К основным невозобновляемым углеводородным ресурсам относятся нефть, уголь и природный газ. Другие ресурсы: горючие сланцы, смоляные пески и торф (их принято считать неосновными органическими ископаемыми) – вносят лишь небольшой вклад в производство энергии. Все названные природные ресурсы используются в разных объемах в качестве основного сырья для промышленного производства не только энергии, но и многих видов химической продукции.
Нефть. В поверхностном слое земной коры на разных глубинах на суше и на дне океана залегает нефть. Иногда ее называют сырой нефтью. Она находится под плотным слоем горных пород, и ее ресурсы распределены весьма неравномерно в земной коре. Примерно 2/3 всех разведанных мировых запасов нефти сосредоточено на территории всего пяти стран: Саудовской Аравии, Кувейта, Ирана, Ирака и Арабских Эмиратов. Неразведанных запасов больше всего на Среднем Востоке. Соединенные Штаты имеют лишь около 3 % мировых запасов нефти, а потребляют более 30 %, причем 2/3 из них в качестве топлива для транспорта. Самыми большими запасами нефти обладает Саудовская Аравия: только их может хватить примерно на десять лет полного потребления нефтепродуктов во всем мире.
В последние десятилетия потребление нефти в мире постоянно увеличивалось. Потребность в нефтепродуктах продолжает неуклонно расти и в наше время (рис. 6.4). Лишь за одно десятилетие, с 1968 по 1978 г., было добыто столько же нефти, сколько за все предшествующие 110 лет. Например, в 2000 г. добыча нефти в России составила около 300 млн т. Значительная доля нефти расходуется на производство топлива для различных энергоустановок и транспорта. Однако сжигание нефтепродуктов – это самый неэффективный способ их потребления, и об этом более 100 лет тому назад утверждал выдающийся русский ученый Д.И. Менделеев: «Топить нефтью – всё равно, что топить ассигнациями».
В промышленных масштабах нефть обычно добывается в три этапа. На первом этапе извлекается 10–30 % нефти при естественном давлении из природного резервуара, состоящего из сложных пористых пород. На втором этапе при закачивании в скважины воды, газа или пара нефть вытесняется на поверхность, что позволяет получить дополнительно до 35 % разведанных запасов. На третьем этапе для извлечения нефтяных фракций из сложной жидкой смеси применяется поверхностно-активные вещества и полимерные растворители.
Сырая нефть чаще всего представляет собой маслянистую жидкость, состоящую преимущественно из углеводородов-алканов с линейной структурой и в основном с одинарными связями. Кроме алканов, нефть содержит разветвленные и циклические углеводороды, а также алкены и ароматические вещества.
Процесс переработки нефти, называемый крекингом, начинается с перегонки, при которой различные компоненты нефти разделяются на фракции в соответствии с их температурой испарения. Сначала извлекаются наиболее летучие углеводороды, один из них – октан С8Н18. По октановому эквиваленту оценивается качество моторного топлива, используемого для разных видов транспорта. В процессе переработки нефти удаляются различные примеси, включая серу, и в результате каталитического крекинга производится расщепление больших молекул, при котором образуются соединения с более низкой температурой кипения.
В результате переработки нефти получается более двух десятков основных соединений, среди которых наиболее распространены олефины, диолефины (этилен, пропилен, бутадиен, изопрен), ароматические соединения (бензол, толуол, ксилол) и газовая смесь оксида углерода с водородом (рис. 6.5). На основе этих соединений синтезируются тысячи промежуточных и конечных продуктов. В настоящее время около 90 % всех органических соединений производятся из нефти и природного газа.
Вплоть до середины XIX в. нефть использовалась всего лишь для смазки колес и в лечебных целях. В 1860 г. ее мировое потребление составило около 70 тыс. т. К концу XIX в. оно возросло до 21 млн т и через 75 лет – до 2730 млн т. Разведанные мировые запасы нефти на конец 1974 г. оценивались в 97 млрд т, а к началу 1990-х годов – около 600 млрд т. Доля мировых запасов нефти России в 2004 г. составила 12–13 %. Максимум мировой добычи нефти в сутки в 2006– 2007 гг. – 13,5 млн т, а к 2020 г. он снизится до 9,1 млн т. В России в 2004 г. было добыто около 460 млн т нефти с газовым конденсатом. Доля России в мировой добыче нефти в 2005 г. – около 10 %, а природного газа – 23 %. По некоторым оценкам, в 2000 г. разведанные запасы нефти в мире приблизились к 1000 млрд т. Предполагается, что при современных темпах добычи и потребления нефти ее запасов хватит до средины нынешнего века.
