Energija zemljine toplote kao izvora grijanja. Korišteni zemni izmjenjivači topline i sheme opskrbe toplinom
U našoj zemlji, bogatoj ugljovodonicima, geotermalna energija je vrsta egzotičnog resursa koji, u sadašnjem stanju, teško da može konkurisati naftom i gasom. Ipak, ovaj alternativni oblik energije može se koristiti gotovo svuda i prilično efikasno.
Geotermalna energija je toplota unutrašnjosti Zemlje. Nastaje u dubinama i dolazi na površinu Zemlje u različitim oblicima i različitim intenzitetom.
Temperatura gornjih slojeva tla ovisi uglavnom o vanjskim (egzogenim) faktorima - sunčevoj svjetlosti i temperaturi zraka. Ljeti i tokom dana tlo se zagrijava do određene dubine, a zimi i noću se hladi prateći promjenu temperature zraka i sa određenim zakašnjenjem, povećavajući se sa dubinom. Utjecaj dnevnih kolebanja temperature zraka završava se na dubinama od nekoliko do nekoliko desetina centimetara. Sezonske fluktuacije zahvaćaju dublje slojeve tla - do desetina metara.
Na određenoj dubini - od desetina do stotina metara - temperatura tla se održava konstantnom, jednakom prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka blizu površine Zemlje. To je lako provjeriti spuštanjem u prilično duboku pećinu.
Kada je srednja godišnja temperatura vazduha u datom području ispod nule, to se manifestuje kao permafrost (tačnije, permafrost). U istočnom Sibiru debljina, odnosno debljina smrznutog tla tokom cijele godine dostiže mjestimično 200-300 m.
Sa određene dubine (svoje za svaku tačku na karti) djelovanje Sunca i atmosfere toliko slabi da su endogeni (unutrašnji) faktori na prvom mjestu i unutrašnjost Zemlje se zagrijava iznutra, tako da temperatura počinje porasti sa dubinom.
Zagrijavanje dubokih slojeva Zemlje povezano je uglavnom s raspadom radioaktivnih elemenata koji se tamo nalaze, iako se nazivaju i drugi izvori topline, na primjer, fizičko-hemijski, tektonski procesi u dubokim slojevima zemljine kore i plašta. No, bez obzira na uzrok, temperatura stijena i povezanih tekućih i plinovitih tvari raste s dubinom. Rudari se suočavaju s ovim fenomenom - u dubokim rudnicima je uvijek vruće. Na dubini od 1 km, temperatura od trideset stepeni je normalna, a dublje temperatura je još viša.
Toplotni tok zemljine unutrašnjosti, koji dopire do površine Zemlje, je mali - u prosjeku, njegova snaga je 0,03–0,05 W / m 2, odnosno približno 350 W h / m 2 godišnje. Na pozadini toplotnog toka od Sunca i zraka koji se njime zagrijava, ovo je neprimjetna vrijednost: Sunce daje svakom kvadratnom metru zemljine površine oko 4000 kWh godišnje, odnosno 10 000 puta više (naravno, ovo je u prosjeku, sa ogromnim rasponom između polarnih i ekvatorijalnih širina i ovisno o drugim klimatskim i vremenskim faktorima).
Neznačajnost toplotnog toka iz dubine na površinu u većem dijelu planete povezana je sa niskom toplotnom provodljivošću stijena i osobenostima geološke strukture. Ali postoje izuzeci - mjesta gdje je protok topline visok. To su, prije svega, zone tektonskih rasjeda, pojačane seizmičke aktivnosti i vulkanizma, gdje energija unutrašnjosti zemlje nalazi izlaz. Takve zone karakteriziraju termalne anomalije litosfere, ovdje toplinski tok koji dopire do površine Zemlje može biti višestruko, pa čak i za redove veličine, jači od "uobičajenog". U ovim zonama ogromna količina topline izbacuje se na površinu vulkanskim erupcijama i toplim izvorima vode.
Upravo su ova područja najpovoljnija za razvoj geotermalne energije. Na teritoriji Rusije to su, prije svega, Kamčatka, Kurilska ostrva i Kavkaz.
Istovremeno, razvoj geotermalne energije moguć je gotovo posvuda, jer je povećanje temperature sa dubinom sveprisutna pojava, a zadatak je „izvlačenje“ topline iz crijeva, kao što se odatle crpe mineralne sirovine.
U prosjeku, temperatura raste sa dubinom za 2,5-3°C na svakih 100 m. Odnos temperaturne razlike između dvije tačke koje leže na različitim dubinama i razlike u dubini između njih naziva se geotermalni gradijent.
Recipročna vrijednost je geotermalni korak, ili interval dubine na kojem temperatura raste za 1°C.
Što je veći gradijent i, shodno tome, što je niži korak, toplina Zemljinih dubina se više približava površini i ovo područje je perspektivnije za razvoj geotermalne energije.
U različitim područjima, u zavisnosti od geološke strukture i drugih regionalnih i lokalnih uslova, brzina porasta temperature sa dubinom može dramatično varirati. Na skali Zemlje, fluktuacije u vrijednostima geotermalnih gradijenata i stepenica dostižu 25 puta. Na primjer, u državi Oregon (SAD) gradijent je 150°C na 1 km, au Južnoj Africi 6°C na 1 km.
Pitanje je koja je temperatura na velikim dubinama - 5, 10 km ili više? Ako se trend nastavi, temperature na dubini od 10 km bi u prosjeku trebale biti oko 250-300°C. To je manje-više potvrđeno direktnim zapažanjima u ultradubokim bunarima, iako je slika mnogo složenija od linearnog povećanja temperature.
Na primjer, u superdubokoj bušotini Kola izbušenoj u Baltičkom kristalnom štitu, temperatura se mijenja brzinom od 10°C/1 km do dubine od 3 km, a zatim geotermalni gradijent postaje 2-2,5 puta veći. Na dubini od 7 km već je zabilježena temperatura od 120°C, na 10 km - 180°C, a na 12 km - 220°C.
Drugi primjer je bunar postavljen u sjevernom Kaspijskom moru, gdje je na dubini od 500 m zabilježena temperatura od 42°C, na 1,5 km - 70°C, na 2 km - 80°C, na 3 km - 108°C.
Pretpostavlja se da se geotermalni gradijent smanjuje počevši od dubine od 20-30 km: na dubini od 100 km procijenjene temperature su oko 1300-1500°C, na dubini od 400 km - 1600°C, u Zemljinoj jezgro (dubine veće od 6000 km) - 4000–5000° C.
Na dubinama do 10–12 km temperatura se mjeri kroz izbušene bušotine; tamo gdje ih nema, određuje se posrednim znakovima na isti način kao i na većim dubinama. Takvi indirektni znakovi mogu biti priroda prolaska seizmičkih valova ili temperatura lave koja eruptira.
Međutim, za potrebe geotermalne energije podaci o temperaturama na dubinama većim od 10 km još nisu od praktičnog interesa.
Na dubinama od nekoliko kilometara ima mnogo topline, ali kako je podići? Ponekad nam sama priroda rješava ovaj problem uz pomoć prirodnog rashladnog sredstva - zagrijane termalne vode koje izlaze na površinu ili leže na nama dostupnoj dubini. U nekim slučajevima, voda u dubini se zagrijava do stanja pare.
Ne postoji stroga definicija pojma "termalne vode". U pravilu se podrazumijevaju vruće podzemne vode u tekućem stanju ili u obliku pare, uključujući i one koje dolaze na površinu Zemlje s temperaturom iznad 20°C, odnosno u pravilu višom od temperature zraka.
Toplina podzemne vode, pare, mješavine pare i vode je hidrotermalna energija. Shodno tome, energija zasnovana na njenoj upotrebi naziva se hidrotermalna.
Situacija je složenija s proizvodnjom topline direktno iz suhih stijena - petrotermalne energije, pogotovo jer dovoljno visoke temperature, u pravilu, počinju sa dubine od nekoliko kilometara.
Na teritoriji Rusije potencijal petrotermalne energije je sto puta veći od hidrotermalne energije - 3.500 i 35 triliona tona standardnog goriva, respektivno. To je sasvim prirodno - toplina Zemljinih dubina je posvuda, a termalne vode se nalaze lokalno. Međutim, zbog očiglednih tehničkih poteškoća, većina termalnih voda se trenutno koristi za proizvodnju toplinske i električne energije.
Temperature vode od 20-30 do 100°C pogodne su za grijanje, temperature od 150°C i više - i za proizvodnju električne energije u geotermalnim elektranama.
Generalno, geotermalni resursi na teritoriji Rusije, u smislu tona referentnog goriva ili bilo koje druge mjerne jedinice energije, približno su 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.
Teoretski, samo geotermalna energija bi mogla u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. U praksi, trenutno, na većem dijelu njene teritorije, to nije izvodljivo iz tehničkih i ekonomskih razloga.
U svijetu se korištenje geotermalne energije najčešće povezuje s Islandom - državom koja se nalazi na sjevernom kraju Srednjoatlantskog grebena, u izuzetno aktivnoj tektonskoj i vulkanskoj zoni. Vjerovatno se svi sjećaju snažne erupcije vulkana Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajokull) 2010.
Upravo zahvaljujući ovoj geološkoj specifičnosti Island ima ogromne rezerve geotermalne energije, uključujući tople izvore koji dolaze na površinu Zemlje i čak šikljaju u obliku gejzira.
Na Islandu se više od 60% sve potrošene energije trenutno uzima sa Zemlje. Uključujući i geotermalne izvore, obezbjeđeno je 90% grijanja i 30% proizvodnje električne energije. Dodajmo da ostatak električne energije u zemlji proizvode hidroelektrane, odnosno također koristeći obnovljivi izvor energije, zahvaljujući čemu Island izgleda kao svojevrsni globalni ekološki standard.
„Ukroćenje“ geotermalne energije u 20. veku je značajno ekonomski pomoglo Islandu. Do sredine prošlog veka bila je veoma siromašna država, sada je na prvom mestu u svetu po instaliranom kapacitetu i proizvodnji geotermalne energije po glavi stanovnika, a u prvih deset je po apsolutnom instaliranom kapacitetu geotermalne energije. biljke. Međutim, njegova populacija je samo 300 tisuća ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potreba za tim je općenito mala.
Osim Islanda, visok udio geotermalne energije u ukupnom bilansu proizvodnje električne energije obezbjeđuju i Novi Zeland i ostrvske države jugoistočne Azije (Filipini i Indonezija), zemlje Centralne Amerike i Istočne Afrike, čiji je teritorij takođe karakterističan. visokom seizmičkom i vulkanskom aktivnošću. Za ove zemlje, na njihovom sadašnjem nivou razvoja i potreba, geotermalna energija daje značajan doprinos društveno-ekonomskom razvoju.
Upotreba geotermalne energije ima veoma dugu istoriju. Jedan od prvih poznatih primjera je Italija, mjesto u provinciji Toskana, koje se danas zove Larderello, gdje su se već početkom 19. stoljeća za energiju koristile lokalne tople termalne vode, koje su tekle prirodno ili izvađene iz plitkih bunara. svrhe.
Voda iz podzemnih izvora, bogata borom, korištena je ovdje za dobijanje borne kiseline. U početku se ova kiselina dobivala isparavanjem u željeznim kotlovima, a obična drva za ogrjev uzimana su kao gorivo iz obližnjih šuma, ali je 1827. godine Francesco Larderel stvorio sistem koji je radio na toplini same vode. Istovremeno je energija prirodne vodene pare počela da se koristi za rad bušaćih uređaja, a početkom 20. veka i za grejanje lokalnih kuća i plastenika. Na istom mjestu, u Larderellu, 1904. godine termalna vodena para postala je izvor energije za proizvodnju električne energije.
Primjer Italije krajem 19. i početkom 20. stoljeća slijedile su i neke druge zemlje. Na primjer, 1892. godine termalna voda je prvi put korištena za lokalno grijanje u Sjedinjenim Državama (Boise, Idaho), 1919. - u Japanu, 1928. - na Islandu.
