logo
ЭколКульт1 / EKOLOGIY

7.2. Ископаемое топливо

Основными видами ископаемого топлива являются нефть, уголь и природный газ, а также горючие сланцы. На ранних этапах эволюции биосферы Земли фотосинтез опережал деятельность консументов и редуцентов. В результате накапливались громадные запасы неразложившихся органических соединений, особенно на дне мелких морей и болот. Постепенно эти запасы были погребены минеральными отложениями и спустя миллионы лет в зависимости от конкретных условий (температура, давление и др.) превратились в нефть, уголь или природный газ. Хотя образование ископаемого топлива явилось результатом биологических процессов, пополнение их запасов в настоящее время исключено по двум причинам. Во-первых, существенно изменились условия на Земле, поэтому значительного накопления органического вещества уже не происходит. Во-вторых, скорость потребления ископаемого топлива в настоящее время значительно превышает скорость его образования. Извлекая энергию при сжигании ископаемого топлива, человечество фактически использует солнечную энергию, аккумулированную древними живыми организмами, и завершает начавшийся миллионы лет назад круговорот углерода.

По времени первым видом ископаемого топлива, широко используемым человечеством, стал уголь(таблица 7.3). Различают четыре вида угля, образующихся на различных этапах его формирования: торф, бурый уголь, битумный (мягкий) уголь, антрацит (твердый уголь). Теплотворная способность угля возрастает от торфа к антрациту, поэтому наиболее широко используются три последних вида угля. Самый полезный вид угля – антрацит из-за его наибольшей теплотворной способности и низкого содержания серы. Около 68 % всех мировых разведанных запасов угля и около 85 % его оцененных необнаруженных месторождений находится на территориях США, стран, ранее входивших в СССР, и Китая.

Хотя в XX веке уголь уступил "первенство" нефти, его доля в топливно-энергетическом балансе остается все еще высокой, а после энергетического кризиса 1970-х годов даже наметилось небольшое возрастание этой доли. В основном уголь используется для получения высокотемпературного тепла в ходе производственных процессов и при производстве электроэнергии. В связи с нефтяным кризисом в конце 1970-х – начале 1980-х годов были проведены широкие исследования по получению из угля синтетического топлива, жидкого и газообразного. Однако на сегодняшний день производство синтетического топлива еще слишком дорого по сравнению со стоимостью нефти. К тому же это производство при современном уровне технологии является очень "грязным" с точки зрения экологии. Другим потенциальным источником синтетического топлива являются горючие сланцы– осадочные породы, содержащие органическое вещество кероген. При нагревании до 600C кероген выделяет углеводородные пары, которые можно сконденсировать в нефть. Однако существующие технологии тоже пока экономически невыгодны (весьма сложным является вопрос о захоронении отходов этого производства, поскольку из 1 т высококачественных горючих сланцев получается всего около 80 л нефти).

Как уже говорилось, уголь относится к невозобновимым ресурсам. Выявленных мировых резервов угля должно хватить при современном уровне потребления на 220 лет, а при условии ежегодного возрастания потребления на 2 % – на 65 лет. Если учесть еще невыявленные резервы, то приведенные сроки увеличиваются до 900 и 150 лет соответственно.

Сжигание угля является одним из самых дешевых способов получения высокотемпературного тепла и электроэнергии. Однако использование угля сопряжено и со многими недостатками. Добыча угля является достаточно опасным производством, ежегодно в мире происходят аварии на шахтах, в которых гибнут люди. При подземной добыче не менее половины угля приходится оставлять на месте во избежание обвала шахт. При открытой разработке нарушаются большие площади почвенного слоя и, тем самым, наносится значительный урон наземным экосистемам. Большим недостатком являются трудности при транспортировке угля от мест добычи к местам потребления (по сравнению с жидким и газообразным топливом), а также невозможность его использования в твердом виде в качестве топлива для автомобилей. Сжигание угля приводит к наибольшему по сравнению с другими видами ископаемого топлива загрязнению окружающей среды, прежде всего мелкими твердыми частицами, оксидами углерода, азота и серы (см. раздел 8.7).

