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.

Топлината на земята. Възможни източници на вътрешна топлина

Геотермия- наука, която изучава топлинното поле на Земята. Средната повърхностна температура на Земята има обща тенденция към намаляване. Преди три милиарда години средната температура на повърхността на Земята е била 71 o, сега е 17 o. Източници на топлина (термични ) Земните полета са вътрешни и външни процеси. Топлината на Земята се причинява от слънчевата радиация и произхожда от недрата на планетата. Стойностите на топлинния приток от двата източника са количествено изключително различни и техните роли в живота на планетата са различни. Слънчевото нагряване на Земята е 99,5% от общото количество топлина, получено от нейната повърхност, а вътрешното нагряване представлява 0,5%. В допълнение, притокът на вътрешна топлина е много неравномерно разпределен на Земята и е концентриран главно в местата на проява на вулканизъм.

Външен източник е слънчевата радиация . Половината от слънчевата енергия се абсорбира от повърхността, растителността и приповърхностния слой на земната кора. Другата половина се отразява в световното пространство. Слънчевата радиация поддържа температурата на земната повърхност средно около 0 0 С. Слънцето затопля повърхностния слой на Земята до средна дълбочина 8 - 30 m, със средна дълбочина 25 m, влиянието на слънчевата топлина спира и температурата става постоянна (неутрален слой). Тази дълбочина е минимална в райони с морски климат и максимална в субполярния регион. Под тази граница има пояс с постоянна температура, съответстваща на средната годишна температура на района. Така например в Москва на територията на селското стопанство. академия. Тимирязев, на дълбочина 20 m температурата неизменно остава равна на 4,2 o C от 1882 г. В Париж, на дълбочина 28 m, термометърът постоянно показва 11,83 o C в продължение на повече от 100 години. постоянната температура е най-дълбоката там, където е многогодишна ( вечна замръзналост. Под пояса на постоянна температура е геотермалната зона, която се характеризира с топлина, генерирана от самата Земя.

Вътрешни източници са недрата на Земята. Земята излъчва повече топлина в космоса, отколкото получава от Слънцето. Вътрешните източници включват остатъчна топлина от времето, когато планетата е била разтопена, топлината на термоядрените реакции, протичащи в недрата на Земята, топлината на гравитационното свиване на Земята под действието на гравитацията, топлината на химичните реакции и процесите на кристализация. и т.н. (например приливно триене). Топлината от червата идва главно от подвижните зони. Повишаването на температурата с дълбочина е свързано със съществуването на вътрешни източници на топлина - разпад на радиоактивни изотопи - U, Th, K, гравитационна диференциация на материята, приливно триене, екзотермични редокс химични реакции, метаморфизъм и фазови преходи. Скоростта на нарастване на температурата с дълбочина се определя от редица фактори – топлопроводимост, пропускливост на скалите, близост до вулканични камери и др.

Под пояса на постоянните температури има повишаване на температурата, средно 1 o на 33 m ( геотермален етап) или 3 o на всеки 100 m ( геотермален градиент). Тези стойности са индикатори за топлинното поле на Земята. Ясно е, че тези стойности са средни и различни по величина в различните области или зони на Земята. Геотермалната стъпка е различна в различните точки на Земята. Например в Москва - 38,4 m, в Ленинград 19,6, в Архангелск - 10. Така че при пробиване на дълбок кладенец на полуостров Кола на дълбочина 12 km се приема температура от 150 °, в действителност се оказа, че да бъде около 220 градуса. При пробиване на кладенци в Северен Каспий на дълбочина 3000 м температурата се приемаше за 150 градуса, но се оказа 108 градуса.