U Sjedinjenim Državama prva hidrotermalna elektrana pojavila se u Kaliforniji ranih 1930-ih, na Novom Zelandu - 1958., u Meksiku - 1959., u Rusiji (prvi binarni GeoPP) - 1965. godine.
Stari princip na novom izvoru
Proizvodnja električne energije zahtijeva višu temperaturu izvora vode od grijanja, preko 150°C. Princip rada geotermalne elektrane (GeoES) sličan je principu rada konvencionalne termoelektrane (TE). Zapravo, geotermalna elektrana je vrsta termoelektrane.
U termoelektranama, u pravilu, ugalj, plin ili lož ulje djeluju kao primarni izvor energije, a vodena para služi kao radni fluid. Gorivo, sagorevajući, zagrijava vodu do stanja pare, koja rotira parnu turbinu, a ona proizvodi električnu energiju.
Razlika između GeoPP-a je u tome što je primarni izvor energije ovdje toplina unutrašnjosti zemlje i radni fluid u obliku pare ulazi u lopatice turbine elektrogeneratora u "spremnom" obliku direktno iz proizvodne bušotine.
Postoje tri glavne sheme rada GeoPP-a: direktan, korištenjem suhe (geotermalne) pare; indirektni, bazirani na hidrotermalnoj vodi, i mješoviti, ili binarni.
Upotreba jedne ili druge sheme ovisi o stanju agregacije i temperaturi energetskog nosača.
Najjednostavnija i stoga prva od savladanih shema je direktna, u kojoj se para koja dolazi iz bunara prolazi direktno kroz turbinu. Prvi GeoPP na svijetu u Larderellu 1904. godine također je radio na suhoj pari.
GeoPP s indirektnom shemom rada najčešći su u naše vrijeme. Koriste toplu podzemnu vodu koja se pod visokim pritiskom upumpava u isparivač, gdje se dio isparava, a nastala para okreće turbinu. U nekim slučajevima potrebni su dodatni uređaji i krugovi za pročišćavanje geotermalne vode i pare od agresivnih spojeva.
Izduvna para ulazi u injektorsku bušotinu ili se koristi za grijanje prostora - u ovom slučaju princip je isti kao kod rada CHP-a.
Na binarnim GeoPP-ovima, vruća termalna voda stupa u interakciju s drugom tekućinom koja djeluje kao radni fluid s nižom tačkom ključanja. Obje tečnosti prolaze kroz izmjenjivač topline, gdje termalna voda isparava radnu tečnost, čije pare rotiraju turbinu.
 Princip rada binarnog GeoPP-a. Vruća termalna voda stupa u interakciju s drugom tekućinom koja djeluje kao radni fluid i ima nižu tačku ključanja. Obje tečnosti prolaze kroz izmjenjivač topline, gdje termalna voda isparava radnu tekućinu, čije pare, zauzvrat, rotiraju turbinu. |
Ovaj sistem je zatvoren, čime se rješava problem emisija u atmosferu. Osim toga, radni fluidi s relativno niskom tačkom ključanja omogućavaju korištenje ne baš vruće termalne vode kao primarnog izvora energije.
Sve tri sheme koriste hidrotermalni izvor, ali petrotermalna energija se također može koristiti za proizvodnju električne energije.
Dijagram strujnog kola u ovom slučaju je također prilično jednostavan. Potrebno je izbušiti dvije međusobno povezane bušotine – injekcionu i proizvodnu. Voda se pumpa u injekcioni bunar. Na dubini se zagrijava, a zatim se zagrijana voda ili para nastala kao rezultat jakog zagrijavanja dovodi na površinu kroz proizvodni bunar. Nadalje, sve ovisi o tome kako se petrotermalna energija koristi - za grijanje ili za proizvodnju električne energije. Zatvoreni ciklus je moguć uz pumpanje ispušne pare i vode nazad u injekcionu bušotinu ili na drugi način odlaganja.
 Šema petrotermalnog sistema. Sistem se zasniva na korišćenju temperaturnog gradijenta između zemljine površine i njene unutrašnjosti, gde je temperatura viša. Voda sa površine se upumpava u injekcionu bušotinu i zagrijava na dubini, a zatim se zagrijana voda ili para nastala kao rezultat zagrijavanja dovodi na površinu kroz proizvodnu bušotinu. |
Nedostatak takvog sistema je očigledan: da bi se postigla dovoljno visoka temperatura radnog fluida, potrebno je bušiti bunare do velike dubine. A to je ozbiljan trošak i rizik od značajnog gubitka topline kada se tekućina pomakne prema gore. Stoga su petrotermalni sistemi još uvijek rjeđi od hidrotermalnih, iako je potencijal petrotermalne energije za redove veličine veći.
Trenutno, lider u stvaranju takozvanih petrotermalnih cirkulacionih sistema (PCS) je Australija. Osim toga, ovaj smjer geotermalne energije se aktivno razvija u SAD-u, Švicarskoj, Velikoj Britaniji i Japanu.
Poklon od Lorda Kelvina
Pronalazak toplotne pumpe 1852. godine od strane fizičara Williama Thompsona (poznatog kao Lord Kelvin) pružio je čovječanstvu stvarnu priliku da koristi nisku toplinu gornjih slojeva tla. Sistem toplotne pumpe, ili toplotni multiplikator kako ga je nazvao Thompson, zasniva se na fizičkom procesu prenošenja toplote iz okoline na rashladno sredstvo. U stvari, koristi isti princip kao u petrotermalnim sistemima. Razlika je u izvoru topline, u vezi s čime se može postaviti terminološko pitanje: u kojoj mjeri se toplotna pumpa može smatrati geotermalnim sistemom? Činjenica je da se u gornjim slojevima, do dubine od desetine ili stotine metara, stijene i tekućine sadržane u njima zagrijavaju ne dubokom toplinom zemlje, već suncem. Dakle, sunce je u ovom slučaju primarni izvor toplote, iako se uzima, kao iu geotermalnim sistemima, iz zemlje.
Rad toplotne pumpe zasniva se na kašnjenju u zagrevanju i hlađenju tla u odnosu na atmosferu, usled čega se formira temperaturni gradijent između površinskih i dubljih slojeva, koji zadržavaju toplotu čak i zimi, slično kako se to dešava u rezervoarima. Osnovna namjena toplotnih pumpi je grijanje prostora. U stvari, to je „frižider unatrag“. I toplotna pumpa i frižider su u interakciji sa tri komponente: unutrašnjim okruženjem (u prvom slučaju - zagrejana prostorija, u drugom - hlađenom rashladnom komorom), spoljašnjim okruženjem - izvorom energije i rashladnim sredstvom (rashladnim sredstvom), koje je takođe rashladna tečnost koja obezbeđuje prenos toplote ili hladnoće.
Supstanca sa niskom tačkom ključanja deluje kao rashladno sredstvo, što joj omogućava da uzima toplotu iz izvora koji ima čak i relativno nisku temperaturu.
U hladnjaku tečno rashladno sredstvo ulazi u isparivač kroz prigušnicu (regulator tlaka), gdje, uslijed naglog smanjenja tlaka, tekućina isparava. Isparavanje je endotermni proces koji zahtijeva da se toplina apsorbira izvana. Kao rezultat, toplina se uzima iz unutrašnjih zidova isparivača, što osigurava rashladni efekat u komori hladnjaka. Dalje od isparivača, rashladno sredstvo se usisava u kompresor, gdje se vraća u tečno agregacijsko stanje. To je obrnut proces, koji dovodi do oslobađanja preuzete topline u vanjsko okruženje. U pravilu se baca u prostoriju, a stražnji zid frižidera je relativno topao.
Toplotna pumpa radi na skoro isti način, s tom razlikom što se toplota uzima iz spoljašnje sredine i ulazi u unutrašnju sredinu kroz isparivač – sistem grejanja prostorije.
U pravoj toplotnoj pumpi voda se zagrijava, prolazeći kroz vanjski krug položen u zemlju ili rezervoar, a zatim ulazi u isparivač.
U isparivaču se toplina prenosi na unutrašnji krug ispunjen rashladnim sredstvom s niskom tačkom ključanja, koje, prolazeći kroz isparivač, prelazi iz tekućeg u plinovito stanje, uzimajući toplinu.
Nadalje, rashladno sredstvo u plinu ulazi u kompresor, gdje se komprimira do visokog tlaka i temperature, te ulazi u kondenzator, gdje se odvija izmjena topline između vrućeg plina i nosača topline iz sistema grijanja.
Za rad kompresora je potrebna električna energija, međutim, omjer transformacije (omjer potrošene i proizvedene energije) u modernim sistemima je dovoljno visok da osigura njihovu efikasnost.
Trenutno se toplotne pumpe široko koriste za grijanje prostora, uglavnom u ekonomski razvijenim zemljama.
Eko-ispravna energija
Geotermalna energija se smatra ekološki prihvatljivom, što je općenito istina. Prije svega, koristi obnovljiv i praktično neiscrpan resurs. Geotermalna energija ne zahtijeva velike površine, za razliku od velikih hidroelektrana ili vjetroelektrana, i ne zagađuje atmosferu, za razliku od ugljikovodične energije. GeoPP u prosjeku zauzima 400 m 2 u smislu 1 GW proizvedene električne energije. Ista brojka za termoelektranu na ugalj, na primjer, iznosi 3600 m 2. Ekološke prednosti GeoPP-a uključuju i nisku potrošnju vode - 20 litara svježe vode na 1 kW, dok termoelektrane i nuklearne elektrane zahtijevaju oko 1000 litara. Imajte na umu da su ovo ekološki indikatori "prosječnog" GeoPP-a.
Ali i dalje postoje negativne nuspojave. Među njima se najčešće izdvajaju buka, toplotno zagađenje atmosfere i hemijsko zagađenje vode i tla, kao i stvaranje čvrstog otpada.
Glavni izvor hemijskog zagađenja životne sredine je sama termalna voda (visoke temperature i saliniteta), koja često sadrži velike količine toksičnih jedinjenja, pa se javlja problem odlaganja otpadnih voda i opasnih materija.
Negativni efekti geotermalne energije mogu se pratiti u nekoliko faza, počevši od bušenja bušotina. Ovdje nastaju iste opasnosti kao i kod bušenja bilo kojeg bunara: uništavanje tla i vegetacije, zagađenje tla i podzemnih voda.
U fazi rada GeoPP-a i dalje postoje problemi zagađenja životne sredine. Termalni fluidi - voda i para - obično sadrže ugljen dioksid (CO 2), sumpor sulfid (H 2 S), amonijak (NH 3), metan (CH 4), so (NaCl), bor (B), arsen (As ), živa (Hg). Kada se ispuste u životnu sredinu, postaju izvori zagađenja. Osim toga, agresivno kemijsko okruženje može uzrokovati koroziono oštećenje GeoTPP struktura.
Istovremeno, emisije zagađujućih materija na GeoPP su u prosjeku niže nego na TE. Na primjer, emisija ugljičnog dioksida po kilovat-satu proizvedene električne energije iznosi do 380 g u GeoPP, 1042 g u termoelektranama na ugalj, 906 g u lož-ulju i 453 g u termoelektranama na plin.
Postavlja se pitanje: šta učiniti sa otpadnim vodama? Sa niskim salinitetom, nakon hlađenja, može se ispuštati u površinske vode. Drugi način je da se pumpa nazad u vodonosnik kroz injekcionu bušotinu, što je trenutno poželjna i preovlađujuća praksa.
Ekstrakcija termalne vode iz akvifera (kao i ispumpavanje obične vode) može uzrokovati slijeganje i pomjeranje tla, druge deformacije geoloških slojeva i mikro-potrese. Vjerovatnoća takvih pojava je obično mala, iako su zabilježeni pojedinačni slučajevi (na primjer, na GeoPP-u u Staufen im Breisgau u Njemačkoj).
Treba naglasiti da se većina GeoPP-ova nalazi u relativno slabo naseljenim područjima iu zemljama trećeg svijeta, gdje su ekološki zahtjevi manje strogi nego u razvijenim zemljama. Osim toga, u ovom trenutku broj GeoPP-ova i njihovi kapaciteti su relativno mali. Sa većim razvojem geotermalne energije, ekološki rizici se mogu povećati i umnožiti.
