Чистая и возобновляемая геотермальная энергетика. Ядерное тепло земли

Основными источниками тепловой энергии Земли являются [ , ]:

• тепло гравитационной дифференциации;
• радиогенное тепло;
• тепло приливного трения;
• аккреционное тепло;
• тепло трения, выделяющееся за счёт дифференциального вращения внутреннего ядра относительно внешнего, внешнего ядра относительно мантии и отдельных слоёв внутри внешнего ядра.

К настоящему времени количественно оценены лишь первые четыре источника. В нашей стране основная заслуга в этом принадлежит О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову . Нижеприводимые данные в основном базируются на расчётах этих учёных.

Тепло гравитационной дифференциации Земли

Одной из важнейших закономерностей развития Земли является дифференциация её вещества, которая продолжается и в настоящее время. За счёт этой дифференциации произошло формирование ядра и земной коры , изменение состава первичной мантии , при этом разделение первоначально однородного вещества на фракции различной плотности сопровождается выделением тепловой энергии , а максимальное тепловыделение происходит при разделении земного вещества на плотное и тяжёлое ядро и остаточную более лёгкую силикатную оболочку - земную мантию . В настоящее время основная часть этого тепла выделяется на границе мантия - ядро .

Энергии гравитационной дифференциации Земли за всё время её существования выделилось - 1,46*10 38 эрг (1,46*10 31 Дж) . Данная энергия в большей своей части сначала переходит в кинетическую энергию конвективных течений мантийного вещества, а затем в тепло ; другая её часть расходуется на дополнительное сжатие земных недр , возникающее благодаря концентрации плотных фаз в центральной части Земли. Из 1,46*10 38 эрг энергии гравитационной дифференциации Земли на её дополнительное сжатие пошло 0,23*10 38 эрг (0,23*10 31 Дж ), а в форме тепла выделилось 1,23*10 38 эрг (1,23*10 31 Дж ). Величина этой тепловой составляющей существенно превышает суммарное выделение в Земле всех остальных видов энергии. Распределение во времени общей величины и скорости выделения тепловой компоненты гравитационной энергии отражено на Рис. 3.6 .

Рис. 3.6.

Современный уровень генерации тепла при гравитационной дифференциации Земли - 3*10 20 эрг/с (3*10 13 Вт ), что от величины современного теплового потока, проходящего через поверхность планеты в (4,2-4,3)*10 20 эрг/с ((4,2-4,3)*10 13 Вт ), составляет ~ 70% .

Радиогенное тепло

Обусловливается радиоактивным распадом нестабильных изотопов . Наиболее энергоёмкими и долгоживущими (с периодом полураспада , соизмеримым с возрастом Земли) являются изотопы 238 U , 235 U , 232 Th и 40 K . Основной их объём сосредоточен в континентальной коре . Современный уровень генерации радиогенного тепла :

• по американскому геофизику В.Вакье - 1,14*10 20 эрг/с (1,14*10 13 Вт ) ,
• по российским геофизикам О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову - 1,26*10 20 эрг/с (1,26*10 13 Вт ) .

От величины современного теплового потока это составляет ~ 27-30 %.

Из общей величины тепла радиоактивного распада в 1,26*10 20 эрг/с (1,26*10 13 Вт ) в земной коре выделяется - 0,91*10 20 эрг/с , а в мантии - 0,35*10 20 эрг/с . Отсюда следует, что доля мантийного радиогенного тепла не превышает 10 % от суммарных современных теплопотерь Земли, и она не может являться основным источником энергии активных тектоно-магматических процессов, глубина зарождения которых может достигать 2900 км; а радиогенное тепло, выделяющееся в коре, относительно быстро теряется через земную поверхность и практически не участвует в разогреве глубинных недр планеты.

В прошлые геологические эпохи величина радиогенного тепла, выделяемого в мантии, должна была быть более высокой. Её оценки на момент образования Земли (4,6 млрд. лет назад ) дают - 6,95*10 20 эрг/с . С этого времени происходит неуклонное снижение скорости выделения радиогенной энергии (Рис. 3.7 ).

За всё время в Земле выделилось ~4,27*10 37 эрг (4,27*10 30 Дж ) тепловой энергии радиоактивного распада, что почти в три раза ниже общей величины тепла гравитационной дифференциации.

Тепло приливного трения

Выделяется при гравитационном взаимодействии Земли в первую очередь с Луной, как ближайшим крупным космическим телом. Благодаря взаимному гравитационному притяжению в их телах возникают приливные деформации - вздутия или горбы . Приливные горбы планет своим дополнительным притяжением оказывают влияние на их движение. Так, притяжение обоих приливных горбов Земли создаёт пару сил, действующих как на саму Землю, так и на Луну. Однако влияние ближнего, обращённого к Луне вздутия несколько сильнее, чем дальнего. В связи с тем, что угловая скорость вращения современной Земли (7,27*10 -5 с -1 ) превышает орбитальную скорость движения Луны (2,66*10 -6 с -1 ), а вещество планет не является идеально упругим, то приливные горбы Земли как бы увлекаются её вращением вперед и заметно опережают движение Луны. Это приводит к тому, что максимальные приливы Земли всегда наступают на её поверхности несколько позже момента кульминации Луны, а на Землю и Луну действует дополнительный момент сил (Рис. 3.8 ) .

Абсолютные значения сил приливного взаимодействия в системе Земля-Луна сейчас относительно невелики и обусловливаемые ими приливные деформации литосферы могут достигать лишь нескольких десятков сантиметров, но они приводят к постепенному торможению вращения Земли и, наоборот, к ускорению орбитального движения Луны и к её удалению от Земли. Кинетическая энергия движения земных приливных горбов переходит в тепловую энергию, вследствие внутреннего трения вещества в приливных горбах.

В настоящее время скорость выделения приливной энергии по Г. Макдональду составляет ~0,25*10 20 эрг/с (0,25*10 13 Вт ), при этом основная её часть (около 2/3) предположительно диссипирует (рассеивается) в гидросфере. Следовательно, доля приливной энергии, вызванной взаимодействием Земли с Луной и рассеиваемой в твёрдой Земле (в первую очередь в астеносфере), не превышает 2 % полной тепловой энергии, генерируемой в её недрах; а доля солнечных приливов не превышает 20 % от воздействия лунных приливов. Поэтому твёрдые приливы не играют теперь практически никакой роли в питании тектонических процессов энергией, но в отдельных случаях могут выступать в качестве "спусковых механизмов", например землетрясений .

