Čistá a obnoviteľná geotermálna energia. Jadrové teplo Zeme

Hlavnými zdrojmi tepelnej energie Zeme sú [,]:

• gravitačné teplo diferenciácie;
• rádiogénne teplo;
• teplo slapového trenia;
• akrečné teplo;
• trecie teplo uvoľnené v dôsledku rozdielnej rotácie vnútorného jadra voči vonkajšiemu, vonkajšieho jadra voči plášťu a jednotlivých vrstiev vo vnútri vonkajšieho jadra.

Do dnešného dňa boli kvantitatívne vyhodnotené len prvé štyri zdroje. U nás v tom patrí hlavná zásluha O.G. Sorokhtin a S.A. Ušakov... Nižšie uvedené údaje vychádzajú najmä z výpočtov týchto vedcov.

Teplo gravitačnej diferenciácie Zeme

Jedným z najdôležitejších zákonov vývoja Zeme je diferenciácia jeho podstatu, ktorá trvá dodnes. V dôsledku tejto diferenciácie dochádza k vzniku jadro a kôra, zmena v zložení primár plášť, pričom oddelenie pôvodne homogénnej látky na frakcie rôznych hustôt je sprevádzané uvoľňovaním termálna energia, a maximálne uvoľnenie tepla nastáva, keď sa zemská hmota rozdelí na husté a ťažké jadro a zvyškové ľahší silikátové puzdro - zemský plášť... V súčasnosti sa väčšina tohto tepla uvoľňuje na hraniciach plášť - jadro.

Energia gravitačnej diferenciácie Zeme po celú dobu svojej existencie vynikal - 1,46 * 10 38 erg (1,46 * 10 31 J). Táto energia väčšinou ide najskôr do Kinetická energia konvekčné toky plášťovej hmoty a potom v vrúcne; druhá časť sa minie na dodatočné stláčanie zemského vnútra vznikajúce v dôsledku koncentrácie hustých fáz v centrálnej časti Zeme. Od 1,46 * 10 38 erg energia gravitačnej diferenciácie Zeme na jej dodatočné stlačenie išla 0,23 * 10 38 erg (0,23 * 10 31 J), a uvoľnilo sa vo forme tepla 1,23 * 10 38 erg (1,23 * 10 31 J). Hodnota tejto tepelnej zložky výrazne prevyšuje celkové uvoľnenie všetkých ostatných druhov energie na Zemi. Časové rozloženie celkovej hodnoty a rýchlosti uvoľňovania tepelnej zložky gravitačnej energie je znázornené na obr. 3.6 .

Ryža. 3.6.

Súčasná úroveň tvorby tepla počas gravitačnej diferenciácie Zeme je 3 * 10 20 erg / s (3 * 10 13 W), že hodnota moderného tepelného toku prechádzajúceho povrchom planéty v ( 4,2-4,3) * 10 20 erg / s ((4,2-4,3) * 10 13W), je ~ 70% .

Rádiogénne teplo

Spôsobené rádioaktívnym rozpadom nestabilného izotopy... Energeticky najnáročnejšie a s dlhou životnosťou ( polovičný životúmerné veku Zeme) sú izotopy 238 U, 235 U, 232 Th a 40 tis... Ich hlavný objem je sústredený v kontinentálnej kôry... Najmodernejšia generácia rádiogénne teplo:

• v americkej geofyzike V. Wakye - 1,14 * 10 20 erg / s (1,14 * 10 13 W) ,
• pre ruských geofyzikov O.G. Sorokhtin a S.A. Ušakov - 1,26 * 10 20 erg/s(1,26 * 10 13 W) .

Z hodnoty moderného tepelného toku je to ~ 27-30%.

Z celkovej hodnoty tepla rádioaktívneho rozpadu v 1,26 * 10 20 erg/s (1,26 * 10 13 W) v zemskej kôre vyniká - 0,91 * 10 20 erg/s a v plášti - 0,35 * 10 20 erg/s... Z toho vyplýva, že podiel rádiogénneho tepla plášťa nepresahuje 10 % z celkových moderných tepelných strát Zeme a nemôže byť hlavným zdrojom energie pre aktívne tektonicko-magmatické procesy, ktorých hĺbka vzniku môže dosiahnuť 2900 km; a rádiogénne teplo uvoľnené v kôre sa pomerne rýchlo stratí zemského povrchu a prakticky sa nezúčastňuje na zahrievaní hlbokých útrob planéty.

V minulých geologických epochách malo byť množstvo rádiogénneho tepla uvoľneného v plášti vyššie. Jej odhady v čase vzniku Zeme ( pred 4,6 miliardami rokov) dať - 6,95 * 10 20 erg/s... Od tej doby dochádza k neustálemu znižovaniu rýchlosti uvoľňovania rádiogénnej energie (obr. 3.7 ).

Po celý čas na Zemi, ~ 4,27 * 10 37 erg(4,27 * 10 30 J) tepelná energia rádioaktívneho rozpadu, ktorá je takmer trikrát nižšia ako celkové gravitačné teplo diferenciácie.

Teplo slapového trenia

Vyniká pri gravitačnej interakcii Zeme predovšetkým s Mesiacom, ako najbližšie veľké kozmické teleso. Vplyvom vzájomnej gravitačnej príťažlivosti vznikajú v ich telách slapové deformácie - opuch alebo hrby... Slapové hrbole planét svojou dodatočnou príťažlivosťou ovplyvňujú ich pohyb. Príťažlivosť oboch slapových hrbolov Zeme teda vytvára dvojicu síl pôsobiacich ako na Zem samotnú, tak aj na Mesiac. Vplyv blízkeho, obráteného k Mesiacu, opuchu je však o niečo silnejší ako vzdialený. Vzhľadom na skutočnosť, že uhlová rýchlosť rotácie modernej Zeme ( 7,27 * 10-5 s-1) presahuje obežnú rýchlosť Mesiaca ( 2,66 * 10-6 s-1), a hmota planét nie je ideálne elastická, potom sa zdá, že prílivové hrbole Zeme sú unášané jej doprednou rotáciou a citeľne predbiehajú pohyb Mesiaca. To vedie k tomu, že maximálny príliv Zeme sa na jej povrchu vyskytuje vždy o niečo neskôr ako v danom okamihu vyvrcholenie Mesiac a ďalší moment síl pôsobí na Zem a Mesiac (obr. 3.8 ) .

Absolútne hodnoty síl slapovej interakcie v systéme Zem-Mesiac sú dnes relatívne malé a nimi spôsobené slapové deformácie litosféry môžu dosahovať len niekoľko desiatok centimetrov, ale vedú k postupnému spomaľovaniu zemského plynu. rotáciu a, naopak, k zrýchleniu obežného pohybu Mesiaca a k jeho vzdialenosti od Zeme. Kinetická energia pohybu zemských slapových hrbolov sa premieňa na tepelnú energiu v dôsledku vnútorného trenia hmoty v slapových hrboch.

V súčasnosti je rýchlosť uvoľňovania energie prílivu a odlivu G. Macdonald je ~ 0,25 * 10 20 erg / s (0,25 * 10 13 W), pričom jeho hlavná časť (asi 2/3) je pravdepodobne rozptýli sa(rozptýli sa) v hydrosfére. V dôsledku toho podiel slapovej energie spôsobený interakciou Zeme s Mesiacom a rozptýlený v pevnej Zemi (predovšetkým v astenosfére) nepresahuje 2 % celková tepelná energia vytvorená v jeho útrobách; a podiel slnečných prílivov nepresahuje 20 % z účinkov lunárneho prílivu a odlivu. Pevné prílivy a odlivy preto teraz nehrajú prakticky žiadnu úlohu pri zásobovaní tektonických procesov energiou, ale v niektorých prípadoch môžu pôsobiť ako „spúšťače“, napríklad zemetrasenia.

Množstvo prílivovej energie priamo súvisí so vzdialenosťou medzi vesmírnymi objektmi. A ak sa nepredpokladajú žiadne významné zmeny v geologickej časovej škále pre vzdialenosť medzi Zemou a Slnkom, potom v systéme Zem-Mesiac je tento parameter premenlivou veličinou. Bez ohľadu na predstavy o, takmer všetci výskumníci pripúšťajú, že na skoré štádia vývoja Zeme bola vzdialenosť k Mesiacu podstatne menšia ako tá moderná, v procese planetárneho vývoja sa podľa väčšiny vedcov postupne zväčšuje a podľa Yu.N. Avsyuk táto vzdialenosť podlieha dlhodobým zmenám vo forme cyklov "príchod - odchod" mesiaca... Preto sa predpokladá, že v minulých geologických epochách bola úloha prílivového tepla v celkovej tepelnej bilancii Zeme významnejšia. Vo všeobecnosti po celú dobu vývoja Zeme ~ 3,3 * 10 37 erg (3,3 * 10 30 J) energia prílivového tepla (táto podlieha postupnému odstraňovaniu Mesiaca zo Zeme). Časová zmena rýchlosti uvoľňovania tohto tepla je znázornená na obr. 3.10 .

