1.13: Невідновлювані джерела енергії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6490

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

ВСТУП

Достатні, надійні джерела енергії є необхідністю для промислово розвинених країн. Енергія використовується для опалення, приготування їжі, транспортування та виробництва. Енергетика взагалі може бути класифікована як невідновлювана та відновлювана. Понад 85% енергії, що використовується у світі, припадає на невідновлювані поставки. Більшість розвинених країн залежать від невідновлюваних джерел енергії, таких як викопне паливо (вугілля та нафта) та ядерна енергетика. Ці джерела називаються невідновлюваними, оскільки їх неможливо відновити або регенерувати досить швидко, щоб йти в ногу з їх використанням. Деякі джерела енергії є поновлюваними або потенційно відновлюваними. Прикладами відновлюваних джерел енергії є: сонячна, геотермальна, гідроелектростанція, біомаса та вітер. Поновлювані джерела енергії частіше використовуються в країнах, що розвиваються.

Індустріально розвинені суспільства залежать від невідновлюваних джерел енергії. Викопне паливо є найбільш часто використовуваними видами невідновлюваної енергії. Вони утворилися, коли неповністю розкладені рослинні та тваринні речовини були поховані в земній корі і перетворювалися на багатий вуглецем матеріал, який можна використовувати як паливо. Цей процес відбувався протягом мільйонів років. Три основні види викопного палива - вугілля, нафта та природний газ. Ще двома менш використовуваними джерелами викопного палива є сланці та бідьогінні піски.

ВУГІЛЛЯ

Вугілля є найпоширенішим викопним паливом у світі з розрахунковим запасом в один трильйон метричних тонн. Велика частина світових запасів вугілля існує в Східній Європі та Азії, але США також мають значні запаси. Вугілля утворювалося повільно протягом мільйонів років з похованих останків стародавніх болотних рослин. Під час утворення вугілля вуглецева речовина спочатку стискалася в губчастий матеріал під назвою «торф», який становить близько 90% води. У міру того, як торф став глибше заглиблений, підвищений тиск і температура перетворювали його в вугілля.

Різні види вугілля були наслідком різниці тиску і температури, які переважали під час формування. Найм'якший вугілля (близько 50% вуглецю), який також має найнижчу енерговіддачу, називається бурим вугіллям. Буре вугілля має найвищий вміст води (близько 50%) і відносно низьку кількість сірки, що викликає смог. При підвищенні температури і тиску буре вугілля перетворюється в бітумне вугілля (близько 85% вуглецю і 3% води). Антрацит (майже 100% вуглецю) є найтвердішим вугіллям, а також виробляє найбільшу енергію при спалюванні. Менше 1% вугілля, знайденого в США, становить антрацит. Велика частина вугілля, знайденого в США, є бітумним. На жаль, бітумне вугілля має найвищий вміст сірки серед усіх видів вугілля. При спалюванні вугілля забруднюючий діоксид сірки виділяється в атмосферу.

Видобуток вугілля створює кілька екологічних проблем. Вугілля найбільш дешево видобувається з приповерхневих родовищ за допомогою стрічкових технологій видобутку. Стрип-видобуток завдає значної шкоди навколишньому середовищу у вигляді ерозії та руйнування середовища проживання. Підземна видобуток вугілля менш шкідлива для поверхневого середовища, але набагато небезпечніша для шахтарів через обвалення тунелів і вибухів газу. В даний час світ споживає вугілля зі швидкістю близько 5 млрд метричних тонн на рік. Основне використання вугілля - для вироблення електроенергії, оскільки це відносно недорогий спосіб отримання електроенергії.

Вугілля використовується для виробництва понад 50% електроенергії в Сполучених Штатах. Крім виробництва електроенергії, вугілля іноді використовують для опалення та приготування їжі в менш розвинених країнах і в сільській місцевості розвинених країн. Якщо споживання продовжиться з тими ж темпами, поточних запасів вистачить на понад 200 років. Спалювання вугілля призводить до значного забруднення атмосфери. Сірка, що міститься в вугіллі, при спалюванні утворює сірчистий газ. Шкідливі оксиди азоту, важкі метали, вуглекислий газ також виділяються в повітря при спалюванні вугілля. Шкідливі викиди можна зменшити, встановивши скрубери та електрофільтри в димових трубах електростанцій. Токсична зола, що залишається після спалювання вугілля, також є екологічною проблемою і зазвичай викидається на сміттєзвалища.

МАСЛО

Сира нафта або рідка нафта - це викопне паливо, яке переробляється на безліч різних енергетичних продуктів (наприклад, бензин, дизельне паливо, реактивне паливо, мазут). Нафта утворюється під землею в гірських породах, таких як сланці, яка багата органічними матеріалами. Після утворення нафти, вона мігрує вгору в пористу пластову породу, таку як пісковик або вапняк, де вона може потрапити в пастку верхньої непроникної породи ковпачка. У цих нафтових резервуарах пробурені свердловини для видалення газу і нафти. Понад 70 відсотків нафтових родовищ знаходяться поблизу кордонів тектонічних плит, оскільки умови там сприяють утворенню нафти.

