Глава вторая
НЕВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Невозобновляемые источники энергии представляют собой сегодня основу энергетики мира. Более 90% всей потребляемой энергии человечество черпает из этих источников. Это положение вряд ли может существенно измениться в обозримом будущем. До тех пор, пока общее количество потребляемой энергии было мало по сравнению с запасами источников энергии, тот факт, что они невозобновляемые, мало тревожил людей. Но сейчас темпы расходования энергетических ресурсов таковы, что запасы некоторых из них исчисляются лишь десятилетиями. При этом даже более важно, что исчерпываются дешевые источники энергии, т. е., что стоимость энергии будет неуклонно возрастать. Если к этому добавить, что природные ресурсы в мире распределены очень неравномерно, то станет ясно, что причин для беспокойства о нашем энергетическом будущем более чем достаточно.
Именно эти обстоятельства привели к тому, что в последнее время получило название энергетического кризиса. Именно поэтому проблемами энергетики сегодня стали заниматься политические и государственные деятели, о них заговорили журналисты и газетчики, ими заинтересовалась широкая публика.
Для того чтобы трезво и правильно оценить энергетическую ситуацию, принять разумные решения относительно дальнейших путей развития энергетики, необходимо прежде всего достаточно надежно определить запасы основных энергетических ресурсов, которыми располагает человечество.
НЕФТЬ
В энергетическом балансе развитых стран нефть занимает сегодня весьма большое место. Так, в Советском Союзе в 1975 г. доля нефти в общем топливно-энергетическом балансе составила около 40%.
Рис. 2.1. Потребление различных первичных источников энергии в США.
Примерно такая же доля приходилась в 1975 г. на долю нефти в США. В Италии в том же году она достигла 75%. Такое положение с нефтью сложилось сравнительно недавно. На рис. 2.1 показано потребление первичных источников энергии в США за прошедшее столетие и его прогноз до 2000 г. Качественно та же картина справедлива при большем или меньшем сдвиге по времени и для других стран. Как видно из рисунка, еще в 1900 г. нефть составляла в балансе первичных источников энергии всего несколько процентов, а уголь доминировал на энергетическом рынке (70%). В 1925 г. доля нефти все еще была сравнительно мала (около 15%). Но уже в послевоенном 1950 г. эта доля достигла 37% и сохраняется примерно такой же в настоящее время. Завоевание нефтью, и как будет сказано ниже, и газом энергетического рынка определялось следующим.
Во-первых, к этому времени относится бурный рост автомобилизации и развитие воздушного сообщения, а эти виды транспорта сегодня используют практически только нефтяные топлива.
Во-вторых, в это время были открыты и разработаны новые огромные нефтяные месторождения — на Ближнем Востоке, затем в Северной Африке и в ряде других районов. Это привело к тому, что нефть (и газ) оказалась (с учетом дальнего транспорта) дешевле угля и стала конкурировать с ним в таких областях, где уголь считался традиционным топливом, например на электростанциях.
Для электростанций дополнительным аргументом в пользу применения нефтяного топлива (мазута) явилось также значительное упрощение и удешевление топливного хозяйства: устранение сложных систем приготовления угольной пыли, систем золо- и шлакоудаления, очистки дымовых газов от летучей золы.
В-третьих, добыча, транспорт и использование нефти и нефтепродуктов оказались более выгодными по сравнению с углем с точки зрения условий труда и воздействий на окружающую среду.
Однако сегодня большая доля нефти в топливно- энергетическом балансе стран не может не вызывать серьезных опасений. Дело в том, что при сегодняшнем темпе потребления запасы нефти во всем мире расходуются чрезвычайно быстро. Кроме того, и это тоже весьма важно, эти запасы распределены по странам очень неравномерно. Существенно повлияло на отношение к нефти повышение мировых цен на нефть в 1973 г.
Говоря о запасах тех или иных полезных ископаемых, нужно вспомнить о том, как их определяют. Наиболее точное представление мы имеем о запасах, например, нефти в уже разведанных месторождениях. Разведочным бурением определены границы такого месторождения, глубина и мощность нефтяных пластов, содержание в них нефти. Это так называемые доказанные запасы, или резервы. Но такими полными сведениями мы располагаем в относительно небольшом числе случаев. В подавляющем большинстве случаев мы говорим о еще не разведанных вероятных месторождениях. В этих случаях приходится опираться на геологические аналогии, т. е. предполагать, что в сходных геологических формациях будет содержаться сходное количество нефти. Большинство цифр, относящихся к мировым геологическим запасам, называемым ресурсами, получено именно этим способом. Разумеется, степень достоверности этих цифр существенно ниже, чем только для разведанных месторождений.
Кроме того, необходимо отметить, что для всякого полезного ископаемого существует понятие извлекаемых запасов, т. е. той доли полезного продукта, которую экономически целесообразно извлекать из земли при существующей технологии добычи и уровне цен на различные виды топлива. Естественно, что по мере совершенствования технологии и повышения цен на энергию доля извлекаемых запасов может несколько возрастать.
