Розділ 4 Джерела енергії
Джерела енергії (4 год.)
Енергоресурси. Первинні та вторинні енергоресурси. Непоновлювані джерела енергії: вугілля, торф, нафта, природний газ. Екологічні проблеми, викликані здобуванням та використанням непоновлюваних ресурсів, та способи їх розвязання. Поновлювані джерела енергії: вода, сонячне випромінювання. Біомаса, геотермальні води (пара), вітер тощо. Вибір економічно вигідного палива для використання в умовах певного регіону.
Практичне завдання 8. Вивчення джерел біомаси, які є в певній місцевості.
Практичне завдання 9. Дослідження території України з точки зору найдоцільнішого використання існуючих поновлюваних енергоджерел.
Тема уроку № 9 Види ресурсів енергії
План уроку:
1 Види ресурсів енергії
2 Невідновлювані джерела енергії
Енергетичні ресурси (джерела енергії) - це матеріальні об'єкти, в яких зосереджена
енергія, придатна для практичного використання людною. Як згадувалося раніше,
енергоресурси поділяють на первинні та вторинні. Первинні енергоресурси - це природні
ресурси, які не переробляли і не перетворювали: сира нафта, природний газ, вугілля, горючі
сланці, вода річок і морів, гейзери, вітер тощо. Енергію, що безпосередньо можна видобути з
цих ресурсів, теж називають первинною.
У свою чергу, первинні ресурси (або джерела енергії) поділяють на відновлювані і
невідновлювані і, відповідно, відновлювані та невідновлювані види енергії. Невідновлювані
джерела енергії - це природньо утворені й накопичені в надрах планети запаси речовин,
здатних за певних умов звільняти енергію, що міститься в них. Такими є викопне органічне
паливо (вугілля, нафта, природний газ, торф, горючі сланці), ядерне паливо. Відновлювані
джерела енергії - ті, відновлення яких постійно здійснюється в природі (сонячне
випромінювання, біомаса, вітер, вода річок та океанів, гейзери тощо) і які існують на основі
постійних чи періодично виникаючих в природі потоків енергії, наприклад: сонячне
випромінювання (біомаса, енергія сонця, вітру, хвиль); гравітаційна взаємодія Сонця, Місяця
і Землі (наслідком якої є, скажімо, морські припливи та відпливи); теплова енергія ядра
Землі, а також хімічних реакцій і радіоактивного розпаду в її надрах (геотермальна енергія
джерел гарячої води - гейзерів). Крім природних джерел відновлюваних енергоресурсів,
сьогодні дедалі більшого значення набувають антропогенні, до яких належать теплові,
органічні та інші відходи діяльності людства.
4.2. Невідновлювані джерела енергії
Невідновлювані ресурси - це викопне паливо, що складається з пальних речовин,
незго-ряючих залишків і вологи. Паливні копалини характеризуються спільним
походженням пальної частини. Вони утворюються переважно з рослинної маси, але містять
також певну кількість білкових і жирових речовин тваринного походження. Мільйони років
у надрах Землі тривав процес розкладання рештків тварин і рослин, що колись переробили і
зберегли сонячну енергію. У результаті утворилися такі невідновлювані джерела енергії, як
нафта, вугілля, природний газ, торф, горючі сланці, запаси котрих досить обмежені.
Поки людство не почало використовувати відновлювані джерела, кількість
накопиченої в них енергії залишалась незмінною. Це як скарб, заритий в землю, що
залишаєтся незмінним, доки хто-небудь не знайде його і не почне витрачати. Але швидкість,
з якою ми витрачаємо невідновлювані джерела енергії, в багато разів перевищує час їх
утворення. Тому основною вадою невідновлюваних джерел енергії є те, що рано чи пізно
вони будуть вичерпані. Друга значна вада - використання непоновлюваних джерел енергії
завдає великої шкоди природі.
Чому ж людство використовує непоновлювані джерела енергії попри всі їх вади й
далі? Цьому є кілька причин: економічні (прагнення швидко отримати прибутки);
психологічні (небажання змінювати звичний спосіб життя); і, навіть, політичні (енергія - це
влада).
Людству треба прагнути витрачати якомога менше енергії невідновлюваних джерел і
чим більше - відновлюваних.