Kolika je energija Zemlje?
Investicioni troškovi izgradnje geotermalnih sistema variraju u veoma širokom rasponu - od 200 do 5000 dolara po 1 kW instalirane snage, odnosno najjeftinije opcije su uporedive sa troškovima izgradnje termoelektrane. One zavise, prije svega, od uslova nastanka termalnih voda, njihovog sastava i dizajna sistema. Bušenje na velike dubine, stvaranje zatvorenog sistema sa dva bunara, potreba za tretmanom vode može višestruko povećati troškove.
Na primjer, ulaganja u stvaranje petrotermalnog cirkulacijskog sistema (PTS) procjenjuju se na 1,6-4 hiljade dolara po 1 kW instalirane snage, što premašuje troškove izgradnje nuklearne elektrane i uporedivo je sa troškovima izgradnje vjetroelektrane i solarne elektrane.
Očigledna ekonomska prednost GeoTPP-a je besplatan nosilac energije. Poređenja radi, u strukturi troškova tekuće termoelektrane ili nuklearne elektrane gorivo čini 50-80% ili čak više, ovisno o trenutnim cijenama energije. Otuda još jedna prednost geotermalnog sistema: operativni troškovi su stabilniji i predvidljiviji, jer ne zavise od eksterne konjunkture cijena energije. Općenito, operativni troškovi GeoTPP-a procjenjuju se na 2–10 centi (60 kopejki–3 rublje) po 1 kWh proizvedenog kapaciteta.
Druga najveća (i veoma značajna) stavka rashoda nakon energenta je, po pravilu, plata osoblja stanice, koja može drastično varirati u zavisnosti od zemlje i regiona.
U prosjeku, cijena 1 kWh geotermalne energije uporediva je s onim za termoelektrane (u ruskim uvjetima - oko 1 rublja / 1 kWh) i deset puta veća od cijene proizvodnje električne energije u hidroelektranama (5-10 kopejki). / 1 kWh).
Dio razloga za visoku cijenu je taj što, za razliku od termo i hidrauličnih elektrana, GeoTPP ima relativno mali kapacitet. Pored toga, potrebno je uporediti sisteme koji se nalaze u istom regionu iu sličnim uslovima. Tako, na primjer, na Kamčatki, prema stručnjacima, 1 kWh geotermalne električne energije košta 2-3 puta jeftinije od struje proizvedene u lokalnim termoelektranama.
Pokazatelji ekonomske efikasnosti geotermalnog sistema zavise, na primjer, od toga da li je potrebno odlagati otpadne vode i na koji način se to radi, da li je moguće kombinirano korištenje resursa. Dakle, hemijski elementi i jedinjenja ekstrahovani iz termalne vode mogu pružiti dodatni prihod. Prisjetimo se primjera Larderella: tamo je primarna bila kemijska proizvodnja, a korištenje geotermalne energije u početku je bilo pomoćne prirode.
Geotermalna energija Forwards
Geotermalna energija se razvija nešto drugačije od vjetra i sunca. Trenutno, to u velikoj mjeri ovisi o prirodi samog resursa, koji se oštro razlikuje po regijama, a najveće koncentracije vezane su za uske zone geotermalnih anomalija, obično povezane s područjima tektonskih rasjeda i vulkanizma.
Osim toga, geotermalna energija je tehnološki manje kapaciteta u odnosu na vjetar, a još više u odnosu na solarnu energiju: sistemi geotermalnih stanica su prilično jednostavni.
U ukupnoj strukturi svjetske proizvodnje električne energije geotermalna komponenta čini manje od 1%, ali u nekim regijama i zemljama njen udio dostiže 25-30%. Zbog povezanosti sa geološkim uslovima, značajan dio geotermalnih energetskih kapaciteta koncentrisan je u zemljama trećeg svijeta, gdje postoje tri najrazvijenija klastera industrije - ostrva Jugoistočne Azije, Centralne Amerike i Istočne Afrike. Prve dvije regije dio su pacifičkog "vatrenog pojasa Zemlje", a treća je vezana za istočnoafrički rascjep. Sa najvećom vjerovatnoćom, geotermalna energija će se nastaviti razvijati u ovim pojasevima. Daleka perspektiva je razvoj petrotermalne energije, koristeći toplinu zemljinih slojeva koji leže na dubini od nekoliko kilometara. Ovo je gotovo sveprisutan resurs, ali njegovo vađenje zahtijeva visoke troškove, pa se petrotermalna energija razvija prvenstveno u ekonomski i tehnološki najmoćnijim zemljama.
Generalno, s obzirom na sveprisutnost geotermalnih resursa i prihvatljiv nivo ekološke sigurnosti, postoji razlog za vjerovanje da geotermalna energija ima dobre izglede za razvoj. Pogotovo sa sve većom prijetnjom nestašice tradicionalnih energenata i porastom cijena za njih.
Od Kamčatke do Kavkaza
U Rusiji razvoj geotermalne energije ima prilično dugu istoriju, a po brojnim pozicijama smo među svjetskim liderima, iako je udio geotermalne energije u ukupnom energetskom bilansu jedne ogromne zemlje još uvijek zanemarljiv.
Pioniri i centri za razvoj geotermalne energije u Rusiji bili su dva regiona - Kamčatka i Severni Kavkaz, i ako je u prvom slučaju reč pre svega o elektroprivredi, onda u drugom - o korišćenju toplotne energije termalnu vodu.
Na Sjevernom Kavkazu - u Krasnodarskoj teritoriji, Čečeniji, Dagestanu - toplina termalnih voda korištena je u energetske svrhe još prije Velikog domovinskog rata. Tokom 1980-1990-ih, razvoj geotermalne energije u regionu je, iz očiglednih razloga, zastao i još se nije oporavio od stanja stagnacije. Ipak, geotermalna voda na Sjevernom Kavkazu osigurava toplinu za oko 500 hiljada ljudi, a, na primjer, grad Labinsk na Krasnodarskom teritoriju sa populacijom od 60 hiljada ljudi u potpunosti se zagrijava geotermalnim vodama.
Na Kamčatki je istorija geotermalne energije povezana prvenstveno sa izgradnjom GeoPP. Prve od njih, koje još uvijek rade stanice Pauzhetskaya i Paratunskaya, izgrađene su još 1965–1967, dok je Paratunska GeoPP kapaciteta 600 kW postala prva stanica na svijetu sa binarnim ciklusom. Bio je to razvoj sovjetskih naučnika S. S. Kutateladzea i A. M. Rosenfelda sa Instituta za toplinsku fiziku Sibirskog ogranka Ruske akademije nauka, koji su 1965. godine dobili certifikat o autorskim pravima za vađenje električne energije iz vode s temperaturom od 70 ° C. Ova tehnologija je kasnije postala prototip za više od 400 binarnih GeoPP-a u svijetu.
Kapacitet Paužetske GeoPP, puštene u rad 1966. godine, u početku je bio 5 MW, a zatim je povećan na 12 MW. Trenutno je stanica u izgradnji binarnog bloka, koji će povećati njen kapacitet za još 2,5 MW.
Razvoj geotermalne energije u SSSR-u i Rusiji bio je sputan dostupnošću tradicionalnih izvora energije - nafte, gasa, uglja, ali nikada nije prestao. Najveći geotermalni energetski objekti u ovom trenutku su Verkhne-Mutnovskaya GeoPP ukupne snage 12 MW elektrane, puštene u rad 1999. godine, i Mutnovskaya GeoPP snage 50 MW (2002).
Mutnovskaya i Verkhne-Mutnovskaya GeoPP jedinstveni su objekti ne samo za Rusiju, već i na globalnom nivou. Stanice se nalaze u podnožju vulkana Mutnovsky, na nadmorskoj visini od 800 metara i rade u ekstremnim klimatskim uslovima, gde je zima 9-10 meseci godišnje. Oprema Mutnovsky GeoPP, trenutno jedne od najmodernijih u svijetu, u potpunosti je kreirana u domaćim elektroenergetskim preduzećima.
Trenutno, udio stanica Mutnovsky u ukupnoj strukturi potrošnje energije energetskog čvorišta Centralne Kamčatke iznosi 40%. U narednim godinama planirano je povećanje kapaciteta.
Odvojeno, treba reći o ruskom petrotermalnom razvoju. Još nemamo veliki PDS, međutim, postoje napredne tehnologije za bušenje na velike dubine (oko 10 km), koje takođe nemaju analoga u svijetu. Njihov dalji razvoj će omogućiti drastično smanjenje troškova stvaranja petrotermalnih sistema. Programeri ovih tehnologija i projekata su N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geološki institut Ruske akademije nauka), A. S. Nekrasov (Institut za ekonomsko predviđanje Ruske akademije nauka) i stručnjaci iz Kaluške turbine. Trenutno je projekat petrotermalnog cirkulacijskog sistema u Rusiji u pilot fazi.
Izgledi za geotermalnu energiju u Rusiji postoje, iako su relativno udaljeni: u ovom trenutku potencijal je prilično velik, a pozicija tradicionalne energije je jaka. Istovremeno, u brojnim udaljenim regijama zemlje korištenje geotermalne energije je ekonomski isplativo i traženo je i sada. To su teritorije sa visokim geoenergetskim potencijalom (Čukotka, Kamčatka, Kurili - ruski deo pacifičkog "vatrenog pojasa Zemlje", planine južnog Sibira i Kavkaza) i istovremeno udaljene i odsečene od centralizovane energije. snabdevanje.
Vjerovatno će se u narednim decenijama geotermalna energija u našoj zemlji razvijati upravo u takvim regijama.
Kiril Degtjarev,
Istraživač, Moskovski državni univerzitet M. V. Lomonosov
"Nauka i život" br. 9, br. 10 2013
Termin "geotermalna energija" dolazi od grčkih riječi zemlja (geo) i termalna (toplotna). Zapravo, geotermalna energija dolazi iz same zemlje. Toplota iz jezgra Zemlje, čija je prosječna temperatura 3600 stepeni Celzijusa, zrači se prema površini planete.
Zagrijavanje izvora i gejzira pod zemljom na dubini od nekoliko kilometara može se vršiti pomoću posebnih bunara kroz koje topla voda (ili para iz nje) teče na površinu, gdje se može koristiti direktno kao toplina ili indirektno za proizvodnju električne energije uključivanjem rotirajućim turbinama.
Budući da se voda ispod zemljine površine stalno obnavlja, a jezgro Zemlje će nastaviti stvarati toplinu u odnosu na ljudski život neograničeno, geotermalna energija će na kraju čista i obnovljiva.
Metode prikupljanja energetskih resursa Zemlje
Danas postoje tri glavne metode za prikupljanje geotermalne energije: suha para, topla voda i binarni ciklus. Proces suve pare direktno pokreće turbinske pogone generatora energije. Topla voda ulazi odozdo prema gore, a zatim se raspršuje u rezervoar kako bi se stvorila para za pogon turbina. Ove dvije metode su najčešće, proizvode stotine megavata električne energije u SAD-u, Islandu, Evropi, Rusiji i drugim zemljama. Ali lokacija je ograničena, jer ova postrojenja rade samo u tektonskim regijama gdje je lakše doći do zagrijane vode.
Sa tehnologijom binarnog ciklusa, topla (ne nužno topla) voda se izvlači na površinu i kombinuje sa butanom ili pentanom, koji ima nisku tačku ključanja. Ova tečnost se pumpa kroz izmjenjivač topline, gdje isparava i šalje se kroz turbinu prije nego što se vrati natrag u sistem. Tehnologija binarnog ciklusa obezbeđuje desetine megavata električne energije u SAD: Kaliforniji, Nevadi i Havajskim ostrvima.
Princip dobijanja energije
Nedostaci dobijanja geotermalne energije
Na nivou komunalnih usluga, geotermalne elektrane su skupe za izgradnju i rad. Pronalaženje odgovarajuće lokacije zahtijeva skupa istraživanja bunara bez garancije da će doći do produktivnog podzemnog žarišta. Međutim, analitičari očekuju da će se ovaj kapacitet skoro udvostručiti u narednih šest godina.
