Nieodnawialne surowce energetyczne

Źródła energii pozostające do dyspozycji człowieka możemy podzielić na:

• źródła nieodnawialne, do których zaliczamy wszystkie surowce kopalne czyli: węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf, ropę naftową, gaz ziemny, łupki i piaski bitumiczne, asfalt i wosk naturalny, uran i tor;
• źródła odnawialne, do których należą: energia spadku wód – „biały węgiel, energia słoneczna, energia wiatru, energia prądów morskich pływów, energia geotermiczna i energia biomasy.

Nieodnawialne zasoby przyrody tworzyły się wiele milionów lat. Powstają tak powoli, że z perspektywy długości ludzkiego życia ich zapasy są skończone, wyczerpywane. Energia źródeł nieodnawialnych jest (za wyjątkiem energii pierwiastków promieniotwórczych) „zmagazynowaną” w przeszłości energią słoneczną. Wprawdzie i dzisiaj przyrastają zasoby surowców energetycznych – tworzy się np. torf, jednak w tempie tak powolnym, że nie uwzględniamy tego w bilansach.

W przeszłości człowiek wykorzystywał głównie nieodnawialne źródła energii. Chociaż już od ponad 2000 lat korzysta on również z węgla kamiennego, to jego zużycie stało się masowe dopiero od początku XIX wieku. Odchodzenie od odnawialnych źródeł energii wiązało się z narastaniem koncentracji produkcji przemysłowej i ludności w „erze industrialnej”. Okazało się bowiem, że energia tych źródeł jest nazbyt rozproszona i często nie występuje w dostatecznych ilościach w pobliżu szybko rosnących aglomeracji miejskich. Ponadto w XIX wieku nie znano jeszcze efektywnych metod transformacji siły wiatru czy energii kinetycznej wód płynących, na formy energii użyteczne np. w hutnictwie żelaza. Współcześnie szersze wykorzystanie tej energii jest wprawdzie możliwe od strony technicznej, ale często jeszcze pozostaje nieopłacalne, a więc ekonomicznie nieuzasadnione.

Charakterystyka głównych nieodnawialnych surowców energetycznych:

Węgiel kamienny - jest paliwem kopalnym pochodzenia organicznego. Powstał w wyniku powolnych przekształceń tkanek roślinnych, rozkładu przez mikroorganizmy w warunkach ograniczonego dostępu tlenu oraz działania wysokiej temperatury i ciśnienia panujących pod powierzchnią ziemi. Do powstania złóż węgla kamiennego przyczyniły się zmiany klimatyczne, jakie miały miejsce w permie. Wywołały one masowe wymieranie panującej wówczas roślinności. Drugim ważnym dla powstania węgla okresem był karbon. W ciepłym i wilgotnym klimacie rozwijały się, a następnie obumierały wielkie ilości roślin. Do dominujących gatunków należały wówczas między innymi ogromne widłaki, skrzypy, paprocie oraz prymitywne rośliny nagonasienne. Tkanki roślin rosnących na podmokłych terenach po obumarciu poddawane były powolnym procesom fermentacji beztlenowej. Przykrywane warstwami osadów w warunkach coraz wyższego ciśnienia i temperatury przekształcały się powoli w węgiel, którego złoża dzięki procesom górotwórczym zostały wyniesione bliżej powierzchni ziemi.

Węgiel kamienny zawiera 78-92% pierwiastka węgla (do węgla kamiennego zalicza się też antracyt zawierający do 97% węgla). Barwa czarna. Zwarty, kruchy. Przy spalaniu daje długi, błyszczący płomień. Węgiel kamienny należy do węgli humusowych, niejednorodnych w swej strukturze, stanowiących mieszaninę kilku odmian petrograficznych (różniących się twardością i połyskiem), tworzących pojedyncze pasma. Należą do nich:
1) fuzyn - węgiel włóknisty,
2) duryn - węgiel matowy,
3) klaryn - węgiel półbłyszczący,
4) witryn - węgiel błyszczący.
Ze względu na zastosowanie rozróżnia się kilka typów technologicznych węgla kamiennego, określanych poprzez takie właściwości jak: spiekalność, zawartość składników lotnych, ciśnienie rozprężania i ciepło spalania.

