Геотермална енергия и методи за нейното извличане. Геотермална енергия напред

За Русия енергията на топлината на Земята може да се превърне в постоянен, надежден източник за осигуряване на евтина и достъпна електроенергия и топлина, като се използват нови високи, екологични технологии за нейното извличане и доставка на потребителя. Това е особено вярно в момента

Ограничени ресурси от изкопаеми енергийни суровини

Търсенето на органични енергийни суровини е голямо в индустриализираните и развиващите се страни (САЩ, Япония, страните от обединена Европа, Китай, Индия и др.). В същото време техните собствени въглеводородни ресурси в тези страни са или недостатъчни, или запазени, и държава, като Съединените щати, купува енергийни суровини в чужбина или разработва находища в други страни.

В Русия, една от най-богатите на енергийни ресурси страни, икономическите нужди от енергия все още се задоволяват от възможностите за използване на природни ресурси. Въпреки това извличането на изкопаеми въглеводороди от недрата се извършва с много бързи темпове. Ако през 1940-1960 г. Основните райони за добив на нефт са били „Вторият Баку“ във Волга и Предурал, след това, започвайки от 70-те години на миналия век и до днес, такава зона е Западен Сибир. Но дори и тук има значителен спад в производството на изкопаеми въглеводороди. Ерата на "сухия" сеномански газ си отива. Предишният етап на екстензивно развитие на производството на природен газ приключи. Добивът му от такива гигантски находища като Медвежье, Уренгойское и Ямбургское възлиза съответно на 84, 65 и 50%. Делът на петролните залежи, благоприятни за разработка, също намалява с времето.

Поради активното потребление на въглеводородни горива запасите на нефт и природен газ на сушата са значително намалени. Сега основните им запаси са съсредоточени на континенталния шелф. И въпреки че суровинната база на нефтената и газовата индустрия все още е достатъчна за производството на нефт и газ в Русия в необходимите обеми, в близко бъдеще тя ще бъде осигурена във все по-голяма степен чрез разработването на находища със сложен добив и геоложки условия. В същото време разходите за производство на въглеводороди ще растат.

Повечето от невъзобновяемите ресурси, извлечени от недрата, се използват като гориво за електроцентрали. На първо място, това е чийто дял в структурата на горивото е 64%.

В Русия 70% от електроенергията се произвежда в топлоелектрически централи. Енергийните предприятия на страната изгарят годишно около 500 милиона тона в.е. тона за производство на електроенергия и топлина, докато производството на топлина изразходва 3-4 пъти повече въглеводородно гориво от производството на електроенергия.

Количеството топлина, получено от изгарянето на тези обеми въглеводородни суровини, е еквивалентно на използването на стотици тонове ядрено гориво - разликата е огромна. Въпреки това ядрената енергетика изисква осигуряване на безопасност на околната среда (за да се предотврати повторение на Чернобил) и нейната защита от възможни терористични атаки, както и безопасно и скъпо извеждане от експлоатация на остарели и отработени ядрени енергийни блокове. Доказаните извличаеми запаси на уран в света са около 3 млн. 400 хил. т. За целия предходен период (до 2007 г.) са добити около 2 млн. т.

ВЕИ като бъдещето на световната енергетика

Повишеният интерес в света през последните десетилетия към алтернативните възобновяеми енергийни източници (ВЕИ) се дължи не само на изчерпването на запасите от въглеводородно гориво, но и на необходимостта от решаване на екологични проблеми. Обективните фактори (запасите от изкопаеми горива и уран, както и промените в околната среда, свързани с използването на традиционен огън и ядрена енергия) и тенденциите в развитието на енергетиката предполагат, че преходът към нови методи и форми за генериране на енергия е неизбежен. Още през първата половина на XXI век. ще има пълен или почти пълен преход към нетрадиционни източници на енергия.

Колкото по-бързо се направи пробив в тази насока, толкова по-малко болезнено ще бъде това за цялото общество и толкова по-полезно за държавата, в която ще се направят решителни стъпки в тази посока.

Световната икономика вече е определила курс за преход към рационално съчетаване на традиционни и нови енергийни източници. Потреблението на енергия в света към 2000 г. възлиза на повече от 18 милиарда тона еквивалент на гориво. тона, а потреблението на енергия до 2025 г. може да нарасне до 30–38 милиарда тона еквивалент на гориво. тона, според прогнозните данни, до 2050 г. е възможно потребление на ниво от 60 милиарда тона еквивалентно гориво. т. Характерна тенденция в развитието на световната икономика през разглеждания период е системното намаляване на потреблението на изкопаеми горива и съответно увеличаване на използването на нетрадиционни енергийни ресурси. Топлинната енергия на Земята заема едно от първите места сред тях.

В момента Министерството на енергетиката на Руската федерация е приело програма за развитие на нетрадиционната енергия, включваща 30 големи проекта за използване на термопомпени агрегати (HPU), чийто принцип се основава на потреблението на ниски потенциална топлинна енергия на Земята.

Нископотенциална енергия на земната топлина и термопомпи

Източниците на нископотенциална енергия на топлината на Земята са слънчевата радиация и топлинното излъчване на нагрятите недра на нашата планета. Понастоящем използването на такава енергия е една от най-динамично развиващите се области на енергията, базирана на възобновяеми енергийни източници.

