طاقة حرارة الأرض كمصدر للتدفئة. مبادلات حرارية أرضية مستعملة ومخططات إمداد حراري

الطاقة الحرارية الأرضية- هذه هي الطاقة الحرارية التي تنطلق من المناطق الداخلية للأرض على مدى مئات الملايين من السنين. وفقًا للدراسات الجيولوجية والجيوفيزيائية ، تصل درجة الحرارة في قلب الأرض إلى 3000-6000 درجة مئوية ، وتنخفض تدريجياً في الاتجاه من مركز الكوكب إلى سطحه. يشهد اندلاع آلاف البراكين ، وحركة كتل القشرة الأرضية ، والزلازل على تأثير الطاقة الداخلية القوية للأرض. يعتقد العلماء أن المجال الحراري لكوكبنا ناتج عن الاضمحلال الإشعاعي في أعماقها ، وكذلك الفصل الجاذبي للمادة الأساسية.
المصادر الرئيسية لتسخين أحشاء الكوكب هي اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم المشع. تحدث عمليات التحلل الإشعاعي في القارات بشكل رئيسي في الطبقة الجرانيتية من قشرة الأرض على عمق 20-30 كم أو أكثر ، في المحيطات - في الوشاح العلوي. من المفترض أنه في قاع قشرة الأرض على عمق 10-15 كم ، تكون قيمة درجة الحرارة المحتملة في القارات 600-800 درجة مئوية ، وفي المحيطات - 150-200 درجة مئوية.
يمكن لأي شخص استخدام الطاقة الحرارية الأرضية فقط عندما تتجلى بالقرب من سطح الأرض ، أي في مناطق النشاط البركاني والزلزالي. الآن يتم استخدام الطاقة الحرارية الأرضية بشكل فعال من قبل دول مثل الولايات المتحدة الأمريكية وإيطاليا وأيسلندا والمكسيك واليابان ونيوزيلندا وروسيا والفلبين والمجر والسلفادور. هنا ترتفع الحرارة الداخلية للأرض إلى السطح ذاته على شكل ماء ساخن وبخار بدرجة حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية وغالبًا ما تنفجر كحرارة من مصادر التدفق (السخانات) ، على سبيل المثال ، السخانات الشهيرة في حديقة يلوستون بالولايات المتحدة الأمريكية ، ينابيع المياه الحارة في كامتشاتكا ، أيسلندا.
مصادر الطاقة الحرارية الجوفيةينقسم إلى بخار ساخن جاف ، بخار ساخن رطب وماء ساخن. البئر ، الذي يعد مصدرًا مهمًا للطاقة للسكك الحديدية الكهربائية في إيطاليا (بالقرب من لارديريلو) ، يعمل بالبخار الساخن الجاف منذ عام 1904. هناك مكانان آخران مشهوران في العالم بهما بخار جاف ساخن هما حقل ماتسوكاوا في اليابان وحقل السخان بالقرب من سان فرانسيسكو ، حيث تم استخدام الطاقة الحرارية الأرضية أيضًا بشكل فعال لفترة طويلة. الأهم من ذلك كله في عالم البخار الساخن الرطب يقع في نيوزيلندا (Wairakei) ، الحقول الحرارية الأرضية ذات الطاقة الأقل قليلاً - في المكسيك ، اليابان ، السلفادور ، نيكاراغوا ، روسيا.
وبالتالي ، يمكن التمييز بين أربعة أنواع رئيسية من موارد الطاقة الحرارية الأرضية:
تستخدم الحرارة السطحية للأرض بواسطة المضخات الحرارية ؛
موارد الطاقة من البخار والماء الساخن والدافئ بالقرب من سطح الأرض ، والتي تستخدم الآن في إنتاج الطاقة الكهربائية ؛
تتركز الحرارة بعمق تحت سطح الأرض (ربما في حالة عدم وجود الماء) ؛
طاقة الصهارة والحرارة التي تتراكم تحت البراكين.

احتياطيات الحرارة الجوفية (~ 8 * 1030J) تبلغ 35 مليار ضعف الاستهلاك العالمي السنوي للطاقة. يمكن لـ 1٪ فقط من الطاقة الحرارية الأرضية لقشرة الأرض (عمق 10 كم) توفير كمية من الطاقة أكبر 500 مرة من جميع احتياطيات النفط والغاز في العالم. ومع ذلك ، لا يمكن استخدام اليوم سوى جزء صغير من هذه الموارد ، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى أسباب اقتصادية. تم وضع بداية التطوير الصناعي لموارد الطاقة الحرارية الأرضية (طاقة المياه العميقة الساخنة والبخار) في عام 1916 ، عندما تم تشغيل أول محطة للطاقة الحرارية الأرضية بسعة 7.5 ميجاوات في إيطاليا. على مدار الوقت الماضي ، تراكمت خبرة كبيرة في مجال التطوير العملي لموارد الطاقة الحرارية الأرضية. إجمالي السعة المركبة لتشغيل محطات الطاقة الحرارية الأرضية (GeoTPP) كانت: 1975 - 1،278 ميجاوات ، في 1990 - 7،300 ميجاوات. حققت الولايات المتحدة والفلبين والمكسيك وإيطاليا واليابان أكبر تقدم في هذا الشأن.
تختلف المعلمات التقنية والاقتصادية لـ GeoTPP على نطاق واسع إلى حد ما وتعتمد على الخصائص الجيولوجية للمنطقة (عمق التواجد ، معلمات مائع العمل ، تكوينه ، إلخ). بالنسبة لغالبية GeoTPPs المفوضة ، فإن تكلفة الكهرباء مماثلة لتكلفة الكهرباء المنتجة في محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية التي تعمل بالفحم ، وتبلغ 1200 ... 2000 دولار أمريكي / ميجاوات.
في أيسلندا ، يتم تسخين 80٪ من المباني السكنية بالمياه الساخنة المستخرجة من الآبار الجوفية تحت مدينة ريكيافيك. في غرب الولايات المتحدة ، يتم تسخين حوالي 180 منزلًا ومزرعة بواسطة المياه الساخنة الجوفية. وفقًا للخبراء ، بين عامي 1993 و 2000 ، تضاعف توليد الكهرباء العالمية من الطاقة الحرارية الأرضية بأكثر من الضعف. هناك الكثير من احتياطيات الحرارة الجوفية في الولايات المتحدة بحيث يمكنها نظريًا أن توفر 30 ضعفًا من الطاقة التي تستهلكها الولاية حاليًا.
في المستقبل ، من الممكن استخدام حرارة الصهارة في تلك المناطق التي تقع فيها بالقرب من سطح الأرض ، وكذلك الحرارة الجافة للصخور البلورية الساخنة. في الحالة الأخيرة ، يتم حفر الآبار لعدة كيلومترات ، ويتم ضخ الماء البارد للأسفل ، وإعادة الماء الساخن.

في بلدنا ، الغني بالهيدروكربونات ، تعد الطاقة الحرارية الأرضية نوعًا من الموارد الغريبة التي ، في ظل الوضع الحالي ، من غير المرجح أن تنافس النفط والغاز. ومع ذلك ، يمكن استخدام هذا الشكل البديل للطاقة في كل مكان تقريبًا وبكفاءة عالية.

الطاقة الحرارية الأرضية هي حرارة باطن الأرض. يتم إنتاجه في الأعماق ويصل إلى سطح الأرض بأشكال مختلفة وبكثافة مختلفة.

تعتمد درجة حرارة الطبقات العليا من التربة بشكل أساسي على عوامل خارجية (خارجية) - ضوء الشمس ودرجة حرارة الهواء. في الصيف وأثناء النهار ، ترتفع درجة حرارة التربة إلى أعماق معينة ، وفي الشتاء والليل تنخفض درجة حرارتها بعد تغير درجة حرارة الهواء ، ومع بعض التأخير ، تزداد مع العمق. ينتهي تأثير التقلبات اليومية في درجة حرارة الهواء على أعماق تتراوح بين بضع عشرات إلى عدة عشرات من السنتيمترات. تلتقط التقلبات الموسمية طبقات أعمق من التربة - تصل إلى عشرات الأمتار.

على عمق معين - من عشرات إلى مئات الأمتار - تظل درجة حرارة التربة ثابتة ، مساوية لمتوسط ​​درجة حرارة الهواء السنوية بالقرب من سطح الأرض. من السهل التحقق من ذلك من خلال النزول إلى كهف عميق إلى حد ما.

عندما يكون متوسط ​​درجة حرارة الهواء السنوية في منطقة معينة أقل من الصفر ، فإن هذا يتجلى على أنه التربة الصقيعية (بتعبير أدق ، التربة الصقيعية). في شرق سيبيريا ، يصل سمك التربة المتجمدة على مدار العام إلى 200-300 متر في بعض الأماكن.

من عمق معين (خاص به لكل نقطة على الخريطة) ، يضعف تأثير الشمس والغلاف الجوي لدرجة أن العوامل الداخلية (الداخلية) تأتي أولاً ويتم تسخين باطن الأرض من الداخل ، بحيث تبدأ درجة الحرارة في ترتفع مع العمق.

يرتبط تسخين الطبقات العميقة للأرض بشكل أساسي بتفكك العناصر المشعة الموجودة هناك ، على الرغم من تسمية مصادر الحرارة الأخرى أيضًا ، على سبيل المثال ، العمليات الفيزيائية والكيميائية والتكتونية في الطبقات العميقة من قشرة الأرض وغطاءها. ولكن مهما كان السبب ، فإن درجة حرارة الصخور والمواد السائلة والغازية المرتبطة بها تزداد مع العمق. يواجه عمال المناجم هذه الظاهرة - دائمًا ما يكون الجو حارًا في المناجم العميقة. على عمق كيلومتر واحد ، تكون حرارة ثلاثين درجة طبيعية ، وتكون درجة الحرارة أعمق أعلى.

تدفق الحرارة من باطن الأرض ، الذي يصل إلى سطح الأرض ، صغير - في المتوسط ​​، قوتها هي 0.03-0.05 واط / م 2 ، أو حوالي 350 واط / م 2 سنويًا. على خلفية تدفق الحرارة من الشمس والهواء المسخن بواسطتها ، فهذه قيمة غير محسوسة: تعطي الشمس لكل متر مربع من سطح الأرض حوالي 4000 كيلو وات في الساعة سنويًا ، أي 10000 مرة أكثر (بالطبع ، هذا هو في المتوسط ​​، مع انتشار كبير بين خطوط العرض القطبية والاستوائية واعتمادًا على العوامل المناخية والطقس الأخرى).