Węgiel kamienny jest najczęściej występującym surowcem energetycznym pochodzenia organicznego. W niektórych domach do dziś używa się do ogrzewania. Obecnie jednak większość węgla zużywana jest w przemyśle lub elektrowniach. Zanim zaczęto wydobywać na szeroką skalę gaz ziemny uzyskiwano go z węgla. Węgiel Kamienny zawdzięcza swoją popularność temu, iż w przeciwieństwie do innych skał pali się wydzielając dużo ciepła i dużo energii. Przerabia się go w procesie koksowania (suchej destylacji węgla) czyli wysokotemperaturowego (około 1000°C) odgazowywania w piecach koksowniczych bez dostępu powietrza. Proces ten prowadzi do powstania koksu, gazu koksowniczego, wody pogazowej i smoły pogazowej Substancja stała - tworzy szaroczarne, nieregularne bryły o budowie gąbczastej, składające się w 90% z węgla. Stosowany jako paliwo i reduktor w procesie wielkopiecowym (otrzymywanie stali z rud żelaza) oraz jako bezdymne paliwo do centralnego ogrzewania.

Światowe zasoby węgla kamiennego są skoncentrowane głównie w Eurazji (75%) i Ameryce Północnej (14%). Stosunkowo małe jego złoża występują w Afryce i Australii, a najmniejsze w Ameryce Południowej. W 2002 r. światowe wydobycie węgla kamiennego przekroczyło 3,6 mld ton, z czego najwięcej wydobyły Chiny (1,1 mld ton, razem z węglem brunatnym), USA (1,0 mld ton, 2001), Indie (335 mln ton), Australia (260 mln ton), RPA (220 mln ton), Rosja (180 mln ton), Polska (ok. 105 mln ton), Indonezja (103 mln ton), Ukraina (85 mln ton, 2001) i Kazachstan (75 mln ton).

Do głównych rejonów wydobycia węgla kamiennego na świecie należą:

• w Chinach – zagłębia: Datong, Kailuan oraz Fashun – gdzie pracuje najwieksza kopalnia odkrywkowa wegla kamiennego na świecie;
• Sanach Zjednoczonych – Zagłębie Appalaskie, Zagłębie Północne Wielkich Równin, Zagłębie Wewnętrzne Wschodnie i Zagłębie Wyżyny Kolorado;
• w WNP – Donieckie Zagłebie Weglowe na Ukrainie, Kuźnieckie Z.W. i Peczorskie Z.W. w Rosji, Karagandzkie Z.W. i Ekibastuskie Z.W. w Kazachstanie;
• W Indiach – Zagłębie Damodar;
• W RPA – rejon Johannesburga;
• w Australii – Zagłebie Newcastle.

Do ważnych osrodków wydobycia tego surowca można też zaliczyć zagłebia: Górnośląskie w Polsce, Ruhry i Saary w Niemczech oraz Yorkshire i Northumberland w Anglii.

Przestrzenne zmiany w górnictwie węgla kamiennego były związane z wyczerpywaniem się długo eksploatowanych złóż w Europie i sięganiem do zasobów bardziej wydajnych w Azji i Ameryce Północnej oraz, co dało się zauważyć głównie w Europie Zachodniej, ze spadkiem zapotrzebowania na ten surowiec w energetyce, karbochemii i hutnictwie żelaza.

Spadek zużycia węgla kamiennego w krajach rozwiniętych jest rezultatem restrukturyzacji i modernizacji ich gospodarek. Węgiel kamienny, będący podstawowym źródłem energii ery industrialnej, w coraz mniejszym stopniu odpowiada współczesnym potrzebom.

W latach 90. obroty węglem kamiennym na rynku światowym były w miarę stabilne i osiągały prawie 400 mln ton rocznie. Jego głównymi eksporterami są obecnie: Australia, Stany Zjednoczone, RPA, Kanada, Chiny i Polska; importerami zaś: Japonia, Kores Płd. I Brazylia oraz Europa Zachodnia (głównie Włochy, Francja, Belgia, Hiszpania i W. Brytania.

Węgiel brunatny - jeden z węgli kopalnych, zawierający 65-78% pierwiastka węgla o barwie jasnobrunatnej, brązowej do czarnej.

