Основи хімії і фізики горючих копалин - Посібник (Саранчук В.І., Ільяшов М.О., Ошовський В.В., Білецький В.С.)

1. джерела енергії й органогенна сировина

Здавна пошук їжі і джерел енергії визначав діяльність людини. Деревина, вітер і вода довгий час були єдиними енергоносіями. З перетворенням енергії води й інших видів енергії в електричний струм почався бурхливий розвиток техніки. Дешева нафта забезпечила після 1945 року непередбачено переможний хід автомобіля. Однак зрос- тання цін на енергоносії і різке збільшення чисельності населення Землі є застережен- ням про наявність межі росту енергоспоживання.

Мінімум енергії, необхідний для підтримки життєдіяльності людини (в первіс- ному і сучасному світі), дорівнює 12,6 МДж на день або 4,18·103 МДж на рік, що екві- валентно енергії, яка виділяється при спалюванні 125 кг нафти. У зв’язку з підвищен- ням вимог людей до комфорту на початку ХХ століття споживання енергії перевищило біологічно необхідний рівень у 5,5 рази, у 1980 р. – в 13,3 рази, а на початку ХХІ сто- ліття – в 23-25 разів.

У середньому одна людина за рік споживає енергію 2,2 т у.п. (тонн умовного

палива), у той час як у США споживання енергії дорівнює 12, у Німеччині – 6, а в кра- їнах Африки – 0,1 т у.п., що на 40\% менше мінімуму енергії для підтримки життєдія- льності людини.

Чисельність населення Землі швидко зростає. У 1700 році на планеті прожива- ло 600 млн. людей, до 1850 року число землян збільшилося до 1,2 млрд., до 1950 року – до 2,5, а до середини 1987 року – до 5,0 млрд., у другій половині 1999 р. – до 6,0 млрд., на початку 2007 року – 6,3 млрд. Таким чином, для першого подвоєння числа землян потрібно було 150 років, другого – 100, а третього – менше 37 років.

Темпи приросту використання геоенергетичних ресурсів складають 3-4\% на рік. Приріст у 4\% означає збільшення їх кількості за 30 років утричі, а за 100 років – в

50 разів, тобто приріст використання енергоресурсів випереджує приріст числа землян.

Світове  використання  енергоресурсів  по  роках  у  тоннах  умовного  палива

(т у.п.) наведено в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 – Світове використання енергоресурсів

 

Показник

1900

1950

1970

2000

2020

2050

Сумарне енерговикористання, млрд. т у.п.

0,95

2,86

7,30

14,2

19,4

23,9

Населення, млрд.

1,62

2,50

3,60

6,00

8,00

9,2

Питома енерговитрата, т у.п. на 1 людину

0,59

1,16

2,03

2,36

2,42

2,59

 

У зв’язку з життєвими потребами і ростом споживчого попиту населення, нава-

нтаження на природу стає настільки великим, що слід очікувати порушення енергети- чного балансу планети. Очевидно, що земні ресурси зможуть забезпечити зростаючі потреби тільки протягом обмеженого терміну.

На початку ХХІ сторіччя на Землі щорічно споживається понад 14 млрд. т у.п.

енергії. За прогнозом Всесвітньої Енергетичної Ради і Міжнародного інституту прик-

 

ладного системного аналізу (WEC/IIASA) у 2020 р. глобальне енергоспоживання людс-

тва складе 19,4 млрд. т у.п.

У найближче десятиліття зростання попиту на 90\% буде покриватися за раху-

нок використання палива. Слід зазначити, що питоме енергоспоживання на одиницю виробленої продукції в країнах Східної Європи, у тому числі й в Україні, у 15 разів вище, ніж у Японії, у 10 разів вище, ніж у Франції, у 5-6 разів вище, ніж у США. На

1 долар США продукції в Японії витрачається 0,13, у Франції – 0,19, у Південній Кореї

– 0,31, США – 0,35 кг, а в країнах Східної Європи – 1,9-2,2 кг нафтового еквіваленту. Це свідчить про значні можливості нашої країни щодо енергозбереження.

Енергоносії прийнято поділяти на відновлювані і невідновлювані. До першої

групи відносять:

– сонячну енергію;

– енергію вітру;

– енергію води;

– біомасу (деревина, сміття тощо);

– тепло морів;

– енергію припливу;

– тепло Землі.

До другої групи відносять:

– кам’яне і буре вугілля;

– торф;

– нафту;

– природний газ;

– ядерне паливо.

Відновлювані джерела енергії залежать (крім тепла Землі) від сонячної енергії. На сьогоднішній день, у зв’язку з великою амплітудою їх коливань у часі, малою прос- торовою густиною енергії, низьким коефіцієнтом корисної дії і великою матеріалоєм- ністю розроблених установок, вони використовуються дуже мало. Їхня частка в енер- гетичному балансі різних країн складає від одного до кількох відсотків. Так у Німеч- чині частка цих джерел енергії складає 2,4\%, в Україні – 5-6\%. В США частка віднов- люваних джерел енергії у виробництві електроенергії складала в 1996 році 13\%, однак, згідно з прогнозом Міністерства енергетики США, у 2020 році вона знизиться до 9\%.

Сонячна енергія є джерелом енергії вітру, води, тепла морів, біомаси, а також причиною утворення протягом тисячоліть торфу, бурого і кам’яного вугілля, нафти і природного газу, однак ця енергія опосередкована і накопичена протягом тисяч і мі- льйонів років. Енергія Сонця може бути використана і безпосередньо, як джерело еле- ктроенергії і тепла. Для цього потрібно створити пристрої, які концентрують енергію Сонця на малих площах і в малих об’ємах. На даний момент працюють нагрівальні пристрої, які акумулюють енергію Сонця, а також дослідні зразки електродвигунів і автомобілів, які використовують енергію Сонця.