Osim toga, područja s visokom temperaturom podzemnog izvora nalaze se u područjima s aktivnim geološkim i hemijskim vulkanima. Ove "vruće tačke" nastale su na granicama tektonskih ploča na mjestima gdje je kora prilično tanka. Pacifik se često naziva vatrenim prstenom za mnoge vulkane gdje ima mnogo žarišta, uključujući one na Aljasci, Kaliforniji i Oregonu. Nevada ima stotine žarišnih tačaka koje pokrivaju veći dio sjevera SAD-a.
Postoje i druga seizmički aktivna područja. Zemljotresi i kretanje magme omogućavaju kruženje vode. Na nekim mjestima voda izlazi na površinu i javljaju se prirodni topli izvori i gejziri, kao na primjer na Kamčatki. Voda u gejzirima Kamčatke dostiže 95°C. 
Jedan od problema sa otvorenim gejzirima je oslobađanje određenih zagađivača vazduha. Vodonik sulfid - otrovan plin vrlo prepoznatljivog mirisa "pokvarenih jaja" - male količine arsena i minerala koji se oslobađaju parom. Sol takođe može predstavljati ekološki problem.
U priobalnim geotermalnim elektranama, značajna količina ometajuće soli akumulira se u cijevima. U zatvorenim sistemima nema emisija i sva tečnost iznesena na površinu se vraća.
Ekonomski potencijal energetskog resursa
Seizmički aktivna mjesta nisu jedina mjesta gdje se može pronaći geotermalna energija. Postoji stalna opskrba upotrebljivom toplinom za potrebe direktnog grijanja na dubinama od 4 metra do nekoliko kilometara ispod površine praktično bilo gdje na zemlji. Čak i zemljište u vlastitom dvorištu ili u lokalnoj školi ima ekonomski potencijal za grijanje kuće ili drugih zgrada.
Osim toga, postoji ogromna količina toplinske energije u suhim stijenama vrlo duboko ispod površine (4 - 10 km).
Upotreba nove tehnologije mogla bi proširiti geotermalne sisteme gdje ljudi mogu koristiti tu toplinu za proizvodnju električne energije u mnogo većem obimu od konvencionalne tehnologije. Prvi demonstracijski projekti ovog principa proizvodnje električne energije prikazani su u Sjedinjenim Državama i Australiji već 2013. godine.
Ukoliko se ostvari puni ekonomski potencijal geotermalnih resursa, to će predstavljati ogroman izvor električne energije za proizvodne kapacitete. Naučnici sugerišu da konvencionalni geotermalni izvori imaju potencijal od 38.000 MW, što može proizvesti 380 miliona MW električne energije godišnje.
Vruće suhe stijene se javljaju na dubinama od 5 do 8 km svuda pod zemljom i na manjim dubinama na pojedinim mjestima. Pristup ovim resursima uključuje uvođenje hladne vode koja cirkuliše kroz vruće stijene i uklanjanje zagrijane vode. Trenutno ne postoji komercijalna primjena ove tehnologije. Postojeće tehnologije još ne dozvoljavaju povrat toplotne energije direktno iz magme, veoma duboke, ali ovo je najmoćniji izvor geotermalne energije.
Kombinacijom energetskih resursa i njegove konzistentnosti, geotermalna energija može igrati nezamjenjivu ulogu kao čistiji, održiviji energetski sistem.
Izgradnja geotermalnih elektrana
Geotermalna energija je čista i održiva toplota sa Zemlje. Veći resursi se kreću od nekoliko kilometara ispod površine zemlje, pa čak i dublje, do rastopljene stijene visoke temperature zvane magma. Ali kao što je gore opisano, ljudi još nisu stigli do magme.
Tri projekta geotermalnih elektrana
Tehnologija primjene određena je resursom. Ako voda dolazi iz bunara kao para, može se koristiti direktno. Ako je topla voda dovoljno visoka, ona mora proći kroz izmjenjivač topline.
Prva bušotina za proizvodnju električne energije izbušena je prije 1924. Dublje bušotine su izbušene 1950-ih, ali pravi razvoj događa se 1970-ih i 1980-ih.
Direktno korištenje geotermalne topline
Geotermalni izvori se također mogu koristiti direktno za potrebe grijanja. Topla voda se koristi za grijanje zgrada, uzgoj biljaka u staklenicima, sušenje ribe i usjeva, poboljšanje proizvodnje ulja, pomoć industrijskim procesima kao što su pasterizatori mlijeka i grijanje vode u ribnjacima. U SAD-u, Klamath Falls, Oregon i Boise, Idaho koriste geotermalnu vodu za grijanje domova i zgrada više od jednog stoljeća. Na istočnoj obali, gradu Warm Springs, Virginia dobiva toplinu direktno iz izvorske vode koristeći izvore topline u jednom od lokalnih ljetovališta.
Na Islandu se gotovo svaka zgrada u zemlji grije toplom izvorskom vodom. Zapravo, Island više od 50 posto svoje primarne energije dobiva iz geotermalnih izvora. U Reykjaviku, na primjer (118.000 stanovnika), topla voda se prenosi 25 kilometara pokretnom trakom, a stanovnici je koriste za grijanje i prirodne potrebe.
Novi Zeland dodatno dobija 10% električne energije. je nerazvijena, uprkos prisustvu termalnih voda.
U našoj zemlji, bogatoj ugljovodonicima, geotermalna energija je vrsta egzotičnog resursa koji, u sadašnjem stanju, teško da može konkurisati naftom i gasom. Ipak, ovaj alternativni oblik energije može se koristiti gotovo svuda i prilično efikasno.
Geotermalna energija je toplota unutrašnjosti Zemlje. Nastaje u dubinama i dolazi na površinu Zemlje u različitim oblicima i različitim intenzitetom.
Temperatura gornjih slojeva tla ovisi uglavnom o vanjskim (egzogenim) faktorima - sunčevoj svjetlosti i temperaturi zraka. Ljeti i tokom dana tlo se zagrijava do određene dubine, a zimi i noću se hladi prateći promjenu temperature zraka i sa određenim zakašnjenjem, povećavajući se sa dubinom. Utjecaj dnevnih kolebanja temperature zraka završava se na dubinama od nekoliko do nekoliko desetina centimetara. Sezonske fluktuacije zahvaćaju dublje slojeve tla - do desetina metara.
Na određenoj dubini - od desetina do stotina metara - temperatura tla se održava konstantnom, jednakom prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka blizu površine Zemlje. To je lako provjeriti spuštanjem u prilično duboku pećinu.
Kada je srednja godišnja temperatura vazduha u datom području ispod nule, to se manifestuje kao permafrost (tačnije, permafrost). U istočnom Sibiru debljina, odnosno debljina smrznutog tla tokom cijele godine dostiže mjestimično 200-300 m.
Sa određene dubine (svoje za svaku tačku na karti) djelovanje Sunca i atmosfere toliko slabi da su endogeni (unutrašnji) faktori na prvom mjestu i unutrašnjost Zemlje se zagrijava iznutra, tako da temperatura počinje porasti sa dubinom.
Zagrijavanje dubokih slojeva Zemlje povezano je uglavnom s raspadom radioaktivnih elemenata koji se tamo nalaze, iako se nazivaju i drugi izvori topline, na primjer, fizičko-hemijski, tektonski procesi u dubokim slojevima zemljine kore i plašta. No, bez obzira na uzrok, temperatura stijena i povezanih tekućih i plinovitih tvari raste s dubinom. Rudari se suočavaju s ovim fenomenom - u dubokim rudnicima je uvijek vruće. Na dubini od 1 km, temperatura od trideset stepeni je normalna, a dublje temperatura je još viša.
Toplotni tok zemljine unutrašnjosti, koji dopire do površine Zemlje, je mali - u prosjeku, njegova snaga je 0,03–0,05 W / m 2, odnosno približno 350 W h / m 2 godišnje. Na pozadini toplotnog toka od Sunca i zraka koji se njime zagrijava, ovo je neprimjetna vrijednost: Sunce daje svakom kvadratnom metru zemljine površine oko 4000 kWh godišnje, odnosno 10 000 puta više (naravno, ovo je u prosjeku, sa ogromnim rasponom između polarnih i ekvatorijalnih širina i ovisno o drugim klimatskim i vremenskim faktorima).
Neznačajnost toplotnog toka iz dubine na površinu u većem dijelu planete povezana je sa niskom toplotnom provodljivošću stijena i osobenostima geološke strukture. Ali postoje izuzeci - mjesta gdje je protok topline visok. To su, prije svega, zone tektonskih rasjeda, pojačane seizmičke aktivnosti i vulkanizma, gdje energija unutrašnjosti zemlje nalazi izlaz. Takve zone karakteriziraju termalne anomalije litosfere, ovdje toplinski tok koji dopire do površine Zemlje može biti višestruko, pa čak i za redove veličine, jači od "uobičajenog". U ovim zonama ogromna količina topline izbacuje se na površinu vulkanskim erupcijama i toplim izvorima vode.
Upravo su ova područja najpovoljnija za razvoj geotermalne energije. Na teritoriji Rusije to su, prije svega, Kamčatka, Kurilska ostrva i Kavkaz.
Istovremeno, razvoj geotermalne energije moguć je gotovo posvuda, jer je povećanje temperature sa dubinom sveprisutna pojava, a zadatak je „izvlačenje“ topline iz crijeva, kao što se odatle crpe mineralne sirovine.
U prosjeku, temperatura raste sa dubinom za 2,5-3°C na svakih 100 m. Odnos temperaturne razlike između dvije tačke koje leže na različitim dubinama i razlike u dubini između njih naziva se geotermalni gradijent.
Recipročna vrijednost je geotermalni korak, ili interval dubine na kojem temperatura raste za 1°C.
Što je veći gradijent i, shodno tome, što je niži korak, toplina Zemljinih dubina se više približava površini i ovo područje je perspektivnije za razvoj geotermalne energije.
U različitim područjima, u zavisnosti od geološke strukture i drugih regionalnih i lokalnih uslova, brzina porasta temperature sa dubinom može dramatično varirati. Na skali Zemlje, fluktuacije u vrijednostima geotermalnih gradijenata i stepenica dostižu 25 puta. Na primjer, u državi Oregon (SAD) gradijent je 150°C na 1 km, au Južnoj Africi 6°C na 1 km.
Pitanje je koja je temperatura na velikim dubinama - 5, 10 km ili više? Ako se trend nastavi, temperature na dubini od 10 km bi u prosjeku trebale biti oko 250-300°C. To je manje-više potvrđeno direktnim zapažanjima u ultradubokim bunarima, iako je slika mnogo složenija od linearnog povećanja temperature.
Na primjer, u superdubokoj bušotini Kola izbušenoj u Baltičkom kristalnom štitu, temperatura se mijenja brzinom od 10°C/1 km do dubine od 3 km, a zatim geotermalni gradijent postaje 2-2,5 puta veći. Na dubini od 7 km već je zabilježena temperatura od 120°C, na 10 km - 180°C, a na 12 km - 220°C.
Drugi primjer je bunar postavljen u sjevernom Kaspijskom moru, gdje je na dubini od 500 m zabilježena temperatura od 42°C, na 1,5 km - 70°C, na 2 km - 80°C, na 3 km - 108°C.
Pretpostavlja se da se geotermalni gradijent smanjuje počevši od dubine od 20-30 km: na dubini od 100 km procijenjene temperature su oko 1300-1500°C, na dubini od 400 km - 1600°C, u Zemljinoj jezgro (dubine veće od 6000 km) - 4000–5000° C.
Na dubinama do 10–12 km temperatura se mjeri kroz izbušene bušotine; tamo gdje ih nema, određuje se posrednim znakovima na isti način kao i na većim dubinama. Takvi indirektni znakovi mogu biti priroda prolaska seizmičkih valova ili temperatura lave koja eruptira.
Međutim, za potrebe geotermalne energije podaci o temperaturama na dubinama većim od 10 km još nisu od praktičnog interesa.
