Возможности энергосбережения

Структура энергопользования

1.1. Виды энергии

Энергия в переводе с греческого - "деятельность". Любая деятельность предполагает изменение состояния (движение). Все формы движения (механическое, тепловое, электромаг­нитное и др.) сопровождаются превращением энергии из одного вида в другой или совершением работы. Соверше­ние работы характеризует изменение состояния вовлекае­мых в движение материальных объектов. Все виды энергии эквивалентны друг другу и при определенных условиях вза­имозаменяемы. В зависимости от природы различают не­сколько видов энергии.

Энергию движения и взаимодействия макроскопических тел или их частей называют механической. Ею обладают движущиеся и деформированные физические тела, тела и частицы, находящиеся в поле тяготения на более высоком энергетическом уровне, способные совершать механическую работу. В естественном состоянии механической энергией обладают воздушные потоки (ветер), водные потоки (реки, водопады, волны, приливы).

Энергию, обусловленную физическим движением (хаоти­ческим движением и взаимодействием) молекул, называют тепловой. Она накапливается в биосфере вследствие погло­щения энергии Солнца.

Энергию движения и взаимодействия электрически за­ряженных частиц называют электрической. Это наиболее универсальный (совершенный) вид энергии. Она способна трансформироваться во все другие виды энергии (механи­ческую, тепловую, химическую и др.)- Электрическая энер­гия передается на большие расстояния без значительных потерь наиболее экономически и технически приемлемыми методами. Ее можно использовать при разных мощностях (электробритва, электровоз). Электрические установки, обо­рудование и бытовые приборы являются экологически безо­пасными и доступными для широкого пользования. Исполь­зование электрической энергии позволяет создавать техноло­гические комплексы с высокой степенью автоматизации, обес­печивает достаточный комфорт обслуживающего персонала. Электромагнитная энергия - это энергия электромагнит­ных полей, которая создается при движении электрически заряженных частиц, а также электромагнитными волнами (вихревыми электрическими и магнитными полями). Элек­тромагнитные волны - это радиоволны, инфракрасное из­лучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, гамма-излучение.

Химическая энергия - энергия химических связей ве­щества. Например, энергия связи С-С в молекуле этана рав­на 347 кДж/моль, связи С=С в молекуле этилена -612 кДж/моль. При химических реакциях энергия может освобождаться в виде тепловой (горение), электромагнитной (хемилюминесценция), электрической (в гальванических эле­ментах, аккумуляторах) энергии.

Биохимическая энергия - энергия, выделяющаяся или поглощающаяся в результате биохимических превращений. Например, молекула АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) представляет собой нуклеотид, фосфатные группы которого соединены между собой высокоэнергетическими связями. При гидролизе молекул АТФ до АДФ (аденазинодифосфор-ной кислоты) эти связи разрываются и выделяется большое количество энергии:

Энергия продуктов питания поддерживает температуру тела, обеспечивает энергию, необходимую для физического и умственного труда. Ценнейшей составляющей пищи явля­ются жиры, основная функция которых в организме - акку­муляция энергии. При окислении жиров высвобождается боль­шое количество энергии, которая идет на образование АТФ.

Ядерная энергия — энергия, заключенная в ядрах атомов вещества, которая высвобождается при делении тяжелых (ядерная реакция) или синтезе легких (термоядерная реак­ция) ядер.

1.2. Источники энергии

Для всех естественных процессов в пределах биосферы наиболее существенными являются энергетические факторы. Появление и развитие различных форм жизни в первую очередь зависит от функционирования энергетических ис­точников. Для нашей планеты основным источником энер­гии является Солнце. Поглощаемая Землей энергия излу­чения Солнца в десятки раз превышает потребляемую чело­вечеством. Живая природа потребляет лишь незначитель­ную часть (около 0,02 %) от общего количества энергии, достигающей Земли. Значительная часть энергии Солнца потребляется на поддержание температурного режима ат­мосферы, водных и почвенных масс, а часть ее идет на осу­ществление процессов кругооборота веществ на Земле. Про­цесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ называют фотосинтезом. При фотосинтезе происходит захват (поглощение) и аккумуля­ция солнечной энергии в молекулах органических веществ. Исходными соединениями для фотосинтеза служат простые, низкой энергии неорганические вещества С0₂ и Н₂0:

6С0₂+6Н₂О^С₆Н₁₂0₆+60₂.

