточено около 87% общего потенциала, а на материки южного полушария приходится всего 13%.

Важной характеристикой топливно-энергетического потенциала является его структура, т. е. участие отдельных видов топлива. Доля наиболее эффективных видов топлива - нефти и газа - достаточно высока в общем потенциале и составляет в доказанных запасах 30%. По оценкам МИРЭК (ХШ) основной объем твердого топлива размещен в развитых странах, а жидкого - в развивающихся; запасы природного газа делятся между ними примерно поровну.

Нефть. Ископаемая нефть - наиболее важный и экономически эффективный вид топливного сырья, отличающийся не только высокой калорийностью и теплотворностью, но и низким содержанием загрязняющих соединений. Нефть легко транспортируется, а в процессе переработки дает широкий ассортимент продуктов, находящих разнообразное применение в хозяйстве. Мировые энергетические потребности на 32% удовлетворяются за счет нефти (1990). В ряде отраслей экономики (например, в транспорте) нефть и нефтепродукты незаменимы. Уникальные свойства и высокая ценность нефти способствовали прогрессивному росту ее добычи на протяжении последних десятилетий. Постепенное истощение давно известных и интенсивно эксплуатировавшихся месторождений стимулировало не менее интенсивный поиск новых продуктивных залежей этого сырья на суше и на море.

Ресурсы нефти подразделяются на категории в зависимости от степени разведанности и экономической целесообразности добычи: а) доказанные извлекаемые запасы - установленные и подтвержденные бурением объемы сырья, которые можно добыть существующими техническими средствами с учетом экономической рентабельности добычи; б) разведанные запасы, установленные бурением и технически извлекаемые, но по соображениям экономической конъюнктуры их добыча нецелесообразна; в) дополнительные предполагаемые ресурсы, не извлекаемые современными техническими средствами; г) ресурсы природных аналогов нефти - тяжелая нефть, горючие сланцы, битуминозные песчаники. К началу 80-х годов за весь период нефтеразработки (начиная с 50-х годов XIX столетия) было добыто около 55 млрд. т нефти. Согласно оценкам доказанные и разведанные запасы нефти составляют 166,6 млрд. т; 48 лет назад, в 1950 они не превышали 10 млрд. т. Таким образом, средний прирост запасов составил около 3,5 % в год. Своеобразным полюсом нефтенакопления являются Аравийский полуостров и акватория Персидского залива, где к настоящему времени обнаружено 77 млрд. т нефти, т. е. 62% всего нефтяного запаса мира. Только в Саудовской Аравии находится свыше 43,1 млрд. тонн этого сырья. Далее в порядке убывания объемов запасов (в %) следуют: Северная Америка - 11%, Африка , бывший СССР - 7%, Южная Америка - 9%.

Стремительное увеличение спроса на нефть в 1950-1960 гг. привело к резкому росту ее добычи. Так, если в 1950 г. добывалось 0,5 млрд. т, то в 1980 г. - 3,06, а в 1988 г. - 3,03 млрд. т. Столь высокие масштабы откачки нефти из недр сопровождались лихорадочными поисками продуктивных залежей. Были открыты крупные нефтеносные провинции на суше (Западно-Сибирская, Северо-Африканская, Аравийская) и на шельфе Мирового океана (залив Маракайбо в Венесуэле, Мексиканский залив, Каспийское море, Персидский залив, шельф дальневосточных морей). В 60-х годах открыта Североморская нефтегазоносная провинция Западной Европы и шельф Западной Африки. В 70-х годах усилилась разведка шельфа Южно-Китайского, Карибского морей. Северного Ледовитого океана. Канадского арктического архипелага, Аляски и других районов. В настоящее время поисково-разведочное бурение на нефть и газ ведется на площади шельфовых зон Мирового океана, превышающей 4 млн. кв. км, а всего перспективными признаны 77 млн. кв. км (В.Б. Добрецов, 1980). Достоверные запасы нефти на шельфе оценивались МИРЭК (XII) в 45 млрд. т., из которых 3/4 приходится на донные отложения Персидского залива.