Viac ako polovica celkového množstva prílivovej energie sa uvoľnila v katarchee (hovno)) - pred 4,6 až 4,0 miliardami rokov a v tomto čase sa len vďaka tejto energii mohla Zem dodatočne zahriať o ~ 500 0 С. Od neskorého archeánu mali mesačné prílivy len zanedbateľný vplyv na vývoj energeticky náročné endogénne procesy .

Akrečné teplo

Toto je teplo, ktoré Zem ukladá od okamihu svojho vzniku. Počas narastanie, ktorá vďaka zrážke trvala niekoľko desiatok miliónov rokov planetezimály Zem zaznamenala výrazné oteplenie. Zároveň neexistuje konsenzus o veľkosti tohto zahrievania. V súčasnosti sa výskumníci prikláňajú k názoru, že v procese akrécie Zem zažila, ak nie úplné, tak výrazné čiastočné topenie, ktoré viedlo k počiatočnej diferenciácii Proto-Zeme na ťažké železné jadro a ľahký silikátový plášť, a do formácie "magma oceán" na jeho povrchu alebo v malej hĺbke. Aj keď ešte pred 90. rokmi sa za prakticky všeobecne uznávaný považoval model relatívne studenej primárnej Zeme, ktorá sa v dôsledku vyššie uvedených procesov postupne otepľovala, sprevádzaná uvoľňovaním značného množstva tepelnej energie.

Presné vyhodnotenie primárneho akrečného tepla a jeho frakcie dodnes zachované je spojené so značnými ťažkosťami. Autor: O.G. Sorokhtin a S.A. Ušakov, ktorí sú zástancami relatívne studenej primárnej Zeme, hodnota akrečnej energie premenenej na teplo je - 20,13 * 10 38 erg (20,13 * 10 31 J)... Táto energia by pri absencii tepelných strát stačila na úplné odparenie pozemská hmota, tk. teplota by mohla stúpnuť na 30 000 0 С... Ale akréčný proces bol pomerne dlhý a energia planetesimálnych dopadov sa uvoľnila iba v blízkych povrchových vrstvách rastúcej Zeme a rýchlo sa stratila tepelným žiarením, takže primárne zahrievanie planéty nebolo veľké. Veľkosť tohto tepelného žiarenia, ktoré ide paralelne so vznikom (akréciou) Zeme, odhadujú títo autori ako 19,4 * 10 38 erg (19,4 * 10 31 J) .

Akrečné teplo s najväčšou pravdepodobnosťou zohráva v modernej energetickej bilancii Zeme zanedbateľnú úlohu.

V našej krajine bohatej na uhľovodíky je geotermálna energia exotickým zdrojom, ktorý vzhľadom na súčasný stav pravdepodobne nebude konkurovať rope a plynu. Napriek tomu sa táto alternatívna forma energie dá využiť takmer všade a je celkom efektívna.

Geotermálna energia je teplo zemského vnútra. Produkuje sa v hĺbkach a prichádza na povrch Zeme v rôznych formách a s rôznou intenzitou.

Teplota vrchných vrstiev pôdy závisí najmä od vonkajších (exogénnych) faktorov – slnečného žiarenia a teploty vzduchu. V lete a cez deň sa pôda ohrieva do určitej hĺbky a v zime a v noci sa ochladzuje po zmene teploty vzduchu as určitým oneskorením, s rastúcou hĺbkou. Vplyv denných výkyvov teploty vzduchu končí v hĺbkach od niekoľkých do niekoľkých desiatok centimetrov. Sezónne výkyvy pokrývajú hlbšie vrstvy pôdy – až desiatky metrov.

V určitej hĺbke – od desiatok do stoviek metrov – sa teplota pôdy udržiava konštantná, rovná sa priemernej ročnej teplote vzduchu na povrchu Zeme. Presvedčiť sa o tom možno ľahko zostupom do dostatočne hlbokej jaskyne.

Keď je priemerná ročná teplota vzduchu v danej oblasti pod nulou, prejavuje sa to ako permafrost (presnejšie permafrost). V Východná Sibír hrúbka, teda hrúbka, celoročne zamrznutých pôd dosahuje miestami 200-300 m.

Od určitej hĺbky (vlastnej pre každý bod na mape) sa pôsobenie Slnka a atmosféry oslabí natoľko, že navrch vystúpia endogénne (vnútorné) faktory a vnútro zeme sa zohreje zvnútra, takže teplota začína stúpať s hĺbkou.

Ohrievanie hlbokých vrstiev Zeme je spojené najmä s rozpadom rádioaktívnych prvkov tam nachádzajúcich sa, hoci aj iné zdroje tepla sa nazývajú napríklad fyzikálno-chemické, tektonické procesy v hlbokých vrstvách zemskej kôry a plášťa. Ale bez ohľadu na dôvod, teplotu skaly a pridružených kvapalných a plynných látok rastie s hĺbkou. Baníci sa stretávajú s týmto javom - v hlbinných baniach je vždy horúco. V hĺbke 1 km sú tridsaťstupňové horúčavy normálne a hlbšie je teplota ešte vyššia.

Tepelný tok zemského vnútra, dosahujúci povrch Zeme, je malý - v priemere je jeho výkon 0,03–0,05 W / m 2 alebo asi 350 W · h / m 2 za rok. Na pozadí tepelného toku zo Slnka a ním ohrievaného vzduchu je to nepostrehnuteľná hodnota: Slnko dáva každému meter štvorcový zemský povrch je asi 4000 kWh ročne, teda 10 000-krát viac (samozrejme, je to v priemere, s obrovskými rozdielmi medzi polárnymi a rovníkovými šírkami a v závislosti od iných klimatických a poveternostných faktorov).

Nevýznamnosť tepelného toku z hĺbky na povrch na väčšine planéty súvisí s nízkou tepelnou vodivosťou hornín a zvláštnosťami geologickej stavby. Existujú však výnimky - miesta, kde je tok tepla vysoký. Sú to predovšetkým zóny tektonických porúch, zvýšenej seizmickej aktivity a vulkanizmu, kde nachádza východisko energia zemského vnútra. Takéto zóny sa vyznačujú tepelnými anomáliami litosféry, tu môže byť tepelný tok dosahujúci zemský povrch niekoľkonásobne a dokonca rádovo silnejší ako ten „obyčajný“. Sopečné erupcie a horúce vodné pramene vynášajú na povrch v týchto zónach obrovské množstvo tepla.

Práve tieto oblasti sú najpriaznivejšie pre rozvoj geotermálnej energie. Na území Ruska sú to predovšetkým Kamčatka, Kurilské ostrovy a Kaukaz.

Rozvoj geotermálnej energie je zároveň možný takmer všade, keďže zvyšovanie teploty s hĺbkou je všadeprítomný jav a úlohou je „odvádzať“ teplo z útrob, tak ako sa odtiaľ ťažia nerastné suroviny.

V priemere sa teplota zvyšuje s hĺbkou o 2,5–3 ° C na každých 100 m. Pomer teplotného rozdielu medzi dvoma bodmi v rôznych hĺbkach k rozdielu v hĺbke medzi nimi sa nazýva geotermálny gradient.

Recipročný je geotermálny krok alebo hĺbkový interval, pri ktorom teplota stúpne o 1 °C.

Čím vyšší je gradient a teda aj nižší stupeň, tým viac sa teplo z hlbín Zeme dostáva k povrchu a tým je táto oblasť sľubnejšia pre rozvoj geotermálnej energie.

V rôznych oblastiach, v závislosti od geologickej štruktúry a iných regionálnych a miestnych podmienok, sa rýchlosť zvyšovania teploty s hĺbkou môže dramaticky líšiť. V meradle Zeme dosahujú výkyvy veľkostí geotermálnych gradientov a stupňov 25-násobok. Napríklad v Oregone (USA) je gradient 150 °C na km a v Južnej Afrike je to 6 °C na km.

Otázkou je, aká je teplota vo veľkých hĺbkach – 5, 10 km alebo viac? Ak bude trend pokračovať, teploty v hĺbke 10 km by mali byť v priemere okolo 250–300 °C. Viac-menej to potvrdzujú priame pozorovania v superhlbokých vrtoch, hoci obraz je oveľa komplikovanejší ako lineárny nárast teploty.

