Химия и физика горючих ископаемых

Геотермальна енергія (природне тепло  Землі), акумульована в перших десятьох кілометрах Земної кори, по оцінці МРЕК-XI досягає 137 трлн. т у.п., що в 10 разів  перевищує геологічні ресурси усіх видів палива разом узятих.

Найкращі економічні показники використання з усіх видів геотермальної енергії мають гідрогеотермальні ресурси -- термальні води, пароводяні суміші і природна пара.

Гідрогеотермальні ресурси, використовувані  на сьогодні практично, складають лише 1 % від загального теплового запасу надр. Досвід показав, що перспективними в цьому відношенні варто вважати райони, у яких наростання температури з глибиною відбувається досить інтенсивно, колекторські властивості гірських порід дозволяють одержувати з тріщін значні кількості нагрітої води чи пари, а склад мінеральної частини термальних вод не створює додаткових труднощів по боротьбі із солевідкладеннями і кородуванням устаткування.

Аналіз економічної доцільності  широкого використання термальних вод  показує, що їх варто застосовувати  для опалення і гарячого водопостачання комунально-побутових, сільськогосподарських і промислових підприємств, використовувати для технологічних цілей, добування цінних хімічних компонентів і ін. Гідрогеотермальні ресурси, придатні для одержання електроенергії, складають 4 % від загальних прогнозних запасів, тому їхнє використання в майбутньому варто пов'язувати з теплопостачанням і теплофікацією 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 знаходиться Донецький  басейн.

Значні масштаби розвитку геотермальної  енергетики в майбутньому можливі  лише при одержанні теплової енергії  безпосередньо з гірських порід (петрогеотермальної енергії). У цьому випадку теплоносій визначеного потенціалу утвовюється у результаті теплообміну води, що нагнітається при контакті у тріщині, з високотемпературними гірськими породами в зоні природної чи штучно створеної проникності з наступним виведенням теплоносія на поверхню.

Мінімальна, технологічно прийнятна  для виробництва електроенергії при існуючих технічних можливостях  температура гірських порід складає 150 ⁰С. Така температура гірських порід у межах України зафіксована на глибинах 3-10 км (у Донбасі -- 4-6 км).

Відповідно до проведеної оцінки геологічні ресурси геотермальної енергії  найбільш 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 Днепровсько-Донецькій западині і Донбасі прогнозні ресурси петрогеотермальної енергії в інтервалі глибин 4-10 км складають 9 трлн. т у.п., у 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 у ряді країн для вироблення електроенергії. Перше місце по виробленню електроенергії з гарячих гідротермальних джерел займає США. У Долині Великих Гейзерів (штат Каліфорнія) на площі 52 км² діє 15 установок, потужністю понад 900 Мвт.

"Країна льодовиків", так називають  Ісландію, ефективно використовує  гідротермальну енергію своїх  надр. Тут відомо понад 700 термальних  джерел, що 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 ^оС річне споживання енергії гарячої води складає 15 млн. ГДж, що рівноцінно економії 500 тис. т кам'яного вугілля на рік. Крім того, ісландські теплиці, у яких вирощують овочі, фрукти, квіти і навіть банани, споживають річно до 150 тис. м³ гарячої води, тобто понад 1,5 млн. ГДж теплової енергії.

Горючі копалини, що складають основну  масу непоновлюваних джерел енергії, є сьогодні предметом подальшого детального вивчення. Серед непоновлюваних джерел енергії ядерна є "наймолодшою". Її використання було почато в 50-і роки XX сторіччя, однак уже зараз вона відіграє істотну роль у забезпеченні електроенергією провідних країн світу. У електроенергетиці України генерируюча потужність атомних електростанцій (АЕС) складає 24,5 %. У критичні зимові періоди на частку АЕС припадає понад 40 % електроенергії, що 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., у тому числі 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, та розробляються плани будівництва не менше 2 АЕС до кінця цього десятиріччя.