Если учесть, что природные запасы сырой нефти превышают разведанные, то срок исчерпания продлится не более, чем на 10 лет. Многие эксперты и специалисты в разных странах полагают, что к 2059 г., двухсотлетней годовщине первой в мире нефтяной скважины, сырой нефти, доступной для промышленной, рентабельной добычи останется совсем мало. Зная об этом, просвещенные руководители некоторых нефтяных компаний стремятся завладеть и другими ресурсами: природным газом, углем, – и вкладывать финансовые средства в разработку альтернативных, возобновляемых источников энергии.
Нефть, как один их важнейших природных ресурсов, сырьевых и энергетических, обладая явными преимуществами, имеет и свои недостатки с точки зрения решения экологических проблем. Она была и остается сравнительно дешевым сырьем, легко транспортируется даже на больше расстояния, и обладает относительно высокой энергоемкостью. Нефтепродукты можно использовать для разных целей: в качестве топлива для двигателей различных видов транспорта, отопления зданий, нагревания воды, получения высокотемпературного тепла в различных технологических процессах и для производства электроэнергии. И в этом заключаются преимущества нефтяных природных ресурсов.
Основные характерные недостатки использования нефтяных ресурсов: при сжигании нефтепродуктов выделяется диоксид углерода, усиливающий парниковый эффект; выбрасываются оксиды серы и азота, вызывающие кислотные осадки, наносящие ущерб живой и неживой природе; нефтяные пятна и утечка токсичных веществ (при добыче и переработке нефти) загрязняют почву, атмосферу и воду.
Из нефти производится не только энергия, но и многие виды синтетических материалов, которые не включаются на конечной стадии потребления в естественный круговорот веществ, а превращаются в промышленные и бытовые отходы, загрязняющие окружающую среду. И в этом заключается еще один большой недостаток потребления нефтяных ресурсов.
Природный газ. Один из важнейших источников энергоресурсов и химического сырья – природный газ, представляющий собой смесь углеводородов с относительно небольшой молекулярной массой. Состав природного газа весьма разнообразен. Обычно он содержит 60–80 % метана, остальное приходится на этан С2Н6, пропан С3Н8 и бутан С4Н10, и пропорция всех этих составляющих может быть различной. В природном газе есть и примеси, включающие серу, азот и другие вещества. Обычно этан и пропан превращаются каталитически в этилен С2Н4, пропилен С3Н8 и ацетилен С2Н2 – ценное химическое сырье для производства разнообразной промышленной продукции.
По оценке Международного газового союза, общие разведанные запасы природного газа на начало 1999 г. составили около 260 трлн м3. В 2015 г. ежегодная мировая потребность в газе достигла около 4 трлн м3, что на 80 % больше, чем в 1990 г. В 2004 г. разведанные запасы природного газа России составляли около 50 трлн м3 (32 % мировых запасов). В том же году добыто примерно 520 млрд м3 газа, из них приблизительно 300 млрд м3 поставлено на внутренний рынок. В 2005 г. освоена промышленная добыча метана из угольных пластов Кузбасса, где его запасы составляют около 13 трлн м3. Прогнозируемые ресурсы метана угольных месторождений России оцениваются в 50–80 трлн м3, что сравнимо с запасами традиционных газовых месторождений.
Природный газ легко транспортируется по трубопроводу. В последние годы его потребление резко возросло. Значительная доля мировых ресурсов природного газа принадлежит России. Его запасы, например, в США превосходят запасы нефти. Во всем мире источники природного газа быстро истощаются.
Примерно 40 % разведанных запасов природного газа в мире находится на территории бывшего Советского Союза, в том числе около 30 % в России. Другие страны с относительно большими разведанными запасами природного газа – Иран (14 %), Соединенные Штаты (6 %), Катар (4 %), Алжир (4 %), Саудовская Аравия (3 %) и Нигерия (3 %).
