Maa soojusenergia kui kütteallikas. Kasutatud maasoojusvahetid ja soojusvarustusskeemid

Meie süsivesinikerikkas riigis on geotermiline energia omamoodi eksootiline ressurss, mis praegust olukorda arvestades tõenäoliselt nafta ja gaasiga ei konkureeri. Seda aga alternatiivne vaade energiat saab kasutada peaaegu kõikjal ja üsna tõhusalt.

Geotermiline energia on maa sisemuse soojus. Seda toodetakse sügavustes ja see jõuab Maa pinnale erinevad vormid ja erineva intensiivsusega.

Pinnase ülemiste kihtide temperatuur sõltub peamiselt välistest (eksogeensetest) teguritest - päikesevalgustusest ja õhutemperatuurist. Suvel ja päeval pinnas soojeneb teatud sügavuseni ning talvel ja öösel jahtub õhutemperatuuri muutuste ja mõningase hilinemisega, mis suureneb sügavuse kasvades. Õhutemperatuuri ööpäevaste kõikumiste mõju lõpeb mõne kuni mitmekümne sentimeetri sügavusel. Hooajalised kõikumised mõjutavad sügavamaid mullakihte – kuni kümneid meetreid.

Mõnel sügavusel – kümnetest kuni sadade meetriteni – püsib pinnase temperatuur konstantsena, mis on võrdne aasta keskmise õhutemperatuuriga Maa pinnal. Saate seda hõlpsalt kontrollida, laskudes üsna sügavasse koopasse.

Millal aasta keskmine temperatuurõhk antud piirkonnas on alla nulli, see väljendub igikeltsana (täpsemalt igikeltsana). Ida-Siberis ulatub aastaringselt külmunud muldade paksus ehk paksus kohati 200–300 meetrini.

Teatud sügavusest (kaardil iga punkti puhul erinev) nõrgeneb Päikese ja atmosfääri toime nii palju, et endogeensed (sisemised) tegurid tulevad esikohale ja maa sisemus soojeneb seestpoolt, nii et temperatuur hakkab tõusma. sügavusega.

Maa süvakihtide kuumenemist seostatakse peamiselt seal paiknevate radioaktiivsete elementide lagunemisega, kuigi ka teisi soojusallikaid nimetatakse näiteks füüsikalis-keemilisteks, tektoonilisteks protsessideks maakoore ja vahevöö sügavates kihtides. Kuid olenemata põhjusest, temperatuurist kivid ning sellega seotud vedelate ja gaasiliste ainete hulk suureneb sügavusega. Kaevurid seisavad selle nähtusega silmitsi - sisse sügavad miinid Alati on palav. 1 km sügavusel on kolmekümnekraadine kuumus normaalne ja sügavamal on temperatuur veelgi kõrgem.

Maa pinnale jõudev maa sisemuse soojusvoog on väike - selle võimsus on keskmiselt 0,03–0,05 W/m2 ehk ligikaudu 350 Wh/m2 aastas. Päikesest lähtuva soojusvoo ja selle poolt soojendatava õhu taustal on see märkamatu väärtus: Päike annab kõigile ruutmeeter Maapinna võimsus on umbes 4000 kWh aastas, see tähendab 10 000 korda rohkem (see on muidugi keskmiselt, kusjuures polaar- ja ekvatoriaalsete laiuskraadide vahel on suur erinevus ning see sõltub muudest kliima- ja ilmastikuteguritest).

Soojuse sisemusest pinnale voolu ebaolulisus enamikul planeedil on seotud kivimite madala soojusjuhtivusega ja kivimite omadustega. geoloogiline struktuur. Kuid on ka erandeid - kohad, kus soojusvoog on kõrge. Need on esiteks suurenenud tektooniliste rikete tsoonid seismiline aktiivsus ja vulkanism, kus maa sisemuse energia leiab väljundi. Selliseid tsoone iseloomustavad litosfääri termilised anomaaliad, siin võib Maa pinnale jõudev soojusvoog olla mitu korda ja isegi suurusjärgus võimsam kui "tavaline". Vulkaanipursked ja kuumaveeallikad toovad nendes tsoonides pinnale tohutul hulgal soojust.

Need on piirkonnad, mis on maasoojusenergia arendamiseks kõige soodsamad. Venemaa territooriumil on need ennekõike Kamtšatka, Kuriili saared ja Kaukaasia.

Samas areng geotermiline energia on võimalik peaaegu kõikjal, kuna temperatuuri tõus koos sügavusega on universaalne nähtus ja ülesandeks on soojust sügavusest “välja tõmmata”, nagu sealt ammutatakse mineraalseid tooraineid.

Keskmiselt tõuseb temperatuur sügavusega 2,5–3°C iga 100 m kohta. Kahe erineval sügavusel asuva punkti temperatuuride erinevuse ja nendevahelise sügavuse erinevuse suhet nimetatakse geotermiliseks gradiendiks.

Pöördväärtus on geotermiline samm ehk sügavuse intervall, mille juures temperatuur tõuseb 1°C võrra.

Mida suurem on gradient ja vastavalt madalam aste, seda lähemale Maa sügavuste soojus pinnale tuleb ja seda perspektiivsem on see ala geotermilise energia arendamiseks.

Erinevates piirkondades, sõltuvalt geoloogilisest struktuurist ning muudest piirkondlikest ja kohalikest tingimustest, võib temperatuuri tõusu kiirus sügavusega oluliselt erineda. Maa skaalal ulatuvad geotermiliste gradientide ja sammude kõikumised 25-kordseks. Näiteks Oregonis (USA) on gradient 150°C 1 km kohta ja Lõuna-Aafrika-6°C 1 km kohta.

Küsimus on selles, milline on temperatuur suurel sügavusel – 5, 10 km või rohkem? Kui trend jätkub, peaks temperatuur 10 km sügavusel olema keskmiselt umbes 250–300 °C. Seda kinnitavad enam-vähem otsesed vaatlused ülisügavates kaevudes, kuigi pilt on lineaarsest temperatuuri tõusust palju keerulisem.

Näiteks Koola ülisügavas kaevus, mis on puuritud Balti kristallikilbi, muutub temperatuur 3 km sügavuseni kiirusega 10°C/1 km ning seejärel muutub geotermiline gradient 2–2,5 korda suuremaks. 7 km sügavusel registreeriti juba temperatuur 120 ° C, 10 km - 180 ° C ja 12 km - 220 ° C.

Teine näide on Kaspia mere põhjaosas puuritud puurkaev, kus 500 m sügavusel registreeriti temperatuur 42 °C, 1,5 km - 70 ° C, 2 km - 80 ° C, 3 km - 108 ° C. .

Eeldatakse, et geotermiline gradient väheneb alates 20-30 km sügavusest: 100 km sügavusel on hinnangulised temperatuurid umbes 1300-1500 °C, sügavusel 400 km - 1600 °C, maakera piirkonnas. südamik (sügavusega üle 6000 km) - 4000–5000 ° C.

Kuni 10–12 km sügavusel mõõdetakse temperatuuri puurkaevude kaudu; kus neid pole, määratakse see kaudsete märkide abil samamoodi nagu suurematel sügavustel. Sellised kaudsed märgid võib olla seismiliste lainete läbipääsu iseloom või kallava laava temperatuur.

Kuid geotermilise energia jaoks ei paku andmed temperatuuride kohta rohkem kui 10 km sügavusel veel praktilist huvi.

Mitme kilomeetri sügavusel on palju soojust, aga kuidas seda tõsta? Mõnikord lahendab loodus ise selle probleemi meie jaoks loodusliku jahutusvedeliku abil - soojendatud termaalveed, mis tulevad pinnale või asuvad meile ligipääsetavas sügavuses. Mõnel juhul kuumutatakse sügavuses olev vesi auru olekusse.

Mõiste range määratlus " termilised veed"Ei. Reeglina mõeldakse nende all vedelas olekus või auru kujul kuuma maa-alust vett, sealhulgas neid, mis tulevad Maa pinnale temperatuuriga üle 20°C, st reeglina õhutemperatuurist kõrgemad. .

Maa-aluse vee, auru, auru-vee segude soojus on hüdrotermiline energia. Sellest lähtuvalt nimetatakse selle kasutamisel põhinevat energiat hüdrotermiliseks.

Olukord on keerulisem soojuse ammutamisega otse kuivadest kivimitest - petrotermiline energia, eriti kuna üsna kõrged temperatuurid algavad reeglina mitme kilomeetri sügavusest.

Venemaa territooriumil on petrotermilise energia potentsiaal sada korda suurem kui hüdrotermilisel energial - vastavalt 3500 ja 35 triljonit tonni tavakütust. See on üsna loomulik - Maa sügavuste soojus on saadaval kõikjal ja termaalvesi leidub kohapeal. Ilmsete tehniliste raskuste tõttu kasutatakse praegu aga soojust ja elektrit enamjaolt termilised veed.

Kütteks sobivad veed temperatuuriga 20–30 kuni 100°C, maasoojuselektrijaamades elektri tootmiseks temperatuur alates 150°C ja üle selle.

Üldiselt on Venemaa geotermilised ressursid samaväärse kütuse või mõne muu energia mõõtühiku tonnides ligikaudu 10 korda suuremad kui fossiilkütuste varud.

Teoreetiliselt saaks seda täielikult rahuldada ainult geotermilise energia abil energiavajadus riigid. Praktikas ei ole see praegu enamikul selle territooriumist tehnilistel ja majanduslikel põhjustel teostatav.

Maailmas seostatakse geotermilise energia kasutamist kõige sagedamini Islandiga – riigiga, mis asub Kesk-Atlandi seljandiku põhjaotsas üliaktiivses tektoonilises ja vulkaanilises vööndis. Tõenäoliselt mäletavad kõik Eyjafjallajökulli vulkaani võimsat purset ( Eyjafjallajökull) 2010. aastal.

Just tänu sellele geoloogilisele eripärale on Islandil tohutud reservid geotermiline energia, sealhulgas kuumaveeallikad, mis tekivad Maa pinnal ja pursuvad välja isegi geisrite kujul.

Islandil tuleb praegu üle 60% kogu tarbitavast energiast Maalt. Maasoojusallikad annavad 90% küttest ja 30% elektrienergiast. Olgu lisatud, et ülejäänud riigi elektrienergia toodetakse hüdroelektrijaamades ehk siis ka taastuvenergiaallikat kasutades, muutes Islandi omamoodi globaalseks keskkonnastandardiks.

Geotermilise energia kodustamine 20. sajandil aitas Islandil oluliselt kaasa majanduslikult. Kuni eelmise sajandi keskpaigani oli väga vaene riik, on installeeritud võimsuse ja geotermilise energia toodangu poolest elaniku kohta nüüd maailmas esikohal ning on maailmas esikümnes. absoluutväärtus maasoojuselektrijaamade installeeritud võimsus. Selle rahvaarv on aga vaid 300 tuhat inimest, mis lihtsustab keskkonnasõbralikele energiaallikatele üleminekut: vajadus selle järele on üldiselt väike.