Rozróżnia się kilka odmian węgla brunatnego:
1) węgle twarde (subbitumiczne), charakteryzujące się dużą zwięzłością i kalorycznością (4165-5700 kcal/kg), wśród nich wyróżnia się węgle błyszczące (podobne do węgli kamiennych) oraz matowe,
2) węgle miękkie - mniej zwięzłe, po wysuszeniu łatwo rozsypujące się na małe kawałki, o niższej kaloryczności (poniżej 4165 kcal/kg), obejmujące węgle ziemiste i łupkowe,
3) węgle ksylitowe (węgle lignitowe, lignity),odznaczające się wyraźnie zachowaną strukturą drewna.

Ze względu na zastosowanie rozróżnia się także kilka typów technologicznych węgla brunatnego:

• węgiel energetyczny - wykorzystywany w elektrowniach cieplnych, o wartości opałowej powyżej 1500 kcal/kg i zawartości popiołu poniżej 40%,
• węgiel brykietowy, używany do produkcji brykietów, o wartości opałowej ponad 2000 kcal/kg i zawartości popiołu poniżej 15%,
• węgiel wytlewny, stosowany do produkcji prasmoły i paliw płynnych, zawierający w stanie suchym poniżej 20% popiołu,
• węgiel ekstrakcyjny, służący do otrzymywania wosku ekstrakcyjnego i bituminów, o zawartości w stanie suchym ponad 12% bituminów.

Węgiel brunatny jest szeroko rozpowszechniony na świecie. Występuje przede wszystkim w utworach trzeciorzędowych, niekiedy też w utworach kredy, jury i triasu, a także sporadycznie karbonu.

Węgiel brunatny stosowany jest głównie jako opał (ze względu na dużą zawartość siarki - 3-4%, i wysoką popielność, do 40%, jego spalanie ma ujemny wpływ na środowisko). Stanowi także surowiec do chemicznych procesów wytlewania, uwodorniania i zgazowania węgla, stosowany także w ogrodnictwie (jako podłoże).

Węgiel brunatny jest eksploatowany w niewielu krajach, głównie na potrzeby lokalne. Można szacować, że w latach 90. pozyskano ok. 1,5mld ton tego paliwa rocznie, głównie w Niemczech, Rosji, Chinach, Stanach Zjednoczonych, Czechach i Polsce. Światowe złoża szacuje się na 524 mld t (1994), największe z nich występują na obszarach: Niemiec (Nadreńskie Zagłębie Węgla Brunatnego, Saskie Zagłębie Węglowe, Łużyckie Zagłębie Węglowe), Rosji (Zagłębie Kańsko-Aczyńskie, Podmoskiewskie Zagłębie Węglowe), Rumunii, Czech (Północnoczeskie Zagłębie Węglowe), USA, Kanady, Australii i Indii.

Ropa naftowa - to mieszanina różnych węglowodorów. W węglowodorach stałych rozpuszczone są węglowodory ciekłe i gazowe. W skład ropy naftowej wchodzi wiele pierwiastków. Są to głównie niemetale, ale znaleźć tam można także związki chemiczne i niewielkie ilości metali. Z ropy naftowej  wyodrębniono około 600 związków, ale ich ilość szacuje się na kilka tysięcy.

• Niemetale: węgiel(C), wodór(H), siarka(S), tlen(O), azot(N)
• Związki chemiczne: chlorek sodu (NaCl), siarkowodór (H2S), amoniak (NH3), woda(H2O), fenole, tioalkohole, związki heterocykliczne
• Metale: nikiel(Ni), mangan(Mn), żelazo(Fe), chrom(Cr), sód(Na), rtęć(Hg)

Związki węglowodorowe, stanowiące około 98% składu ropy naftowej są bardzo zróżnicowane i zawierają od 1 (metan - CH4) do ponad stu atomów węgla w cząsteczce. Można je podzielić na 3 grupy:
parafiny - związki węglowodorowe o różnej długości łańcuchów. Należące do nich alkany stanowią, w zależności od pochodzenia i czasu powstania ropy od 30 do 80% jej zawartości. Te, które mają powyżej 17 atomów węgla w cząsteczce są ciałami stałymi, pomiędzy 16 a 6 - cieczami, a 5 lub mniej - gazami. Liczba atomów węgla w cząsteczkach parafin dochodzi do 40.