Napríklad v superhlbokej studni Kola vyvŕtanej v baltskom kryštalickom štíte sa teplota do hĺbky 3 km mení rýchlosťou 10 ° C / 1 km a potom sa geotermálny gradient zvýši 2 až 2,5 krát. V hĺbke 7 km už bola zaznamenaná teplota 120 ° C, v hĺbke 10 km - 180 ° C a v 12 km - 220 ° C.

Ďalším príkladom je vrt navŕtaný v regióne severného Kaspického mora, kde bola zaznamenaná teplota 42 °C v hĺbke 500 m, 70 °C v 1,5 km, 80 °C v 2 km a 108 °C v 3 km.

Predpokladá sa, že geotermálny gradient klesá už od hĺbky 20-30 km: v hĺbke 100 km sú predpokladané teploty okolo 1300-1500 °C, v hĺbke 400 km - 1600 °C, v zemskom jadro (hĺbka nad 6000 km) - 4000-5000 ° C.

V hĺbkach do 10–12 km sa teplota meria cez vŕtané studne; tam, kde chýbajú, je určená nepriamymi znakmi rovnako ako vo väčších hĺbkach. Takýmito nepriamymi znakmi môže byť povaha prechodu seizmických vĺn alebo teplota vytekajúcej lávy.

Pre účely geotermálnej energie však údaje o teplotách v hĺbkach nad 10 km zatiaľ nie sú prakticky zaujímavé.

V hĺbkach niekoľkých kilometrov je veľa tepla, ale ako ho zdvihnúť? Niekedy za nás tento problém vyrieši sama príroda pomocou prírodného nosiča tepla - ohriatych termálnych vôd, ktoré vychádzajú na povrch alebo ležia v hĺbke, ktorá je nám prístupná. V niektorých prípadoch sa voda v hĺbke zahrieva do stavu pary.

Neexistuje žiadna presná definícia pojmu „termálne vody“. Spravidla sa nimi rozumie horúca podzemná voda v kvapalnom skupenstve alebo vo forme pary, vrátane tých, ktoré vychádzajú na povrch Zeme s teplotou nad 20 °C, teda spravidla vyššou ako je teplota vzduchu.

Teplo podzemnej vody, pary, zmesi pary a vody je hydrotermálna energia. Podľa toho sa energia založená na jej využití nazýva hydrotermálna.

Zložitejšia je situácia pri výrobe tepla priamo zo suchých hornín - petrotermálnej energie, najmä preto, že pomerne vysoké teploty spravidla začínajú z hĺbky niekoľkých kilometrov.

Na území Ruska je potenciál petrotermálnej energie stokrát vyšší ako potenciál hydrotermálnej energie – 3500, respektíve 35 biliónov ton palivového ekvivalentu. Je to celkom prirodzené - teplo z hlbín Zeme je všade a termálne vody sa nachádzajú lokálne. Z dôvodu zjavných technických ťažkostí pri výrobe tepla a elektriny sa však v súčasnosti väčšinou využívajú termálne vody.

Voda s teplotou 20-30°C až 100°C je vhodná na vykurovanie, teploty od 150°C a vyššie - a na výrobu elektriny v geotermálnych elektrárňach.

Vo všeobecnosti sú geotermálne zdroje na území Ruska v prepočte na tony ekvivalentného paliva alebo akejkoľvek inej jednotky merania energie asi 10-krát vyššie ako zásoby fosílnych palív.

Teoreticky by energetické potreby krajiny mohla plne uspokojiť iba geotermálna energia. Prakticky na tento moment na väčšine jeho územia to nie je možné z technických a ekonomických dôvodov.

Vo svete sa využívanie geotermálnej energie spája najčastejšie s Islandom – krajinou ležiacou na severnom konci Stredoatlantického hrebeňa, v mimoriadne aktívnej tektonickej a vulkanickej zóne. Asi každý si pamätá na mohutnú erupciu sopky Eyjafjallajökull ( Eyjafjallajökull) v roku 2010.

Práve vďaka tejto geologickej špecifickosti má Island obrovské zásoby geotermálnej energie vrátane horúcich prameňov, ktoré vychádzajú na povrch Zeme a dokonca vyvierajú vo forme gejzírov.

Na Islande sa v súčasnosti viac ako 60 % všetkej spotrebovanej energie odoberá zo Zeme. Vrátane geotermálnych zdrojov zabezpečuje 90 % vykurovania a 30 % výroby elektriny. Dodávame, že zvyšok elektriny v krajine sa vyrába vo vodných elektrárňach, teda aj s využitím obnoviteľného zdroja energie, vďaka čomu Island vyzerá ako akýsi globálny ekologický štandard.

Domestikácia geotermálnej energie v 20. storočí Islandu citeľne ekonomicky pomohla. Do polovice minulého storočia to bola veľmi chudobná krajina, v súčasnosti je na prvom mieste na svete z hľadiska inštalovaného výkonu a výroby geotermálnej energie na obyvateľa a je v prvej desiatke v absolútnej hodnote inštalovaného výkonu geotermálnej energie. elektrárne. Jeho populácia je však iba 300 tisíc ľudí, čo zjednodušuje prechod na ekologické zdroje energie: potreby sú vo všeobecnosti malé.

Vysoký podiel geotermálnej energie na celkovej bilancii výroby elektriny majú okrem Islandu aj Nový Zéland a ostrovné štáty juhovýchodnej Ázie (Filipíny a Indonézia), krajiny Strednej Ameriky a východnej Afriky, ktorých územie charakterizuje aj tzv. vysoká seizmická a sopečná aktivita. Pre tieto krajiny predstavuje geotermálna energia vzhľadom na ich súčasnú úroveň rozvoja a potrieb významný príspevok k sociálno-ekonomickému rozvoju.

Využívanie geotermálnej energie má veľmi dlhú históriu. Jeden z prvých slávne príklady- Taliansko, miesto v provincii Toskánsko, dnes nazývané Larderello, kde sa začiatkom 19. storočia na energetické účely využívali miestne horúce termálne vody, ktoré sa prirodzene vylievali alebo získavali z plytkých vrtov.

Na získavanie kyseliny boritej sa tu využívala podzemná voda bohatá na bór. Spočiatku sa táto kyselina získavala odparovaním v železných kotloch a ako palivo sa bralo obyčajné palivové drevo z blízkych lesov, no v roku 1827 Francesco Larderel vytvoril systém, ktorý fungoval na teplo samotných vôd. Zároveň sa energia prírodnej vodnej pary začala využívať na prevádzku vrtných súprav a začiatkom 20. storočia na vykurovanie miestnych domov a skleníkov. Na tom istom mieste, v Larderello, sa v roku 1904 stala termálna vodná para zdrojom energie na výrobu elektriny.

Niektoré ďalšie krajiny nasledovali príklad Talianska koncom 19. a začiatkom 20. storočia. Napríklad v roku 1892 boli termálne vody prvýkrát použité na lokálne vykurovanie v USA (Boise, Idaho), v roku 1919 v Japonsku a v roku 1928 na Islande.

V Spojených štátoch sa prvá hydrotermálna elektráreň objavila v Kalifornii na začiatku tridsiatych rokov minulého storočia, na Novom Zélande v roku 1958, v Mexiku v roku 1959, v Rusku (prvá binárna geotermálna elektráreň na svete) v roku 1965 ...

Starý princíp na novom zdroji

Výroba elektriny si vyžaduje viac vysoká teplota vodný zdroj ako na vykurovanie - viac ako 150°C. Princíp činnosti geotermálnej elektrárne (GeoPP) je podobný princípu činnosti klasickej tepelnej elektrárne (TPP). V skutočnosti je geotermálna elektráreň druh tepelnej elektrárne.

Na TPP spravidla pôsobí ako primárny zdroj energie uhlie, plyn alebo vykurovací olej a ako pracovná tekutina slúži vodná para. Palivo pri spaľovaní ohrieva vodu do stavu pary, ktorá roztáča parnú turbínu a tá vyrába elektrinu.

Rozdiel medzi GeoPP je v tom, že primárnym zdrojom energie je tu teplo zemského vnútra a pracovná tekutina vo forme pary je dodávaná na lopatky turbíny elektrického generátora v „hotovej“ forme priamo z výroby. dobre.

Existujú tri hlavné schémy prevádzky GeoPP: priama, využívajúca suchú (geotermálnu) paru; nepriame, založené na hydrotermálnej vode, a zmiešané, čiže binárne.

Aplikácia tejto alebo tej schémy závisí od stavu agregácie a teploty nosiča energie.

Najjednoduchšia a teda prvá zo zvládnutých schém je priamka, pri ktorej para prichádzajúca z vrtu prechádza priamo cez turbínu. Prvý GeoPP na svete v Larderello fungoval v roku 1904 aj na suchú paru.