Величина приливной энергии прямо связана с расстоянием между космическими объектами. И если для расстояния между Землёй и Солнцем не предполагается каких-либо существенных изменений в геологическом масштабе времени, то в системе Земля-Луна этот параметр является переменной величиной. Вне зависимости от представлений об практически все исследователи признают, что на ранних стадиях развития Земли расстояние до Луны было существенно меньше современного, в процессе же планетного развития, по мнению большинства учёных, оно постепенно увеличивается, а по Ю.Н. Авсюку это расстояние испытывает долгопериодические изменения в виде циклов "прихода - ухода" Луны . Отсюда исходит, что в прошлые геологические эпохи роль приливного тепла в общем тепловом балансе Земли была более значительной. В целом, за всё время развития Земли в ней выделилось ~3,3*10 37 эрг (3,3*10 30 Дж ) энергии приливного тепла (это при условии последовательного удаления Луны от Земли). Изменение же во времени скорости выделения этого тепла представлено на Рис. 3.10 .

Более половины общей величины приливной энергии выделилось в катархее (гадее )) - 4,6-4,0 млрд. лет назад, и в это время только за счёт этой энергии Земля дополнительно могла прогреться на ~500 0 С. Начиная с позднего архея лунные приливы вносили лишь ничтожно малое влияние в развитие энергоёмких эндогенных процессов .

Аккреционное тепло

Это тепло, сохранённое Землёй с момента её формирования. В процессе аккреции , которая продолжалась в течение нескольких десятков миллионов лет, благодаря соударению планетезималей Земля испытала существенный разогрев. При этом по поводу величины этого разогрева нет единого мнения. В настоящее время исследователи склоняются к тому, что в процессе аккреции Земля испытала если не полное, то значительное частичное плавление, что привело к начальной дифференциации ПротоЗемли на тяжёлое железное ядро и лёгкую силикатную мантию, и к формированию "магматического океана" на её поверхности или на небольшой глубине. Хотя ещё до 1990-х годов практически общепризнанной считалась модель относительно холодной первичной Земли, которая постепенно разогревалась за счёт вышерассмотренных процессов, сопровождавшихся выделением значительного количества тепловой энергии.

Точная оценка первичного аккреционного тепла и её сохранившейся до настоящего времени доли связана со значительными трудностями . По О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову , являющихся сторонниками относительно холодной первичной Земли, величина энергии аккреции, перешедшей в тепло, составляет - 20,13*10 38 эрг (20,13*10 31 Дж) . Этой энергии при отсутствии теплопотерь хватило бы для полного испарения земного вещества, т.к. температура могла бы подняться до 30 000 0 С . Но процесс аккреции был относительно длительным, а энергия ударов планетезималей выделялась лишь в приповерхностных слоях растущей Земли и быстро терялась с тепловым излучением, поэтому первичный разогрев планеты не был большим. Величину этого теплового излучения, идущего параллельно с формированием (аккрецией) Земли, указанные авторы оценивают в 19,4*10 38 эрг (19,4*10 31 Дж ) .

В современном энергетическом балансе Земли аккреционное тепло, вероятнее всего, играет незначительную роль.

В нашей стране, богатой углеводородами, геотермальная энергия - некий экзотический ресурс, который при сегодняшнем положении дел вряд ли составит конкуренцию нефти и газу. Тем не менее этот альтернативный вид энергии может использоваться практически всюду и довольно эффективно.

Геотермальная энергия - это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью.

Температура верхних слоёв грунта зависит в основном от внешних (экзогенных) факторов - солнечного освещения и температуры воздуха. Летом и днём грунт до определённых глубин прогревается, а зимой и ночью охлаждается вслед за изменением температуры воздуха и с некоторым запаздыванием, нарастающим с глубиной. Влияние суточных колебаний температуры воздуха заканчивается на глубинах от единиц до нескольких десятков сантиметров. Сезонные колебания захватывают более глубокие пласты грунта - до десятков метров.

На некоторой глубине - от десятков до сотен метров - температура грунта держится постоянной, равной среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли. В этом легко убедиться, спустившись в достаточно глубокую пещеру.

Когда среднегодовая температура воздуха в данной местности ниже нуля, это проявляется как вечная (точнее, многолетняя) мерзлота. В Восточной Сибири мощность, то есть толщина, круглогодично мёрзлых грунтов достигает местами 200–300 м.

С некоторой глубины (своей для каждой точки на карте) действие Солнца и атмосферы ослабевает настолько, что на первое место выходят эндогенные (внутренние) факторы и происходит разогрев земных недр изнутри, так что температура с глубиной начинает расти.

Разогрев глубинных слоёв Земли связывают, главным образом, с распадом находящихся там радиоактивных элементов, хотя называют и другие источники тепла, например физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии. Но чем бы это ни было обусловлено, температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций с глубиной растёт. С этим явлением сталкиваются горняки - в глубоких шахтах всегда жарко. На глубине 1 км тридцатиградусная жара - нормальное явление, а глубже температура ещё выше.

Тепловой поток земных недр, достигающий поверхности Земли, невелик - в среднем его мощность составляет 0,03–0,05 Вт/м 2 , или примерно 350 Вт·ч/м 2 в год. На фоне теплового потока от Солнца и нагретого им воздуха это незаметная величина: Солнце даёт каждому квадратному метру земной поверхности около 4000 кВт·ч ежегодно, то есть в 10 000 раз больше (разумеется, это в среднем, при огромном разбросе между полярными и экваториальными широтами и в зависимости от других климатических и погодных факторов).

Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения - места, где тепловой поток велик. Это, прежде всего, зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее «обычного». Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.

Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.

В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной - явление повсеместное, и задача заключается в «добыче» тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.

В среднем температура с глубиной растёт на 2,5–3°C на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом.

Обратная величина - геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температура повышается на 1°C.

Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более перспективен данный район для развития геотермальной энергетики.

В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150°C на 1 км, а в Южной Африке - 6°C на 1 км.

Вопрос, какова температура на больших глубинах - 5, 10 км и более? При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять в среднем примерно 250–300°C. Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры.

Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется со скоростью 10°C/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2–2,5 раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120°C, на 10 км - 180°C, а на 12 км - 220°C.

Другой пример - скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на глубине 500 м зарегистрирована температура 42°C, на 1,5 км - 70°C, на 2 км - 80°C, на 3 км - 108°C.

Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с глубины 20–30 км: на глубине 100 км предположительные температуры около 1300–1500°C, на глубине 400 км - 1600°C, в ядре Земли (глубины более 6000 км) - 4000–5000°C.

На глубинах до 10–12 км температуру измеряют через пробурённые скважины; там же, где их нет, её определяют по косвенным признакам так же, как и на бóльших глубинах. Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сейсмических волн или температура изливающейся лавы.

Впрочем, для целей геотермальной энергетики данные о температурах на глубинах более 10 км пока не представляют практического интереса.

На глубинах в несколько километров много тепла, но как его поднять? Иногда эту задачу решает за нас сама природа с помощью естественного теплоносителя - нагретых термальных вод, выходящих на поверхность или же залегающих на доступной для нас глубине. В ряде случаев вода в глубинах разогрета до состояния пара.