Сонячна енергія, як вважають, до кінця століття може скласти не більше 1\% від

загальної кількості використовуваної енергії. Ще в 1870 році в Чилі було побудовано сонячний опріснювач морської води, який виробляв до 30 т прісної води на добу і працював понад 40 років. Завдяки застосуванню гетеропереходів коефіцієнт корисної

 

дії сонячних батарей вже досягає 25\%. Налагоджено виробництво сонячних батарей у

вигляді довгої полікристалічної кремнієвої стрічки, які мають ККД понад 10\%.

Енергія вітру використовується людством віддавна. Вітряні млини для переро-

бки зерна винайдені ще у середньовіччі, а в останні роки енергія вітру все ширше ви- користовується для одержання електроенергії. Створюються вітряки великої потужно- сті і встановлюються на місцевості, де дмуть часті й сильні вітри. Кількість і якість та- ких двигунів зростає щорічно, налагоджене серійне виробництво.

В Україні діють сім вітроелектростанцій (ВЕС), оснащених власними вітроагре- гатами. У 1998-1999 роках стали до ладу три нові ВЕС, вартість електроенергії на яких нижча, ніж на збудованих раніше.

Процес будівництва української вітроенергетики почався у 1996 році, коли бу- ла запроектована Новоазовська ВЕС проектною потужністю 50 МВт. У 2000 році пра- цювало 134 турбіни з 3500 запроектованих та закладено близько 100 фундаментів під турбіни   потужністю   100 кВт   кожна.   Фактична   потужність   станції   при   штаті

34 працівники – 14,5 МВт. Приблизно такий же штат співробітників буде на ВЕС, коли вона досягне проектної потужності. На Південмаші у Дніпропетровську будують тур- біну потужністю 1,0 МВт, яка буде встановлена на Новоазовській ВЕС.

Німеччина є світовим лідером з використання енергії вітру. Тільки за перші

6 місяців 2001 року в ФРН було збудовано 673 нові вітрові електричні установки. Зага- льна кількість «вітряків» у Німеччині складає понад 10 тисяч, а їх загальна сукупна по- тужність досягла 6900 МВт. У Нижній Саксонії працює близько 2000 таких установок, які виробляють близько 8\% електроенергії.

Розроблено проект, згідно з яким у 2004-2005 роках почалося будівництво чо- тирьох промислових вітрових парків у Балтійському морі і десятьох – у Північному. Перші експериментальні станції з’явилися у морі на насипних островах у 2003 році. До

2010 року частка екологічно чистої енергії в енергетичному балансі Німеччини може зрости до 10 відсотків.

В Данії близько чверті електроенергії отримують на ВЕС.

Енергія води, як і енергія вітру, використовується людьми здавна як джерело механічної енергії, а починаючи з ХХ ст. і як джерело електроенергії. У світі побудо- вана велика кількість гідроелектростанцій, які виробляють до 5\% від загальної елект- роенергії, причому в деяких країнах частка електрики, виробленої на гідроелектроста- нціях, значно вища. В Україні, на Дніпрі, побудовано каскад з 6 гідроелектростанцій. Слід зазначити, що в останні роки будівництво гідроелектростанцій у світі значно ско- рочено внаслідок відсутності сприятливих умов.

В енергетичному комплексі України гідроелектростанції посідають третє місце після теплових та атомних. Сумарна встановлена потужність ГЕС України нині стано- вить 8\% від загальної потужності об’єднаної енергетичної системи країни. Середньо- річний виробіток електроенергії гідроелектростанціями дорівнює 10,8 млрд. кВт·год. Встановлено, що економічні та технічні можливості використання гідроенергоресурсів України  дорівнюють  близько  20 млрд. кВт·год.,  а  нині  використовується  не  більше

50\%. Основний використовуваний потенціал зосереджений на ГЕС Дніпровського кас- каду (потужність – 3,8 ГВт, виробіток – 9,9 ГВт·год): Дніпровська ГЕС, Київська ГАЕС (гідроакумулююча), Ташлицька ГАЕС.

 

Окрім ГЕС і ГАЕС, в Україні нині експлуатуються 49 так званих малих ГЕС, які

виробляють понад 200 млн. кВт·год електроенергії. Але вони мають недоліки: швидке зношення обладнання, пошкодження споруд напірного фонтана, замулення водосхо- вищ, недостатнє використання засобів автоматики та контролю.

Подальший розвиток гідроенергетики потребує реконструкції і технічного вдо- сконалення гідровузлів. Заміну фізично застарілого обладнання слід здійснювати на сучасному рівні (з використанням засобів автоматизації та комп’ютеризації).

Енергія хвиль, яка виділяється при хвильовому русі води в океані, величезна. Середня хвиля висотою 3 м несе приблизно 90 кВт енергії на 1 м2 узбережжя.

В Японії з 1978 р. працює плавуча електростанція, яка використовує енергію

морських хвиль. Станція дозволяє отримувати і перетворювати енергію хвиль у каме- рах компресорного типу на енергію стиснутого повітря. Потім лопатки турбіни обер- тають електрогенератор. Сьогодні у світі вже близько 400 маяків і навігаційних буїв одержують живлення від хвильових енергетичних установок. В Індії від хвильової енергії працює плавучий маяк порту Мадрас. У Норвегії з 1985 р. діє перша у світі промислова хвильова станція потужністю 850 кВт. Енергоустановки такого типу еко- номічно ефективні для малих населених пунктів на узбережжі океану.