GeoPP s nepriamou schémou práce sú v našej dobe najbežnejšie. Využívajú horúcu podzemnú vodu, ktorá sa pod vysokým tlakom prečerpáva do výparníka, kde sa časť z nej odparí a vzniknutá para roztáča turbínu. V niektorých prípadoch sú potrebné ďalšie zariadenia a okruhy na čistenie geotermálnej vody a pary od agresívnych zlúčenín.

Odpadová para vstupuje do vstrekovacieho vrtu alebo sa používa na vykurovanie - v tomto prípade je princíp rovnaký ako pri prevádzke kogenerácie.

V binárnych GeoPP horúca termálna voda interaguje s inou kvapalinou, ktorá pôsobí ako pracovná kvapalina s nižším bodom varu. Obe kvapaliny prechádzajú cez výmenník tepla, kde termálna voda odparuje pracovnú kvapalinu, ktorej para roztáča turbínu.

Princíp fungovania binárneho GeoPP. Horúca termálna voda interaguje s inou kvapalinou, ktorá pôsobí ako pracovná kvapalina a má nižší bod varu. Obe kvapaliny prechádzajú cez výmenník tepla, kde termálna voda odparuje pracovnú kvapalinu, ktorej pary zase otáčajú turbínu.

Tento systém je uzavretý, čím sa rieši problém emisií do ovzdušia. Pracovné kvapaliny s relatívne nízkym bodom varu navyše umožňujú využívať ako primárny zdroj energie nie príliš horúce termálne vody.

Všetky tri schémy využívajú hydrotermálny zdroj, ale na výrobu elektriny možno využiť aj petrotermálnu energiu.

Schematický diagram je v tomto prípade tiež celkom jednoduchý. Je potrebné vyvŕtať dve prepojené studne – injektážnu a ťažobnú. Voda sa čerpá do vstrekovacej studne. V hĺbke sa ohrieva, potom sa cez výrobný vrt privádza na povrch ohriata voda alebo para vytvorená v dôsledku silného ohrevu. Ďalej všetko závisí od toho, ako sa petrotermálna energia využíva – na vykurovanie alebo na výrobu elektriny. Uzavretý cyklus je možný vháňaním odpadovej pary a vody späť do injektážnej studne alebo iným spôsobom likvidácie.

Schéma petrotermálneho systému. Systém je založený na využití teplotného gradientu medzi povrchom zeme a jej podložím, kde je vyššia teplota. Voda z povrchu sa čerpá do injektážneho vrtu a ohrieva sa v hĺbke, potom sa ohriata voda alebo para vytvorená v dôsledku ohrevu privádza na povrch cez ťažobný vrt.

Nevýhoda takéhoto systému je zrejmá: získať dostatočne vysokú teplotu pracovná kvapalina musíte vŕtať studne do veľkej hĺbky. A to sú vážne náklady a riziko výrazných tepelných strát, keď sa kvapalina pohybuje nahor. Preto sú petrotermálne systémy stále menej rozšírené ako hydrotermálne, aj keď potenciál petrotermálnej energie je rádovo vyšší.

V súčasnosti je Austrália lídrom vo vytváraní takzvaných petrotermálnych cirkulačných systémov (PCS). Okrem toho sa tento smer geotermálnej energie aktívne rozvíja v USA, Švajčiarsku, Veľkej Británii a Japonsku.

Dar lorda Kelvina

Vynález tepelného čerpadla fyzika Williama Thompsona (alias Lord Kelvin) v roku 1852 poskytol ľudstvu skutočnú príležitosť využiť nízkopotenciálne teplo horných vrstiev pôdy. Systém tepelného čerpadla alebo, ako to nazval Thompson, multiplikátor tepla, je založený na fyzikálnom procese prenosu tepla z prostredia do chladiva. V skutočnosti využíva rovnaký princíp ako v petrotermálnych systémoch. Rozdiel je v zdroji tepla, v súvislosti s ktorým môže vzniknúť terminologická otázka: do akej miery možno považovať tepelné čerpadlo za geotermálny systém? Ide o to, že v horné vrstvy, do hĺbok desiatok až stoviek metrov sa horniny a v nich obsiahnuté tekutiny ohrievajú nie hlbokým teplom zeme, ale slnkom. Primárnym zdrojom tepla je teda v tomto prípade Slnko, hoci sa odoberá, ako v geotermálnych systémoch, zo zeme.

Práca tepelného čerpadla je založená na oneskorení ohrievania a ochladzovania pôdy v porovnaní s atmosférou, v dôsledku čoho vzniká teplotný gradient medzi povrchovými a hlbšími vrstvami, ktoré udržujú teplo aj v zime, podobne ako napr. čo sa deje vo vodných útvaroch. Hlavným účelom tepelných čerpadiel je vykurovanie priestorov. V skutočnosti je to „reverzná chladnička“. Tepelné čerpadlo aj chladnička spolupôsobia s tromi zložkami: vnútorným prostredím (v prvom prípade - vykurovaná miestnosť, v druhom - chladiacou komorou chladničky), vonkajším prostredím - zdrojom energie a chladivom (chladivom) , je to tiež nosič tepla, ktorý zabezpečuje prenos tepla alebo chladu.

Látka s nízkym bodom varu pôsobí ako chladivo, čo jej umožňuje odoberať teplo zo zdroja, ktorý má dokonca relatívne nízka teplota.

V chladničke vstupuje kvapalné chladivo do výparníka cez škrtiacu klapku (regulátor tlaku), kde sa v dôsledku prudkého poklesu tlaku kvapalina odparí. Odparovanie je endotermický proces, ktorý vyžaduje vonkajšiu absorpciu tepla. V dôsledku toho sa teplo odoberá z vnútorných stien výparníka, čo poskytuje chladiaci efekt v komore chladničky. Ďalej z výparníka je chladivo nasávané do kompresora, kde sa vracia do kvapalného stavu agregácie. Ide o reverzný proces vedúci k uvoľneniu odobratého tepla do vonkajšieho prostredia. Spravidla sa hodí do miestnosti a v zadnej časti chladničky je pomerne teplo.

Tepelné čerpadlo funguje približne rovnako, len s tým rozdielom, že teplo sa odoberá z vonkajšieho prostredia a cez výparník sa dostáva do vnútorného prostredia – vykurovacieho systému miestnosti.

V skutočnom tepelnom čerpadle sa voda ohrieva, prechádza vonkajším okruhom, je uložená v zemi alebo v nádrži a potom vstupuje do výparníka.

Vo výparníku sa teplo odovzdáva do vnútorného okruhu naplneného chladivom s nízkym bodom varu, ktoré prechodom cez výparník prechádza z kvapalného do plynného skupenstva a odoberá teplo.

Ďalej plynné chladivo vstupuje do kompresora, kde je stlačené na vysoký tlak a teplotu, a vstupuje do kondenzátora, kde dochádza k výmene tepla medzi horúcim plynom a chladivom z vykurovacieho systému.

Na prevádzku kompresora je potrebná elektrina, avšak transformačný pomer (pomer spotrebovanej a vyrobenej energie) áno moderné systémy dostatočne vysoká, aby bola účinná.

V súčasnosti sa tepelné čerpadlá vo veľkej miere využívajú na vykurovanie miestností hlavne v ekonomicky vyspelých krajinách.

Ekologicky správna energia

Geotermálna energia sa považuje za ekologickú, čo je vo všeobecnosti pravda. V prvom rade využíva obnoviteľný a prakticky nevyčerpateľný zdroj. Geotermálna energia si na rozdiel od veľkých vodných elektrární či veterných elektrární nevyžaduje veľké plochy a na rozdiel od uhľovodíkovej energie neznečisťuje atmosféru. GeoPP v priemere zaberá 400 m 2 v prepočte na 1 GW vyrobenej elektriny. Rovnaký ukazovateľ napríklad pre uhoľnú elektráreň je 3600 m 2 . K ekologickým výhodám GeoPP patrí aj nízka spotreba vody – 20 litrov čerstvej vody na 1 kW, kým TPP a JE vyžadujú okolo 1000 litrov. Všimnite si, že ide o environmentálne ukazovatele „priemerného“ GeoPP.

Ale stále existujú negatívne vedľajšie účinky. Medzi nimi sa najčastejšie rozlišuje hluk, tepelné znečistenie atmosféry a chemické znečistenie – vody a pôdy, ako aj tvorba tuhého odpadu.

Hlavným zdrojom chemického znečistenia prostredia je skutočná termálna voda (s vysokou teplotou a mineralizáciou), často obsahujúca veľké množstvá toxické zlúčeniny, v súvislosti s ktorými vzniká problém likvidácie odpadových vôd a nebezpečných látok.

