Энергия как двигатель цивилизации
Прогресс человеческой цивилизации неразрывно связан с освоением различных источников энергии. На заре истории люди использовали простейшие энергоресурсы: дрова, торф, силу ветра и воды. Разжигая костры из хвороста и сучьев, первобытные общины получали тепло для приготовления пищи и обогрева жилищ. Позднее, с развитием металлургии, тепловая энергия стала ключевым фактором в обработке меди, бронзы и железа, позволяя создавать орудия труда, инструменты и оружие.
Что такое топливо и каким оно бывает
Хотя уголь и нефть были известны с древности, термин «топливо» закрепился за веществами, которые при сгорании выделяют значительное количество тепла, широко распространены в природе и добываются в промышленных масштабах. К традиционным видам топлива относят нефть и её производные (бензин, керосин, мазут), уголь, природный газ, древесину, торф и горючие сланцы. В современном понимании это понятие расширилось и включает ядерное топливо для атомных электростанций и ракетное топливо для космических двигателей.
Химический состав топлива, в первую очередь содержание углерода (от 30% до 85%), определяет его свойства. Помимо углерода, в состав входят водород, кислород, азот, сера, а также зола и вода. Практическая ценность топлива измеряется количеством теплоты, выделяемой при полном сгорании. Например, 1 кг бензина выделяет около 44 МДж, каменного угля — 22 МДж, а древесины — примерно 10,2 МДж. Не менее важна жаропроизводительность — максимальная теоретическая температура горения. Для бензина она достигает 2100°C, для каменного угля — 2050°C, а для дров — не более 1600°C.
Использование и экологические последствия
Подавляющая часть добываемого топлива (около 90%) сжигается для получения энергии. Основными потребителями являются тепловые электростанции, промышленные предприятия (например, металлургические комбинаты), транспорт и системы отопления. Лишь небольшая доля нефти и газа служит сырьём для химической промышленности.
Процесс сжигания топлива имеет серьёзный экологический побочный эффект — образование продуктов сгорания: сажи, оксидов серы и азота, диоксида углерода. Ежегодно в атмосферу попадают сотни миллионов тонн этих веществ. Для защиты окружающей среды разрабатываются и внедряются эффективные фильтры, системы очистки газов и новые, более экологичные технологии сжигания, что делает охрану природы одной из приоритетных глобальных задач.
Исчерпаемость ресурсов и поиск альтернатив
Главный недостаток ископаемого топлива — его невозобновляемость. Современные запасы нефти, газа и угля формировались миллионы лет, в то время как темпы их потребления только растут. Ограниченность запасов и рост цен в 1970-х годах привели к «топливному голоду» и энергетическому кризису в ряде стран.
Гидроэнергетические ресурсы, в отличие от органического топлива, возобновляемы, но их использование ограничено географическими и экономическими факторами. Не на каждой реке строительство ГЭС является рентабельным. Эти вызовы стимулировали активный поиск новых источников энергии: ядерной, солнечной, геотермальной.
Водород — топливо будущего
Одним из самых перспективных энергоносителей считается водород. Его получают путём разложения воды, он удобен в хранении и транспортировке в газообразном, жидком или связанном с металлами состоянии. Например, для хранения больших объёмов газа можно использовать подземные хранилища, а жидкий водород — специальные изолированные резервуары. Интересен метод хранения в металлогидридах, где водород «впитывается» металлом под давлением и высвобождается при нагреве.
Крупномасштабное производство водорода может быть налажено с помощью атомных или будущих термоядерных реакторов, расположенных вдали от населённых пунктов. Энергия этих реакторов будет направляться не только на выработку электричества, но и на разложение воды. Полученные водород и кислород можно транспортировать по трубопроводам. Пропускная способность такого водородопровода диаметром 900 мм эквивалентна мощности десяти современных линий электропередачи напряжением 500 кВ.
Преимущество водородной энергетики — её цикличность. При сгорании водород превращается в водяной пар, который конденсируется в воду, замыкая цикл, в отличие от безвозвратно сжигаемого ископаемого топлива. Крупные потребители водорода также получат дополнительный ресурс — пресную воду. Основным препятствием для широкого перехода на водородное топливо пока остаётся высокая стоимость его промышленного производства из воды.
Стратегия развития топливно-энергетического комплекса
В современных условиях стратегия развития топливно-энергетического комплекса направлена на устойчивое обеспечение экономики всеми видами энергии. Это достигается за счёт наращивания добычи и производства при одновременном проведении последовательной и целенаправленной политики энергосбережения.