Характеристика и классификация первичных источников энергии

Основой планомерного и своевременного перехода на новые виды энергоносителей, обеспечивающего надежную энергетическую базу общества, служат научно обоснованное определение запасов энергетических ресурсов, технико-экономическая оценка возможности их освоения, исследование динамики и структуры потребления первичных источников энергии и влияния научно-технического прогресса на масштабы и темпы их использования. В связи с этим необходимо классифицировать первичные источники энергии на различные категории и группы в зависимости от степени изученности запасов и обоснованности их количественных и качественных оценок, подготовленности энергетических ресурсов к промышленной разработке, их народнохозяйственной значимости, технической возможности и экономической целесообразности освоения.

Для количественной и качественной оценки первичных источников энергии, или первичных энергетических ресурсов (ПЭР), важное значение имеет системная характеристика видов энергии и форм ее превращения. В соответствии с современной научной классификацией выделяют следующие виды энергии: ядерная, химическая, тепловая, механическая, электрическая, электростатическая, электромагнитная, упругостная, магнитостатическая, нейтриностатическая, аннигиляционная, нейт-ринодинамическая и мезонная (мезонодинамическая) [2]. Из этого многообразия в виде конечной энергии в настоящее время используют тепловую (около 76% общего расхода энергии), механическую (около 23%) и электромагнитную (для освещения и передачи информации — около 1%) [3). В качестве энергоносителей для энергопотребляющих установок (мобильных и стационарных силовых установок, включая двигатели внутреннего сгорания, промышленных печей, бытовых нагревательных приборов, котельных различного назначения и т. п.) служат топливо и продукты его переработки, пар и горячая вода, электрическая энергия. Источниками получения как непосредственно используемых видов энергии, так и промежуточных энергоносителей являются химическая энергия ископаемых топлив, ядерная энергия, гидравлическая энергия, внутреннее тепло Земли.

Во многих случаях первичные источники энергии не могут быть прямо использованы в энергопотребляющих установках, а требуется соответствующее преобразование их в удобную для конечного потребления форму. Например, добытая из скважины (сырая) нефть для применения ее в двигателях внутреннего сгорания подвергается переработке с получением бензина, реактивного и дизельного топлив и других моторных топлив. Уголь и природный газ для получения электрической или тепловой энергии можно использовать непосредственно или после соответствующей подготовки, но для эффективного применения в двигателях внутреннего сгорания их необходимо преобразовать в жидкое углеводородное топливо, метанол, сжатый или сжиженный метан, что требует применения соответствующих технических средств и вызывает определенные энергетические затраты, влияющие в конечном счете на оценку величины ПЭР.

Общие запасы энергии, на которые может рассчитывать человечество, оцениваются первичными энергетическими ресурсами; они подразделяются на две группы — воспроизводимые (возобновляемые) и невоспроизводимые (невозобновляемые).

К воспроизводимым источникам энергии относятся следующие: энергия солнечного излучения, достигающая поверхности Земли; гидравлическая энергия стока рек; энергия приливов и отливов океанских вод, образующаяся под влиянием энергии Луны; энергия мирового Океана в виде морских и океанских волн, течений, тепла морей и океанов; геотермальная энергия (внутреннее тепло Земли); энергия биомассы (сельскохозяйственных культур и их отходов, древесины, водорослей и других растительных материалов, твердых и жидких бытовых отходов и т. п.); энергия ветра. Величина энергетического потенциала воспроизводимых ПЭР огромна, но в настоящее время из всех этих источников энергии в качестве коммерческих, т. е. потребляемых в промышленных масштабах, используется практически только гидравлическая энергия, на долю которой приходится около 2% общего мирового производства энергоресурсов.

К невозобновляемым энергетическим ресурсам относятся ископаемые топлива — обычная нефть и газовый конденсат, тяжелые нефти и природные битумы, природный (естественный) и нефтяной (попутный) газ, уголь, горючие сланцы и торф.

. Особое место при оценке энергетических ресурсов занимает ядерная энергия. Если говорить о ядерном топливе, то количество радиоактивных материалов в земной коре ограничено, и в случае использования их в современных реакторах на тепловых нейтронах ресурсы этого топлива следует рассматривать как невоспроизводимые. Однако при использовании урана в реакторах-размножителях получаемая энергия увеличивается настолько, что этот источник становится воспроизводимым.