Lisaks Islandile on suur geotermilise energia osakaal elektritootmise bilansis Uus-Meremaal ja saareriikides Kagu-Aasias(Filipiinid ja Indoneesia), Kesk-Ameerika ja Ida-Aafrika riigid, mille territooriumi iseloomustab samuti kõrge seismiline ja vulkaaniline aktiivsus. Nende riikide jaoks annab geotermiline energia nende praeguse arengutaseme ja vajaduste juures olulise panuse sotsiaal-majanduslikku arengusse.

Geotermilise energia kasutamisel on väga pikk ajalugu. Üks esimesi kuulsad näited- Itaalia, koht Toscana provintsis, mida praegu nimetatakse Larderelloks, kus see on endiselt olemas XIX algus sajandeid, kohalikud kuumad termaalveed, mis voolavad looduslikult või ammutatakse sealt sügavad kaevud, kasutati energia tarbeks.

Siin kasutati boorhappe saamiseks maa-alustest allikatest pärit booririkast vett. Algselt saadi seda hapet rauakateldes aurustamisega ja kütuseks võeti tavalist puitu lähedalasuvatest metsadest, kuid 1827. aastal lõi Francesco Larderel süsteemi, mis töötas vee enda soojusel. Samal ajal hakati loodusliku veeauru energiat kasutama puurplatvormide käitamiseks ning 20. sajandi alguses - kohalike majade ja kasvuhoonete kütmiseks. Seal, Larderellos, sai termilisest veeaurust 1904. aastal energiaallikas elektri tootmisel.

Itaalia eeskuju järgisid 19. sajandi lõpus ja 20. sajandi alguses mitmed teised riigid. Näiteks 1892. aastal hakati termaalvett kasutama lokaalseks kütteks USA-s (Boise, Idaho), 1919. aastal Jaapanis ja 1928. aastal Islandil.

USA-s ilmus esimene hüdrotermilisel energial töötav elektrijaam Californias 1930. aastate alguses, Uus-Meremaal - 1958. aastal, Mehhikos - 1959. aastal, Venemaal (maailma esimene binaarne GeoPP) - 1965. aastal.

Vana põhimõte uuel allikal

Elektri tootmiseks on vaja kõrgemat hüdroallika temperatuuri kui kütmiseks – üle 150°C. Geotermilise elektrijaama (GeoPP) tööpõhimõte on sarnane tavalise soojuselektrijaama (CHP) tööpõhimõttega. Tegelikult on geotermiline elektrijaam teatud tüüpi soojuselektrijaam.

Soojuselektrijaamades on primaarseks energiaallikaks tavaliselt kivisüsi, gaas või kütteõli ning töövedelikuks veeaur. Kütus soojendab põlemisel vee auruks, mis paneb pöörlema auruturbiini, mis toodab elektrit.

GeoPP erinevus seisneb selles, et siin on esmaseks energiaallikaks maa sisemuse soojus ja töövedelik auru kujul suunatakse elektrigeneraatori turbiinilabadele “valmis” kujul otse tootmiskaevust. .

GeoPP-de jaoks on kolm peamist tööskeemi: otsene, kasutades kuiva (geotermilist) auru; kaudne, hüdrotermilise vee baasil ja segatud ehk kahekomponentne.

Ühe või teise skeemi kasutamine sõltub energiakandja agregatsiooni olekust ja temperatuurist.

Lihtsaim ja seetõttu ka esimene meisterdatud skeemidest on otsene, kus kaevust tulev aur juhitakse otse läbi turbiini. Maailma esimene geoelektrijaam Larderellos 1904. aastal töötas samuti kuiva auruga.

Kaudse tööskeemiga GeoPP-d on meie ajal kõige levinumad. Nad kasutavad kuuma maa-alust vett, mis pumbatakse kõrge rõhu all aurustisse, kus osa sellest aurustatakse ning tekkiv aur paneb turbiini pöörlema. Mõnel juhul on geotermilise vee ja auru puhastamiseks agressiivsetest ühenditest vaja täiendavaid seadmeid ja ahelaid.

Väljatõmbeaur siseneb sissepritsekaevu või kasutatakse ruumide kütmiseks - sel juhul on põhimõte sama, mis soojuselektrijaama töötamisel.

Binaarsetes GeoPP-des interakteerub kuum termiline vesi teise vedelikuga, mis täidab madalama keemistemperatuuriga töövedeliku funktsioone. Mõlemad vedelikud juhitakse läbi soojusvaheti, kus termiline vesi aurustab töövedeliku, mille aurud pööravad turbiini.

Binaarse GeoPP tööpõhimõte. Kuum termiline vesi interakteerub teise vedelikuga, mis täidab töövedeliku funktsioone ja millel on madalam keemistemperatuur. Mõlemad vedelikud juhitakse läbi soojusvaheti, kus termiline vesi aurustab töövedeliku, mille aurud omakorda pööravad turbiini

See süsteem on suletud, mis lahendab atmosfääri heidete probleemi. Lisaks võimaldavad suhteliselt madala keemistemperatuuriga töövedelikud kasutada esmase energiaallikana mitte väga kuuma termaalvett.

Kõik kolm skeemi kasutavad hüdrotermilist allikat, kuid elektrienergia tootmiseks saab kasutada ka naftatermilist energiat.

Elektriskeem on sel juhul samuti üsna lihtne. On vaja puurida kaks omavahel ühendatud kaevu - sissepritse ja tootmine. Vesi pumbatakse süstekaevu. Sügavuses kuumutatakse, seejärel juhitakse läbi tootmiskaevu pinnale tugeva kuumutamise tulemusena tekkinud soojendatud vesi või aur. Siis sõltub kõik sellest, kuidas naftatermilist energiat kasutatakse - kütteks või elektri tootmiseks. Suletud tsükkel on võimalik jäätmeauru ja vee tagasipumpamisega süstekaevu või mõne muu kõrvaldamismeetodiga.

Petrotermilise süsteemi tööskeem. Süsteem põhineb temperatuurigradiendi kasutamisel maapinna ja selle sisemuse vahel, kus temperatuur on kõrgem. Pinnapealne vesi pumbatakse süstekaevu ja soojendatakse sügavuti, seejärel juhitakse soojendatud vesi või kuumutamisel tekkiv aur tootmiskaevu kaudu pinnale.

Sellise süsteemi puudus on ilmne: töövedeliku piisavalt kõrge temperatuuri saamiseks on vaja puurida kaevusid suure sügavusega. Ja need on tõsised kulud ja märkimisväärse soojuskao oht, kui vedelik liigub ülespoole. Seetõttu on petrotermilised süsteemid hüdrotermiliste süsteemidega võrreldes endiselt vähem levinud, kuigi petrotermilise energia potentsiaal on suurusjärgus suurem.

Praegu on niinimetatud petrotermiliste tsirkulatsioonisüsteemide (PCS) loomise liider Austraalia. Lisaks areneb see geotermilise energia valdkond aktiivselt USA-s, Šveitsis, Suurbritannias ja Jaapanis.

Kingitus Lord Kelvinilt

Soojuspumba leiutamine 1852. aastal füüsiku William Thompsoni (teise nimega Lord Kelvin) poolt andis inimkonnale reaalse võimaluse kasutada pinnase ülemiste kihtide madala kvaliteediga soojust. Soojuspumbasüsteem või soojuse kordaja, nagu Thompson seda nimetas, põhineb füüsikalisel protsessil, mille käigus viiakse soojus keskkonnast külmaainesse. Põhimõtteliselt kasutab see sama põhimõtet nagu naftatermilised süsteemid. Erinevus on soojusallikas, mis võib tekitada terminoloogilise küsimuse: mil määral saab soojuspumpa pidada maasoojussüsteemiks? Tõsiasi on see, et ülemistes kihtides, kümnete kuni sadade meetrite sügavuseni, ei soojenda kivimeid ja neis sisalduvaid vedelikke mitte maa sügav kuumus, vaid päike. Seega on päike sees sel juhul- peamine soojusallikas, kuigi see võetakse nagu maasoojussüsteemides maapinnast.

Soojuspumba töö põhineb pinnase soojenemise ja jahutamise hilinemisel atmosfääriga võrreldes, mille tulemusena moodustub pinnase ja sügavamate kihtide vahel temperatuurigradient, mis säilitab soojust ka talvel, nagu see juhtub veehoidlates. . Soojuspumpade põhieesmärk on ruumide küte. Sisuliselt on see "tagurpidi külmik". Nii soojuspump kui ka külmik suhtlevad kolme komponendiga: sisekeskkond (esimesel juhul - köetav ruum, teisel - külmiku jahutatud kamber), väliskeskkond - energiaallikas ja külmutusagens (külmutusagens) , mis on ka jahutusvedelik, mis tagab soojusülekande ehk külma.

Madala keemistemperatuuriga aine toimib külmutusagensina, mis võimaldab tal võtta soojust isegi suhteliselt madala temperatuuriga allikast.

Külmkapis voolab vedel külmutusagens läbi drosselklapi (rõhuregulaatori) aurustisse, kus rõhu järsu languse tõttu vedelik aurustub. Aurustumine on endotermiline protsess, mis nõuab väljastpoolt tuleva soojuse neeldumist. Selle tulemusena eemaldatakse aurusti siseseintelt soojus, mis tagab külmiku kambris jahutava efekti. Järgmisena tõmmatakse külmutusagens aurustist kompressorisse, kus see suunatakse tagasi vedelikuks agregatsiooni olek. See on vastupidine protsess, mis viib eemaldatud soojuse vabanemiseni väliskeskkond. Reeglina visatakse see tuppa ja külmkapi tagasein on suhteliselt soe.

Soojuspump töötab peaaegu samamoodi, selle erinevusega, et soojus võetakse väliskeskkonnast ja aurusti kaudu siseneb sisekeskkonda - ruumiküttesüsteemi.

Päris soojuspumbas soojendatakse vett läbi maasse või reservuaari asetatud välise vooluringi ja seejärel siseneb see aurustisse.

Aurustis kantakse soojus madala keemispunktiga külmutusagensiga täidetud siseringi, mis aurustit läbides läheb vedel olek gaasiks, võttes soojust ära.

Järgmisena siseneb gaasiline külmutusagens kompressorisse, kus see surutakse kokku kõrge rõhu ja temperatuurini, ning siseneb kondensaatorisse, kus toimub soojusvahetus küttesüsteemi kuuma gaasi ja jahutusvedeliku vahel.

