Energien til jordvarmen som varmekilde. Brukte jordvarmevekslere og varmeforsyningsordninger

geotermisk energi- dette er varmeenergien som frigjøres fra jordens indre soner over hundrevis av millioner år. I følge geologiske og geofysiske studier når temperaturen i jordens kjerne 3000-6000 °C, og avtar gradvis i retningen fra planetens sentrum til overflaten. Utbruddet av tusenvis av vulkaner, bevegelsen av blokker av jordskorpen, jordskjelv vitner om virkningen av jordens kraftige indre energi. Forskere tror at det termiske feltet på planeten vår skyldes radioaktivt forfall i dypet, samt gravitasjonsseparasjonen av kjernestoffet.
De viktigste kildene til oppvarming av tarmene på planeten er uran, thorium og radioaktivt kalium. Prosessene med radioaktivt forfall på kontinentene skjer hovedsakelig i det granittiske laget av jordskorpen på en dybde på 20-30 km eller mer, i havene - i den øvre mantelen. Det antas at på bunnen av jordskorpen i en dybde på 10-15 km er den sannsynlige temperaturverdien på kontinentene 600-800 ° C, og i havene - 150-200 ° C.
En person kan bruke geotermisk energi kun der den manifesterer seg nær jordoverflaten, dvs. i områder med vulkansk og seismisk aktivitet. Nå brukes geotermisk energi effektivt av land som USA, Italia, Island, Mexico, Japan, New Zealand, Russland, Filippinene, Ungarn, El Salvador. Her stiger jordens indre varme opp til overflaten i form av varmt vann og damp med en temperatur på opptil 300 ° C og bryter ofte ut som varmen fra fossende kilder (geysirer), for eksempel de berømte geysirene av Yellowstone Park i USA, geysirer i Kamchatka, Island.
Geotermiske energikilder delt inn i tørr varm damp, våt varm damp og varmt vann. Brønnen, som er en viktig energikilde for den elektriske jernbanen i Italia (nær Larderello), har vært drevet av tørr varm damp siden 1904. To andre kjente steder i verden med varm tørr damp er Matsukawa-feltet i Japan og geysirfeltet nær San Francisco, hvor geotermisk energi også har vært brukt effektivt i lang tid. Mest av alt i verden av våt varm damp ligger i New Zealand (Wairakei), geotermiske felt med litt mindre kraft - i Mexico, Japan, El Salvador, Nicaragua, Russland.
Dermed kan fire hovedtyper geotermiske energiressurser skilles:
overflatevarme av jorden brukt av varmepumper;
energiressurser av damp, varmt og varmt vann nær jordoverflaten, som nå brukes til produksjon av elektrisk energi;
varme konsentrert dypt under jordens overflate (kanskje i fravær av vann);
magmaenergi og varme som samler seg under vulkaner.

Geotermiske varmereserver (~ 8 * 1030J) er 35 milliarder ganger det årlige globale energiforbruket. Bare 1 % av den geotermiske energien i jordskorpen (dybde på 10 km) kan gi en energimengde som er 500 ganger større enn alle verdens olje- og gassreserver. Men i dag kan kun en liten del av disse ressursene brukes, og dette skyldes først og fremst økonomiske årsaker. Begynnelsen på den industrielle utviklingen av geotermiske ressurser (energi fra varmt dypvann og damp) ble lagt i 1916, da det første geotermiske kraftverket med en kapasitet på 7,5 MW ble satt i drift i Italia. I løpet av den siste tiden er det samlet betydelig erfaring innen praktisk utvikling av geotermiske energiressurser. Den totale installerte kapasiteten til drift av geotermiske kraftverk (GeoTPP) var: 1975 - 1 278 MW, i 1990 - 7 300 MW. USA, Filippinene, Mexico, Italia og Japan har oppnådd størst fremgang i denne saken.
De tekniske og økonomiske parametrene til GeoTPP varierer over et ganske bredt område og avhenger av de geologiske egenskapene til området (dybden av forekomsten, parameterne til arbeidsvæsken, dens sammensetning, etc.). For flertallet av idriftsatte GeoTPP-er er elektrisitetskostnaden lik kostnaden for elektrisitet produsert ved kullfyrte TPP-er, og utgjør 1200 ... 2000 amerikanske dollar / MW.
På Island blir 80 % av boligbyggene varmet opp med varmt vann hentet fra geotermiske brønner under byen Reykjavik. I det vestlige USA blir rundt 180 hjem og gårder oppvarmet av geotermisk varmtvann. I følge eksperter ble den globale elektrisitetsproduksjonen fra geotermisk energi mer enn doblet mellom 1993 og 2000. Det er så mange reserver av geotermisk varme i USA at det teoretisk sett kan gi 30 ganger mer energi enn staten forbruker i dag.
I fremtiden er det mulig å bruke varmen fra magma i de områdene der den ligger nær jordoverflaten, samt den tørre varmen fra oppvarmede krystallinske bergarter. I sistnevnte tilfelle bores brønner i flere kilometer, kaldt vann pumpes ned, og varmtvann returneres tilbake.

I vårt land, rikt på hydrokarboner, er geotermisk energi en slags eksotisk ressurs som i dagens tilstand neppe vil konkurrere med olje og gass. Likevel kan denne alternative energiformen brukes nesten overalt og ganske effektivt.