По мірі розвитку промисловості  й енергетики, а також росту їхньої технічної оснащеності, спочатку тверді горючі копалини, а потім нафта і природний газ ставали основними джерелами теплової енергії й вуглеводневої хімічної сировини (табл. 1.2). У сучасних умовах і за прогнозом до кінця 2010 року основним джерелом енергії буде хімічна енергія горючих копалин, і в меншій мірі -- ядерна енергія АЕС.

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 0,60/5,7	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

 

 

Світове виробництво і споживання енергоносіїв перевищило 11,1 млрд. т  у.п., причому понад 3,8 млрд. т у.п. складає вугілля, 4.5 млрд. т у.п. -- нафта. Згідно з існуючими прогнозами до 2010 року видобуток вугілля досягне 6.0 млрд. т, а видобуток нафти і газу залишиться на досягнутому рівні.

Вугілля є єдиним енергоносієм, розвідані  запаси якого можуть забезпечити  потреби 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 %.

У 1976 році обсяг видобутку вугілля  дорівнював 218 млн. т, 1978 р. -- 210,8, 1985 р. --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 млн. т.

Вугілля, що добувається в Україні, відрізняється низькою якістю: висока зольність, високий вміст сірки, натрію і хлору.

Продуктивність праці у вугільній  промисловості України в 2 рази нижче, ніж у Польщі і Німеччині у 15 разів нижче, ніж у США. При  досить схожих геологічних умовах видобутку  на одного працюючого в Україні (при  семиденному робочому тижні) у 1998 році вона склала 158 т і 270 т у 2001 році, а в Західній Європі -- понад 500 т (при шестиденному робочому тижні). У вуглепромисловому районі Пенсільванія (США) продуктивність праці складає біля 500 т в місяць.

У Німеччині в результаті реструктуризації за останні 30 років обсяг виробництва кам'яного вугілля знизився з 140 до 65 млн. т на рік. Кількість працюючих скоротилося з 400 до 90 тис. чоловік, число шахт із 139 до 17, продуктивність праці виросла вдвічі. Однак витрати на видобуток 1 т вугілля складають 150 доларів, що більш, ніж у 3 рази вище вартості імпортованого вугілля. За останні десятиліття припинили видобуток вугілля Нідерланди, Данія, Бельгія, Італія.

У Франції за той же час видобуток  вугілля знизився з 50 до 10 млн. т на рік, кількість працюючих скоротилося з 320 до 6 тис. чол., продуктивність праці виросла з 160 до 1300 т на рік. Незважаючи на це, витрати на видобуток вугілля досягають 160 доларів за 1 тонну.

У сучасній енергетиці Китаю на частку вугілля припадає 73,4 %, 22,2 % -- гідроенергетика, а нафта і природний газ складають лише 4,4 %.

Встановлена потужність об'єднаної  енергосистеми України складає 52,3 млн. кВт. Її структура така:

ТЕС -- 31,8 млн. кВт (61 %)

АЕС -- 12,8 млн. кВт (24 %)

ГЕС -- 4,7 млн. кВт (9 %)

інші -- 3,0 млн. кВт (6 %)

Основу ТЕС на кінець 1999 р. складали 104 енергоблоки потужністю 150-800 МВт, на яких у структурі паливного балансу на природний газ припадало 47,8 %, мазут -- 20,8 % і вугілля -- 31,4 %.

Переважна кількість енергоблоків фізично і морально застаріли. 63 блоки загальною потужністю 14,6 млн. кВт введено в експлуатацію в 1958-1969 роках і відпрацювали по 190-250 тисяч годин, а 23 блоки загальною потужністю 6,5 млн. кВт, побудовані у 1970-1975 роках, відпрацювали по 170-200 тисяч годин.

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 покладів природного газу ведеться в Чорному морі, в Полтавській, Чернігівській і Харьковській областях, у Карпатському регіоні. На дні Чорного моря винайдено поклади газогідратів (20-25 трлн. м³).

Вугільні поклади Донбасу і  Львівсько-Волинського басейнів вміщають біля 1 тлрн. м³ метану. Щорічно шахти викидають з повітрям і газом дегазації шахт до 3 млрд. м³ метану. За рахунок газів вугільних родовищ можна отримувати декілька млрд. м³ метану.