Топлината на Земята може да се използва в различни видове сгради и съоръжения за отопление, топла вода, климатизация (охлаждане), както и за отопление на писти през зимния сезон, предотвратяване на заледяване, отопление на игрища на открити стадиони и др. В англоезичната техническа литература системите, оползотворяващи топлината на Земята в отоплителни и климатични системи, се наричат GHP - "геотермални термопомпи" (geothermal heat pumps). Климатичните характеристики на страните от Централна и Северна Европа, които заедно със САЩ и Канада са основните райони за използване на нискокачествена топлина на Земята, определят това главно за отопление; охлаждане на въздуха, дори през лятото, се налага относително рядко. Ето защо, за разлика от САЩ, термопомпите в европейските страни работят предимно в режим на отопление. В САЩ те се използват по-често в системи за въздушно отопление, комбинирани с вентилация, което позволява както отопление, така и охлаждане на външния въздух. В европейските страни термопомпите обикновено се използват в системи за отопление на вода. Тъй като тяхната ефективност се увеличава с намаляване на температурната разлика между изпарителя и кондензатора, системите за подово отопление често се използват за отопление на сгради, в които циркулира охлаждаща течност с относително ниска температура (35–40 ° C).

Видове системи за използване на нископотенциална енергия от топлината на Земята

В общия случай могат да се разграничат два вида системи за използване на нископотенциалната енергия на земната топлина:

- отворени системи: като източник на нискокачествена топлинна енергия се използват подземни води, които се подават директно към термопомпи;

- затворени системи: топлообменниците са разположени в почвения масив; когато през тях циркулира охлаждаща течност с температура по-ниска от земната, топлинната енергия се „отнема” от земята и се прехвърля към изпарителя на термопомпата (или когато се използва охлаждаща течност с по-висока температура спрямо земята, тя се охлажда ).

Недостатъците на отворените системи са, че кладенците изискват поддръжка. Освен това използването на такива системи не е възможно във всички области. Основните изисквания към почвата и подземните води са следните:

- достатъчна водопропускливост на почвата, позволяваща попълване на водните запаси;

– добър химичен състав на подпочвените води (напр. ниско съдържание на желязо), за да се избегнат проблеми с котлен камък и корозия в тръбите.

Затворени системи за използване на нископотенциална енергия от топлината на Земята

Затворените системи са хоризонтални и вертикални (Фигура 1).

Ориз. 1. Схема на геотермална термопомпена инсталация с: а - хоризонтална

и b - вертикални земни топлообменници.

Хоризонтален земен топлообменник

В страните от Западна и Централна Европа хоризонталните наземни топлообменници обикновено представляват отделни тръби, положени сравнително плътно и свързани една с друга последователно или паралелно (фиг. 2).

Ориз. 2. Хоризонтални наземни топлообменници с: а - последователни и

b - паралелна връзка.

За да се спести площта на обекта, където се отстранява топлината, са разработени подобрени видове топлообменници, например топлообменници под формата на спирала (фиг. 3), разположени хоризонтално или вертикално. Тази форма на топлообменници е често срещана в САЩ.

геотермална енергия- това е енергията на топлината, която се отделя от вътрешните зони на Земята в продължение на стотици милиони години. Според геоложки и геофизични изследвания температурата в ядрото на Земята достига 3000-6000 °C, като постепенно намалява в посока от центъра на планетата към нейната повърхност. Изригването на хиляди вулкани, движението на блокове от земната кора, земетресенията свидетелстват за действието на мощната вътрешна енергия на Земята. Учените смятат, че топлинното поле на нашата планета се дължи на радиоактивен разпад в нейните дълбини, както и на гравитационното отделяне на материята на ядрото.
Основните източници на отопление на недрата на планетата са уран, торий и радиоактивен калий. Процесите на радиоактивно разпадане на континентите протичат главно в гранитния слой на земната кора на дълбочина 20-30 km или повече, в океаните - в горната мантия. Предполага се, че в дъното на земната кора на дълбочина 10-15 km вероятната стойност на температурата на континентите е 600-800 ° C, а в океаните - 150-200 ° C.
Човек може да използва геотермална енергия само там, където тя се проявява близо до повърхността на Земята, т.е. в зони на вулканична и сеизмична активност. Сега геотермалната енергия се използва ефективно от такива страни като САЩ, Италия, Исландия, Мексико, Япония, Нова Зеландия, Русия, Филипините, Унгария, Ел Салвадор. Тук вътрешната топлина на земята се издига до самата повърхност под формата на гореща вода и пара с температура до 300 ° C и често избухва като топлина от бликащи източници (гейзери), например известните гейзери на Йелоустоунския парк в САЩ, гейзерите на Камчатка, Исландия.
Геотермални източници на енергияразделени на суха гореща пара, мокра гореща пара и гореща вода. Кладенецът, който е важен източник на енергия за електрическата железница в Италия (близо до Larderello), се захранва от суха гореща пара от 1904 г. Други две добре известни места в света с гореща суха пара са находището Мацукава в Япония и гейзерното поле близо до Сан Франциско, където геотермалната енергия също се използва ефективно от дълго време. Най-много в света на влажна гореща пара се намира в Нова Зеландия (Wairakei), геотермални полета с малко по-малка мощност - в Мексико, Япония, Ел Салвадор, Никарагуа, Русия.
По този начин могат да се разграничат четири основни вида геотермални енергийни ресурси:
повърхностна топлина на земята, използвана от термопомпи;
енергийни ресурси на пара, гореща и топла вода в близост до земната повърхност, които сега се използват за производството на електрическа енергия;
топлина, концентрирана дълбоко под повърхността на земята (може би при липса на вода);
магма енергия и топлина, която се натрупва под вулкани.