Біомаса (деревина, сміття, і ін.). Щорічно приріст біомаси у світі оцінюється в

200 млрд. т в перерахунку на суху речовину, що енергетично еквівалентно 80 млрд. т нафти. Одним із джерел біомаси є ліси. При переробці деревини 3-4 млрд. т станов- лять відходи, енергетичний еквівалент яких складає 1,1-1,2 млрд. т нафти. Світова по- треба в енергії складає тільки 12\% енергії щорічного світового приросту біомаси. Част- ка і кількість біомаси, використовуваної для одержання енергії, постійно знижується, що можна пояснити порівняно низькою теплотою згоряння біомаси внаслідок високо- го вмісту в ній води.

Все частіше як 8-20\%-а добавка до звичайних бензинів для підвищення октано- вого  числа  використовується  паливний  етанол,  а  в  деяких  випадках  –  гідролізний спирт. Сировиною для одержання етанолу служать різні продукти природного біосин- тезу. У Канаді для цього використовується зерно кукурудзи, з 1 т якої одержують 400 л етанолу і високопротеїновий корм для худоби. У Бразилії спирт одержують з особли- вого сорту тростини. Досвід використання етанолу як добавки до бензину є і в Україні.

Певне застосування в енергетиці можуть знайти сільськогосподарські відходи:

солома, відходи життєдіяльності тварин і птиці тощо.

Лідером          у          використанні соломи            як         палива            є          Данія,  де        побудовано

8 000 фермерських установок потужністю 0,1-1,0 МВт, 62 теплові станції потужністю

1-10 МВт і 9 комбінованих теплоелектростанцій. Крім Данії, солому використовують Австрія, Швеція, Фінляндія і Франція. В Україні потенціал використання соломи скла- дає 4,3 млн. т у.п. на рік (близько 2\% витрат палива), однак її застосування вимагає значних капіталовкладень.

Біогаз, одержуваний з відходів життєдіяльності тварин і птиці, може замінити в Україні 6 млрд. м3  природного газу, однак для його одержання необхідні значні інвес- тиції, строк окупності яких складає 4-5 років. Китай проектує через кілька років довес- ти виробництво біогазу до 100-120 млрд. м3.

Одним з перспективних джерел енергії є завалочний газ, що утворюється в ре-

 

зультаті  розкладання  органічної  частини  твердих  побутових  відходів в  анаеробних

умовах, що виникають невдовзі після їх санітарного поховання. Тільки в містах утво- рюється 400-450 млн. т твердих побутових відходів на рік. Вихід газу з теплотою зго- ряння 17-20 МДж/м3 складає 100 м3/т твердих побутових відходів протягом 20 років зі швидкістю 5 м3/т на рік. Потенціал завалочного газу в країнах Європейського Союзу наближується  до  9 млрд. м3/рік,  у  США  –  13 млрд. м3/рік,  в  Україні  –  близько

1 млрд. м3 на рік.

Тепло морів і енергія припливів практично не використовуються як джерела енергії внаслідок низького питомого енергетичного потенціалу (малого перепаду тем- ператури води, малої амплітуди і значного часу протікання припливів і відливів). У світі побудовано кілька дослідних припливних електростанцій у зонах з макси- мальними висотами припливів, однак їх промислове будівництво найближчим часом не намічається. Великий обсяг проведених у світі досліджень з розробки способів кон- центрації низьких енергій дозволяє сподіватися на використання в майбутньому цих колосальних джерел енергії.

Геотермальна енергія (природне тепло Землі), акумульована в перших десяти кілометрах земної кори, за оцінкою МРЕК-ХІ досягає 137 трлн. т у.п., що в 10 разів пе- ревищує геологічні ресурси усіх видів палива разом узятих.

З усіх видів геотермальної енергії мають найкращі економічні показники гідро- геотермальні ресурси – термальні води, пароводяні суміші і природна пара.

Гідрогеотермальні ресурси, які використовуються на сьогодні практично, скла- дають лише 1\% від загального теплового запасу надр. Досвід показав, що перспектив- ними в цьому відношенні варто вважати райони, в яких зростання температури з гли- биною відбувається досить інтенсивно, колекторські властивості гірських порід дозво- ляють одержувати з тріщин значні кількості нагрітої води чи пари, а склад мінеральної частини термальних вод не створює додаткових труднощів по боротьбі із солевідкла- деннями і кородуванням устаткування.

Аналіз економічної доцільності широкого використання термальних вод пока- зує, що їх варто застосовувати для опалення і гарячого водопостачання комунально- побутових, сільськогосподарських і промислових підприємств, для технологічних ці- лей, добування цінних хімічних компонентів тощо. Гідрогеотермальні ресурси, прида- тні для одержання електроенергії, складають 4\% від загальних прогнозних запасів, то- му їх використання в майбутньому варто пов’язувати з теплопостачанням і теплофіка- цією місцевих об’єктів.

В Україні прогнозні експлуатаційні ресурси термальних вод за запасами тепла еквівалентні використанню близько 10 млн. т у.п. на рік.

Серед перспективних районів для пошуків і розвідки геотермальних ресурсів

Донецький басейн.

Значні масштаби розвитку геотермальної енергетики в майбутньому можливі лише при одержанні теплової енергії безпосередньо з гірських порід (петрогеотерма- льна енергія). В цьому випадку теплоносій певного потенціалу утворюється в резуль- таті теплообміну води, яка нагнітається при контакті у тріщині з високотемпературни- ми гірськими породами в зоні природної чи штучно створеної проникності з наступ- ним виведенням теплоносія на поверхню.