Kwasy naftenowe - od parafinów różnią się tym, że łańcuchy węglowe w przypadku tych cząsteczek nie są proste a pozamykane w pierścienie. Im więcej atomów węgla, tym większa gęstość substancji

Związki nienasycone - stanowią grupę węglowodorów, w których nie wszystkie atomy węgla osiągnęły stan nasycenia łącząc się z poszczególnymi atomami swojego typu co najwyżej jednym wiązaniem. Ważny i ciekawy jest fakt, że ropa nie zawiera alkanenów ani alkinów

Nie wszystkie składniki ropy naftowej są pożądane. Związki zawierające siarkę i chlor powodują korozję urządzeń rafineryjnych. Z tego powodu pierwszą czynnością po wydobyciu ropy jest jej odsiarczenie oraz usunięcie wody. Do surowców pokrewnych zaliczymy gaz ziemny i gęstą, lepką substancję zwaną asfaltem, lub inaczej - bitumenem. Węglowodorom w ropie naftowej towarzyszą również inne związki organiczne, zawierające tlen, azot i siarkę. W zależności od zawartości siarki, klasyfikuje się ropę naftową na:

• niskosiarkowe - zawierające do 0,5% S,
• wysokosiarkowe - zawierające powyżej 0,5% siarki.

Ropa naftowa jest to ciemną lepką cieczą. Barwa brązowa lub czarna, odznacza się silnym, specyficznym zapachem. Nie rozpuszcza się w wodzie. Gęstość 11-19 g/cm3.

Ropa naftowa znajduje szerokie zastosowanie. Jest czystsza i wydajniejsza niż węgiel, a w porównaniu z gazem - łatwiejsza do transportowania. Czasem, podobnie jak węgiel nazywana jest czarnym złotem. Wytwarza się z niej połowę energii wykorzystywanej na świecie. Jako surowca energetycznego wytwarza się ropę w transporcie, przemyśle i innych działach gospodarki.
Ropa naftowa wykorzystywana jest do produkcji wielu artykułów.
Bezpośrednio z ropy naftowej powstaje:

• asfalt,
• oleje napędowe,
• oleje i smary,
• nafta,
• różnego rodzaju benzyny.

Ropę naftową używa się do produkcji olejów silnikowych i smarów, gdyż bez nich niemożliwe by było funkcjonowanie maszyn. Służy również do produkcji całej gamy produktów, np. kosmetyków, leków, barwników, materiałów wybuchowych, nawozów sztucznych, włókien sztucznych (nylon), atramentu, środków owadobójczych, plastiku, syntetycznego kauczuku (opony) itp.

Skala koncentracji światowych zasobów ropy naftowej jest ogromna. Szacunki przeprowadzone na początku lat 90. wskazują, ze około 67% wszystkich rezerw tego surowca znajduje się w basenie Zatoki Perskiej. Najbogatsze złoza ropy naftowej w tym regionie zalegają w prowincjach Al.-Hasa w Arabii Saudyjskiej i Chuzestan w Iranie, w pobliżu Mina – al. – Ahmadi w Kuwejcie, w regionie Kirku w Iraku oraz szejkanacie Abu Zabi w Zjednoczonych Emiratach Arabskich. Ropa naftowa występuje też niemal pod całym dnem Zatoki Perskiej.

W pozostałych 33% udokumentowanych zasobów ropy naftowej większość zalega w:

• WNP – na obszarze Niziny zachodniosyberyjskiej, na północnym Kaukazie oraz na Sachalinie w Rosji.
• Stanach Zjednoczonych – obszary roponośne w Teksasie, Luizjanie, Nowym Meksyku, Oklahomie i Kansas
• Kanadzie – w prowincji Alberta,
• Meksyku – na półwyspie Jukatan oraz pod dnem Zatoki Meksykańskiej
• Wenezueli – w basenie J. Maracaibo oraz nie opodal delty Orinoko
• Afryce Północnej – w Libii, Algierii, Egipcie, Tunezji
• Chinach
• Indonezji
• Europie

Największymi eksporterami ropy są: Arabia Saudyjska, Iran, Rosja, Norwegia. Największymi importerami są od wielu lat: Stany Zjednoczone, Japonia, Niemcy, Włochy, Francja, Korea Płd., Holandia.