Kompressor vajab töötamiseks elektrit, kuid transformatsioonisuhe (kulutatud energia ja toodetud energia suhe) on tänapäevastes süsteemides piisavalt kõrge, et tagada nende efektiivsus.

Praegu kasutatakse soojuspumpasid ruumide kütmiseks üsna laialdaselt, peamiselt majanduslikult arenenud riikides.

Ökokorrektne energia

Geotermilist energiat peetakse keskkonnasõbralikuks, mis üldiselt on tõsi. Esiteks kasutab see taastuvat ja praktiliselt ammendamatu ressurss. Geotermiline energia ei vaja erinevalt suurtest hüdroelektrijaamadest või tuuleparkidest suuri alasid ning erinevalt süsivesinike energiast ei saasta atmosfääri. Keskmiselt võtab GeoPP 1 GW toodetud elektri kohta 400 m 2 . Sama näitaja näiteks kivisöel töötava soojuselektrijaama puhul on 3600 m2. GeoPP-de keskkonnaeeliste hulka kuulub ka väike veekulu – 20 liitrit magevett 1 kW kohta, soojuselektrijaamad ja tuumajaamad aga nõuavad umbes 1000 liitrit. Pange tähele, et need on "keskmise" GeoPP keskkonnanäitajad.

Aga negatiivne kõrvalmõjud ikka eksisteerib. Nende hulgas tuvastatakse kõige sagedamini müra, atmosfääri termiline reostus ning vee ja pinnase keemiline reostus, samuti tahkete jäätmete teke.

Peamine keskkonna keemilise saastamise allikas on termaalvesi ise (koos kõrge temperatuur ja mineraliseerumine), sisaldavad sageli suured hulgad mürgiseid ühendeid ning seetõttu tekib probleem reovee ja ohtlike ainete kõrvaldamisega.

Geotermilise energia negatiivseid mõjusid saab jälgida mitmes etapis, alustades kaevude puurimisest. Siin tekivad samad ohud, mis iga kaevu puurimisel: pinnase ja taimkatte hävimine, pinnase ja põhjavee saastumine.

Reostusprobleemid GeoPP tööetapis keskkond on päästetud. Termilised vedelikud - vesi ja aur - sisaldavad tavaliselt süsinikdioksiidi (CO 2), väävelsulfiidi (H 2 S), ammoniaaki (NH 3), metaani (CH 4), lauasoola (NaCl), boori (B), arseeni (As ), elavhõbe (Hg). Väliskeskkonda sattudes muutuvad need saasteallikateks. Lisaks agressiivne keemiline keskkond võib põhjustada geotermiliste elektrijaamade struktuuride söövitavat hävingut.

Samas on geoelektrijaamade saasteainete heitkogused keskmiselt väiksemad kui soojuselektrijaamadest. Näiteks heitkogused süsinikdioksiid iga toodetud elektri kilovatt-tunni kohta on GeoPP-des kuni 380 g, kivisöel töötavates soojuselektrijaamades 1042 g, õlielektrijaamades 906 g ja gaasiküttel töötavates soojuselektrijaamades 453 g.

Tekib küsimus: mida teha reoveega? Kui mineralisatsioon on madal, võib selle pärast jahutamist suunata pinnavette. Teine võimalus on pumbata see läbi süstekaevu tagasi põhjaveekihti, mida praegu eelistatavalt ja valdavalt kasutatakse.

Termovee ammutamine põhjaveekihtidest (nagu ka tavalise vee väljapumpamine) võib põhjustada vajumist ja pinnase liikumisi, muid geoloogiliste kihtide deformatsioone ja mikromaavärinaid. Selliste juhtumite tõenäosus on üldiselt väike, kuigi üksikjuhtudel salvestatud (näiteks GeoPP-s Staufen im Breisgaus Saksamaal).

Tuleb rõhutada, et enamik GeoPP-sid asub suhteliselt hõredalt asustatud piirkondades ja kolmanda maailma riikides, kus keskkonnanõuded on vähem ranged kui arenenud riikides. Lisaks on hetkel GeoPP-de arv ja nende võimsused suhteliselt väikesed. Maasoojusenergia suuremahulise arendamisega võivad keskkonnariskid suureneda ja mitmekordistuda.

Kui palju on Maa energiat?

Investeerimiskulud geotermiliste süsteemide ehitamiseks varieeruvad väga laias vahemikus - 200-5000 dollarit 1 kW installeeritud võimsuse kohta ehk odavaimad variandid on võrreldavad soojuselektrijaama rajamise maksumusega. Need sõltuvad ennekõike termaalvete tekketingimustest, nende koostisest ja süsteemi konstruktsioonist. Suurtesse sügavustesse puurimine, kahe puurkaevuga suletud süsteemi loomine ja vee puhastamise vajadus võivad kulusid kordades tõsta.

Näiteks investeeringuteks petrotermilise tsirkulatsioonisüsteemi (PCS) loomiseks hinnatakse 1,6–4 tuhat dollarit 1 kW installeeritud võimsuse kohta, mis ületab tuumaelektrijaama rajamise kulud ning on võrreldav tuule- ja elektrienergia rajamise kuludega. päikeseelektrijaamad.

GeoTESi ilmselge majanduslik eelis on tasuta energia. Võrdluseks, töötava soojus- või tuumaelektrijaama kulustruktuuris moodustab kütus olenevalt hetkeenergia hindadest 50–80% või isegi rohkem. Siit tuleneb veel üks geotermilise süsteemi eelis: kasutuskulud on stabiilsemad ja prognoositavamad, kuna need ei sõltu välistest energiahinna tingimustest. Üldjuhul on maasoojuselektrijaamade tegevuskulud hinnanguliselt 2–10 senti (60 kopikat – 3 rubla) toodetud 1 kWh elektrienergia kohta.

Energia suuruselt teine kuluartikkel (ja väga oluline) on reeglina palk tehase personal, mis võib riigiti ja piirkonniti dramaatiliselt erineda.

Keskmiselt on 1 kWh maasoojusenergia maksumus võrreldav soojuselektrijaamade omaga (Venemaa tingimustes umbes 1 rubla/1 kWh) ja kümme korda kõrgem kui hüdroelektrijaama elektrienergia tootmise maksumus (5–10 kopikat/1 kWh).

Osaliselt on kõrge hinna põhjuseks see, et erinevalt soojus- ja hüdroelektrijaamadest on maasoojuselektrijaamad suhteliselt väikese võimsusega. Lisaks on vaja võrrelda süsteeme, mis asuvad samas piirkonnas ja sarnastes tingimustes. Näiteks Kamtšatkal maksab 1 kWh maasoojuselektrit ekspertide hinnangul 2–3 korda vähem kui kohalikes soojuselektrijaamades toodetud elekter.

Maasoojussüsteemi majandusliku efektiivsuse näitajad sõltuvad näiteks sellest, kas ja millistel viisidel on vaja heitvett kõrvaldada ning kas ressursi kombineeritud kasutamine on võimalik. Seega võivad termaalveest ekstraheeritud keemilised elemendid ja ühendid anda lisatulu. Meenutagem Larderello näidet: seal oli primaarne keemiatootmine ning maasoojusenergia kasutamine oli esialgu abistava iseloomuga.

Maasoojusenergia edasi

Geotermiline energia areneb mõnevõrra teisiti kui tuule- ja päikeseenergia. Praegu on ta märkimisväärselt suuremal määral sõltub ressursi enda olemusest, mis on piirkonniti järsult erinev, ning suurimad kontsentratsioonid on seotud kitsaste geotermiliste anomaaliate tsoonidega, mis on tavaliselt seotud tektooniliste rikete ja vulkanismiga.

Lisaks on maasoojusenergia tehnoloogiliselt vähem intensiivne võrreldes tuule- ja eriti päikeseenergiaga: maasoojusjaamade süsteemid on üsna lihtsad.

IN üldine struktuur Geotermiline komponent moodustab maailma elektritoodangust alla 1%, kuid mõnes piirkonnas ja riigis ulatub selle osakaal 25–30%. Geoloogiliste tingimustega seotuse tõttu on oluline osa geotermilise energia võimsusest koondunud kolmanda maailma riikidesse, kus eristatakse kolme tööstuse suurima arenguga klastrit - Kagu-Aasia saared, Kesk-Ameerika ja Ida-Aafrikas. Esimesed kaks piirkonda kuuluvad Vaikse ookeani "Maa tulevööndisse", kolmas on seotud Ida-Aafrika lõhega. Kõige tõenäolisemalt jätkab maasoojusenergia areng nendes vööndites. Kaugem väljavaade on naftatermilise energia arendamine, kasutades mitme kilomeetri sügavusel asuvate maakihtide soojust. See on peaaegu üldlevinud ressurss, kuid selle kaevandamine nõuab suuri kulutusi, mistõttu naftasoojusenergia areneb eelkõige majanduslikult ja tehnoloogiliselt võimsaimates riikides.

Üldiselt, arvestades geotermiliste ressursside laialdast levikut ja vastuvõetavat keskkonnaohutuse taset, on põhjust arvata, et maasoojusenergial on head arenguväljavaated. Eriti seoses traditsiooniliste energiaressursside nappuse ja nende kasvavate hindade kasvava ohuga.

Kamtšatkast Kaukaasiasse

Venemaal on maasoojusenergia areng küllaltki pika ajalooga ning mitmel positsioonil oleme maailma liidrite hulgas, kuigi maasoojusenergia osatähtsus hiigelriigi üldises energiabilansis on siiski tühine.

Venemaal on geotermilise energia arendamise teerajajaks ja keskuseks saanud kaks piirkonda - Kamtšatka ja Põhja-Kaukaasia ning kui esimesel juhul räägime peamiselt elektrienergiatööstusest, siis teisel - soojusenergia kasutamisest termiline vesi.

Põhja-Kaukaasias - sisse Krasnodari piirkond, Tšetšeenia, Dagestan - termaalvee soojust kasutati energia tarbeks juba enne Suurt Isamaasõda. 1980.–1990. aastatel jäi geotermilise energia areng piirkonnas arusaadavatel põhjustel soiku ega ole veel seisakust välja tulnud. Sellegipoolest annab Põhja-Kaukaasia geotermiline veevarustus soojust umbes 500 tuhandele inimesele ja näiteks Krasnodari territooriumil asuvat Labinski linna, kus elab 60 tuhat inimest, soojendab täielikult geotermiline vesi.

Kamtšatkal on geotermilise energia ajalugu seotud ennekõike GeoPP-de ehitamisega. Neist esimesed, siiani töötavad Paužetskaja ja Paratunka jaamad, ehitati aastatel 1965–1967, Paratunka GeoPP võimsusega 600 kW sai aga esimeseks kahendtsükliga jaamaks maailmas. See oli nõukogude teadlaste S.S.Kutateladze ja A.M Rosenfeldi väljatöötamine Termofüüsika Instituudist SB RAS, kes said 1965. aastal autoritunnistuse 70°C temperatuuriga veest elektri ammutamiseks. Sellest tehnoloogiast sai hiljem prototüüp enam kui 400 binaarsele GeoPP-le maailmas.