Строгого определения понятия «термальные воды» нет. Как правило, под ними подразумевают горячие подземные воды в жидком состоянии или в виде пара, в том числе выходящие на поверхность Земли с температурой выше 20°C, то есть, как правило, более высокой, чем температура воздуха.

Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей - это гидротермальная энергия. Соответственно энергетика, основанная на её использовании, называется гидротермальной.

Сложнее обстоит дело с добычей тепла непосредственно сухих горных пород - петротермальной энергии, тем более что достаточно высокие температуры, как правило, начинаются с глубин в несколько километров.

На территории России потенциал петротермальной энергии в сто раз выше, чем у гидротермальной, - соответственно 3500 и 35 трлн тонн условного топлива. Это вполне естественно - тепло глубин Земли имеется везде, а термальные воды обнаруживаются локально. Однако из-за очевидных технических трудностей для получения тепла и электроэнергии в настоящее время используются большей частью термальные воды.

Воды температурой от 20–30 до 100°C пригодны для отопления, температурой от 150°C и выше - и для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях.

В целом же геотермальные ресурсы на территории России в пересчёте на тонны условного топлива или любую другую единицу измерения энергии примерно в 10 раз выше запасов органического топлива.

Теоретически только за счёт геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.

В мире использование геотермальной энергии ассоциируется чаще всего с Исландией - страной, расположенной на северном окончании Срединно-Атлантического хребта, в исключительно активной тектонической и вулканической зоне. Наверное, все помнят мощное извержение вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajökull ) в 2010 году.

Именно благодаря такой геологической специфике Исландия обладает огромными запасами геотермальной энергии, в том числе горячих источников, выходящих на поверхность Земли и даже фонтанирующих в виде гейзеров.

В Исландии в настоящее время более 60% всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счёт геотермальных источников обеспечивается 90% отопления и 30% выработки электроэнергии. Добавим, что остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, то есть также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия выглядит неким мировым экологическим эталоном.

«Приручение» геотермальной энергии в XX веке заметно помогло Исландии в экономическом отношении. До середины прошлого столетия она была очень бедной страной, сейчас занимает первое место в мире по установленной мощности и производству геотермальной энергии на душу населения и находится в первой десятке по абсолютной величине установленной мощности геотермальных электростанций. Однако её население составляет всего 300 тысяч человек, что упрощает задачу перехода на экологически чистые источники энергии: потребности в ней в целом невелики.

Помимо Исландии высокая доля геотермальной энергетики в общем балансе производства электроэнергии обеспечивается в Новой Зеландии и островных государствах Юго-Восточной Азии (Филиппины и Индонезия), странах Центральной Америки и Восточной Африки, территория которых также характеризуется высокой сейсмической и вулканической активностью. Для этих стран при их нынешнем уровне развития и потребностях геотермальная энергетика вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие.

Использование геотермальной энергии имеет весьма давнюю историю. Один из первых известных примеров - Италия, местечко в провинции Тоскана, ныне называемое Лардерелло, где ещё в начале XIX века местные горячие термальные воды, изливавшиеся естественным путём или добываемые из неглубоких скважин, использовались в энергетических целях.

Вода из подземных источников, богатая бором, употреблялась здесь для получения борной кислоты. Первоначально эту кислоту получали методом выпаривания в железных бойлерах, а в качестве топлива брали обычные дрова из ближайших лесов, но в 1827 году Франческо Лардерел (Francesco Larderel) создал систему, работавшую на тепле самих вод. Одновременно энергию природного водяного пара начали использовать для работы буровых установок, а в начале XX века - и для отопления местных домов и теплиц. Там же, в Лардерелло, в 1904 году термальный водяной пар стал энергетическим источником для получения электричества.

Примеру Италии в конце XIX-начале XX века последовали некоторые другие страны. Например, в 1892 году термальные воды впервые были использованы для местного отопления в США (Бойсе, штат Айдахо), в 1919-м - в Японии, в 1928-м - в Исландии.

В США первая электростанция, работавшая на гидротермальной энергии, появилась в Калифорнии в начале 1930-х годов, в Новой Зеландии - в 1958 году, в Мексике - в 1959-м, в России (первая в мире бинарная ГеоЭС) - в 1965-м.

Старый принцип на новом источнике

Выработка электроэнергии требует более высокой температуры гидроисточника, чем для отопления, - более 150°C. Принцип работы геотермальной электростанции (ГеоЭС) сходен с принципом работы обычной тепловой электростанции (ТЭС). По сути, геотермальная электростанция - разновидность ТЭС.

На ТЭС в роли первичного источника энергии выступают, как правило, уголь, газ или мазут, а рабочим телом служит водяной пар. Топливо, сгорая, нагревает воду до состояния пара, который вращает паровую турбину, а она генерирует электричество.

Отличие ГеоЭС состоит в том, что первичный источник энергии здесь - тепло земных недр и рабочее тело в виде пара поступает на лопасти турбины электрогенератора в «готовом» виде прямо из добывающей скважины.

Существуют три основные схемы работы ГеоЭС: прямая, с использованием сухого (геотермального) пара; непрямая, на основе гидротермальной воды, и смешанная, или бинарная.

Применение той или иной схемы зависит от агрегатного состояния и температуры энергоносителя.

Самая простая и потому первая из освоенных схем - прямая, в которой пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину. На сухом пару работала и первая в мире ГеоЭС в Лардерелло в 1904 году.

ГеоЭС с непрямой схемой работы в наше время самые распространённые. Они используют горячую подземную воду, которая под высоким давлением нагнетается в испаритель, где часть её выпаривается, а полученный пар вращает турбину. В ряде случаев требуются дополнительные устройства и контуры для очистки геотермальной воды и пара от агрессивных соединений.

Отработанный пар поступает в скважину нагнетания либо используется для отопления помещений, - в этом случае принцип тот же, что при работе ТЭЦ.

На бинарных ГеоЭС горячая термальная вода взаимодействует с другой жидкостью, выполняющей функции рабочего тела с более низкой температурой кипения. Обе жидкости пропускаются через теплообменник, где термальная вода выпаривает рабочую жидкость, пары которой вращают турбину.

Принцип работы бинарной ГеоЭС. Горячая термальная вода взаимодействует с другой жидкостью, выполняющей функции рабочего тела и имеющей менее высокую температуру кипения. Обе жидкости пропускаются через теплообменник, где термальная вода выпаривает рабочую жидкость, пары которой, в свою очередь, вращают турбину

Эта система замкнута, что решает проблемы выбросов в атмосферу. Кроме того, рабочие жидкости со сравнительно низкой температурой кипения позволяют использовать в качестве первичного источника энергии и не очень горячие термальные воды.

Во всех трёх схемах эксплуатируется гидротермальный источник, но для получения электричества можно использовать и петротермальную энергию.