Negatívne účinky geotermálnej energie možno vysledovať v niekoľkých etapách, počnúc vŕtaním studní. Tu vznikajú rovnaké nebezpečenstvá ako pri vŕtaní akejkoľvek studne: zničenie pôdy a vegetačného krytu, kontaminácia pôdy a podzemnej vody.

Vo fáze prevádzky GeoPP problémy so znečistením životné prostredie pretrvávať. Termálne kvapaliny - voda a para - zvyčajne obsahujú oxid uhličitý (CO 2), sírnik (H 2 S), amoniak (NH 3), metán (CH 4), kuchynskú soľ (NaCl), bór (B), arzén (As ), ortuť (Hg). Po uvoľnení do životného prostredia sa stávajú zdrojmi jeho znečistenia. Navyše agresívne chemické prostredie môže spôsobiť korózne poškodenie štruktúr GeoTPP.

Zároveň sú emisie znečisťujúcich látok na GeoPP v priemere nižšie ako na TPP. Napríklad emisie oxidu uhličitého na každú kilowatthodinu vyrobenej elektriny dosahujú až 380 g pri GeoPP, 1 042 g na uhoľných TPP, 906 g na vykurovací olej a 453 g na plynových TPP.

Vynára sa otázka: čo robiť s odpadovou vodou? Pri nízkej salinite sa môže po ochladení vypúšťať do povrchových vôd. Ďalším spôsobom je jeho čerpanie späť do vodonosnej vrstvy cez injektážnu studňu, ktorá je dnes preferovaná a prevažne používaná.

Odčerpávanie termálnej vody z vodonosných vrstiev (ako aj odčerpávanie obyčajnej vody) môže spôsobiť poklesy a pohyb pôdy, iné deformácie geologických vrstiev a mikrozemetrasenia. Pravdepodobnosť takýchto javov je spravidla malá, hoci boli zaznamenané jednotlivé prípady (napríklad na GeoPP v Staufen im Breisgau v Nemecku).

Je potrebné zdôrazniť, že väčšina GeoPP sa nachádza v relatívne riedko osídlených oblastiach a v krajinách tretieho sveta, kde sú environmentálne požiadavky menej prísne ako vo vyspelých krajinách. Okrem toho je v súčasnosti počet GeoPP a ich kapacity relatívne malé. S rozsiahlejším rozvojom geotermálnej energie sa môžu environmentálne riziká zvýšiť a znásobiť.

Aká je energia Zeme?

Investičné náklady na výstavbu geotermálnych systémov sa pohybujú vo veľmi širokom rozmedzí - od 200 do 5 000 USD za 1 kW inštalovaného výkonu, to znamená, že najlacnejšie možnosti sú porovnateľné s nákladmi na výstavbu tepelnej elektrárne. Závisia predovšetkým od podmienok výskytu termálnych vôd, ich zloženia a konštrukcie systému. Vŕtanie do veľkých hĺbok, vytvorenie uzavretého systému s dvoma studňami, potreba čistenia vody môže znásobiť náklady.

Napríklad investície do vytvorenia systému petrotermálnej cirkulácie (PCS) sa odhadujú na 1,6–4 tisíc dolárov na 1 kW inštalovaného výkonu, čo prevyšuje náklady na výstavbu jadrovej elektrárne a je porovnateľné s nákladmi na výstavbu veternej a solárne elektrárne.

Zjavnou ekonomickou výhodou GeoTPP je voľný nosič energie. Pre porovnanie, v štruktúre nákladov prevádzkovanej JE alebo JE tvorí palivo 50–80 % alebo aj viac, v závislosti od aktuálnych cien energií. Z toho vyplýva ďalšia výhoda geotermálneho systému: prevádzkové náklady sú stabilnejšie a predvídateľnejšie, pretože nezávisia od vonkajšej konjunktúry cien energie. Vo všeobecnosti sa prevádzkové náklady GeoTPP odhadujú na 2–10 centov (60 kopejok – 3 ruble) na 1 kWh vyrobenej kapacity.

Druhou najväčšou (po energii) (a veľmi významnou) položkou výdavkov je spravidla mzda personál závodu, ktorý sa môže výrazne líšiť v závislosti od krajiny a regiónu.

V priemere sú náklady na 1 kWh geotermálnej energie porovnateľné s nákladmi na TPP (v ruských podmienkach - asi 1 rubeľ / 1 kWh) a desaťkrát vyššie ako náklady na výrobu elektriny vo vodných elektrárňach (5-10 kopejok / 1 kWh).

Časť dôvodov vysokých nákladov spočíva v tom, že na rozdiel od tepelných a vodných elektrární má GeoTPP relatívne malú kapacitu. Okrem toho je potrebné porovnávať systémy nachádzajúce sa v rovnakom regióne a v podobných podmienkach. Napríklad na Kamčatke stojí podľa odborníkov 1 kWh geotermálnej elektriny 2-3 krát menej ako elektrina vyrobená v miestnych tepelných elektrárňach.

Ukazovatele ekonomickej efektívnosti geotermálneho systému závisia napríklad od toho, či je potrebné likvidovať odpadové vody a akými spôsobmi sa to robí, či je možné kombinované využitie zdroja. takze chemické prvky a zlúčeniny extrahované z termálnej vody môžu poskytnúť dodatočný príjem. Pripomeňme si príklad Larderella: primárna tam bola chemická výroba a využitie geotermálnej energie bolo spočiatku pomocné.

Geotermálna energia vpred

Geotermálna energia sa vyvíja trochu inak ako veterná a slnečná energia. V súčasnosti to do značnej miery závisí od charakteru samotného zdroja, ktorý sa výrazne líši podľa regiónov a najvyššie koncentrácie sú viazané na úzke zóny geotermálnych anomálií, ktoré sú spravidla spojené s oblasťami tektonických porúch a vulkanizmu.

okrem toho geotermálnej energie technologicky menej kapacitné v porovnaní s veternou a ešte viac so slnečnou energiou: systémy geotermálnych staníc sú pomerne jednoduché.

V celkovej štruktúre svetovej výroby elektriny tvorí geotermálna zložka menej ako 1 %, no v niektorých regiónoch a krajinách jej podiel dosahuje 25 – 30 %. Značná časť kapacít geotermálnej energie je vďaka väzbe na geologické podmienky sústredená v krajinách tretieho sveta, kde sa nachádzajú tri zoskupenia najväčšieho rozvoja priemyslu - ostrovy juhovýchodnej Ázie, Strednej Ameriky a východnej Afriky. Prvé dva regióny sú zahrnuté v tichomorskom „ohnivom páse Zeme“, tretí je viazaný na východoafrický rift. S najväčšou pravdepodobnosťou sa v týchto pásoch bude naďalej rozvíjať geotermálna energia. Vzdialenejšou perspektívou je rozvoj petrotermálnej energie, využívajúcej teplo vrstiev zeme, ležiacich v hĺbke niekoľkých kilometrov. Ide o takmer všadeprítomný zdroj, no jeho ťažba si vyžaduje vysoké náklady, preto sa petrotermálna energia rozvíja predovšetkým v ekonomicky a technologicky najvýkonnejších krajinách.

Vo všeobecnosti vzhľadom na všadeprítomnú distribúciu geotermálnych zdrojov a prijateľnú úroveň environmentálna bezpečnosť existuje dôvod domnievať sa, že geotermálna energia má dobré vyhliadky na rozvoj. Najmä pri rastúcej hrozbe nedostatku tradičných zdrojov energie a ich rastúcich cien.

Od Kamčatky po Kaukaz

V Rusku má rozvoj geotermálnej energie pomerne dlhú históriu a v mnohých pozíciách patríme medzi svetových lídrov, aj keď podiel geotermálnej energie na celkovej energetickej bilancii obrovskej krajiny je stále zanedbateľný.

Priekopníkmi a centrami rozvoja geotermálnej energie v Rusku sa stali dva regióny – Kamčatka a Severný Kaukaz, a ak v prvom prípade hovoríme predovšetkým o elektroenergetike, potom v druhom - o využití tepelnej energie termálnej vody.

Na severnom Kaukaze - na území Krasnodar, Čečensko, Dagestan - sa teplo termálnych vôd na energetické účely využívalo ešte pred Veľkou Vlastenecká vojna... V 80. a 90. rokoch 20. storočia sa rozvoj geotermálnej energie v regióne z pochopiteľných dôvodov zastavil a doteraz sa nedostal zo stavu stagnácie. Napriek tomu zásobovanie geotermálnou vodou na severnom Kaukaze poskytuje teplo asi 500 tisíc ľuďom a napríklad mesto Labinsk na území Krasnodar s populáciou 60 tisíc ľudí je úplne vykurované geotermálnymi vodami.