1966. aastal kasutusele võetud Pauzhetskaya GeoPP võimsus oli algselt 5 MW ja seejärel suurendati seda 12 MW-ni. Praegu ehitatakse jaamas binaarplokki, mis suurendab oma võimsust veel 2,5 MW võrra.

Geotermilise energia arengut NSV Liidus ja Venemaal pidurdas traditsiooniliste energiaallikate – nafta, gaasi, kivisüsi – kättesaadavus, kuid see ei peatunud kunagi. Suurimad geotermilised rajatised on hetkel 1999. aastal kasutusele võetud Verhne-Mutnovskaja Geoelektrijaama elektriplokkide koguvõimsusega 12 MW ja Mutnovskaja Geoelektrijaama võimsusega 50 MW (2002).

Mutnovskaja ja Verkhne-Mutnovskaja GeoPP-d on ainulaadsed objektid mitte ainult Venemaa, vaid ka maailma mastaabis. Jaamad asuvad Mutnovski vulkaani jalamil 800 meetri kõrgusel merepinnast ja töötavad ekstreemsetes kliimatingimustes, kus aastas on talv 9–10 kuud. Mutnovsky GeoPP-de seadmed, mis on praegu üks kaasaegsemaid maailmas, loodi täielikult kodumaistes energeetikaettevõtetes.

Hetkel on Mutnovski jaamade osakaal Kesk-Kamtšatka energiakeskuse energiatarbimise üldises struktuuris 40%. Lähiaastatel on plaanis võimsust suurendada.

Eraldi tuleks mainida Venemaa naftatermilisi arendusi. Meil ei ole veel suuri puurimiskeskusi, kuid meil on olemas arenenud tehnoloogiad suure sügavusega (umbes 10 km) puurimiseks, millel pole samuti maailmas analooge. Nende edasine areng vähendab radikaalselt naftatermiliste süsteemide loomise kulusid. Nende tehnoloogiate ja projektide arendajad on N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Venemaa Teaduste Akadeemia Geoloogiainstituut), A. S. Nekrasov (Venemaa Teaduste Akadeemia Rahvamajanduse Prognoosi Instituut) ja Kaluga Turbiinitehase spetsialistid. Praegu on Venemaal petrotermilise tsirkulatsioonisüsteemi projekt katsejärgus.

Maasoojusenergial on Venemaal väljavaateid, kuigi need on suhteliselt kauged: hetkel on potentsiaal üsna suur ja traditsioonilise energia positsioon tugev. Samal ajal on mitmetes riigi kaugemates piirkondades maasoojusenergia kasutamine majanduslikult tasuv ja juba nõutud. Need on suure geoenergiapotentsiaaliga territooriumid (Tšukotka, Kamtšatka, Kuriili saared - Vene osa Vaikse ookeani "Maa tulevöönd", Lõuna-Siberi ja Kaukaasia mäed) ning samal ajal kauge ja tsentraliseeritud energiavarustusest ära lõigatud.

Tõenäoliselt areneb meie riigis lähikümnenditel geotermiline energia just sellistes piirkondades.

Kirill Degtyarev,
Moskva Riikliku Ülikooli teadur M. V. Lomonosova
“Teadus ja elu” nr 9, nr 10 2013

Mõiste "geotermiline energia" pärineb Kreeka sõna maa (geo) ja termiline (termiline). Tegelikult, geotermiline energia tuleb maast endast. Maa tuumast lähtuv soojus, mille keskmine temperatuur on 3600 kraadi Celsiuse järgi, kiirgub planeedi pinna poole.

Allikate ja geisrite soojendamine maa all mitme kilomeetri sügavusel saab läbi viia spetsiaalsete kaevude abil, mille kaudu kuum vesi (või sellest tulev aur) voolab pinnale, kus seda saab kasutada otse soojusena või kaudselt elektrienergia tootmiseks. pöörlevad turbiinid.

Kuna maapinna all olev vesi täieneb pidevalt ja maa tuum jätkab suhteliselt soojuse tootmist inimelu lõputult, maasoojusenergia, in lõpuks, puhas ja taastuv.

Maa energiaressursside kogumise meetodid

Tänapäeval on geotermilise energia kogumiseks kolm peamist meetodit: kuiv aur, kuum vesi ja binaartsükkel. Kuiva auru protsess juhib otseselt elektrigeneraatorite turbiinajameid. Kuum vesi voolab alt üles, seejärel pihustatakse paaki, et tekitada turbiinide käitamiseks auru. Need kaks meetodit on kõige levinumad, tekitades sadu megavatti elektrit USA-s, Islandil, Euroopas, Venemaal ja teistes riikides. Kuid asukoht on piiratud, kuna need taimed töötavad ainult tektoonilistes piirkondades, kus juurdepääs kuumutatud veele on lihtsam.

Binaarse tsükli tehnoloogiaga tuuakse pinnale soe (mitte tingimata kuum) vesi ja kombineeritakse madala keemistemperatuuriga butaani või pentaaniga. See vedelik pumbatakse läbi soojusvaheti, kus see aurustatakse ja saadetakse läbi turbiini, enne kui see süsteemi tagasi tsirkuleeritakse. Binaarse tsükli tehnoloogiad pakuvad kümneid megavatte elektrienergiat Ameerika Ühendriikides: Californias, Nevadas ja Hawaiil.

Energia tootmise põhimõte

Geotermilise energia puudused

Kommunaalteenuste tasandil on maasoojuselektrijaamade ehitamine ja käitamine kulukas. Sobiva asukoha leidmiseks on vaja kalleid puurkaevude uuringuid, ilma et oleks tagatud produktiivse maa-aluse kuuma koha tabamine. Analüütikud aga eeldavad, et see võimsus järgmise kuue aasta jooksul peaaegu kahekordistub.

Lisaks asuvad kõrge maa-aluste allikate temperatuuriga alad aktiivsete geoloogiliste ja keemiliste vulkaanidega piirkondades. Need "kuumad kohad" tekivad tektooniliste plaatide piiridel kohtades, kus maakoor on üsna õhuke. Vaikse ookeani piirkond, mida sageli nimetatakse paljude vulkaanide tulerõngaks, kus on palju kuumi kohti, sealhulgas Alaskal, Californias ja Oregonis. Nevadas on sadu kuumi kohti, mis katavad suure osa USA põhjaosast.

On ka teisi seismiliselt aktiivseid piirkondi. Maavärinad ja magma liikumine võimaldavad vees ringelda. Kohati tõuseb vesi maapinnale ja tekib looduslikke kuumaveeallikaid ja geisereid, näiteks Kamtšatkal. Kamtšatka geisrites ulatub vesi 95 ° C-ni.

Üks probleemidest avatud süsteem geisrid on teatud õhusaasteainete eraldumine. Vesiniksulfiid - mürgine gaas väga äratuntava "mädamuna" lõhnaga - auruga eraldub väikeses koguses arseeni ja mineraalaineid. Sool võib tekitada ka keskkonnaprobleeme.

Avamere geotermilistes elektrijaamades koguneb torudesse märkimisväärses koguses segavat soola. Suletud süsteemides heitmeid ei teki ja kogu pinnale toodud vedelik suunatakse tagasi.

Energiaressursi majanduslik potentsiaal

Seismiliselt aktiivsed punktid pole ainsad kohad, kus geotermilist energiat leida võib. Peaaegu kõikjal maakeral on 4 meetri kuni mitme kilomeetri sügavusel maapinna all pidev kasuliku soojuse tarnimine otseseks kütmiseks. Isegi teie koduõue või kohaliku kooli maapinnal on majanduslik potentsiaal soojuse kujul, mis eraldub teie koju või muudesse hoonetesse.

Lisaks on väga sügaval maapinna all (4–10 km) kuivades kivimoodustistes tohutul hulgal soojusenergiat.

Uue tehnoloogia kasutamine võib laiendada geotermilisi süsteeme, kus inimesed saaksid seda soojust kasutada elektri tootmiseks palju suuremas mahus kui tavalised tehnoloogiad. Selle elektritootmise põhimõtte esimesi näidisprojekte näidati Ameerika Ühendriikides ja Austraalias juba 2013. aastal.

Kui geotermiliste ressursside kogu majanduslik potentsiaal on võimalik realiseerida, on see tootmisvõimsuse jaoks tohutu elektriallikas. Teadlaste hinnangul on tavapäraste geotermiliste allikate potentsiaal 38 000 MW, mis suudab aastas toota 380 miljonit MW elektrit.

Kuumad kuivad kivimid esinevad kõikjal maa all 5–8 km sügavusel ja teatud kohtades madalamatel sügavustel. Juurdepääs neile ressurssidele nõuab tutvustamist külm vesi, mis ringleb läbi kuumade kivide ja väljutab kuumutatud vett. Selle tehnoloogia jaoks pole praegu ühtegi kaubanduslikku rakendust. Olemasolevad tehnoloogiad ei võimalda veel taastada soojusenergia otse magmast, väga sügav, kuid see on võimsaim geotermiline energiaressurss.

Energiaressursside kombinatsiooni ja selle järjepidevuse tõttu võib geotermiline energia mängida asendamatut rolli puhtama ja säästvama energiasüsteemina.

Geotermiliste elektrijaamade struktuurid

Geotermiline energia on puhas ja jätkusuutlik soojus Maalt. Suurepäraseid ressursse leidub mitme kilomeetri sügavusel maapinnast allpool ja veelgi sügavamal kuni kõrge temperatuuriga sula kivimit, mida nimetatakse magmaks. Kuid nagu eespool kirjeldatud, pole inimesed veel magmani jõudnud.

Kolm maasoojuselektrijaama projekti

Rakendustehnoloogia määrab ressurss. Kui vesi tuleb kaevust auruna, saab seda otse kasutada. Kui kuum vesi on piisavalt kõrge temperatuuriga, peab see läbima soojusvaheti.

Esimene kaev energia tootmiseks puuriti enne 1924. aastat. Sügavamad kaevud tehti 1950. aastatel, kuid tõeline areng toimus 1970. ja 1980. aastatel.

Maasoojuse otsekasutus

Geotermilisi allikaid saab kasutada ka otse kütteks. Kuuma vett kasutatakse hoonete kütmiseks, taimede kasvatamiseks kasvuhoonetes, kalade ja põllukultuuride kuivatamiseks, õli taaskasutamise parandamiseks, abistamiseks tööstusprotsessides (nt piima pastörisaatorid) ja vee soojendamiseks kalakasvatustes. Ameerika Ühendriikides Klamath Falls (Oregon) ja Boise (Idaho osariik) on kasutanud geotermilist vett kodude ja hoonete kütmiseks juba üle sajandi. Virginia idarannikul Warm Springsi osariigis saab soojust otse allikaveest, kasutades mõne kohaliku kuurordi soojusallikaid.