Животные потребляют энергию, накопленную раститель­ностью. Человек потребляет энергию Солнца различными путями, в том числе с пищей, которая обеспечивает его рабо­тоспособность. Неиспользованная часть энергии накапли­вается в виде веществ, способных высвобождать ее при оп­ределенных условиях. Эти вещества называют ископаемым топливом (невозобновляемые источники энергии) - основ­ной источник энергии в современном хозяйстве, а также важнейшее промышленное сырье.

Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально. Для этого служат специальные приборы - калориметры. Теп­лота сгорания основных видов органического топлива колеб­лется от 6 200-7 500 кДлс/кг (многозольные сланцы, высоко­влажный торф, бурый уголь) до 25 000-29 000 кДж/кг (высо­кокалорийный каменный уголь) и 33 000 кДж/кг (нефте­продукты и газ). В расчетах широко используется понятие условного топлива с теплотой сгорания 29 309 кДж/кг (7 000 ккал/кг).

Возобновляемые источники энергии - источники, пото­ки энергии которых постоянно существуют или периоди­чески возникают в окружающей среде. Эти источники не являются следствием целенаправленной деятельности чело­века. К ним относят энергию: прямого излучения Солнца, ветра, мирового океана (энергия приливов, волн), рек, морс­ких течений, морских водорослей, биомассы, водотоков, гео­термальных источников (энергия внутреннего тепла Земли), "холодную" (получение энергоносителей путем физико-хи­мических процессов, протекающих при низких температу­рах), нетрадиционных источников энергии, получаемую при непосредственном преобразовании химической энергии орга­нического топлива в электрическую - создание топливных элементов и др.

Для получения тепловой энергии долгое время использо­вались твердые виды топлива, и лишь в начале XX в. началось использование жидкого (нефти) и газообразного (природно­го и попутных газов) топлива. Во второй половине XX в. для получения тепловой и электрической энергии началось использование ядерного топлива. Структура использования источников энергии изменяется в процессе развития циви­лизации.

1.3. Энергетические ресурсы

Энергию, которая содержится в природных источниках и может быть преобразована в механическую, тепловую, элек­трическую, химическую, называют первичной.

Любой источник энергии, естественный или искусствен­но активизированный, называют энергетическим ресурсом. По способам использования первичные энергетические ре­сурсы подразделяют на топливные и нетопливные, по признакам сохранения запасов на возобновляемые и невозобновляемые. В современном природополь­зовании энергетические ресурсы классифицируют на три группы:

- участвующие в постоянном обороте и потоке энергии (солнечная энергия, энергия потоков воды и воздушных масс и т. д.);

- депонированные (уголь, нефть, газ и т. д.);

- искусственно активизированные (ядерная и термоядер­ная энергия).

Использование энергетических ресурсов является одной из основных форм природопользования. Область обществен­ного производства, охватывающая энергетические ресурсы, получение, преобразование, транспортировку и использова­ние различных видов энергии, называется энергетикой. Энергетика функционирует в рамках энергосистем. В энер­госистемы входят традиционная и нетрадиционная энерге­тика. Традиционная энергетика использует ископаемые энер­гические ресурсы (уголь, нефть, газ), а также торф, дрова и другое органическое и синтетическое топливо, энергию, вы­деляющуюся при распаде ядер (ядерное топливо), гидроэнер­гию рек, нетрадиционная - возобновляемые источники энер­гии (солнечную энергию, энергию ветра, энергию биомассы, геотермальную энергию и др.).

Развитие экономики и увеличение численности населе­ния требуют все возрастающего использования энергетичес­ких ресурсов.

Увеличение использования энергетических ресурсов при­водит к увеличению материальных и энергетических затрат, увеличению экологической нагрузки на окружающую среду. Поэтому во всех странах мира стремятся разрабатывать спосо­бы энергообеспечения, позволяющие наилучшим образом раз­вивать промышленность, не снижая качества жизни людей, а также оказывающие минимальное воздействие на окружаю­щую среду. Начиная с 1975 г. большинство развитых стран перестали наращивать темпы использования энергии при дос­таточно высоком уровне жизни своих граждан.