Na Kamčatke je história geotermálnej energie spojená predovšetkým s výstavbou GeoPP. Prvá z nich, stále prevádzkujúca stanice Pauzhetskaya a Paratunskaya, bola postavená už v rokoch 1965-1967, pričom Paratunskaya GeoPP s kapacitou 600 kW sa stala prvou stanicou na svete s binárnym cyklom. Bol to vývoj sovietskych vedcov S.S.Kutateladze a A.M.Rosenfelda z Ústavu termofyziky Sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied, ktorí v roku 1965 získali autorské osvedčenie na získavanie elektriny z vody s teplotou 70°C. Táto technológia sa neskôr stala prototypom pre viac ako 400 binárnych GeoPP na svete.

Kapacita Pauzhetskaya GeoPP, ktorá bola uvedená do prevádzky v roku 1966, bola spočiatku 5 MW a následne sa zvýšila na 12 MW. V súčasnosti je na stanici vo výstavbe binárny blok, ktorý zvýši jej kapacitu o ďalších 2,5 MW.

Rozvoj geotermálnej energie v ZSSR a Rusku bol brzdený dostupnosťou tradičných zdrojov energie – ropy, plynu, uhlia, no nikdy sa nezastavil. Najväčšími geotermálnymi zariadeniami v súčasnosti sú GeoPP Verkhne-Mutnovskaya s celkovou kapacitou 12 MW energetických blokov, uvedené do prevádzky v roku 1999, a Mutnovskaya GeoPP s kapacitou 50 MW (2002).

GeoPP Mutnovskaya a Verkhne-Mutnovskaya sú jedinečné objekty nielen pre Rusko, ale aj v celosvetovom meradle. Stanice sa nachádzajú na úpätí Mutnovského vulkánu, v nadmorskej výške 800 metrov nad morom a fungujú v extrémnych klimatických podmienkach, kde je zima 9-10 mesiacov v roku. Vybavenie GeoPP Mutnovského, v súčasnosti jedného z najmodernejších na svete, je kompletne vytvorené v domácich podnikoch energetiky.

V súčasnosti je podiel závodov Mutnovskie na celkovej štruktúre spotreby energie centrálneho energetického uzla Kamčatky 40 %. V najbližších rokoch sa plánuje zvýšenie kapacity.

Samostatne by sa malo povedať o ruskom petrotermálnom vývoji. Veľké DSP zatiaľ nemáme, no existujú pokročilé technológie na vŕtanie do veľkých hĺbok (asi 10 km), ktoré tiež nemajú vo svete obdobu. Ich ďalší rozvoj umožní drasticky znížiť náklady na vytváranie petrotermálnych systémov. Vývojármi týchto technológií a projektov sú N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geologický ústav, RAS), A. S. Nekrasov (Inštitút ekonomického prognózovania, RAS) a špecialisti z Kalugských turbínových závodov. Projekt petrolejového cirkulačného systému v Rusku je v súčasnosti v experimentálnej fáze.

V Rusku existujú perspektívy geotermálnej energie, aj keď relatívne vzdialené: v súčasnosti je potenciál dosť veľký a pozície tradičnej energie sú silné. Zároveň je v mnohých odľahlých regiónoch krajiny využitie geotermálnej energie ekonomicky rentabilné a v súčasnosti je žiadané. Ide o územia s vysokým geoenergetickým potenciálom (Čukotka, Kamčatka, Kuriles – ruská časť pacifického „ohnivého pásu Zeme“, pohoria južnej Sibíri a Kaukazu) a zároveň vzdialené a odrezané od centralizovaného zásobovania energiou.

Pravdepodobne sa v najbližších desaťročiach geotermálna energia u nás rozvinie práve v takýchto regiónoch.

Kirill Degtyarev,
Výskumník Moskovskej štátnej univerzity M.V. Lomonosov
"Veda a život" č.9, č.10 2013

Termín geotermálna energia pochádza z gréckeho slova pre zem (geo) a tepelnú (tepelnú). V skutočnosti, geotermálna energia pochádza zo samotnej Zeme... Teplo zo zemského jadra, ktoré má v priemere 3 600 stupňov Celzia, vyžaruje smerom k povrchu planéty.

Vyhrievacie pramene a gejzíry v podzemí v hĺbke niekoľkých kilometrov je možné realizovať pomocou špeciálnych vrtov, ktorými horúca voda (alebo para z nej) vyteká na povrch, kde sa dá využiť priamo ako teplo alebo nepriamo na výrobu elektriny zapnutím rotácie turbíny.

Keďže voda pod zemským povrchom sa neustále dopĺňa a zemské jadro bude nekonečne dlho produkovať teplo súvisiace s ľudským životom, geotermálna energia bude v konečnom dôsledku čisté a obnoviteľné.

Spôsoby zhromažďovania energetických zdrojov Zeme

Dnes existujú tri hlavné spôsoby získavania geotermálnej energie: suchá para, horúca voda a binárny cyklus. Proces suchej pary priamo otáča turbínové pohony generátorov energie. Horúca voda vstupuje zdola nahor, potom sa strieka do nádrže, aby vytvorila paru na pohon turbín. Tieto dve metódy sú najbežnejšie, generujú stovky megawattov elektriny v Spojených štátoch, na Islande, v Európe, Rusku a ďalších krajinách. Ale umiestnenie je obmedzené, pretože tieto továrne fungujú iba v tektonických oblastiach, kde je ľahší prístup k ohriatej vode.

Pomocou technológie binárneho cyklu je teplá (nie nevyhnutne horúca) voda extrahovaná na povrch a kombinovaná s butánom alebo pentánom, ktorý má nízky bod varu. Táto kvapalina sa čerpá cez výmenník tepla, kde sa odparuje a posiela cez turbínu a potom sa recirkuluje späť do systému. Technológia binárneho cyklu poskytuje desiatky megawattov elektriny v Spojených štátoch amerických: v Kalifornii, Nevade a na Havajských ostrovoch.

Princíp získavania energie

Nevýhody získavania geotermálnej energie

Na úrovni služieb je výstavba a prevádzka geotermálnych elektrární nákladná. Nájdenie vhodného miesta si vyžaduje nákladné prieskumy studní bez záruky, že zasiahnu produktívne podzemné horúce miesto. Analytici však očakávajú, že sa táto kapacita v priebehu nasledujúcich šiestich rokov takmer zdvojnásobí.

Okrem toho sa oblasti s vysokou teplotou podzemného zdroja nachádzajú v oblastiach s aktívnymi geologickými sopkami. Tieto "horúce miesta" sa vytvorili na hraniciach tektonických platní v miestach, kde je kôra dosť tenká. Tichomorská oblasť je často označovaná ako ohnivý kruh pre mnohé sopky s mnohými hotspotmi vrátane Aljašky, Kalifornie a Oregonu. Nevada má stovky hotspotov pokrývajúcich väčšinu severu Spojených štátov.

Existujú aj ďalšie seizmicky aktívne oblasti. Zemetrasenia a pohyb magmy umožňujú cirkuláciu vody. Na niektorých miestach voda vystupuje na povrch a vznikajú prírodné horúce pramene a gejzíry, ako napríklad na Kamčatke. Voda v gejzíroch Kamčatky dosahuje 95 °C.

Jedným z problémov otvorených gejzírových systémov je uvoľňovanie určitých látok znečisťujúcich ovzdušie. Sírovodík je toxický plyn s veľmi rozpoznateľným zápachom „zhnitého vajca“ – s malým množstvom arzénu a minerálov uvoľnených s parou. Soľ môže tiež predstavovať environmentálny problém.

V geotermálnych elektrárňach umiestnených na mori sa v potrubiach hromadí značné množstvo interferujúcej soli. V uzavretých systémoch nevznikajú žiadne emisie a všetka kvapalina privedená na povrch sa vracia späť.

Ekonomický potenciál energetického zdroja

Horúce miesta nie sú jediné miesta, kde možno nájsť geotermálnu energiu. V hĺbke od 4 metrov až po niekoľko kilometrov pod povrchom prakticky kdekoľvek na zemi je stály prísun využiteľného tepla pre účely priameho vykurovania. Dokonca aj pozemky na vlastnú päsť zadný dvor alebo miestna škola má ekonomický potenciál vo forme tepla na dodávku do domu alebo inej budovy.

Okrem toho je v suchých skalných útvaroch veľmi hlboko pod povrchom (4-10 km) obrovské množstvo tepelnej energie.

Použitie novej technológie by mohlo rozšíriť geotermálne systémy, kde ľudia môžu využiť toto teplo na výrobu elektriny v oveľa väčšom rozsahu ako konvenčné technológie. Prvé demonštračné projekty tohto princípu výroby elektriny boli predvedené v Spojených štátoch a Austrálii už v roku 2013.