нуючих технічних можливостях – температура гірських порід складає 150°С. Така тем- пература гірських порід у межах України зафіксована на глибинах 3-10 км (у Донбасі –

4-6 км).

Відповідно до проведеної оцінки геологічні ресурси геотермальної енергії най- більш перспективних в Україні площ в інтервалі глибин 3-10 км складають близько

15 трлн. т у.п., до 7 км – 3 трлн. т у.п. У Дніпровсько-Донецькій западині і Донбасі прогнозні ресурси петрогеотермальної енергії в інтервалі глибин 4-10 км складають

9 трлн. т у.п., в тому числі до 7 км – 1,9 трлн. т у.п. Щільність ресурсів на технологічно доступних глибинах 4-5 км складає близько 7 млн. т у.п./км.

Гідротермальні родовища використовуються в ряді країн для вироблення елек- троенергії. Перше місце за виробленням електроенергії з гарячих гідротермальних джерел займає США. У долині Великих Гейзерів (штат Каліфорнія) на площі 52 км діє

15 установок, потужністю понад 900 МВт.

«Країна льодовиків», як називають Ісландію, ефективно використовує гідро- термальну енергію своїх надр. Тут відомо понад 700 термальних джерел, які виходять на земну поверхню. Близько 60\% населення користується геотермальними водами для обігріву житлових приміщень, а в найближчому майбутньому планується довести це число до 80\%. При середній температурі води 87°С річне споживання енергії гарячої води складає 15 млн. ГДж, що рівноцінно економії 500 тис. т кам’яного вугілля на рік. Крім того, ісландські теплиці, в яких вирощують овочі, фрукти, квіти і навіть банани, споживають щорічно до 150 тис. м3  гарячої води, тобто понад 1,5 млн. ГДж теплової енергії.

У таблиці 1.2 показані основні енергоресурси планети.

Таблиця 1.2 – Структура світового виробництва енергетичних ресурсів (млрд. т у.п./\%)

 

Вид енергетичних ресурсів

1900

1920

1960

1980

1998

Вугілля

Нафта Природний газ Гідроенергія Атомна енергія Інші

0,77/57,3

0,03/2,3

0,01/0,8

0,01/0,8

0,50/37,8

1,34/62,6

0,14/6,5

0,03/1,4

0,03/1,4

-

0,60/28,1

2,17/42,8

1,32/26,1

0,58/11,4

0,30/5,9

-

0,70/13,8

2,75/26,3

4,36/41,7

1,90/18,2

0,63/6,0

0,22/2,1

0,60/15,7

3,83/29,2

4,5/34,3

1,85/14,1

0,7/5,3

1,4/10,7

0,8/6,1

Разом

1,32

2,14

5,07

10,46

13,10

 

З  розвитком  промисловості  й  енергетики,  а  також  ростом  їхньої  технічної

оснащеності, спочатку тверді горючі копалини, а потім нафта і природний газ ставали основними джерелами теплової енергії і вуглеводневої хімічної сировини. В сучасних умовах за прогнозом до кінця 2010-2020 років основним джерелом енергії буде хімічна енергія горючих копалин, і в меншій мірі – ядерна енергія АЕС.

Горючі копалини, які складають основну масу непоновлюваних джерел енергії, є  предметом нашого подальшого детального розгляду.

 

1.1. Загальна характеристика паливно-енергетичної сировини

та її роль в енергетиці

Паливно-енергетична сировина (ПЕС) відіграє важливу, якщо не ключову, роль у життєздатності будь-якої держави, тому що з нею пов’язані практично всі галузі еко- номіки (структуру використання ПЕС в Україні наведено у таблиці 1.3), і, певно мірою, політична та економічна незалежність.

Україна належить до числа держав світу, які мають запаси всіх видів ПЕС (наф- та, природний газ, вугілля, торф, уран та ін.), але ступінь забезпеченості запасами, їх видобуток та використання далеко не однакові, і в сумі вони не дають необхідний рі- вень енергетичної безпеки (власними енергоресурсами Україна забезпечує себе приб- лизно на 47\%).

У світовій економіці при виробництві електроенергії використовують 80-85\% викопної ПЕС. При цьому основним первинним енергоресурсом є викопне вугілля і його споживання у ХХІ ст. за найближчі 10-15 років збільшиться до 41\%. Сьогодні ву- гілля є основою електроенергетики в ряді країн світу: в Польщі з нього виробляють

96\% електроенергії, ПАР – 90, Австралії – 84, Китаї – 80, Чехії – 70, Індії – 68, США –

56\%. Структура виробництва і частинне (в \%) використання енергоресурсів на одер-

жання одиниці електроенергії у 2006 р. в різних країнах наведена у табл. 1.3.

Таблиця 1.3 - Структура виробництва електроенергії у світі, 2006 р. (у \%)

 

Країна

Млрд. кВт.годин на рік

Вугілля

Нафта

Газ

Атомна енергія

Гідроенергія

Інші види

США

4003,5

52,7

3,1

15,7

20,0

6,2

2,2

Франція

535,8

5,8

1,4

2,1

77,5

12,5

0,7

Німеччина

567,1

52,7

0,8

9,3

29,9

3,8

3,4

Англія

372,2

33,4

1,5

39,4

22,9

1,4

1,4

Італія

269,9

11,3

31,8

37,5

-

16,4

3,0

Іспанія

221,7

36,5

10,2

9,1

28,1

12,8

3,4

Україна

173,0

31,9

0,6

16,8

45,1

5,6

1,0

Швеція

145,9

2,1

1,2

0,3

39,3

54,1

3,0

Норвегія

142,4

0,1

-

0,1

-

99,5

0,3

Данія

36,2

46,0

12,2

24,3

-

0,1

17,4

 

Вугілля. Біля трьох століть, з початку промислової революції у Європі, головним

енергоносієм у світі було викопне вугілля. Обсяг світового вуглевидобутку у ХІХ ст. збі- льшився більш ніж у 50 разів і склав 750 млн. т на рік. На початку ХХ ст. частка вугілля у світовому паливно-енергетичному балансі складала 94,4 \%. У кінці 1960-х років ця частка скоротилася до 51\%, але вугілля все ще переважало сукупне використання інших енерго- носіїв. Обсяги видобутку і споживання вугілля збільшувалися протягом всього ХХ ст. (ви- ключення складають роки Другої світової війни).

