§8. Основні види палива та їх значення в енергетиці

У залежності від способів добування паливо ділять на природне і штучне. Існуючі види палива за агрегатним станом поділяють на: тверді, рідкі, газоподібні.

Природні види палива — кам’яне вугілля, включаючи паливні продукти, одержані при збагаченні та сортуванні на підприємствах вугільної промисловості, буре вугілля (лігніт), сланці горючі, торф паливний, дрова опалювальні, деревинні відходи лісозаготівлі, деревинні відходи деревообробки, відходи сільськогосподарського виробництва (солома, качани та стебла кукурудзи, лушпиння соняшникове та рисове тощо), інші види первинного твердого палива (непридатні шпали, рудникові стійки, дерев’яна тара тощо), нафта, включаючи газовий конденсат, природний газ, до якого входить шахтний метан.

Серед штучних видів палива особливе значення має рідке й газоподібне паливо. Штучне газоподібне паливо виходить шляхом газифікації палива в газогенераторах або як побічний продукт при інших процесах, наприклад, при коксуванні – коксовий газ, в доменному процесі – доменний газ.

Для кращого та більш зручного використання твердого палива його перетворюють на газ у спеціальних пристроях, які називаються газогенераторами. Наприклад, з торфу отримують торф’яний генераторний газ, з кам’яного вугілля – кам’яновугільний генераторний газ й т. д.

Останнім часом набуває поширення вид твердого штучного палива – паливні брикети. Вони можуть виготовлятися з відходів деревообробних цехів, пилорам та лісового господарства, шляхом пресування відходів. Паливні брикети володіють такими основними перевагами перед іншими видами твердого палива, як:

• більш висока тепловіддача і коефіцієнт корисної дії. Теплотворна здатність 2500-4400 ккал/кг;
• стабільна температура згоряння та економічна вигода від використання.

Всі види палива складаються із однакових хімічних елементів, але відрізняються між собою вмістом цих елементів. Елементи, які входять до складу палива поділяють на дві групи:

1 група: елементи, які горять самі або підтримують горіння. До таких елементів відносять – Карбон, Гідроген та Оксиген.

2 група: елементи, які не горять і не підтримують горіння. До таких елементів відносять Нітроген.

Особливим елементом є Сульфур. Він горить, але при горінні виділяється сульфур(IV) оксид, тому його присутність у паливі не бажана.

Кожне паливо при горінні виділяє різну кількість тепла. Кількість тепла (калорій), яке виділяється при повному згорянні 1 кг твердого чи рідкого палива або при згорянні 1 м³ газоподібного, називають теплотворною здатністю. Для мазута теплотворна здатність біля 10000 ккал/кг, для якісного кам’яного вугілля — 7000 ккал/кг і т. д. Чим вища теплотворна здатність, тим якість палива краща. Для  порівняння теплотворної цінності палива використовують одиницю, яку назвали умовним паливом. У якості такої одиниці прийнято паливо, теплотворна здатність якого 7000 ккал/кг.

Буре вугілля має значно меншу теплотворну здатність від кам’яного, високий вміст сірки, значну зольність. Воно придатне для брикетування, напівкоксування і газифікації. Крім того, з бурого вугілля можна одержати штучний гірський віск. В основному буре вугілля використовується на місцевих електростанціях та інших підприємствах як паливо. Основними центрами буровугільної промисловості є Ватутіне на Черкащині та Олександрія в Кіровоградській області.

Теплотворна здатність генераторного газу залежить від виду палива, з якого отримано газ, і від способу газифікації. Наприклад, торф’яної генераторний газ має теплотворну здатність від 1500 до 1600 ккал/м куб, кам’яновугільний генераторний газ – від 1200 до 1400 ккал/м куб.

Значення основних видів палива в енергетиці країни

Значну частину палива використовують для добування енергії. Світ наповнений енергією. Енергія знаходиться в людях, тваринах, рослинах, викопному паливі, каменях, деревах, ріках, повітрі.

Існування сучасної цивілізації залежить від багатьох джерел енергії.

Головними споживачами енергії являються: промисловість (20%), теплові електростанції (20%), транспорт (30%) і 30% на отоплення, підігрів води.

Щодня завдяки паливним корисним копалинам ми збираємося на роботу, готуємо їжу, освітлюємо, обігріваємо чи охолоджуємо помешкання. 90% енергії, яку виробляють у світі, припадає на паливні корисні копалини. Сьогодні основним джерелом енергії є нафта. Вона забезпечує 40% виробництва енергії, вугілля – 26%, природний газ – 24%. Але чи достатньо надійні ці джерела енергії, необхідні для життя сучасного суспільства? Чи існує якась більш безпечна альтернатива сьогоднішнім джерелам енергії?