Природный газ широко используется для разных целей. Например, в Соединенных Штатах в 1980-х годах потребление природного газа составило 41 % для промышленности, столько же для отопления жилых и административных зданий, 15 % – для коммунальных услуг и 3 % – для транспорта.
Согласно оценке экспертов разных стран, при современном росте темпов потребления природного газа его запасов хватит до средины нынешнего века. Этот срок сократится в два и более раз при ежегодном росте потребления на 2 %.
Природный газ обладает сравнительно высокой энергоемкостью: при его сгорании выделяется больше тепла при меньшем загрязнении атмосферы, чем при сгорании любого другого вида ископаемого топлива. При этом образуется гораздо меньше диоксидов серы и азота и выделяется почти в два раза меньше диоксида углерода на единицу энергии, чем при сжигании угля. Высокая эффективность сгорания и теплоотдачи природного газа достигается при сжигании его на тепловых электростанциях и мусоросжигательных заводах, в бойлерах и сушильных камерах, в отопительных приборах и двигателях внутреннего сгорания. Природный газ эффективно используется в парогазовых установках – современных электростанциях с высоким коэффициентом полезного действия.
Для удобства транспортировки природного газа наземным или водным путем и его дальнейшего использования в качестве сырья он сжижается, что приводят к его удорожанию и требует применения специальных мер безопасности, ведь и сжижение, и транспортировка взрывоопасны.
Рациональное потребление природного газа с минимальными потерями непременно будет способствовать плавному, поступательному переходу от нефти, запасы корой весьма ограничены, к другим альтернативным, возобновляемым источником энергии и сырья.
Уголь. В последнее время большое внимание уделяется еще одному важнейшему источнику энергоресурсов и химического сырья – каменному углю, в недалёком прошлом занимавшему лидирующее положение во добыче и массовому потреблению. Мировые запасы угля, доступные для промышленной разработки его месторождений, по разным оценкам, в 20–40 раз превосходят нефтяные ресурсы. Например, в США запасов угля в десятки раз больше, чем нефти.
Уголь – наиболее широко распространенное в природе органическое сырье, роль которого в ближайшие десятилетия будет только возрастать по мере истощения нефтяных и газовых месторождений. Поэтому в наше время уделяется большое внимание прикладному исследованию и разработке эффективных и экологически чистых способов переработки ценного угольного сырья. Экономически выгодная широкомасштабная переработка угля в эффективное топливо позволила бы сохранить нефть для производства многих видов сырья в химической промышленности и сократить потребление нефтепродуктов в качестве топлива. В ближайшие десятилетия с развитием химической технологии уголь станет одним из важнейших источников сырьевой продукции (рис. 6.6), которую в настоящее время производят преимущественно из нефти и газа.
Каменный уголь – это твердое полезное ископаемое растительного происхождения. Он содержит, кроме углерода и водорода, серу, азот и некоторое количество минералов и воды. Соотношение водород/углерод в угле примерно равно единице, что вдвое меньше, чем в бензине, поэтому как топливо уголь менее эффективен. При химической переработке угля сначала из него удаляются сера, азот и неорганические примеси. Затем уголь превращается в жидкий синтез-газ – смесь оксида углерода и водорода.
Производство синтез-газа пока экономически невыгодно. Тем не менее, промышленная переработка угля уже достигала крупных масштабов. Так, во время Второй мировой войны в Германии, лишенной доступа к основным источникам нефти, из угля было произведено 585 тыс. т углеводородного топлива. Синтез-газ превращался в моторное топливо с помощью кобальтового катализатора. В недалеком прошлом в ЮАР около 40 % топлива (1750 тыс. т в год) производилось из угля с применением железного катализатора.
Доля мировых разведанных запасов угля в России в 2004 г. составила примерно 11 % и было добыто его около 300 млн т, более 1/4 которого экспортировалась в 40 стран мира, что составило примерно 10 % мирового экспорта. Предполагается, что в дальнейшем добыча угля в России будет возрастать. Разведанных запасов угля при современных темпах его потребления хватить на 100 и более лет.