Принципиальная схема в этом случае также достаточно проста. Необходимо пробурить две соединяющиеся между собою скважины - нагнетательную и эксплуатационную. В нагнетательную скважину закачивается вода. На глубине она нагревается, затем нагретая вода или образовавшийся в результате сильного нагрева пар по эксплуатационной скважине подаётся на поверхность. Далее всё зависит от того, как используется петротермальная энергия - для отопления или для производства электроэнергии. Возможен замкнутый цикл с закачиванием отработанного пара и воды обратно в нагнетательную скважину либо другой способ утилизации.

Схема работы петротермальной системы. Система основана на использовании температурного градиента между поверхностью земли и её недрами, где температура выше. Вода с поверхности закачивается в нагнетательную скважину и нагревается на глубине, далее нагретая вода или образовавшийся в результате нагрева пар подаются на поверхность по эксплуатационной скважине.

Недостаток такой системы очевиден: для получения достаточно высокой температуры рабочей жидкости нужно бурить скважины на большую глубину. А это серьёзные затраты и риск существенных потерь тепла при движении флюида вверх. Поэтому петротермальные системы пока менее распространены по сравнению с гидротермальными, хотя потенциал петротермальной энергетики на порядки выше.

В настоящее время лидер в создании так называемых петротермальных циркуляционных систем (ПЦС) - Австралия. Кроме того, это направление геотермальной энергетики активно развивается в США, Швейцарии, Великобритании, Японии.

Подарок лорда Кельвина

Изобретение в 1852 году теплового насоса физиком Уильямом Томпсоном (он же - лорд Кельвин) предоставило человечеству реальную возможность использования низкопотенциального тепла верхних слоёв грунта. Теплонасосная система, или, как её называл Томпсон, умножитель тепла, основана на физическом процессе передачи тепла от окружающей среды к хладагенту. По сути, в ней используют тот же принцип, что и в петротермальных системах. Отличие - в источнике тепла, в связи с чем может возникнуть терминологический вопрос: насколько тепловой насос можно считать именно геотермальной системой? Дело в том, что в верхних слоях, до глубин в десятки-сотни метров, породы и содержащиеся в них флюиды нагреваются не глубинным теплом земли, а солнцем. Таким образом, именно солнце в данном случае - первичный источник тепла, хотя забирается оно, как и в геотермальных системах, из земли.

Работа теплового насоса основана на запаздывании прогрева и охлаждения грунта по сравнению с атмосферой, в результате чего образуется градиент температур между поверхностью и более глубокими слоями, которые сохраняют тепло даже зимой, подобно тому, как это происходит в водоёмах. Основное назначение тепловых насосов - обогрев помещений. По сути - это «холодильник наоборот». И тепловой насос, и холодильник взаимодействуют с тремя составляющими: внутренней средой (в первом случае - отапливаемое помещение, во втором - охлаждаемая камера холодильника), внешней средой - источником энергии и холодильным агентом (хладагентом), он же - теплоноситель, обеспечивающий передачу тепла или холода.

В роли хладагента выступает вещество с низкой температурой кипения, что позволяет ему отбирать тепло у источника, имеющего даже сравнительно низкую температуру.

В холодильнике жидкий хладагент через дроссель (регулятор давления) поступает в испаритель, где из-за резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости. Испарение - эндотермический процесс, требующий поглощения тепла извне. В результате тепло из внутренних стенок испарителя забирается, что и обеспечивает охлаждающий эффект в камере холодильника. Далее из испарителя хладагент засасывается в компрессор, где он возвращается в жидкое агрегатное состояние. Это обратный процесс, ведущий к выбросу отнятого тепла во внешнюю среду. Как правило, оно выбрасывается в помещение, и задняя стенка холодильника сравнительно тёплая.

Тепловой насос работает практически так же, с той разницей, что тепло забирается из внешней среды и через испаритель поступает во внутреннюю среду - систему отопления помещения.

В реальном тепловом насосе вода нагревается, проходя по внешнему контуру, уложенному в землю или водоём, далее поступает в испаритель.

В испарителе тепло передаётся во внутренний контур, заполненный хладагентом с низкой температурой кипения, который, проходя через испаритель, переходит из жидкого состояния в газообразное, забирая тепло.

Далее газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления и температуры, и поступает в конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из системы отопления.

Для работы компрессора требуется электроэнергия, тем не менее коэффициент трансформации (соотношение потребляемой и вырабатываемой энергии) в современных системах достаточно высок, чтобы обеспечить их эффективность.

В настоящее время тепловые насосы довольно широко используются для отопления помещений, главным образом, в экономически развитых странах.

Экокорректная энергетика

Геотермальная энергетика считается экологически чистой, что в целом справедливо. Прежде всего, в ней используется возобновляемый и практически неисчерпаемый ресурс. Геотермальная энергетика не требует больших площадей, в отличие от крупных ГЭС или ветропарков, и не загрязняет атмосферу, в отличие от углеводородной энергетики. В среднем ГеоЭС занимает 400 м 2 в пересчёте на 1 ГВт вырабатываемой электроэнергии. Тот же показатель для угольной ТЭС, к примеру, составляет 3600 м 2 . К экологическим преимуществам ГеоЭС относят также низкое водопотребление - 20 литров пресной воды на 1 кВт, тогда как для ТЭС и АЭС требуется около 1000 литров. Отметим, что это экологические показатели «среднестатистической» ГеоЭС.

Но отрицательные побочные эффекты всё же имеются. Среди них чаще всего выделяют шум, тепловое загрязнение атмосферы и химическое - воды и почвы, а также образование твёрдых отходов.

Главный источник химического загрязнения среды - собственно термальная вода (с высокой температурой и минерализацией), нередко содержащая большие количества токсичных соединений, в связи с чем существует проблема утилизации отработанной воды и опасных веществ.

Отрицательные эффекты геотермальной энергетики могут прослеживаться на нескольких этапах, начиная с бурения скважин. Здесь возникают те же опасности, что и при бурении любой скважины: разрушение почвенно-растительного покрова, загрязнение грунта и грунтовых вод.

На стадии эксплуатации ГеоЭС проблемы загрязнения окружающей среды сохраняются. Термальные флюиды - вода и пар - обычно содержат углекислый газ (CO 2), сульфид серы (H 2 S), аммиак (NH 3), метан (CH 4), поваренную соль (NaCl), бор (B), мышьяк (As), ртуть (Hg). При выбросах во внешнюю среду они становятся источниками её загрязнения. Кроме того, агрессивная химическая среда может вызывать коррозионные разрушения конструкций ГеоТЭС.

В то же время выбросы загрязняющих веществ на ГеоЭС в среднем ниже, чем на ТЭС. Например, выбросы углекислого газа на каждый киловатт-час выработанной электроэнергии составляют до 380 г на ГеоЭС, 1042 г - на угольных ТЭС, 906 г - на мазутных и 453 г - на газовых ТЭС.