У другій половині ХХ ст. вугілля активно витісняється і заміщується менш від-

ходним рідким та газоподібним паливом, атомною та іншими видами енергії. Якщо у

1900 р. в структурі світового енергоспоживання нафта складала лише 3,8\%, то з 1970 р. вона зайняла першу позицію, і у 2000 р. її частка досягла 34,1\%, вугілля – 29,6\%, газу –

суттєво виявилося і на початку ХХІ ст.

За даними Міжнародного енергетичного агентства (ІЕА) частка вугілля у про-

дукуванні енергії в 2005 р. склала 25,3\%, нафти – 35\%, природного газу – 20,7\%, ядер- ного палива – 6,3\%, гідроресурсів – 2,2\%.  На вугілля припадає 40,3\% світового вироб- ництва електроенергії (на природний газ – 19,7\%, на гідроресурси – 16\%, ядерне пали- во – 15,2\%, нафту – 6,6\%).

В історії вугільної промисловості Західної Європи у ХХ ст., а саме у період

1960-1980 рр. почалося скорочення видобутку вугілля, закриття нерентабельних шахт. У першому десятилітті ХХІ ст. суттєво скоротився вуглевидобуток у Великобританії та Німеччині, а у Бельгії, Нідерландах, Франції його припинено, на межі цього знахо- диться Іспанія та ін. Але споживання вугілля в цих країнах практично не зменшилося. Скорочення видобутку вугілля відбувалося в багатьох країнах Східної Європи, зокре- ма, Польщі, Україні у 1990-х роках. Цей процес супроводжувався реструктуризацією вугільної промисловості із закриттям найменш продуктивних виробничих одиниць, особливо тих, де запаси вироблені.

Світовий видобуток вугілля у 2000 р. в порівнянні з 1900 р. зріс у 6 раз і склав

4535,7 млн. т, споживання вугілля за ХХ століття виросло з 700 до 3670 млн. т.у.п.

Починаючи з 2001 р. спостерігається тенденція зростання видобутку і спожи- вання вугілля у багатьох країнах, які належать до великих експортерів та споживачів вугілля, а також у світі в цілому. Світовий обсяг споживання вугілля у 2005 р. склав

7475 млн. т, що на 44\% вище ніж у 2001 р. (5263 млн. т). У Китаї за цей період спожи- вання вугілля подвоїлося і досягло 2757 млн. т (проти 1383 млн. т), у США – 1567 млн. т (було 1060 млн. т), в Індії – 611 млн. т (360 млн. т).

Рис. 1.1. - Видобуток та імпорт вугілля у країнах Європи

Найбільш довгостроковим енергоносієм є викопне вугілля, світові запаси якого

перевищують запаси інших горючих копалин: частка вугілля складає понад 80\%, наф-

 

ти і газу – 17\%. Географічно ресурси викопного вугілля розповсюджені порівняно рів-

номірно у світі – вони розвідані більш ніж у 80 країнах. Ціна на вугілля нижча ніж на альтернативні енергоносії, воно зручне для транспортування на далекі відстані. Орга- нічна речовина викопного вугілля є сировиною для одержання великої кількості різ- номанітних хімічних продуктів, включно з синтетичними замінниками рідкого палива (мазути, котельне і моторне паливо) та газу (газифікація вугілля). Відмітимо, що вугіл- ля є основою двох технологічних ланцюгів: «вугілля – кокс – метал» та «вугілля – теп- лові електростанції – електроенергія». Все це свідчить про високу конкурентоздат- ність вугілля і як палива, і як сировини для коксохімічної та хімічної промисловості. Спеціалісти прогнозують вже у наступні десятиліття процес переорієнтації  теплових електростанцій з природного газу на вугілля.

За даними компанії «Брітіш Петроліум» за сучасних обсягів видобутку достові- рних запасів нафти вистачить на 41 рік, природного газу – на 65 років, вугілля – на 155 років. У США, де сконцентровано 27\% світових запасів вугілля, – на 240 років. У табл.

1.4 показано перших 10 країн, які мають найбільші запаси вугілля.

Таблиця 1.4 – Запаси кам′яного і бурого вугілля в країнах світу (2008 р.)

 

Країна

Кам′яне

вугілля, млн. т

Буре

вугілля, млн. т

Всього,

млн. т

У \% від

світових запасів

Забезпеченість

запасами, роки

1. США

115891

134103

249994

25,4

252

2. Росія

49088

107922

157010

15,9

500

3. Китай

62200

52300

114500

11,6

82

4. Індія

82396

2000

84396

8,6

235

5. Австралія

42550

39540

82090

8,3

243

6. Німеччина

23000

43000

66000

6,7

317

7. ПАР

49520

-

49520

5,0

221

8. Україна

16274

17879

34153

3,5

412

9. Казахстан

31000

3000

34000

3,5

464

10. Польща

20300

1860

22160

2,3

138

 

Вугілля в Україні

Вугілля є єдиним енергоносієм, розвідані запаси якого можуть забезпечити по- треби енергетики і промисловості України у найближчі 300 років. При цьому, якщо в структурі світових запасів палива вугілля складає 67\%, нафта – 18\% і газ – 15\%, то в Україні відповідно – 94,5\%, 2\% і 3,6\%.