Islandil köetakse peaaegu kõiki riigi hooneid kuumaveeallika vesi. Tegelikult saab Island rohkem kui 50 protsenti oma primaarenergiast geotermilistest allikatest. Näiteks Reykjavikis (elanikke 118 tuhat) juhitakse sooja vett konveieriga üle 25 kilomeetri ning elanikud kasutavad seda kütteks ja looduslikeks vajadusteks.

Uus-Meremaa saab lisaks 10% oma elektrist. on vähearenenud, hoolimata termaalvete olemasolust.

Meie süsivesinikerikkas riigis on geotermiline energia omamoodi eksootiline ressurss, mis praegust olukorda arvestades tõenäoliselt nafta ja gaasiga ei konkureeri. Seda alternatiivset energialiiki saab aga kasutada peaaegu kõikjal ja üsna tõhusalt.

Geotermiline energia on maa sisemuse soojus. Seda toodetakse sügavustes ja see jõuab Maa pinnale erineval kujul ja erineva intensiivsusega.

Kui aasta keskmine õhutemperatuur on antud piirkonnas alla nulli, avaldub see igikeltsana (täpsemalt igikeltsana). Ida-Siberis ulatub aastaringselt külmunud muldade paksus ehk paksus kohati 200–300 meetrini.

Maa süvakihtide kuumenemist seostatakse peamiselt seal paiknevate radioaktiivsete elementide lagunemisega, kuigi ka teisi soojusallikaid nimetatakse näiteks füüsikalis-keemilisteks, tektoonilisteks protsessideks maakoore ja vahevöö sügavates kihtides. Kuid olenemata põhjusest tõuseb kivimite ja nendega seotud vedelate ja gaasiliste ainete temperatuur sügavusega. Kaevurid seisavad selle nähtusega silmitsi – sügavates kaevandustes on alati kuum. 1 km sügavusel on kolmekümnekraadine kuumus normaalne ja sügavamal on temperatuur veelgi kõrgem.

Maa pinnale jõudev maa sisemuse soojusvoog on väike - selle võimsus on keskmiselt 0,03–0,05 W/m2 ehk ligikaudu 350 Wh/m2 aastas. Päikesest lähtuva soojusvoo ja selle soojendatava õhu taustal on see märkamatu väärtus: Päike annab igale maapinna ruutmeetrile aastas umbes 4000 kWh ehk 10 000 korda rohkem (see on muidugi keskmiselt tohutu levikuga polaar- ja ekvatoriaallaiuskraadide vahel ning olenevalt muudest kliima- ja ilmastikuteguritest).

Soojusvoo tähtsusetus sisemusest pinnale on suuremal osal planeedist seotud kivimite madala soojusjuhtivusega ja geoloogilise ehituse iseärasustega. Kuid on ka erandeid - kohad, kus soojusvoog on kõrge. Need on ennekõike tektooniliste rikete, suurenenud seismilise aktiivsuse ja vulkanismi tsoonid, kus maa sisemuse energia leiab väljundi. Selliseid tsoone iseloomustavad litosfääri termilised anomaaliad, siin võib Maa pinnale jõudev soojusvoog olla mitu korda ja isegi suurusjärgus võimsam kui "tavaline". Vulkaanipursked ja kuumaveeallikad toovad nendes tsoonides pinnale tohutul hulgal soojust.

Need on piirkonnad, mis on maasoojusenergia arendamiseks kõige soodsamad. Venemaa territooriumil on need ennekõike Kamtšatka, Kuriili saared ja Kaukaasia.

Samas on geotermilise energia arendamine võimalik peaaegu kõikjal, kuna temperatuuri tõus koos sügavusega on universaalne nähtus ja ülesandeks on sügavustest soojust “välja tõmmata”, nii nagu sealt ammutatakse mineraalseid tooraineid.

Pöördväärtus on geotermiline samm ehk sügavuse intervall, mille juures temperatuur tõuseb 1°C võrra.

Mida suurem on gradient ja vastavalt madalam aste, seda lähemale Maa sügavuste soojus pinnale tuleb ja seda perspektiivsem on see ala geotermilise energia arendamiseks.

Teine näide on Kaspia mere põhjaosas puuritud puurkaev, kus 500 m sügavusel registreeriti temperatuur 42 °C, 1,5 km - 70 ° C, 2 km - 80 ° C, 3 km - 108 ° C. .

Kuni 10–12 km sügavusel mõõdetakse temperatuuri puurkaevude kaudu; kus neid pole, määratakse see kaudsete märkide abil samamoodi nagu suurematel sügavustel. Sellised kaudsed märgid võivad olla seismiliste lainete läbipääsu iseloom või purskava laava temperatuur.

Kuid geotermilise energia jaoks ei paku andmed temperatuuride kohta rohkem kui 10 km sügavusel veel praktilist huvi.

Mõiste "termaalvesi" ei ole rangelt määratletud. Reeglina mõeldakse nende all vedelas olekus või auru kujul kuuma maa-alust vett, sealhulgas neid, mis tulevad Maa pinnale temperatuuriga üle 20°C, st reeglina õhutemperatuurist kõrgemad. .

Maa-aluse vee, auru, auru-vee segude soojus on hüdrotermiline energia. Sellest lähtuvalt nimetatakse selle kasutamisel põhinevat energiat hüdrotermiliseks.

Olukord on keerulisem soojuse ammutamisega otse kuivadest kivimitest - petrotermiline energia, eriti kuna üsna kõrged temperatuurid algavad reeglina mitme kilomeetri sügavusest.

Venemaa territooriumil on petrotermilise energia potentsiaal sada korda suurem kui hüdrotermilisel energial - vastavalt 3500 ja 35 triljonit tonni tavakütust. See on üsna loomulik - Maa sügavuste soojus on saadaval kõikjal ja termaalvesi leidub kohapeal. Kuid ilmsete tehniliste raskuste tõttu kasutatakse termaalvett praegu enamasti soojuse ja elektri tootmiseks.

Kütteks sobivad veed temperatuuriga 20–30 kuni 100°C, maasoojuselektrijaamades elektri tootmiseks temperatuur alates 150°C ja üle selle.

Üldiselt on Venemaa geotermilised ressursid samaväärse kütuse või mõne muu energia mõõtühiku tonnides ligikaudu 10 korda suuremad kui fossiilkütuste varud.

Teoreetiliselt suudaks riigi energiavajadust täielikult rahuldada ainult geotermiline energia. Praktikas ei ole see praegu enamikul selle territooriumist tehnilistel ja majanduslikel põhjustel teostatav.

Just tänu sellele geoloogilisele eripärale on Islandil tohutud geotermilise energia varud, sealhulgas kuumaveeallikad, mis kerkivad Maa pinnale ja lausa pursuvad välja geisritena.

Geotermilise energia kodustamine 20. sajandil tõi Islandile majanduslikult palju kasu. Kuni eelmise sajandi keskpaigani oli see väga vaene riik, praegu on see maailmas esimesel kohal installeeritud võimsuse ja geotermilise energia tootmise poolest elaniku kohta ning on esikümnes maasoojuselektrijaamade absoluutse installeeritud võimsuse poolest. . Selle rahvaarv on aga vaid 300 tuhat inimest, mis lihtsustab keskkonnasõbralikele energiaallikatele üleminekut: vajadus selle järele on üldiselt väike.

Lisaks Islandile annab geotermilise energia suur osa elektritootmise üldbilansist Uus-Meremaa ja Kagu-Aasia saareriigid (Filipiinid ja Indoneesia), Kesk-Ameerika ja Ida-Aafrika riigid, mille territoorium on samuti mida iseloomustab kõrge seismiline ja vulkaaniline aktiivsus. Nende riikide jaoks annab geotermiline energia nende praeguse arengutaseme ja vajaduste juures olulise panuse sotsiaal-majanduslikku arengusse.

Geotermilise energia kasutamisel on väga pikk ajalugu. Üks esimesi teadaolevaid näiteid on Itaalia, paik Toscana provintsis, praeguse nimega Larderello, kus 19. sajandi alguses kasutati kohalikku kuuma termaalvett, mis voolas looduslikult või kaevandati madalatest kaevudest.

Vana põhimõte uuel allikal

GeoPP-de jaoks on kolm peamist tööskeemi: otsene, kasutades kuiva (geotermilist) auru; kaudne, hüdrotermilise vee baasil ja segatud ehk kahekomponentne.

Ühe või teise skeemi kasutamine sõltub energiakandja agregatsiooni olekust ja temperatuurist.

Väljatõmbeaur siseneb sissepritsekaevu või kasutatakse ruumide kütmiseks - sel juhul on põhimõte sama, mis soojuselektrijaama töötamisel.

Kõik kolm skeemi kasutavad hüdrotermilist allikat, kuid elektrienergia tootmiseks saab kasutada ka naftatermilist energiat.

Kingitus Lord Kelvinilt

Soojuspumba leiutamine 1852. aastal füüsiku William Thompsoni (teise nimega Lord Kelvin) poolt andis inimkonnale reaalse võimaluse kasutada pinnase ülemiste kihtide madala kvaliteediga soojust. Soojuspumbasüsteem või soojuse kordaja, nagu Thompson seda nimetas, põhineb füüsikalisel protsessil, mille käigus viiakse soojus keskkonnast külmaainesse. Põhimõtteliselt kasutab see sama põhimõtet nagu naftatermilised süsteemid. Erinevus on soojusallikas, mis võib tekitada terminoloogilise küsimuse: mil määral saab soojuspumpa pidada maasoojussüsteemiks? Tõsiasi on see, et ülemistes kihtides, kümnete kuni sadade meetrite sügavuseni, ei soojenda kivimeid ja neis sisalduvaid vedelikke mitte maa sügav kuumus, vaid päike. Seega on päike sel juhul peamine soojusallikas, kuigi see võetakse nagu geotermilistes süsteemides maapinnast.

Madala keemistemperatuuriga aine toimib külmutusagensina, mis võimaldab tal võtta soojust isegi suhteliselt madala temperatuuriga allikast.

Külmkapis voolab vedel külmutusagens läbi drosselklapi (rõhuregulaatori) aurustisse, kus rõhu järsu languse tõttu vedelik aurustub. Aurustumine on endotermiline protsess, mis nõuab väljastpoolt tuleva soojuse neeldumist. Selle tulemusena eemaldatakse aurusti siseseintelt soojus, mis tagab külmiku kambris jahutava efekti. Järgmisena tõmmatakse külmutusagens aurustist kompressorisse, kus see viiakse tagasi vedelasse olekusse. See on vastupidine protsess, mis viib eemaldatud soojuse eraldumiseni väliskeskkonda. Reeglina visatakse see tuppa ja külmkapi tagasein on suhteliselt soe.