Возникает вопрос: что делать с отработанной водой? При невысокой минерализации она после охлаждения может быть сброшена в поверхностные воды. Другой путь - закачивание её обратно в водоносный пласт через нагнетательную скважину, что предпочтительно и преимущественно применяется в настоящее время.

Добыча термальной воды из водоносных пластов (как и выкачивание обычной воды) может вызывать просадку и подвижки грунта, другие деформации геологических слоёв, микроземлетрясения. Вероятность таких явлений, как правило, невелика, хотя отдельные случаи зафиксированы (например, на ГеоЭС в Штауфен-им-Брайсгау в Германии).

Следует подчеркнуть, что большая часть ГеоЭС расположена на сравнительно малонаселённых территориях и в странах третьего мира, где экологические требования бывают менее жёсткими, чем в развитых странах. Кроме того, на данный момент количество ГеоЭС и их мощности сравнительно невелики. При более масштабном развитии геотермальной энергетики экологические риски могут возрасти и умножиться.

Почём энергия Земли?

Инвестиционные затраты на строительство геотермальных систем варьируют в очень широком диапазоне - от 200 до 5000 долларов на 1 кВт установленной мощности, то есть самые дешёвые варианты сопоставимы со стоимостью строительства ТЭС. Зависят они, прежде всего, от условий залегания термальных вод, их состава, конструкции системы. Бурение на большую глубину, создание замкнутой системы с двумя скважинами, необходимость очистки воды могут многократно увеличивать стоимость.

Например, инвестиции в создание петротермальной циркуляционной системы (ПЦС) оцениваются в 1,6–4 тыс. долларов на 1 кВт установленной мощности, что превышает затраты на строительство атомной электростанции и сопоставимо с затратами на строительство ветряных и солнечных электростанций.

Очевидное экономическое преимущество ГеоТЭС - бесплатный энергоноситель. Для сравнения - в структуре затрат работающей ТЭС или АЭС на топливо приходится 50–80% или даже больше, в зависимости от текущих цен на энергоносители. Отсюда ещё одно преимущество геотермальной системы: расходы при эксплуатации более стабильны и предсказуемы, поскольку не зависят от внешней конъюнктуры цен на энергоносители. В целом эксплуатационные затраты ГеоТЭС оцениваются в 2–10 центов (60 коп.–3 руб.) на 1 кВт·ч произведённой мощности.

Вторая по величине после энергоносителя (и весьма существенная) статья расходов - это, как правило, заработная плата персонала станции, которая может кардинально различаться по странам и регионам.

В среднем себестоимость 1 кВт·ч геотермальной энергии сопоставима с таковой для ТЭС (в российских условиях - около 1 руб./1 кВт·ч) и в десять раз выше себестоимости выработки электроэнергии на ГЭС (5–10 коп./1 кВт·ч).

Отчасти причина высокой себестоимости заключается в том, что, в отличие от тепловых и гидравлических электростанций, ГеоТЭС имеет сравнительно небольшую мощность. Кроме того, необходимо сравнивать системы, находящиеся в одном регионе и в сходных условиях. Так, например, на Камчатке, по оценкам экспертов, 1 кВт·ч геотермальной электроэнергии обходится в 2–3 раза дешевле электроэнергии, произведённой на местных ТЭС.

Показатели экономической эффективности работы геотермальной системы зависят, например, и от того, нужно ли утилизировать отработанную воду и какими способами это делается, возможно ли комбинированное использование ресурса. Так, химические элементы и соединения, извлечённые из термальной воды, могут дать дополнительный доход. Вспомним пример Лардерелло: первичным там было именно химическое производство, а использование геотермальной энергии первоначально носило вспомогательный характер.

Форварды геотермальной энергетики

Геотермальная энергетика развивается несколько иначе, чем ветряная и солнечная. В настоящее время она в существенно большей степени зависит от характера самого ресурса, который резко различается по регионам, а наибольшие концентрации привязаны к узким зонам геотермических аномалий, связанных, как правило, с районами развития тектонических разломов и вулканизма.

Кроме того, геотермальная энергетика менее технологически ёмкая по сравнению с ветряной и тем более с солнечной энергетикой: системы геотермальных станций достаточно просты.

В общей структуре мирового производства электроэнергии на геотермальную составляющую приходится менее 1%, но в некоторых регионах и странах её доля достигает 25–30%. Из-за привязки к геологическим условиям значительная часть мощностей геотермальной энергетики сосредоточена в странах третьего мира, где выделяются три кластера наибольшего развития отрасли - острова Юго-Восточной Азии, Центральная Америка и Восточная Африка. Два первых региона входят в Тихоокеанский «огненный пояс Земли», третий привязан к Восточно-Африканскому рифту. С наибольшей вероятностью геотермальная энергетика и далее будет развиваться в этих поясах. Более отдалённая перспектива - развитие петротермальной энергетики, использующей тепло слоёв земли, лежащих на глубине нескольких километров. Это практически повсеместно распространённый ресурс, но его извлечение требует высоких затрат, поэтому петротермальная энергетика развивается прежде всего в наиболее экономически и технологически мощных странах.

В целом, учитывая повсеместное распространение геотермальных ресурсов и приемлемый уровень экологической безопасности, есть основания предполагать, что геотермальная энергетика имеет хорошие перспективы развития. Особенно при нарастании угрозы дефицита традиционных энергоносителей и росте цен на них.

От Камчатки до Кавказа

В России развитие геотермальной энергетики имеет достаточно давнюю историю, и по ряду позиций мы находимся в числе мировых лидеров, хотя в общем энергобалансе огромной страны доля геотермальной энергии пока ничтожно мала.

Пионерами и центрами развития геотермальной энергетики в России стали два региона - Камчатка и Северный Кавказ, причём если в первом случае речь идёт прежде всего об электроэнергетике, то во втором - об использовании тепловой энергии термальной воды.

На Северном Кавказе - в Краснодарском крае, Чечне, Дагестане - тепло термальных вод для энергетических целей использовалось ещё до Великой Отечественной войны. В 1980–1990-е годы развитие геотермальной энергетики в регионе по понятным причинам застопорилось и пока из состояния стагнации не вышло. Тем не менее геотермальное водоснабжение на Северном Кавказе обеспечивает теплом около 500 тыс. человек, а, например, город Лабинск в Краснодарском крае с населением 60 тыс. человек полностью отапливается за счёт геотермальных вод.

На Камчатке история геотермальной энергетики связана, прежде всего, со строительством ГеоЭС. Первые из них, до сих пор работающие Паужетская и Паратунская станции, были построены ещё в 1965–1967 годах, при этом Паратунская ГеоЭС мощностью 600 кВт стала первой станцией в мире с бинарным циклом. Это была разработка советских учёных С. С. Кутателадзе и А. М. Розенфельда из Института теплофизики СО РАН, получивших в 1965 году авторское свидетельство на извлечение электроэнергии из воды с температурой от 70°C. Эта технология впоследствии стала прототипом для более 400 бинарных ГеоЭС в мире.

