Сравнение природного газа и угля в качестве источника энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отдел образования, спорта и туризма Белыничского Райиспокома

Государственное учреждение образования

«Средняя школа №2 г. п. Белыничи»

Конкурс школьных проектов

по дисциплине: Энергоэффективность

Подготовил: Ясенков Максим

Руководитель: Жигорева Лилия Павловна

2016

Содержание

Введение

1. Уголь

1.1 Образование угля

1.2 Виды угля

1.3 Мировые запасы угля

1.4 Добыча угля в Беларуси

1.5 Уголь в качестве источника энергии

2. Природный газ

2.1 Химический состав

2.2 Физические свойства

2.3. Мировые запасы природного газа

2.4 Добыча газа в Беларуси

2.5 Природный газ в качестве источника энергии

3. Уровень газофикации в Беларуси

4. Сравнение природного газа и угля в качестве источника энергии

4.1 Энергетический фактор

4.2 Экономический фактор

4.3 Экологический фактор

Заключение

Введение

Рассматривая устойчивое развитие в терминах экологической приемлемости, можно выделить основные проблемы охраны окружающей среды, которые в наши дни способны привести к потере устойчивости общественного развития. К таким проблемам относятся: изменение климата под воздействием выбросов парниковых газов в результате сжигания органического топлива, истощение озонового слоя, кислотные дожди, накопление отходов и загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, органическими соединениями. При этом энергетика участвует в формировании многих экологических проблем современности.

В связи с этим вопросы развития мировой, национальной и региональной энергетики можно сформулировать следующим образом: какой должна быть энергетика, чтобы выбросы парниковых газов не приводили к слишком большому ущербу от загрязнения окружающей среды (продуктами сгорания, отходами и т.п.) и изменений климата и как оценивать этот ущерб?

«Большинство видов топлива, используемого сегодня, загрязняет атмосферу и не соответствует принципу “устойчивого развития”. Необходимо повысить эффективность использования видов энергии и их экологическую приемлемость путем перехода к чистым технологиям на базе новых и возобновляемых источников энергии…» (итоговый документ Конференции ООН по окружающей среде и развитию, состоявшейся в Рио-де-Жанейро в июне 1992 г.). Необходимо радикально обновить технологическую базу глобальной, национальной и региональной экономики.

По прогнозам, до середины XXI в. в энергоснабжении сохранится ведущая роль ископаемого топлива и традиционных технологий, основанных на его сжигании. Улучшений можно добиться замены угольного топлива на газовое и т. п.

Цель проекта. Сравнение газового и печного отопления.

1. Задачи проекта:

2. Изучить газ и уголь.

3. Сравнить газовое и печное отопление на примере жилого дома

4. Оценить эффективность печного топления

5. Оценить уровень газофикации в Беларуси.

энергия газ уголь экологический

1. Уголь

Уголь -- вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива.

1.1 Образование угля

Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода (примерно 400 млн лет назад), накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Уголь образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создаётся в болотах, где стоячая вода, обеднённая кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определённой стадии процесса выделяемые в ходе него кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает торф -- исходный продукт для образования угля. Если затем происходит его захоронение под другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы, преобразуется в угол. Под давлением наслоений осадков толщиной в 1 километр из 20-метрового слоя торфа получается пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребения растительного материала достигает 3 километров, то такой же слой торфа превратится в пласт каменного угля толщиной 2 метра. На большей глубине, порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра. В результатах движения земной коры угольные пласты испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счёт эрозии или самовозгорания, а опущенные сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земной поверхности. Образование наиболее мощных угольных пластов связано с областями земной коры, которые на протяжении значительного времени -- в течение миллионов лет -- подвергались постепенному тектоническому опусканию со скоростью накопления торфа на поверхности.

1.2 Виды угля

Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля -- растительные остатки. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа: бурые угли (лигниты), каменные угли, антрациты и графиты.