Soojuspump töötab peaaegu samamoodi, selle erinevusega, et soojus võetakse väliskeskkonnast ja aurusti kaudu siseneb sisekeskkonda - ruumiküttesüsteemi.

Päris soojuspumbas soojendatakse vett läbi maasse või reservuaari asetatud välise vooluringi ja seejärel siseneb see aurustisse.

Aurustis kantakse soojus üle madala keemistemperatuuriga külmutusagensiga täidetud siseringi, mis aurustit läbides muutub vedelast gaasiliseks, võttes ära soojuse.

Kompressor vajab töötamiseks elektrit, kuid transformatsioonisuhe (kulutatud energia ja toodetud energia suhe) on tänapäevastes süsteemides piisavalt kõrge, et tagada nende efektiivsus.

Praegu kasutatakse soojuspumpasid ruumide kütmiseks üsna laialdaselt, peamiselt majanduslikult arenenud riikides.

Ökokorrektne energia

Geotermilist energiat peetakse keskkonnasõbralikuks, mis üldiselt on tõsi. Esiteks kasutab see taastuvat ja praktiliselt ammendamatut ressurssi. Geotermiline energia ei vaja erinevalt suurtest hüdroelektrijaamadest või tuuleparkidest suuri alasid ning erinevalt süsivesinike energiast ei saasta atmosfääri. Keskmiselt võtab GeoPP 1 GW toodetud elektri kohta 400 m 2 . Sama näitaja näiteks kivisöel töötava soojuselektrijaama puhul on 3600 m2. GeoPP-de keskkonnaeeliste hulka kuulub ka väike veekulu – 20 liitrit magevett 1 kW kohta, soojuselektrijaamad ja tuumajaamad aga nõuavad umbes 1000 liitrit. Pange tähele, et need on "keskmise" GeoPP keskkonnanäitajad.

Kuid ikkagi on negatiivseid kõrvalmõjusid. Nende hulgas tuvastatakse kõige sagedamini müra, atmosfääri termiline reostus ning vee ja pinnase keemiline reostus, samuti tahkete jäätmete teke.

Keskkonna peamiseks keemilise reostuse allikaks on termaalvesi ise (kõrge temperatuuriga ja mineralisatsiooniga), mis sisaldab sageli suures koguses toksilisi ühendeid, mistõttu tekib probleem reovee ja ohtlike ainete kõrvaldamisega.

GeoPP tööstaadiumis püsivad keskkonnareostuse probleemid. Termilised vedelikud - vesi ja aur - sisaldavad tavaliselt süsinikdioksiidi (CO 2), väävelsulfiidi (H 2 S), ammoniaaki (NH 3), metaani (CH 4), lauasoola (NaCl), boori (B), arseeni (As ), elavhõbe (Hg). Väliskeskkonda sattudes muutuvad need saasteallikateks. Lisaks võib agressiivne keemiline keskkond põhjustada geotermiliste elektrijaamade struktuuride söövitavat hävingut.

Samas on geoelektrijaamade saasteainete heitkogused keskmiselt väiksemad kui soojuselektrijaamadest. Näiteks süsihappegaasi heide iga toodetud elektrienergia kilovatt-tunni kohta on GeoPP-des kuni 380 g, söeküttel töötavates soojuselektrijaamades kuni 1042 g, õliküttel töötavates elektrijaamades kuni 906 g ja gaasiküttel töötavates soojuselektrijaamades kuni 453 g. .

Tekib küsimus: mida teha reoveega? Kui mineraliseerumine on madal, võib selle pärast jahutamist sisse lasta pinnavesi. Teine võimalus on pumbata see läbi süstekaevu tagasi põhjaveekihti, mida praegu eelistatavalt ja valdavalt kasutatakse.

Termovee ammutamine põhjaveekihtidest (nagu ka tavalise vee väljapumpamine) võib põhjustada vajumist ja pinnase liikumisi, muid geoloogiliste kihtide deformatsioone ja mikromaavärinaid. Selliste nähtuste tõenäosus on reeglina väike, kuigi üksikuid juhtumeid on registreeritud (näiteks Saksamaal Staufen im Breisgaus asuvas GeoPP-s).

Kui palju on Maa energiat?

Näiteks investeeringud petrotermilise tsirkulatsioonisüsteemi (PCS) loomisse on hinnanguliselt 1,6–4 tuhat dollarit 1 kW installeeritud võimsuse kohta, mis ületab ehituskulusid. tuumaelektrijaam ning võrreldav tuule- ja päikeseelektrijaamade ehitamise kuludega.

Energia suuruselt teine kuluartikkel (ja väga oluline) on reeglina tehase personali palgad, mis võivad riigiti ja piirkonniti järsult erineda.

Maasoojussüsteemi majandusliku efektiivsuse näitajad sõltuvad näiteks sellest, kas ja millistel viisidel on vaja heitvett kõrvaldada ning kas ressursi kombineeritud kasutamine on võimalik. Seega võivad termaalveest ekstraheeritud keemilised elemendid ja ühendid anda lisatulu. Meenutagem Larderello näidet: esmane asi oli seal täpselt keemiline tootmine, ja geotermilise energia kasutamine oli esialgu abistava iseloomuga.

Maasoojusenergia edasi

Geotermiline energia areneb mõnevõrra teisiti kui tuule- ja päikeseenergia. Praegu sõltub see palju suuremal määral ressursi enda olemusest, mis on piirkonniti järsult erinev, ning suurimad kontsentratsioonid on seotud kitsaste geotermiliste anomaaliate tsoonidega, mis on tavaliselt seotud tektooniliste rikete ja vulkanismi piirkondadega.

Lisaks on maasoojusenergia tehnoloogiliselt vähem intensiivne võrreldes tuule- ja eriti päikeseenergiaga: maasoojusjaamade süsteemid on üsna lihtsad.

Globaalse elektritootmise üldises struktuuris moodustab geotermiline komponent alla 1%, kuid mõnes piirkonnas ja riigis ulatub selle osakaal 25–30%. Geoloogiliste tingimustega seotuse tõttu on märkimisväärne osa geotermilise energia võimsusest koondunud kolmanda maailma riikidesse, kus on kolm tööstuse suurima arenguga klastrit - Kagu-Aasia, Kesk-Ameerika ja Ida-Aafrika saared. Esimesed kaks piirkonda kuuluvad Vaikse ookeani "Maa tulevööndisse", kolmas on seotud Ida-Aafrika lõhega. Kõige tõenäolisemalt jätkab maasoojusenergia areng nendes vööndites. Kaugem väljavaade on naftatermilise energia arendamine, kasutades mitme kilomeetri sügavusel asuvate maakihtide soojust. See on peaaegu üldlevinud ressurss, kuid selle kaevandamine nõuab suuri kulutusi, mistõttu naftasoojusenergia areneb eelkõige majanduslikult ja tehnoloogiliselt võimsaimates riikides.

Kamtšatkast Kaukaasiasse

Põhja-Kaukaasias - Krasnodari territooriumil, Tšetšeenias, Dagestanis - kasutati termaalvee soojust energeetikaks juba enne Suurt Isamaasõda. 1980.–1990. aastatel jäi geotermilise energia areng piirkonnas arusaadavatel põhjustel soiku ega ole veel seisakust välja tulnud. Sellegipoolest annab Põhja-Kaukaasia geotermiline veevarustus soojust umbes 500 tuhandele inimesele ja näiteks Krasnodari territooriumil asuvat Labinski linna, kus elab 60 tuhat inimest, soojendab täielikult geotermiline vesi.

Hetkel on Mutnovski jaamade osakaal Kesk-Kamtšatka energiakeskuse energiatarbimise üldises struktuuris 40%. Lähiaastatel on plaanis võimsust suurendada.

Eraldi tuleks mainida Venemaa naftatermilisi arendusi. Meil ei ole veel suuri puurimiskeskusi, kuid meil on olemas arenenud tehnoloogiad suure sügavusega (umbes 10 km) puurimiseks, millel pole samuti maailmas analooge. Nende edasine arendamine vähendab radikaalselt naftatermiliste süsteemide loomise kulusid. Nende tehnoloogiate ja projektide arendajad on N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Venemaa Teaduste Akadeemia Geoloogiainstituut), A. S. Nekrasov (Venemaa Teaduste Akadeemia Rahvamajanduse Prognoosi Instituut) ja Kaluga Turbiinitehase spetsialistid. Praegu on Venemaal petrotermilise tsirkulatsioonisüsteemi projekt katsejärgus.

Maasoojusenergial on Venemaal väljavaateid, kuigi need on suhteliselt kauged: hetkel on potentsiaal üsna suur ja traditsioonilise energia positsioon tugev. Samal ajal on mitmetes riigi kaugemates piirkondades maasoojusenergia kasutamine majanduslikult tasuv ja juba nõutud. Need on suure geoenergeetilise potentsiaaliga territooriumid (Tšukotka, Kamtšatka, Kuriili saared - Vaikse ookeani "Maa tulevööndi" Venemaa osa, Lõuna-Siberi ja Kaukaasia mäed) ning samal ajal kauged ja tsentraliseeritust ära lõigatud. energiavarud.

Tõenäoliselt areneb meie riigis lähikümnenditel geotermiline energia just sellistes piirkondades.

See energia kuulub alternatiivsetesse allikatesse. Tänapäeval mainitakse üha enam võimalusi saada ressursse, mida planeet meile annab. Võib öelda, et elame taastuvenergia moeajastul. Selles valdkonnas luuakse palju tehnilisi lahendusi, plaane ja teooriaid.

See asub sügaval maa sügavustes ja sellel on uuenemisomadused, teisisõnu on see lõputu. Teadlaste sõnul hakkavad klassikalised ressursid lõppema, nafta, kivisüsi ja gaas kuivavad.

Nesjavelliri geotermiline elektrijaam, Island

Seetõttu saame järk-järgult valmistuda uute alternatiivsete energiatootmismeetodite kasutuselevõtuks. Maakoore all on võimas tuum. Selle temperatuur on vahemikus 3000 kuni 6000 kraadi. Litosfääri plaatide liikumine näitab selle tohutut jõudu. See avaldub magma vulkaanilise purske kujul. Sügavuses toimuv radioaktiivne lagunemine, mis mõnikord põhjustab selliseid looduskatastroofe.

Tavaliselt soojendab magma pinda ilma selle piire ületamata. Nii tekivad geiserid või soojad veebasseinid. Nii et saate kasutada füüsikalised protsessid V õigetel eesmärkidel inimkonna jaoks.