Мощность Паужетской ГеоЭС, введённой в эксплуатацию в 1966 году, изначально составляла 5 МВт и впоследствии была наращена до 12 МВт. В настоящее время на станции идёт строительство бинарного блока, который увеличит её мощность ещё на 2,5 МВт.

Развитие геотермальной энергетики в СССР и России тормозилось доступностью традиционных энергоносителей - нефти, газа, угля, но никогда не прекращалось. Крупнейшие на данный момент объекты геотермальной энергетики - Верхне-Мутновская ГеоЭС с суммарной мощностью энергоблоков 12 МВт, введённая в эксплуатацию в 1999 году, и Мутновская ГеоЭС мощностью 50 МВт (2002 год).

Мутновская и Верхне-Мутновская ГеоЭС - уникальные объекты не только для России, но и в мировом масштабе. Станции расположены у подножия вулкана Мутновский, на высоте 800 метров над уровнем моря, и работают в экстремальных климатических условиях, где 9–10 месяцев в году зима. Оборудование Мутновских ГеоЭС, на данный момент одно из самых современных в мире, полностью создано на отечественных предприятиях энергетического машиностроения.

В настоящее время доля Мутновских станций в общей структуре энергопотребления Центрально-Камчатского энергетического узла составляет 40%. В ближайшие годы планируется увеличение мощности.

Отдельно следует сказать о российских петротермальных разработках. Крупных ПЦС у нас пока нет, однако есть передовые технологии бурения на большую глубину (порядка 10 км), которые также не имеют аналогов в мире. Их дальнейшее развитие позволит кардинально снизить затраты на создание петротермальных систем. Разработчики данных технологий и проектов - Н. А. Гнатусь, М. Д. Хуторской (Геологический институт РАН), А. С. Некрасов (Институт народнохозяйственного прогнозирования РАН) и специалисты Калужского турбинного завода. Сейчас проект петротермальной циркуляционной системы в России находится на экспериментальной стадии.

Перспективы у геотермальной энергетики в России есть, хотя и сравнительно отдалённые: на данный момент достаточно велик потенциал и сильны позиции традиционной энергетики. В то же время в ряде отдалённых районов страны использование геотермальной энергии экономически выгодно и востребовано уже сейчас. Это территории с высоким геоэнергетическим потенциалом (Чукотка, Камчатка, Курилы - российская часть Тихоокеанского «огненного пояса Земли», горы Южной Сибири и Кавказ) и одновременно удалённые и отрезанные от централизованного энергоснабжения.

Вероятно, в ближайшие десятилетия геотермальная энергетика в нашей стране будет развиваться именно в таких регионах.

Кирилл Дегтярев,
научный сотрудник, МГУ им. М. В. Ломоносова
«Наука и жизнь» №9, №10 2013

Термин “геотермальная энергия” происходит от греческого слова земля (гео) и тепловой (термальный). По сути, геотермальная энергия исходит из самой земли . Тепло от ядра земли, температура которого в среднем составляет 3600 градусов Цельсия, излучается в сторону поверхности планеты.

Обогрев источников и гейзеров под землей на глубине в несколько километров может осуществляться с помощью специальных скважин, через которые поступает горячая вода (или пар от неё) до поверхности, где она может использоваться непосредственно как тепло или косвенно для выработки электроэнергии путем включения вращающихся турбин.

Так как вода под поверхностью земли постоянно пополняется, а ядро Земли будет продолжать вырабатывать тепло относительно человеческой жизни бесконечно, геотермальная энергия,в конечном счете, чистая и возобновляемая.

Методы сбора энергетических ресурсов Земли

Сегодня есть три основных метода сбора геотермальной энергии: сухой пар, горячая вода и бинарный цикл. Процесс с сухим паром прямо вращает привода турбин генераторов электроэнергии. Горячая вода поступает снизу вверх, затем распыляется в бак, чтобы создать пар для привода турбин. Эти два метода являются наиболее распространенными, генерируя сотни мегаватт электроэнергии в США, Исландии, Европе, России и других странах. Но расположение ограничено, так как эти заводы работают только в тектонических регионах, где легче получить доступ к подогретой воде.

При технологии бинарного цикла извлекается на поверхность теплая (не обязательно горячая) вода и объединяют её с бутаном или пентаном, который имеет низкую температуру кипения. Эта жидкость перекачивается через теплообменник, где испаряется и направляется через турбину перед рециркуляцией обратно в систему. Технологии бинарного цикла дает десятки мегаватт электроэнергии в США: Калифорнии, Неваде и на Гавайских островах.

Принцип получения энергии

Недостатки получения геотермальной энергии

На уровне полезности, геотермальные электростанции являются дорогостоящими, чтобы построить и работать. Для поиска подходящего места требуется дорогостоящее обследование скважин без гарантии попадания в продуктивную подземную горячую точку. Тем не менее, аналитики ожидают увеличения этой мощности почти вдвое в течение следующих шести лет.

Кроме того районы с высокой температурой подземного источника находятся в районах с активными геологохимическими вулканами. Эти «горячие точки» образовались на границах тектонических плит в местах, где кора достаточно тонкая. Тихоокеанский регион, часто называют как кольцо огня для многих вулканов, где есть много горячих точек, в том числе на Аляске, Калифорнии и Орегоне. Невада имеет сотни горячих точек, охватывающих большую часть северной части США.

Есть и другие сейсмически активные районы. Землетрясения и движение магмы позволяют воде циркулировать. В некоторых местах вода поднимается к поверхности и природные горячие источники и гейзеры происходят, такие, как на Камчатке. Вода в гейзерах Камчатки достигает 95° C.

Одна из проблем открытой системы гейзеров является выделение некоторых загрязнителей воздуха. Сульфид водорода - токсичный газ с очень узнаваемым запахом «тухлого яйца» - небольшое количество мышьяка и минералов, выпущенных с паром. Соль также может представлять экологическую проблему.

На геотермальных электростанциях расположенных в море значительное количество мешающей соли накапливается в трубах. В замкнутых системах нет выбросов и возвращается вся жидкость доведенная до поверхности.

Экономический потенциал энергоресурса

Сейсмически активные точки не являются единственными местами, где можно найти геотермальную энергию. Существует постоянный запас полезного тепла для целей прямого нагрева на глубине везде от 4 метров до нескольких километров ниже поверхности практически в любом месте на земле. Даже земля на собственном заднем дворе или в местной школе имеет экономический потенциал в виде тепла, чтобы выдавать в дом или другие здания.

Кроме того существует огромное количество тепловой энергии в сухих скальных образованиях очень глубоко под поверхностью (4 – 10 км).