Na dubinama od nekoliko kilometara ima mnogo topline, ali kako je podići? Ponekad nam sama priroda rješava ovaj problem uz pomoć prirodnog rashladnog sredstva - zagrijane termalne vode koje izlaze na površinu ili leže na nama dostupnoj dubini. U nekim slučajevima, voda u dubini se zagrijava do stanja pare.
Ne postoji stroga definicija pojma "termalne vode". U pravilu se podrazumijevaju vruće podzemne vode u tekućem stanju ili u obliku pare, uključujući i one koje dolaze na površinu Zemlje s temperaturom iznad 20°C, odnosno u pravilu višom od temperature zraka.
Toplina podzemne vode, pare, mješavine pare i vode je hidrotermalna energija. Shodno tome, energija zasnovana na njenoj upotrebi naziva se hidrotermalna.
Situacija je složenija s proizvodnjom topline direktno iz suhih stijena - petrotermalne energije, pogotovo jer dovoljno visoke temperature, u pravilu, počinju sa dubine od nekoliko kilometara.
Na teritoriji Rusije potencijal petrotermalne energije je sto puta veći od hidrotermalne energije - 3.500 i 35 triliona tona standardnog goriva, respektivno. To je sasvim prirodno - toplina Zemljinih dubina je posvuda, a termalne vode se nalaze lokalno. Međutim, zbog očiglednih tehničkih poteškoća, većina termalnih voda se trenutno koristi za proizvodnju toplinske i električne energije.
Temperature vode od 20-30 do 100°C pogodne su za grijanje, temperature od 150°C i više - i za proizvodnju električne energije u geotermalnim elektranama.
Generalno, geotermalni resursi na teritoriji Rusije, u smislu tona referentnog goriva ili bilo koje druge mjerne jedinice energije, približno su 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.
Teoretski, samo geotermalna energija bi mogla u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. U praksi, trenutno, na većem dijelu njene teritorije, to nije izvodljivo iz tehničkih i ekonomskih razloga.
U svijetu se korištenje geotermalne energije najčešće povezuje s Islandom - državom koja se nalazi na sjevernom kraju Srednjoatlantskog grebena, u izuzetno aktivnoj tektonskoj i vulkanskoj zoni. Vjerovatno se svi sjećaju snažne erupcije vulkana Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajokull) 2010.
Upravo zahvaljujući ovoj geološkoj specifičnosti Island ima ogromne rezerve geotermalne energije, uključujući tople izvore koji dolaze na površinu Zemlje i čak šikljaju u obliku gejzira.
Na Islandu se više od 60% sve potrošene energije trenutno uzima sa Zemlje. Uključujući i geotermalne izvore, obezbjeđeno je 90% grijanja i 30% proizvodnje električne energije. Dodajmo da ostatak električne energije u zemlji proizvode hidroelektrane, odnosno također koristeći obnovljivi izvor energije, zahvaljujući čemu Island izgleda kao svojevrsni globalni ekološki standard.
„Ukroćenje“ geotermalne energije u 20. veku je značajno ekonomski pomoglo Islandu. Do sredine prošlog veka bila je veoma siromašna država, sada je na prvom mestu u svetu po instaliranom kapacitetu i proizvodnji geotermalne energije po glavi stanovnika, a u prvih deset je po apsolutnom instaliranom kapacitetu geotermalne energije. biljke. Međutim, njegova populacija je samo 300 tisuća ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potreba za tim je općenito mala.
Osim Islanda, visok udio geotermalne energije u ukupnom bilansu proizvodnje električne energije obezbjeđuju i Novi Zeland i ostrvske države jugoistočne Azije (Filipini i Indonezija), zemlje Centralne Amerike i Istočne Afrike, čiji je teritorij takođe karakterističan. visokom seizmičkom i vulkanskom aktivnošću. Za ove zemlje, na njihovom sadašnjem nivou razvoja i potreba, geotermalna energija daje značajan doprinos društveno-ekonomskom razvoju.
Upotreba geotermalne energije ima veoma dugu istoriju. Jedan od prvih poznatih primjera je Italija, mjesto u provinciji Toskana, koje se danas zove Larderello, gdje su se već početkom 19. stoljeća za energiju koristile lokalne tople termalne vode, koje su tekle prirodno ili izvađene iz plitkih bunara. svrhe.
Voda iz podzemnih izvora, bogata borom, korištena je ovdje za dobijanje borne kiseline. U početku se ova kiselina dobivala isparavanjem u željeznim kotlovima, a obična drva za ogrjev uzimana su kao gorivo iz obližnjih šuma, ali je 1827. godine Francesco Larderel stvorio sistem koji je radio na toplini same vode. Istovremeno je energija prirodne vodene pare počela da se koristi za rad bušaćih uređaja, a početkom 20. veka i za grejanje lokalnih kuća i plastenika. Na istom mjestu, u Larderellu, 1904. godine termalna vodena para postala je izvor energije za proizvodnju električne energije.
Primjer Italije krajem 19. i početkom 20. stoljeća slijedile su i neke druge zemlje. Na primjer, 1892. godine termalna voda je prvi put korištena za lokalno grijanje u Sjedinjenim Državama (Boise, Idaho), 1919. - u Japanu, 1928. - na Islandu.
U Sjedinjenim Državama prva hidrotermalna elektrana pojavila se u Kaliforniji ranih 1930-ih, na Novom Zelandu - 1958., u Meksiku - 1959., u Rusiji (prvi binarni GeoPP) - 1965. godine.
Stari princip na novom izvoru
Proizvodnja električne energije zahtijeva višu temperaturu izvora vode od grijanja, preko 150°C. Princip rada geotermalne elektrane (GeoES) sličan je principu rada konvencionalne termoelektrane (TE). Zapravo, geotermalna elektrana je vrsta termoelektrane.
U termoelektranama, u pravilu, ugalj, plin ili lož ulje djeluju kao primarni izvor energije, a vodena para služi kao radni fluid. Gorivo, sagorevajući, zagrijava vodu do stanja pare, koja rotira parnu turbinu, a ona proizvodi električnu energiju.
Razlika između GeoPP-a je u tome što je primarni izvor energije ovdje toplina unutrašnjosti zemlje i radni fluid u obliku pare ulazi u lopatice turbine elektrogeneratora u "spremnom" obliku direktno iz proizvodne bušotine.
Postoje tri glavne sheme rada GeoPP-a: direktan, korištenjem suhe (geotermalne) pare; indirektni, bazirani na hidrotermalnoj vodi, i mješoviti, ili binarni.
Upotreba jedne ili druge sheme ovisi o stanju agregacije i temperaturi energetskog nosača.
Najjednostavnija i stoga prva od savladanih shema je direktna, u kojoj se para koja dolazi iz bunara prolazi direktno kroz turbinu. Prvi GeoPP na svijetu u Larderellu 1904. godine također je radio na suhoj pari.
GeoPP s indirektnom shemom rada najčešći su u naše vrijeme. Koriste toplu podzemnu vodu koja se pod visokim pritiskom upumpava u isparivač, gdje se dio isparava, a nastala para okreće turbinu. U nekim slučajevima potrebni su dodatni uređaji i krugovi za pročišćavanje geotermalne vode i pare od agresivnih spojeva.
Izduvna para ulazi u injektorsku bušotinu ili se koristi za grijanje prostora - u ovom slučaju princip je isti kao kod rada CHP-a.
Na binarnim GeoPP-ovima, vruća termalna voda stupa u interakciju s drugom tekućinom koja djeluje kao radni fluid s nižom tačkom ključanja. Obje tečnosti prolaze kroz izmjenjivač topline, gdje termalna voda isparava radnu tečnost, čije pare rotiraju turbinu.
Ovaj sistem je zatvoren, čime se rješava problem emisija u atmosferu. Osim toga, radni fluidi s relativno niskom tačkom ključanja omogućavaju korištenje ne baš vruće termalne vode kao primarnog izvora energije.
Sve tri sheme koriste hidrotermalni izvor, ali petrotermalna energija se također može koristiti za proizvodnju električne energije.
Dijagram strujnog kola u ovom slučaju je također prilično jednostavan. Potrebno je izbušiti dvije međusobno povezane bušotine – injekcionu i proizvodnu. Voda se pumpa u injekcioni bunar. Na dubini se zagrijava, a zatim se zagrijana voda ili para nastala kao rezultat jakog zagrijavanja dovodi na površinu kroz proizvodni bunar. Nadalje, sve ovisi o tome kako se petrotermalna energija koristi - za grijanje ili za proizvodnju električne energije. Zatvoreni ciklus je moguć uz pumpanje ispušne pare i vode nazad u injekcionu bušotinu ili na drugi način odlaganja.
Nedostatak takvog sistema je očigledan: da bi se postigla dovoljno visoka temperatura radnog fluida, potrebno je bušiti bunare do velike dubine. A to je ozbiljan trošak i rizik od značajnog gubitka topline kada se tekućina pomakne prema gore. Stoga su petrotermalni sistemi još uvijek rjeđi od hidrotermalnih, iako je potencijal petrotermalne energije za redove veličine veći.
Trenutno, lider u stvaranju takozvanih petrotermalnih cirkulacionih sistema (PCS) je Australija. Osim toga, ovaj smjer geotermalne energije se aktivno razvija u SAD-u, Švicarskoj, Velikoj Britaniji i Japanu.
Poklon od Lorda Kelvina
Pronalazak toplotne pumpe 1852. godine od strane fizičara Williama Thompsona (poznatog kao Lord Kelvin) pružio je čovječanstvu stvarnu priliku da koristi nisku toplinu gornjih slojeva tla. Sistem toplotne pumpe, ili toplotni multiplikator kako ga je nazvao Thompson, zasniva se na fizičkom procesu prenošenja toplote iz okoline na rashladno sredstvo. U stvari, koristi isti princip kao u petrotermalnim sistemima. Razlika je u izvoru topline, u vezi s čime se može postaviti terminološko pitanje: u kojoj mjeri se toplotna pumpa može smatrati geotermalnim sistemom? Činjenica je da se u gornjim slojevima, do dubine od desetine ili stotine metara, stijene i tekućine sadržane u njima zagrijavaju ne dubokom toplinom zemlje, već suncem. Dakle, sunce je u ovom slučaju primarni izvor toplote, iako se uzima, kao iu geotermalnim sistemima, iz zemlje.
Rad toplotne pumpe zasniva se na kašnjenju u zagrevanju i hlađenju tla u odnosu na atmosferu, usled čega se formira temperaturni gradijent između površinskih i dubljih slojeva, koji zadržavaju toplotu čak i zimi, slično kako se to dešava u rezervoarima. Osnovna namjena toplotnih pumpi je grijanje prostora. U stvari, to je „frižider unatrag“. I toplotna pumpa i frižider su u interakciji sa tri komponente: unutrašnjim okruženjem (u prvom slučaju - zagrejana prostorija, u drugom - hlađenom rashladnom komorom), spoljašnjim okruženjem - izvorom energije i rashladnim sredstvom (rashladnim sredstvom), koje je takođe rashladna tečnost koja obezbeđuje prenos toplote ili hladnoće.
Supstanca sa niskom tačkom ključanja deluje kao rashladno sredstvo, što joj omogućava da uzima toplotu iz izvora koji ima čak i relativno nisku temperaturu.
U hladnjaku tečno rashladno sredstvo ulazi u isparivač kroz prigušnicu (regulator tlaka), gdje, uslijed naglog smanjenja tlaka, tekućina isparava. Isparavanje je endotermni proces koji zahtijeva da se toplina apsorbira izvana. Kao rezultat, toplina se uzima iz unutrašnjih zidova isparivača, što osigurava rashladni efekat u komori hladnjaka. Dalje od isparivača, rashladno sredstvo se usisava u kompresor, gdje se vraća u tečno agregacijsko stanje. To je obrnut proces, koji dovodi do oslobađanja preuzete topline u vanjsko okruženje. U pravilu se baca u prostoriju, a stražnji zid frižidera je relativno topao.
Toplotna pumpa radi na skoro isti način, s tom razlikom što se toplota uzima iz spoljašnje sredine i ulazi u unutrašnju sredinu kroz isparivač – sistem grejanja prostorije.