Антрацит -- самый глубоко прогревавшийся при своем возникновении из ископаемых углей уголь. Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется как твердое высококалорийное топливо (теплотворность 6800--8350 ккал/кг). Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров.

Каменный уголь -- осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений. По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Содержание углерода в каменном угле составляет от 75 % до 95 %. Содержит до 12 % влаги (3-4 % внутренней), поэтому имеет более высокую теплоту сгорания по сравнению с бурым углем. Содержит до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняется. Образуется из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.

Бурый уголь -- твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65--70 % углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье. Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра. В качестве источника энергии в мире больше всего используется каменный уголь. 4) Химический состав.C - 70%-95%;H - 3%-7%;O - 4%-20%;N - 1%-25%;содержит до 30% золы. 5) Добыча угля. Способы добычи угля зависят от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом в угольных разрезах, если глубина залегания угольного пласта не превышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при всё большем углублении угольного карьера далее выгодно вести разработку угольного месторождения подземным способом. Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. В угленосных отложениях наряду с углем содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырье для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Например, некоторые угли обогащены германием.

1.3 Мировые запасы угля

Общие мировые извлекаемые запасы угля составляют 908 млрд т, которых хватит на 190 лет при современном уровне потребления угля. Первые 10 стран по разведанным запасам угля.

1.4 Добыча угля в Беларуси

В Беларуси есть небольшие запасы бурого угля в районе Припятского прогиба. Установлены три стратиграфические уровне угленосности: неоген, юрский и карбоновый. Неогенового уголь залегает на глубине 20-80 м, юрские 100-300 м, карбоновое более 300 м. Прогнозные ресурсы угля неогена - 533,8 млн. т, юри - 523 млн. т, карбона - 294 млн. т. Наиболее изучен неогенового угля трех месторождений - Житковицького, Бриневського и Тонезького - с общими запасами 152 млн. т. Житковицьке месторождение представлено 4 угольными пластами суммарной мощностью до 15,6 м, глубиной залегания 50 м, общие запасы 92,3 млн. т. Здесь детально разведаны и подготовлены для промышленного освоения два залежи с общими запасами 46,7 млн. т, что позволяет проектировать строительство разреза мощностью в 2 млн. т. Два других месторождения разведаны только предварительно. Бриневське месторождение представлено угольным пластом мощностью до 20 м, глубиной залегания до 90 м, запасы 40 млн т. По оценкам специалистов промышленные запасы бурого угля можно довести до 150-200 млн. т, что позволит создать на их базе мощности по добыче 4-5 млн. т в год и практически решить проблему нехватки бытового топлива.

Торф занимает ведущее место среди горючих полезных ископаемых Беларуси ( Полесье). Известно до 7 тыс. месторождений общей площади 2,5 млн. га, запасы торфа 3 млрд. т ( 2000 год). Из них доступными для разработки является около 588 млн. т (остальные находятся в пределах природоохранных зон или входят в состав земельного фонда). Преобладают мелкие (по запасам) месторождения. Мощность торфяных залежей иногда достигает 11 метров. Торф (39 видов) осоковый, гипновый, древесно-тростниковый, сфагновый, комплексный, верховой, пушицевий и др.. Его влажность достигает 94%, зольность 1,4-15%, теплота сгорания до 13 МДж / кг.

1.5 Уголь в качестве источника энергии

Энергетический фактор. В среднем, сжигание одного килограмма этого вида топлива приводит к выделению 2,93 кг CO₂ и позволяет получить 23-27 МДж (6,4-7,5 кВт*ч) энергии или, при КПД 30 % -- 2,0 кВт·ч электричества.Реакция горения угля: C+O2=CO2.Тепловой эффект р-ции ¦H0r=-393,51 кДж.

Экономический фактор.Средняя стоимость тонны угля в 2012 году составила $119 (3570-3689 рублей).