Трябва да се отбележи, че климатичните особености на района и средната годишна температура не влияят върху промяната в стойността на геотермалната стъпка, причините се крият в следното:

1) в различната топлопроводимост на скалите, които изграждат определена област. Под мярка за топлопроводимост се разбира количеството топлина в калории, прехвърлено за 1 секунда. През участък от 1 cm 2 с температурен градиент от 1 o C;

2) в радиоактивността на скалите, колкото по-голяма е топлопроводимостта и радиоактивността, толкова по-ниска е геотермалната стъпка;

3) в различни условия на възникване на скалите и възрастта на тяхното възникване; наблюденията показват, че температурата се повишава по-бързо в слоевете, събрани в гънки, те често имат нарушения (пукнатини), през които се улеснява достъпът на топлина от дълбочината;

4) естеството на подземните води: горещи подземни води текат топли скали, студени - хладни;

5) отдалеченост от океана: в близост до океана поради охлаждането на скалите от маса вода, геотермалната стъпка е по-голяма, а при контакта е по-малка.

Познаването на специфичната стойност на геотермалната стъпка е от голямо практическо значение.

1. Това е важно при проектирането на мини. В някои случаи ще е необходимо да се предприемат мерки за изкуствено понижаване на температурата в дълбоки изработки (температура - 50 ° C е границата за човек в сух въздух и 40 ° C във влажен въздух); в други ще бъде възможно да се работи на голяма дълбочина.

2. Оценката на температурните условия при тунелиране в планински райони е от голямо значение.

3. Изследването на геотермалните условия на земните недра дава възможност да се използват парата и горещите извори, излизащи на повърхността на Земята. Подземна топлина се използва например в Италия, Исландия; в Русия е построена експериментална промишлена електроцентрала на естествена топлина в Камчатка.

Използвайки данни за размера на геотермалната стъпка, могат да се направят някои предположения за температурните условия на дълбоките зони на Земята. Ако приемем средната стойност на геотермалната стъпка като 33 m и приемем, че повишаването на температурата с дълбочина става равномерно, тогава на дълбочина от 100 km ще има температура от 3000 ° C. Тази температура надвишава точките на топене на всички вещества, известни на Земята, следователно на тази дълбочина трябва да има разтопени маси. Но поради огромното налягане от 31 000 атм. Прегрятите маси нямат характеристиките на течности, но са надарени с характеристиките на твърдо тяло.

С дълбочината геотермалната стъпка очевидно трябва да се увеличи значително. Ако приемем, че стъпката не се променя с дълбочината, тогава температурата в центъра на Земята трябва да бъде около 200 000 градуса, а според изчисленията не може да надвишава 5000 - 10 000 градуса.

Основните източници на топлинна енергия на Земята са [ , ]:

• топлинна гравитационна диференциация;
• радиогенна топлина;
• топлина на приливно триене;
• натрупване на топлина;
• топлина от триене, отделена поради диференциалното въртене на вътрешното ядро ​​спрямо външното ядро, външното ядро ​​спрямо мантията и отделни слоеве вътре във външното ядро.

Към днешна дата само първите четири източника са количествено определени. У нас основната заслуга за това е на О.Г. Сорохтини S.A. Ушаков. Следните данни се основават главно на изчисленията на тези учени.

Топлината на гравитационната диференциация на Земята

Една от най-важните закономерности в развитието на Земята е диференциациянеговото съдържание, което продължава и в момента. Тази диференциация доведе до образуването сърцевина и кора, промяна в състава на първич халати, докато разделянето на първоначално хомогенно вещество на фракции с различна плътност е придружено от освобождаване Термална енергия, а максималното отделяне на топлина се получава при разделяне на земната материя на плътна и тежка сърцевинаи остатъчни запалкасиликатна обвивка земна мантия. В момента по-голямата част от тази топлина се генерира на границата мантия - ядро.

Енергии на земната гравитационна диференциацияза цялото време на съществуването си се открояваше - 1,46 * 10 38 erg (1,46 * 10 31 J). Дадена енергияв по-голямата си част първо отива в кинетична енергияконвективни течения на веществото на мантията, а след това в топло; друга част от него се изразходва за доп компресия на земните недра, възникващи поради концентрацията на плътни фази в централната част на Земята. от 1.46*10 38 ергенергията на гравитационната диференциация на Земята отиде за нейното допълнително компресиране 0,23*10 38 ерг (0,23*10 31 Дж), и под формата на отделена топлина 1.23*10 38 ерг (1,23*10 31 Дж). Големината на този топлинен компонент значително надвишава общото освобождаване в Земята на всички други видове енергия. Разпределението във времето на общата стойност и скоростта на освобождаване на топлинния компонент на гравитационната енергия е показано на фиг. 3.6 .