2. Способы получения, транспортировки и преобразования энергии

2.1. Получение первичной энергии

В структуре мирового потребления первичной энергии (ко­нец XX в.) нефть составляла около 36 %.

Мировые запасы нефти сосредоточены в географических районах, не совпадающих с районами ее переработки и по­требления, благодаря чему существуют международные по­токи нефти.

Около 66 % мировых запасов (150 млрд т) нефти сосредоточены в Юго-Западной Азии, около 12 % - в Латинской Америке и только около 22 % мировых запасов нефти - в остальных географических районах.

В конце XX в. (с 1995 по 1998 г.) разведанные геологи­ческие запасы нефти увеличились благодаря открытиям но­вых месторождений в Бразилии, Восточной Венесуэлле, Се­верном Каспии, Карском море, Саудовской Аравии, бассейне реки Тарки в Западном Китае, в Новой Гвинее, восточной части Баренцева моря. Большие запасы этого топлива сконцентрированы в нетрадиционных источниках: сверх тяжелой нефти, битумах, нефтеносных песчаниках и слан­цах. Однако при высокой себестоимости извлечения нефти из этих источников ее добыча и использование проблема­тичны.

Рост добычи нефти стимулируется ростом цен на жидкое топливо, а также все большим распространением двигате­лей внутреннего сгорания, развитием нефтехимической про­мышленности.

Наиболее перспективными странами, исходя из соотно­шений запасов и добычи нефти, являются страны Ближнего и Среднего Востока. При сохранении темпов роста потреб­ления нефти конца XX в. ее запасов этим странам хватит более чем на 100 лет, в то время как в мире - в среднем на 48-50, а в странах СНГ и Восточной Европы - только на 20 лет. В последнее время добыча нефти значительно уменьшилась в России и Ираке и возросла в Центральной и Южной Америке, Австралии и Океании. Расширилась до­быча нефти в шельфовой зоне. Так, в Австралии более 95 % нефти добывается из шельфовых месторождений.

Разведанные запасы угля составляют около 1,24 трлн т, в том числе около 808 млрд т каменного и около 431 млрд т бурого. Основная часть (около 83 %) разведанных запасов угля находится в США, России, Китае, Великобритании, Германии, Австралии. Потребление угля растет незначительно из-за сильного загрязнения окружающей среды при его до­быче и использовании.

Около 50 % добычи угля осуществляется в США и Рос­сии, значительная часть - в Китае, Индии, Австралии, Герма­нии, ЮАР, Бразилии, Венесуэлле, Мексике, Колумбии. Дан­ный процесс требует значительно больших затрат, чем до­быча нефти и газа. В структуре мирового потребления пер­вичной энергии уголь составляет около 20 %.

Промышленные запасы газа концентрируются преиму­щественно в нефтеносных районах. Разведанные запасы природного газа составляют около 135 трлн м³. В странах СНГ - около 45 трлн м³, Иране - около 17 трлн м³, Объеди­ненных Арабских Эмиратах, Саудовской Аравии, США и Катаре - примерно по 6 трлн м³. Меньшие запасы природ­ного газа - в Канаде, Нидерландах, Юго-Западной Азии. Около 2/3 добычи природного газа осуществляется в стра­нах СНГ и США. Значительная часть мировой добычи при­родного газа приходится на Канаду, Нидерланды и Юго-За­падную Азию. По энергетическому эквиваленту мировые разведанные запасы газа составляют около 80 % разведан­ных запасов нефти. Увеличение добычи газа стимулируется значительно меньшим загрязнением окружающей среды. На мировой рынок поступает около 20 % мирового потреб­ления газа. В структуре мирового потребления первичной энергии газ составляет около 25 %.

Ядерное топливо является источником наиболее концен­трированной первичной энергии. Производство ядерного топлива - сложный технологический процесс, включающий добычу, обогащение руды и создание топливных элементов (твелов). Запасы извлекаемого природного урана почти в 100 раз больше запасов органического топлива (около 24 млн т). Годовая потребность в уране для действующих ядерных энергетических реакторов оценивается в 58 тыс. т. В структуре мирового потребления энергии ядерное топли­во составляет около 3,6 %.