Экологический фактор.Основная трудность использования угля состоит в высоком уровне выбросов от сжигания угля -- газообразных и твёрдых (зола). Выходом из ситуации является использование различных фильтров (например, электрофильтров) в газоходах котлов. Зола, получаемая от сжигания угля, в ряде случаев может быть использована в строительной индустрии. Ещё в СССР были разработаны ГОСТы, предусматривающие добавку золы в шлакопортландцементы. Экологические проблемы добычи, переработки и использовании угля являются принципиальным рубежом, который придется преодолеть, если угольная промышленность и угледобывающие регионы хотят выдержать конкуренцию с газом. Уже при достигнутом уровне угледобычи, концентрации угольных предприятий, их влияние на окружающую среду, на поверхности и в недрах чрезмерно велико. А перевозка угля на дальние расстояния, сжигание, выбросы в атмосферу -- масштабные процессы, происходящие и распространяющиеся далеко за пределами угледобывающих регионов. Нарушение поверхности без последующей рекультивации почв, расположение мест складирования твердых и жидких отходов, гибель сотен водных источников, малых рек, нарушение гидрологического и гидрохимических режимов подземных вод вызывает серьезнейшие последствия для природы, жизни и здоровья людей. В этой связи лицензирование малых участков для строительства карликовых разрезов и шахт может нанести непоправимый вред как природе, так и современному уровню технологий добычи угля

Вывод: Небольшая стоимость, энергетическая привлекательность - все это делает уголь очень хорошим источником энергии. Но при этом существует серьезные проблемы связанные с экологией угледобычи.

2. Природный газ

Природный газ -- смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Природный газ относится к полезным ископаемым. В пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии -- в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При стандартных условиях (101,325 кПа и 20 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

2.1 Химический состав

Основную часть природного газа составляет метан (CH₄) -- от 92 до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды -- гомологи метан:

· этан (C₂H₆);

· пропан (C₃H₈);

· бутан (C₄H₁₀);

а также другие неуглеводородные вещества:

· водород (H₂);

· сероводород (H₂S);

· диоксид углерода (СО₂);

· азот (N₂);

· гелий (Не).

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц) (т. н. одорантов). Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан (16г на 1000 куб.м.природного газа). Для облегчения транспортировки и хранения природного газа его сжижают, охлаждая при повышенном давлении.

2.2 Физические свойства

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; при нормальных условиях, если не указано другое):

· Плотность:

o от 0,68 до 0,85 кг/мі относительно воздуха (сухой газообразный);

o 400 кг/мі (жидкий);

· Температура самовозгорания: 650 °C;

· Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом от 5 % до 15 % объёмных;

· Удельная теплота сгорания: 28--46 МДж/мі (6,7--11,0 Мкал/мі);

· Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120--130.

· Легче воздуха в 1,8 раз, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.

Свойство газа находиться в твердом состоянии в земной коре. В науке долгое время считалось, что скопления углеводородов с молекулярным весом более 60 пребывают вземной корев жидком состоянии, а более легкие -- в газообразном. Однако российские ученые А. А. Трофим4ук, Н. В. Черский, Ф. А. Требин, Ю. Ф. Макогон, В. Г. Васильев обнаружили свойство природного газа в определенных термодинамических условиях переходить в земной коре в твердое состояние и образовыватьгазогидратные залежи. Это явление было признано как научное открытие и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 75 с приоритетом от 1961 г. Газ переходит в твердое состояние в земной коре, соединяясь с пластовой водой при гидростатических давлениях (до 250 атм) и сравнительно низких температурах (до 295°К). Газогидратные залежи обладают несравненно более высокой концентрацией газа в единице объема пористой среды, чем в обычных газовых месторождениях, так как один объем воды при переходе ее в гидратное состояние связывает до 220 объемов газа. Зоны размещения газогидратных залежей сосредоточены главным образом в районах распространения многолетнемерзлых пород, а также под дном Мирового океана. Газовые гидраты рассматриваются как потенциальный источник топлива. По различным оценкам, запасы углеводородов в гидратах составляют от 1.8·10¹⁴ до 7.6·10¹⁸ мі. Кристаллогидраты обладают высоким электрическим сопротивлением, хорошо проводят звук, и практически непроницаемы для свободных молекул воды и газа.