Нині кожного дня світ споживає 75 мільйонів барелей нафти. У результаті спалювання нафтопродуктів в атмосферу потрапляє велика кількість вуглекислого газу. Власне цей газ є однією з основних причин глобального потепління. Щороку внаслідок спалювання вугілля в атмосферу Землі потрапляє велика кількість оксиду карбону, диму та кіптяви. Вчені припускають, що в наступні 20 років природний газ стане в цілому світі головним джерелом енергії. Головна складова частина природного газу – метан, який дуже посилює парниковий ефект. Він поглинає тепло в 21 раз краще ніж вуглекислий газ. У різних країнах енергетичну проблему розв’язують по-різному. Хіміки турбуються про максимальне і комплексне використання паливних ресурсів, вторинне використання теплоти, повне використання енергії промислових хімічних реакцій.

Традиційні джерела енергії вичерпуються. Крім того, їх використання створює чимало проблем. Цілком очевидно, що нам потрібно шукати інші – чисті, надійні джерела енергії.

До альтернативних видів палива належать:

• горючі рідини, одержані під час переробки твердих видів палива (вугілля, торфу, сланців);
• спирти та їх суміші, олії, інше рідке біологічне паливо, одержане з біологічної сировини;
• горючі рідини, одержані з промислових відходів, стічних вод, виливів;
• газ (метан) вугільних родовищ, а також газ, одержаний у процесі підземної газифікації та підземного спалювання вугільних пластів;
• газ, одержаний під час переробки твердого палива (кам’яне та буре вугілля, горючі сланці, торф), природних бітумів, важкої нафти.

Джерела чистої енергії

1. Теплова енергія океану

Світовий океан площею ⅓ земної поверхні містить запаси енергії. Це, по-перше, енергія сонячного випромінення, поглинута океанською водою, що виявляється в енергії морських течій (10¹⁸ кДж), хвиль прибою, різниці температури різних шарів води, і, по-друге, енергія тяжіння Місяця й Сонця, що викликає морські припливи й відпливи.

Енергія хвилі прямопропорційна квадрату її висоти. Хвиля метрової висоти забезпечує від 25 до 30 кВт енергії. Одна з перших хвильових електростанцій потужністю 350 кВт успішно діє уже 25 років поблизу норвезького міста Бергена. Під час осені-зими висота хвиль на Чорному морі досягає 5-6, зрідка – 10-14 м. Значний енергетичний потенціал має основна чорноморська течія. Морські електростанції, що використовують енергію припливів працюють на узбережжі Ла-Маншу. На тихоокеанському острові Науру діє електростанція потужністю 100 кВт, що використовує різницю в температурі нагрітого тропічним сонцем поверхневого шару й холодного придонного. В останні роки створені міні-ОТЕС (від англ. Ocean Thermal Energy Conversion) для перетворення теплової енергії в електричну потужністю 48,7 кВт. Нові станції потужністю сотні мегават проектуються. Ця галузь енергетики тільки зароджується.

2. Енергія сонця (геліоенергія)

Майже всі джерела енергії: вугілля, нафта, природний газ – це «законсервована» сонячна енергія. Енергія річок і гірських водопадів також походить від Сонця, яке підтримує колообіг води в природі. Всього за три дні Сонце посилає на Землю стільки енергії, скільки її міститься в усіх відомих запасах викопного палива, а за 1 сек. – 170 млрд. Дж. Більша частина цієї енергії розсіюється або поглинається атмосферою і лише ⅓ досягає земної поверхні. Сонячна енергія, яка падає на поверхню одного озера еквівалентна потужності великої електростанції.

Фотогальванічні елементи перетворюють сонячне світло на електрику. Таким методом у різних куточках нашої планети виробляють близько 500 тисяч кіловат електроенегії. Щороку обсяг продажу сонячних батарей зростає на 30 відсотків. Однак наразі продуктивність фотогальванічних елементів не надто висока, а електрика, яку вони виробляють, дорожча від тієї, яку отримують у результаті переробки корисних копалин. На додаток, при виготовленні фотоелементів використовують токсичні речовини, такі, як кадмію сульфат і гелію арсенід. Ці хімічні сполуки не розкладаються у природному середовищі протягом сотень років.

Основні незручності для практичного використання сонячної енергії полягають у низькій щільності її надходження до поверхні землі. Для дзеркал-геліостатів необхідно великі площі землі. У тропічних широтах, де інтенсивність сонячної радіації найбільша сонячна енергетика більш перспективна. За межами атмосфери землі густина потоку сонячної енергії становить 1,4 кВт/м2, тому вважають перспективним створення космічних СЕС, а енергію за допомогою випромінення надвисоких частот передавати на прийомну антену. Проблематичним лише є вплив випромінення на природу.

3. Атомна енергія

Енергія, яка виділяється в процесі перетворення атомних ядер. Джерелом енергії являється внутрішня енергія атомного ядра зв’язана з взаємодією і рухом протонів і нейтронів у ядрі. Ця енергія в мільйони разів перевищує енергію, яка виділяється при хімічних перетвореннях. Ядерне паливо – речовини, в яких відбуваються ядерні реакції з виділенням корисної енергії. Це реакції ділення важких і утворення легких ядер. Атомний реактор – це пристрій, в якому проходять керовані реакції. Перший проект атомного реактора був розроблений у 1939 році французьким вченим Ж. Кюрі. Перша ланцюгова реакція була здійснена у 1942 році в США під керівництвом італійського вченого Енріко Фермі. Перший атомний реактор в Европі був побудований і працював під керівництвом І. Курчатова (1946 р.). У світі нараховується приблизно 430 атомних реакторів. Вони виробляють 16 відсотків усієї електроенергії.

