Ископаемые виды топлива (уголь, нефть, газ, торф, горючие сланцы)
Ископа́емое то́пливо — это нефть, каменный уголь, горючий сланец, природный газ и его гидраты, торф и другие горючие минералы и вещества из группы каустобиолитов, применяемые в основном как топливо, добываемые под землёй или открытым способом. Ископаемые виды топлива формируются из окаменелых останков отмерших растений[1] в процессе разложения в анаэробных условиях под воздействием тепла и давления в земной коре в течение миллионов лет[2]. Уголь и торф — топливо, образующееся по мере накопления и разложения останков животных и растений. Ископаемые виды топлива являются невозобновимым природным ресурсом, так как накапливались миллионы лет. Согласно данным Управления по энергетической информации (Energy Information Administration), в 2007 году в качестве первичных источников энергии использовались: нефть — 36,0 %, уголь — 27,4 %, природный газ — 23,0 %, в общей сложности доля ископаемого топлива составила 86,4 % от всех источников (ископаемых и неископаемых) потребляемой первичной энергии в мире[3]. Следует отметить, что в состав неископаемых источников энергии включены: гидроэлектростанции — 6,3 %, ядерное — 8,5 %, и другие (геотермальная, солнечная, приливная, энергия ветра, сжигания древесины и отходов) в размере 0,9 %[4].
Нефть (греч. ναφθα, или через тур. neft, от персидск. нефт; восходит к аккад. напатум — вспыхивать, воспламеняться) — природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. По цвету нефть бывает красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть; имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Нефть известна человечеству с древнейших времён. Однако в наши дни нефть является одним из важнейших для человечества полезным ископаемым.
Уголь — вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Международное название углерода происходит от лат. carbō («уголь»). Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая, в свою очередь, способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией. 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; графиты.
В западных странах имеет место несколько иная классификация — лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.
Горючий сланец — полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Сланцы в основном образовались 450 миллионов лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков. Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (кальциты, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и других) и органических частей (кероген), последняя составляет 10—30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50—70 %. Органическая часть является био- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его (коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит).
Приро́дный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Относится к полезным ископаемым. Природный газ 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.
Га́зовые гидра́ты (также гидраты природных газов или клатраты) — кристаллические соединения, образующиеся при определённых термобарических условиях из воды и газа. Название «клатраты» (от лат. clathratus — «сажать в клетку»), было дано Пауэллом в 1948 году. Гидраты газа относятся к нестехиометрическим соединениям, то есть соединениям переменного состава.
Сла́нцевый приро́дный газ (англ. shale gas) — природный газ, добываемый из горючих сланцев и состоящий преимущественно из метана.
Торф (нем. Torf) — горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Содержит 50—60 % углерода. Теплота сгорания (максимальная) — 24 МДж/кг. Используется комплексно как топливо, удобрение, теплоизоляционный материал и так далее. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества, превращающегося в дальнейшем в торф. Слой торфа в болотах не менее 30 см (если меньше, то это заболоченные земли).
Ископаемые виды топлива содержат высокий процент углерода и включают ископаемый уголь, нефть и природный газ[5]. В свою очередь, нефть, газ, а также ископаемый уголь образовались из отложений когда-то живших организмов под воздействием высокой температуры, давления и анаэробного разложения погребённых под слоем осадочных пород мёртвых организмов. Возраст организмов в зависимости от вида ископаемого топлива составляет, как правило, миллионы лет, а иногда превышает 650 миллионов лет[6]. Более 80 % нефти и газа, которые используются в настоящее время, сформировались в наслоениях, которые образовались в мезозое и в третичный период между 180 и 30 млн лет назад из морских микроорганизмов, накопившихся в виде осадочных пород на морском дне[7].
Основные составляющие нефти, а также газа сформировались в то время, когда органические остатки ещё не полностью окислились, а углерод, углеводород и подобные им компоненты присутствовали в небольших количествах. Осадочные породы покрыли остатки этих веществ. Температура и давление увеличились, и жидкий углеводород скопился в пустотах скал.