Геотермалните топлинни резерви (~ 8 * 1030J) са 35 милиарда пъти повече от годишното световно потребление на енергия. Само 1% от геотермалната енергия на земната кора (дълбочина 10 km) може да осигури количество енергия, което е 500 пъти по-голямо от всички световни запаси от нефт и газ. Днес обаче само малка част от тези ресурси могат да бъдат използвани и това се дължи преди всичко на икономически причини. Началото на индустриалното развитие на геотермалните ресурси (енергия на горещи дълбоки води и пара) е поставено през 1916 г., когато в Италия е пусната в експлоатация първата геотермална електроцентрала с мощност 7,5 MW. През изминалото време е натрупан значителен опит в областта на практическото развитие на геотермалните енергийни ресурси. Общата инсталирана мощност на действащите геотермални електроцентрали (ГеоТЕЦ) е: 1975 г. - 1278 MW, през 1990 г. - 7300 MW. Най-голям напредък по този въпрос са постигнали САЩ, Филипините, Мексико, Италия и Япония.
Техническите и икономически параметри на GeoTPP варират в доста широк диапазон и зависят от геоложките характеристики на района (дълбочина на поява, параметри на работния флуид, неговия състав и др.). За по-голямата част от пуснатите в експлоатация геоТЕЦ цената на електроенергията е подобна на цената на електроенергията, произведена в ТЕЦ, работещи с въглища, и възлиза на 1200 ... 2000 щатски долара / MW.
В Исландия 80% от жилищните сгради се отопляват с гореща вода, извлечена от геотермални кладенци под град Рейкявик. В западните Съединени щати около 180 домове и ферми се отопляват с геотермална гореща вода. Според експерти между 1993 г. и 2000 г. световното производство на електроенергия от геотермална енергия се е увеличило повече от два пъти. В Съединените щати има толкова много запаси от геотермална топлина, че теоретично може да осигури 30 пъти повече енергия, отколкото държавата консумира в момента.
В бъдеще е възможно да се използва топлината на магмата в тези области, където тя се намира близо до повърхността на Земята, както и сухата топлина на нагретите кристални скали. В последния случай се пробиват кладенци на няколко километра, студената вода се изпомпва надолу и горещата се връща обратно.

Терминът „геотермална енергия“ идва от гръцките думи земя (гео) и термален (топлинен). Всъщност, геотермалната енергия идва от самата земя. Топлината от ядрото на земята, чиято средна температура е 3600 градуса по Целзий, се излъчва към повърхността на планетата.

Подгряването на извори и гейзери под земята на дълбочина от няколко километра може да се извърши с помощта на специални кладенци, през които гореща вода (или пара от нея) тече към повърхността, където може да се използва директно като топлина или индиректно за генериране на електричество чрез включване въртящи се турбини.

Тъй като водата под земната повърхност непрекъснато се допълва и ядрото на земята ще продължи да генерира топлина спрямо човешкия живот за неопределено време, геотермалната енергия в крайна сметка ще чисти и възобновяеми.

Методи за събиране на енергийните ресурси на Земята

Днес има три основни метода за събиране на геотермална енергия: суха пара, гореща вода и бинарен цикъл. Процесът със суха пара директно задвижва турбинните задвижвания на електрогенераторите. Горещата вода влиза отдолу нагоре, след което се пръска в резервоара, за да създаде пара, която да задвижва турбините. Тези два метода са най-често срещаните, генериращи стотици мегавати електроенергия в САЩ, Исландия, Европа, Русия и други страни. Но местоположението е ограничено, тъй като тези централи работят само в тектонични региони, където е по-лесен достъпът до топла вода.

С технологията на бинарния цикъл топла (не непременно гореща) вода се извлича на повърхността и се комбинира с бутан или пентан, който има ниска точка на кипене. Тази течност се изпомпва през топлообменник, където се изпарява и се изпраща през турбина, преди да бъде рециркулирана обратно в системата. Технологията на бинарния цикъл осигурява десетки мегавати електроенергия в САЩ: Калифорния, Невада и Хавайските острови.

Принципът на получаване на енергия

Недостатъци на получаването на геотермална енергия

На полезно ниво геотермалните електроцентрали са скъпи за изграждане и експлоатация. Намирането на подходящо местоположение изисква скъпи проучвания на кладенци без гаранция за постигане на продуктивна подземна гореща точка. Въпреки това анализаторите очакват този капацитет почти да се удвои през следващите шест години.

Освен това райони с висока температура на подземен източник се намират в райони с активни геоложки и химически вулкани. Тези "горещи точки" се образуват на границите на тектоничните плочи на места, където кората е доста тънка. Тихият океан често се нарича огнен пръстен за много вулкани, където има много горещи точки, включително тези в Аляска, Калифорния и Орегон. Невада има стотици горещи точки, покриващи по-голямата част от северната част на САЩ.

Има и други сеизмично активни зони. Земетресенията и движението на магмата позволяват на водата да циркулира. На някои места водата излиза на повърхността и се появяват естествени горещи извори и гейзери, като например в Камчатка. Водата в гейзерите на Камчатка достига 95°C.

Един от проблемите с отворените гейзерни системи е изпускането на определени замърсители на въздуха. Сероводород - токсичен газ с много разпознаваема миризма на "развалени яйца" - малки количества арсен и минерали, отделяни с пара. Солта също може да представлява екологичен проблем.

В офшорните геотермални електроцентрали значително количество интерферираща сол се натрупва в тръбите. В затворените системи няма емисии и цялата течност, изведена на повърхността, се връща обратно.

Икономически потенциал на енергийния ресурс

Сеизмично активните петна не са единствените места, където може да се намери геотермална енергия. Има постоянен запас от използваема топлина за директно отопление на дълбочини от 4 метра до няколко километра под повърхността практически навсякъде по земята. Дори земята в собствения заден двор или в местно училище има икономическия потенциал да осигурява топлина на дом или други сгради.

В допълнение, има огромно количество топлинна енергия в сухи скални образувания много дълбоко под повърхността (4 - 10 km).

Използването на нова технология може да разшири геотермалните системи, където хората могат да използват тази топлина за генериране на електричество в много по-голям мащаб от конвенционалната технология. Първите демонстрационни проекти на този принцип на генериране на електроенергия са показани в САЩ и Австралия още през 2013 г.