يرتبط عدم أهمية تدفق الحرارة من الأعماق إلى السطح في معظم أنحاء الكوكب بالتوصيل الحراري المنخفض للصخور وخصائص التركيب الجيولوجي. ولكن هناك استثناءات - الأماكن التي يكون فيها تدفق الحرارة مرتفعًا. هذه ، أولاً وقبل كل شيء ، مناطق الصدوع التكتونية والنشاط الزلزالي المتزايد والبراكين ، حيث تجد طاقة باطن الأرض مخرجًا. تتميز هذه المناطق بالشذوذ الحراري للغلاف الصخري ، وهنا يمكن أن يكون تدفق الحرارة الذي يصل إلى سطح الأرض مرات عديدة وحتى بأحجام أكبر من المستوى "المعتاد". يتم جلب كمية هائلة من الحرارة إلى السطح في هذه المناطق عن طريق الانفجارات البركانية وينابيع المياه الساخنة.

هذه هي المناطق الأكثر ملاءمة لتطوير الطاقة الحرارية الأرضية. على أراضي روسيا ، هذه ، أولاً وقبل كل شيء ، كامتشاتكا وجزر الكوريل والقوقاز.

في الوقت نفسه ، يمكن تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في كل مكان تقريبًا ، نظرًا لأن الزيادة في درجة الحرارة مع العمق ظاهرة منتشرة في كل مكان ، والمهمة هي "استخراج" الحرارة من الأمعاء ، تمامًا كما يتم استخراج المواد الخام المعدنية من هناك.

في المتوسط ​​، تزداد درجة الحرارة مع العمق بمقدار 2.5 - 3 درجات مئوية لكل 100 متر ، وتسمى نسبة اختلاف درجات الحرارة بين نقطتين تقعان على أعماق مختلفة إلى اختلاف العمق بينهما بالتدرج الحراري الأرضي.

المقلوب هو الخطوة الحرارية الأرضية ، أو فترة العمق التي ترتفع فيها درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية.

كلما ارتفع التدرج ، وبالتالي ، كلما كانت الخطوة أقل ، كلما اقتربت حرارة أعماق الأرض من السطح وكلما كانت هذه المنطقة واعدة لتطوير الطاقة الحرارية الأرضية.

في مناطق مختلفة ، اعتمادًا على التركيب الجيولوجي والظروف الإقليمية والمحلية الأخرى ، يمكن أن يختلف معدل زيادة درجة الحرارة مع العمق بشكل كبير. على مقياس الأرض ، تصل التقلبات في قيم التدرجات والخطوات الحرارية الأرضية إلى 25 مرة. على سبيل المثال ، في ولاية أوريغون (الولايات المتحدة الأمريكية) يكون التدرج 150 درجة مئوية لكل كيلومتر واحد ، وفي جنوب إفريقيا يبلغ 6 درجات مئوية لكل كيلومتر واحد.

السؤال هو ، ما هي درجة الحرارة على أعماق كبيرة - 5 ، 10 كم أو أكثر؟ إذا استمر الاتجاه ، يجب أن يكون متوسط ​​درجات الحرارة على عمق 10 كم حوالي 250-300 درجة مئوية. يتم تأكيد هذا بشكل أو بآخر من خلال الملاحظات المباشرة في الآبار فائقة العمق ، على الرغم من أن الصورة أكثر تعقيدًا من الزيادة الخطية في درجة الحرارة.

على سبيل المثال ، في بئر Kola الفائقة العميقة التي تم حفرها في درع البلطيق البلوري ، تتغير درجة الحرارة بمعدل 10 درجات مئوية / 1 كم إلى عمق 3 كم ، ثم يصبح التدرج الحراري الأرضي أكبر بمقدار 2 - 2.5 مرة. على عمق 7 كم ، تم بالفعل تسجيل درجة حرارة 120 درجة مئوية ، عند 10 كم - 180 درجة مئوية ، وعلى 12 كم - 220 درجة مئوية.

مثال آخر هو وضع جيد في شمال بحر قزوين ، حيث تم تسجيل درجة حرارة 42 درجة مئوية على عمق 500 متر ، عند 1.5 كم - 70 درجة مئوية ، عند 2 كم - 80 درجة مئوية ، عند 3 كم - 108 درجة مئوية.

يُفترض أن التدرج الجيوحراري ينخفض ​​بدءًا من عمق 20-30 كم: على عمق 100 كم ، تتراوح درجات الحرارة المقدرة بين 1300 و 1500 درجة مئوية ، على عمق 400 كم - 1600 درجة مئوية ، في كوكب الأرض. لب (أعماق تزيد عن 6000 كم) - 4000-5000 درجة مئوية.

في أعماق تصل إلى 10-12 كم ، تقاس درجة الحرارة من خلال الآبار المحفورة. حيث لا توجد ، يتم تحديدها من خلال علامات غير مباشرة بنفس الطريقة كما هو الحال في الأعماق الأكبر. قد تكون هذه العلامات غير المباشرة هي طبيعة مرور الموجات الزلزالية أو درجة حرارة الحمم البركانية.

ومع ذلك ، لأغراض الطاقة الحرارية الأرضية ، فإن البيانات الخاصة بدرجات الحرارة على أعماق تزيد عن 10 كيلومترات ليست ذات أهمية عملية حتى الآن.

يوجد الكثير من الحرارة على أعماق عدة كيلومترات ، لكن كيف نرفعها؟ في بعض الأحيان تحل الطبيعة نفسها هذه المشكلة بالنسبة لنا بمساعدة المبرد الطبيعي - المياه الحرارية الساخنة التي تأتي إلى السطح أو تقع على عمق في متناولنا. في بعض الحالات ، يتم تسخين الماء في الأعماق إلى حالة البخار.

لا يوجد تعريف دقيق لمفهوم "المياه الحرارية". كقاعدة عامة ، تعني المياه الجوفية الساخنة في حالة سائلة أو في شكل بخار ، بما في ذلك تلك التي تأتي إلى سطح الأرض بدرجة حرارة أعلى من 20 درجة مئوية ، أي أعلى من درجة حرارة الهواء.

تعتبر حرارة المياه الجوفية والبخار ومخاليط الماء والبخار طاقة حرارية مائية. وفقًا لذلك ، تسمى الطاقة القائمة على استخدامها الحرارية المائية.

الوضع أكثر تعقيدًا مع إنتاج الحرارة مباشرة من الصخور الجافة - الطاقة الحرارية البترولية ، خاصة وأن درجات الحرارة المرتفعة بدرجة كافية ، كقاعدة عامة ، تبدأ من أعماق عدة كيلومترات.

على أراضي روسيا ، فإن إمكانات الطاقة الحرارية البترولية أعلى بمئة مرة من الطاقة الحرارية المائية - 3500 و 35 تريليون طن من الوقود القياسي ، على التوالي. هذا طبيعي تمامًا - دفء أعماق الأرض موجود في كل مكان ، والمياه الحرارية موجودة محليًا. ومع ذلك ، وبسبب الصعوبات التقنية الواضحة ، فإن معظم المياه الحرارية تستخدم حاليًا لتوليد الحرارة والكهرباء.

درجات حرارة المياه من 20-30 إلى 100 درجة مئوية مناسبة للتدفئة ، ودرجات الحرارة من 150 درجة مئوية وما فوق - ولتوليد الكهرباء في محطات الطاقة الحرارية الأرضية.

بشكل عام ، الموارد الحرارية الأرضية على أراضي روسيا ، من حيث أطنان الوقود المرجعي أو أي وحدة أخرى لقياس الطاقة ، أعلى بحوالي 10 مرات من احتياطيات الوقود الأحفوري.

من الناحية النظرية ، يمكن للطاقة الحرارية الأرضية فقط تلبية احتياجات الطاقة في البلاد بشكل كامل. من الناحية العملية ، في الوقت الحالي ، في معظم أراضيها ، هذا غير ممكن لأسباب فنية واقتصادية.

في العالم ، غالبًا ما يرتبط استخدام الطاقة الحرارية الأرضية بأيسلندا - بلد يقع في الطرف الشمالي من سلسلة جبال وسط المحيط الأطلسي ، في منطقة تكتونية وبركانية نشطة للغاية. ربما يتذكر الجميع الانفجار القوي لبركان Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajokull) في 2010.

بفضل هذه الخصوصية الجيولوجية ، تمتلك آيسلندا احتياطيات هائلة من الطاقة الحرارية الأرضية ، بما في ذلك الينابيع الساخنة التي تأتي على سطح الأرض وحتى تتدفق في شكل ينابيع المياه الحارة.

في آيسلندا ، يتم أخذ أكثر من 60٪ من إجمالي الطاقة المستهلكة حاليًا من الأرض. بما في ذلك بسبب مصادر الطاقة الحرارية الأرضية ، يتم توفير 90٪ من التدفئة و 30٪ من توليد الكهرباء. نضيف أن باقي الكهرباء في البلاد يتم إنتاجها بواسطة محطات الطاقة الكهرومائية ، أي أيضًا باستخدام مصدر طاقة متجددة ، وبفضل ذلك تبدو أيسلندا وكأنها نوع من المعايير البيئية العالمية.

ساعد "ترويض" الطاقة الحرارية الأرضية في القرن العشرين آيسلندا اقتصاديًا بشكل كبير. حتى منتصف القرن الماضي ، كانت دولة فقيرة جدًا ، وهي الآن تحتل المرتبة الأولى في العالم من حيث القدرة المركبة وإنتاج الطاقة الحرارية الأرضية للفرد ، وهي من بين العشرة الأوائل من حيث القدرة المطلقة المركبة للطاقة الحرارية الأرضية النباتات. ومع ذلك ، يبلغ عدد سكانها 300 ألف نسمة فقط ، مما يبسط مهمة التحول إلى مصادر الطاقة الصديقة للبيئة: فالحاجة إليها صغيرة بشكل عام.

بالإضافة إلى أيسلندا ، يتم توفير حصة عالية من الطاقة الحرارية الأرضية في إجمالي رصيد إنتاج الكهرباء في نيوزيلندا والدول الجزرية في جنوب شرق آسيا (الفلبين وإندونيسيا) ، وبلدان أمريكا الوسطى وشرق إفريقيا ، والتي تتميز أراضيها أيضًا عن طريق النشاط الزلزالي والبركاني العالي. بالنسبة لهذه البلدان ، في مستواها الحالي من التنمية والاحتياجات ، تساهم الطاقة الحرارية الأرضية بشكل كبير في التنمية الاجتماعية والاقتصادية.

استخدام الطاقة الحرارية الأرضية له تاريخ طويل جدًا. من أوائل الأمثلة المعروفة إيطاليا ، مكان في مقاطعة توسكانا ، يسمى الآن لارديريللو ، حيث ، في وقت مبكر من بداية القرن التاسع عشر ، تم استخدام المياه الحرارية المحلية الساخنة ، المتدفقة بشكل طبيعي أو المستخرجة من الآبار الضحلة ، من أجل الطاقة المقاصد.