Gaz ziemny - jest paliwem gazowym pochodzenia naturalnego. Jest mieszaniną węglowodorów gazowych ( metanu CH4 , etanu C2H6 , propanu C3H6 itp. ), ciekłych oraz zmiennych ilości azotu N2, dwutlenku węgla CO2, siarkowodoru H2S, wodoru H2 i domieszek gazów szlachetnych ( helu He, argonu Ar itp. ). Rozróżnia się gaz ziemny wulkaniczny, pochodzenia nieorganicznego, przeważnie niepalny, g.z. błotny, będący produktem biologicznego rozkładu, składający się przede wszystkim z metanu, oraz g.z. właściwy. Gaz ziemny właściwy występuje w podziemnych złożach, bardzo często razem z ropą naftową. W zależności od składu rozróżnia się gaz "chudy", zawierający do 99% metanu, gaz "mokry", zawierający także węglowodory wyższe, oraz gaz "kwaśny", silnie zanieczyszczony związkami siarki.

W skorupie ziemskiej gaz ziemny występuje:

• swobodnie – w postaci gazowej lub związany w stałych hydratach węglowodorów;
• w postaci rozpuszczonej – w wodach podziemnych lub ropie naftowej.

Gaz ziemny w stanie naturalnym jest bezbarwny, bezwonny, lżejszy od powietrza. Aby mógł być wyczuwalny przez człowieka jest poddawany procesowi nawaniania, który nadaje mu poprzez zastosowanie odpowiedniego nawaniacza specyficzną woń. W połączeniu z powietrzem w określonych stężeniach ( 5 % - 15 % ) tworzy mieszaninę wybuchową ( zainicjowanie wybuchu może być spowodowane jakąkolwiek iskrą ). Gaz ziemny jest paliwem ekologicznym. Podczas jego wydobycia i transportu zachowywane są wszelkie warunki ochrony środowiska, a przy jego spalaniu emitowane są minimalne ilości szkodliwych zanieczyszczeń. Dzięki swej wysokiej kaloryczności gaz ziemny wykorzystywany jest jako źródło energii w gospodarstwach domowych. Służy do ogrzewania domów, podgrzewania wody użytkowej i gotowania posiłków. Dostarczany jest siecią gazociągów bezpośrednio do domu użytkownika niezawodnie, bez przerwy, przez cały rok. Nie wymaga magazynowania u odbiorcy. Gaz ziemny jest wyjątkowo wygodny w użytkowaniu. Gazowe urządzenia grzewcze nie wymagają praktycznie żadnej obsługi, wystarczy nastawić żądaną temperaturę.

Gaz ziemny przeważnie towarzyszy pokładom ropy naftowej , ale również występuje samodzielnie . Opinie na temat pochodzenia geologicznego gazu ziemnego nie są w pełni zgodne . Jedna z hipotez głosi , że jego pochodzenie geologiczne jest identyczne jak pochodzenie złóż ropy naftowej . Taka sama jak dla ropy jest również technika poszukiwań złóż gazu i wierceń . W złożach gaz znajduje się pod znacznym ciśnieniem , to też sam wydobywa się odwiertem na powierzchnię ziemi. Po wydobyciu surowy gaz jest przeważnie zanieczyszczony ciałami stałymi (rozdrobniony piasek lub glina ) i ciekłymi ( resztki ropy naftowej – węglowodory ciekłe i woda ) . Przed wprowadzeniem go do rurociągu przesyłowego poddawany jest oczyszczeniu .

Walory gazu to łatwość i wygoda transportu (rurociągami), łatwość sterowania i automatyzacji procesu spalania oraz, co chyba najważniejsze, możliwość osiągnięcia wyższych wskaźników sprawności energetycznej w porównaniu z urządzeniami zasilanymi innymi paliwami.

Najbogatsze złoża gazu ziemnego znajdują się na obszarze Rosji, w obszarach roponośnych (zwłaszcza północnego Kaukazu) oraz niezależnie od ropy (w północnej części Niziny Zachodniosyberyjskiej). Na drugim miejscu pod względem wielkości zasobów tego surowca znajduje się basen Zatoki Perskiej. Razem rejony te koncentrują prawie 70% światowych zasobów gazu. Reszta przypada głównie na złoża basenu Zatoki Meksykańskiej i Morza Karaibskiego, Afryki Północnej i Zatoki Gwinejskiej.

W światowym eksporcie gazu podstawowe znaczenie mają gazociągi. Dzięki nim Rosja przesyła gaz do krajów Europy Środkowej i Zachodniej. Podmorskie gazociągi biegną z pól naftowych i gazowych Morza Północnego do Wielkiej Brytanii, Francji i Niemiec. Gazociągami dostarcza się tez gaz ziemny z Kanady i Meksyku do Stanów Zjednoczonych.