Ако пълният икономически потенциал на геотермалните ресурси може да бъде реализиран, той ще представлява огромен източник на електроенергия за производствен капацитет. Учените предполагат, че конвенционалните геотермални източници имат потенциал от 38 000 MW, което може да произвежда 380 милиона MW електроенергия годишно.

Горещи сухи скали се срещат на дълбочини от 5 до 8 km навсякъде под земята и на по-малки дълбочини на определени места. Достъпът до тези ресурси включва въвеждането на студена вода, циркулираща през горещи скали, и отстраняването на нагрятата вода. В момента няма търговско приложение на тази технология. Съществуващите технологии все още не позволяват възстановяване на топлинна енергия директно от магма, много дълбоко, но това е най-мощният ресурс на геотермална енергия.

С комбинацията от енергийни ресурси и своята последователност геотермалната енергия може да играе незаменима роля като по-чиста и по-устойчива енергийна система.

Конструкции на геотермални електроцентрали

Геотермалната енергия е чиста и устойчива топлина от Земята. По-големите ресурси варират от няколко километра под земната повърхност и дори по-дълбоко до високотемпературна разтопена скала, наречена магма. Но както беше описано по-горе, хората все още не са достигнали магмата.

Три проекта на геотермални електроцентрали

Технологията на приложение се определя от ресурса. Ако водата идва от кладенеца като пара, тя може да се използва директно. Ако горещата вода е достатъчно висока, тя трябва да премине през топлообменника.

Първият кладенец за производство на електроенергия е пробит преди 1924 г. По-дълбоки кладенци са пробити през 50-те години на миналия век, но истинското развитие се осъществява през 70-те и 80-те години на миналия век.

Директно използване на геотермална топлина

Геотермалните източници могат да се използват и директно за отопление. Горещата вода се използва за отопление на сгради, отглеждане на растения в оранжерии, сушене на риба и култури, подобряване на производството на масло, подпомагане на промишлени процеси като млечни пастьоризатори и затопляне на вода в рибни ферми. В САЩ Кламат Фолс, Орегон и Бойс, Айдахо използват геотермална вода за отопление на домове и сгради повече от век. На източното крайбрежие, град Уорм Спрингс, Вирджиния, получава топлина директно от изворна вода, използвайки източници на топлина в един от местните курорти.

В Исландия почти всяка сграда в страната се отоплява с гореща изворна вода. Всъщност Исландия получава повече от 50 процента от първичната си енергия от геотермални източници. В Рейкявик, например (население 118 000), топлата вода се пренася на 25 километра по конвейер и жителите я използват за отопление и природни нужди.

Нова Зеландия получава допълнително 10% от електроенергията си. е слабо развит, въпреки наличието на термални води.

Доктор на техническите науки НА. Кълна се, професоре,
Академик на Руската академия на техническите науки, Москва

През последните десетилетия светът обмисля посоката на по-ефективно използване на енергията от дълбоката топлина на Земята, за да замени частично природния газ, нефта и въглищата. Това ще стане възможно не само в райони с високи геотермални параметри, но и във всяка област на земното кълбо при пробиване на инжекционни и производствени кладенци и създаване на циркулационни системи между тях.

Повишеният интерес към алтернативните енергийни източници в света през последните десетилетия се дължи на изчерпването на запасите от въглеводородно гориво и необходимостта от решаване на редица екологични проблеми. Обективните фактори (запасите от изкопаеми горива и уран, както и промените в околната среда, причинени от традиционния огън и ядрената енергия) ни позволяват да твърдим, че преходът към нови методи и форми на производство на енергия е неизбежен.

В момента световната икономика се насочва към преход към рационално съчетаване на традиционни и нови енергийни източници. Топлината на Земята заема едно от първите места сред тях.

Геотермалните енергийни ресурси се делят на хидрогеоложки и петрогеотермални. Първите от тях са представени от топлоносители (съставляващи само 1% от общите геотермални енергийни ресурси) - подземни води, пара и пароводни смеси. Втората е геотермална енергия, съдържаща се в горещи скали.

Използваната у нас и в чужбина фонтанна технология (саморазлив) за добив на естествена пара и геотермални води е проста, но неефективна. При нисък дебит на самотечни кладенци, тяхното производство на топлина може да компенсира разходите за пробиване само на малка дълбочина на геотермални резервоари с високи температури в зони на топлинни аномалии. Срокът на експлоатация на такива кладенци в много страни дори не достига 10 години.

В същото време опитът потвърждава, че при наличието на плитки колектори на естествена пара, изграждането на геотермална централа е най-изгодният вариант за използване на геотермална енергия. Експлоатацията на такива ГеоТЕЦ показа тяхната конкурентоспособност в сравнение с други видове електроцентрали. Следователно използването на запаси от геотермални води и парни хидротерми в нашата страна на полуостров Камчатка и на островите от веригата Курил, в районите на Северен Кавказ, а също и вероятно в други райони, е целесъобразно и навременно. Но находищата на пара са рядкост, нейните известни и прогнозирани запаси са малки. Много по-често срещаните находища на топлина и вода не винаги са разположени достатъчно близо до потребителя - обекта на топлоснабдяване. Това изключва възможността за широкомащабно тяхното ефективно използване.

Често проблемите с борбата с мащабирането се превръщат в сложен проблем. Използването на геотермални, като правило, минерализирани източници като топлоносител води до обрастване на сондажни зони с железен оксид, калциев карбонат и силикатни образувания. В допълнение, проблемите с ерозия-корозия и котлен камък влияят неблагоприятно на работата на оборудването. Проблем е и заустването на минерализирани и отпадъчни води, съдържащи токсични примеси. Следователно най-простата технология на фонтаните не може да служи като основа за широкото развитие на геотермалните ресурси.