Органічне паливо на Землі видобуваємо в твердій (торф, різні види вугілля і т.п.),
рідкій (нафта) та газоподібній (природний газ) формі, що зумовлено розкладанням
органічних речовин та їх джерелом. Розкладання відмерлої багатоклітинної рослинності, яке
відбувається в товщі Землі в заболочених місцях, де шар води перешкоджає вільному
доступу повітря, призводить до утворення темно-бурої маси торфу, в якому трапляються
залишки рослин, що не розклалися (листя, стебла). В подальшому, під дією тиску,
температури і мікроорганізмів торф'яна маса перетворюється на буре вугілля. Продуктами
наступних стадій перетворення бурого вугілля є кам'яне вугілля й антрацит.
До твердого викопного палива належать і горючі сланці. Це мінеральні породи,
просякнуті органічними речовинами.
Природним рідким паливом є нафта - суміш вуглеводнів та розчинених в ній
компонентів, які перебувають у рідкому стані при нормальному атмосферному тиску та
температурі. У ній міститься деяка кількість рідких кисневих, сірчистих і азотистих сполук.
Існує декілька теорій щодо походження нафти. За найпоширенішою, нафта - це продукт
розпаду нижчих рослинних та тваринних організмів, що існували в морях і океанах сотні
мільйонів років тому. Гинучи, вони формували відкладення на глибинах від 30 метрів до 8
кілометрів. За іншою теорією, розробленою в інституті геологічних наук НАН України,
нафта, це продукт синтезу Гідрогену та Карбону в приповерхневих шарах Землі.
Прихильники органічної теорії походження видів горючих копалин притримуються думки,
що нафта і газ є побічнимипродуктами процесу вуглеутворення. Природний газ суто газових
родовищ складається переважно з метану (95-98 % СН4). Природний газ, як нафта і вугілля,
утворився в надрах Землі з рештків рослин і дрібних тварин.
Сучасне індустріальне суспільство немислиме без таких невідновлюваних
енергоджерел, як газ, нафта і вугілля. Високо розвинуті країни отримують з них близько 80
% енергії. Крім того, що запаси цих енергоджерел обмежені, їхнім величезним недоліком є
забруднення навколишнього середовища як у місцевому, так і у всепланетному масштабі.
При цьому маса утворених газоподібних чи твердих продуктів згоряння, що надходять у
навколишнє середовище, у кілька разів перевищує масу використаного палива. Наприклад,
при спалюванні природного газу - у 5 разів, при спалюванні вугілля - у 4 рази! Завдяки
застосуванню новітніх технологій у виробництві енергії можна трохи знизити негативний
вплив паливно-енергетичного комплексу (ПЕК) на навколишнє середовище. Для вироблення
електроенергії у світі за останні 30 років на теплових електричних станціях (ТЕС)
використано 76 млрд тонн вугілля, 3 млрд тонн мазуту, 3 трлн. м3
газу, а на АЕС - тільки 0,2 млн тонн ядерного палива. Якщо розглядати структуру світової витрати палива людством, то атомна енергетика посідає близько 6%, органічне паливо - близько 89%, а всі нетрадиційні джерела енергії - лише 2%. Спалювання органічного палива призводить до щорічного викиду 27 млрд тонн карбону (IV) оксиду (С02) в атмосферу і мільйонів тонн оксидів Сульфуру та Нітрогену.
4.2.1. Торф
Торф є найменш сформованною формою вугілля, що досить сильно зберегла риси
рослинного походження і складається з води (до 90%), Карбону (5%) та летких сполук (5%).
Залягає він переважно на болотах. У помірному кліматі середньорічна швидкість росту
торфу на болотах 0,55-1,0 мм, а на верхових болотах 1-2 мм. У тропічному кліматі вона
значно вища. Фахівці вважають, що необхідно 300 років для утворення торф'яного шару
завтовшки 9 метрів. Поклади торфу в Україні поширені, головним чином, у західних,
північно-західних та північних областях. Сьогодні виявлено понад 2500 родовищ торфу із
запасами понад 2260 млн.т., з яких вироблено понад 45 % розвіданих запасів. Тор'яники
займають площу близько 10 000 км2. Можливе використання торфу в якості палива на
теплоелектростанціях, та для побутових потреб. Торф розробляють відкритим способом,
тому його видобування пов'язане з негативним впливом на довкілля. На існуючих в Україні
торфопереробних заводах є достатні потужності для суттєвого збільшення видобутку
кускового торфу для безпосереднього використання як палива, фрезерного торфу як
сировини для газифікації та брикетування торфу для забезпечення населення місцевим
паливом. Але останній вважається низькоефективним завдяки великому вмісту води. Торф
використовується не тільки як паливо. Він є цінною сировиною для хімічної і біохімічної
промисловості, медицини, машинобудування, будівництва і ряду інших галузей. Так,
наприклад, з торфу отримують білкові продукти, жири, вітаміни, барвники, цінний віск для
особливо точного литва, виготовлення мастил для полірування хромованих і нікельованих
виробів, просочення паперу, шкіри, дерева, у виробництві олівців і косметики.