تم هنا استخدام المياه من المصادر الجوفية الغنية بالبورون للحصول على حمض البوريك. في البداية ، تم الحصول على هذا الحمض عن طريق التبخر في غلايات الحديد ، وتم أخذ الحطب العادي كوقود من الغابات المجاورة ، ولكن في عام 1827 أنشأ فرانشيسكو لارديريل نظامًا يعمل على حرارة المياه نفسها. في الوقت نفسه ، بدأ استخدام طاقة بخار الماء الطبيعي لتشغيل منصات الحفر ، وفي بداية القرن العشرين ، لتدفئة البيوت المحلية والصوبات الزراعية. في نفس المكان ، في Larderello ، في عام 1904 ، أصبح بخار الماء الحراري مصدرًا للطاقة لتوليد الكهرباء.

اتبعت بعض الدول الأخرى نموذج إيطاليا في نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين. على سبيل المثال ، في عام 1892 ، تم استخدام المياه الحرارية لأول مرة للتدفئة المحلية في الولايات المتحدة (بويز ، أيداهو) ، في عام 1919 - في اليابان ، في عام 1928 - في أيسلندا.

في الولايات المتحدة ، ظهرت أول محطة للطاقة الحرارية المائية في كاليفورنيا في أوائل الثلاثينيات ، في نيوزيلندا - في عام 1958 ، في المكسيك - في عام 1959 ، في روسيا (أول ثنائي GeoPP في العالم) - في عام 1965.

مبدأ قديم في مصدر جديد

يتطلب توليد الكهرباء درجة حرارة مصدر مياه أعلى من التدفئة ، أكثر من 150 درجة مئوية. يشبه مبدأ تشغيل محطة الطاقة الحرارية الأرضية (GeoES) مبدأ تشغيل محطة الطاقة الحرارية التقليدية (TPP). في الواقع ، محطة الطاقة الحرارية الأرضية هي نوع من محطات الطاقة الحرارية.

في محطات الطاقة الحرارية ، كقاعدة عامة ، يعمل الفحم أو الغاز أو زيت الوقود كمصدر أساسي للطاقة ، ويعمل بخار الماء كسائل عامل. يقوم الوقود ، المحترق ، بتسخين المياه إلى حالة البخار ، والتي تقوم بتدوير التوربينات البخارية ، وتوليد الكهرباء.

الفرق بين GeoPP هو أن المصدر الأساسي للطاقة هنا هو حرارة باطن الأرض ويدخل مائع العمل على شكل بخار إلى شفرات التوربينات للمولد الكهربائي في شكل "جاهز" مباشرة من بئر الإنتاج.

هناك ثلاث مخططات رئيسية لتشغيل GeoPP: المباشر ، باستخدام البخار الجاف (الحراري الأرضي) ؛ غير مباشر ، يعتمد على المياه الحرارية المائية ، والمختلط ، أو الثنائي.

يعتمد استخدام نظام أو آخر على حالة التجميع ودرجة حرارة حامل الطاقة.

أبسط ، وبالتالي فإن أول المخططات المتقنة هو المخطط المباشر ، حيث يتم تمرير البخار القادم من البئر مباشرة عبر التوربين. تم تشغيل أول GeoPP في العالم في Larderello في عام 1904 أيضًا على البخار الجاف.

تعد GeoPPs ذات مخطط التشغيل غير المباشر هي الأكثر شيوعًا في عصرنا. يستخدمون المياه الجوفية الساخنة ، والتي يتم ضخها تحت ضغط عالٍ إلى المبخر ، حيث يتم تبخير جزء منها ، ويقوم البخار الناتج بتدوير التوربينات. في بعض الحالات ، يلزم وجود أجهزة ودوائر إضافية لتنقية المياه الجوفية والبخار من المركبات العدوانية.

يدخل بخار العادم إلى بئر الحقن أو يستخدم لتدفئة المكان - في هذه الحالة ، يكون المبدأ هو نفسه أثناء تشغيل CHP.

في GeoPPs الثنائية ، يتفاعل الماء الحراري الساخن مع سائل آخر يعمل كسائل عامل مع نقطة غليان منخفضة. يتم تمرير كلا السائلين من خلال مبادل حراري ، حيث يتبخر الماء الحراري السائل العامل ، حيث تقوم أبخرة بتدوير التوربين.

مبدأ تشغيل ثنائي GeoPP. يتفاعل الماء الحراري الساخن مع سائل آخر يعمل كسائل عامل وله نقطة غليان أقل. يتم تمرير كلا السائلين من خلال مبادل حراري ، حيث يتبخر الماء الحراري السائل العامل ، حيث تقوم أبخرة بدورها بتدوير التوربين.

هذا النظام مغلق مما يحل مشكلة الانبعاثات في الغلاف الجوي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن سوائل العمل ذات نقطة الغليان المنخفضة نسبيًا تجعل من الممكن استخدام المياه الحرارية غير شديدة السخونة كمصدر أساسي للطاقة.

تستخدم جميع المخططات الثلاثة مصدرًا مائيًا حراريًا ، ولكن يمكن أيضًا استخدام الطاقة الحرارية البترولية لتوليد الكهرباء.

مخطط الدائرة في هذه الحالة بسيط للغاية أيضًا. من الضروري حفر بئرين متصلين - الحقن والإنتاج. يتم ضخ الماء في بئر الحقن. في العمق ، يتم تسخينه ، ثم يتم توفير الماء الساخن أو البخار المتكون نتيجة للتسخين القوي إلى السطح من خلال بئر إنتاج. علاوة على ذلك ، كل هذا يتوقف على كيفية استخدام الطاقة الحرارية البترولية - للتدفئة أو لإنتاج الكهرباء. يمكن إجراء دورة مغلقة مع ضخ بخار العادم والماء مرة أخرى في بئر الحقن أو طريقة أخرى للتخلص.

مخطط النظام الحراري الصخري. يعتمد النظام على استخدام تدرج درجة الحرارة بين سطح الأرض وداخلها ، حيث تكون درجة الحرارة أعلى. يتم ضخ الماء من السطح إلى بئر الحقن وتسخينه في العمق ، ثم يتم إمداد السطح بالماء الساخن أو البخار المتكون نتيجة التسخين إلى السطح من خلال بئر الإنتاج.

عيب مثل هذا النظام واضح: من أجل الحصول على درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية لسائل العمل ، من الضروري حفر الآبار بعمق كبير. وهذه تكلفة خطيرة وخطر فقدان الحرارة بشكل كبير عندما يتحرك السائل لأعلى. لذلك ، لا تزال الأنظمة الحرارية البترولية أقل شيوعًا من الأنظمة الحرارية المائية ، على الرغم من أن إمكانات الطاقة الحرارية البترولية أعلى من حيث الحجم.

حاليًا ، تعد أستراليا هي الرائدة في إنشاء ما يسمى بأنظمة التدوير الحرارية البترولية (PCS). بالإضافة إلى ذلك ، يتطور هذا الاتجاه للطاقة الحرارية الأرضية بنشاط في الولايات المتحدة الأمريكية وسويسرا وبريطانيا العظمى واليابان.

هدية من اللورد كلفن

قدم اختراع المضخة الحرارية في عام 1852 من قبل الفيزيائي ويليام طومسون (المعروف أيضًا باسم اللورد كلفن) للبشرية فرصة حقيقية لاستخدام الحرارة المنخفضة الدرجة للطبقات العليا من التربة. يعتمد نظام المضخة الحرارية ، أو المضاعف الحراري كما أسماه طومسون ، على العملية الفيزيائية لنقل الحرارة من البيئة إلى المبرد. في الواقع ، يستخدم نفس المبدأ كما هو الحال في الأنظمة الحرارية البترولية. يكمن الاختلاف في مصدر الحرارة ، فيما يتعلق بظهور سؤال اصطلاحي: إلى أي مدى يمكن اعتبار المضخة الحرارية نظامًا للطاقة الحرارية الأرضية؟ الحقيقة هي أنه في الطبقات العليا ، حتى أعماق تصل إلى عشرات أو مئات الأمتار ، لا يتم تسخين الصخور والسوائل الموجودة فيها بسبب حرارة الأرض العميقة ، ولكن بواسطة الشمس. وبالتالي ، فإن الشمس في هذه الحالة هي المصدر الأساسي للحرارة ، على الرغم من أنها مأخوذة من الأرض ، كما هو الحال في أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية.

يعتمد تشغيل المضخة الحرارية على التأخير في تسخين وتبريد التربة مقارنة بالجو الجوي ، ونتيجة لذلك يتشكل تدرج في درجة الحرارة بين السطح والطبقات العميقة ، والتي تحتفظ بالحرارة حتى في فصل الشتاء ، على غرار كيف يحدث ذلك في الخزانات. الغرض الرئيسي من المضخات الحرارية هو تدفئة المكان. في الواقع ، إنها "ثلاجة في الاتجاه المعاكس". تتفاعل كل من المضخة الحرارية والثلاجة مع ثلاثة مكونات: البيئة الداخلية (في الحالة الأولى - غرفة مُدفأة ، في الحالة الثانية - حجرة ثلاجة مبردة) ، البيئة الخارجية - مصدر طاقة ومبرد (مادة تبريد) ، والتي هو أيضًا سائل تبريد يوفر نقل الحرارة أو البرودة.

تعمل المادة ذات نقطة الغليان المنخفضة كمبرد ، مما يسمح لها بأخذ الحرارة من مصدر لديه درجة حرارة منخفضة نسبيًا.

في الثلاجة ، يدخل المبرد السائل إلى المبخر من خلال دواسة الوقود (منظم الضغط) ، حيث يتبخر السائل بسبب الانخفاض الحاد في الضغط. التبخر هو عملية ماصة للحرارة تتطلب امتصاص الحرارة من الخارج. نتيجة لذلك ، يتم أخذ الحرارة من الجدران الداخلية للمبخر ، مما يوفر تأثير التبريد في حجرة الثلاجة. بعيدًا عن المبخر ، يُمتص المبرد في الضاغط ، حيث يعود إلى الحالة السائلة للتجميع. هذه هي العملية العكسية ، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة المأخوذة في البيئة الخارجية. كقاعدة عامة ، يتم إلقاؤها في الغرفة ، والجدار الخلفي للثلاجة دافئ نسبيًا.

تعمل المضخة الحرارية بنفس الطريقة تقريبًا ، مع اختلاف أن الحرارة مأخوذة من البيئة الخارجية وتدخل البيئة الداخلية من خلال المبخر - نظام تدفئة الغرفة.

في المضخة الحرارية الحقيقية ، يتم تسخين الماء ، ويمر عبر دائرة خارجية موضوعة في الأرض أو الخزان ، ثم يدخل المبخر.