Ориз. 3.6.

Сегашното ниво на генериране на топлина по време на гравитационната диференциация на Земята - 3*10 20 erg/s (3*10 13W), което зависи от стойността на съвременния топлинен поток, преминаващ през повърхността на планетата в ( 4.2-4.3) * 10 20 erg / s ((4.2-4.3)*10 13W), е ~ 70% .

радиогенна топлина

Причинява се от радиоактивно разпадане на нестабилен изотопи. Най-енергоемките и дълготрайни ( с период на полуразпадсъизмерими с възрастта на Земята) са изотопи 238 U, 235 U, 232-тои 40K. Повечето от тях са съсредоточени в континентална кора. Съвременно ниво на поколение радиогенна топлина:

• от американски геофизик В.Вакие - 1,14*10 20 ерг/сек (1.14*10 13W) ,
• според руските геофизици О.Г. Сорохтини S.A. Ушаков - 1,26*10 20 ерг/сек(1.26*10 13W) .

От стойността на съвременния топлинен поток това е ~ 27-30%.

От общата топлина на радиоактивно разпадане в 1,26*10 20 ерг/сек (1.26*10 13W) в земната кора се откроява - 0,91*1020 ерг/сек, а в мантията - 0,35*10 20 erg/s. От това следва, че делът на мантийната радиогенна топлина не надвишава 10% от общите съвременни топлинни загуби на Земята и не може да бъде основният източник на енергия за активни тектоно-магматични процеси, чиято дълбочина може да достигне 2900 km ; а радиогенната топлина, отделена в кората, относително бързо се губи през земната повърхност и практически не участва в нагряването на дълбоката вътрешност на планетата.

В миналите геоложки епохи количеството радиогенна топлина, отделена в мантията, трябва да е било по-високо. Неговите оценки към момента на формирането на Земята ( преди 4,6 милиарда години) дай - 6,95*10 20 ерг/сек. Оттогава се наблюдава постоянно намаляване на скоростта на освобождаване на радиогенна енергия (фиг. 3.7 ).

За всички времена на Земята се откроиха ~4,27*10 37 ерг(4.27*10 30 Дж) топлинната енергия на радиоактивния разпад, която е почти три пъти по-ниска от общата стойност на топлината на гравитационната диференциация.

Топлина от приливно триене

Той се откроява по време на гравитационното взаимодействие на Земята, предимно с Луната, като най-близкото голямо космическо тяло. Поради взаимното гравитационно привличане в телата им възникват приливни деформации - подуванеили гърбици. Приливните гърбици на планетите чрез допълнителното си привличане влияят на движението им. По този начин привличането на двете приливни гърбици на Земята създава двойка сили, действащи както върху самата Земя, така и върху Луната. Въпреки това влиянието на близкото, обърнато към луната издуване е малко по-силно от това на далечното. Поради факта, че ъгловата скорост на въртене на съвременната Земя ( 7,27*10 -5 s -1) превишава орбиталната скорост на Луната ( 2,66*10 -6 s -1), а веществото на планетите не е идеално еластично, тогава приливните гърбици на Земята са сякаш отнесени от нейното въртене напред и са забележимо пред движението на Луната. Това води до факта, че максималните приливи и отливи на Земята винаги се появяват на нейната повърхност малко по-късно от момента кулминацияЛуна, а върху Земята и Луната действа допълнителен момент на сили (фиг. 3.8 ) .

Абсолютните стойности на силите на приливно взаимодействие в системата Земя-Луна сега са сравнително малки и предизвиканите от тях приливни деформации на литосферата могат да достигнат само няколко десетки сантиметра, но водят до постепенно забавяне на земното движение. въртене и, обратно, до ускоряване на орбиталното движение на Луната и нейното отдалечаване от Земята. Кинетичната енергия на движението на земните приливни гърбици се преобразува в топлинна енергия поради вътрешното триене на материята в приливните гърбици.