С начала XX века уголь начал вытесняться в топливно-энергетическом балансе нефтью. Нефть – это клейкая маслянистая жидкость, состоящая главным образом из углеводородов. Наиболее ценной считается легкая, или обессеренная нефть, содержащая небольшое количество серы и большое количество компонентов, которое можно легко очистить и превратить в бензин. Наименее ценна тяжелая, или сернистая, корродирующая нефть. До середины XIX века нефть добывалась в небольших количествах (2 – 5 тысяч тонн в год) из неглубоких колодцев вблизи естественных выходов ее на поверхность. С внедрением в 1860-х годах бурения нефтяных скважин добыча нефти стала стремительно возрастать и достигла к концу века 20 миллионов тонн. Уже в годы Первой мировой войны нефть проявила себя как важнейшее стратегическое сырье, что дало возможность комиссару по снабжению французской армии нефтью А.Беранже после войны написать: "Кто владеет нефтью, будет владеть миром, потому что благодаря мазуту он будет господствовать на море, благодаря авиационному бензину – в воздухе, благодаря автомобильному бензину и осветительному керосину – на суше. И в дополнение он будет править своими собратьями в экономическом отношении, обладая фантастическим богатством, которое он извлечет из нефти – этого удивительного вещества, за которым охотятся больше, чем за золотом, и которое гораздо ценнее, чем само золото". Последующие десятилетия полностью подтвердили это предсказание. Добыча нефти неуклонно возрастала, достигнув максимума в 1979 году (3109 миллионов тонн). К 1983 году добыча нефти несколько снизилась (до 2637 миллионов тонн), а затем снова стала возрастать, достигнув в 1994 году величины 3066 миллионов тонн. Всего с начала разработки нефтяных месторождений суммарная мировая добыча нефти составила около 98,5 миллиарда тонн. В дореволюционной России наибольшая добыча нефти пришлась на 1901 год (11,9 миллиона тонн), что составляло более половины всей мировой добычи нефти, к 1917 году объем добычи упал – 8,8 миллиона тонн в год. В СССР добыча нефти возросла с 4,7 миллиона тонн в 1922 году до 624,3 миллиона тонн в 1988 году. В Российской Федерации в 1940 году добывалось 7 миллионов тонн нефти, в послевоенные годы добыча резко возросла, достигнув максимума в 1988 году (569 миллионов тонн), а затем стала падать (до 305,6 миллиона тонн в 1997 году).

К середине 1970-х годов в мире сформировалось 5 главных регионов размещения нефтегазовой промышленности: СССР (Россия, Азербайджан), Ближний и Средний Восток, Северная Америка и Венесуэла, Северная и Западная Африка, Северное море. При этом почти 2/3 всех разведанных мировых запасов нефти находятся всего в пяти странах: Саудовской Аравии, Кувейте, Иране, Ираке, Объединенных Арабских Эмиратах. Отметим также, что районы добычи нефти, как правило, весьма удалены от районов ее потребления, что не только вызывает необходимость ее транспортировки на большие расстояния (например, США обладают лишь 3 % мировых резервов нефти, а потребляют около 30 % ежегодно добываемого ее количества), но и нередко порождает межгосударственные противоречия и конфликты, выходящие порой за рамки политических и превращающихся в военные.

Как и уголь, нефть относится к невозобновимым ресурсам. Мировые начальные разведанные извлекаемые запасы нефти оцениваются в 245,8 миллиарда тонн, таким образом, оставшиеся запасы не превышают 140 – 150 миллиардов тонн. При современном уровне потребления этого хватит на ближайшие 50 лет. Некоторые специалисты утверждают, что в земной мантии может содержаться в 100 раз больше нефти по сравнению с приведенными оценками. Но такие месторождения (если они и существуют, а большинство геологов это отрицает) залегают на глубине от 10 км, что более чем вдвое превышает глубину самой глубокой современной скважины. Поэтому, кроме вопроса о существовании таких месторождений, возникает вопрос о способности человечества в ближайшие десятилетия разработать технологии добычи нефти с таких больших глубин по приемлемым ценам.

Основным потребителем нефти (точнее, нефтепродуктов) является транспорт, затем – промышленность, отопление зданий и производство электроэнергии. В США, например, на эти нужды в 1987 году расходовалось 63 %, 25 %, 9 % и 3 % всей потребляемой нефти соответственно. Нефть представляет собой сравнительно дешевый вид топлива, она обладает высокой теплотворной способностью (при сгорании 1 кг нефти выделяется столько же тепла, сколько при сгорании 1,3 кг антрацита и 3,1 кг бурого угля, еще большей теплотворной способностью обладают производные нефти). Нефть легко транспортировать, она является многосторонним топливом, пригодным и для автотранспорта, и для получения высокотемпературного тепла для производственных процессов, и для отопления, и для нагревания воды, и для выработки электроэнергии. Однако использование нефти имеет и существенные недостатки. Во-первых, как и при сжигании угля, при сжигании нефти происходит загрязнение окружающей среды оксидами азота, серы, углерода и другими веществами (см. раздел 8.7). Во-вторых, нефть представляет собой ценное сырье для химической промышленности. В-третьих, и добыча, и особенно транспортировка нефти на большие расстояния неизбежно связаны с загрязнением окружающей среды (см. раздел 8.6).