По предварителни оценки на територията на Руската федерация прогнозните запаси от термални води с температура 40–250 °C, соленост 35–200 g/l и дълбочина до 3000 m са 21–22 милиона m3/ден, което е еквивалентно на изгаряне на 30–40 милиона тона вода. през годината.

Прогнозираните запаси на паровъздушна смес с температура 150-250 °C на полуостров Камчатка и Курилските острови са 500 хиляди m3/ден. и запаси от термални води с температура 40-100 ° C - 150 хил. m3 / ден.

Запасите от термални води с дебит около 8 млн. m3/ден, със соленост до 10 g/l и температура над 50 °C се считат за приоритетни за разработка.

От много по-голямо значение за енергията на бъдещето е добивът на топлинна енергия, практически неизчерпаеми петрогеотермални ресурси. Тази геотермална енергия, затворена в твърди горещи скали, е 99% от общите ресурси на подземна топлинна енергия. На дълбочина до 4-6 km масиви с температура 300-400 °C се срещат само в близост до междинните камери на някои вулкани, но горещи скали с температура 100-150 °C са разпространени почти навсякъде при тези дълбочини и с температура 180-200 °C в доста значителна част от територията на Русия.

В продължение на милиарди години ядрени, гравитационни и други процеси вътре в Земята са генерирали и продължават да генерират топлинна енергия. Част от нея се излъчва в открития космос, а топлината се акумулира в дълбините, т.е. топлинното съдържание на твърдата, течната и газообразната фаза на земната материя се нарича геотермална енергия.

Непрекъснатото генериране на вътрешноземна топлина компенсира нейните външни загуби, служи като източник на акумулиране на геотермална енергия и определя възобновяемата част от нейните ресурси. Общото отвеждане на топлина от вътрешността към земната повърхност е три пъти по-високо от сегашния капацитет на електроцентралите в света и се оценява на 30 TW.

Ясно е обаче, че възобновяемостта има значение само за ограничени природни ресурси, а общият потенциал на геотермалната енергия е практически неизчерпаем, тъй като трябва да се дефинира като общото количество топлина, налично на Земята.

Неслучайно през последните десетилетия светът обмисля посоката на по-ефективно използване на енергията от дълбоката топлина на Земята, за да замени частично природния газ, нефта и въглищата. Това ще стане възможно не само в райони с високи геотермални параметри, но и във всяка област на земното кълбо при пробиване на инжекционни и производствени кладенци и създаване на циркулационни системи между тях.

Разбира се, при ниска топлопроводимост на скалите, за ефективната работа на циркулационните системи е необходимо да има или да се създаде достатъчно развита топлообменна повърхност в зоната за извличане на топлина. Такава повърхност често се среща в порести образувания и зони на естествена устойчивост на разрушаване, които често се намират на горните дълбочини, чиято пропускливост позволява да се организира принудително филтриране на охлаждащата течност с ефективно извличане на скална енергия, както и изкуствено създаване на обширна топлообменна повърхност в нископропускливи порести масиви чрез хидравлично разбиване (виж фигурата).

Понастоящем хидравличното разбиване се използва в нефтената и газовата промишленост като начин за увеличаване на пропускливостта на резервоара за подобряване на добива на нефт при разработването на нефтени находища. Съвременната технология дава възможност да се създаде тясна, но дълга пукнатина или къса, но широка. Известни са примери за хидравлични фрактури с пукнатини с дължина до 2-3 км.

Вътрешната идея за извличане на основните геотермални ресурси, съдържащи се в твърди скали, е изразена още през 1914 г. от K.E. Обручев.

През 1963 г. в Париж е създаден първият GCC за извличане на топлина от порести формационни скали за отопление и климатизация в помещенията на комплекса Broadcasting Chaos. През 1985 г. във Франция вече работят 64 GCC с общ топлинен капацитет от 450 MW, с годишно спестяване на приблизително 150 000 тона петрол. През същата година е създаден първият такъв GCC в СССР в долината Ханкала близо до град Грозни.

През 1977 г., съгласно проекта на Националната лаборатория в Лос Аламос на САЩ, на площадката Fenton Hill в щата Ню Мексико започнаха тестове на експериментален GCC с хидравлично разбиване на почти непропусклив масив. Студената прясна вода, инжектирана през кладенеца (инжекция), се нагрява поради топлообмен със скална маса (185 OC) във вертикална пукнатина с площ от 8000 m2, образувана чрез хидравлично разбиване на дълбочина 2,7 km. В друг кладенец (производствен), също пресичащ тази пукнатина, прегрята вода излиза на повърхността под формата на парна струя. При циркулация в затворена верига под налягане температурата на прегрятата вода на повърхността достига 160-180 °C, а топлинната мощност на системата - 4-5 MW. Течовете на охлаждаща течност в околния масив са около 1% от общия поток. Концентрацията на механични и химични примеси (до 0,2 g/l) съответства на условията на прясна питейна вода. Хидравличната фрактура не изискваше фиксиране и се поддържаше отворена от хидростатичното налягане на течността. Развиващата се в него свободна конвекция осигурява ефективно участие в топлообмена на почти цялата повърхност на разкритието на горещата скална маса.

Извличането на подземна топлинна енергия от горещи непропускливи скали, базирано на методите на наклонено сондиране и хидравлично разбиване, които са усвоени и практикувани в нефтената и газовата индустрия от дълго време, не е причинило сеизмична активност или други вредни ефекти върху околен свят.

През 1983 г. британски учени повториха американския опит, като създадоха експериментален GCC с хидравлично разбиване на гранити в Карнуел. Подобна работа е извършена в Германия, Швеция. В САЩ са реализирани повече от 224 проекта за геотермално отопление. Предполага се обаче, че геотермалните ресурси могат да осигурят по-голямата част от бъдещите нужди на САЩ от неелектрическа топлинна енергия. В Япония капацитетът на GeoTPP през 2000 г. достигна приблизително 50 GW.

