История развития человечества теснейшим образом связана с получением и использованием энергии. Издавна в качестве основных источников энергии — энергетических ресурсов, или энергоресурсов, — использовались дрова, торф, древесный уголь, вода, ветер. Первобытный человек, сжигая в костре сучья, хворост, обломки деревьев, мох, добывал таким образом теплоту для приготовления еды и обогрева жилища. Уже в древнем мире люди использовали тепловую энергию для изготовления из меди, бронзы, железа и других металлов предметов быта, инструментов, орудий труда, различных приспособлений, оружия.
С древнейших времен известны и уголь и нефть — вещества, дающие при сжигании большое количество теплоты. Издавна использовались также некоторые виды сланцев как природного, так и искусственного происхождения. Но только те из веществ, которые при сжигании выделяют большое количество теплоты, широко распространены в природе и добываются промышленным способом, называют топливом. К топливу относятся нефть и нефтепродукты (керосин, бензин, мазут, дизельное топливо), уголь, природный горючий газ, древесина и растительные отходы (солома, лузга и т. п), а также торф, горючие сланцы. В наше время слово «топливо» применяют и к веществам, используемым в ядерных реакторах на атомных электростанциях, — ядерное топливо, в ракетных двигателях — ракетное топливо.
Свойства топлива зависят главным образом от его химического состава. Основным элементом любого топлива природного (органического) происхождения является углерод (содержание его составляет от 30 до 85% массы топлива). В состав топлива в различных пропорциях входят также водород, кислород, азот, сера, зола, вода.
Практическая ценность топлива определяется количеством теплоты, выделяющейся при его полном сгорании. Так, при сжигании 1 кг древесины выделяется теплота, равная 10,2 МДж/кг, каменного угля — 22 МДж/кг, бензина — 44 МДж/кг.
Другая важнейшая характеристика топлива — его жаропроизводительность, оцениваемая значением максимальной температуры, какую теоретически можно получить при полном сгорании топлива в воздухе. При сгорании дров, например, максимальная температура не превышает 1600° С, каменный уголь дает 2050° С, бензин — 2100° С.
По существу все добываемое топливо сжигается, лишь около 10% нефти и газа используется в качестве сырья для химической промышленности. Наибольшее количество топлива расходуется на тепловых электростанциях, в различного рода тепловых двигателях, на технологические нужды (например, при выплавке металла, для нагрева заготовок в кузнечных и прокатных цехах), а также на отопление жилых, общественных и производственных помещений.
При сжигании топлива образуются продукты сгорания (сажа, оксиды серы и азота, диоксид углерода), которые обычно через дымовые трубы выбрасываются в атмосферу. Ежегодно таким образом в атмосферу попадают сотни миллионов тонн различных, зачастую вредных, веществ. Для защиты окружающей среды от загрязнения ее продуктами сгорания топлива используют различные фильтры и другие устройства, улавливающие или разлагающие вредные выбросы, разрабатываются и применяются способы сжигания топлива, исключающие образование таких веществ. Охрана природы стала одной из важнейших задач человечества (см. Очистка сточных вод и отходящих газов).
Основной недостаток природного топлива — его крайне медленная восполняемость. Существующие ныне запасы образовались десятки и сотни миллионов лет назад. В то же время добыча топлива непрерывно увеличивается.
Ограниченные запасы газа и нефти и, значит, повышение их стоимости в значительной мере были причиной того, что в 70-х гг. XX в. в ряде капиталистических стран наступил «топливный голод» — острая нехватка топливных энергоресурсов, выразившаяся в так называемом энергетическом кризисе.
Истощение не грозит гидроэнергетическим ресурсам — в отличие от органического топлива они непрерывно возобновляются. Однако и здесь есть ограничения, связанные в основном с экономичностью использования водной энергии. Дело в том, что гидроэлектростанцию не построишь где угодно. Для этого необходимы определенные природные условия. Каждая река имеет гидроэнергетический потенциал, но не на каждой реке строительство гидроэлектростанции оправдано с экономической точки зрения.
Вот почему важнейшей проблемой энергетики в 70-х'гг. стала проблема изыскания новых источников энергии, в частности ядерной энергии, энергии солнечного излучения, внутреннего тепла Земли (см. Атомная электростанция, ядерная энергетика, Гелиоэнергетика, Геотермическая электростанция).
Одним из перспективных ресурсов является водород. Его выделяют из обыкновенной воды, он хорошо хранится и транспортируется в газообразном, жидком и твердом (химически «связанном») виде. Большое количество газа выгодно хранить в огромных подземных хранилищах, жидкость — в резервуарах. Чтобы жидкий водород не испарялся (его температура кипения 252°С), оболочку резервуара снаружи покрывают хорошей тепловой изоляцией. Одного резервуара, например, емкостью 3500 м3 хватило бы для снабжения энергией в течение целого года небольшого города с 20-тысячным населением. Перспективный способ хранения водорода основан на его способности образовывать химические соединения с некоторыми металлами. При небольшом давлении металлы, словно губка, впитывают в себя водород. А чтобы получить его обратно, их слегка подогревают. Такие способы хранения водорода давно применяют в лабораториях и в промышленности.
Но как получать водород в больших количествах? Вдали от населенных пунктов на берегу моря можно построить мощные атомные, а в будущем — термоядерные реакторы. При этом энергия атома пойдет не только для производства электрической энергии, но и на разложение воды. Получаемые водород и кислород направят по трубам к потребителям, где искусственное горючее в газообразном, жидком или твердом виде будет распределяться на тепловые электростанции, автомобили, самолеты. По одному водородопроводу, скажем, диаметром 900 мм можно передавать энергопоток мощностью свыше 12 000 МВт. Для передачи такого же энергопотока по электрическим проводам потребовался бы десяток современных линий электропередачи напряжением 500 кВ.
Переход на водородное топливо имеет и еще одну привлекательную сторону. Если каменный уголь, нефть, природный газ расходуются безвозвратно, то водород может участвовать в круговороте энергии сколько угодно: сгорая, он превращается в водяной пар, затем в воду. Кстати, крупные потребители водородного топлива кроме тепловой энергии смогут получать много пресной воды.
Сегодня единственным обстоятельством, мешающим перейти от природного топлива к водородному, является высокая стоимость производства водорода из воды в широких масштабах.
В нашей стране на современном этапе развитие отраслей топливно-энергетического комплекса подчиняется задаче устойчивого обеспечения потребностей народного хозяйства во всех видах топлива и энергии путем увеличения их добычи и производства, при планомерном проведении целенаправленной энергосберегающей политики.