Видобуток нафти може включати більше одного етапу. Первинна стадія передбачає відкачування нафти з резервуарів під нормальним пластовим тиском. Близько 25 відсотків нафти в резервуарі можуть бути видалені на цьому етапі. Етап вторинного відновлення передбачає нагнітання гарячої води в резервуар навколо свердловини. Ця вода змушує залишок нафти в сторону ділянки свердловини, з якої її можна витягти. Іноді застосовується третинний метод відновлення для того, щоб видалити якомога більше масла. Це включає в себе закачування пари, вуглекислого газу або газу азоту в резервуар, щоб змусити решту нафти до свердловини. Третинне відновлення є дуже дорогим і може коштувати до половини вартості видаленої нафти. Вуглекислий газ, який використовується в цьому методі, залишається секвестованим у глибокому резервуарі, тим самим пом'якшуючи його потенційний парниковий ефект на атмосферу. Процес переробки, необхідний для перетворення сирої нафти в корисні вуглеводневі сполуки, включає кип'ятіння сирої сировини та відділення газів у процесі, відомому як фракційна дистиляція. Крім використання в якості джерела енергії, нафта також є базовим матеріалом для пластмас, забезпечує асфальт для доріг і є джерелом промислової хімії.

Понад 50 відсотків світової нафти знаходиться на Близькому Сході; значні додаткові запаси припадають на Північну Америку. Більшість відомих запасів нафти вже експлуатуються, а нафта використовується зі швидкістю, що перевищує темпи відкриття нових джерел. Якщо норма споживання продовжує зростати і значних нових джерел не буде виявлено, поставки нафти можуть бути вичерпані ще через 30 років або близько того.

Незважаючи на свою обмежену пропозицію, масло є відносно недорогим джерелом палива. Це кращим джерелом палива над вугіллям. Еквівалентна кількість нафти виробляє більше кіловат енергії, ніж вугілля. Він також спалює чистіше, виробляючи приблизно на 50 відсотків менше діоксиду сірки.

Нафта, однак, викликає екологічні проблеми. При спалюванні нафти виділяються атмосферні забруднювачі, такі як діоксид сірки, оксиди азоту, вуглекислий газ і чадний газ. Ці гази є попередниками смогу, які забруднюють повітря і парникові гази, що сприяють глобальному потеплінню. Ще одним екологічним питанням, пов'язаним з використанням нафти, є вплив буріння нафти. Значні запаси нафти лежать під океаном. Аварії з розливом нафти за участю бурових платформ вбивають морські організми Деякі заповідники, такі як на півночі Аляски, зустрічаються в диких районах. Будівництво доріг, споруд та трубопроводів для підтримки операцій з видобутку нафти може сильно вплинути на дику природу в цих природних районах.

ПРИРОДНИЙ ГАЗ

Видобуток природного газу часто є побічним продуктом видобутку нафти, оскільки вони зазвичай поділяють підземні резервуари. Природний газ - це суміш газів, найбільш поширеним є метан (СН4). Він також містить деякі етан (C2H5), пропан (C3H8) та бутан (C4H10). Природний газ, як правило, не забруднений сіркою і тому є найчистішим горючим викопним паливом. Після відновлення пропан і бутан видаляються з природного газу і перетворюються на зріджений вуглеводневий газ (LPG). ЗВГ відвантажується в спеціальних резервуарах під тиском як джерело палива для районів, які безпосередньо не обслуговуються трубопроводами природного газу (наприклад, сільські громади). Решта природний газ додатково очищується для видалення домішок і водяної пари, а потім транспортується в трубопроводах під тиском. Сполучені Штати мають понад 300 000 миль трубопроводів природного газу. Природний газ легкозаймистий і не має запаху. Характерним запахом, пов'язаним з природним газом, насправді є запах дрібних кількостей смердючої сполуки сірки (етилмеркаптан), який додається під час переробки, щоб попередити споживачів про витоки газу.

Використання природного газу стрімко зростає. Крім того, що природний газ є чистим джерелом палива, природний газ легко і недорого транспортувати після того, як трубопроводи на місці. У розвинених країнах природний газ використовується переважно для опалення, приготування їжі та живлення транспортних засобів. Він також використовується в процесі внесення аміачного добрива. Поточна оцінка запасів природного газу становить близько 100 млн метричних тонн. При поточних рівнях використання ця пропозиція триватиме приблизно 100 років. Більшість світових запасів природного газу знаходяться в Східній Європі та на Близькому Сході.