U pravoj toplotnoj pumpi voda se zagrijava, prolazeći kroz vanjski krug položen u zemlju ili rezervoar, a zatim ulazi u isparivač.
U isparivaču se toplina prenosi na unutrašnji krug ispunjen rashladnim sredstvom s niskom tačkom ključanja, koje, prolazeći kroz isparivač, prelazi iz tekućeg u plinovito stanje, uzimajući toplinu.
Nadalje, rashladno sredstvo u plinu ulazi u kompresor, gdje se komprimira do visokog tlaka i temperature, te ulazi u kondenzator, gdje se odvija izmjena topline između vrućeg plina i nosača topline iz sistema grijanja.
Za rad kompresora je potrebna električna energija, međutim, omjer transformacije (omjer potrošene i proizvedene energije) u modernim sistemima je dovoljno visok da osigura njihovu efikasnost.
Trenutno se toplotne pumpe široko koriste za grijanje prostora, uglavnom u ekonomski razvijenim zemljama.
Eko-ispravna energija
Geotermalna energija se smatra ekološki prihvatljivom, što je općenito istina. Prije svega, koristi obnovljiv i praktično neiscrpan resurs. Geotermalna energija ne zahtijeva velike površine, za razliku od velikih hidroelektrana ili vjetroelektrana, i ne zagađuje atmosferu, za razliku od ugljikovodične energije. GeoPP u prosjeku zauzima 400 m 2 u smislu 1 GW proizvedene električne energije. Ista brojka za termoelektranu na ugalj, na primjer, iznosi 3600 m 2. Ekološke prednosti GeoPP-a uključuju i nisku potrošnju vode - 20 litara svježe vode na 1 kW, dok termoelektrane i nuklearne elektrane zahtijevaju oko 1000 litara. Imajte na umu da su ovo ekološki indikatori "prosječnog" GeoPP-a.
Ali i dalje postoje negativne nuspojave. Među njima se najčešće izdvajaju buka, toplotno zagađenje atmosfere i hemijsko zagađenje vode i tla, kao i stvaranje čvrstog otpada.
Glavni izvor hemijskog zagađenja životne sredine je sama termalna voda (visoke temperature i saliniteta), koja često sadrži velike količine toksičnih jedinjenja, pa se javlja problem odlaganja otpadnih voda i opasnih materija.
Negativni efekti geotermalne energije mogu se pratiti u nekoliko faza, počevši od bušenja bušotina. Ovdje nastaju iste opasnosti kao i kod bušenja bilo kojeg bunara: uništavanje tla i vegetacije, zagađenje tla i podzemnih voda.
U fazi rada GeoPP-a i dalje postoje problemi zagađenja životne sredine. Termalni fluidi - voda i para - obično sadrže ugljen dioksid (CO 2), sumpor sulfid (H 2 S), amonijak (NH 3), metan (CH 4), so (NaCl), bor (B), arsen (As ), živa (Hg). Kada se ispuste u životnu sredinu, postaju izvori zagađenja. Osim toga, agresivno kemijsko okruženje može uzrokovati koroziono oštećenje GeoTPP struktura.
Istovremeno, emisije zagađujućih materija na GeoPP su u prosjeku niže nego na TE. Na primjer, emisija ugljičnog dioksida po kilovat-satu proizvedene električne energije iznosi do 380 g u GeoPP, 1042 g u termoelektranama na ugalj, 906 g u lož-ulju i 453 g u termoelektranama na plin.
Postavlja se pitanje: šta učiniti sa otpadnim vodama? Sa niskim salinitetom, nakon hlađenja, može se ispuštati u površinske vode. Drugi način je da se pumpa nazad u vodonosnik kroz injekcionu bušotinu, što je trenutno poželjna i preovlađujuća praksa.
Ekstrakcija termalne vode iz akvifera (kao i ispumpavanje obične vode) može uzrokovati slijeganje i pomjeranje tla, druge deformacije geoloških slojeva i mikro-potrese. Vjerovatnoća takvih pojava je obično mala, iako su zabilježeni pojedinačni slučajevi (na primjer, na GeoPP-u u Staufen im Breisgau u Njemačkoj).
Treba naglasiti da se većina GeoPP-ova nalazi u relativno slabo naseljenim područjima iu zemljama trećeg svijeta, gdje su ekološki zahtjevi manje strogi nego u razvijenim zemljama. Osim toga, u ovom trenutku broj GeoPP-ova i njihovi kapaciteti su relativno mali. Sa većim razvojem geotermalne energije, ekološki rizici se mogu povećati i umnožiti.
Kolika je energija Zemlje?
Investicioni troškovi izgradnje geotermalnih sistema variraju u veoma širokom rasponu - od 200 do 5000 dolara po 1 kW instalirane snage, odnosno najjeftinije opcije su uporedive sa troškovima izgradnje termoelektrane. One zavise, prije svega, od uslova nastanka termalnih voda, njihovog sastava i dizajna sistema. Bušenje na velike dubine, stvaranje zatvorenog sistema sa dva bunara, potreba za tretmanom vode može višestruko povećati troškove.
Na primjer, ulaganja u stvaranje petrotermalnog cirkulacijskog sistema (PTS) procjenjuju se na 1,6-4 hiljade dolara po 1 kW instalirane snage, što premašuje troškove izgradnje nuklearne elektrane i uporedivo je sa troškovima izgradnje vjetroelektrane i solarne elektrane.
Očigledna ekonomska prednost GeoTPP-a je besplatan nosilac energije. Poređenja radi, u strukturi troškova tekuće termoelektrane ili nuklearne elektrane gorivo čini 50-80% ili čak više, ovisno o trenutnim cijenama energije. Otuda još jedna prednost geotermalnog sistema: operativni troškovi su stabilniji i predvidljiviji, jer ne zavise od eksterne konjunkture cijena energije. Općenito, operativni troškovi GeoTPP-a procjenjuju se na 2–10 centi (60 kopejki–3 rublje) po 1 kWh proizvedenog kapaciteta.
Druga najveća (i veoma značajna) stavka rashoda nakon energenta je, po pravilu, plata osoblja stanice, koja može drastično varirati u zavisnosti od zemlje i regiona.
U prosjeku, cijena 1 kWh geotermalne energije uporediva je s onim za termoelektrane (u ruskim uvjetima - oko 1 rublja / 1 kWh) i deset puta veća od cijene proizvodnje električne energije u hidroelektranama (5-10 kopejki). / 1 kWh).
Dio razloga za visoku cijenu je taj što, za razliku od termo i hidrauličnih elektrana, GeoTPP ima relativno mali kapacitet. Pored toga, potrebno je uporediti sisteme koji se nalaze u istom regionu iu sličnim uslovima. Tako, na primjer, na Kamčatki, prema stručnjacima, 1 kWh geotermalne električne energije košta 2-3 puta jeftinije od struje proizvedene u lokalnim termoelektranama.
Pokazatelji ekonomske efikasnosti geotermalnog sistema zavise, na primjer, od toga da li je potrebno odlagati otpadne vode i na koji način se to radi, da li je moguće kombinirano korištenje resursa. Dakle, hemijski elementi i jedinjenja ekstrahovani iz termalne vode mogu pružiti dodatni prihod. Prisjetimo se primjera Larderella: tamo je primarna bila kemijska proizvodnja, a korištenje geotermalne energije u početku je bilo pomoćne prirode.
Geotermalna energija Forwards
Geotermalna energija se razvija nešto drugačije od vjetra i sunca. Trenutno, to u velikoj mjeri ovisi o prirodi samog resursa, koji se oštro razlikuje po regijama, a najveće koncentracije vezane su za uske zone geotermalnih anomalija, obično povezane s područjima tektonskih rasjeda i vulkanizma.
Osim toga, geotermalna energija je tehnološki manje kapaciteta u odnosu na vjetar, a još više u odnosu na solarnu energiju: sistemi geotermalnih stanica su prilično jednostavni.
U ukupnoj strukturi svjetske proizvodnje električne energije geotermalna komponenta čini manje od 1%, ali u nekim regijama i zemljama njen udio dostiže 25-30%. Zbog povezanosti sa geološkim uslovima, značajan dio geotermalnih energetskih kapaciteta koncentrisan je u zemljama trećeg svijeta, gdje postoje tri najrazvijenija klastera industrije - ostrva Jugoistočne Azije, Centralne Amerike i Istočne Afrike. Prve dvije regije dio su pacifičkog "vatrenog pojasa Zemlje", a treća je vezana za istočnoafrički rascjep. Sa najvećom vjerovatnoćom, geotermalna energija će se nastaviti razvijati u ovim pojasevima. Daleka perspektiva je razvoj petrotermalne energije, koristeći toplinu zemljinih slojeva koji leže na dubini od nekoliko kilometara. Ovo je gotovo sveprisutan resurs, ali njegovo vađenje zahtijeva visoke troškove, pa se petrotermalna energija razvija prvenstveno u ekonomski i tehnološki najmoćnijim zemljama.
Generalno, s obzirom na sveprisutnost geotermalnih resursa i prihvatljiv nivo ekološke sigurnosti, postoji razlog za vjerovanje da geotermalna energija ima dobre izglede za razvoj. Pogotovo sa sve većom prijetnjom nestašice tradicionalnih energenata i porastom cijena za njih.
Od Kamčatke do Kavkaza
U Rusiji razvoj geotermalne energije ima prilično dugu istoriju, a po brojnim pozicijama smo među svjetskim liderima, iako je udio geotermalne energije u ukupnom energetskom bilansu jedne ogromne zemlje još uvijek zanemarljiv.
Pioniri i centri za razvoj geotermalne energije u Rusiji bili su dva regiona - Kamčatka i Severni Kavkaz, i ako je u prvom slučaju reč pre svega o elektroprivredi, onda u drugom - o korišćenju toplotne energije termalnu vodu.
Na Sjevernom Kavkazu - u Krasnodarskoj teritoriji, Čečeniji, Dagestanu - toplina termalnih voda korištena je u energetske svrhe još prije Velikog domovinskog rata. Tokom 1980-1990-ih, razvoj geotermalne energije u regionu je, iz očiglednih razloga, zastao i još se nije oporavio od stanja stagnacije. Ipak, geotermalna voda na Sjevernom Kavkazu osigurava toplinu za oko 500 hiljada ljudi, a, na primjer, grad Labinsk na Krasnodarskom teritoriju sa populacijom od 60 hiljada ljudi u potpunosti se zagrijava geotermalnim vodama.
Na Kamčatki je istorija geotermalne energije povezana prvenstveno sa izgradnjom GeoPP. Prve od njih, koje još uvijek rade stanice Pauzhetskaya i Paratunskaya, izgrađene su još 1965–1967, dok je Paratunska GeoPP kapaciteta 600 kW postala prva stanica na svijetu sa binarnim ciklusom. Bio je to razvoj sovjetskih naučnika S. S. Kutateladzea i A. M. Rosenfelda sa Instituta za toplinsku fiziku Sibirskog ogranka Ruske akademije nauka, koji su 1965. godine dobili certifikat o autorskim pravima za vađenje električne energije iz vode s temperaturom od 70 ° C. Ova tehnologija je kasnije postala prototip za više od 400 binarnih GeoPP-a u svijetu.
Kapacitet Paužetske GeoPP, puštene u rad 1966. godine, u početku je bio 5 MW, a zatim je povećan na 12 MW. Trenutno je stanica u izgradnji binarnog bloka, koji će povećati njen kapacitet za još 2,5 MW.
Razvoj geotermalne energije u SSSR-u i Rusiji bio je sputan dostupnošću tradicionalnih izvora energije - nafte, gasa, uglja, ali nikada nije prestao. Najveći geotermalni energetski objekti u ovom trenutku su Verkhne-Mutnovskaya GeoPP ukupne snage 12 MW elektrane, puštene u rad 1999. godine, i Mutnovskaya GeoPP snage 50 MW (2002).