В момента скоростта на освобождаване на приливна енергия от Г. Макдоналде ~0,25*10 20 erg/s (0,25*10 13W), докато основната му част (около 2/3) е предполагаемо разсейва се(разпръснати) в хидросферата. Следователно частта от приливната енергия, причинена от взаимодействието на Земята с Луната и разсеяна в твърдата Земя (предимно в астеносферата), не надвишава 2 % обща топлинна енергия, генерирана в нейните дълбини; и делът на слънчевите приливи не надвишава 20 % от влиянието на лунните приливи и отливи. Следователно твърдите приливи и отливи сега практически не играят роля в захранването на тектоничните процеси с енергия, но в някои случаи те могат да действат като "тригери", например земетресения.

Големината на приливната енергия е пряко свързана с разстоянието между космическите обекти. И ако разстоянието между Земята и Слънцето не предполага значителни промени в геоложката времева скала, то в системата Земя-Луна този параметър е променлива. Независимо от идеите, почти всички изследователи признават, че в ранните етапи от развитието на Земята разстоянието до Луната е било значително по-малко от съвременното, докато в процеса на развитие на планетата, според повечето учени, то постепенно се увеличава , и според Ю.Н. Авсюкутова разстояние претърпява дългосрочни промени под формата на цикли "пристигане - заминаване" на луната. Това означава, че в миналите геоложки епохи ролята на приливната топлина в общия топлинен баланс на Земята е била по-значима. Като цяло за цялото време на развитието на Земята тя се откроява ~3,3*10 37 ерг (3,3*10 30 Дж) приливна топлинна енергия (това зависи от последователното отстраняване на Луната от Земята). Промяната във времето на скоростта на отделяне на тази топлина е показана на фиг. 3.10 .

Повече от половината от общата приливна енергия беше освободена katarchee (здравей)) - преди 4,6-4,0 милиарда години и по това време само благодарение на тази енергия Земята може допълнително да се затопли с ~ 500 0 С. енергоемки ендогенни процеси .

акреционна топлина

Това е топлината, съхранявана от Земята от нейното образуване. В процеса натрупвания, което е продължило няколко десетки милиона години, поради сблъсъка планетезималиЗемята е претърпяла значително нагряване. В същото време няма консенсус относно величината на това отопление. Понастоящем изследователите са склонни да вярват, че в процеса на акреция Земята е претърпяла, ако не пълно, то значително частично топене, което е довело до първоначалната диференциация на Прото-Земята в тежко желязно ядро ​​и лека силикатна мантия, и към образуването "магмен океан"на повърхността му или на малка дълбочина. Въпреки че дори преди 90-те години на миналия век моделът на относително студена първична Земя се счита за практически универсално признат, който постепенно се затопля поради горните процеси, придружени от освобождаване на значително количество топлинна енергия.

Точната оценка на първичната акреционна топлина и нейния дял, оцелял до сега, е свързан със значителни трудности. от О.Г. Сорохтини S.A. Ушаков, които са привърженици на сравнително студена първична Земя, стойността на акреционната енергия, преобразувана в топлина, е - 20.13*10 38 ерг (20,13*10 31 J). Тази енергия при липса на топлинни загуби би била достатъчна за пълно изпарениеземна материя, т.к температурата може да се повиши до 30 000 0 С. Но процесът на акреция беше относително дълъг и енергията на планетезималните удари се освобождаваше само в близките до повърхността слоеве на растящата Земя и бързо се губеше с топлинно излъчване, така че първоначалното нагряване на планетата не беше голямо. Големината на това топлинно излъчване, което върви успоредно с образуването (натрупването) на Земята, се оценява от посочените автори като 19.4*10 38 ерг (19,4*10 31 Дж) .

В съвременния енергиен баланс на Земята акреционната топлина най-вероятно играе незначителна роля.

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 традиционния огън и ядрената енергия) и тенденциите в развитието на енергетиката предполагат, че преходът към нови методи и форми за производство 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.

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	Първи линкове гниене
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.