Geotermiliste energiaallikate tüübid

Tavaliselt jaguneb see kahte tüüpi: hüdrotermiline ja petrotermiline energia. Esimene moodustub soojade allikate tõttu ja teine tüüp on temperatuuride erinevus maapinnal ja sügavusel. Oma sõnadega seletades koosneb hüdrotermiline allikas aurust ja kuumast veest, petrotermiline allikas aga on peidus sügaval maa all.

Maasoojusenergia arengupotentsiaali kaart maailmas

Petrotermilise energia saamiseks on vaja puurida kaks kaevu, üks täita veega, mille järel toimub aurutamisprotsess, mis tuleb pinnale. Geotermilisi alasid on kolm klassi:

Geotermiline – asub mandrilaamade läheduses. Temperatuurigradient üle 80C/km. Näiteks Itaalia Larderello kommuun. Seal on elektrijaam
Pooltermiline – temperatuur 40 – 80 C/km. Need on killustatud kivimitest koosnevad looduslikud põhjaveekihid. Mõnel pool Prantsusmaal köetakse hooneid sel viisil.
Normaalne – kalle alla 40 C/km. Selliste alade esindamine on kõige levinum

Need on suurepärane allikas tarbimiseks. Need asuvad kivis teatud sügavusel. Vaatame klassifikatsiooni üksikasjalikumalt:

Epitermiline - temperatuur 50 kuni 90 C
Mesotermiline – 100 – 120 s
Hüpotermiline – üle 200 s

Need liigid koosnevad erinevast keemilisest koostisest. Sõltuvalt sellest saab vett kasutada erinevatel eesmärkidel. Näiteks elektri tootmisel, soojusvarustuses (soojusteed), toorainebaasis.

Video: geotermiline energia

Kütteprotsess

Vee temperatuur on 50 -60 kraadi, mis on optimaalne elamupiirkondade kütmiseks ja soojavarustuseks. Küttesüsteemide vajadus sõltub geograafilisest asukohast ja kliimatingimustest. Ja inimesed vajavad pidevalt sooja veevarustust. Selle protsessi jaoks ehitatakse GTS (geotermilised soojusjaamad).

Kui klassikaliseks soojusenergia tootmiseks kasutatakse tahket või gaasikütust tarbivat katlamaja, siis selles tootmises kasutatakse geiserallikat. Tehniline protsess on väga lihtne, samad side, soojustrassid ja seadmed. Piisab kaevu puurimisest, gaasidest puhastamisest, seejärel pumpadega katlaruumi saatmisest, kus peetakse temperatuurigraafikut ja siis läheb see soojatrassi.

Peamine erinevus seisneb selles, et kütusekatelt pole vaja kasutada. See vähendab oluliselt soojusenergia maksumust. Talvel saavad abonendid soojust ja sooja vett ning suvel ainult sooja vett.

Elektri tootmine

Kuumaveeallikad ja geisrid on elektritootmise põhikomponendid. Sel eesmärgil kasutatakse mitmeid skeeme ja ehitatakse spetsiaalseid elektrijaamu. GTS-seade:

Sooja vee paak
Pump
Gaasi eraldaja
Auru eraldaja
Turbiini genereerimine
Kondensaator
Boost pump
Paak-jahuti

Nagu näeme, on vooluahela põhielement aurumuundur. See võimaldab teil saada puhastatud auru, kuna see sisaldab happeid, mis hävitavad turbiiniseadmeid. Tehnoloogilises tsüklis on võimalik kasutada segaskeemi, see tähendab, et protsessi kaasatakse vesi ja aur. Vedelik läbib kogu gaasidest puhastamise etapi nagu aur.

Binaarse allika ahel

Töökomponent on madala keemistemperatuuriga vedelik. Termovesi osaleb ka elektri tootmises ja on teisese toorainena.

Selle abiga moodustub madala keemistemperatuuriga allikast aur. Sellise töötsükliga GTS-i saab täielikult automatiseerida ega vaja hoolduspersonali. Võimsamad jaamad kasutavad kaheahelalist ahelat. Seda tüüpi elektrijaam võimaldab saavutada võimsust 10 MW. Kaheahelaline struktuur:

Aurugeneraator
Turbiin
Kondensaator
Väljaviskaja
Toitepump
Ekonomiseerija
Aurusti

Praktiline kasutamine

Allikate tohutud varud on kordades suuremad kui aastane energiakulu. Kuid inimkond kasutab ainult väikest osa. Jaamade ehitus pärineb 1916. aastast. Itaalias loodi esimene geotermiline elektrijaam võimsusega 7,5 MW. Tööstus areneb aktiivselt sellistes riikides nagu USA, Island, Jaapan, Filipiinid ja Itaalia.

Käimas on aktiivne potentsiaalsete asukohtade ja mugavamate kaevandamismeetodite uurimine. Tootmisvõimsus kasvab aasta-aastalt. Kui me võtame arvesse majandusnäitaja, siis on sellise tööstuse maksumus võrdne kivisöe soojuselektrijaamadega. Island katab oma elamufondi peaaegu täielikult GT-allikaga. 80% majadest kasutatakse kütteks kuum vesi kaevudest. USA eksperdid väidavad, et korraliku arenduse korral suudavad maasoojuselektrijaamad toota 30 korda rohkem aastatarbimist. Kui rääkida potentsiaalist, siis 39 maailma riiki suudavad end täielikult elektriga varustada, kui nad kasutavad ära 100 protsenti Maa aluspinnast.

tehnikateaduste doktor ON. Ma vihkan seda, professor,
akadeemik Vene akadeemia Tehnoloogiateadused, Moskva

IN viimased aastakümned maailm kaalub Maa süvasoojuse energia tõhusama kasutamise suunda eesmärgiga osaliselt asendada maagaas, nafta, kivisüsi. See saab võimalikuks mitte ainult kõrgete geotermiliste parameetritega piirkondades, vaid ka kõigis piirkondades maakera sissepritse- ja tootmiskaevude puurimisel ja nende vahel tsirkulatsioonisüsteemide loomisel.

Viimastel aastakümnetel maailmas kasvanud huvi alternatiivsete energiaallikate vastu on põhjustatud süsivesinike kütusevarude ammendumisest ja mitmete keskkonnaprobleemide lahendamise vajadusest. Objektiivsed tegurid (fossiilkütuste ja uraani varud, samuti traditsioonilisest tulekahjust ja tuumaenergiast põhjustatud muutused keskkonnas) viitavad sellele, et üleminek uutele energiatootmismeetoditele ja -vormidele on vältimatu.

Maailmamajandus liigub praegu traditsiooniliste ja uute energiaallikate ratsionaalsele kombineerimisele ülemineku suunas. Maa soojus on nende hulgas üks esimesi kohti.

Geotermilised energiavarud jagunevad hüdrogeoloogilisteks ja petrogeotermilisteks. Esimesi neist esindavad jahutusvedelikud (need moodustavad ainult 1%. jagatud ressursse geotermiline energia) - põhjavesi, auru ja auru-vee segud. Viimased esindavad kuumades kivimites sisalduvat geotermilist energiat.

Meie riigis ja välismaal loodusliku auru ja maasoojusvee ammutamiseks kasutatav purskkaevutehnoloogia (isevool) on lihtne, kuid ebaefektiivne. Isevoolsete kaevude väikese voolukiiruse korral saab nende soojuse tootmine hüvitada puurimise kulud ainult madalal sügavusel geotermilistes reservuaarides, kus on kõrge temperatuur termiliste anomaaliatega piirkondades. Selliste kaevude kasutusiga ei ulatu paljudes riikides isegi 10 aastani.

Samas kinnitab kogemus, et madalate looduslike aurureservuaaride olemasolul on maasoojuselektrijaama rajamine kõige tulusam variant maasoojusenergia kasutamiseks. Selliste maasoojuselektrijaamade töö on näidanud oma konkurentsivõimet võrreldes teist tüüpi elektrijaamadega. Seetõttu on geotermilise vee ja hüdrotermilise auru varude kasutamine meie riigis Kamtšatka poolsaarel ja Kuriili seljandiku saartel, Põhja-Kaukaasia piirkondades ja võib-olla ka muudes piirkondades soovitatav ja õigeaegne. Kuid selle teadaolevad ja prognoositud varud on väikesed. Palju levinumad soojusenergia vee hoiused ei asu alati tarbijale - soojusvarustusobjektile - piisavalt lähedal. See välistab võimaluse nende tõhusaks kasutamiseks suures ulatuses.

Sageli arenevad soolaladestustega võitlemise küsimused keeruliseks probleemiks. Geotermiliste, tavaliselt mineraliseeritud allikate kasutamine jahutusvedelikuna põhjustab kaevude vohamist raudoksiidi, kaltsiumkarbonaadi ja silikaadi moodustistega. Lisaks mõjutavad seadmete tööd negatiivselt erosiooni-korrosiooni ja katlakivi ladestumise probleemid. Probleemiks on ka toksilisi lisandeid sisaldava mineraliseeritud reovee ärajuhtimine. Seetõttu ei saa kõige lihtsam purskkaevude tehnoloogia olla geotermiliste ressursside laialdase arendamise aluseks.

Venemaa Föderatsiooni territooriumil on esialgsetel hinnangutel 40-250 °C, soolsusega 35-200 g/l ja kuni 3000 m sügavusega termaalvete prognoositavad varud 21-22 mln. m3/päevas, mis võrdub 30-40 miljoni tonni süsivesinike põletamisega .T. aastal.

Temperatuuriga 150-250 °C auru-õhu segu prognoositav varu Kamtšatka poolsaarel ja Kuriili saartel on 500 tuh m3/ööpäevas. ja termaalvee varud temperatuuriga 40-100 °C - 150 tuh m3/ööpäevas.

Arendamise prioriteediks peetakse termaalveevarusid vooluhulgaga ca 8 mln m3/ööpäevas, mille soolsus on kuni 10 g/l ja temperatuur üle 50 °C.

Tuleviku energeetikasektori jaoks on palju suurem tähtsus soojusenergia, praktiliselt ammendamatute petrogeotermiliste ressursside ammutamisel. See tahketes kuumades kivimites sisalduv geotermiline energia moodustab 99% maa-alustest soojusenergia ressurssidest. 4-6 km sügavusel võib massiive temperatuuriga 300-400 °C leida vaid mõne vulkaani vahekeskmete lähedalt, kuid kuumad kivimid temperatuuriga 100-150 °C on nendel sügavustel levinud peaaegu kõikjal. , ja temperatuuriga 180-200 °C üsna suurel osal Venemaa territooriumist.

Miljardeid aastaid on tuuma-, gravitatsiooni- ja muud protsessid Maa sees genereerinud ja toodavad soojusenergiat. Osa sellest eraldub avakosmosesse ning soojus koguneb sügavusse, s.o. Maase aine tahke, vedela ja gaasilise faasi soojussisaldust nimetatakse geotermiliseks energiaks.