Использование новой технологии может расширить геотермальные системы, где люди смогут использовать это тепло для производства электроэнергии в гораздо большем масштабе, чем обычные технологии. Первые демонстрационные проекты этого принципа получения электричества показаны в Соединенных Штатах и Австралии еще в 2013 году.

Если полный экономический потенциал геотермальных ресурсов может быть реализован, то это будет представлять огромный источник электроэнергии для производственных мощностей. Ученые предполагают, что обычные геотермальные источники имеют потенциал 38 000 МВт, который может производить 380 млн МВт электроэнергии в год.

Горячие сухие породы залегают на глубинах от 5 до 8 км везде под землей и на меньшей глубине в определенных местах. Доступ к этим ресурсам предполагает введение холодной воды, циркулирующей через горячие скальные породы и отвода нагретой воды. В настоящее время нет коммерческого применения этой технологии. Существующие технологии пока не позволяют восстанавливать тепловую энергию непосредственно из магмы, очень глубоко, но это самый мощный ресурс геотермальной энергии .

С комбинацией энергоресурсов и ее последовательности, геотермальная энергия может играть незаменимую роль как более чистая, более устойчивая энергетическая система.

Конструкции геотермальных электростанций

Геотермальная энергия — это чистое и устойчивое тепло от Земли. Большие ресурсы находятся в диапазоне в нескольких километрах под поверхностью земли, и еще глубже, до высокой температуры расплавленной породы, называемой магмой. Но как описано выше люди пока не добрались к магме.

Три конструкции геотермальных электростанций

Технология применения определяется ресурсом. Если вода поступает из скважины как пар, она может использоваться непосредственно. Если горячая вода достаточно высокой температуры она должна пройти через теплообменник.

Первая скважина для производства энергии была пробурена до 1924 года. Более глубокие скважины были пробурены в 1950-х, но реальное развитие происходит в 1970-х и 1980-х годов.

Прямое использование геотермального тепла

Геотермальные источники также могут использоваться непосредственно для целей отопления. Горячая вода используется для обогрева зданий, выращивания растений в теплицах, сушки рыбы и сельскохозяйственных культур, улучшение добычи нефти, помощи в промышленных процессах как пастеризаторы молока и обогрев воды на рыбных фермах. В США Кламат-Фолс, штат Орегон и Бойсе, Айдахо геотермальная вода используется для обогрева домов и зданий более века. На восточном побережье, город Уорм-Спрингс, Вирджиния получает тепло непосредственно из родниковой воды, используя источники тепла на одном из местных курортов.

В Исландии практически каждое здание в стране нагревается горячей родниковой водой. В самом деле Исландия получает более 50 процентов первичной энергии из геотермальных источников. В Рейкьявике, например, (население 118 тыс. чел), горячая вода передается по конвейеру на 25 километров, и жители используют её для отопления и естественных нужд.

Новая Зеландия, получает 10% своей электроэнергии дополнительно. находится в недостаточном развитии, несмотря на наличие термальных вод.

Д ля России энергия тепла Земли может стать постоянным, надежным источником обеспечения дешевыми и доступными электроэнергией и теплом при использовании новых высоких, экологически чистых технологий по ее извлечению и поставке потребителю. В настоящее время это особенно актуально

Ограниченность ресурсов ископаемого энергетического сырья

Потребности в органическом энергетическом сырье велики в индустриально развитых и развивающихся странах (США, Япония, государства объединенной Европы, Китай, Индия и др.). При этом собственные ресурсы углеводородов в этих странах либо недостаточны, либо зарезервированы, а страна, например США, покупает энергетическое сырье за рубежом или разрабатывает месторождения в других странах.

В России, одной из богатейших по энергетическим ресурсам стран, хозяйственные потребности в энергии пока удовлетворяются возможностями использования природных ископаемых. Однако извлечение ископаемого углеводородного сырья из недр происходит очень быстрыми темпами. Если в 1940–1960-е гг. основными нефтедобывающими районами были «Второе Баку» в Поволжье и Предуралье, то, начиная с 1970-х гг., и по настоящее время таким районом является Западная Сибирь. Но и здесь наблюдается значительное снижение добычи ископаемых углеводородов. Уходит в прошлое эпоха «сухого» сеноманского газа. Прежний этап экстенсивного развития добычи природного газа подошел к завершению. Извлечение его из таких месторождений-гигантов, как Медвежье, Уренгойское и Ямбургское, составило, соответственно, 84, 65 и 50 %. Удельный вес запасов нефти, благоприятных для разработки, во времени также снижается.

Вследствие активного потребления углеводородного топлива, запасы нефти и природного газа на суше значительно сократились. Теперь основные их запасы сосредоточены на континентальном шельфе. И хотя сырьевая база нефтяной и газовой промышленности еще достаточна для добычи нефти и газа в России в необходимых объемах, в ближайшем будущем она будет обеспечиваться все в большей степени за счет освоения месторождений со сложными горно-геологическими условиями. Себестоимость добычи углеводородного сырья при этом будет расти.

Большая часть добываемых из недр невозобновляемых ресурсов используется как топливо для энергетических установок. В первую очередь это , доля которого в структуре топлива составляет 64 %.

В России 70 % электроэнергии вырабатывается на ТЭС. Энергетические предприятия страны ежегодно сжигают около 500 млн т у. т. в целях получения электроэнергии и тепла, при этом на производство тепла расходуется углеводородного топлива в 3–4 раза больше, чем на генерацию электроэнергии.

Количество теплоты, получаемое от сгорания названных объемов углеводородного сырья, эквивалентно использованию сотен тонн ядерного топлива – разница огромна. Однако ядерная энергетика требует обеспечения экологической безопасности (для исключения повторения Чернобыля) и защиты ее от возможных террористических актов, а также осуществления безопасного и дорогостоящего вывода из эксплуатации устаревших и отработавших свой срок энергоблоков АЭС. Доказанные извлекаемые запасы урана в мире составляют порядка 3 млн 400 тыс. т. За весь предшествующий период (до 2007 г.) его добыто около 2 млн т.

ВИЭ как будущее мировой энергетики

Возросший в последние десятилетия в мире интерес к альтернативным возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) вызван не только истощением запасов углеводородного топлива, но и необходимостью решения экологических проблем. Объективные факторы (резервы ископаемого топлива и урана, а также изменения окружающей среды, связанные с использованием традиционной огневой и атомной энергетики) и тенденции развития энергетики позволяют утверждать, что переход к новым способам и формам получения энергии является неизбежным. Уже в первой половине XXI в. произойдет полный или почти полный переход на нетрадиционные источники энергии.

Чем раньше будет сделан прорыв в этом направлении, тем менее болезненным он будет для всего общества и более выгодным для страны, где будут сделаны решительные шаги в указанном направлении.