Исследования последних лет установили, что перспективны на нефть (и газ) не только мелководные шельфовые зоны морей и океанов. Обнаружены месторождения углеводородного сырья на глубинах более 600, и даже 900 м, т. е. на материковом склоне и на расстояниях в сотни и тысячи километров от побережий. В 80-х годах, например, выявлены обширные перспективные области в заливе Кампече, севернее полуострова Юкатан в Карибском море. Но самым перспективным районом будущей нефтедобычи специалисты считаютакваторию Южно-Китайского моря, шельф Вьетнама, Кампучии, Индонезии. В настоящее время на морские месторождения приходится 25% общемировой добычи нефти.

Существует понятие "кратность запасов", которым определяют степень обеспеченности экономики определенным видом сырья. Кратность запасов - это отношение остаточных запасов к текущей добыче. Мировая кратность запасов нефти к ее добыче равняется 41 году, по отдельным странам она варьирует очень сильно. Так, в странах Персидского залива этот показатель превышает 100 лет, а в США - 11, во Франции - 8 лет и т.д. Практически нет нефти у Японии, во многих европейских странах.

Каковы перспективы обнаружения новых месторождений нефти и увеличения мировых ресурсов углеводородов? Как считают участники последних конгрессов МИРЭК, и континенты, и особенно Мировой океан еще таят в своих недрах крупные, до сих пор не обнаруженные запасы нефти и газа. На материках выявлено около 600 перспективных осадочных бассейнов; из них обследовано только 400. Слабо изучены многие районы Африки, Аляски, Южной Америки, совершенно не исследована Антарктида. Активизируется в последнее время поиск в зонах столкновения литосферных плит, где согласно новой гипотезе создаются особенно благоприятные условия для армирования залежей углеводородов.

Увеличение запасов связывают и с более полным освоением нефтяных пластов, в том числе на больших глубинах (до 6-10 км) и в уже отработанных месторождениях. С помощью глубинного бурения открыто более 1000 новых месторождений углеводородов, в основном газовых. Только с 1986 по 1988 г. запасы нефти в мире возросли с 94,5 до 123,6 млрд. т.

Крупные запасы нефти таятся в нефтеносных песках и горючих сланцах, в битуминозных породах, которые содержат так называемую тяжелую нефть. Их общие запасы огромны: по подсчетам, геологические ресурсы тяжелой нефти в мире оцениваются в 800 млрд. т. (в России, Канаде, Венесуэле). Но освоить эти запасы в промышленных масштабах пока не удается.

Природный газ. Общие запасы природного газа, по оценкам МИРЭК (XIII), составляют примерно 271 трлн. куб. м. (10,5 млн. Дж), из них разведанные на 1995 г. запасы - 139,4 трлн. куб. м. За весь период добычи газа извлечено из недр около 30 трлн. куб. м. и ежегодный объем добычи в конце 80-х годов достиг 1,9 трлн. куб. м. Таким образом, кратность общих извлекаемых запасов газа составляет - свыше 130 лет. Мировые резервы газа продолжают увеличиваться благодаря усиленной разведке на шельфе Мирового океана и в глубинных слоях земной коры. Газ распределяется в недрах еще более неравномерно, нежели нефть. В зарубежных странах самой значительной является концентрация газа в странах Ближнего и Среднего Востока, где выявлено более 31 трлн. куб. м этого сырья. Особенно велики ресурсы в Иране, Саудовской Аравии, на акватории Персидского залива. В США найдено 5,7 трлн. куб. м, в Северо-Африканской нефтегазоносной провинции (Алжир, Ливия, Нигерия) - 8,9 трлн. куб. м, около 3,6 трлн. куб. м - в Венесуэле. В Европе, в Североморской газонефтяной провинции сконцентрировано более 5,5 трлн. куб. м газа. Уникальны месторождения Западной Сибири (Россия по ресурсам газообразного топлива занимает первое место в мире).

Кроме Персидского залива и морей России эксплуатируемыми и перспективными на газ районами морской добычи являются Канадский арктический архипелаг, море Бофорта, континентальный шельф у западного побережья Северной Америки, Мексиканский залив, шельф Бразилии, Нигерии, Камеруна и ЮАР, Средиземного моря, Южно-Китайского и Японского морей, Северное море, шельф у северо-западного побережья Австралии.