في المبخر ، يتم نقل الحرارة إلى دائرة داخلية مملوءة بمادة تبريد ذات نقطة غليان منخفضة ، والتي تمر عبر المبخر ، وتتغير من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية ، مع أخذ الحرارة.

علاوة على ذلك ، يدخل المبرد الغازي إلى الضاغط ، حيث يتم ضغطه إلى ضغط مرتفع ودرجة حرارة ، ويدخل إلى المكثف ، حيث يحدث التبادل الحراري بين الغاز الساخن والناقل الحراري من نظام التدفئة.

يتطلب الضاغط طاقة كهربائية ليعمل ، ومع ذلك ، فإن نسبة التحول (نسبة الطاقة المستهلكة والمنتجة) في الأنظمة الحديثة عالية بما يكفي لضمان كفاءتها.

حاليًا ، تستخدم المضخات الحرارية على نطاق واسع لتدفئة الأماكن ، خاصة في البلدان المتقدمة اقتصاديًا.

طاقة صديقة للبيئة

تعتبر الطاقة الحرارية الجوفية صديقة للبيئة ، وهذا صحيح بشكل عام. بادئ ذي بدء ، يستخدم موردًا متجددًا ولا ينضب عمليًا. لا تتطلب الطاقة الحرارية الأرضية مساحات كبيرة ، على عكس محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة أو مزارع الرياح ، ولا تلوث الغلاف الجوي ، على عكس الطاقة الهيدروكربونية. في المتوسط ​​، تشغل GeoPP 400 م 2 من حيث 1 جيجاوات من الكهرباء المولدة. نفس الرقم لمحطة الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم ، على سبيل المثال ، هو 3600 م 2. تشمل الفوائد البيئية لـ GeoPPs أيضًا استهلاكًا منخفضًا للمياه - 20 لترًا من المياه العذبة لكل 1 كيلو وات ، بينما تتطلب محطات الطاقة الحرارية ومحطات الطاقة النووية حوالي 1000 لتر. لاحظ أن هذه هي المؤشرات البيئية لـ GeoPP "المتوسط".

لكن لا تزال هناك آثار جانبية سلبية. من بينها ، غالبًا ما يتم تمييز الضوضاء والتلوث الحراري للغلاف الجوي والتلوث الكيميائي للمياه والتربة ، فضلاً عن تكوين النفايات الصلبة.

المصدر الرئيسي للتلوث الكيميائي للبيئة هو المياه الحرارية نفسها (ذات درجة الحرارة المرتفعة والملوحة) ، والتي غالبًا ما تحتوي على كميات كبيرة من المركبات السامة ، وبالتالي هناك مشكلة مياه الصرف الصحي والتخلص من المواد الخطرة.

يمكن تتبع الآثار السلبية للطاقة الحرارية الأرضية على عدة مراحل ، بدءًا من حفر الآبار. وهنا تظهر نفس المخاطر التي تحدث عند حفر أي بئر: تدمير التربة والغطاء النباتي ، وتلوث التربة والمياه الجوفية.

في مرحلة تشغيل GeoPP ، لا تزال مشاكل التلوث البيئي قائمة. السوائل الحرارية - الماء والبخار - تحتوي عادةً على ثاني أكسيد الكربون (CO 2) ، كبريتيد الكبريت (H 2S) ، الأمونيا (NH 3) ، الميثان (CH 4) ، الملح الشائع (NaCl) ، البورون (B) ، الزرنيخ (As ) والزئبق (زئبق). عندما يتم إطلاقها في البيئة ، فإنها تصبح مصادر للتلوث. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تتسبب البيئة الكيميائية العدوانية في حدوث أضرار تآكل لهياكل GeoTPP.

في الوقت نفسه ، تكون انبعاثات الملوثات في GeoPPs في المتوسط ​​أقل من تلك الموجودة في TPPs. على سبيل المثال ، انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط / ساعة من الكهرباء المولدة تصل إلى 380 جم في GeoPPs ، و 1042 جم في محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم ، و 906 جم في زيت الوقود و 453 جم في محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالغاز.

السؤال الذي يطرح نفسه: ماذا تفعل مع مياه الصرف الصحي؟ مع الملوحة المنخفضة ، بعد التبريد ، يمكن تصريفها في المياه السطحية. والطريقة الأخرى هي ضخها مرة أخرى في الخزان الجوفي من خلال بئر الحقن ، وهي الممارسة المفضلة والسائدة في الوقت الحاضر.

يمكن أن يتسبب استخراج المياه الحرارية من طبقات المياه الجوفية (وكذلك ضخ المياه العادية) في حدوث هبوط وحركات أرضية ، وتشوهات أخرى للطبقات الجيولوجية ، وزلازل صغيرة. عادة ما يكون احتمال حدوث مثل هذه الظواهر منخفضًا ، على الرغم من تسجيل حالات فردية (على سبيل المثال ، في GeoPP في Staufen im Breisgau في ألمانيا).

يجب التأكيد على أن معظم المناطق الجغرافية الجغرافية تقع في مناطق ذات كثافة سكانية منخفضة نسبيًا وفي بلدان العالم الثالث ، حيث تكون المتطلبات البيئية أقل صرامة مما هي عليه في البلدان المتقدمة. بالإضافة إلى ذلك ، في الوقت الحالي ، عدد GeoPP وقدراتها صغير نسبيًا. مع زيادة تطوير الطاقة الحرارية الأرضية ، يمكن أن تزيد المخاطر البيئية وتتضاعف.

كم هي طاقة الأرض؟

تختلف تكاليف الاستثمار لبناء أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية في نطاق واسع جدًا - من 200 إلى 5000 دولار لكل 1 كيلو وات من السعة المركبة ، أي أن أرخص الخيارات يمكن مقارنتها بتكلفة بناء محطة طاقة حرارية. إنها تعتمد ، أولاً وقبل كل شيء ، على ظروف حدوث المياه الحرارية وتكوينها وتصميم النظام. الحفر لأعماق كبيرة ، وإنشاء نظام مغلق ببئرين ، فإن الحاجة إلى معالجة المياه يمكن أن تضاعف التكلفة.

على سبيل المثال ، تقدر الاستثمارات في إنشاء نظام دوران حراري (PTS) بـ 1.6-4 آلاف دولار لكل 1 كيلوواط من السعة المركبة ، وهو ما يتجاوز تكاليف بناء محطة للطاقة النووية ويمكن مقارنته بتكاليف بناء طاقة الرياح و محطات الطاقة الشمسية.

الميزة الاقتصادية الواضحة لـ GeoTPP هي ناقل طاقة مجاني. للمقارنة ، في هيكل تكلفة محطة الطاقة الحرارية العاملة أو محطة الطاقة النووية ، يمثل الوقود 50-80٪ أو أكثر ، اعتمادًا على أسعار الطاقة الحالية. ومن ثم ، هناك ميزة أخرى لنظام الطاقة الحرارية الأرضية: تكاليف التشغيل أكثر استقرارًا ويمكن التنبؤ بها ، لأنها لا تعتمد على الظروف الخارجية لأسعار الطاقة. بشكل عام ، تقدر تكاليف تشغيل GeoTPP بـ 2-10 سنتات (60 كوبيل -3 روبل) لكل 1 كيلو وات ساعة من السعة المولدة.

ثاني أكبر عنصر إنفاق (وهام للغاية) بعد شركة الطاقة هو ، كقاعدة عامة ، راتب موظفي المحطة ، والذي يمكن أن يختلف بشكل كبير حسب البلد والمنطقة.

في المتوسط ​​، تكلفة 1 كيلوواط ساعة من الطاقة الحرارية الأرضية يمكن مقارنتها بتكلفة محطات الطاقة الحرارية (في الظروف الروسية - حوالي 1 روبل / 1 كيلو واط في الساعة) وأعلى بعشر مرات من تكلفة توليد الكهرباء في محطات الطاقة الكهرومائية (5-10 كوبيل) / 1 كيلو واط ساعة).

جزء من سبب التكلفة العالية هو أنه ، على عكس محطات الطاقة الحرارية والهيدروليكية ، فإن GeoTPP لديها سعة صغيرة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري مقارنة الأنظمة الموجودة في نفس المنطقة وفي ظروف مماثلة. لذلك ، على سبيل المثال ، في كامتشاتكا ، وفقًا للخبراء ، تكلف 1 كيلو وات في الساعة من الكهرباء الحرارية الأرضية 2-3 مرات أرخص من الكهرباء المنتجة في محطات الطاقة الحرارية المحلية.

تعتمد مؤشرات الكفاءة الاقتصادية لنظام الطاقة الحرارية الأرضية ، على سبيل المثال ، على ما إذا كان من الضروري التخلص من مياه الصرف الصحي وكيف يتم ذلك ، وما إذا كان الاستخدام المشترك للمورد ممكنًا. وبالتالي ، يمكن أن توفر العناصر والمركبات الكيميائية المستخرجة من المياه الحرارية دخلًا إضافيًا. تذكر مثال Larderello: كان الإنتاج الكيميائي هو العنصر الأساسي هناك ، وكان استخدام الطاقة الحرارية الأرضية في البداية ذا طبيعة مساعدة.

مهاجمو الطاقة الحرارية الجوفية

تتطور الطاقة الحرارية الأرضية بشكل مختلف نوعًا ما عن طاقة الرياح والطاقة الشمسية. في الوقت الحاضر ، يعتمد إلى حد كبير على طبيعة المورد نفسه ، والذي يختلف بشكل حاد حسب المنطقة ، وترتبط أعلى التركيزات بمناطق ضيقة من الشذوذ الحراري الأرضي ، وعادة ما ترتبط بمناطق الصدوع التكتونية والبراكين.

بالإضافة إلى ذلك ، تعد الطاقة الحرارية الأرضية أقل قدرة من الناحية التكنولوجية مقارنة بالرياح ، بل وأكثر من ذلك مع الطاقة الشمسية: أنظمة محطات الطاقة الحرارية الأرضية بسيطة للغاية.

في الهيكل العام لإنتاج الكهرباء في العالم ، يمثل عنصر الطاقة الحرارية الأرضية أقل من 1٪ ، ولكن في بعض المناطق والبلدان يصل نصيبه إلى 25-30٪. بسبب الارتباط بالظروف الجيولوجية ، يتركز جزء كبير من قدرة الطاقة الحرارية الأرضية في دول العالم الثالث ، حيث توجد ثلاث مجموعات من أكبر تطور في الصناعة - جزر جنوب شرق آسيا وأمريكا الوسطى وشرق إفريقيا. تعتبر المنطقتان الأوليان جزءًا من "حزام النار للأرض" في المحيط الهادئ ، بينما ترتبط المنطقة الثالثة بصدع شرق إفريقيا. مع وجود أكبر احتمال ، ستستمر الطاقة الحرارية الأرضية في التطور في هذه الأحزمة. هناك احتمال أبعد هو تطوير الطاقة الحرارية الصخرية ، باستخدام حرارة طبقات الأرض الواقعة على عمق عدة كيلومترات. هذا مورد موجود في كل مكان تقريبًا ، لكن استخراجه يتطلب تكاليف عالية ، لذلك تتطور الطاقة الحرارية البترولية بشكل أساسي في أكثر البلدان قوة اقتصاديًا وتكنولوجيًا.