Вугільна промисловість України характеризується такими даними:

     В 1976 році обсяг видобутку вугілля в Україні дорівнював 218 млн. т, 1978 р. –

210,8; 1985 – 189; 1988 – 192; 1990 – 164,8; 1995 – 82,3; 1996 – 71,6; 1997 – 75,7; 1998 –

76,2; 1999 – 80; 2000 – 80,3; 2001 – 84 ; 2007 – 75,5 млн. т.

     Шахтний фонд на травень 2008 р. складав 160 шахт, з них 140 – державні. У

1991 р. нараховувалося 276 шахт.

     Виробнича потужність українських шахт у 2007 р. – 95 млн.т. вугілля на рік. У

1991 р. – 193 млн.т.

     Кількість діючих лав Міністерства вугільної промисловості України у 2007 р. –

253 , в т.ч. комплексно-механізованих – 143.

Продуктивність праці робітника (2007 р.) – 21,9 т/місяць.

Середня глибина розробки вугільних пластів – понад 720 м. До 20\% шахт пра-

цюють на горизонтах 1000-1400 м.

     Середня товщина вугільного пласта – близько 1 м. У Донбасі близько 85\% ву- гілля укладено в пластах потужністю до 1,2 м.

Залягання пластів: пологе (65\%) і крутоспадне (35\%).

Людський потенціал вугільної галузі. За 1992-2008 рр. чисельність працівників у галузі зменшилася на 640 тис. чол (74\% загальної кількості) і в кінці 2008 р. складає близько 224 тис. чол.

     Фактори небезпеки українських вугільних шахт: 90\% шахт небезпечні за мета- ном, 60\% – за вибухами вугільного пилу; 45\% – за раптовими викидами; 22\% – за само- займанням вугілля. У 2002 р. коефіцієнт травмування складав на 1 млн.т 26,7 осіб, кое- фіцієнт смертельного травматизму – 3,3 осіб. Кількість професійних захворювань – 56 тис. осіб. Крім того, для шахтного фонду характерне застаріле обладнання (99 шахт Донбасу були введені в експлуатацію у довоєнні часи, 80 \% шахт працюють без рекон- струкції більш як 20 років).

250

200

150

100

Вугілля, млн.т

50

0

1880  1900  1913  1925  1935  1945  1955  1971  1985  1996  2003

 

 

Рік

 

Загальний ви- добуток, млн.т

Зередня золь- ність вугілля,

\%

 

В т.ч. коксівне вугілля, млн.т

 

Середня золь- ність, \%

1975

202,96

24,1

84,65

25,4

1980

215,13

32,9

88,36

33,0

1985

180,52

29,7

73,48

29,5

1990

155,53

29,7

66,92

29,7

1995

81,31

32,4

37,88

32,0

2000

79,18

36,9

38,1

36,2

2005

77,25

38,0

32,33

37,6

2007

75,54

38,5

28,48

36,0

 

Рис. 1.2. - Динаміка вуглевидобутку в Україні

Вугілля, яке видобувається в Україні, відрізняється низькою якістю: висока зо- льність, високий вміст сірки, натрію і хлору. Тому його попередньо переробляють на

 

понад 50 вуглезбагачувальних фабриках (2008 р.). Виробництво вугільного концентра-

ту для коксування в Україні показане у табл. 1.5.

Таблиця 1.5 - Виробництво вугільного концентрату для коксування в Україні, млн.т

Марка

вугілля

2006 р.

2007 р.

2008 р.

2009 р.

2010 р.

К

6,0

6,1

8,6

12,0

12,4

Ж

7,8

7,6

7,8

7,8

7,8

П

0,3

0,4

0,6

0,6

0,6

Г

5,5

4,5

7,4

7,4

7,4

Всього

19,6

18,6

24,4

27,8

28,2

 

У 2007 р. при виробництві 18,7 млн. т доменного коксу використано 28,1 млн. т

вугільних  концентратів,  при  цьому  частка  українського  вугілля  у  шихті  складала

66,5\%, а 33,5\% – імпортного вугілля (найбільше з Росії). У відповідності з планами ви-

робництва чавуну в Україні очікується збільшення потреби в коксі і збільшення його виробництва. Це обумовлює збільшення потреби у вугільних концентратах для коксу- вання – з 28 млн. т у 2007 р. до 41 млн. т у 2015 р.

Продуктивність праці у вугільній промисловості України удвічі нижча, ніж у

Польщі і Німеччині, у 15 разів нижча, ніж у США. При досить схожих геологічних умовах видобутку на одного працюючого в Україні (при семиденному робочому тиж- ні) у 1998 році вона склала 158 т, 270 т – у 2001 році, а в Західній Європі – понад 500 т (при шестиденному робочому тижні). У вуглепромисловому районі Пенсільванія (США) продуктивність праці складає близько 500 т на місяць.

Вугільні поклади Донбасу і Львівсько-Волинського басейнів вміщують близько

1 трлн.  м3 метану.  Щорічно  шахти  викидають  з  повітрям  і  газом  дегазації  шахт до

3 млрд.  м3 метану.  За  рахунок  газів  вугільних  родовищ  можна  отримувати  декіль- ка млрд. м3 метану.

Нафта і газ. За даними Геологічної служби США оцінка світових запасів при-

родного газу має такий вигляд: Росія – 43 млрд. т нафтового еквівалента (н.е.), Іран –

19,8 н.е., Саудівська Аравія – 4,8; США – 4,25; Норвегія – 2,2; Канада – 1,75; Китай – 1,0;

Великобританія – 0,65; Індія – 0,55 н.е.