Мировая экономика в настоящее время уже взяла курс на переход к рациональному сочетанию традиционных и новых источников энергии. Энергопотребление в мире к 2000 г. составило более 18 млрд т у. т., а энергопотребление к 2025 г. может возрасти до 30–38 млрд т у. т., по прогнозным данным, к 2050 г. возможно потребление на уровне 60 млрд т у. т. Характерной тенденций развития мировой экономики в рассматриваемый период являются систематическое снижение потребления органического топлива и соответствующий рост использования нетрадиционных энергетических ресурсов. Тепловая энергия Земли занимает среди них одно из первых мест.

В настоящее время Министерством энергетики РФ принята программа развития нетрадиционной энергетики, в том числе 30-ти крупных проектов использования теплонасосных установок (ТНУ), принцип работы которых основан на потреблении низкопотенциальной тепловой энергии Земли.

Низкопотенциальная энергия тепла Земли и тепловые насосы

Источниками низкопотенциальной энергии тепла Земли являются солнечная радиация и тепловое излучение разогретых недр нашей планеты. В настоящее время использование такой энергии – одно из наиболее динамично развивающихся направлений энергетики на основе ВИЭ.

Тепло Земли может использоваться в различных типах зданий и сооружений для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования (охлаждения) воздуха, а также для обогрева дорожек в зимнее время года, предотвращения обледенения, подогрева полей на открытых стадионах и т. п. В англоязычной технической литературе системы, утилизирующие тепло Земли в системах теплоснабжения и кондиционирования, обозначаются как GHP – «geothermal heat pumps» (геотермальные тепловые насосы). Климатические характеристики стран Центральной и Северной Европы, которые вместе с США и Канадой являются главными районами использования низкопотенциального тепла Земли, определяют это главным образом в целях отопления; охлаждение воздуха даже в летний период требуется относительно редко. Поэтому, в отличие от США, тепловые насосы в европейских странах работают в основном в режиме отопления. В США они чаще используются в системах воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией, что позволяет как подогревать, так и охлаждать наружный воздух. В европейских странах тепловые насосы обычно применяются в системах водяного отопления. Поскольку их эффективность увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора, часто для отопления зданий используются системы напольного отопления, в которых циркулирует теплоноситель относительно низкой температуры (35–40 о C).

Виды систем использования низкопотенциальной энергии тепла Земли

В общем случае можно выделить два вида систем использования низкопотенциальной энергии тепла Земли:

– открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии применяются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;

– замкнутые системы: теплообменники расположены в грунтовом массиве; при циркуляции по ним теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса (или при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой – его охлаждение).

Минусы открытых систем состоят в том, что скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:

– достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;

– хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое железосодержание), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отложений на стенках труб и коррозией.

Замкнутые системы использования низкопотенциальной энергии тепла Земли

Замкнутые системы бывают горизонтальными и вертикальными (рис 1).

Рис. 1. Схема геотермально теплонасосной установки с: а – горизонтальными

и б – вертикальными грунтовыми теплообменниками.

Горизонтальный грунтовой теплообменник

В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные грунтовые теплообменники обычно представляют собой отдельные трубы, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно (рис. 2).

Рис. 2. Горизонтальные грунтовые теплообменники с: а – последовательным и

б – параллельным соединением.

Для экономии площади участка, на котором производится теплосъем, были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали (рис. 3), расположенной горизонтально или вертикально. Такая форма теплообменников распространена в США.

2. Тепловой режим Земли

Земля представляет собой холодное космическое тело. Температура поверхности зависит главным образом от тепла, поступающего извне. 95 % тепла верхнего слоя Земли составляет внешнее (солнечное) тепло, и только 5 % – тепло внутреннее , которое исходит из недр Земли и включающая в себя несколько источников энергии. В недрах Земли температура увеличивается с глубиной от 1300 о С (в верхней мантии) до 3700 о С (в центре ядра).

Внешняя теплота . На поверхность Земли тепло поступает в основном от Солнца. Каждый квадратный сантиметр поверхности получает в течение одной минуты около 2 калорий тепла. Эта величина называется солнечной постоянной и определяет общее количество тепла, поступающего на Землю от Солнца. За год оно составляет величину в 2,26·10 21 калорий. Глубина проникновения солнечного тепла в недра Земли зависит главным образом от количества тепла, которое попадает на единицу площади поверхности, и от тепло­проводности горных пород. Максимальная глубина, на которую проникает внешнее тепло, со­ставляет в океанах 200 м, на суше – около 40 м.

Внутренняя теплота . С глубиной наблюдается повышение температуры, которая происходит весьма неравномерно на различных территориях. Увеличение температуры идет по адиабатическому закону и зависит от сжатия вещества под давлением при невозможности теплообмена с окружающей средой.

Основные источники тепла внутри Земли:

Тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде элементов.

Остаточное тепло, сохранившееся со времен образования Земли.

Гравитационное тепло, выделяющееся при сжатии Земли и распределении вещества по плотности.

Тепло, образующееся за счет химических реакций, протекающих в недрах земной коры.

Тепло, выделяющееся при приливном трении Земли.

Различают 3 температурные зоны:

I – зона переменных температур . Изменение температуры определяется климатом местности. Суточные колебания практически затухают на глубине около 1,5 м, а годовые на глубинах 20…30 м. Iа – зона промерзания.

II – зона постоянных температур , находящаяся на глубинах 15…40 м в зависимости от региона.

III – зона нарастания температур .

Температурный режим горных пород в недрах земной коры принято выражать геотермическим градиентом и геотермической ступенью.

Величина нарастания температуры на каждые 100 м глубины называется геотермическим градиентом . В Африке на месторождении Витватерсранд оно равно 1,5 °С, в Японии (Эчиго) - 2,9 °С, в Южной Австралии – 10,9 °С, в Казахстане (Самаринда) – 6,3 °С, на Кольском полуострове – 0,65 °С.

Рис. 3. Зоны температур в земной коре: I – зона переменных температур, Iа – зона промерзания; II – зона постоянных температур; III – зона нарастания температур.

Глубина, при которой температура повышается на 1 градус, называется геотермической ступенью. Числовые значения геотермической ступени непостоянны не только на разных широтах, но и на разных глубинах одной и той же точки района. Величина геотермической ступени изменяется от 1,5 до 250 м. В Архангельске она равна 10 м, в Москве - 38,4 м, а в Пятигорске - 1,5 м. Теоретически средняя величина этой ступени составляет 33 м.

В скважине, пробуренной в Москве на глубину 1630 м, температура в забое составила 41 °С, а в шахте, пройденной в Донбассе на глубину 1545 м, температура оказалась равной 56,3 °С. Наиболее высокая температура зафиксирована в США в скважине глубиной 7136 м, где она равна 224 °С. Нарастание температуры с глубиной следует учитывать при проектировании сооружений глубокого заложения Согласно расчетам, на глубине 400 км температура должна достигать 1400…1700 °С. Наиболее высокие температуры (около 5000 °С) получены для ядра Земли.