بشكل عام ، نظرًا لوجود موارد الطاقة الحرارية الأرضية في كل مكان والمستوى المقبول من السلامة البيئية ، هناك سبب للاعتقاد بأن الطاقة الحرارية الأرضية لها آفاق تطوير جيدة. خاصة مع التهديد المتزايد بنقص ناقلات الطاقة التقليدية وارتفاع أسعارها.

من كامتشاتكا إلى القوقاز

في روسيا ، تطوير الطاقة الحرارية الأرضية له تاريخ طويل إلى حد ما ، وفي عدد من المناصب نحن من بين قادة العالم ، على الرغم من أن حصة الطاقة الحرارية الأرضية في ميزان الطاقة الإجمالي لبلد ضخم لا يزال ضئيلًا.

كان رواد ومراكز تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في روسيا منطقتين - كامتشاتكا وشمال القوقاز ، وإذا كنا في الحالة الأولى نتحدث بشكل أساسي عن صناعة الطاقة الكهربائية ، فعندئذ في الحالة الثانية - عن استخدام الطاقة الحرارية مياه حرارية.

في شمال القوقاز - في إقليم كراسنودار والشيشان وداغستان - تم استخدام حرارة المياه الحرارية لأغراض الطاقة حتى قبل الحرب الوطنية العظمى. في الثمانينيات والتسعينيات ، توقف تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في المنطقة ، لأسباب واضحة ، ولم يتعافى بعد من حالة الركود. ومع ذلك ، فإن إمدادات المياه الحرارية الأرضية في شمال القوقاز توفر الحرارة لحوالي 500 ألف شخص ، وعلى سبيل المثال ، فإن مدينة لابينسك في إقليم كراسنودار التي يبلغ عدد سكانها 60 ألف نسمة يتم تسخينها بالكامل بواسطة المياه الحرارية الجوفية.

في كامتشاتكا ، يرتبط تاريخ الطاقة الحرارية الأرضية بشكل أساسي ببناء GeoPP. أولها ، التي لا تزال تعمل في محطات Pauzhetskaya و Paratunskaya ، تم بناؤها مرة أخرى في 1965-1967 ، بينما أصبحت Paratunskaya GeoPP بسعة 600 كيلوواط أول محطة في العالم ذات دورة ثنائية. كان تطوير العالمين السوفيت S. S. Kutateladze و A.M Rosenfeld من معهد الفيزياء الحرارية التابع لفرع سيبيريا التابع لأكاديمية العلوم الروسية ، الذين حصلوا في عام 1965 على شهادة حقوق التأليف والنشر لاستخراج الكهرباء من الماء بدرجة حرارة 70 درجة مئوية. أصبحت هذه التقنية لاحقًا نموذجًا أوليًا لأكثر من 400 GeoPPs ثنائية في العالم.

كانت قدرة Pauzhetskaya GeoPP ، التي تم تشغيلها في عام 1966 ، في البداية 5 ميجاوات وزادت لاحقًا إلى 12 ميجاوات. حاليا ، المحطة قيد الإنشاء من بلوك ثنائي ، مما سيزيد من قدرتها بمقدار 2.5 ميجاوات أخرى.

تم إعاقة تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في الاتحاد السوفياتي وروسيا بسبب توفر مصادر الطاقة التقليدية - النفط والغاز والفحم ، لكنها لم تتوقف أبدًا. أكبر منشآت الطاقة الحرارية الأرضية في الوقت الحالي هي Verkhne-Mutnovskaya GeoPP بسعة إجمالية تبلغ 12 ميجاوات من وحدات الطاقة ، والتي تم تشغيلها في عام 1999 ، و Mutnovskaya GeoPP بقدرة 50 ميجاوات (2002).

تعتبر كل من Mutnovskaya و Verkhne-Mutnovskaya GeoPP كائنات فريدة ليس فقط لروسيا ، ولكن أيضًا على نطاق عالمي. تقع المحطات عند سفح بركان موتنوفسكي ، على ارتفاع 800 متر فوق مستوى سطح البحر ، وتعمل في ظروف مناخية قاسية ، حيث يكون الشتاء 9-10 أشهر في السنة. تم إنشاء معدات Mutnovsky GeoPPs ، وهي حاليًا واحدة من أحدث المعدات في العالم ، بالكامل في المؤسسات المحلية لهندسة الطاقة.

في الوقت الحاضر ، تبلغ حصة محطات موتنوفسكي في الهيكل العام لاستهلاك الطاقة في مركز الطاقة المركزي كامتشاتكا 40٪. يتم التخطيط لزيادة السعة في السنوات القادمة.

بشكل منفصل ، ينبغي أن يقال عن التطورات الحرارية البترولية الروسية. ليس لدينا نظام PDS كبير حتى الآن ، ومع ذلك ، هناك تقنيات متقدمة للحفر إلى أعماق كبيرة (حوالي 10 كم) ، والتي ليس لها أيضًا نظائر في العالم. وسيتيح تطويرها الإضافي إمكانية تقليل تكاليف إنشاء أنظمة الحرارة البترولية بشكل كبير. مطورو هذه التقنيات والمشاريع هم N.A Gnatus و M. D. حاليا ، مشروع نظام الدوران الحراري الصخري في روسيا في المرحلة التجريبية.

هناك احتمالات للطاقة الحرارية الأرضية في روسيا ، على الرغم من أنها بعيدة نسبيًا: في الوقت الحالي ، الإمكانات كبيرة جدًا وموقع الطاقة التقليدية قوي. في الوقت نفسه ، في عدد من المناطق النائية من البلاد ، يعد استخدام الطاقة الحرارية الأرضية مربحًا اقتصاديًا وهو مطلوب حتى الآن. هذه هي الأقاليم ذات الإمكانات الجيولوجية العالية (تشوكوتكا ، كامتشاتكا ، الكوريلس - الجزء الروسي من المحيط الهادئ "حزام النار للأرض" ، جبال جنوب سيبيريا والقوقاز) وفي نفس الوقت بعيدة ومنقطعة عن الطاقة المركزية إمداد.

من المحتمل أنه في العقود القادمة ، ستتطور الطاقة الحرارية الأرضية في بلدنا بدقة في مثل هذه المناطق.

كيريل ديجاريف
باحثة ، جامعة موسكو الحكومية إم في لومونوسوف
"Science and Life" No. 9، No. 10 2013

مع تطور المجتمع وتشكيله ، بدأت البشرية في البحث عن طرق أكثر حداثة وفي نفس الوقت اقتصادية للحصول على الطاقة. لهذا ، يتم بناء العديد من المحطات اليوم ، ولكن في نفس الوقت ، يتم استخدام الطاقة الموجودة في أحشاء الأرض على نطاق واسع. كيف تبدو؟ دعنا نحاول معرفة ذلك.

الطاقة الحرارية الأرضية

بالفعل من الاسم ، من الواضح أنه يمثل حرارة باطن الأرض. تحت قشرة الأرض توجد طبقة من الصهارة ، وهي عبارة عن سائل ناري يذوب من السيليكات. وفقًا لبيانات البحث ، فإن الطاقة الكامنة لهذه الحرارة أعلى بكثير من طاقة احتياطيات الغاز الطبيعي في العالم ، وكذلك النفط. الصهارة تأتي إلى السطح - الحمم البركانية. علاوة على ذلك ، لوحظ أكبر نشاط في طبقات الأرض التي توجد عليها حدود الصفائح التكتونية ، وكذلك حيث تتميز قشرة الأرض بالنحافة. يتم الحصول على الطاقة الحرارية الأرضية للأرض على النحو التالي: الحمم البركانية والموارد المائية للكوكب على اتصال ، ونتيجة لذلك تبدأ المياه في التسخين بشكل حاد. هذا يؤدي إلى انفجار السخان ، وتشكيل ما يسمى البحيرات الساخنة والتيارات السفلية. وهذا هو بالضبط تلك الظواهر الطبيعية ، التي تستخدم خصائصها بنشاط كطاقات.

مصادر الطاقة الحرارية الأرضية الاصطناعية

يجب استخدام الطاقة الموجودة في أحشاء الأرض بحكمة. على سبيل المثال ، هناك فكرة لإنشاء غلايات تحت الأرض. للقيام بذلك ، تحتاج إلى حفر بئرين بعمق كافٍ ، سيتم توصيلهما في الأسفل. أي ، اتضح أنه في أي ركن من أركان الأرض تقريبًا يمكن الحصول على الطاقة الحرارية الأرضية بطريقة صناعية: سيتم ضخ الماء البارد إلى الخزان من خلال بئر واحد ، وسيتم استخراج الماء الساخن أو البخار من خلال الثانية. ستكون مصادر الحرارة الاصطناعية مفيدة وعقلانية إذا كانت الحرارة الناتجة ستوفر المزيد من الطاقة. يمكن إرسال البخار إلى مولدات التوربينات التي ستولد الكهرباء.

بطبيعة الحال ، فإن الحرارة المستخرجة ليست سوى جزء يسير مما هو متوفر في إجمالي الاحتياطيات. ولكن يجب أن نتذكر أن الحرارة العميقة سوف تتجدد باستمرار بسبب عمليات ضغط الصخور ، وطبقية الأمعاء. وفقًا للخبراء ، تتراكم الحرارة في قشرة الأرض ، والتي يزيد مقدارها الإجمالي 5000 مرة عن القيمة الحرارية لجميع الأحافير الداخلية للأرض ككل. اتضح أن وقت تشغيل محطات الطاقة الحرارية الجوفية التي تم إنشاؤها بشكل مصطنع يمكن أن يكون غير محدود.

ميزات المصدر

يكاد يكون من المستحيل استخدام المصادر التي تجعل من الممكن الحصول على الطاقة الحرارية الأرضية بشكل كامل. توجد في أكثر من 60 دولة في العالم ، مع وجود أكبر عدد من البراكين الأرضية على أراضي حلقة النار البركانية في المحيط الهادئ. لكن من الناحية العملية ، اتضح أن مصادر الطاقة الحرارية الأرضية في مناطق مختلفة من العالم مختلفة تمامًا في خصائصها ، أي متوسط ​​درجة الحرارة ، والملوحة ، وتكوين الغاز ، والحموضة ، وما إلى ذلك.