Возобновляемая первичная энергия (энергия движу­щейся воды, ветра, излучения Солнца, биомассы) имеется в окружающей среде постоянно или периодически восстанавливается, но эта энергия, как правило, рассеянная. Для ее использования требуется создание концентраторов (аккуму­ляторов). Запасы этой энергии огромные, а использование не­значительное. В структуре мирового потребления первичная энергия возобновляемых источников составляет около 4,9 %.

2.2. Способы транспортировки первичной энергии

Сырая нефть и продукты ее переработки (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и др.) транспортируются по трубопро­водам, водным и, реже, железнодорожным и автомобильным транспортом. Основная часть природного газа транс­портируется по трубопроводам, незначительное количество -в сжиженном виде специальными танкерами, железнодорож­ным и автомобильным транспортом в цистернах и баллонах.

Основная часть угля используется в странах, его добыва­ющих. Транспортировка угля осуществляется железнодо­рожным и водным транспортом, более энергозатратным, чем трубопроводный. Осваивается транспортировка угля по тру­бопроводам в контейнерах в виде пульпы (50 % - измель­ченный уголь, 50 % - вода).

Для транспортировки ядерного топлива создаются спе­циальные контейнеры, которые оснащены защитными обо­лочками, снижающими радиоактивное излучение до норма­тивных пределов.

Местные виды первичной энергии (торф, дрова, биомасса) транспортируются на небольшие расстояния в основном же­лезнодорожным и автомобильным транспортом.

Возобновляемая первичная энергия не требует транспортиров­ки (концентрируется и преобразуется в местах ее нахождения).

2.3. Сравнение экономической и экологической эффек­тивности различных способов получения энергии

Основная часть первичной энергии (нефть, газ, уголь) из­влекается из недр Земли, чему предшествует разведка, оцен­ка запасов и технологического обеспечения. Коэффициент извлечения (отношение извлеченной массы к оценочной массе запасов в месте добычи) зависит от вида топлива, характе­ристики месторождения, технологии добычи. Извлеченное топливо транспортируется на переработку, а переработанное -к месту потребления.

Процессы разведки, добычи, транспортировки и использо­вания сопровождаются материальными, энергетическими зат­ратами и экологической нагрузкой на окружающую среду. Для различных энергетических источников перечисленные факторы не одинаковы. Различаются показатели и для оди­наковых источников энергии, но разных регионов и стран, применяемых технологий на каждом из этапов.

Экономическая эффективность различных видов топли­ва зависит от коэффициента извлечения, материальных и энергетических затрат на добычу, транспортировку, пере­работку топлива, а также затрат на возмещение причинен­ного при этом ущерба окружающей среде.

Для нефти коэффициент извлечения составляет 0,3-0,4. Добыча нефти - хорошо отработанный технологический процесс.

Коэффициент извлечения природного газа составляет 0,5-0,8. Стоимость добычи, транспортировки, технологического оснащения, материалоемкость и энергозатраты для газа выше, чем для нефти. Для создания запасов газа требуется соору­жение дорогостоящих, герметичных, чаще подземных газо­хранилищ большого объема.

Коэффициент извлечения угля составляет 0,25-0,5. До­быча угля (открытым или шахтным способом) - сложный, дорогостоящий технологический процесс, сопровождающийся значительно более высокими энергетическими и трудовыми затратами, чем добыча газа и нефти. Для угля характерны более высокие затраты на транспортировку и хранение.

При прочих равных условиях (добыча внутри государ­ства или поставка по мировым ценам и др.) экономически наиболее предпочтительно использовать нефть, а наименее предпочтительно - уголь.

В процессе добычи, транспортировки, хранения, перера­ботки и использования топлива происходит загрязнение окружающей среды, как самим топливом, так и продуктами сгорания.

Процесс добычи угля оказывает наибольшую нагрузку на окружающую среду. Эксплуатация угольного карьера сопровождается выводом из пользования больших земель­ных площадей, как правило, без последующей рекультива­ции. На большие расстояния разносится угольная пыль.

Наиболее значительное загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами происходит в местах добычи, при аварийных и других случаях утечки в процессе транс­портировки.

Загрязнение природной среды газом происходит за счет утечек при добыче, транспортировке и из газохранилищ.