За тридцять років загальна потужність енергоблоків зросла від 5 тис. до 23 млн. кіловат. Атомна енергетика буде розвиватися, лише необхідно вжити та покращити додаткові заходи по забезпеченню безаварійної роботи.

4. Енергія вітру

Здавна використовується людиною. Відомо, що вітряки мололи зерно у Персії ще за 200 років до нашої ери. Ще раніше вони застосовувались у Китаї. Колись вітер напинав вітрила кораблів, крутив жорна млинів та помпував воду. У наші часи популярність вітрової енергії в світі різко зросла. Вітряки найсучасніших конструкцій виробляють чисту, легкодоступну електроенергію. Великі здобутки у розвитку вітроенергетики має Данія, у США на каліфорнійському узбережжі, Канада, Нідерланди, Іспанія, Греція та інші. Перша вітрова електростанція потужністю 100 кВт була споруджена у Криму в 1931 році. Нині в Україні споруджуються кілька станцій: у Криму та Миколаївській області. Невеликі ВЕС працюють у Харкові.

5. Геотермальна енергія

Наша планета має розжарене ядро, температура якого становить + 4000ºС, яке є джерелом величезних запасів теплової енергії. Ядро землі передає тепло до поверхні безпосередньо через жерла вулканів чи у вигляді гарячої води та пари. Така енергія використовується в 58 країнах світу для обігріву будинків та виробництва електроенергії, використовують у теплицях, в басейнах, на курортах.

Вважається, що кількість тепла, яке щороку виходить з надр землі на її поверхню, становить майже 100 мільярдів мегават-годин енергії, а це набагато перевищує загальну кількість енергії, що використовується в усьому світі. Перша електростанція на геотермальних водах розпочала роботу у 1960 році в США. Найбільше геотермальної електроенергії виробляє Каліфорнія: 1200 МВт в Долині гейзерів. В Ісландії енергія, отримана з геотермальних джерел, становить майже половину необхідної енергії. ГеоТЕС є і в інших країнах світу: Японії, Філіпінах, Новій Зеландії. Геотермальна енергія має значні переваги над нафтою, вугіллям, газом і ядерним паливом.

В Україні найбільш перспективні райони – це Закарпаття, Крим, Прикарпаття, Харківська та Полтавська області. Енергія підземного тепла використовується для теплопостачання спортивного комплексу «Закарпаття» в м. Берегове, теплично-парникове господарство «Присивашшя», обігріву будинків евпаторійських курортів. Запаси тепла зосереджені тільки в районі Закарпатської області рівноцінні запасам кам’яного вугілля Львівсько-Волинського басейну.

6. Біометаногенез

Використовуючи сільськогосподарські відходи, сміття,  екскременти тварин, каналізаційні і промислові стоки можна добути метан в анаеробних умовах під дією бактерій. В деяких країнах (Індія, Китай, Філіпіни) уже розроблена така енергетична програма. Ферментативним процесом, при участі бактерій інулін (запасний полісахарид топінамбура) перетворюють на спирт. Застосовуючи подібні способи Бразилія економить нафту і вирішує проблему екологічного забруднення. У Румунії біогаз використовується, як паливо для тракторів. На Україні у Згурівському районі Київської області функціонує завод виробництва біогазу.

7. Водень. Паливний елемент

Паливний елемент являє собою пристрій, у якому для отримання електроенергії використовують водень. Це відбувається не шляхом простого спалювання водню, а шляхом керованої хімічної реакції, при якій водень поступово з’єднується з киснем.

Водень, як саме екологічно чисте паливо можна застосовувати для наземного транспорту, літаків, водному транспорті, у промисловості і сільському господарстві. Необхідно лише вирішити низку питань із зменшення собівартості його добування.

8. Використання нетрадиційних видів палива

На початку XX століття Ф.А. Цандер запропонував використовувати в космічному кораблі крила із таких сплавів як дюраль і електрон. Оскільки за межами атмосфери крила не потрібні, то можна використати їх як пальне, приготувавши попередньо до згорання. При горінні берилію виділяється велика кількість енергії, тому конструктори космічної техніки вважають за можливе використовувати його як компонент високоенергетичного палива. Запропоновано виготовляти з берилію паливні резервуари ракетних систем: коли пальне витратиться, замість нього можна використовувати й тару. Чистіші джерела енергії, безперечно, сприяють поліпшенню екологічного стану нашої планети.

Пов'язані публікації:

§5. Природні джерела органічних речовин. Природний і супутній нафтовий гази, їх склад, використання §7. Вугілля і продукти його переробки §42. Значення вуглеводів у життєдіяльності організмів §10. Синтез органічних сполук різних класів на основі вуглеводневої сировини §50. Значення хімічних процесів у природі §23. Склад мила, його мийна дія. Понятта про синтетичні мийні засоби, їх види, охорона довкілля від забруднення ними