السخانات هي مصادر للطاقة على الأرض ، وخصائصها هي أنها تقذف الماء المغلي على فترات زمنية معينة. بعد الثوران ، يصبح البركة خاليًا من الماء ، وفي قاعها يمكنك رؤية قناة تتعمق في الأرض. تُستخدم السخانات كمصادر للطاقة في مناطق مثل كامتشاتكا وأيسلندا ونيوزيلندا وأمريكا الشمالية ، وتوجد السخانات المنفردة في عدة مناطق أخرى.

من أين تأتي الطاقة؟

تقع الصهارة غير المبردة بالقرب من سطح الأرض. تنبعث منه غازات وأبخرة ترتفع وتمر عبر الشقوق. عند اختلاطها بالمياه الجوفية ، فإنها تتسبب في تسخينها ، وتتحول هي نفسها إلى ماء ساخن ، حيث يتم إذابة العديد من المواد. يتم إطلاق هذه المياه على سطح الأرض في شكل مصادر مختلفة من الطاقة الحرارية الأرضية: الينابيع الساخنة ، والينابيع المعدنية ، والسخانات ، وما إلى ذلك. وفقًا للعلماء ، فإن أحشاء الأرض الساخنة عبارة عن كهوف أو غرف متصلة بواسطة ممرات وشقوق وقنوات. تمتلئ فقط بالمياه الجوفية ، وهي قريبة جدًا من غرف الصهارة. بهذه الطريقة الطبيعية ، تتشكل الطاقة الحرارية للأرض.

المجال الكهربائي للأرض

هناك مصدر طاقة بديل آخر في الطبيعة ، وهو متجدد وصديق للبيئة وسهل الاستخدام. صحيح ، هذا المصدر تمت دراسته فقط ولم يتم تطبيقه عمليًا حتى الآن. لذا ، فإن الطاقة الكامنة للأرض تكمن في مجالها الكهربائي. من الممكن الحصول على الطاقة بهذه الطريقة بناءً على دراسة القوانين الأساسية للكهرباء الساكنة وخصائص المجال الكهربائي للأرض. في الواقع ، كوكبنا من وجهة نظر كهربائية عبارة عن مكثف كروي مشحون بما يصل إلى 300000 فولت. الكرة الداخلية لها شحنة سالبة ، والكرة الخارجية - الأيونوسفير - موجبة. هو عازل. من خلاله ، هناك تدفق مستمر للتيارات الأيونية والحمل ، والتي تصل إلى قوة عدة آلاف من الأمبيرات. ومع ذلك ، فإن فرق الجهد بين اللوحات لا ينقص في هذه الحالة.

يشير هذا إلى وجود مولد في الطبيعة ، يتمثل دوره في تجديد تسرب الشحنات باستمرار من ألواح المكثف. يلعب المجال المغناطيسي للأرض دور هذا المولد ، والذي يدور مع كوكبنا في تدفق الرياح الشمسية. يمكن الحصول على طاقة المجال المغناطيسي للأرض فقط عن طريق توصيل مستهلك للطاقة بهذا المولد. للقيام بذلك ، تحتاج إلى تثبيت أرضية موثوقة.

مصادر متجددة

مع تزايد عدد سكان كوكبنا باطراد ، نحتاج إلى المزيد والمزيد من الطاقة لتوفير السكان. يمكن أن تكون الطاقة الموجودة في أحشاء الأرض مختلفة جدًا. على سبيل المثال ، هناك مصادر متجددة: طاقة الرياح والطاقة الشمسية والمياه. إنها صديقة للبيئة ، وبالتالي يمكنك استخدامها دون خوف من الإضرار بالبيئة.

طاقة الماء

تم استخدام هذه الطريقة لعدة قرون. اليوم ، تم بناء عدد كبير من السدود والخزانات التي تستخدم فيها المياه لتوليد الطاقة الكهربائية. جوهر هذه الآلية بسيط: تحت تأثير تدفق النهر ، تدور عجلات التوربينات ، على التوالي ، يتم تحويل طاقة الماء إلى طاقة كهربائية.

يوجد اليوم عدد كبير من محطات الطاقة الكهرومائية التي تحول طاقة تدفق المياه إلى كهرباء. خصوصية هذه الطريقة هي أنها قابلة للتجديد ، على التوالي ، مثل هذه التصميمات لها تكلفة منخفضة. لهذا السبب ، على الرغم من حقيقة أن إنشاء محطات الطاقة الكهرومائية يستغرق وقتًا طويلاً ، والعملية نفسها مكلفة للغاية ، إلا أن هذه المرافق تتفوق بشكل كبير على الصناعات كثيفة الاستخدام للكهرباء.

الطاقة الشمسية: حديثة وواعدة

يتم الحصول على الطاقة الشمسية باستخدام الألواح الشمسية ، لكن التقنيات الحديثة تسمح باستخدام طرق جديدة لهذا الغرض. تم بناء أكبر نظام في العالم في صحراء كاليفورنيا. يوفر الطاقة بشكل كامل لـ 2000 منزل. يعمل التصميم على النحو التالي: تنعكس أشعة الشمس عن المرايا التي يتم إرسالها إلى الغلاية المركزية بالماء. يغلي ويتحول إلى بخار يحول التوربين. وهو بدوره متصل بمولد كهربائي. يمكن أيضًا استخدام الرياح كطاقة تمنحنا إياها الأرض. الرياح تهب الأشرعة وتحول طواحين الهواء. والآن بمساعدتها يمكنك إنشاء أجهزة من شأنها أن تولد طاقة كهربائية. من خلال تدوير شفرات الطاحونة الهوائية ، فإنها تدفع عمود التوربين ، والذي بدوره متصل بمولد كهربائي.

الطاقة الداخلية للأرض

ظهرت نتيجة لعدة عمليات ، أهمها التراكم والنشاط الإشعاعي. وفقًا للعلماء ، حدث تكوين الأرض وكتلتها على مدى عدة ملايين من السنين ، وحدث هذا بسبب تكوين الكواكب الصغيرة. تمسكوا معًا ، على التوالي ، أصبحت كتلة الأرض أكثر فأكثر. بعد أن بدأ كوكبنا في تكوين كتلة حديثة ، لكنه كان لا يزال خاليًا من الغلاف الجوي ، سقطت عليه أجسام نيزكية وكويكبات دون عوائق. تسمى هذه العملية فقط بالتراكم ، وقد أدت إلى إطلاق طاقة جاذبية كبيرة. وكلما اصطدمت الأجسام الأكبر بالكوكب ، زادت كمية الطاقة الموجودة في أحشاء الأرض التي تم إطلاقها.

أدى هذا التمايز الثقالي إلى حقيقة أن المواد بدأت في الانفصال: المواد الثقيلة تغرق ببساطة ، بينما تطفو المواد الخفيفة والمتطايرة. أثر التمايز أيضًا على الإطلاق الإضافي لطاقة الجاذبية.

الطاقه الذريه

يمكن أن يحدث استخدام طاقة الأرض بطرق مختلفة. على سبيل المثال ، بمساعدة بناء محطات الطاقة النووية ، عندما يتم إطلاق الطاقة الحرارية بسبب تحلل أصغر جزيئات المادة الذرية. الوقود الرئيسي هو اليورانيوم الموجود في القشرة الأرضية. يعتقد الكثيرون أن طريقة الحصول على الطاقة هذه هي الطريقة الواعدة ، لكن استخدامها مرتبط بعدد من المشاكل. أولاً ، يصدر اليورانيوم إشعاعات تقتل جميع الكائنات الحية. بالإضافة إلى ذلك ، إذا دخلت هذه المادة إلى التربة أو الغلاف الجوي ، فستحدث كارثة حقيقية من صنع الإنسان. إننا نشهد العواقب الوخيمة للحادث الذي وقع في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية حتى يومنا هذا. يكمن الخطر في حقيقة أن النفايات المشعة يمكن أن تهدد جميع الكائنات الحية لفترة طويلة جدًا ، لآلاف السنين.

وقت جديد - أفكار جديدة

بالطبع ، لا يتوقف الناس عند هذا الحد ، وكل عام تُبذل المزيد والمزيد من المحاولات لإيجاد طرق جديدة للحصول على الطاقة. إذا تم الحصول على طاقة حرارة الأرض بكل بساطة ، فإن بعض الطرق ليست بهذه البساطة. على سبيل المثال ، كمصدر للطاقة ، من الممكن تمامًا استخدام الغاز البيولوجي ، الذي يتم الحصول عليه أثناء تحلل النفايات. يمكن استخدامه لتدفئة المنازل وتسخين المياه.

على نحو متزايد ، يتم بناؤها عندما يتم تركيب السدود والتوربينات عبر أفواه الخزانات ، والتي تحركها المد والجزر ، على التوالي ، يتم الحصول على الكهرباء.

حرق القمامة ، نحصل على الطاقة

هناك طريقة أخرى يتم استخدامها بالفعل في اليابان وهي إنشاء المحارق. تم بناؤها اليوم في إنجلترا وإيطاليا والدنمارك وألمانيا وفرنسا وهولندا والولايات المتحدة الأمريكية ، ولكن في اليابان فقط ، بدأ استخدام هذه الشركات ليس فقط للغرض المقصود منها ، ولكن أيضًا لتوليد الكهرباء. في المصانع المحلية ، يتم حرق ثلثي النفايات بالكامل ، بينما تم تجهيز المصانع بتوربينات بخارية. وبناءً عليه ، فإنهم يزودون المناطق المجاورة بالحرارة والكهرباء. في الوقت نفسه ، من حيث التكاليف ، يعتبر بناء مثل هذه المؤسسة أكثر ربحية من بناء محطة طاقة حرارية.

الأمر الأكثر إغراءً هو احتمال استخدام حرارة الأرض حيث تتركز البراكين. في هذه الحالة ، لن يكون من الضروري حفر الأرض بعمق شديد ، حيث ستكون درجة الحرارة على عمق 300-500 متر على الأقل ضعف درجة غليان الماء.

هناك أيضًا طريقة لتوليد الكهرباء ، مثل الهيدروجين - أبسط عنصر كيميائي وأخف وزنًا - يمكن اعتباره وقودًا مثاليًا ، لأنه حيث يوجد الماء. إذا قمت بحرق الهيدروجين ، يمكنك الحصول على الماء ، والذي يتحلل إلى أكسجين وهيدروجين. لهب الهيدروجين نفسه غير ضار ، أي أنه لن يكون هناك ضرر على البيئة. خصوصية هذا العنصر هو أنه يحتوي على قيمة حرارية عالية.

ماذا في المستقبل؟

بالطبع ، لا يمكن لطاقة المجال المغناطيسي للأرض أو تلك التي يتم الحصول عليها في محطات الطاقة النووية أن تلبي تمامًا جميع احتياجات البشرية التي تنمو كل عام. ومع ذلك ، يقول الخبراء أنه لا يوجد سبب للقلق ، لأن موارد الوقود على كوكب الأرض لا تزال كافية. علاوة على ذلك ، يتم استخدام المزيد والمزيد من المصادر الجديدة الصديقة للبيئة والمتجددة.