При сгорании перечисленных видов топлива и продук­тов их переработки в процессе использования происходит выброс в атмосферный воздух, а затем попадание в почву и воду таких загрязняющих веществ, как оксиды азота, серы, углерода, углеводороды, сажа (при неполном сгора­нии), тяжелые металлы и др. Относительные выбросы ок­сидов азота (отношение выбросов оксидов азота при сжи­гании данного топлива к выбросам при сжигании эталон­ного бестопливного азота) для природного газа составля­ют 0,25-0,75, для нефти - 0,8-2, для угля - 2,6-3,9. Ана­логичное сравнение выбросов других веществ, а также валовых выбросов позволяет сделать вывод, что использо­вание газа оказывает наименьшее отрицательное воздей­ствие на окружающую среду.

В ядерном топливном цикле не используется кислород, в атмосферу не выбрасываются продукты горения, но происхо­дит радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наиболее опасно для живой природы, в том числе для человека.

2.4. Преобразование энергии и оценка его эффек­тивности

Энергию, способную совершить работу, называют вторич­ной (свободной). Эта энергия необходима для производства и хранения продуктов питания, приготовления пищи, созда­ния комфортных условий для проживания, функциониро­вания производства, транспорта и др. Поэтому все виды пер­вичной энергии преобразуют во вторичную (механическую, тепловую, электрическую).

Основная часть электрической энергии производится теп-лоэлектрогенераторами "огневым способом" (сжиганием органического топлива). Часть электрической энергии по­лучают преобразованием первичной энергии ядерного топ­лива в тепловую с последующим преобразованием в элект­рическую. Меньшая часть производится прямым преобра­зованием первичной возобновляемой энергии (воды, ветра, излучения Солнца, биомассы и др.). Незначительную часть электрической энергии получают путем проведения физи­ко-химических процессов, протекающих при низких темпе­ратурах (например, разложение воды на водород и кислород с последующим сжиганием водорода).

Тепловую энергию (основную часть) получают путем сжи­гания органического топлива в виде "лучистого тепла" (ин­фракрасное излучение) или теплоносителя (горячей воды, водяного пара под давлением и др.).

Незначительную часть тепловой энергии получают из возобновляемых источников:

- прямым поглощением солнечного излучения (солнеч­ные коллекторы);

- аккумулированием энергии солнечного излучения;

- извлечением энергии недр Земли (геотермальное тепло);

- извлечением энергии горячих течений (морей, океана);

- извлечением энергии из вторичных энергоносителей (теп­ловые насосы);

- отбором части энергии электроэнергетических установок;

- извлечением энергии биохимических реакций (обогрев теплиц);

- извлечением энергии отходов жизнедеятельности, в том числе твердых (свалка).

Основную часть механической энергии получают с помо­щью различных двигателей, которые преобразуют в меха­ническую энергию другие виды энергии, в большинстве слу­чаев - электрическую (электродвигатели).

Для обеспечения работы транспорта используются двигате­ли внутреннего сгорания, газотурбинные и реактивные, кото­рые в механическую энергию превращают энергию топлива.

Также механическую энергию получают из естественных источников:

- водяное колесо (гидротурбина);

- ветроколесо (ветряные мельницы и другие ветроэнерге­тические установки).

Наиболее доступной для использования является элект­рическая энергия. Для производства определенного количе­ства свободной энергии необходимо построить электростан­цию, добыть топливо, осуществить его транспортировку, обес­печить работу самой электростанции.

Общее количество электроэнергии, которое планируется получить от электростанции за срок ее службы, можно раз­делить на 2 части:

В настоящее время по всем видам ископаемого топлива отмечена тенденция к уменьшению значения энергоотдачи. Это объясняется усложнением добычи и ростом удаленнос­ти месторождений от энергопотребителей. Например, на пе­рекачку газа от многих месторождений расходуется до 10 % энергии, заключенной в нем.

Энергоотдача позволяет объективно, независимо от неус­тойчивости денежных единиц, сравнивать между собой эф­фективность как различных источников энергии, так и про­изводственных систем, включая учет затрат на восстановле­ние среды. Коэффициент энергоотдачи в среднем по всем ТЭС, без разделения на отдельные виды топлива, равен 5. Коэф­фициент энергоотдачи АЭС (при коэффициенте использования мощности 0,7, содержании урана в руде 0,1 %) без учета зат­рат на демонтаж и захоронение отходов - 4, а с их учетом - 2.