В отношении происхождения нефти и природного газа существует альтернативная гипотеза, которая пытается объяснить образование некоторых аномальных месторождений нефти.
Нефтедобы́ча — подотрасль нефтяной промышленности, отрасль экономики, занимающаяся добычей природного полезного ископаемого — нефти. Раскопками на берегу Евфрата установлено существование нефтяного промысла за 6 000—4 000 лет до нашей эры. Её применяли в качестве топлива, а нефтяные битумы — в строительном и дорожном деле. Известна нефть была и в Древнем Египте, где она использовалась для бальзамирования покойников. Несмотря на то, что начиная с XVIII века предпринимались отдельные попытки очищать нефть, тем не менее, она до второй половины XIX века использовалась в основном в натуральном виде. Однако пристальное внимание нефть привлекла к себе только после того, как было доказано в России заводской практикой братьев Дубининых (с 1823), а в Америке — химиком Б. Силлиманом (1855), что из неё можно выделить керосин — осветительное масло, подобное фотогену, получившему на тот момент широкое распространение и вырабатывавшемуся из некоторых видов каменных углей и сланцев. Этому способствовал разработанный в середине XIX века новый способ добычи нефти с помощью буровых скважин вместо колодцев (шахт). Промышленным способом первая (разведочная) нефтяная скважина была пробурена на Апшеронском полуострове в 1847 году, первая эксплуатационная скважина пробурена на р. Кудако на Кубани в 1864 году. В США первая скважина пробурена в 1859 году[8]. При разработке нефтяных месторождений в пласт закачивают пресную воду (для поддержания давления в пласте), в том числе в смеси с попутным нефтяным газом (Водогазовое воздействие) или различными химическими веществами для увеличения нефтеотдачи и борьбы с обводненностью добывающих скважин. В связи с тем, что запасы нефти на суше истощаются, дальнейшее совершенствование технологии добывающей подотрасли нефтяной промышленности позволило начать разработку нефтяных месторождений континентального шельфа с помощью нефтяных платформ.
Для извлечения угля с больших глубин издавна человечеством используются шахты. Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с глубины чуть более 1 200 метров. В угленосных отложениях наряду с углём содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырьё для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Применение струй в качестве инструмента разрушения в исполнительных органах очистных и проходческих комбайнов представляет особый интерес. При этом наблюдается постоянный рост в разработке техники и технологии разрушения угля, горных пород высокоскоростными струями непрерывного, пульсирующего и импульсного действия.
Газифика́ция угля — современные газогенераторы обладают мощностью для трансформации твёрдого топлива от 60 000 м³/ч до 80 000 м³/ч. Техника газификации развивается в направлении повышения производительности (до 200 000 м³/ч) и повышения КПД (до 90 %) путём повышения температуры и давления данного технологического процесса (до +2 000 °C и 10 МПа соответственно). Проводились опыты по подземной газификации углей, добыча которых по различным причинам экономически невыгодна.
В связи с тем, что все торфяные месторождения расположены на земной поверхности, торф разрабатывают открытым способом. Резной способ добычи торфа[9] — старый, кустарный способ добычи торфа путём ручной резки торфовых кирпичей. Применялся на небольших и неглубоких торфяниках. Практически полностью вытеснен механизированными методами добычи торфа. На сегодняшний день разработаны и применяются две основные схемы добычи торфа: сравнительно тонкими слоями с поверхности земли и глубокими карьерами на всю глубину торфяного пласта.
Согласно первой из этих схем торф извлекают, вырезая верхний слой, согласно второй — экскаваторным (или кусковым) способом. В соответствии способу добычи торф подразделяют на отрезной (фрезерный) и кусковой.
есмотря на то, что сланцевый газ содержится в небольших количествах (0,2—3,2 млрд м³/км²), тем не менее, за счёт вскрытия больших площадей можно получать значительное количество такого газа. Для добычи сланцевого газа используют горизонтальное бурение (англ. directional drilling), гидроразрыв пласта (англ. hydraulic fracturing) и сейсмическое моделирование. Аналогичная технология добычи применяется и для получения угольного метана. Вместо гидроразрыва пласта может использоваться пропановый фрекинг[10].