По Україні прокладено біля 7000 км магістральних газопроводів, кими передають  з Росії в Західну Європу понад 100 млрд. м³ газу на рік. За міжнародними нормами Україна повинна безкоштовно отримувати 15-20 млрд. м³ газу на рік.

В 1999 році Україна використала біля 76 млрд. м³ природного газу при видобуванні свого газу 18 млрд. м³ (23,6 %). Природний газ складає біля 45% паливному балансі країни. Доведені запаси природного газу в Україні -- 200 млрд. м³, за категоріями А+В+С, - 1 трлн. м³. На 2010 рік заплановано видобути 25-27 млрд. м³.

Об'єм природного газу еквівалентний  вартості за транзит в 1999 році склав 30,6 млрд. м³, що за тепловою цінністтю відповідає понад 70% всього вугледобутку.

За разрахунками для забезпечення транспорту на перспективу України  потрібно 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 біля 4 млн. т.

Для виробництва моторного палива Україна може використовувати коксовий газ, при утилізації якого можно  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.

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

 

2. Вуглець і вуглецеві  матеріали

Вуглець у вигляді сажі, деревного  і кам'яного вугілля відомий  із глибокої давнини.

Вуглець складає приблизно 0,5 % від  маси земної кори (~1·10¹⁷ т). Кругооберт вуглецю, як і будь-якого іншого елемента, відбувається за великим і малим циклами. Великий (геологічний) кругооберт пов'язаний з хімічним вивітрюванням вуглецю літосфери і виносом в океан карбонатів вивержених порід з подальшим метаморфізмом і виділенням вуглекислоти у атмосферу.

Біологічний кругооберт вуглецю пов'язаний з життєдіяльністю організмів. Вуглець, що міститься у вигляді СО₂ в атмосфері (23,5·10¹¹ т), служить сировиною для фотосинтезу рослин. Частина вуглецю у вигляді СО₂ повертається в атмосферу при розкладанні рослин, а інша частина накопичується у вигляді мертвої органіки, наприклад покладів вугілля і торфу -- продуктів процесу фотосинтезу рослин минулих геологічних епох.

Основна маса вуглецю акумульована в карбонатних відкладах дна  океану (1,3·10¹⁶ т), кристалічних породах (1,0·10¹⁶ т), кам'яному вугіллі і нафті (3,4·10¹⁵ т). Саме цей вуглець бере участь у повільному геологічному кругооберті. Життя на Землі і газовий баланс атмосфери підтримуються відносно невеликою кількістю вуглецю, що приймає участь у малому кругооберті і міститься в тканинах рослин (5·10¹¹т) і тварин (5·10⁹ т).

Органогенні породи (біоліти) поділяються  на дві групи -- каустобіоліти (горючі копалини) і акаустобіоліти (негорючі породи: крейда, вапняк, корали).

У природі вуглець зустрічається  й у вільному стані, і у вигляді  сполук -- головним чином солей вугільної  кислоти (крейда, вапняк, мармур). Багато вуглецю містять кам'яне і буре вугілля, торф. Вуглець входить до складу нафти, природного газу, повітря, рослин, організму людини і тварин. На відміну від кисню й азоту вуглець при звичайних умовах крім фулеренів не утворює молекул, у нього атомні кристалічні гратки, що пов'язано з чотирьохвалентністю вуглецю. Різні способи утворення атомами вуглецю чотирьох зв'язків один з одним обумовлюють існування різних алотропічних видозмін. Порядок взаємного розташування атомів вуглецю в цих речовинах істотно різний.

На сьогодні відомо чотири алотропні  модифікації вуглецю: алмаз, графіт, карбін і фулерени. Графіт і алмаз давно були виявлені в природі, пізніше були розроблені шляхи їхнього синтезу, тоді як карбін і фулерени в останні десятиліття отримано в лабораторіях, а дані про їхню наявність у природі іноді заперечуються. Зовнішній вигляд, фізичні і хімічні властивості цих модифікацій різко відрізняються, незважаючи на те, що в їхньому утворенні беруть участь ті самі атоми. Таке явище -- дія тих самих зв'язків, що з'єднують атоми вуглецю в молекулах розглянутих речовин.