2.3 Мировые запасы природного газа

Мировые запасы природного газа составляют более 208,4 триллиона кубических метров, и их должно хватить более чем на 63 года.

2.4 Добыча газа в Беларуси

Доказанные запасы газа в Белоруссии незначительны и составляют около 3 млрд куб. метров. Добыча газа (в основном, попутного) составляет 0,2 млрд куб. м в год, обеспечивая 1% внутренних потребностей страны в газе.

2.5 Природный газ в качестве источника энергии

Энергетический фактор. Сжигание одного кубометра природного газа дает около 30 МДж.Реакции горения основных частей природного газа.

СН4+2О2=СО2+2Н2О (метан), ¦H0r =-802,3 кДж.

2C2H6 +7O2 = 4CO2 + 6H2O (этан), ¦H0r=-2856,94 кДж

C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O (пропан), ¦H0r=-2043,96 кДж.

2C4H10 + 13O2 = 8CO2 + 10H2O (бутан), ¦H0r=-5311,88 кДж.

Экономический фактор. Цена за 1000 метров кубический природного газа составляет порядка $400 (12000-12400 рублей).

Экологический фактор. В процессе освоения нефтяных и газовых месторождений наиболее активное воздействие на природную среду осуществляется в пределах территорий самих месторождений, трасс линейных сооружений (в первую очередь магистральных трубопроводов), в ближайших населенных пунктах (городах, поселках). При этом происходит нарушение растительного, почвенного и снежного покровов, поверхностного стока, срезка микрорельефа. Предприятия по добыче и переработке газа загрязняют атмосферу углеводородами, главным образом в период разведки месторождений (при бурении скважин). Иногда эти предприятия, несмотря на то, что газ экологически чистое топливо, загрязняют открытые водоемы, а также почву. Природный газ отдельных месторождений может содержать весьма токсичные вещества, что требует соответствующего учета при разведочных работах, эксплуатации скважин и линейных сооружений. Так, в частности, содержание сернистых соединений в газе нижней Волги настолько велико, что стоимость серы как товарного продукта, получаемого из газа, окупает затраты на его очистку. Это является примером очевидной экономической эффективности реализации природоохранной технологии. Тем не менее, в экологическом отношении природный газ является самым чистым видом органического топлива. При его сгорании образуется значительно меньшее количество вредных веществ, чем при сгорании других видов топлива.

Вывод: Природный газ - это достаточно дорогой вид источника энергии, но имеет хорошую энергоемкость. Экологические проблемы, в основном, связаны не с газом, в с сопутствующими его добыче процессами.

3. Уровень газофикации в Беларуси

Уровень газификации квартир в Беларуси природным газом превысил 72%, сообщили БЕЛТА в пресс-службе Минэнерго.

"Природным газом газифицировано 2,7 млн квартир, уровень газификации квартир в Беларуси составляет 72,4%, что является самым высоким показателем в газифицированных странах", - отметили в пресс-службе. По состоянию на 1 января 2015 года газифицированы все 118 районных центров, 87 из 90 поселков городского, рабочего и курортного типа.

В сельской местности газифицировано природным газом 375,8 тыс. квартир, уровень газификации составляет 31,1% (на 1 января 2011 года - 23,4%). Газификация сельских населенных пунктов за пять лет выросла в 1,3 раза. Протяженность сетей природного газа в сельской местности - 29,5 тыс. км, прирост сетей природного газа составляет от 1,5 до 2 тыс. км в год.

Из 1 481 населенных пунктов, преобразованных в агрогородки, газифицирован 931 агрогородок, что составляет 62,9%. В ходе выполнения Государственной программы устойчивого развития села на 2011-2015 годы с 2011 по 2014 год построено и введено в эксплуатацию 4 721,21 км подводящих и распределительных газопроводов для эксплуатируемого жилищного фонда и вводимого жилья, переводено со сжиженного на природный газ и газифицировано 84,7 тыс. квартир в агрогородках и сельских населенных пунктах.