مشكلة التلوث البيئي لا تزال قائمة ، وهي تنمو بسرعة كارثية. تتلاشى كمية الانبعاثات الضارة ، على التوالي ، الهواء الذي نتنفسه ضار ، والمياه بها شوائب خطيرة ، ويتم استنفاد التربة تدريجيًا. هذا هو السبب في أنه من المهم للغاية البدء في دراسة ظاهرة مثل الطاقة في أحشاء الأرض في الوقت المناسب من أجل البحث عن طرق لتقليل الحاجة إلى الوقود الأحفوري والاستفادة بشكل أكثر فاعلية من مصادر الطاقة غير التقليدية.

هذه الطاقة تنتمي إلى مصادر بديلة. في الوقت الحاضر ، يذكرون أكثر فأكثر إمكانيات الحصول على الموارد التي يوفرها لنا الكوكب. يمكننا القول إننا نعيش في عصر الموضة للطاقة المتجددة. يتم إنشاء الكثير من الحلول التقنية والخطط والنظريات في هذا المجال.

إنه عميق في أحشاء الأرض وله خصائص التجديد ، أي أنه لا نهاية له. بدأت الموارد الكلاسيكية ، وفقًا للعلماء ، في النفاد ، وسوف ينفد النفط والفحم والغاز.

محطة Nesjavellir لتوليد الطاقة الحرارية الجوفية ، أيسلندا

لذلك ، يمكن للمرء أن يستعد تدريجياً لاعتماد طرق بديلة جديدة لإنتاج الطاقة. تحت قشرة الأرض نواة قوية. تتراوح درجة حرارته من 3000 إلى 6000 درجة. تظهر حركة الصفائح الليثوسفيرية قوتها الهائلة. يتجلى في شكل تكسير بركاني للصهارة. في الأعماق ، يحدث الاضمحلال الإشعاعي ، مما يؤدي في بعض الأحيان إلى حدوث مثل هذه الكوارث الطبيعية.

عادة ما تقوم الصهارة بتسخين السطح دون تجاوزه. هذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على السخانات أو برك المياه الدافئة. بهذه الطريقة ، يمكن استخدام العمليات الفيزيائية للأغراض الصحيحة للبشرية.

أنواع مصادر الطاقة الحرارية الأرضية

تنقسم عادة إلى نوعين: الطاقة الحرارية المائية والطاقة الحرارية الصخرية. الأول يتكون من مصادر دافئة ، والنوع الثاني هو اختلاف درجات الحرارة على السطح وفي أعماق الأرض. وبكلماتك الخاصة ، يتكون الينابيع الحرارية المائية من البخار والماء الساخن ، بينما يتم إخفاء الينابيع الحرارية العميقة تحت الأرض.

خريطة لإمكانات تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في العالم

بالنسبة للطاقة الحرارية البترولية ، من الضروري حفر بئرين ، وملء أحدهما بالماء ، وبعد ذلك ستحدث عملية الارتفاع ، والتي ستظهر على السطح. هناك ثلاث فئات من مناطق الطاقة الحرارية الأرضية:

• حرارة جوفية - تقع بالقرب من الصفائح القارية. تدرج درجة الحرارة فوق 80 درجة مئوية / كم. كمثال ، بلدية لارديريلو الإيطالية. هناك محطة لتوليد الكهرباء
• شبه حرارية - درجة حرارة 40-80 درجة مئوية / كم. هذه هي طبقات المياه الجوفية الطبيعية ، وتتكون من الصخور المكسرة. في بعض الأماكن في فرنسا ، يتم تسخين المباني بهذه الطريقة.
• عادي - الانحدار أقل من 40 درجة مئوية / كم. تمثيل مثل هذه المناطق هو الأكثر شيوعًا

هم مصدر ممتاز للاستهلاك. هم في الصخر ، على عمق معين. دعونا نلقي نظرة فاحصة على التصنيف:

• البشرة - درجة الحرارة من 50 إلى 90 ثانية
• الحرارة المتوسطة - 100-120 ثانية
• Hypothermal - أكثر من 200 ثانية

تتكون هذه الأنواع من تركيبة كيميائية مختلفة. اعتمادًا على ذلك ، يمكن استخدام الماء لأغراض مختلفة. على سبيل المثال ، في إنتاج الكهرباء والتدفئة (الطرق الحرارية) وقاعدة المواد الخام.

فيديو: الطاقة الحرارية الجوفية

عملية إمداد الحرارة

درجة حرارة الماء 50-60 درجة ، وهي مثالية للتدفئة والتزويد الساخن للمنطقة السكنية. تعتمد الحاجة إلى أنظمة التدفئة على الموقع الجغرافي والظروف المناخية. ويحتاج الناس باستمرار إلى إمداد الماء الساخن. لهذه العملية ، يتم بناء GTS (محطات حرارية أرضية).

إذا تم استخدام منزل مرجل للإنتاج الكلاسيكي للطاقة الحرارية والذي يستهلك الوقود الصلب أو الغازي ، فسيتم استخدام مصدر السخان في هذا الإنتاج. العملية التقنية بسيطة للغاية ، نفس الاتصالات والطرق الحرارية والمعدات. يكفي حفر بئر وتنظيفه من الغازات ، ثم إرساله إلى غرفة المرجل بالمضخات ، حيث سيتم الحفاظ على جدول درجات الحرارة ، وبعد ذلك يدخل في التدفئة الرئيسية.

الفرق الرئيسي هو أنه لا توجد حاجة لاستخدام غلاية الوقود. هذا يقلل بشكل كبير من تكلفة الطاقة الحرارية. في الشتاء ، يتلقى المشتركون التدفئة وإمدادات المياه الساخنة ، وفي الصيف فقط إمدادات المياه الساخنة.

توليد الطاقة

الينابيع الساخنة ، السخانات هي المكونات الرئيسية في إنتاج الكهرباء. لهذا ، يتم استخدام العديد من المخططات ، ويتم بناء محطات طاقة خاصة. جهاز GTS:

• خزان DHW
• مضخة
• فاصل الغاز
• فاصل البخار
• توليد التوربينات
• مكثف
• مضخة معززة
• خزان - مبرد

كما ترى ، فإن العنصر الرئيسي في الدائرة هو محول البخار. هذا يجعل من الممكن الحصول على بخار نقي ، لأنه يحتوي على أحماض تدمر معدات التوربينات. من الممكن استخدام مخطط مختلط في الدورة التكنولوجية ، أي أن الماء والبخار متورطان في العملية. يمر السائل بكامل مرحلة التنقية من الغازات والبخار.

دائرة بمصدر ثنائي

مكون العمل عبارة عن سائل مع نقطة غليان منخفضة. تشارك المياه الحرارية أيضًا في إنتاج الكهرباء وهي بمثابة مادة خام ثانوية.

بمساعدتها ، يتم تشكيل بخار منخفض الغليان. يمكن أن تكون GTS مع دورة العمل هذه مؤتمتة بالكامل ولا تتطلب وجود موظفي الصيانة. تستخدم المحطات الأكثر قوة مخطط دائرتين. يسمح هذا النوع من محطات الطاقة بالوصول إلى قدرة 10 ميجاوات. هيكل الدائرة المزدوجة:

• مولد البخار
• عنفة
• مكثف
• قاذف
• مضخة تغذية
• المقتصد
• المبخر

الاستخدام العملي

الاحتياطيات الضخمة من المصادر أكبر بعدة مرات من الاستهلاك السنوي للطاقة. ولكن يتم استخدام جزء صغير فقط من قبل الجنس البشري. يعود تاريخ إنشاء المحطات إلى عام 1916. في إيطاليا ، تم إنشاء أول GeoTPP بسعة 7.5 ميجاوات. تتطور الصناعة بنشاط في دول مثل: الولايات المتحدة الأمريكية وأيسلندا واليابان والفلبين وإيطاليا.

الاستكشاف النشط للمواقع المحتملة وطرق الاستخراج الأكثر ملاءمة جارية. الطاقة الإنتاجية تنمو من سنة إلى أخرى. إذا أخذنا في الاعتبار المؤشر الاقتصادي ، فإن تكلفة هذه الصناعة تساوي محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم. تغطي أيسلندا بالكامل تقريبًا المخزون المجتمعي والسكني بمصدر GT. 80٪ من المنازل تستخدم الماء الساخن من الآبار للتدفئة. يدعي خبراء من الولايات المتحدة أنه مع التطوير المناسب ، يمكن أن تنتج GeoTPPs 30 مرة أكثر من الاستهلاك السنوي. إذا تحدثنا عن الإمكانات ، فستكون 39 دولة في العالم قادرة على تزويد نفسها بالكامل بالكهرباء إذا استخدمت أحشاء الأرض بنسبة 100 بالمائة.

المصادر الرئيسية للطاقة الحرارية للأرض هي:

• تمايز الجاذبية الحرارية
• حرارة إشعاعية
• حرارة احتكاك المد والجزر
• تراكم الحرارة
• تنبعث حرارة الاحتكاك بسبب الدوران التفاضلي للنواة الداخلية بالنسبة إلى اللب الخارجي ، واللب الخارجي بالنسبة إلى الوشاح والطبقات الفردية داخل اللب الخارجي.

حتى الآن ، تم تحديد المصادر الأربعة الأولى فقط. في بلدنا ، يعود الفضل الرئيسي في هذا إلى O.G. سورختينو م. أوشاكوف. تستند البيانات التالية بشكل أساسي إلى حسابات هؤلاء العلماء.

حرارة التمايز الجاذبي للأرض

من أهم القواعد المنتظمة في تطور الأرض التفاضلجوهره ، والذي يستمر في الوقت الحاضر. أدى هذا التمايز في التكوين اللب والقشرة، تغيير في تكوين الابتدائية الجلباب، في حين أن فصل المادة المتجانسة مبدئيًا إلى كسور ذات كثافات مختلفة يكون مصحوبًا بالإفراج طاقة حرارية، ويحدث أقصى إطلاق للحرارة عندما تنقسم المادة الأرضية إلى جوهر كثيف وثقيلوالمتبقي ولاعةقذيفة السيليكات عباءة الأرض. في الوقت الحاضر ، يتم توليد معظم هذه الحرارة على الحدود عباءة جوهر.