В мировом энергетическом балансе на долю природного газа приходится 17%, но в ряде стран (в Западной Европе, США, Японии) его вес выше. По докладам XIV Мирового газового конгресса (Мюнхен, 1985), до конца текущего столетия мировое хозяйство израсходует около 45 трлн. куб. м газа, т, е. около 50% известных извлекаемых запасов. Потребности в газе до 2020 г, оцениваются в 60 трлн. куб. м, которые тоже могут быть покрыты за счет существующих ресурсов. По прогнозам в 2000 г. извлекаемые ресурсы природного газа могут составить 260 трлн. куб. м, а в 2020 г. - 204,5 трлн. куб. м (с учетом добычи). В отличие от нефти газовый потенциал увеличивается быстрее добычи (примерно в два раза), кроме того, до сих пор более • половины площади шельфа еще не исследовано в отношении газоносности, а на подводные газопромыслы уже приходится 15% общемировой добычи газа. Даже на суше изучены лишь 30% перспективных на это сырье тектонических структур. Еще один резерв - газосбережения.

Таблица 1. Доказанные запасы нефти и природного газа по регионам и странам мира, 1995 г.

Угли. Общие ресурсы ископаемых углей в недрах планеты огромны; по материалам МИРЕК (XIII) (1986г) они достигают 14810 млрд. т. Доказанные извлекаемые с учетом развития горнодобывающей техники и рентабельности по экономическим соображениям для разработки запасы углей оцениваются в 1239 млрд. т., из которых 808 млрд. т. приходится на каменные угли, 431 млрд. т. - на бурые угли. При сохранении объема ежегодной добычи (около 3 млрд. т. каменного и 1 млрд. т. бурого угля) извлекаемых запасов может хватить на 218 лет.

Угленосные бассейны размещены неравномерно по территории земного шара; их основная часть приурочена к территории четырех стран; бывшего СССР, США, Китая. На их долю приходится более 80% общих и свыше 90% извлекаемых ресурсов каменных углей. Крупными запасами обладают также Польша, Германия, Австралия, Великобритания и ряд других стран.

До 60-х годов ископаемые угли представляли собой главный вид топлива в мировой экономике; на его долю приходилась почти половина производства первичных энергоресурсов. Переориентация энергетики на жидкое и газообразное топливо сократила эту долю до 28% в начале 80-х годов. Нестабильность мирового нефтяного рынка возвращает интерес к "забытому топливу" 60-х годов. Многие строящиеся и действующие мазутные ТЭС переводятся на более дешевое твердое топливо. За счет углей в 1988 г. произведено уже 30% энергии в мире.

Таблица 2. Угольные ресурсы по регионам и странам мира, 1980 г.

*Только западные земли

Уран. Ресурсы современной топливной базы для ядерной энергетики определяются стоимостью добычи урана при затратах, не превышающих 80 долларов за 1 кг урана. В настоящее время извлекаемые ресурсы урана по этой цене в зарубежных странах оцениваются в 1,6 млн. т, а мировые геологические ресурсы (по разным источникам)- от 5 до 20 млн. т. Это ядерное сырье может быть использовано на легководных реакторах с тепловыми нейтронами. Производство энергии на строящихся АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (реакторами-размножителями) мало зависит от стоимости сырья. При этом ресурсы ядерного топлива возрастают во много раз. В будущем в реакторах на быстрых нейтронах (бридерах) будет использоваться не только уран, но и торий, запасы которого в земной коре в три раза превышают запасы урана. Однако специалисты полагают, что массовое производство энергии в бридерах начнется не ранее 2000 г.

Свыше 28% ресурсов ядерного сырья приходится на США и Канаду, 23% - на Австралию, 14% - на ЮАР, 7% - на Бразилию. В остальных странах запасы урана незначительны. Ресурсы тория (при затратах до 75 долларов/кг) оцениваются примерно в 630 тыс. т, из которых почти половина находится в Индии, а остальная часть - в Австралии, Бразилии, Малайзии и США.

2.1.3 Нетрадиционные энергоресурсы планеты

Помимо ископаемого топливно-энергетического сырья существуют на земном шаре иные источники производства энергии - солнечная, ветровая, приливная, геотермальная, биологическая, энергия температурного градиента океанских вод. В настоящее время они используются мало из-за технологических трудностей освоения и высокой стоимости производимой энергии, но на эти виды приходится значительная часть общего энергетического потенциала планеты. Солнечная энергия - самый крупный энергетический источник на Земле. Выше уже отмечалось, что количество тепла, поступающего на 1 кв. м поверхности Земли в год, оценивается в 3,16х10⁹ КДж. Общее количество солнечной энергии в 20 тыс. раз превышает современное потребление энергии мировым хозяйством. Но плотность солнечного излучения на поверхности суши столь мала (даже в тропических пустынях днем она равна 5-6 кВт ч/ кв.м. в день, а в умеренном поясе - всего 3-4 кВт ч/кв.м.), что ее трудно технически освоить. Сейчас используют солнечные печи для получения низкотемпературного топлива, однако производство энергии на гелиотермальных ЭС в широких масштабах – дело будущего. Предполагают, что к 2020 г. за счет солнечной энергии мировые потребности в электроэнергии будут удовлетворяться на 15-20%.