В последние десятилетия постоянно возрастает в топливно-энергетическом балансе доля природного газа. Природный газ является смесью, содержащей от 50 до 96 % метана и меньшие количества более тяжелых углеводородов (этан, пропан, бутан, пентан и др.), а также азот, углекислый газ и иногда некоторые другие газы. Обычный природный газ залегает над большинством месторождений сырой нефти, особый природный газ залегает в подземных месторождениях, не связанных с нефтью.

Впервые природный газ был применен в США в 1821 году для освещения. На протяжении XX века мировая добыча природного газа возрастала в 3 – 4 и более раз каждые 20 лет: 1901 – 1920 годы – 0,3 триллиона кубических метров, 1921 – 1940 годы – 1,0 триллиона, 1941 – 1960 годы – 4,8 триллиона, 1961 – 1980 годы – 21,0 триллиона кубических метров. В 1986 году в мире было добыто 1,704 триллиона кубических метров, а в 1993 году мировая добыча природного газа составила 2,6634 триллиона кубических метров. Подобный стремительный рост добычи и потребления природного газа позволили некоторым аналитикам утверждать, что на смену "эры нефти" приходит "эра природного газа". В СССР в 1922 году было добыто 0,03 миллиарда, в 1940 году – 3,2 миллиарда кубических метров природного газа, в промышленных масштабах его добыча началась в конце 1950-х годов, составив в 1958 году 21 миллиард кубических метров. Затем добыча природного газа стала быстро нарастать, достигнув в 1987 году 678 миллиардов кубических метров. В 1983 году СССР вышел по этому показателю на первое место в мире. В России в последние десятилетия добыча природного газа также резко возрастала, увеличившись с 66,8 миллиарда кубических метров в 1970 году до 609 миллиардов кубических метров в 1992 году. Затем добыча медленно снижалась и составила в 1996 году 575 миллиардов кубических метров.

В 1994 году главными газодобывающими странами мира были: Россия, США, Нидерланды, Великобритания, Индонезия, Алжир, Саудовская Аравия, Иран, Норвегия, Италия, Германия, Катар, Нигерия.

Разведанные мировые запасы природного газа, по оценке, составляют 148,9 триллиона кубических метров. При современном уровне потребления этих запасов должно хватить более чем на 70 лет. Перспективы развития газовой промышленности во многом зависят от прогнозных ресурсов природного газа. Оценки экспертов в этом отношении более оптимистичны, чем в отношении угля и нефти. По данным Международного газового союза традиционные мировые ресурсы природного газа составляют 398 триллионов кубических метров. По другим источникам эти запасы составляют от 400 до 650 триллионов кубических метров, есть и более высокие оценки (от единиц до сотен квадриллионов кубических метров).

Природный газ в основном используется для нужд промышленности, отопления зданий, коммунальных услуг, транспорта. Например, в США на эти цели в 1987 году расходовалось 41 %, 41 %, 15 % и 3 % природного газа соответственно. Использование природного газа по сравнению с другими видами ископаемого топлива обладает целым рядом преимуществ. Теплотворная способность природного газа выше, чем любого другого вида ископаемого топлива. При сжигании природного газа практически не образуется оксидов серы и мелких твердых частиц, оксидов азота образуется в 6 раз меньше, чем при сжигании угля, нефти или бензина, значительно меньше выделяется углекислого газа. Природный газ достаточно дешев, его легко транспортировать по трубопроводам, он является многосторонним топливом. Хотя метан (основная составляющая природного газа) и является одним из парниковых газов (см. раздел 8.7.4), большая часть содержащегося в атмосфере метана не является следствием добычи и использования природного газа. Одна из проблем при использовании природного газа состоит в том, что для его транспортировки на танкерах (а трубопроводы не всегда возможны) его необходимо перевести в жидкую форму. Транспортировка сжиженного природного газа в рефрижераторных танкерах является дорогим и опасным мероприятием. Кроме того, преобразование природного газа в жидкую форму на 25 % снижает чистый выход полезной энергии, поскольку требует определенных затрат энергии.

В целом, оценивая использование ископаемого топлива, можно выделить три группы экологических проблем:

Все сказанное свидетельствует о том, что ориентация на преимущественное использование для удовлетворения энергетических потребностей на ископаемое топливо не обеспечивает устойчивого развития человечества. Это приводит к непрекращающимся поискам альтернативных источников энергии как уже известных, так и принципиально новых.