Ak sa podarí naplno využiť ekonomický potenciál geotermálnych zdrojov, bude to predstavovať obrovský zdroj elektriny pre výrobné zariadenia. Vedci predpokladajú, že konvenčné geotermálne zdroje majú potenciál 38 000 MW, čo môže generovať 380 miliónov MW elektriny ročne.

Horúce suché horniny sa vyskytujú všade pod zemou v hĺbkach 5 až 8 km a na určitých miestach v menších hĺbkach. Prístup k týmto zdrojom naznačuje úvod studená voda cirkuluje cez horúce kamene a odvádza zohriatu vodu. V súčasnosti neexistuje žiadna komerčná aplikácia pre túto technológiu. Existujúce technológie zatiaľ neumožňujú získavanie tepelnej energie priamo z magmy, veľmi hlboko, ale toto je najsilnejší zdroj geotermálnej energie.

Vďaka kombinácii energetických zdrojov a ich konzistentnosti môže geotermálna energia zohrávať nezastupiteľnú úlohu ako čistejší a udržateľnejší energetický systém.

Štruktúry geotermálnych elektrární

Geotermálna energia je čisté a udržateľné teplo zo Zeme. Veľké zdroje sa nachádzajú v rozsahu niekoľkých kilometrov pod povrchom Zeme a ešte hlbšie, až po vysokú teplotu roztavenej horniny nazývanej magma. Ale ako je opísané vyššie, ľudia ešte nedosiahli magmu.

Tri návrhy geotermálnych elektrární

Aplikačná technológia je určená zdrojom. Ak voda pochádza zo studne ako para, môže sa použiť priamo. Ak je horúca voda dostatočne horúca, musí prejsť cez výmenník tepla.

Prvý vrt na výrobu elektriny bol vyvŕtaný pred rokom 1924. Hlbšie vrty boli vyvŕtané v 50. rokoch 20. storočia, no skutočný rozvoj nastáva v 70. a 80. rokoch 20. storočia.

Priame využitie geotermálneho tepla

Geotermálne zdroje je možné využiť aj priamo na vykurovacie účely. Horúca voda sa používa na vykurovanie budov, pestovanie rastlín v skleníkoch, sušenie rýb a plodín, zlepšenie získavania ropy, napomáhanie priemyselným procesom ako pasterizátory mlieka a ohrievanie vody na rybích farmách. V USA, Klamath Falls, Oregon a Boise, Idaho, sa geotermálna voda používa na vykurovanie domov a budov už viac ako storočie. Na východnom pobreží, Warm Springs, Virginia čerpá teplo priamo z pramenitej vody pomocou miestnych zdrojov tepla.

Na Islande je takmer každá budova v krajine vykurovaná horúcou pramenitou vodou. V skutočnosti Island získava viac ako 50 percent svojej primárnej energie z geotermálnych zdrojov. Napríklad v Reykjavíku (118-tisíc obyvateľov) sa teplá voda prepravuje na viac ako 25 kilometrov a obyvatelia ju využívajú na vykurovanie a prírodné potreby.

Nový Zéland získava ďalších 10 % svojej elektriny. je nedostatočne rozvinutá, napriek prítomnosti termálnych vôd.

Pre Rusko sa energia zemského tepla môže stať trvalým, spoľahlivým zdrojom poskytovania lacnej a cenovo dostupnej elektriny a tepla pomocou nových vysokých, ekologických technológií na jeho ťažbu a dodávku spotrebiteľovi. To platí najmä v dnešnej dobe.

Obmedzené zdroje fosílnych energetických surovín

Dopyt po organických energetických surovinách je veľký v priemyselne vyspelých a rozvojových krajinách (USA, Japonsko, štáty zjednotenej Európy, Čína, India atď.). Zároveň sú ich vlastné uhľovodíkové zdroje v týchto krajinách buď nedostatočné, alebo rezervované a krajina, napríklad Spojené štáty americké, nakupuje energetické suroviny v zahraničí alebo rozvíja ložiská v iných krajinách.

V Rusku, jednej z energeticky najbohatších krajín, sú ekonomické potreby energie stále uspokojované možnosťami využívania prírodných zdrojov. Ťažba fosílnych uhľovodíkov z podložia však postupuje veľmi rýchlym tempom. Ak v rokoch 1940-1960. Hlavnými regiónmi produkujúcimi ropu boli „Druhé Baku“ v regiónoch Volga a Ural, potom od 70. rokov 20. storočia až do súčasnosti je takou oblasťou Západná Sibír. No aj tu dochádza k výraznému poklesu produkcie fosílnych uhľovodíkov. Éra „suchého“ cenomanského plynu sa končí. Predchádzajúca etapa rozsiahleho rozvoja baníctva zemný plyn sa skončilo. Jeho ťažba z takých obrovských polí ako Medvezhye, Urengoyskoye a Yamburgskoye predstavovala 84, 65 a 50%. Postupom času klesá aj podiel zásob ropy priaznivých pre rozvoj.

V dôsledku aktívnej spotreby uhľovodíkových palív sa zásoby ropy a zemného plynu na pevnine výrazne znížili. Teraz sú ich hlavné zásoby sústredené na kontinentálnom šelfe. A hoci zdrojová základňa ropy a plynárenský priemysel stále postačuje na ťažbu ropy a plynu v Rusku v požadovaných objemoch, v blízkej budúcnosti bude zabezpečovaný v čoraz väčšej miere v dôsledku rozvoja polí so zložitými banskými a geologickými podmienkami. Zároveň budú rásť náklady na výrobu uhľovodíkových surovín.

Väčšina neobnoviteľných zdrojov vyťažených z podložia sa využíva ako palivo pre elektrárne... Predovšetkým je to, ktorého podiel v štruktúre paliva je 64 %.

V Rusku sa 70 % elektriny vyrába v tepelných elektrárňach. Energetické podniky v krajine spália približne 500 miliónov ton ekvivalentu paliva ročne. na výrobu elektriny a tepla, pričom na výrobu tepla sa uhľovodíkové palivo spotrebuje 3-4 krát viac ako na výrobu elektriny.

Množstvo tepla získaného spaľovaním týchto objemov uhľovodíkových surovín sa rovná použitiu stoviek ton jadrového paliva – rozdiel je obrovský. Jadrová energetika si však vyžaduje environmentálnu bezpečnosť (aby sa vylúčila recidíva Černobyľu) a jej ochranu pred možnými teroristickými útokmi, ako aj realizáciu bezpečného a nákladného vyraďovania zastaraných a zastaraných energetických blokov JE. Preukázané vyťažiteľné zásoby uránu vo svete sú asi 3 milióny 400 tisíc ton.Za celé predchádzajúce obdobie (do roku 2007) sa vyťažili asi 2 milióny ton.

OZE ako budúcnosť svetovej energetiky

Záujem o alternatívne obnoviteľné zdroje energie (OZE), ktorý v posledných desaťročiach vo svete vzrástol, je spôsobený nielen vyčerpávaním zásob uhľovodíkových palív, ale aj potrebou riešiť otázky životného prostredia... Objektívne faktory (zásoby fosílnych palív a uránu, ako aj zmeny životného prostredia spojené s využívaním tradičnej požiarnej a jadrovej energie) a trendy vo vývoji energetiky nám umožňujú tvrdiť, že prechod na nové metódy a formy výroby energie je nevyhnutný. . Už v prvej polovici XXI. dôjde k úplnému alebo takmer úplnému prechodu na nekonvenčné zdroje energie.

Čím skôr sa v tomto smere podarí prelomiť, tým to bude menej bolestné pre celú spoločnosť a o to prospešnejšie pre krajinu, kde sa budú v tomto smere podnikať rozhodujúce kroky.

Svetová ekonomika už prešla smerom k prechodu na racionálnu kombináciu tradičných a nových zdrojov energie. Do roku 2000 predstavovala spotreba energie vo svete viac ako 18 miliárd ton ekvivalentu paliva. t. a spotreba energie do roku 2025 sa môže zvýšiť na 30 – 38 miliárd tce. t., podľa predpovedí je do roku 2050 možná spotreba 60 miliárd tce. m) Charakteristickou tendenciou vo vývoji svetovej ekonomiky v sledovanom období je systematické znižovanie spotreby fosílnych palív a tomu zodpovedajúce zvyšovanie využívania netradičných energetických zdrojov. Termálna energia Zem medzi nimi zaujíma jedno z prvých miest.