Анализ функционирования топливно-энергетических объектов показывает, что экономически наиболее эффектив­ны электростанции, не имеющие громоздкого топливного цикла: гидроэлектростанции, солнечные, ветряные, геотер­мальные и ряд других на возобновляемых источниках.

По мере усовершенствования технологий преобразова­ния энергии возобновляемых источников происходит ее по­стоянное удешевление. Например, с 1970 по 2000 г. сто­имость энергии, производимой солнечными элементами, сни­зилась с 60 долларов за киловатт-час до 24 центов, а на полупроводниковых системах - до 8-10 центов. Все эле­менты солнечных станций могут производиться в заводс­ких условиях и монтироваться на месте установки. В этом случае не требуются расходы на транспортировку топлива и вырабатываемой электроэнергии и теплоты на большие расстояния. Поэтому энергоотдача энергетического комп­лекса на возобновляемых источниках намного выше, чем энергоотдача энергетических комплексов на традиционных источниках энергии.

При выработке тепло- и электроэнергии огневым спосо­бом (путем сжигания органического добываемого топлива) выброс парниковых газов составляет около 1,4 кг на 1 кВт-ч. Наиболее высокие уровни выброса С0₂ имеют электростан­ции, работающие на угле, наименьшие - работающие на при­родном газе. Ядерная энергетика дает значительно меньше выбросов, загрязняющих атмосферу, чем другие ТЭС. В конце 2000 г. 17 % мирового производства электроэнергии состав­ляла энергия, выработанная на АЭС. Это позволило снизить выброс углекислого газа в атмосферу на 2,3 млрд т ежегодно.

Энергетика на возобновляемых источниках отличается огромными экологическими преимуществами, так как ис­пользуются чистые неисчерпаемые энергоресурсы. Главная трудность на пути широкого внедрения альтернативной энер­гетики - это создание промышленной инфраструктуры, обес­печивающей ее функционирование.

Структура энергопользования

1.1. Виды энергии

Энергия в переводе с греческого - "деятельность". Любая деятельность предполагает изменение состояния (движение). Все формы движения (механическое, тепловое, электромаг­нитное и др.) сопровождаются превращением энергии из одного вида в другой или совершением работы. Соверше­ние работы характеризует изменение состояния вовлекае­мых в движение материальных объектов. Все виды энергии эквивалентны друг другу и при определенных условиях вза­имозаменяемы. В зависимости от природы различают не­сколько видов энергии.

Энергию движения и взаимодействия макроскопических тел или их частей называют механической. Ею обладают движущиеся и деформированные физические тела, тела и частицы, находящиеся в поле тяготения на более высоком энергетическом уровне, способные совершать механическую работу. В естественном состоянии механической энергией обладают воздушные потоки (ветер), водные потоки (реки, водопады, волны, приливы).

Энергию, обусловленную физическим движением (хаоти­ческим движением и взаимодействием) молекул, называют тепловой. Она накапливается в биосфере вследствие погло­щения энергии Солнца.

Энергию движения и взаимодействия электрически за­ряженных частиц называют электрической. Это наиболее универсальный (совершенный) вид энергии. Она способна трансформироваться во все другие виды энергии (механи­ческую, тепловую, химическую и др.)- Электрическая энер­гия передается на большие расстояния без значительных потерь наиболее экономически и технически приемлемыми методами. Ее можно использовать при разных мощностях (электробритва, электровоз). Электрические установки, обо­рудование и бытовые приборы являются экологически безо­пасными и доступными для широкого пользования. Исполь­зование электрической энергии позволяет создавать техноло­гические комплексы с высокой степенью автоматизации, обес­печивает достаточный комфорт обслуживающего персонала. Электромагнитная энергия - это энергия электромагнит­ных полей, которая создается при движении электрически заряженных частиц, а также электромагнитными волнами (вихревыми электрическими и магнитными полями). Элек­тромагнитные волны - это радиоволны, инфракрасное из­лучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, гамма-излучение.