Классификация запасов и ресурсов полезных ископаемых, а также системная оценка величины ресурсной базы других первичных источников энергии, осуществляемые на единой методо-

Таблица 1.1. Сопоставление категорий запасов и ресурсов нефти, выделяемых по степени изученности в СССР и США

Классификационные схемы

Категории запасов и ресурсов

Открытые (запасы)

Неоткрытые (ресурсы)

СССР

Разведанные

Предвари тельно

оцененные

Перспектив ные

Прогнозные

Категория

А

Категория

В

Категория Сх

Категория с2

Категория Сз

Катего-рия Д1

Категория Дг

США АНИ—АГА с учетом рекомендаций доклада иа XI МНК

Открытые

Неоткрытые

Доказанные: вероятность подтверждения оценки 90%

Недоказанные

Гипотети ческие

Умозритель ные

Вероятные

Возможные

логической основе, имеют важное значение для определения долгосрочных перспектив энергообеспечения. В настоящее время в разных странах применяют различные классификации месторождений полезных ископаемых. Сопоставление этих классификаций осложнено неодинаковым подходом к оценке ресурсов и запасов и целевому распределению их по категориям с точки зрения разведанности и экономической оценки, различием в используемых единицах измерения (массовых, объемных и условных) и применяемых терминах. С целью устранения этих трудностей в течение длительного времени под эгидой различных международных организаций предпринимаются попытки создания универсальной классификации, :которые, однако, пока не дали окончательных результатов. На сегодняшний день практически не решена даже задача разработки единой терминологии для характеристики всех типов минеральных ресурсов. Вопросам сопоставления и оценки различных действующих классификаций энергетических ресурсов посвящен ряд работ советских и зарубежных специалистов [4—6].

В 1983 г. в нашей стране была введена в действие новая классификация запасов месторождений, перспективных и прогнозных ресурсов нефти и газа, сравнение которой с широко используемой в ряде стран классификацией Американского нефтяного института (АНИ — АГА) приведено в табл. 1.1 [6]. Несмотря на различия в методах оценки и учета отдельных категорий, в целом применяемые в СССР и США классификации запасов и ресурсов нефти, основанные на степени их изученности, сопоставимы между собой.

В общем виде для количественной оценки первичных источников энергии наиболее целесообразным представляется классификация их по таким основным параметрам, как степень геологической изученности, экономическая целесообразность вовлечения в разработку и технико-технологическая готовность к разработке. Для оценки этих параметров предлагается принять следующие определения наиболее часто используемых терминов.

Начальные потенциальные ресурсы (ресурсная база)—это общее количество полезных ископаемых, которое содержится в недрах и может быть оценено в соответствующих единицах измерения. Применительно к возобновляемым энергетическим ресурсам под ресурсной базой следует понимать общее количество потенциальной энергии, которой обладает данный источник и которая также может быть выражена в тех или иных единицах измерения.

Открытые запасы — часть разведанных и предварительно оцененных извлекаемых ресурсов. В зарубежной литературе часто в качестве синонима понятия запасы используют термин «резервы», под которым понимается часть ресурсов, пригодная к использованию при уже существующих технологических и экономических условиях. Запасы на определенную дату могут быть разделены на извлеченные (сумма накопленной добычи за период разработки месторождения, бассейна, залежи) и текущие, которые в свою очередь подразделяются на разведанные (доказанные) запасы (в СССР применительно к нефти это запасы категорий А, В и С1) и предварительно оцененные (в СССР это категория С2).

Для оценки реальности вовлечения запасов в промышленную разработку важное значение имеют технико-экономические критерии, определяющие техническую возможность и экономическую целесообразность их освоения. Например, полностью разведанные запасы в ряде случаев не могут быть в данный период вовлечены в промышленную разработку из-за отсутствия необходимых технических средств или технологий добычи. В то же время могут иметься все необходимые геологические условия и технические возможности для вовлечения месторождения в разработку, но ряд причин (низкие дебиты, малые запасы, большая удаленность от мест потребления и др.) делает разработку нерентабельной при существующих экономических условиях. В связи с этим в нашей стране разведанные запасы подразделяют по народнохозяйственному значению на две группы — балансовые, разработка которых на дату оценки экономически целесообразна, и забалансовые, разработка которых в данный период нерентабельна. Забалансовые запасы могут стать объектом промышленного освоения в будущем, в случае изменения технико-экономических условий их добычи и энергообеспечения в целом. 4

В зарубежной практике ресурсы в зависимости от степени готовности к освоению подразделяют на три группы:

активные (маржинальные) или рентабельные, освоение которых целесообразно в данных технико-экономических условиях, т. е. при существующем уровне техники и технологии и действующих ценах на ископаемые топлива и продукты их переработки;

субактивные (парамаржинальные), представляющие собой Некоторую более дорогостоящую часть экономически извлекаемых ресурсов, которая по затратам на освоение близко примыкает к экономически рентабельным ресурсам (запасам) и может стать рентабельной в случае незначительного повышения цен на сырье или соответствующего удешевления разработки месторождений;

пассивные (субмаржинальные), представляющие собой часть экономически нерентабельных ресурсов, перевод которых в категорию рентабельных требует значительного роста цен на ископаемые топлива (более чем в 1,5 раза по сравнению с уровнем, существующим на момент оценки) или же существенного, уменьшения издержек производства в результате технического прогресса.

Таким образом, к категории «запасы» следует относить ту часть природных ресурсов, которая разведана, подготовлена к разработке и может быть извлечена и использована при данном уровне техники и действующих на дату оценки экономических условиях.