Щодо запасів нафти з газоконденсатом Україна займає третє місце в Європі (без

Росії), поступаючись тільки Великобританії та Норвегії, але рівень річного видобутку значно нижчий, ніж у багатьох інших країнах (рис. 1.2).

Причини цього:

– родовища вичерпані чи перебувають на завершальній стадії розробки;

– невисокий коефіцієнт вилучення (нафтовіддачі, газовіддачі);

– морально та фізично застарілий фонд експлуатаційних установок;

– великі глибини залягання нафтогазоносних пластів;

– низький дебіт видобувних свердловин (у 1999 р. середньорічний дебіт однієї нафтової свердловини в Україні складав всього 1,14 тис. т, що на один-два порядки нижче, ніж в основних нафтовидобувних країнах Європи і нижче середньосвітового показника більш, ніж у три рази).

На початку ХХІ ст. зріс світовий видобуток нафти та природного газу, який у

2005 р. відповідно склав 3,5 млрд. т та 3,1 трлн. м. куб. Пік видобутку нафти та приро-

 

дного газу прогнозується відповідно на 2010 і 2020 рр. Відповідно зростає і споживан-

ня ПЕС, структура якого для України наведена в табл. 1.6.

Таблиця 1.6 – Споживання паливно-енергетичної сировини галузями господарства

України у 2000 р.

 

 

Споживання

 

Одиниця виміру

 

Всього

В тому числі, \%

промисло-

вість

сільське

господар-

ство

будівниц-

тво

 

транспорт

житлово-

комунальне господарство

Всі види палива

млн. т у.п.

176,2

73,0

2,3

0,6

4,2

5,8

У тому числі:

Вугілля

млн. т

63,3

92,6

0,2

0,2

0,6

0.3

Вугілля брикет

тис. т

143,4

8,8

0,1

0,0

0,1

0,1

Газ природний

млрд. м3

68,4

57,8

0,4

0,2

6,5

12,3

Газ скраплений

тис. т

188,6

4,7

0,6

0,7

4,8

16,9

Нафта і газокон-

денсат

млн. т

9,4

99,7

0,0

0,3

0,0

0,0

Торф

тис. т

416,9

96,6

0,0

0,0

0,0

0,0

 

Проблеми з видобутком вітчизняної нафти і природного газу схожі. Роль природ-

ного газу у народному господарстві України особливо важлива: частка газу у первинному споживанні енергії – майже 43-45\% (рис. 1.3), у два рази перевищує європейський (21\%) та світовий (25\%) рівні.

За обсягом споживання газу Україна займає п’яте місце у світі. Внутрішні пот- реби у природному газі власним видобутком задовольняються на 20-25\%, у нафті з га- зоконденсатом – на 10-12\%.

Резерви для збільшення видобутку нафти і газу в Україні є:

– залучення до розробки нових родовищ (із 261 родовища природного газу і

305 родовищ нафти з газоконденсатом експлуатуються відповідно 145 і 201);

– освоєння нових родовищ (у тому числі на шельфі Азовського та Чорного мо-

рів); близько 60\% початкових видобувних ресурсів ще не розвідано;

– підвищення вилучення нафти і газу шляхом направленого буріння у продук- тивних горизонтах та із застосуванням методів вимушеного вилучення за допомогою різних реагентів;

– інтенсифікація геологорозвідувальних робіт на нафту та газ і особливо пошу- ково-розвідувального глибокого буріння, яке в останнє десятиріччя різко скоротилося.

За рахунок впровадження в життя цих та інших заходів планується в найближчі

4-5 років забезпечити щорічний приріст видобутку нафти на 0,4-0,6 млн. т і газу на 2-

3 млрд.м3. Усі заходи передбачені відповідними галузевими і державними програмами на період до 2010 і більш далеку перспективу.

Україна використовує до 100 млрд. м3 природного газу, Франція – 35, в той час як остання виробляє в 5 разів більше товарної продукції.

Газом Україна в майбутньому може забезпечити себе самостійно. Розвідка ро- довищ природного газу ведеться в Чорному морі, в Полтавській, Чернігівській і Хар- ківській областях, у Карпатському регіоні. На дні Чорного моря знайдено газогідрати (20-25 трлн. м3).

По Україні прокладено близько 7000 км магістральних газопроводів, якими пе-

 

редають з Росії в Західну Європу понад 100 млрд. м3 газу на рік. За міжнародними нор-

мами Україна повинна безкоштовно отримувати 15-20 млрд. м3 газу на рік.

В 1999 році Україна використала близько 76 млрд. м3  природного газу при ви-

добуванні свого газу 18 млрд. м3 (23,6\%). Природний газ складає близько 45\% паливно- го балансу країни. Доведені запаси природного газу в Україні – 200 млрд.м3, за катего- ріями А+В+С1 – 1 трлн. м3. На 2010 рік заплановано видобути 25-27 млрд. м3.

А. Видобуток, млн. т

Італія

Румунія    5

Україна

Данія

15

5\%

6,1       2\%

2\%

3,8

1\%

 

Великобританія

132

41\%

Норвегія

156,8

49\%

Б. Інтенсивність експлуатації запасів (\% видобутку від запасів)

25

20

20

15        12.1     11.5

10

6

5          3.6

1.7       2.2

Подпись: ВеликобританіяПодпись: НорвегіяПодпись: ДаніяПодпись: РумуніяПодпись: ІталіяПодпись: УкраїнаПодпись: Весь світ0

Рис. 1.3. – Співвідношення видобутку нафти (1999 р.) та інтенсивність відпрацювання запасів в основних нафтовидобувних країнах Європи і Україні (\% видобутку від запасів)

Об’єм  природного  газу  еквівалентний  вартості  за  транзит  в  1999 році  склав

30,6 млрд. м3, що за тепловою цінністю відповідає понад 70\% всього вугледобутку.