Mutnovskaya i Verkhne-Mutnovskaya GeoPP jedinstveni su objekti ne samo za Rusiju, već i na globalnom nivou. Stanice se nalaze u podnožju vulkana Mutnovsky, na nadmorskoj visini od 800 metara i rade u ekstremnim klimatskim uslovima, gde je zima 9-10 meseci godišnje. Oprema Mutnovsky GeoPP, trenutno jedne od najmodernijih u svijetu, u potpunosti je kreirana u domaćim elektroenergetskim preduzećima.
Trenutno, udio stanica Mutnovsky u ukupnoj strukturi potrošnje energije energetskog čvorišta Centralne Kamčatke iznosi 40%. U narednim godinama planirano je povećanje kapaciteta.
Odvojeno, treba reći o ruskom petrotermalnom razvoju. Još nemamo veliki PDS, međutim, postoje napredne tehnologije za bušenje na velike dubine (oko 10 km), koje takođe nemaju analoga u svijetu. Njihov dalji razvoj će omogućiti drastično smanjenje troškova stvaranja petrotermalnih sistema. Programeri ovih tehnologija i projekata su N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geološki institut Ruske akademije nauka), A. S. Nekrasov (Institut za ekonomsko predviđanje Ruske akademije nauka) i stručnjaci iz Kaluške turbine. Trenutno je projekat petrotermalnog cirkulacijskog sistema u Rusiji u pilot fazi.
Izgledi za geotermalnu energiju u Rusiji postoje, iako su relativno udaljeni: u ovom trenutku potencijal je prilično velik, a pozicija tradicionalne energije je jaka. Istovremeno, u brojnim udaljenim regijama zemlje korištenje geotermalne energije je ekonomski isplativo i traženo je i sada. To su teritorije sa visokim geoenergetskim potencijalom (Čukotka, Kamčatka, Kurili - ruski deo pacifičkog "vatrenog pojasa Zemlje", planine južnog Sibira i Kavkaza) i istovremeno udaljene i odsečene od centralizovane energije. snabdevanje.
Vjerovatno će se u narednim decenijama geotermalna energija u našoj zemlji razvijati upravo u takvim regijama.
Ova energija pripada alternativnim izvorima. Danas se sve češće spominju mogućnosti pribavljanja resursa koje nam planeta pruža. Možemo reći da živimo u eri mode za obnovljivu energiju. Stvara se mnogo tehničkih rješenja, planova, teorija u ovoj oblasti.
Duboko je u utrobi zemlje i ima svojstva obnavljanja, drugim riječima, beskrajan je. Klasični resursi, prema naučnicima, počinju da ponestaju, ponestaje nafte, uglja, gasa.
Geotermalna elektrana Nesjavellir, Island
Stoga se može postepeno pripremati za usvajanje novih alternativnih metoda proizvodnje energije. Ispod zemljine kore nalazi se moćno jezgro. Temperatura mu se kreće od 3000 do 6000 stepeni. Kretanje litosferskih ploča pokazuje njegovu ogromnu snagu. Manifestira se u obliku vulkanskog prskanja magme. U dubinama dolazi do radioaktivnog raspadanja, što ponekad izaziva takve prirodne katastrofe.
Magma obično zagrijava površinu, a da ne ide dalje od nje. Tako se dobijaju gejziri ili topli bazeni vode. Na taj način se fizički procesi mogu koristiti u prave svrhe za čovječanstvo.
Vrste geotermalnih izvora energije
Obično se dijeli na dvije vrste: hidrotermalnu i petrotermalnu energiju. Prvi nastaje zbog toplih izvora, a drugi tip je temperaturna razlika na površini iu dubini zemlje. Svojim riječima, hidrotermalni izvor se sastoji od pare i tople vode, dok je petrotermalni izvor skriven duboko pod zemljom.
Karta razvojnog potencijala geotermalne energije u svijetu
Za petrotermalnu energiju potrebno je izbušiti dvije bušotine, jednu napuniti vodom, nakon čega će doći do procesa uzletanja koji će izaći na površinu. Postoje tri klase geotermalnih područja:
- Geotermalna - nalazi se u blizini kontinentalnih ploča. Temperaturni gradijent preko 80C/km. Kao primjer, italijanska komuna Larderello. Postoji elektrana
- Polutermalno - temperatura 40 - 80 C/km. To su prirodni vodonosnici, koji se sastoje od zdrobljenih stijena. U nekim mjestima u Francuskoj zgrade se griju na ovaj način.
- Normalno - gradijent manji od 40 C/km. Zastupljenost takvih područja je najčešća
Odličan su izvor za konzumaciju. Oni su u stijeni, na određenoj dubini. Pogledajmo pobliže klasifikaciju:
- Epitermalna - temperatura od 50 do 90 s
- Mezotermno - 100 - 120 s
- Hipotermno - više od 200 s
Ove vrste se sastoje od različitog hemijskog sastava. Ovisno o tome, voda se može koristiti u različite svrhe. Na primjer, u proizvodnji električne energije, snabdijevanju toplinom (termalnim putem), sirovinskoj bazi.
Video: Geotermalna energija
Proces opskrbe toplinom
Temperatura vode je 50 -60 stepeni, što je optimalno za grijanje i toplovod stambenog prostora. Potreba za sistemima grijanja ovisi o geografskom položaju i klimatskim uvjetima. A ljudima su stalno potrebne potrebe za opskrbom toplom vodom. Za ovaj proces se grade GTS (geotermalne termalne stanice).
Ako se za klasičnu proizvodnju toplinske energije koristi kotlovnica koja troši kruto ili plinsko gorivo, onda se u ovoj proizvodnji koristi izvor gejzira. Tehnički proces je vrlo jednostavan, iste komunikacije, termalne rute i oprema. Dovoljno je izbušiti bunar, očistiti ga od plinova, zatim ga poslati u kotlovnicu s pumpama, gdje će se održavati temperaturni raspored, a zatim će ući u grijanje.
Glavna razlika je u tome što nema potrebe za korištenjem kotla na gorivo. Ovo značajno smanjuje troškove toplotne energije. Zimi, pretplatnici dobijaju toplotu i toplu vodu, a ljeti samo toplu vodu.
Proizvodnja energije
Vrući izvori, gejziri su glavne komponente u proizvodnji električne energije. Za to se koristi nekoliko shema, grade se posebne elektrane. GTS uređaj:
- Spremnik PTV-a
- Pumpa
- Gas separator
- Parni separator
- generirajuća turbina
- Kondenzator
- booster pump
- Rezervoar - hladnjak
Kao što vidite, glavni element kruga je parni pretvarač. To omogućava dobivanje pročišćene pare, jer sadrži kiseline koje uništavaju turbinsku opremu. U tehnološkom ciklusu moguće je koristiti mješovitu shemu, odnosno u proces su uključeni voda i para. Tečnost prolazi kroz čitavu fazu prečišćavanja od gasova, kao i od pare.
Kolo sa binarnim izvorom
Radna komponenta je tečnost sa niskom tačkom ključanja. Termalna voda također je uključena u proizvodnju električne energije i služi kao sekundarna sirovina.
Uz njegovu pomoć nastaje izvorna para niskog ključanja. GTS sa takvim ciklusom rada može biti potpuno automatizovan i ne zahteva prisustvo osoblja za održavanje. Jače stanice koriste shemu s dva kruga. Ova vrsta elektrane omogućava dostizanje snage od 10 MW. Dvostruka struktura:
- generator pare
- Turbina
- Kondenzator
- Ejektor
- Pumpa za napajanje
- Economizer
- Isparivač
Praktična upotreba
Ogromne rezerve izvora višestruko su veće od godišnje potrošnje energije. Ali samo mali dio koristi čovječanstvo. Izgradnja stanica datira iz 1916. godine. U Italiji je stvorena prva GeoTPP kapaciteta 7,5 MW. Industrija se aktivno razvija u zemljama kao što su: SAD, Island, Japan, Filipini, Italija.
U toku su aktivno istraživanje potencijalnih lokacija i pogodnije metode vađenja. Kapacitet proizvodnje raste iz godine u godinu. Ako uzmemo u obzir ekonomski pokazatelj, onda je trošak takve industrije jednak termoelektranama na ugalj. Island gotovo u potpunosti pokriva komunalni i stambeni fond sa GT izvorom. 80% domova koristi toplu vodu iz bunara za grijanje. Stručnjaci iz SAD tvrde da, uz pravilan razvoj, GeoTPP mogu proizvesti 30 puta više od godišnje potrošnje. Ako govorimo o potencijalu, onda će 39 zemalja svijeta moći u potpunosti da se osigura električnom energijom ako 100 posto iskoriste utrobu zemlje.
Doktor tehničkih nauka ON. Kunem se profesore,
Akademik Ruske akademije tehnoloških nauka, Moskva
Posljednjih decenija svijet razmišlja o pravcu efikasnijeg korištenja energije duboke topline Zemlje kako bi se djelimično zamijenili prirodni plin, nafta i ugalj. To će postati moguće ne samo u područjima s visokim geotermalnim parametrima, već iu bilo kojem dijelu svijeta kada se buše injekcione i proizvodne bušotine i stvaraju cirkulacijski sistemi između njih.
Povećano interesovanje za alternativne izvore energije u svijetu posljednjih decenija uzrokovano je iscrpljivanjem rezervi ugljikovodičnih goriva i potrebom rješavanja niza ekoloških problema. Objektivni faktori (zalihe fosilnih goriva i uranijuma, kao i promjene u okolišu uzrokovane tradicionalnom vatrom i nuklearnom energijom) omogućavaju nam da tvrdimo da je prelazak na nove metode i oblike proizvodnje energije neizbježan.
Svjetska ekonomija trenutno ide ka prelasku na racionalnu kombinaciju tradicionalnih i novih izvora energije. Toplina Zemlje zauzima jedno od prvih mjesta među njima.
Geotermalni energetski resursi se dijele na hidrogeološke i petrogeotermalne. Prvi od njih predstavljaju nosioci toplote (koji čine samo 1% ukupnih geotermalnih energetskih resursa) - podzemne vode, para i mešavine pare i vode. Drugi su geotermalna energija sadržana u vrućim stijenama.
Tehnologija fontane (samoizlivanje) koja se koristi u našoj zemlji i inostranstvu za vađenje prirodne pare i geotermalnih voda je jednostavna, ali neefikasna. Uz mali protok samoprotočnih bušotina, njihova proizvodnja topline može nadoknaditi troškove bušenja samo na maloj dubini geotermalnih rezervoara s visokim temperaturama u područjima termičkih anomalija. Vijek trajanja takvih bunara u mnogim zemljama ne doseže ni 10 godina.
Istovremeno, iskustvo potvrđuje da je u prisustvu plitkih kolektora prirodne pare izgradnja geotermalne elektrane najisplativija opcija za korištenje geotermalne energije. Rad takvih GeoTE je pokazao njihovu konkurentnost u odnosu na druge tipove elektrana. Stoga je korištenje rezervi geotermalnih voda i parnih hidrotermi u našoj zemlji na poluostrvu Kamčatka i na ostrvima Kurilskog lanca, u regionima Sjevernog Kavkaza, a moguće i u drugim područjima, svrsishodno i pravovremeno. Ali nalazišta pare su rijetkost, njene poznate i predviđene rezerve su male. Mnogo češći depoziti toplotne i električne vode nisu uvek locirani dovoljno blizu potrošača – objekta za snabdevanje toplotom. To isključuje mogućnost njihove efikasne upotrebe u velikim razmjerima.
Često se pitanja borbe protiv skaliranja razvijaju u složen problem. Korištenje geotermalnih, u pravilu, mineraliziranih izvora kao nosača topline dovodi do zarastanja zona bušotina sa formacijama željeznog oksida, kalcijevog karbonata i silikata. Osim toga, problemi erozije-korozije i skaliranja negativno utječu na rad opreme. Problem je, također, ispuštanje mineraliziranih i otpadnih voda koje sadrže toksične nečistoće. Stoga najjednostavnija tehnologija fontana ne može poslužiti kao osnova za široki razvoj geotermalnih resursa.