4.2.2. Вугілля
Вугілля як невідновлюване енергоджерело було використане першим. Провідна роль в
освоєнні вугілля як джерела енергії належить Англії, де розпочалася промислова революція.
Відколи Дж. Уатт винайшов паровий двигун, вугілля стало універсальним енергоносієм.
Парові судна і потяги полегшили пересування, і вугілля можна було перевозити по всій
Англії та, зрештою, по всьому світу. Навколо заводів, що працювали на енергії вугілля й
були зорієнтовані на світовий ринок, зводилися нові міста. Можна сказати, що вугілля і пара
забезпечили перемогу капіталізму над феодалізмом і започаткували епоху промислового
капіталізму в Європі й Америці. Внаслідок використання вугілля для виробництва енергії
збільшилося забруднення навколишнього середовища, але сповільнився ще гірший процес -
знищення лісів. У XVIII -XIX ст. забруднення атмосфери стає проблемою великих міст. Смог
(суміш диму з туманом) багато років був найбільшою загрозою забруднення навколишнього
середовища в Англії. Україна має значну кількість вугілля, так на сьогодні розвідані запаси
складають близько 50 млрд.т. Основні запаси вугілля розвідані в Донецькому, ЛьвівськоВолинському і Дніпровському буровугільному басейнах. Вугілля є єдиним енергоносієм,
розвідані запаси якого можуть забезпечити потреби енергетики і промисловості України у
найближчі 300 років.
Вугілля зручне для виробництва електрики й інших промислових процесів. Воно дає
дешеву енергію країнам, де це енергоджерело доступне. Слід відмітити, що в більшості
розвинених країн видобуток вугілля протягом останніх десятиліть значно скоротився, а
потреби в ньому покриваються за рахунок імпорту з інших країн. У Німеччині обсяг
виробництва кам'яного вугілля за останні 30 років знизився більш як удвічі і сьогодні
складає близько 65 млн. т на рік. У Франції за той же час видобуток вугілля знизився з 50 до
10 млн. т на рік. Деякі країни взагалі відмовилися від його видобутку (Нідерланди, Данія,
Бельгія, Італія).
Видобуток вугілля ведеться двома способами. Економічно вигідний – відкритий. При
цьому на великих площах горішній шар земли знімають і вивозять. Після видобутку вугілля
необхідно проводити рекультивацію території, що суттєво збільшує вартість вугілля. Якщо
вугілля знаходиться досить глибоко, його видобувають підземним способом у шахтах.
Видобуток вугілля – небезпечна галузь. Шахтарі, які працюють у таких шахтах, часто
потерпають від легеневих захворювань, оскільки вдихають багато вугільного пилу, що
заважає нормальному газообміну у легенях і кровотворній системі. Необхідно пильнувати
безпеку шахтарів під час роботи на глибині.
Після видобутку вугілля надходить на теплові електростанції, де виділена при його
згорянні теплота нагріває воду до кипіння. Утворюється пара, що обертає турбіни, з'єднані з
електричним генератором, який і виробляє електричну енергію. При цьому тільки одна
третина теплоти витрачається на виробництво електроенергії, інші ж дві третини теплової енергії випромінюються в атмосферу.