 

За розрахунками для забезпечення транспорту України на перспективу потріб-

но до 10 млн. т бензину та дизельного палива, або 25 млн. т сирої нафти, для хімічної промисловості – 10-15 млн. т нафти. Максимальний рівень видобутку 6-8 млн. т, зараз виробляється близько 4 млн. т.

Для виробництва моторного палива Україна може використовувати коксовий газ, при утилізації якого можна отримати декілька мільйонів тонн моторного палива. Тільки на Авдіївському коксохімічному заводі за рахунок утилізації коксового газу можна виробляти 350 тис. т на рік метанолу, або 150 тис. т бензину.

В майбутньому в Україні є можливість переобладнати на стиснений природний газ близько 300 тисяч транспортних одиниць, що дозволить щорічно замінити природ- ним газом 2,4 млн. т рідких моторних палив, що дозволить зменшити їх еквівалентно до 3,4 млрд. м3 природного газу, тобто 4,5\% від рівня їх використання.

Уран. Серед непоновлюваних джерел енергії ядерна є «наймолодшою». Її вико- ристання було почато в 50-і роки ХХ століття, однак уже зараз вона відіграє істотну роль у забезпеченні електроенергією провідних країн світу. В електроенергетиці Укра- їни генеруюча потужність атомних електростанцій (АЕС) складає 24,5\%. В критичні зимові періоди на частку АЕС припадає понад 40\% електроенергії, яка виробляється в Україні. Частка виробленої електроенергії АЕС у загальному обсязі отриманої енергії склала в Україні: 1990 р. – 24,5\%; 1991 р. – 27,1\%; 1992 р. – 28,4\%; 1993 р. – 32,9\%; 1994 р. – 34,2\%. У 1997 році загальне споживання первинних ресурсів в Україні, включаючи атомну і гідроенергетику, а також моторне паливо, склало 209,6 млн. т у.п., в тому чис- лі котельно-грубного палива (вугілля, газ, мазут) 161,5 млн. т у.п. У Франції понад 75\% електроенергії виробляється на АЕС, у США – 20\%, в Англії і Бельгії – близько 60\%, Фінляндії – 27\%. Запаси порівняно дешевого урану для АЕС на планеті дорівнюють приблизно 4 млн. т, і вони можуть бути вичерпані, як і нафта, за 25-30 років. В США працює 103 АЕС, розробляються плани будівництва принаймні 2 АЕС до кінця цього десятиріччя.

У кінці першого десятиріччя ХХІ ст. світова атомна енергія, яку виробляють понад 30 країн, має добрі перспективи – планується її широкомасштабний розвиток, зокрема побудова від 300 до 600 нових атомних реакторів вже до 2025 р.

Продовжуються дослідження термоядерного синтезу. У 2006 р. країни Євросо-

юзу, Росії, США, Японії, Південної Кореї узгодили будівництво експериментального міжнародного термоядерного реактора (ТЯР) на півдні Франції із закінченням робіт до

2037-2040 рр.

Атомна енергетика в Україні

При наявності в Україні п’яти атомних електростанцій потужністю 11800 МВт (на 01.01.2000), уран відіграє значну роль у забезпеченні країни електроенергією. Його частка у виробництві електроенергії, в порівнянні з іншими енергоносіями, постійно зростає. Так у 2000 р. АЕС виробили 45,1\% електроенергії і майже зрівнялись з часткою ТЕС (рис. 1.4.), на яких 19 млн. кВт потужностей із 36 вимагають ремонту чи рекон- струкції.

Як видно з таблиці 1.7 коефіцієнт корисної дії АЕС у 2,7 рази вищий, ніж на гід- роелектростанціях, і у 2,9 рази, ніж на теплових, а рентабельність роботи «Енергоатом»

 

України в 2001 р. перевищує 100 \%. Все сказане свідчить про те, що атомна енергетика в

 

 
Україні займає провідні позиції і надійної альтернативи їй поки що немає.

Рис. 1.4. – Виробництво електроенергії в Україні за видами енергоносіїв (млрд. кВт/год.)

Таблиця 1.7 – Виробництво електроенергії в Україні у 2000 р.

 

 

Виробництво електрое- нергії

 

Всього електрос- танцій

У тому числі

гідроелектро-

станції

 

теплові

 

атомні

Потужність, млн. кВт

Виробництво електроенергії, млрд. кВт. год.

Потужність, млн. кВт

 

Виробництво електроенергії, млрд. кВт. год.

Потужність, млн. кВт

 

Виробництво електроенергії, млрд. кВт. год.

Потужність, млн. кВт

Виробництво електроенергії, млрд. кВт. год.

Всього в 2000 р.

52,8

169,5

4,7

11,4

36,3

80,8

11,8

77,3

У млрд. кВт. год. на

1 млн. потужності елек- тростанцій

 

1

 

3,21

 

1

 

2,43

 

1

 

2,23

 

1

 

6,55

 

Розвіданими запасами урану Україна забезпечена на багато десятиліть. Після

того, як буде остаточно вирішене питання з налагодженням власного виробництва те- пловидільних елементів (ТВЕЛів), а вирішення його знаходиться у практичній площи- ні, Україна може бути незалежною від зовнішніх факторів у виробництві принаймні половини річного обсягу електроенергії за рахунок АЕС.