В связи с тем, что ресурсы нефти на планете могут быть определены лишь более или менее приближенно, цифры, указываемые различными авторами, довольно сильно расходятся между собой. Большая неопределенность связана также с коэффициентом извлечения. Сегодня он в Советском Союзе составляет около 45%, а в среднем для мира всего 25—30%. По мнению ряда специалистов к концу века он может возрасти до 40%. В других оценках принимается, что при активных воздействиях на нефтяной пласт этот коэффициент может достичь 50%.
По данным академика Н. В. Мельникова [1] извлекаемые ресурсы нефти на нашей планете составляют около 370 млрд. т условного топлива. *
* 1 т условного топлива составляет 7·106 ккал, или 8139 кВт-ч.
Одной из последних публикаций на эту тему является доклад П. Депрерье на X Мировой энергетической конференции в Стамбуле в 1977 г., содержащий оценки мировых запасов нефти, полученные методом Дельфи, т. е. методом опроса большого числа видных специалистов в этой области с последующим усреднением их рекомендаций. По данным доклада извлекаемые ресурсы так называемой «обычной» нефти на 1977 г. составляют примерно 260 млрд. т, или около 360 млрд. т условного топлива. При учете ресурсов в глубоких частях шельфа и в полярных областях ресурсы оцениваются в 300 млрд. т, или около 420 млрд. т условного топлива. Эти цифры получены в предположении, что коэффициент извлечения обычной нефти к концу века увеличится до 40%. При оценке этих цифр их полезно сопоставить с сегодняшним мировым потреблением нефти, которое в 1977 г. достигло 3 млрд. т. Таким образом, при сегодняшнем объеме потребления мировых ресурсов обычной нефти хватило бы на десятки лет. Если же учесть, что мировая добыча нефти будет возрастать и, по мнению экспертов, к концу века, наверное, достигнет 5 млрд. т/год, то исчерпание ресурсов обычной нефти наступит еще быстрее.
Говоря о ресурсах нефти, мы употребляли слово «обычной». Деление на «обычную» и «необычную» нефть в большой мере условно, хотя и имеет достаточно широкое распространение. Под обычной нефтью понимают сравнительно мало вязкие нефть и конденсат газовых месторождений, добываемые традиционными методами бурения на суше и на неглубокой (до 200 м) части шельфа.
* Отметим, что в докладе П. Депрерье геологические запасы нефти в этом же месторождении оцениваются всего в 100 млрд. т.
Мировые геологические запасы нефти в нефтеносных песках в упомянутом докладе П. Депрерье оцениваются в 300 млрд. т, в нефтеносных сланцах — в 400 млрд. т.
Нефтеносными считают такие сланцы, которые содержат более 5% органического вещества. При этом следует отметить, что применимость сланцев зависит не только от содержания, но и от исходной природы содержащегося в них органического вещества.
Несмотря на распространенность геологических запасов необычной нефти, извлекаемые ресурсы оцениваются достаточно скромно. Для горючих сланцев коэффициент извлечения оценивается в 7—8%, а для битуминозных песков — в 5—6%. Стоимость нефти, получаемой из этих источников, заметно выше, чем обычной нефти. Поэтому специалисты считают, что необычная нефть начнет сколько-нибудь заметно применяться только в будущем веке. При надлежащем развитии технологии необычная нефть может внести существенный вклад в мировые ресурсы нефти.
Чтобы понять проблемы, возникающие сегодня в энергетике в связи с нефтью, следует еще отметить, что помимо ресурсов и резервов решающее значение имеет соотношение максимально возможного уровня добычи нефти и спроса на нее. Уровень добычи нефти в последние годы возрастал настолько быстро, что он начал обгонять темп прироста резервов (т. е. темп разведки ресурсов и перевода их в категорию резервов). По мере исчерпания старых наиболее доступных месторождений разведка и освоение новых оказываются все более дорогостоящими. Большие капиталовложения требуются также в связи со стремлением повысить коэффициент извлечения нефти, применяя так называемые активные методы воздействия на пласт. Поэтому ряд стран вступает уже сейчас в период уменьшающегося отношения резервов к добыче.
Анализ этих факторов приводит к тому, что по оценкам максимально возможная годовая добыча нефти может достигнуть максимума в 4—5 млрд. т к 1990 г., после чего она начнет снижаться. Если темпы роста потребления нефти в ближайшее время не снизятся, то к 1985—1990 гг. в мире может возникнуть острая нехватка нефти несмотря на то, что ее ресурсы все еще будут достаточными. Поэтому проблема сегодня состоит в интенсификации разведки и освоении нефтяных месторождений и в увеличении коэффициента извлечения на действующих месторождениях.