Pidev maasisese soojuse tootmine kompenseerib selle välised kaotused, toimib geotermilise energia akumulatsiooni allikana ja määrab selle ressursside taastuva osa. Soojuse summaarne ülekanne aluspinnast maapinnale on kolm korda suurem kui praegune elektrijaamade võimsus maailmas ja on hinnanguliselt 30 TW.

Siiski on selge, et taastumine on oluline ainult piiratud jaoks loodusvarad, ja geotermilise energia kogupotentsiaal on praktiliselt ammendamatu, kuna seda tuleks määratleda kui kokku Maale kättesaadav soojus.

Pole juhus, et maailm on viimastel aastakümnetel kaalunud Maa süvasoojuse energia tõhusama kasutamise suunda eesmärgiga osaliselt asendada maagaasi, naftat ja kivisütt. See saab võimalikuks mitte ainult kõrgete geotermiliste parameetritega piirkondades, vaid ka igal pool maailmas, kui puuritakse sissepritse- ja tootmiskaevud ning luuakse nende vahel tsirkulatsioonisüsteeme.

Loomulikult on kivimite madala soojusjuhtivusega tsirkulatsioonisüsteemide efektiivseks tööks vajalik soojuse väljatõmbe tsoonis piisavalt arenenud soojusvahetuspind või selle loomine. Poorsetel kihtidel ja loodusliku murdumiskindlusega tsoonidel, mida sageli leidub ülaltoodud sügavustel, on selline pind, mille läbilaskvus võimaldab korraldada jahutusvedeliku sundfiltratsiooni koos tõhusa energia eraldamisega kivimitest, samuti kunstlik looming ulatuslik soojusvahetuspind madala läbilaskvusega poorsetes massides hüdraulilise purustamise meetodil (vt joonis).

Praegu kasutatakse hüdraulilist purustamist nafta- ja gaasitööstuses kihistude läbilaskvuse suurendamise viisina, et tõhustada nafta taaskasutamist naftaväljade arendamise ajal. Moodne tehnoloogia võimaldab luua kitsa, kuid pika pragu või lühikese, kuid laia prao. On teada näiteid kuni 2-3 km pikkuste pragudega hüdraulilisest purustamisest.

Kodumaist ideed tahketes kivimites sisalduvate peamiste geotermiliste ressursside kaevandamisest väljendas 1914. aastal K. E. Tsiolkovski ja 1920. aastal kirjeldas kuumas graniidimassiivis geotermilise tsirkulatsiooni süsteemi (GCS) V.A. Obrutšev.

1963. aastal loodi Pariisis esimene GCS, et eraldada poorsetest kivimitest soojust kütteks ja konditsioneerimiseks Broadcasting Chaose kompleksi ruumides. 1985. aastal töötas Prantsusmaal juba 64 GCS-i kogusoojusvõimsusega 450 MW ja aastas hoiti kokku ligikaudu 150 tuhat tonni naftat. Samal aastal loodi esimene sarnane GVC NSV Liidus Khankala orus Groznõi linna lähedal.

1977. aastal alustati USA Los Alamose riikliku labori projekti raames peaaegu mitteläbilaskva massiivi hüdraulilise purustamisega eksperimentaalse GVC katsetamist New Mexico osariigis Fenton Hilli kohas. Süstitakse läbi kaevu (süsti) külma mage vesi kuumutati soojusvahetuse tõttu kivimassiga (185 OS) vertikaalses praos pindalaga 8000 m2, mis tekkis hüdraulilise purustamise teel 2,7 km sügavusel. Teise kaevu (tootmise) kaudu, mis samuti selle praoga ristus, tuli aurujoana pinnale ülekuumenenud vesi. Surve all suletud ahelas ringledes ulatus ülekuumenenud vee temperatuur pinnal 160-180 °C ja süsteemi soojusvõimsus 4-5 MW. Jahutusvedeliku lekked ümbritsevasse massiivi moodustasid umbes 1% koguvoolukiirusest. Mehaaniliste ja keemiliste lisandite kontsentratsioon (kuni 0,2 g/l) vastas magevee tingimustele joogivesi. Hüdrauliline murd ei vajanud tuge ja seda hoiti avatuna hüdrostaatilise vedeliku rõhuga. Selles arenev vaba konvektsioon tagas peaaegu kogu kuuma kivimassi paljandi pinna tõhusa osalemise soojusvahetuses.

Maa-aluse soojusenergia ammutamine kuumadest läbilaskmatutest kivimitest, mis põhineb nafta- ja gaasitööstuses välja töötatud ja pikka aega praktiseeritud kaldpuurimise ja hüdraulilise purustamise meetoditel, ei põhjustanud seismilist aktiivsust ega muud kahjulikud mõjud keskkonna kohta.

1983. aastal kordasid inglise teadlased Ameerika kogemust, luues Carnwellis graniidi hüdraulilise purustamisega eksperimentaalse GCS-i. Sarnaseid töid tehti Saksamaal ja Rootsis. Ameerika Ühendriikides on üle 224 maakütteprojekti. Eeldatakse, et geotermilised ressursid võivad katta suurema osa USA tulevastest soojusenergia vajadusest mitteelektriliste vajaduste jaoks. Jaapanis ulatus geotermiliste elektrijaamade võimsus 2000. aastal ligikaudu 50 GW-ni.

Praegu tehakse geotermiliste ressursside uurimist ja uurimist 65 riigis. Maailmas on loodud maasoojusenergia baasil jaamu koguvõimsusega umbes 10 GW. ÜRO toetab aktiivselt geotermilise energia arendamist.

Paljudes maailma riikides omandatud kogemused geotermiliste jahutusvedelike kasutamisel näitavad, et soodsatel tingimustel on need 2-5 korda tulusamad kui soojus- ja tuumaelektrijaamad. Arvutused näitavad, et üks maaküttekaev suudab aastas asendada 158 tuhat tonni kivisütt.

Seega on Maa soojus võib-olla ainuke suur taastuv energiaressurss, mille ratsionaalne arendamine tõotab vähendada energiakulu võrreldes tänapäevase kütuseenergiaga. Sama ammendamatu energiapotentsiaaliga päikese- ja termotuumaseadmed on kahjuks kallimad kui olemasolevad kütuseseadmed.

Hoolimata Maa soojuse ärakasutamise väga pikast ajaloost, ei ole geotermiline tehnoloogia täna veel jõudnud kõrge areng. Maa soojusenergia areng kogeb suuri raskusi süvakaevude rajamisel, mis on kanaliks jahutusvedeliku pinnale toomisel. Kõrge temperatuuri tõttu põhjas (200-250 °C) ei sobi traditsioonilised kivilõikuriistad sellistes tingimustes töötamiseks puurimis- ja manteltorude, tsemendipudelite, puurimistehnoloogia, korpuse ja komplekteerimise osas; kaevude kohta. Koduseid mõõteseadmeid, seeriaviisilisi töötarvikuid ja seadmeid toodetakse versioonides, mis võimaldavad temperatuuri kuni 150-200 °C. Traditsiooniline süvamehaaniline kaevude puurimine võtab mõnikord aastaid ja nõuab märkimisväärset aega finantskulud. Tootmispõhivaras jääb kaevude maksumus vahemikku 70–90%. Seda probleemi saab ja tuleks lahendada ainult progressiivse tehnoloogia loomisega põhiosa geotermiliste ressursside arendamiseks, s.o. kuumadest kividest energia ammutamine.

Meie Venemaa teadlaste ja spetsialistide rühm on juba aastaid tegelenud Maa kuumade kivimite ammendamatu taastuva süvasoojusenergia kaevandamise ja kasutamise probleemiga Venemaa Föderatsiooni territooriumil. Töö eesmärk on luua, lähtudes kodumaisest, kõrgtehnoloogia tehnilised vahendid sügavale maakoore soolestikku tungimiseks. Praegu on välja töötatud mitmeid puurimissõlmede (DS) variante, millel pole maailma praktikas analooge.

BS-i esimese versiooni töö on seotud praeguse traditsioonilise puurkaevude puurimistehnoloogiaga. Kõvade kivimite puurimiskiirus (keskmine tihedus 2500-3300 kg/m3) kuni 30 m/h, augu läbimõõt 200-500 mm. BS-i teine versioon puurib kaevusid autonoomses ja automaatrežiimis. Väljalaskmine toimub spetsiaalselt stardi- ja vastuvõtuplatvormilt, millelt selle liikumist juhitakse. Tuhat meetrit BS-i kõvas kivis saab katta mõne tunniga. Kaevu läbimõõt on 500 kuni 1000 mm. Korduvkasutatavate BS-i valikutel on suur majanduslik efektiivsus ja tohutu potentsiaalne väärtus. BS-i tootmisse toomine avab kaevude rajamises uue etapi ja tagab juurdepääsu Maa ammendamatutele soojusenergia allikatele.

Soojusvarustusvajaduste jaoks on kaevude nõutav sügavus kogu riigis vahemikus kuni 3-4,5 tuhat m ja ei ületa 5-6 tuhat m. Eluruumide ja kommunaalsoojuse jahutusvedeliku temperatuur ei ületa 150 °C. Tööstusrajatiste puhul ei ületa temperatuur reeglina 180-200 °C.

GCS loomise eesmärk on pakkuda pidevat, ligipääsetavat ja odavat soojust Vene Föderatsiooni kaugematesse, raskesti ligipääsetavatesse ja väljaarendamata piirkondadesse. GCS-i tööaeg on 25-30 aastat või rohkem. Jaamade tasuvusaeg (sh uusimad tehnoloogiad puurimine) - 3-4 aastat.

Venemaa Föderatsioonis lähiaastatel sobivate võimsuste loomine geotermilise energia kasutamiseks mitteelektrilisteks vajadusteks võimaldab asendada umbes 600 miljonit tonni samaväärset kütust. Kokkuhoid võib ulatuda kuni 2 triljoni rublani.

Aastaks 2030 on võimalik luua energiavõimsust tuleenergia asendamiseks kuni 30% võrra ja 2040. aastaks peaaegu täielikult kõrvaldada orgaanilised toorained kütusena Vene Föderatsiooni energiabilansist.

Kirjandus

1. Gontšarov S.A. Termodünaamika. M.: MGTUim. N.E. Bauman, 2002. 440 lk.

2. Dyadkin Yu.D. ja teised geotermiline termofüüsika. Peterburi: Nauka, 1993. 255 lk.

3. Maavarade baas Venemaa kütuse- ja energiakompleks. Seisund ja prognoos / V.K. Branchugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinenko ja teised Ed. V.Z. Garipova, E.A. Kozlovski. M. 2004. 548 lk.

4. Novikov G.P jt. M.: Nedra, 1986. 229 lk.