Химическая энергия - энергия химических связей ве­щества. Например, энергия связи С-С в молекуле этана рав­на 347 кДж/моль, связи С=С в молекуле этилена -612 кДж/моль. При химических реакциях энергия может освобождаться в виде тепловой (горение), электромагнитной (хемилюминесценция), электрической (в гальванических эле­ментах, аккумуляторах) энергии.

Биохимическая энергия - энергия, выделяющаяся или поглощающаяся в результате биохимических превращений. Например, молекула АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) представляет собой нуклеотид, фосфатные группы которого соединены между собой высокоэнергетическими связями. При гидролизе молекул АТФ до АДФ (аденазинодифосфор-ной кислоты) эти связи разрываются и выделяется большое количество энергии:

Энергия продуктов питания поддерживает температуру тела, обеспечивает энергию, необходимую для физического и умственного труда. Ценнейшей составляющей пищи явля­ются жиры, основная функция которых в организме - акку­муляция энергии. При окислении жиров высвобождается боль­шое количество энергии, которая идет на образование АТФ.

Ядерная энергия — энергия, заключенная в ядрах атомов вещества, которая высвобождается при делении тяжелых (ядерная реакция) или синтезе легких (термоядерная реак­ция) ядер.

1.2. Источники энергии

Для всех естественных процессов в пределах биосферы наиболее существенными являются энергетические факторы. Появление и развитие различных форм жизни в первую очередь зависит от функционирования энергетических ис­точников. Для нашей планеты основным источником энер­гии является Солнце. Поглощаемая Землей энергия излу­чения Солнца в десятки раз превышает потребляемую чело­вечеством. Живая природа потребляет лишь незначитель­ную часть (около 0,02 %) от общего количества энергии, достигающей Земли. Значительная часть энергии Солнца потребляется на поддержание температурного режима ат­мосферы, водных и почвенных масс, а часть ее идет на осу­ществление процессов кругооборота веществ на Земле. Про­цесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ называют фотосинтезом. При фотосинтезе происходит захват (поглощение) и аккумуля­ция солнечной энергии в молекулах органических веществ. Исходными соединениями для фотосинтеза служат простые, низкой энергии неорганические вещества С0₂ и Н₂0:

6С0₂+6Н₂О^С₆Н₁₂0₆+60₂.

Животные потребляют энергию, накопленную раститель­ностью. Человек потребляет энергию Солнца различными путями, в том числе с пищей, которая обеспечивает его рабо­тоспособность. Неиспользованная часть энергии накапли­вается в виде веществ, способных высвобождать ее при оп­ределенных условиях. Эти вещества называют ископаемым топливом (невозобновляемые источники энергии) - основ­ной источник энергии в современном хозяйстве, а также важнейшее промышленное сырье.

Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально. Для этого служат специальные приборы - калориметры. Теп­лота сгорания основных видов органического топлива колеб­лется от 6 200-7 500 кДлс/кг (многозольные сланцы, высоко­влажный торф, бурый уголь) до 25 000-29 000 кДж/кг (высо­кокалорийный каменный уголь) и 33 000 кДж/кг (нефте­продукты и газ). В расчетах широко используется понятие условного топлива с теплотой сгорания 29 309 кДж/кг (7 000 ккал/кг).

Возобновляемые источники энергии - источники, пото­ки энергии которых постоянно существуют или периоди­чески возникают в окружающей среде. Эти источники не являются следствием целенаправленной деятельности чело­века. К ним относят энергию: прямого излучения Солнца, ветра, мирового океана (энергия приливов, волн), рек, морс­ких течений, морских водорослей, биомассы, водотоков, гео­термальных источников (энергия внутреннего тепла Земли), "холодную" (получение энергоносителей путем физико-хи­мических процессов, протекающих при низких температу­рах), нетрадиционных источников энергии, получаемую при непосредственном преобразовании химической энергии орга­нического топлива в электрическую - создание топливных элементов и др.

Для получения тепловой энергии долгое время использо­вались твердые виды топлива, и лишь в начале XX в. началось использование жидкого (нефти) и газообразного (природно­го и попутных газов) топлива. Во второй половине XX в. для получения тепловой и электрической энергии началось использование ядерного топлива. Структура использования источников энергии изменяется в процессе развития циви­лизации.