ПРИРОДНЫЙ ГАЗ
Природный газ в больших количествах появился на энергетической сцене несколько позже нефти. Газ используется в основном как котельно-печное топливо и в относительно небольшой, но непрерывно возрастающей доле как сырье для химической промышленности. В отличие от нефтепродуктов газ почти не используется как моторное топливо. Завоевание газом энергетического рынка определялось так же, как и в случае нефти, его дешевизной, кроме того, простотой трубопроводного транспорта и распределения рассредоточенным мелким потребителям. Для бытового потребления газ очень удобен, допуская автоматизацию систем отопления при одновременном использовании для приготовления пищи и горячего водоснабжения. Газ в большинстве случаев может быть отнесен к чистым топливам, поскольку содержание в нем вредных примесей, и прежде всего серы, обычно мало. Сегодня доля газа в общем топливно- энергетическом балансе развитых стран достигает 30 % и более.
В отличие от нефти транспортировка газа на очень большие расстояния дорога. На суше его выгодно транспортировать по трубам большого диаметра на расстояния до нескольких тысяч километров. Такие протяженные трубопроводы построены сейчас в Советском Союзе. Они передают газ от больших месторождений в Западной Сибири в европейскую часть Союза и далее в социалистические страны и даже в ФРГ, и в Италию. Протяженные газопроводы построены и в США (например, пересекающий территорию Канады газопровод из Аляски). Но морские и океанские просторы представляют для газа преграду, которая преодолевается лишь ценой больших затрат. Сегодня делаются попытки транспортировать сжиженный газ танкерами-рефрижераторами, но стоимость сжижения и регазификации оказывается достаточно большой. Это приводит к тому, что, в отличие от нефти, газ не имеет универсальной цены на мировом рынке и предпочтительно потребляется в странах, добывающих газ, или их ближайшими соседями.
Мировые ресурсы обычного природного газа примерно одинаковы с нефтью. Так как газ чаще всего встречается вместе с нефтью, применяют следующую классификацию месторождений в зависимости от их соотношения в пласте. Если на 1 т нефти количество газа не превосходит нескольких сот кубических метров, газ считают попутным, если оно составляет от 1000 до 20 000 м3 — месторождение считают газоконденсатным, при более 20 000 м3 на 1 т нефти — чисто газовым. Запасы попутного газа оцениваются примерно в 40% общих ресурсов газа.
Коэффициенты извлечения газа существенно выше, чем у нефти, но они сильно зависят от типа месторождения, от окружающих его пород и ряда других факторов. Так же, как для нефти, могут применяться различные специальные меры, позволяющие повысить коэффициент извлечения, однако все они требуют значительных капиталовложений и увеличивают стоимость добываемого газа. Во всяком случае, коэффициенты извлечения в 80 % и даже выше являются для газовых месторождений вполне достижимыми.
По данным Н. В. Мельникова [1] извлекаемые прогнозные ресурсы «обычного» газа в мире при коэффициенте извлечения 80 % составляют около 500 млрд. т условного топлива, т. е. по тепловому эквиваленту превышают извлекаемые ресурсы нефти примерно на 40 %. Однако их распределение в мире столь же неравномерно, как и нефти, в связи с чем многие страны испытывают нехватку газа уже сейчас.
Наряду с «обычным» газом в последнее время стали рассматривать запасы «необычного» газа, сосредоточенного в различных геологических формациях. К таким источникам относятся так называемые плотные песчаники, являющиеся по существу резервуарами газа с низкой проницаемостью. Они весьма распространены, и количество газа в них потенциально тоже очень велико. Однако существующими методами газ не может быть извлечен из этих пород. Все разрабатываемые в настоящее время методы добычи необычного газа основываются на необходимости дробления основной газосодержащей породы, с тем чтобы обеспечить поступление газа из возможно большего объема к буровой скважине.
С этой целью рассматриваются различные методы, включающие подземные взрывы. Сегодня наиболее перспективным представляется метод гидравлического разрушения пород. Такие методы применялись и ранее для повышения коэффициента извлечения нефти из некоторых типов пород. Однако для добычи газа из плотных песчаников предполагается применение значительно больших давлений и количеств закачиваемой в скважину воды. Подобные эксперименты проводились в последнее время в Скалистых горах (США). В этих экспериментах в скважину закачивалось от 1 до 4 млн. л воды. Очень велики ресурсы газа, растворенного в подземных водах, в так называемых зонах аномально высокого давления, и метана, содержащегося в угольных пластах. Подсчеты показывают, что выход газа из скважины при этом окажется достаточно большим, чтобы сделать метод экономически приемлемым.
В ряду источников необычного газа следует назвать также некоторые типы органических сланцев, болотный газ и газ, получаемый из городских отходов. Последний источник газа представляет особый интерес, ибо газ при этом получается там, где он более всего нужен. Этот газ получают путем анаэробного разложения органических отходов. Оценки показывают, что для городов с населением в 1 млн. человек и более этот источник газа может оказаться рентабельным. При этом исходят из того, что на каждого городского жителя количество отходов в день составляет около 1 кг и соответственно производительность установки может составить в сутки около 30 000 м3 газа, содержащего до 75% метана. Опытнопромышленная установка такого типа эксплуатируется сейчас в Калифорнии.
Очевидно, что по мере совершенствования технологии и подорожания обычного газа источники необычного газа начнут вносить свой вклад в энергетический баланс страны.