Неоткрытые ресурсы — это часть начальных потенциальных ресурсов, наличие которых предполагается на основе общегеологических сведений и теоретических (умозрительных) представлений. Как правило, неоткрытые ресурсы определяются в.результате количественной оценки перспективных прогнозов различных по степени изученности и обоснованности геологических объектов.

Наряду с геологической изученностью для классификации ископаемых топлив важное значение имеет отнесение их ресурсов к категории технически или экономически извлекаемых [5]. Технически извлекаемые ресурсы — это часть геологических ресурсов, которая может быть найдена и извлечена всеми известными в настоящее время и ожидаемыми в будущем способами поисков, разведки и разработки месторождений без учета получающейся при этом стоимости конечной продукции. Экономически извлекаемые ресурсы представляют собой часть технически извлекаемых ресурсов, освоение которой рентабельно в современных или ожидаемых в будущем условиях.

Первичные энергетические ресурсы отличаются большим разнообразием по видам и типам: углеводородные от тяжелых нефтей до легких газов; твердые горючие ископаемые от тор фа до антрацита; ядерное топливо и т. д. С точки зрения физико-химических и энергетических характеристик значительные различия наблюдаются не только между такими разнородными ПЭР, как, например, солнечная энергия и нефть или атомная энергия и природный газ, но и внутри одного и того же вида ПЭР.

В зависимости от плотности и элементного состава теплота сгорания нефтей различных месторождений может меняться от 39,5 ГДж/т (тяжелая нефть месторождения Боскан в Венесуэле) до 43,6 ГДж/т (легкая нефть, добываемая в Индонезии). Теплота сгорания природного и нефтяного газов зависит во многом от содержания в них инертных компонентов и может колебаться в пределах от 34 до 47 МДж/м3 [4].

Энергетическая характеристика углей определяется в основном содержанием в них углерода, а также золы, серы и других неуглеродных примесей и может изменяться от 33,5 ГДж/т для антрацита до 14,7 ГДж/т для лигнита.

Таким образом, даже ископаемые ресурсы одного и того же вида по своей качественной характеристике существенно различаются между собой. Тем более сложно сопоставлять ресурсы невозобновляемых топлив и ядерной энергии с возобновляемыми источниками энергии. При этом если ядерное топливо характеризуется высокой степенью концентрации энергии (при делении 1 г урана выделяется 82 ГД ж тепловой энергии), то возобновляемые источники энергии характеризуются низкой плотностью и рассредоточенностью энергетического потока. Так, средняя интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли оценивается в 160 Вт/м2, а средняя плотность энергии, которая может быть получена за счет использования лесного покрова Земли, составляет 0,2 Вт/м2 [7, 8].

Для оценки величины разнородных энергетических ресурсов необходимо решить две задачи: 1) на какой базе их следует сравнивать и 2) какие переводные коэффициенты следует использовать для каждого ресурса при приведении его к этой базе.

Очевидно, решение может быть реализовано на основе выбора определенных энергетических единиц и приведения их к единому энергетическому эквиваленту. Проблема часто осложняется тем, что в разных странах для количественной оценки ископаемых топлив используют различные единицы — объемные и массовые. В табл. 1.2 дана средняя энергетическая характеристика в виде удельной теплоты сгорания первичных энергетических ресурсов и энергетические эквиваленты для их пересчета, наиболее часто встречающиеся в отечественных и зарубежных публикациях. Пользуясь этими данными, можно дать количественную оценку мировой ресурсно-энергетической базы в сопоставимых величинах*

Таблица 1.2. Энергетические эквиваленты первичных энергетических ресурсов

Вид ПЭР

Удельная энер-

Коэффициент перевода

Источ-

ігня (теплота сгорания)

в условное топливо

в нефтяной эквивалент

ннформацни

Первичные энергетические ресурсы

Нефть

41,9 ГДж/т

1,43

1,0

191

Уголь каменный

27,6 ГДж/т

0,94

0,67

19]

Уголь бурый (лигнит)

13,8 ГДж/т

0,47

0,33

[9]

Природный газ

Электроэнергия — по теоретиче-

34,3 ГД ж1 II000 м3

1,17

0,83

[10]

скому коэффициенту на 1000 кВт-ч:

на атомных и гидроэлектро*

3,6 ГДж

0,123

0,086

[91

станциях*

на новых тепловых электро-

10,5 ГДж

0,358

0,25

[9]

станциях

Уран**

475,0 ГДж/кг

16,2

11,33

[П]

Сланцевая смола

40,0 ГДж/т

1,37

0,95

[4]

Энергетические эквиваленты

Условное топливо

29,0

ГДж/т у.т.

1,0

0,7

[9]

Нефтяной эквивалент

41,9

ГДж/т н.э.

1,43

1,0

[9]

* По теоретическому коэффициенту 1 кВт-ч=123 г у. т. =860 ккал=3,6 МДж; на, новых зарубежных тепловых электростанциях 1 кВт-ч=357,8 г у. т.=2500 ккал=10,47 МДж [ 15].

** В обычных реакторах на тепловых нейтронах.

Введение | Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов | Классификация альтернативных топлив и источников сырья для их производства

Добавить комментарий