1.3. Энергетические ресурсы

Энергию, которая содержится в природных источниках и может быть преобразована в механическую, тепловую, элек­трическую, химическую, называют первичной.

Любой источник энергии, естественный или искусствен­но активизированный, называют энергетическим ресурсом. По способам использования первичные энергетические ре­сурсы подразделяют на топливные и нетопливные, по признакам сохранения запасов на возобновляемые и невозобновляемые. В современном природополь­зовании энергетические ресурсы классифицируют на три группы:

- участвующие в постоянном обороте и потоке энергии (солнечная энергия, энергия потоков воды и воздушных масс и т. д.);

- депонированные (уголь, нефть, газ и т. д.);

- искусственно активизированные (ядерная и термоядер­ная энергия).

Использование энергетических ресурсов является одной из основных форм природопользования. Область обществен­ного производства, охватывающая энергетические ресурсы, получение, преобразование, транспортировку и использова­ние различных видов энергии, называется энергетикой. Энергетика функционирует в рамках энергосистем. В энер­госистемы входят традиционная и нетрадиционная энерге­тика. Традиционная энергетика использует ископаемые энер­гические ресурсы (уголь, нефть, газ), а также торф, дрова и другое органическое и синтетическое топливо, энергию, вы­деляющуюся при распаде ядер (ядерное топливо), гидроэнер­гию рек, нетрадиционная - возобновляемые источники энер­гии (солнечную энергию, энергию ветра, энергию биомассы, геотермальную энергию и др.).

Развитие экономики и увеличение численности населе­ния требуют все возрастающего использования энергетичес­ких ресурсов.

Увеличение использования энергетических ресурсов при­водит к увеличению материальных и энергетических затрат, увеличению экологической нагрузки на окружающую среду. Поэтому во всех странах мира стремятся разрабатывать спосо­бы энергообеспечения, позволяющие наилучшим образом раз­вивать промышленность, не снижая качества жизни людей, а также оказывающие минимальное воздействие на окружаю­щую среду. Начиная с 1975 г. большинство развитых стран перестали наращивать темпы использования энергии при дос­таточно высоком уровне жизни своих граждан.

2. Способы получения, транспортировки и преобразования энергии

2.1. Получение первичной энергии

В структуре мирового потребления первичной энергии (ко­нец XX в.) нефть составляла около 36 %.

Мировые запасы нефти сосредоточены в географических районах, не совпадающих с районами ее переработки и по­требления, благодаря чему существуют международные по­токи нефти.

Около 66 % мировых запасов (150 млрд т) нефти сосредоточены в Юго-Западной Азии, около 12 % - в Латинской Америке и только около 22 % мировых запасов нефти - в остальных географических районах.

В конце XX в. (с 1995 по 1998 г.) разведанные геологи­ческие запасы нефти увеличились благодаря открытиям но­вых месторождений в Бразилии, Восточной Венесуэлле, Се­верном Каспии, Карском море, Саудовской Аравии, бассейне реки Тарки в Западном Китае, в Новой Гвинее, восточной части Баренцева моря. Большие запасы этого топлива сконцентрированы в нетрадиционных источниках: сверх тяжелой нефти, битумах, нефтеносных песчаниках и слан­цах. Однако при высокой себестоимости извлечения нефти из этих источников ее добыча и использование проблема­тичны.

Рост добычи нефти стимулируется ростом цен на жидкое топливо, а также все большим распространением двигате­лей внутреннего сгорания, развитием нефтехимической про­мышленности.

Наиболее перспективными странами, исходя из соотно­шений запасов и добычи нефти, являются страны Ближнего и Среднего Востока. При сохранении темпов роста потреб­ления нефти конца XX в. ее запасов этим странам хватит более чем на 100 лет, в то время как в мире - в среднем на 48-50, а в странах СНГ и Восточной Европы - только на 20 лет. В последнее время добыча нефти значительно уменьшилась в России и Ираке и возросла в Центральной и Южной Америке, Австралии и Океании. Расширилась до­быча нефти в шельфовой зоне. Так, в Австралии более 95 % нефти добывается из шельфовых месторождений.

Разведанные запасы угля составляют около 1,24 трлн т, в том числе около 808 млрд т каменного и около 431 млр