В момента изследванията и проучването на геотермалните ресурси се извършват в 65 страни. В света на базата на геотермална енергия са създадени станции с обща мощност около 10 GW. ООН активно подкрепя развитието на геотермалната енергия.

Опитът, натрупан в много страни по света в използването на геотермални охлаждащи течности, показва, че при благоприятни условия те са 2-5 пъти по-рентабилни от топлинните и атомните електроцентрали. Изчисленията показват, че един геотермален сондаж може да замени 158 хиляди тона въглища годишно.

По този начин топлината на Земята е може би единственият голям възобновяем енергиен ресурс, чието рационално развитие обещава да намали цената на енергията в сравнение със съвременната енергия от гориво. С еднакво неизчерпаем енергиен потенциал слънчевите и термоядрените инсталации, за съжаление, ще бъдат по-скъпи от съществуващите горивни.

Въпреки много дългата история на развитие на топлината на Земята, днес геотермалната технология все още не е достигнала своето високо развитие. Развитието на топлинната енергия на Земята изпитва големи трудности при изграждането на дълбоки кладенци, които са канал за извеждане на охлаждащата течност на повърхността. Поради високата температура на дъното на отвора (200-250 °C) традиционните инструменти за рязане на скали са неподходящи за работа при такива условия, има специални изисквания за избор на сондажни и обсадни тръби, циментови суспензии, технология за сондиране, обшивка на кладенци и завършване. Битовото измервателно оборудване, серийно работно оборудване и оборудване се произвеждат в дизайн, който позволява температури не по-високи от 150-200 ° C. Традиционното дълбоко механично пробиване на кладенци понякога се забавя с години и изисква значителни финансови разходи. В основните производствени активи цената на кладенците е от 70 до 90%. Този проблем може и трябва да бъде решен само чрез създаване на прогресивна технология за разработване на основната част от геотермалните ресурси, т.е. извличане на енергия от горещи скали.

Нашата група от руски учени и специалисти повече от една година се занимава с проблема за извличане и използване на неизчерпаемата, възобновяема дълбока топлинна енергия на горещите скали на Земята на територията на Руската федерация. Целта на работата е да се създадат на базата на местни високи технологии технически средства за дълбоко проникване в недрата на земната кора. В момента са разработени няколко варианта на сондажни инструменти (BS), които нямат аналози в световната практика.

Работата на първата версия на BS е свързана с настоящата конвенционална технология за пробиване на кладенци. Скорост на пробиване на твърди скали (средна плътност 2500-3300 kg/m3) до 30 m/h, диаметър на отвора 200-500 mm. Вторият вариант на BS извършва сондиране на кладенци в автономен и автоматичен режим. Пускането се извършва от специална стартово-приемателна платформа, от която се контролира движението му. Хиляда метра BS в твърди скали ще могат да преминат в рамките на няколко часа. Диаметър на кладенеца от 500 до 1000 mm. Вариантите на BS за многократна употреба имат голяма рентабилност и огромна потенциална стойност. Въвеждането на BS в производството ще отвори нов етап в изграждането на кладенци и ще осигури достъп до неизчерпаеми източници на топлинна енергия на Земята.

За нуждите на топлоснабдяването необходимата дълбочина на кладенците в цялата страна е в диапазона до 3-4,5 хиляди метра и не надвишава 5-6 хиляди метра.Температурата на топлоносителя за жилищно и комунално топлоснабдяване не надвишава 150 °C. За промишлени съоръжения температурата по правило не надвишава 180-200 °C.

Целта на създаването на GCC е да осигури постоянна, достъпна и евтина топлина за отдалечени, труднодостъпни и неразвити региони на Руската федерация. Продължителността на експлоатация на GCS е 25-30 години или повече. Срокът на изплащане на станциите (като се вземат предвид най-новите сондажни технологии) е 3-4 години.

Създаването в Руската федерация през следващите години на подходящи мощности за използване на геотермална енергия за неелектрически нужди ще замени около 600 милиона тона еквивалентно гориво. Спестяванията могат да достигнат до 2 трилиона рубли.

До 2030 г. става възможно да се създадат енергийни мощности, които да заменят енергията на огъня с до 30%, а до 2040 г. почти напълно да се премахнат органичните суровини като гориво от енергийния баланс на Руската федерация.

Литература

1. Гончаров С.А. Термодинамика. Москва: МГТУим. Н.Е. Бауман, 2002. 440 с.

2. Дядкин Ю.Д. и др. Геотермална термична физика. Санкт Петербург: Наука, 1993. 255 с.

3. Минерално-суровинна база на горивно-енергийния комплекс на Русия. Състояние и прогноза / V.K. Branchhugov, E.A. Гаврилов, В.С. Литвиненко и др., изд. В.З. Гарипова, Е.А. Козловски. М. 2004. 548 с.

4. Новиков Г. П. и др., Сондажни кладенци за термални води. М.: Недра, 1986. 229 с.