Вугілля як енергоджерело теж небезпечне для навколишнього середовища. При
спалюванні вугілля утворюються отруйні гази, такі, як чадний газ (карбону (II) оксид),
сірчастий газ (сульфуру (IV) оксид) і гази, що негативно впливають на клімат, наприклад,
карбону (IV) оксид. Викиди цих газів значно зросли з часів промислової революції. Ніякий
інший вид невідновного енергоджерела не викидає так багато карбону (IV) оксиду як вугілля. Забруднення спричиняють також вугільний пил і сажа. Наслідки використання вугілля
для вироблення електричної та теплової енергії досить невтішні. Лише одна ТЕС потужністю
1000 МВт за рік спалює 2,5 млн тонн вугілля, "виробляючи" при цьому 6,5 млн тонн СО2; 9
тис тонн сульфуру оксидів; 4,5 тис тонн нітрогену оксидів; 490 тонн сполук важких металів і
700 тис. тонн попелу.
Транспортування вугілля теж завдає шкоди довкіллю. Від місця видобутку вугілля
найчастіше транспортують залізницею, а під час його навантаження й розвантаження в
атмосферу викидається значна кількість вугільного пилу.
Крім того, ТЕС, що працюють на вугіллі, є джерелом переносу радіоактивних речовин
з-під Землі в атмосферу (про це мало хто говорить). Так, у попелі після спалювання вугілля,
відсоток вмісту торію (Тh), радію (Rа) та інших радіоактивних елементів досить значний.
За допомогою сучасних технологій можна дещо зменшити негативні наслідки
використання вугілля для одержання енергії. Основні з цих технологічних способів такі:
• запровадження удосконалених конструкцій котлів, що знижують утворення оксидів
Сульфуру, Нітрогену й викиди попелу;
• використання очисних споруд і фільтрів для очищення димових газів від сполук
Сульфуру, Нітрогену і попелу;
• застосування водно-вугільних суспензій замість вугілля.
Сучасні технології використання вугілля без значного впливу на навколишнє
середовище передбачають:
- газифікацію вугілля з подальшим використанням отриманого газу в якості
енергоносія;
- спалювання вугілля на електростанціях, які використовують обладнання та
технології уловлювання СО2.
Подумайте і дайте відповідь в журналі
1. Як утворюється вугілля в природі?
2. Чому вугілля було вирішальним фактором промислової революції в Англії та в
усьому світі ?
3. Чому саме вугілля довший час залишалося основним енергоджерелом у
промисловості та на транспорті?
4. У чому переваги вугілля як джерела енергії?
5. У чому головний недолік вугілля як енергоджерела?
4.2.3. Нафта
Нафта не тільки джерело енергії, але і сировина для нафтохімічної промисловості,
виробництва пластмас і навіть ліків. Приблизно 90 % усієї нафти, що видобувається,
використовують як паливо, решту застосовують для одержання нафтохімічних продуктів.
Отже, маємо справу із звичайним марнотратством.
Деякі складові сирої (необробленої) нафти використовували для одержання енергії
сотні років. Китайці використовували нафту ще у 1000 році до н.е., переважно для
виробництва гасу, олії для ламп. Нафтова свердловина, яку у 1859 році пробурив у
Пенсильванії Едвін Дрейк не була першою у світі, але саме з неї почалася бензинова ера. До
того часу бензин вважали занадто витратним продуктом. Та з розвитком
автомобілебудування попит на нафту різко підвищився. З цього часу нафтова промисловість
упевнено розвивається і лідирує на світовому ринку енергоджерел. Промислово розвинуті
країни підвищили свій життєвий рівень, у першу чергу, саме завдяки більшому споживанню
нафти. Недарма нафту називають “чорним золотом”. Сира нафта розподілена на Землі
нерівномірно і так само нерівномірно споживається населенням Землі. Її запаси у світі
досить обмежені. Основні запаси нафти зосереджені на Близькому Сході, у Латинській
Америці, Сибіру й Африці. У потужних споживачів нафти – США і європейських країнах – її
запаси не такі великі. Важко сказати, на скільки ще вистачить її запасів. За прогнозами, вони
можуть бути виснажені за 50-75 років, якщо не будуть знайдені нові поклади. В Україні
розвідані запаси нафти становлять близько 300 млн.т.
Спершу, ніж добувати нафту, треба провести геологічну розвідку, тобто знайти її
поклади. Потім за допомогою бурових установок роблять свердловини, щоб добувати нафту
із земних глибин. Став можливим видобуток нафти глибинним буріннм з дна океану. Далі
сира нафта надходить на нафтопереробні заводи, де з неї одержують бензин, гас, дизельне
паливо, парафін, бітум та інші нафтопродукти. Нафту легко транспортувати. Зазвичай її
транспортують нафтопроводами або морем у нафтоналивних танкерах.