طاقات التمايز الجاذبية الأرضيةطوال فترة وجودها - 1.46 * 10 38 erg (1.46 * 10 31 J). إعطاء الطاقةبالنسبة للجزء الأكبر يدخل أولاً الطاقة الحركيةالتيارات الحملية لمادة الوشاح ، ثم في بحرارة؛ يتم إنفاق جزء آخر منه على إضافية ضغط باطن الأرض، بسبب تركيز المراحل الكثيفة في الجزء المركزي من الأرض. من 1.46 * 10 38 إرجذهبت طاقة التمايز الجاذبي للأرض إلى ضغطها الإضافي 0.23 * 10 38 إرج (0.23 * 10 31 ي) ، وفي شكل حرارة تنطلق 1.23 * 10 38 إرج (1.23 * 10 31 جول). يتجاوز حجم هذا المكون الحراري بشكل كبير الإطلاق الكلي لجميع أنواع الطاقة الأخرى في الأرض. يوضح الشكل توزيع الوقت للقيمة الإجمالية ومعدل إطلاق المكون الحراري لطاقة الجاذبية. 3.6 .

أرز. 3.6.

المستوى الحالي لتوليد الحرارة أثناء التمايز الجاذبي للأرض - 3 * 10 20 erg / s (3 * 10 13 واط) ، والتي تعتمد على قيمة التدفق الحراري الحديث الذي يمر عبر سطح الكوكب في ( 4.2-4.3) * 10 20 erg / s ((4.2-4.3) * 10 13 واط)، يكون ~ 70% .

حرارة إشعاعية

سببه الاضمحلال الإشعاعي غير المستقر النظائر. الأكثر استهلاكا للطاقة وطويلة العمر ( بنصف عمربما يتناسب مع عمر الأرض) النظائر 238 يو, 235 يو, 232 ثو 40 ألف. يتركز معظمهم في القشرة القارية. المستوى الحديث للجيل حرارة إشعاعية:

• من قبل الجيوفيزيائي الأمريكي ففاكي - 1.14 * 10 20 erg / s (1.14 * 10 13 واط) ,
• وفقًا لعلماء الجيوفيزياء الروس O.G. سورختينو م. أوشاكوف - 1.26 * 10 20 erg / s(1.26 * 10 13 واط) .

من قيمة التدفق الحراري الحديث ، هذا ~ 27-30٪.

من إجمالي حرارة الاضمحلال الإشعاعي في 1.26 * 10 20 erg / s (1.26 * 10 13 واط) في قشرة الأرض - 0.91 * 10 20 erg / s، وفي العباءة - 0.35 * 10 20 erg / s. ويترتب على ذلك أن نسبة الحرارة المشعة في الوشاح لا تتجاوز 10٪ من إجمالي فقد الحرارة الحديثة للأرض ، ولا يمكن أن تكون المصدر الرئيسي للطاقة لعمليات التكتونو-الصهاري النشطة ، التي يمكن أن يصل عمقها إلى 2900 كم. ؛ والحرارة المشعة المنبعثة في القشرة تضيع بسرعة نسبيًا عبر سطح الأرض وعمليًا لا تشارك في تسخين باطن الأرض.

في العصور الجيولوجية الماضية ، يجب أن تكون كمية الحرارة المشعة المنبعثة في الوشاح أعلى. تقديراته في وقت تكوين الأرض ( قبل 4.6 مليار سنة) يعطى - 6.95 * 10 20 erg / s. منذ ذلك الوقت ، حدث انخفاض مطرد في معدل إطلاق الطاقة المشعة (الشكل. 3.7 ).

طوال الوقت على الأرض برزت ~ 4.27 * 10 37 erg(4.27 * 10 30 جول) الطاقة الحرارية للاضمحلال الإشعاعي ، وهي أقل بثلاث مرات تقريبًا من القيمة الإجمالية لحرارة تمايز الجاذبية.

حرارة الاحتكاك المد والجزر

تبرز أثناء تفاعل جاذبية الأرض ، بشكل أساسي مع القمر ، كأقرب جسم كوني كبير. بسبب الجاذبية المتبادلة ، تحدث تشوهات المد والجزر في أجسامهم - تورمأو مطب. تؤثر حدبات المد والجزر في الكواكب ، من خلال جاذبيتها الإضافية ، على حركتها. وبالتالي ، فإن جاذبية كل من حدبات المد والجزر على الأرض تخلق زوجًا من القوى التي تعمل على الأرض نفسها وعلى القمر. ومع ذلك ، فإن تأثير الانتفاخ القريب المواجه للقمر أقوى إلى حد ما من تأثير التورم البعيد. يرجع ذلك إلى حقيقة أن السرعة الزاوية لدوران الأرض الحديثة ( 7.27 * 10-5 ثانية -1) يتجاوز السرعة المدارية للقمر ( 2.66 * 10 -6 ثانية -1) ، كما أن مادة الكواكب ليست مرنة بشكل مثالي ، فإن حدبات المد والجزر في الأرض ، كما كانت ، يتم تحريكها بعيدًا عن طريق دورانها الأمامي وتكون متقدّمة بشكل ملحوظ على حركة القمر. هذا يؤدي إلى حقيقة أن المد والجزر الأقصى للأرض يحدث دائمًا على سطحه متأخرًا بعض الشيء عن اللحظة ذروةالقمر ، ولحظة إضافية من القوى تعمل على الأرض والقمر (الشكل. 3.8 ) .

القيم المطلقة لقوى تفاعل المد والجزر في نظام الأرض والقمر هي الآن صغيرة نسبيًا ويمكن أن تصل تشوهات المد والجزر للغلاف الصخري الناجم عن ذلك إلى بضع عشرات من السنتيمترات ، ولكنها تؤدي إلى تباطؤ تدريجي في سرعة الأرض. الدوران ، وعلى العكس من ذلك ، تسارع الحركة المدارية للقمر وإزالته من الأرض. يتم تحويل الطاقة الحركية لحركة حدبات المد والجزر إلى طاقة حرارية بسبب الاحتكاك الداخلي للمادة في حدبات المد والجزر.

في الوقت الحاضر ، معدل إطلاق طاقة المد والجزر بواسطة جي ماكدونالديكون ~ 0.25 * 10 20 erg / s (0.25 * 10 13 واط) ، في حين أن الجزء الرئيسي منه (حوالي 2/3) يفترض يتبدد(مشتت) في الغلاف المائي. وبالتالي ، فإن جزء طاقة المد والجزر الناجم عن تفاعل الأرض مع القمر والمتبدد في الأرض الصلبة (بشكل أساسي في الغلاف الموري) لا يتجاوز 2 % إجمالي الطاقة الحرارية المتولدة في أعماقها ؛ وجزء المد والجزر الشمسي لا يتجاوز 20 % من تأثير المد والجزر القمرية. لذلك ، المد والجزر الصلبة الآن لا تلعب أي دور عمليًا في تغذية العمليات التكتونية بالطاقة ، ولكن في بعض الحالات يمكن أن تكون بمثابة "محفزات" ، على سبيل المثال ، الزلازل.

يرتبط حجم طاقة المد والجزر ارتباطًا مباشرًا بالمسافة بين الأجسام الفضائية. وإذا لم تفترض المسافة بين الأرض والشمس أي تغييرات كبيرة في مقياس الوقت الجيولوجي ، فإن هذه المعلمة متغيرة في نظام الأرض والقمر. بغض النظر عن الأفكار حول ، يعترف جميع الباحثين تقريبًا أنه في المراحل الأولى من تطور الأرض ، كانت المسافة إلى القمر أقل بكثير من المسافة الحديثة ، بينما في عملية تطور الكواكب ، وفقًا لمعظم العلماء ، تزداد تدريجياً و حسب يو. أفسيوكوتشهد هذه المسافة تغيرات طويلة المدى في شكل دورات "الوصول - المغادرة" للقمر. هذا يعني أنه في العصور الجيولوجية الماضية كان دور حرارة المد والجزر في التوازن الحراري العام للأرض أكثر أهمية. بشكل عام ، لقد برزت طوال فترة تطور الأرض ~ 3.3 * 10 37 erg (3.3 * 10 30 جول) طاقة المد والجزر الحرارية (وهذا يخضع للإزالة المتتالية للقمر من الأرض). يظهر التغيير في وقت معدل إطلاق هذه الحرارة في الشكل. 3.10 .

تم إطلاق أكثر من نصف إجمالي طاقة المد والجزر في كاتارشي (الجحيم)) - منذ 4.6-4.0 مليار سنة ، وفي ذلك الوقت ، بسبب هذه الطاقة فقط ، يمكن أن ترتفع درجة حرارة الأرض بمقدار ~ 500 درجة مئوية. العمليات الذاتية كثيفة الاستهلاك للطاقة .

تراكم الحرارة

هذه هي الحرارة التي خزنتها الأرض منذ تكوينها. فى المعالجة التراكمالتي استمرت عدة عشرات الملايين من السنين ، بسبب الاصطدام الكواكبشهدت الأرض تسخينًا كبيرًا. في الوقت نفسه ، لا يوجد إجماع على حجم هذه التسخين. في الوقت الحالي ، يميل الباحثون إلى الاعتقاد بأنه في عملية التراكم ، شهدت الأرض ، إن لم يكن كاملًا ، ذوبانًا جزئيًا كبيرًا ، مما أدى إلى التمايز الأولي لـ Proto-Earth إلى قلب حديدي ثقيل وعباءة سيليكات خفيفة ، و للتشكيل "محيط الصهارة"على سطحه أو في أعماق ضحلة. على الرغم من أن نموذج الأرض الأولية الباردة نسبيًا ، حتى قبل التسعينيات ، كان يعتبر معترفًا به عالميًا ، والذي ارتفعت درجة حرارته تدريجياً بسبب العمليات المذكورة أعلاه ، مصحوبة بإطلاق كمية كبيرة من الطاقة الحرارية.

يرتبط التقدير الدقيق للحرارة التراكمية الأولية وحصتها التي نجت حتى الوقت الحاضر بصعوبات كبيرة. بواسطة O.G. سورختينو م. أوشاكوف، من مؤيدي الأرض الأولية الباردة نسبيًا ، فإن قيمة الطاقة التراكمية المحولة إلى حرارة هي - 20.13 * 10 38 erg (20.13 * 10 31 جول). هذه الطاقة في حالة عدم فقدان الحرارة ستكون كافية التبخر الكاملالمسألة الأرضية ، لأن يمكن أن ترتفع درجة الحرارة إلى 30000 درجة مئوية. لكن عملية التراكم كانت طويلة نسبيًا ، ولم تنطلق طاقة الاصطدامات الكوكبية إلا في الطبقات القريبة من سطح الأرض النامية وفُقدت بسرعة مع الإشعاع الحراري ، لذلك لم يكن التسخين الأولي للكوكب كبيرًا. يقدر المؤلفون حجم هذا الإشعاع الحراري ، الذي يتوازى مع تكوين (تراكم) الأرض ، على أنه 19.4 * 10 38 إرج (19.4 * 10 31 ي) .

في توازن الطاقة الحديث للأرض ، تلعب الحرارة التراكمية على الأرجح دورًا ضئيلًا.