Энергетические ресурсы

К невозобновляемым энергетическим ресурсам относят все виды ископаемого топлива: нефть, природный газ, каменный и бурый уголь, горючие сланцы, торф. В мировых запасах ископаемого топлива ведущую роль играет уголь (до 60 % в пересчете на условное топливо), на нефть и газ приходится около 27 %. При оценке запасов выделяются доказанные запасы и конечные (предполагаемые) запасы.

В 2010 году примерно 91 % всей энергии, производимой человечеством на Земле, добывалось сжиганием разных видов топлива, при этом львиная доля приходилось на невознобновимое ископаемое топливо[1]. По прогнозам американского агентства EIA (Energy Information Administration), доля ископаемого топлива к 2040-му году снизится лишь до 78 %, при одновременном росте энергопотребления на 56 % в период с 2010 по 2040 годы[2]. С этим связаны такие глобальные проблемы современной цивилизации, как истощение невозобновляемых энергоресурсов, загрязнение окружающей среды и глобальное потепление.

Основу энергетики составляют тепловые электростанции (ТЭС), использующие химическую энергию органического топлива. На 2010 год ТЭС на ископаемом топливе обеспечивали более 67 % от общей выработки всех электростанций мира[3].

Доказанные мировые извлекаемые запасы нефти оценивались в 1638[4]—1687[5] млрд баррелей на 2012 год, хотя конечные запасы могут составлять 9800-18900 млрд баррелей[6], в том числе обнаруженные, но не обработанные месторождения, запасы, неизвлекаемые при существующих технологиях, а также альтернативные источники (битуминозные пески и сланцевая нефть).

По данным Международного энергетического агентства (IEA), нефть была источником 32 % всей энергии и 4,6 % электроэнергии в 2010 году[7].

Помимо использования в качестве источника энергии, нефть используется и как химическое сырье, по данным Международного энергетического агентства, в 2010 году 16,8 % нефтепродуктов уходило на не-энергетическое использование[8].

Природный газ широко применяется как топливо для ТЭС, для транспорта с газовым двигателем, для централизованного (Теплоэлектроцентрали, котельные) или децентрализованного отопления и горячего водоснабжения в жилых домах и промышленных зданиях, и для приготовления пищи на газовых плитах.

Доказанные извлекаемые запасы природного газа на 2012 год составляли, по разным оценкам 185[9]-192[10] трл. куб.м., что на 39 % больше, чем 20 лет назад.

По данным IEA, газ был источником 21 % всей энергии и 22 % электроэнергии в 2010 году[7], 5,5 % газа при этом использовалось не в качестве топлива[8].

Уголь является наиболее распространённым и используемым ископаемым топливом. Открытие промышленных свойств угля запустило промышленную революцию, а темпы его потребления растут и по сей день. Доказанные извлекаемые мировые запасы угля по оценке американского агентства EIA на 2009 год составляли 946 млрд тонн, такие запасы позволят поддерживать текущий уровень потребления до 2130 года[11]; однако, при ежегодном росте потребления на 5 % запасы истощатся значительно раньше. По оценке British Petroleum, запасы угля на 2013 год составляли 891 млрд тонн, и их хватит до 2126 года[12].

По данным IEA, уголь был источником около 27 % всей энергии и около 40 % электроэнергии в 2010 году[7].

Возобновляемые источники энергии (т. н. «зеленая энергия») — те природные ресурсы, которые могут служить источниками энергии, и которые относятся к возобновляемым ресурсам, то есть пополняются естественным путём и по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми. Такими ресурсами могут служить возобновляемые органические ресурсы и ряд природных процессов.

В 2010 году из возобновляемых источников энергии было обеспечено около 13 % мирового потребления энергии (2.3 % гидроэнергетика, 10 % биотопливо и отходы, 1 % альтернативные источники энергии), и около 20 % всей электроэнергии (16 % гидроэнергетика, 3,7 % биотопливо и альтернативные источники энергии), по данным Международного энергетического агентства (IEA)[7]. По оценкам американского EIA на этот год, доля «зеленой энергии» в мировом потребления энергии составляла 11 % и ожидался рост на еще 4 % к 2040 году[2]. По данным аналитического центра REN21, доля возобновимых источников в производстве электроэнергии в 2010 году составила 20,3 % (15 % гидроэнергетика, 5,3 % биотопливо и альтернативные источники энергии)[13]

В 2018 году, по данным Международного энергетического агентства, доля возобновимых источников в производстве электроэнергии составила 26 %, доля ядерной энергетики — 10,1 %.[14]

К возобновимым видам топлива относится топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов, а также из органических промышленных отходов: древесина (дрова и измельчённая древесина); топливные гранулы (пеллеты) и топливные брикеты, растительное масло, этанол и др. В настоящее время 54—60 % биотоплива составляют его традиционные формы: дрова, растительные остатки и сушёный навоз для отопления домов и приготовления пищи, их используют 38 % населения Земли. Основной формой биотоплива в электроэнергетике являются топливные гранулы. На транспорте в качестве биотоплива используются в основном этанол, сюда же относят биодизель. В 2014 году этанол составлял 74 % рынка транспортного биотоплива, биодизель — 23 %, гидрированное растительное масло (HVO) — 3 %.

Энергия текущей воды была первым широко используемый для технологических целей видом энергии. До середины XIX века для этого применялись водяные колёса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. Затем стали использоваться гидротурбины, преобразующие механическую энергию далее в электроэнергию.

Гидроэлектростанции обычно строят на реках, для повышения разности уровней воды и гарантированной обеспеченности водой круглый год сооружают плотины и водохранилища. Использование гидроэнергии имеет следующие особенности: первоначальные вложения для строительства ГЭС обычно требуют больше капиталовложения, чем тепловых станций, но стоимость производства энергии на них ниже; ГЭС могут легко и быстро изменять вырабатываемую мощность электроэнергии; крупные и эффективные ГЭС не могут быть построены в любом месте и часто удалены от потребителей; строительство ГЭС оказывает значительное влияние на окружающую среду из-за создания плотин и водоемов.

Мировой потенциал выработки гидроэнергии оценивается почти в 10 трлн кВт/ч. Около 1/2 этого потенциала приходится на Китай, Россию, США, Заир, Канаду, Бразилию.

К альтернативной энергетике относят как относительно развитые отрасли — солнечную и ветровую, так и менее распространенные и находящиеся в процессе становления — геотермальная энергетика, электростанции на биотопливе, приливные и волновые электростанции, грозовую энергетику.

Ядерная (aтомная) энергетика использует для производства электрической (а также тепловой) энергии ядерную энергию. Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер плутония-239 или урана-235[15]. В перспективе также ожидается развитие термоядерной энергетики на основе управляемого термоядерного синтеза, в настоящее время эта отрасль не вышла из стадии строительства экспериментальных реакторов.

Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; существуют программы создания ядерного ракетного двигателя.

В 2010 году ядерная энергия обеспечивала 12,9 % от производства электроэнергии и 5,7 % от всей потребляемой человечеством энергии, по данным Международного энергетического агентства (IEA)[7], около 5 % от всей энергии по оценке американского EIA[2].

Примерно половина мирового производства электроэнергии на АЭС приходится на две страны — США и Францию, существенные объемы энергии вырабатывают АЭС России и Китая. Согласно отчёту Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), на 2019 год насчитывалось 449 действующих ядерных энергетических (то есть производящих утилизируемую электрическую и/или тепловую энергию) реакторов в 34 стране мира[16]; на середину 2019 года 54 реактора строились[17]