І видобуток, і транспортування., і переробка нафти повязані зі шкідливим впливом на
навколишнє середовище. Часто відбуваються розливи нафти в результаті її витоку зі
свердловин або при транспортуванні. Час від часу ми дізнаємося про катастрофічні наслідки
аварій нафтових танкерів. Нафта, що розлилася, утворює на поверхні води тоненьку масну
плівку. Морські звірі та птахи, які потрапили в нафтові плями, здебільшого гинуть через
порушення терморегуляції та розвиток сліпоти при потраплянні нафти в очі. Інша морська
живність, що існує в поверхневих водах, потерпає від дефіциту кисню та сонячного світла.
Наслідки нафтових розливів зникають дуже повільно. В найкращому випадку, коли берегова
лінія відкрита, вітрові течії та хвилям потрібно до 4-5 років , щоб зникли всі їх сліди. У більш
захищених від вітру і хвиль водах цей процес може тривати 10-15 років.
Багато нафти і нафтопродуктів споживає транспорт. При цьому в атмосферу
викидається велика кількість карбону (IV) оксиду. При переробці нафти і споживанні
нафтопродуктів транспортом у навколишнє середовище виділяються чадний газ, сполуки
Плюмбуму, оксиди Нітрогену і Сульфуру, що спричиняють хвороби рослин, тварин, людей.
Таким чином, використання нафти не лише підвищує життєвий рівень населення, а й
завдає великої шкоди навколишньому середовищу - океанам, атмосфері та живим
організмам. Тому варто використовувати її тільки там, де вона незамінна. Для виробництва
теплоти ми можемо послуговуватися іншими джерелами енергії -тут вона цілком замінна.
Подумайте і дайте відповідь
1.Як утворюється нафта в природі?
2.Що спричинило збільшення споживання нафти?
3.У чому переваги нафти як джерела енергії порівняно з вугіллям?
4.Чи використовується нафта ще для чогось, окрім виробництва енергії?
5.Чи пов'язані шкідливі наслідки від використання нафти лише з викидами
забруднювальних газів під час її згоряння?
6.Які предмети вдома зобов'язані своїм походженням нафті?
4.2.4. Природний газ
Природний газ - це третє за величиною джерело енергії. Відомо, що 25 % енергії у
світі виробляється з природного газу. Вміст енергії в природному газі високий, майже такий
же, як у нафті. Україна використовує до 100 млрд.м3 природного газу на рік, з яких власний
видобуток становить близько 20 млрд.м3. До 2010 року видобуток природного газу
планується збільшити на 10-15 млрд м3. Газом Україна в майбутньому може забезпечити
себе самостійно. Розвідка покладів природного газу ведеться в Чорному морі, в Полтавській,
Чернігівській і Харківській областях, у Карпатському регіоні. Розвідані запаси газу в Україні
становлять 1,1 трлн. м3. Уже розвіданих запасів газу вистачить на 50 років при сучасному
рівні видобутку. Значні об'єми газу зосереджені в нафтових родовищах (супутні гази) та
вугільних шахтах (шахтний метан). Лише вугільні родовища України містять до 3,0 трлн.м3
газу. Деякі газові свердловини спроможні дати до 6 млн.м3 газу на добу.
Природний газ використовується як паливо для електростанцій, побутове паливо, як
сировина для промисловості тощо. Газ легко транспортувати до місця споживання по трубах.
А перевівши його у скраплений стан, можна перевозити у залізничних та автоцистернах,
нафтових танкерах.
У той же час, слід пам'ятати, що Україна залежна від експорту природного газу з
інших країн, передовсім Росії. Тому стратегічною метою нашої держави є: зменшення
споживання газу всіма галузями народного господарства, та замінення його місцевими
енергоресурсами (наприклад біомасою). Природний газ є найчистішою формою невідновної
енергії: у ньому дуже низький вміст отруйних речовин, він згоряє дуже швидко, простий у
використанні. Проте проблеми викидів карбону (IV) оксиду при використанні природного
газу залищаються.
Подумайте і дайте відповідь
1. Чому природний газ вважається екологічно найчистішим з невідновлюваних
джерел енергії ?
2.У чому, на вашу думку, переваги та недоліки природного газу як джерела енергії?