Prema preliminarnim procjenama na teritoriji Ruske Federacije, predviđene rezerve termalnih voda sa temperaturom od 40-250 °C, salinitetom od 35-200 g/l i dubinom do 3000 m iznose 21-22 miliona m3/dan, što je ekvivalentno sagorevanju 30–40 miliona tona vode. .t. u godini.
Predviđene rezerve parno-vazdušne mešavine sa temperaturom od 150-250 °C na poluostrvu Kamčatka i Kurilskim ostrvima iznose 500 hiljada m3/dan. i rezerve termalne vode sa temperaturom od 40-100°C - 150 hiljada m3 / dan.
Zalihe termalnih voda sa protokom od oko 8 miliona m3/dan, sa salinitetom do 10 g/l i temperaturom iznad 50 °C smatraju se glavnim prioritetom za razvoj.
Od mnogo većeg značaja za energetiku budućnosti je vađenje toplotne energije, praktično neiscrpnih petrogeotermalnih resursa. Ova geotermalna energija, zatvorena u čvrste vruće stijene, čini 99% ukupnih resursa podzemne toplinske energije. Na dubini do 4-6 km, masivi sa temperaturom od 300-400 °C mogu se naći samo u blizini međuodora nekih vulkana, ali su vruće stijene s temperaturom od 100-150 °C rasprostranjene gotovo posvuda na ove dubine, i sa temperaturom od 180-200 °C na prilično značajnom dijelu teritorije Rusije.
Milijardama godina nuklearni, gravitacijski i drugi procesi unutar Zemlje stvarali su i nastavljaju stvarati toplinsku energiju. Deo toga se zrači u svemir, a toplota se akumulira u dubinama, tj. toplotni sadržaj čvrste, tečne i gasovite faze zemaljske materije naziva se geotermalna energija.
Kontinuirano stvaranje unutarzemaljske topline kompenzira njene vanjske gubitke, služi kao izvor akumulacije geotermalne energije i određuje obnovljivi dio njenih resursa. Ukupno odvođenje toplote iz unutrašnjosti na površinu zemlje je tri puta veće od trenutnog kapaciteta elektrana u svijetu i procjenjuje se na 30 TW.
Međutim, jasno je da je obnovljivost bitna samo za ograničene prirodne resurse, a ukupan potencijal geotermalne energije je praktično neiscrpan, jer ga treba definirati kao ukupnu količinu topline koja je dostupna Zemlji.
Nije slučajno što se posljednjih decenija u svijetu razmišlja o pravcu efikasnijeg korištenja energije duboke topline Zemlje kako bi se djelimično zamijenili prirodni plin, nafta i ugalj. To će postati moguće ne samo u područjima s visokim geotermalnim parametrima, već iu bilo kojem dijelu svijeta kada se buše injekcione i proizvodne bušotine i stvaraju cirkulacijski sistemi između njih.
Naravno, uz nisku toplotnu provodljivost stena, za efikasan rad cirkulacionih sistema potrebno je imati ili stvoriti dovoljno razvijenu površinu razmene toplote u zoni odvođenja toplote. Takva površina se često nalazi u poroznim formacijama i zonama prirodnog otpora na lom, koje se često nalaze na gore navedenim dubinama, čija propusnost omogućava organiziranje prisilne filtracije rashladne tekućine uz efikasno izvlačenje energije stijena, kao i umjetno stvaranje ekstenzivne površine za razmjenu topline u niskopropusnim poroznim masivima hidrauličkim lomljenjem (vidi sliku).
Trenutno se hidrauličko frakturiranje koristi u industriji nafte i plina kao način povećanja propusnosti ležišta kako bi se poboljšao oporavak nafte u razvoju naftnih polja. Moderna tehnologija omogućava stvaranje uske, ali dugačke pukotine, ili kratke, ali široke. Poznati su primjeri hidrauličnih lomova sa lomovima dužine do 2-3 km.
Domaću ideju o vađenju glavnih geotermalnih resursa sadržanih u čvrstim stijenama izrazio je još 1914. godine K.E. Obruchev.
Godine 1963. u Parizu je stvoren prvi GCC za izdvajanje toplote iz poroznih stijena za grijanje i klimatizaciju u prostorijama kompleksa Broadcasting Chaos. Godine 1985. u Francuskoj su već radila 64 GCC-a sa ukupnim toplotnim kapacitetom od 450 MW, uz godišnju uštedu od približno 150.000 tona nafte. Iste godine stvoren je prvi takav GCC u SSSR-u u dolini Khankala u blizini grada Groznog.
Godine 1977., prema projektu Nacionalne laboratorije Los Alamos u SAD-u, počela su ispitivanja eksperimentalnog GCC-a sa hidrauličkim lomljenjem gotovo nepropusnog masiva na lokaciji Fenton Hill u državi Novi Meksiko. Hladna slatka voda ubrizgana kroz bušotinu (injektiranje) zagrijavana je zbog izmjene topline sa stijenskom masom (185 OC) u vertikalnoj pukotini površine 8000 m2, nastaloj hidrauličkim lomljenjem na dubini od 2,7 km. U drugoj bušotini (proizvodnji), takođe prelazeći ovu pukotinu, pregrijana voda je izašla na površinu u obliku parnog mlaza. Prilikom cirkulacije u zatvorenom krugu pod pritiskom, temperatura pregrijane vode na površini dostizala je 160-180 °C, a toplotna snaga sistema - 4-5 MW. Propuštanje rashladne tečnosti u okolni masiv iznosilo je oko 1% ukupnog protoka. Koncentracija mehaničkih i hemijskih nečistoća (do 0,2 g/l) odgovarala je uslovima sveže vode za piće. Hidraulični lom nije zahtijevao fiksiranje i držan je otvoren hidrostatskim pritiskom fluida. Slobodna konvekcija koja se razvijala u njemu je osigurala efektivno učešće u razmjeni toplote gotovo cijele površine izdanaka vruće stijenske mase.
Ekstrakcija podzemne toplotne energije iz vrućih nepropusnih stijena, zasnovana na metodama kosog bušenja i hidrauličkog frakturiranja koje su dugo ovladane i praktikovane u industriji nafte i plina, nije izazvalo seizmičku aktivnost niti bilo koje druge štetne efekte na okruženje.
Britanski naučnici su 1983. ponovili američko iskustvo stvarajući eksperimentalni GCC sa hidrauličkim lomljenjem granita u Carnwellu. Sličan posao je obavljen u Njemačkoj, Švedskoj. U SAD je implementirano više od 224 projekta geotermalnog grijanja. Pretpostavlja se, međutim, da geotermalni resursi mogu obezbijediti najveći dio budućih potreba SAD-a za neelektričnom toplinskom energijom. U Japanu je kapacitet GeoTPP 2000. godine dostigao približno 50 GW.
Trenutno se istraživanja i istraživanja geotermalnih resursa sprovode u 65 zemalja. U svijetu su na bazi geotermalne energije stvorene stanice ukupnog kapaciteta oko 10 GW. Ujedinjeni narodi aktivno podržavaju razvoj geotermalne energije.
Iskustvo akumulirano u mnogim zemljama svijeta u korištenju geotermalnih rashladnih tekućina pokazuje da su pod povoljnim uvjetima 2-5 puta isplativije od termo i nuklearnih elektrana. Proračuni pokazuju da jedna geotermalna bušotina može zamijeniti 158 hiljada tona uglja godišnje.
Stoga je toplina Zemlje možda jedini veliki obnovljivi izvor energije, čiji racionalni razvoj obećava smanjenje cijene energije u odnosu na modernu energetsku energiju. Sa jednako neiscrpnim energetskim potencijalom, solarne i termonuklearne instalacije, nažalost, bit će skuplje od postojećih goriva.
Uprkos veoma dugoj istoriji razvoja Zemljine toplote, geotermalna tehnologija danas još nije dostigla svoj visoki razvoj. Razvoj toplotne energije Zemlje doživljava velike poteškoće u izgradnji dubokih bunara, koji su kanal za dovođenje rashladnog sredstva na površinu. Zbog visoke temperature na dnu rupe (200-250 °C), tradicionalni alati za rezanje kamena nisu pogodni za rad u takvim uslovima, postoje posebni zahtevi za izbor cevi za bušenje i omotač, cementne suspenzije, tehnologije bušenja, omotača bunara i završetak. Domaća mjerna oprema, serijski operativni pribor i oprema se proizvode u izvedbi koja dozvoljava temperature ne veće od 150-200°C. Tradicionalno duboko mehaničko bušenje bunara ponekad se odlaže godinama i zahtijeva značajne finansijske troškove. U glavnim proizvodnim sredstvima trošak bunara je od 70 do 90%. Ovaj problem se može i treba riješiti samo stvaranjem progresivne tehnologije za razvoj glavnog dijela geotermalnih resursa, tj. vađenje energije iz vrućih stijena.
Naša grupa ruskih naučnika i specijalista se više od godinu dana bavi problemom vađenja i korišćenja neiscrpne, obnovljive duboke toplotne energije usijanih Zemljinih stena na teritoriji Ruske Federacije. Svrha rada je stvaranje, na bazi domaćih, visokih tehnologija, tehničkih sredstava za duboko prodiranje u utrobu zemljine kore. Trenutno je razvijeno nekoliko varijanti alata za bušenje (BS) koje nemaju analoga u svjetskoj praksi.
Rad prve verzije BS-a povezan je sa trenutnom konvencionalnom tehnologijom bušenja bunara. Brzina bušenja tvrdog kamena (prosječna gustina 2500-3300 kg/m3) do 30 m/h, prečnik rupe 200-500 mm. Druga varijanta BS izvodi bušenje bušotina u autonomnom i automatskom režimu. Lansiranje se vrši sa posebne platforme za lansiranje i prihvatanje, sa koje se kontroliše njegovo kretanje. Hiljadu metara BS u tvrdim stenama moći će da prođe za nekoliko sati. Prečnik bunara od 500 do 1000 mm. Višekratne BS varijante imaju veliku isplativost i ogromnu potencijalnu vrijednost. Uvođenjem BS u proizvodnju otvoriće se nova faza u izgradnji bunara i omogućiti pristup neiscrpnim izvorima toplotne energije Zemlje.
Za potrebe snabdijevanja toplotom, potrebna dubina bunara u cijeloj zemlji je u rasponu od 3-4,5 hiljada metara i ne prelazi 5-6 hiljada metara. Temperatura nosača toplote za stambeno-komunalno snabdijevanje toplinom ne prelazi ne prelazi 150 °C. Za industrijske objekte temperatura u pravilu ne prelazi 180-200 °C.
Svrha stvaranja GCC-a je osigurati stalnu, pristupačnu, jeftinu toplinu u udaljenim, teško dostupnim i nerazvijenim regijama Ruske Federacije. Trajanje rada GCS-a je 25-30 godina ili više. Period povrata stanica (uzimajući u obzir najnovije tehnologije bušenja) je 3-4 godine.
Stvaranje u Ruskoj Federaciji u narednim godinama odgovarajućih kapaciteta za korištenje geotermalne energije za neelektrične potrebe zamijenit će oko 600 miliona tona ekvivalentnog goriva. Uštede mogu biti do 2 triliona rubalja.
Do 2030. godine postaje moguće stvoriti energetske kapacitete za zamjenu energije požara do 30%, a do 2040. godine gotovo potpuno eliminirati organske sirovine kao gorivo iz energetskog bilansa Ruske Federacije.
Književnost
1. Goncharov S.A. Termodinamika. Moskva: MGTUim. N.E. Bauman, 2002. 440 str.
2. Dyadkin Yu.D. itd. Geotermalna termalna fizika. Sankt Peterburg: Nauka, 1993. 255 str.
3. Mineralna sirovinska baza gorivnog i energetskog kompleksa Rusije. Status i prognoza / V.K. Branchhugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinjenko i dr., ur. V.Z. Garipova, E.A. Kozlovsky. M. 2004. 548 str.
4. Novikov G. P. i dr. Bušenje bunara za termalne vode. M.: Nedra, 1986. 229 str.
Kako započeti kao tutor?
Učenje engleskog na daljinu
Pravilni i nepravilni engleski glagoli