V súčasnosti Ministerstvo energetiky Ruskej federácie prijalo program rozvoja netradičnej energetiky zahŕňajúci 30 veľkých projektov využitia jednotiek tepelných čerpadiel (HPU), ktorých princíp je založený na spotrebe nízkych -potenciálna tepelná energia Zeme.

Nízkokvalitné zemné tepelné čerpadlá a tepelné čerpadlá

Zdrojmi nízkopotenciálnej energie zemského tepla sú slnečné žiarenie a tepelné žiarenie z vyhriatych útrob našej planéty. V súčasnosti je využívanie takejto energie jednou z najdynamickejšie sa rozvíjajúcich oblastí energetiky založenej na obnoviteľných zdrojoch energie.

Teplo zeme sa dá využiť v odlišné typy budovy a stavby na vykurovanie, zásobovanie teplou vodou, klimatizáciu (chladenie), ako aj na vykurovacie trasy v zimný čas rokov, zamedzenie námrazy, vyhrievanie ihrísk na otvorených štadiónoch a pod. V anglickej odbornej literatúre sa systémy využívajúce teplo Zeme v systémoch zásobovania teplom a klimatizácii označujú ako GHP - "geotermálne tepelné čerpadlá" ( geotermálne tepelné čerpadlá). Klimatické charakteristiky krajín strednej a severnej Európy, ktoré sú spolu s USA a Kanadou hlavnými regiónmi využívania nízkopotenciálneho tepla Zeme, to predurčujú najmä na vykurovacie účely; ochladzovanie vzduchu aj v lete je pomerne zriedkavé. Tepelné čerpadlá v európskych krajinách preto na rozdiel od USA pracujú prevažne vo vykurovacom režime. V Spojených štátoch sa častejšie používajú v systémoch ohrev vzduchu, v kombinácii s ventiláciou, ktorá umožňuje ohrievanie aj chladenie vonkajšieho vzduchu. V európskych krajinách sa tepelné čerpadlá bežne používajú v teplovodných vykurovacích systémoch. Keďže ich účinnosť stúpa so znižovaním teplotného rozdielu medzi výparníkom a kondenzátorom, systémy sa často používajú na vykurovanie budov. podlahové kúrenie, v ktorom chladivo cirkuluje pri relatívne nízkej teplote (35–40 o C).

Typy systémov na využitie nízkopotenciálnej energie zemského tepla

Vo všeobecnosti možno rozlíšiť dva typy systémov na využitie nízkopotenciálnej energie zemského tepla:

- otvorené systémy: podzemná voda dodávaná priamo do tepelných čerpadiel sa využíva ako zdroj nekvalitnej tepelnej energie;

- uzavreté systémy: výmenníky tepla sú umiestnené v pôde; keď cez ne cirkuluje chladivo s teplotou nižšou voči zemi, tepelná energia sa „odoberá“ zo zeme a prenáša sa do výparníka tepelného čerpadla (alebo pri použití chladiva so zvýšenou teplotou voči zemi sa chladí) .

Nevýhody otvorených systémov spočívajú v tom, že studne vyžadujú údržbu. Navyše použitie takýchto systémov nie je možné vo všetkých oblastiach. Hlavné požiadavky na pôdu a podzemnú vodu sú nasledovné:

- dostatočná vodná priepustnosť pôdy umožňujúca doplnenie zásob vody;

- dobre chemické zloženie hladina podzemnej vody (napr. nízky obsah železa), aby sa predišlo problémom spojeným s usadzovaním stien rúr a koróziou.

Uzavreté systémy na využitie nízkopotenciálnej energie zemského tepla

Uzavreté systémy sú horizontálne a vertikálne (obrázok 1).

Ryža. 1. Schéma inštalácie geotermálneho tepelného čerpadla s: a - horizontálnym

a b - vertikálne zemné výmenníky tepla.

Horizontálny zemný výmenník tepla

V krajinách západnej a strednej Európy sú horizontálne zemné výmenníky zvyčajne samostatné potrubia, uložené pomerne tesne a zapojené sériovo alebo paralelne (obr. 2).

Ryža. 2. Vodorovné zemné výmenníky tepla s: a - sériovými a

b - paralelné pripojenie.

Aby sa ušetrila plocha priestoru, kde sa teplo odvádza, boli vyvinuté vylepšené typy výmenníkov tepla, napríklad výmenníky tepla v tvare špirály (obr. 3), umiestnené horizontálne alebo vertikálne. Táto forma výmenníka tepla je bežná v Spojených štátoch.

2. Tepelný režim Zeme

Zem je chladné vesmírne teleso. Povrchová teplota závisí hlavne od vonkajšieho tepla. 95% tepla vrchnej vrstvy Zeme je externé (slnečná) teplá a iba 5% teplá interné , ktorý pochádza z útrob Zeme a zahŕňa viacero zdrojov energie. Vo vnútri Zeme sa teplota zvyšuje s hĺbkou od 1300 °C (v hornom plášti) po 3700 °C (v strede jadra).

Vonkajšie teplo... Teplo prichádza na povrch Zeme hlavne zo Slnka. Každý štvorcový centimeter povrchu dostane asi 2 kalórie tepla za jednu minútu. Toto množstvo sa nazýva slnečná konštanta a určuje celkové množstvo tepla dodaného na Zem zo Slnka. Za rok to predstavuje 2,26 · 10 21 kalórií. Hĺbka prieniku slnečného tepla do útrob Zeme závisí najmä od množstva tepla, ktoré dopadá na jednotku plochy, a od tepelnej vodivosti hornín. Maximálna hĺbka, do ktorej preniká vonkajšie teplo, je v oceánoch 200 m, na súši asi 40 m.

Vnútorné teplo... S hĺbkou dochádza k zvýšeniu teploty, ktorá sa na rôznych územiach vyskytuje veľmi nerovnomerne. Nárast teploty sa riadi adiabatickým zákonom a závisí od stlačenia látky pod tlakom, keď výmena tepla s okolím nie je možná.

Hlavné zdroje tepla vo vnútri Zeme:

Teplo uvoľnené pri rádioaktívnom rozpade prvkov.

Zvyškové teplo, zachované z čias vzniku Zeme.

Gravitačné teplo uvoľnené pri stláčaní Zeme a rozloženie hmoty z hľadiska hustoty.

Teplo vznikajúce chemickými reakciami prebiehajúcimi v hlbinách zemskej kôry.

Teplo uvoľnené slapovým trením Zeme.

Existujú 3 teplotné zóny:

ja - zóna s premenlivou teplotou ... Zmena teploty je určená miestnou klímou. Denné výkyvy sa prakticky zmierňujú v hĺbke asi 1,5 m a ročné výkyvy v hĺbkach 20 ... 30 m Iа - mraziaca zóna.

II - zóna konštantnej teploty nachádza sa v hĺbkach 15 ... 40 m, v závislosti od regiónu.

III - zóna zvýšenia teploty .

Teplotný režim hornín v útrobách zemskej kôry sa zvyčajne vyjadruje geotermálnym gradientom a geotermálnym krokom.

Veľkosť nárastu teploty na každých 100 m hĺbky sa nazýva geotermálny gradient... V Afrike, na poli Witwatersrand, je 1,5 ° C, v Japonsku (Echigo) - 2,9 ° C, v Južnej Austrálii - 10,9 ° C, v Kazachstane (Samarinda) - 6,3 ° C, na polostrove Kola - 0,65 ° C .

Ryža. 3. Pásma teplôt v zemskej kôre: I - pásmo premenlivých teplôt, Iа - pásmo mrazu; II - zóna konštantných teplôt; III - zóna nárastu teploty.

Hĺbka, v ktorej teplota stúpne o 1 stupeň, sa nazýva geotermálny krok.Číselné hodnoty geotermálneho kroku nie sú konštantné nielen v rôznych zemepisných šírkach, ale ani v rôznych hĺbkach toho istého bodu v regióne. Veľkosť geotermálneho kroku sa pohybuje od 1,5 do 250 m. V Archangeľsku je to 10 m, v Moskve - 38,4 ma v Pjatigorsku - 1,5 m. Teoreticky priemerná hodnota tohto kroku je 33 m.

V studni navŕtanej v Moskve do hĺbky 1630 m bola teplota dna 41 °C a v bani vyvŕtanej v Donbase do hĺbky 1545 m bola teplota 56,3 °C. Najvyššia teplota bola zaznamenaná v USA vo vrte s hĺbkou 7136 m, kde je rovných 224 °C. Nárast teploty s hĺbkou by sa mal brať do úvahy pri navrhovaní hlbokých štruktúr.Podľa výpočtov v hĺbke 400 km by teplota mala dosiahnuť 1400 ... 1700 ° C. Najvyššie teploty (asi 5000 °C) boli dosiahnuté pre jadro Zeme.