ТЯХ. Капитонов

Ядрената топлина на Земята

Земна топлина

Земята е доста силно нагрято тяло и е източник на топлина. Той се нагрява предимно поради слънчевата радиация, която абсорбира. Но Земята има и собствен топлинен ресурс, сравним с топлината, получена от Слънцето. Смята се, че тази собствена енергия на Земята има следния произход. Земята е възникнала преди около 4,5 милиарда години след образуването на Слънцето от протопланетарен газово-прахов диск, който се върти около него и се кондензира. На ранен етап от своето формиране земното вещество е било нагрято поради относително бавно гравитационно свиване. Важна роля в топлинния баланс на Земята играе и енергията, отделяна при падането на малки космически тела върху нея. Следователно младата Земя беше разтопена. Охлаждайки, той постепенно достига сегашното си състояние с твърда повърхност, значителна част от която е покрита от океански и морски води. Този твърд външен слой се нарича земната кораи средно на сушата дебелината му е около 40 km, а под океанските води - 5-10 km. По-дълбокият слой на земята, т.нар мантиясъщо се състои от твърдо тяло. Тя се простира на дълбочина от почти 3000 km и съдържа по-голямата част от материята на Земята. И накрая, най-вътрешната част на Земята е нейната ядро. Състои се от два слоя - външен и вътрешен. външно ядротова е слой от разтопено желязо и никел при температура 4500-6500 К с дебелина 2000-2500 км. вътрешно ядрос радиус от 1000-1500 km е твърда желязо-никелова сплав, нагрята до температура от 4000-5000 K с плътност около 14 g / cm 3, възникнала при огромно (почти 4 милиона бара) налягане.
В допълнение към вътрешната топлина на Земята, наследена от най-ранния горещ етап на нейното формиране и чието количество трябва да намалява с времето, има още една - дългосрочна, свързана с радиоактивния разпад на ядрата с дълга половина -живот - преди всичко 232 Th, 235 U, 238 U и 40 K. Енергията, освободена при тези разпадания - те съставляват почти 99% от радиоактивната енергия на Земята - постоянно попълва топлинните запаси на Земята. Горните ядра се съдържат в кората и мантията. Техният разпад води до нагряване както на външните, така и на вътрешните слоеве на Земята.
Част от огромната топлина, съдържаща се в Земята, постоянно излиза на нейната повърхност, често при много мащабни вулканични процеси. Известен е топлинният поток, протичащ от дълбините на Земята през нейната повърхност. Тя е (47±2)·10 12 вата, което е еквивалентно на топлината, която могат да генерират 50 хиляди АЕЦ (средната мощност на една АЕЦ е около 10 9 вата). Възниква въпросът дали радиоактивната енергия играе някаква значителна роля в общия топлинен бюджет на Земята и ако да, каква? Отговорът на тези въпроси остана неизвестен дълго време. Сега има възможности да се отговори на тези въпроси. Ключовата роля тук принадлежи на неутрино (антинеутрино), които се раждат в процесите на радиоактивен разпад на ядрата, изграждащи материята на Земята и които се наричат гео-неутрино.

Гео-неутрино

Гео-неутриное комбинираното наименование на неутрино или антинеутрино, които се излъчват в резултат на бета разпада на ядра, намиращи се под земната повърхност. Очевидно, поради безпрецедентната проникваща способност, регистрирането на тези (и само тях) от наземни детектори за неутрино може да предостави обективна информация за процесите на радиоактивен разпад, протичащи дълбоко в Земята. Пример за такъв разпад е β - разпадането на ядрото 228 Ra, което е продукт на α разпадането на дългоживеещото ядро 232 Th (виж таблицата):

Времето на полуразпад (T 1/2) на ядрото 228 Ra е 5,75 години, а освободената енергия е около 46 keV. Енергийният спектър на антинеутриното е непрекъснат с горна граница, близка до освободената енергия.
Разпадите на ядрата 232 Th, 235 U, 238 U са вериги от последователни разпади, които образуват т.нар. радиоактивни серии. В такива вериги α-разпаданията са осеяни с β − -разпадания, тъй като при α-разпаданията крайните ядра се оказват изместени от линията на β-стабилност към областта на ядрата, претоварени с неутрони. След верига от последователни разпади в края на всеки ред се образуват стабилни ядра с брой протони и неутрони, близък или равен на магическите числа (Z = 82,н= 126). Такива крайни ядра са стабилни изотопи на олово или бисмут. Така разпадането на T 1/2 завършва с образуването на двойно магическо ядро 208 Pb, а по пътя 232 Th → 208 Pb се появяват шест α-разпада, редуващи се с четири β - разпада (във веригата 238 U → 206 Pb, осем α- и шест β - - разпада; има седем α- и четири β − разпада във веригата 235 U → 207 Pb). По този начин, енергийният спектър на антинеутриното от всяка радиоактивна серия е суперпозиция на частични спектри от отделни β-разпадания, които съставляват тази серия. Спектрите на антинеутрино, получени при разпадане на 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, са показани на фиг. 1. Разпадът при 40 K е единичен β − разпад (виж таблицата). Антинеутриното достигат най-високата си енергия (до 3,26 MeV) при разпадането
214 Bi → 214 Po, което е връзка в радиоактивната серия 238 U. Общата енергия, освободена по време на преминаването на всички връзки на разпадане в серията 232 Th → 208 Pb, е 42,65 MeV. За радиоактивните серии 235 U и 238 U тези енергии са съответно 46,39 и 51,69 MeV. Енергия, освободена при разпад
40 K → 40 Ca е 1,31 MeV.

Характеристики на ядрата 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

Ядро	дял в % в смес изотопи	Брой ядра се отнася. Si ядра	Т 1/2 милиарди години
232-то	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6,48 10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40K	0.0117	0.440	1.25

Оценката на потока геонеутрино, направена на базата на разпадането на ядрата 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, съдържащи се в състава на земната материя, води до стойност от порядъка на 10 6 cm. -2 сек -1 . Чрез регистриране на тези гео-неутрино може да се получи информация за ролята на радиоактивната топлина в общия топлинен баланс на Земята и да се проверят нашите представи за съдържанието на дългоживеещи радиоизотопи в земната материя.