СЛАНЦЕВІ І ДЬОГТЯРНІ ПІСКИ

Нафтові сланці та смолотні піски є найменш утилізованими джерелами викопного палива. Нафтові сланці - це осадові породи з дуже дрібними порами, які містять кероген, воскоподібну речовину на основі вуглецю. Якщо сланець нагріти до 490º C, кероген випаровується, а потім може конденсуватися як сланцеве масло, густа в'язка рідина. Ця сланцева олія, як правило, додатково переробляється в придатні до використання нафтопродукти. Виробництво сланцевої нафти вимагає великих обсягів енергії для видобутку та переробки сланців. Адже для видобутку кожного бареля сланцевої нафти потрібно близько половини бареля нафти. Сланцеві сланці рясні, з розрахунковими запасами на загальну суму 3 трильйони барелів видобутої сланцевої нафти. Тільки ці запаси могли б задовольнити світові потреби в нафті близько 100 років. Екологічні проблеми, пов'язані з видобутком сланців, включають: велику кількість води, необхідної для переробки, утилізації токсичних стічних вод та руйнування великих площ поверхневих земель.

Дігтярний пісок - це різновид осадової породи, яка просочена дуже густою сирою нафтою. Ця густа сировина не протікає легко, і тому нормальні методи видобутку нафти не можуть бути використані для її видобутку. Якщо дегтярні піски знаходяться поблизу поверхні, їх можна добувати безпосередньо. Однак для того, щоб витягти нафту з глибоко залягаючих дьогтяних пісків, у резервуар потрібно вводити пар, щоб покращити потік нафти та підштовхнути його до свердловини для відновлення. Енергетичні витрати на виробництво бочки дігтярного піску аналогічні витратам на нафтові сланці. Найбільше родовище дьогтю піску в світі знаходиться в Канаді і містить достатньо матеріалу (близько 500 млрд барелів) для постачання світу нафтою близько 15 років. Однак через екологічні проблеми та високі виробничі витрати ці поля з дьогтяного піску не використовуються повністю.

АТОМНА ЕНЕРГЕТИКА

У більшості електростанцій вода нагрівається і перетворюється в пар, який приводить в рух турбогенератор для виробництва електроенергії. Електростанції на викопному паливі виробляють тепло, спалюючи вугілля, нафту або природний газ. На атомній електростанції поділ атомів урану в реакторі забезпечує тепло для отримання пари для вироблення електроенергії.

Кілька комерційних конструкцій реакторів в даний час використовуються в Сполучених Штатах. Найбільш широко використовувана конструкція складається з важкої сталевої посудини під тиском, що оточує активну зону реактора. Ядро реактора містить уранове паливо, яке формується в циліндричні керамічні гранули і герметично запечатане в довгі металеві трубки, звані паливними стрижнями. Тисячі паливних стрижнів утворюють активну зону реактора. Тепло виробляється в ядерному реакторі, коли нейтрони вражають атоми урану, змушуючи їх розщеплюватися в безперервній ланцюговій реакції. Серед тепловиділяючих збірок розміщуються керуючі стрижні, які виготовлені з такого матеріалу, як бор, який поглинає нейтрони.

Коли керуючі стрижні, що поглинають нейтрони, витягуються з ядра, стає доступним більше нейтронів для поділу і ланцюгова реакція прискорюється, виробляючи більше тепла. При їх введенні в ядро доступно менше нейтронів для поділу, а ланцюгова реакція сповільнюється або припиняється, зменшуючи виділяється тепло. Тепло відводиться з зони зони реактора водою, що протікає через нього в замкнутому контурі під тиском. Тепло передається в другий водяний контур через теплообмінник. Вода також служить для уповільнення або «помірного» нейтронів, необхідних для підтримки реакцій поділу. Другий контур утримується при більш низькому тиску, дозволяючи воді закипати і створювати пар, який використовується для харчування турбогенератора і виробництва електроенергії.

Спочатку атомна енергетика повинна була бути чистим і дешевим джерелом енергії. Ядерний поділ не призводить до забруднення атмосфери або парникових газів, і його прихильники очікували, що ядерна енергія буде дешевшою і триватиме довше, ніж викопне паливо. На жаль, через перевищення витрат на будівництво, погане управління та численні правила атомна енергетика виявилася набагато дорожчою, ніж передбачалося. Аварії на острові Три-Майл в Пенсільванії та Чорнобильській АЕС в Україні викликали занепокоєння щодо безпеки атомної енергетики. Крім того, залишається невирішеною проблема безпечної утилізації відпрацьованого ядерного палива. Сполучені Штати не побудували новий ядерний об'єкт протягом більш ніж двадцяти років, але з триваючими енергетичними кризами по всій країні ця ситуація може змінитися.