Ветровая энергия используется с незапамятных времен в Англии, Голландии, Франции и других странах, но в очень небольших масштабах. Общие ресурсы ветровой энергии Земли огромны, хотя и строго локализованы. Для получения 1 единицы электрической мощности за счет ветровой энергии требуется в среднем в 4-5 раз больше площади, чем для гелиоустановок. Технические трудности очень велики, но общий потенциал ветровой энергии Земли примерно равен 300 млрд. кВт/час в год.

Приливная энергия морских волн оценивается величиной от 8,7 до 10,8 млрд. Дж. В настоящее время можно использовать менее 2% этого потенциала (Энергетика мира, 1979). Трудность заключается в преобразовании ударной силы волны в гравитационную, тепловую и электрическую формы энергии. По оценкам в мире имеется свыше 25 участков морских побережий с высокими приливами (не менее 7 м высотой) и соответствующей топографией, пригодных для строительства ПЭС. Пока в мире действуют две ПЭС – в России (Кислогубская) и во Франции, в устье Гаронны.

Биоконверсионная энергия – энергия, аккумулированная в биомассе. Количество энергии, заключенной в фитомассе лесов мира, оценивается величиной 180 тыс. Дж. Древесина служила источником топлива еще с первобытных времен, и до сих пор она (вместе с навозом и прочими отходами сельскохозяйственного производства) дает около 3,6 тыс. Дж энергии, потребляемой главным образом населением развивающихся стран. Существуют опытные разработки по получению биогаза из отходов сельского хозяйства, но в промышленных масштабах этот процесс еще не разработан.

Геотермальная энергия - внутренняя энергия Земли. Нормальный температурный градиент Земли - 3° на 100 м глубины, в отдельных местах этот показатель может повышаться до 5° на 100 м и даже до 1 на 5 м глубины. Если ограничить глубину 5 км, то по данным академика Кириллина условный запас геотермальной энергии составляет величину, имеющую примерно тот порядок, и что и ресурсы всех видов минерального топлива на Земле - 880 млрд. т. у.т. Геотермальные ЭС действуют в Италии, США, Японии, Исландии и др.; всего в мире их насчитывается 188 общей мощностью в 4760 МВт. Предполагают, что в будущем их основное назначение будет заключаться в производстве тепла, а не электричества, так как температуры источников все же низкие.

Металлы.

К важнейшим металлическим рудам относятся руды железа марганца, меди, алюминия, свинца и цинка, олова, вольфрама и др.

Железные руды - общие мировые запасы по различным оценкам варьируют от 400 млрд. т (World Resources, 1990) до 800 млрд. т (В. И. Смирнов, 1986), из которых разведанные запасы составляют 230 млрд. т . Мировая добыча достигла 916 млн. т (1988), но предполагают, что к 2000 г. она удвоится. Кратность запасов к добыче равна 224. Железо (после алюминия)-самый распространенный элемент земной коры, но крупные промышленные концентрации встречаются редко: на полуострове Лабрадор (Канада), около оз. Верхнего (США и Канада), в штате Минас-Жерайс (Бразилия), в Западной Австралии, в КМА (Россия) и в Кривом Роге (Украина), в штатах Бихар и Орисса в Индии и др.

Марганцевые руды широко используются для производства стали. Общие запасы марганцевых руд оцениваются в 4,9 млрд. т; они связаны преимущественно с горными породами докембрийского возраста. Наиболее крупными ресурсами располагают ЮАР, Украина, Габон, Австралия, Бразилия. Современная добыча достигает 22 млн. т. Огромные запасы марганцевых руд сконцентрированы в железомарганцевых конкрециях, с содержанием марганца до 25-30%, Fe- 10-12%, устилающих на обширных пространствах дно Мирового океана, Их количество, по приближенным расчетам, превышает 2.5х10' т, что в сотни раз больше общих запасов этого сырья на суше. Опытная добыча ведется в США, Германии и Японии.