Добыча и сжигание угля оказывает более сильное техногенное воздействие на окружающую среду по сравнению с другими видами ископаемого топлива. При поверхностной добыче разрушается почвенный слой, который в ряде случаев трудно и даже невозможно восстановить. Кроме того, происходит эрозия почвы, вблизи угольных пластов загрязняются грунтовые воды и водоемы, что приводит к гибели животных и растений. Добыча угля подземным способом до сих пор опасна для здоровья и жизни человека, несмотря на предпринимаемые современные меры безопасности. Например, за прошлое столетие в США в угольных шахтах погибло более 100 тыс. человек и не менее 1 млн шахтеров потеряло трудоспособность, почти четверть которых заболело силикозом из-за длительного вдыхания угольной пыли, содержащей диоксид кремния. Подземная добыча приводит к оседанию грунта и нарушению почвенного покрова. Токсичные вещества, вымываемые грунтовыми водами в заброшенных шахтах, распространяются на большие расстояния.
При сжигании угля образуются, кроме диоксида углерода, опасные газы – диоксиды серы и азота. Так, в США более 70 % диоксида серы и почти 25 % диоксида азота выбрасываются в атмосферу при сжигании угля на тепловых электростанциях, производящих около половины всей вырабатываемой энергии.
Для предотвращения загрязнения окружающей среды разрабатываются и внедряются новые способы более эффективного сжигания угля. Например, один из них – способ сжигания в кипящем слое измельченного угля с добавкой известняка – позволяет не только повысить эффективность процесса горения, но и заметно уменьшить выброс диоксидов серы и азота.
Неосновные органические ископаемые. К неосновных ископаемым органическим ресурсам относятся горючие сланцы, смоляные пески и торф.
Горючие сланцы представляют собой разновидность осадочных горных пород. Из них производятся жидкие углеводороды. Например, в сланцах только трех штатов США – Колорадо, Юта и Вайоминг – содержится довольно много углеводородов – около 60 млрд т. Однако для их широкомасштабной, промышленной добычи и рентабельной переработки предстоит решить сложные химические, геохимические и технологические задачи.
Горючие сланцы образовались из древних морских отложений ила и различной растительности. Кроме основной углеводородной составляющей, в их состав входит кероген – смесь нерастворимых органических полимеров и небольшое количество битума. Из тонны сланцев можно извлечь масло, эквивалентное по энергетической эффективности всего лишь 40–160 литрам сырой нефти; кроме того, сланцевое масло содержит многие примеси, органические соединения азота и серы, а также опасные для здоровья человека соединения мышьяка. При добыче сланцевых отложений и их переработке образуется сравнительно много промышленных отходов, которые загрязняют окружающую среду, и, следовательно, возникает трудно решаемая экологическая проблема защиты водных источников и почвы.
Смоляные пески состоят из остаточных асфальтовых фракций нефти. Для них характерны те же проблемы, что и для горючих сланцев. Поэтому эти природные ресурсы пока широко не осваиваются в промышленных масштабах.
К горючим полезным ископаемым относится торф. Его мировые запасы к началу нынешнего века составили более 500 млрд т, в том числе 200 млрд т в России. Торф образуется при скоплении остатков растений, подвергшихся неполному разложению во влажных болотах, и содержит 50–60 % углерода. Используется торф в качестве топлива, удобрения и теплоизоляционного материала. По калорийности и энергоемкости он существенно уступает углю и нефтяному топливу.
Все ископаемые энергетические ресурсы, основные и неосновные, не возобновляются либо слишком медленно восстанавливаются. Поэтому рано или поздно они будут полностью исчерпаны. В этой связи в наше время продолжается активный поиск новых альтернативных источников энергии, которые смогли бы в полной мере прийти на смену традиционным ископаемым ресурсам.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2018.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн., 2-е изд., М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум, 2-е изд. М.: Директ-Медиа, 2022.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 4-е изд. М.: Директ-Медиа, 2021.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Русский богатырь на троне. М.: ООО «Традиция», 2019.
Карпенков С.Х. Стратегия спасения. Из бездны большевизма к великой
России. М.: ООО «Традиция», 2018.
Карпенков С.Х. К истории одного преступления // Уничтоженные как класс. М.: ООО «Традиция», 2020. С. 3 – 65.
Карпенков Степан Харланович