Ориз. 1. Енергийни спектри на антинеутрино от ядрен разпад

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, нормализирани към един разпад на родителското ядро

Реакцията се използва за регистриране на електронни антинеутрино

P → e + + n, (1)

в който всъщност е открита тази частица. Прагът на тази реакция е 1,8 MeV. Следователно само гео-неутрино, образувани във вериги на разпад, започващи от 232 Th и 238 U ядра, могат да бъдат регистрирани в горната реакция. Ефективното напречно сечение на обсъжданата реакция е изключително малко: σ ≈ 10 -43 cm 2. Оттук следва, че детектор за неутрино с чувствителен обем от 1 m 3 ще регистрира не повече от няколко събития годишно. Очевидно за надеждна фиксация на потоците гео-неутрино са необходими детектори за неутрино с голям обем, разположени в подземни лаборатории за максимална защита от фона. Идеята да се използват детектори, предназначени за изследване на слънчеви и реакторни неутрино за регистриране на гео-неутрино, възниква през 1998 г. В момента има два детектора за неутрино с голям обем, използващи течен сцинтилатор и подходящи за решаване на проблема. Това са детекторите за неутрино от експериментите KamLAND (Япония, ) и Borexino (Италия, ). По-долу разглеждаме устройството на детектора Borexino и резултатите, получени на този детектор при регистриране на геонеутрино.

Borexino детектор и регистрация на гео-неутрино

Детекторът за неутрино Borexino се намира в централна Италия в подземна лаборатория под планинската верига Гран Сасо, чиито планински върхове достигат 2,9 км (фиг. 2).

Ориз. Фиг. 2. Схема на местоположението на лабораторията за неутрино под планинската верига Гран Сасо (централна Италия)

Borexino е несегментиран масивен детектор, чиято активна среда е
280 тона органичен течен сцинтилатор. Той запълваше найлонов сферичен съд с диаметър 8,5 m (фиг. 3). Сцинтилаторът беше псевдокумен (C 9 H 12) с добавка на PPO с изместване на спектъра (1.5 g/L). Светлината от сцинтилатора се събира от 2212 осем-инчови фотоумножители (PMT), поставени върху сфера от неръждаема стомана (SSS).

Ориз. 3. Схема на устройството на детектора Borexino

Найлонов съд с псевдокумен е вътрешен детектор, чиято задача е да регистрира неутрино (антинеутрино). Вътрешният детектор е заобиколен от две концентрични буферни зони, които го предпазват от външни гама лъчи и неутрони. Вътрешната зона е изпълнена с несцинтилираща среда, състояща се от 900 тона псевдокумол с диметилфталатни добавки за гасене на сцинтилациите. Външната зона е разположена на върха на SNS и представлява воден детектор на Черенков, съдържащ 2000 тона свръхчиста вода и прекъсващ сигналите от мюони, влизащи в съоръжението отвън. За всяко взаимодействие, възникващо във вътрешния детектор, се определят енергията и времето. Калибрирането на детектора с помощта на различни радиоактивни източници позволи много точно да се определи неговата енергийна скала и степента на възпроизводимост на светлинния сигнал.
Borexino е детектор с много висока радиационна чистота. Всички материали бяха стриктно подбрани и сцинтилаторът беше почистен, за да се минимизира вътрешният фон. Поради високата си чистота на излъчване, Borexino е отличен детектор за откриване на антинеутрино.
В реакция (1) позитронът дава мигновен сигнал, който след известно време е последван от улавяне на неутрон от водородно ядро, което води до появата на γ-квант с енергия 2,22 MeV, който създава сигнал със закъснение спрямо първия. В Borexino времето за улавяне на неутрони е около 260 μs. Моментните и забавените сигнали са корелирани в пространството и времето, осигурявайки точно разпознаване на събитието, причинено от e .
Прагът за реакция (1) е 1,806 MeV и, както може да се види от фиг. 1, всички гео-неутрино от разпада на 40 K и 235 U са под този праг и само част от гео-неутрино, които произлизат от разпада на 232 Th и 238 U, могат да бъдат открити.
Детекторът Borexino за първи път откри сигнали от гео-неутрино през 2010 г. и наскоро публикува нови резултати, базирани на наблюдения в продължение на 2056 дни от декември 2007 г. до март 2015 г. По-долу представяме получените данни и резултатите от тяхното обсъждане въз основа на статия.
В резултат на анализа на експерименталните данни бяха идентифицирани 77 кандидати за електронни антинеутрино, които преминаха всички критерии за подбор. Фонът от събития, симулиращи e, беше оценен от . По този начин съотношението сигнал/фон беше ≈100.
Основният фонов източник беше реакторното антинеутрино. За Borexino ситуацията беше доста благоприятна, тъй като в близост до лабораторията на Гран Сасо няма ядрени реактори. В допълнение, реакторните антинеутрино са по-енергични от гео-неутрино, което направи възможно отделянето на тези антинеутрино от позитрона чрез силата на сигнала. Резултатите от анализа на приноса на гео-неутрино и реакторни антинеутрино към общия брой регистрирани събития от e са показани на фиг. 4. Броят на регистрираните гео-неутрино, даден от този анализ (защрихованата област съответства на тях на фиг. 4) е равен на . В спектъра на извлечените в резултат на анализа геонеутрино се виждат две групи - по-малко енергийни, по-интензивни и по-енергични, по-малко интензивни. Авторите на описаното изследване свързват тези групи с разпадите съответно на торий и уран.
В обсъждания анализ използвахме съотношението на масите на торий и уран в материята на Земята
m(Th)/m(U) = 3,9 (в таблицата тази стойност е ≈3,8). Тази цифра отразява относителното съдържание на тези химични елементи в хондритите - най-често срещаната група метеорити (повече от 90% от метеоритите, паднали на Земята, принадлежат към тази група). Смята се, че съставът на хондритите, с изключение на леките газове (водород и хелий), повтаря състава на Слънчевата система и протопланетарния диск, от който се е образувала Земята.

Ориз. Фиг. 4. Спектър на светлинния изход от позитрони в единици брой фотоелектрони за антинеутрино кандидат събития (експериментални точки). Защрихованата област е приносът на гео-неутрино. Плътната линия е приносът на реакторните антинеутрино.