Руды цветных металлов находят широкое применение в разнообразных отраслях промышленности - электронике, радио- и электропромышленности, космической и атомной технике, ракета- н самолетостроении и многих других. Их мировая добыча и потребление за последние 25 лет возросли в несколько раз.

Общие запасы бокситов (сырье для производства алюминия) составляют 232 млрд. т, а извлекаемые - 28 млрд. т. Наиболее крупные и качественные залежи сосредоточены в Гвинее, Австралии, Камеруне, Бразилии, Индии, Ямайке. Руды тропиков возникли в палеогене и имеют осадочное происхождение. Всего разработка бокситов ведется в 22 странах мира (в основном в тропиках) и достигла в 1986 г. 97млн. т.

Медь добывается очень давно (с конца IV тысячелетия до н.э.), имеет широкое применение, но ее руды отличаются крайне низкой концентрацией: жилы с содержанием меди 2-3% считаются богатыми, и разрабатываются руды даже при содержании Cu до 0,5%. Общие запасы медных руд, по разным оценкам, варьируют от 570 до 1 625 млн. т, а разведанные извлекаемые - 590 млн. т. Добыча превосходит 8,4 млн. т в год (1986). Основная часть запасов принадлежит США (90 млн. т), Чили (120млн.т), странам СНГ (54млн.т), Австралии, Замбии, Заиру, Перу. Предполагают, что к 2000 г. из недр будет извлечено около 275 млн. т, т. е. около 70%, современного медно-рудного потенциала.

Свинец и цинк используются с VI-VII тысячелетия до н.э. В зарубежных странах общие запасы свинцовых руд оцениваются в 125 млн. т, а цинковых -95 млн. т. В 1986 г. добыча этих руд поднялась до 3,4 млн. т. свинца и 7,0 млн. т цинка. Обычно свинец и цинк встречаются в рудах совместно с другими элементами (золотом, медью, серебром), образуя полиметаллические руды; реже встречаются самостоятельные месторождения.

Наиболее крупными запасами свинцово-цинковых руд обладают США, Канада и Австралия; остальные материки и страны существенно уступают в этом отношении.

Олово известно с начала бронзового века; его содержание в земной коре крайне незначительно - руды с концентрацией Sn в 1% считаются богатыми. Общие мировые ресурсы оцениваются в 7,4-6,8 млн. т, а извлекаемые - в 4,2 млн. т; добыча достигает 200 тыс. т. Основная часть оловосодержащих руд возникла в мезозойскую и альпийскую эпохи. Наиболее крупные месторождения находятся в Бразилии (650 тыс. т), в Боливии (140 тыс. т; здесь открыта уникальная жила, протяженностью в 2 км), в оловяно-вольфрамовой провинции Юго-Восточной Азии (Малайзия, Индонезия, Китай), вмещающей свыше половины общих и разведанных запасов олова зарубежных стран. Олово-дефицитный металл и спрос на него растет. По прогнозам к 2000 г. известные запасы иссякнут, и в обработку поступят хвосты обогатительных фабрик.

Вольфрам, так же как и олово, в сочетании с которым он часто встречается, образует очень низкие концентрации. Руды с содержанием Wo 1% считаются богатыми. Преобладающая часть разведанных запасов находится в 5 странах - Южной Корее, Канаде, США, Турции и Австралии; в основном руды Wo образовались в мезозойскую и альпийскую эпохи. По прогнозам общие запасы вольфрама будут исчерпаны уже к 2000 г., и надежд на новые крупные приращения этого сырья мало.

Благородные металлы - золото, серебро, платина и металлы ее группы. Золото - первый металл, известный человеку; золотые изделия начали получать еще 4-5 тыс. лет до н. э. В настоящее время в сейфах банков накоплено около 40 тыс. т золота. К концу XX в. всего будет добыто 110 тыс. т, хотя ежегодно добывается. 800-1200 т Au. Золотоносные руды образовывались в ранние эпохи: например, в архейскую - золоторудные месторождения зеленокаменных поясов Канады, Индии, Австралии, в протерозойскую -уникальные золотоносные конгломераты Витватерсранда (ЮАР) с запасами 25 тыс. т (75% мировой добычи).

Таблица 3. Мировые запасы минерального сырья, 1995 г.

Рисунок 2. Объем минерального сырья, извлекаемого из недр Земли.