За 2010-2014 годы с привлечением средств населения построено и введено в эксплуатацию 5 413,9 км распределительных газовых сетей, в существующем жилищном фонде газифицировано природным газом 133,8 тыс. квартир.

Для подачи природного газа к вводимым в эксплуатацию по программам облисполкомов и Минского горисполкома жилым домам за 2010-2014 годы построено 1 414 км распределительных газопроводов.

Организации строительного комплекса отрасли за 2010-2014 годы собственными силами ввели в эксплуатацию более 10 тыс. км газопроводов всех категорий. На строительство объектов газораспределительной системы освоено более Br2,2 трлн.

Как пояснили в пресс-службе, по результатам комплексного приборного обследования прослеживается устойчивая положительная динамика в изменении технического состояния подземных газопроводов. Протяженность сетей природного газа в стране - 51,8 тыс. км. Ежегодный прирост сетей составляет более 2,5 тыс. км, за последние 5 лет введено в эксплуатацию около 13 тыс. км газовых сетей (25% от общей протяженности).

4. Сравнение угля и природного газа в качестве источника энергии

4.1 Энергетический фактор

По сравнению с углем, энергоемкость которого равна 23-27 МДж (6,4-7,5 кВт*ч) при сжигании 1м³ (750-800 кг), природный газ является более выгодным источником энергии, т.к. его энергоемкость выше (30 МДж при сжигании 1м³ (0,09 кг)).

4.2 Экономический фактор

Цена на природный газ ($400 за 1000 м³) выше, чем цена на уголь ($119 за тонну).

4.3 Экологический фактор

И угольная, и газовая отрасли являются экологически проблемными. Но если проблема газовой отрасли состоит больше в сопутствующих его добыче процессах (трубопроводы, бурение, застройка месторождений и т.д.), то проблема угольной отрасли заключается еще в самом угле, при сгорании которого, происходят обильные выбросы вредных газообразных (CO²) и твердых (золы) веществ.

Заключение

Сравнение показало, что в энергетическом и экологическом плане природный газ является более выгодным источником энергии, но экономически более выгоден уголь. Но, уголь более экологически вреден, а проблемы глобального потепления и загрязнения атмосферы никуда не делись, сейчас выгоднее использовать природный газ, который меньше вредит окружающий среде. Возможно, к окончанию его запасов будут изобретены более качественные метод очистки выбросов при использовании угля, чтобы обеспечить наименьший урон атмосфере.

Таблица 1. Сравнительная характеристика использования угля и газа на примере жилого дома.

	Уголь	Газ
Затраты на отопительный сезон	1.8млн/руб	2.33млн/руб
Количество используемого сырья	3т	3000м3
Количество выбрасываемых вредных веществ(SO2, CO, CO2, NO2, Hg др.)	878.3дм3	257дм3

Таблица 2. Сравнение газа и угля.

Вид топлива	Теплопроводность, кВт-ч/кг	Усредненный КПД установки	Стоимость топлива, руб./кг	Стоимость 1 кВт получения тепла, руб.
Природный Газ	9,4 кВт-ч/м3	94%	603руб./м3	125,5
Уголь	5,5	75%	753	251

Таблица 3. Уровни выбросов ископаемого топлива (фунтов на миллиард БТЕ)

Загрязнитель	Природный Газ	Уголь
Диоксид углерода	117,000	208,000
Моноксид углерода	40,000	208,000
Оксиды азота	92,000	457,000
Диоксид серы	1,000	2,591
Частицы	7,000	2,744
Ртуть	0,000	0,016
Итого	257,000	878,351

БТЕ - британская тепловая единица 0, 252 ккал.

Фунт - британская мера веса - 454 г.

Размещено на Allbest.ru

...