Geotermisk energi er varmen i jordens indre. Den produseres i dypet og kommer til jordens overflate i forskjellige former og med ulik intensitet.

Temperaturen på de øvre lagene av jorda avhenger hovedsakelig av eksterne (eksogene) faktorer - sollys og lufttemperatur. Om sommeren og om dagen varmes jorda opp til visse dybder, og om vinteren og om natten avkjøles den etter endringen i lufttemperaturen og med en viss forsinkelse, økende med dybden. Påvirkningen av daglige svingninger i lufttemperaturen ender på dyp fra noen få til flere titalls centimeter. Sesongsvingninger fanger opp dypere jordlag – opptil titalls meter.

På en viss dybde - fra titalls til hundrevis av meter - holdes temperaturen i jorda konstant, lik den gjennomsnittlige årlige lufttemperaturen nær jordoverflaten. Dette er lett å verifisere ved å gå ned i en ganske dyp hule.

Når gjennomsnittlig årlig lufttemperatur i et gitt område er under null, manifesterer dette seg som permafrost (nærmere bestemt permafrost). I Øst-Sibir når tykkelsen, det vil si tykkelsen, av frossen jord hele året 200–300 m stedvis.

Fra en viss dybde (sin egen for hvert punkt på kartet) svekkes effekten av Solen og atmosfæren så mye at endogene (indre) faktorer kommer først og jordens indre varmes opp fra innsiden, slik at temperaturen begynner å stige med dybden.

Oppvarmingen av de dype lagene av jorden er hovedsakelig assosiert med forfallet av de radioaktive elementene som ligger der, selv om andre varmekilder også er navngitt, for eksempel fysisk-kjemiske, tektoniske prosesser i de dype lagene av jordskorpen og mantelen. Men uansett årsak øker temperaturen på bergarter og tilhørende flytende og gassformige stoffer med dybden. Gruvearbeidere møter dette fenomenet - det er alltid varmt i dype gruver. På 1 km dyp er tretti graders varme normalt, og dypere er temperaturen enda høyere.

Varmestrømmen til jordens indre, som når jordens overflate, er liten - i gjennomsnitt er kraften 0,03–0,05 W / m 2, eller omtrent 350 W h / m 2 per år. På bakgrunn av varmestrømmen fra solen og luften som varmes opp av den, er dette en umerkelig verdi: Solen gir hver kvadratmeter av jordens overflate omtrent 4000 kWh årlig, det vil si 10 000 ganger mer (selvfølgelig, dette er i gjennomsnitt, med stor spredning mellom polare og ekvatoriale breddegrader og avhengig av andre klimatiske og værfaktorer).

Ubetydeligheten av varmestrømmen fra dypet til overflaten i det meste av planeten er assosiert med den lave termiske ledningsevnen til bergarter og særegenhetene til den geologiske strukturen. Men det finnes unntak - steder hvor varmestrømmen er høy. Dette er for det første soner med tektoniske forkastninger, økt seismisk aktivitet og vulkanisme, hvor energien i jordens indre finner en vei ut. Slike soner er preget av termiske anomalier i litosfæren, her kan varmestrømmen som når jordens overflate være mange ganger og til og med størrelsesordener kraftigere enn den "vanlige". En enorm mengde varme bringes til overflaten i disse sonene av vulkanutbrudd og varme kilder med vann.

Det er disse områdene som er mest gunstige for utbygging av geotermisk energi. På Russlands territorium er dette først og fremst Kamchatka, Kuriløyene og Kaukasus.

Samtidig er utviklingen av geotermisk energi mulig nesten overalt, siden økningen i temperatur med dybden er et allestedsnærværende fenomen, og oppgaven er å "utvinne" varme fra tarmene, akkurat som mineralske råvarer utvinnes derfra.

I gjennomsnitt øker temperaturen med dybden med 2,5–3°C for hver 100 m. Forholdet mellom temperaturforskjellen mellom to punkter som ligger på forskjellige dyp og dybdeforskjellen mellom dem kalles den geotermiske gradienten.

Det resiproke er det geotermiske trinnet, eller dybdeintervallet der temperaturen stiger med 1°C.

Jo høyere gradienten er, og følgelig jo lavere trinnet er, desto nærmere varmen fra jordens dyp nærmer seg overflaten, og jo mer lovende er dette området for utvikling av geotermisk energi.

I ulike områder, avhengig av den geologiske strukturen og andre regionale og lokale forhold, kan temperaturøkningshastigheten med dybden variere dramatisk. På jordens skala når svingningene i verdiene til geotermiske gradienter og trinn 25 ganger. For eksempel, i staten Oregon (USA) er gradienten 150 °C per 1 km, og i Sør-Afrika er den 6 °C per 1 km.

Spørsmålet er, hva er temperaturen på store dyp - 5, 10 km eller mer? Hvis trenden fortsetter, bør temperaturene på 10 km dyp i gjennomsnitt ligge rundt 250–300°C. Dette bekreftes mer eller mindre av direkte observasjoner i ultradype brønner, selv om bildet er mye mer komplisert enn den lineære temperaturøkningen.

For eksempel, i Kola superdeep-brønnen boret i Baltic Crystalline Shield, endres temperaturen med en hastighet på 10°C/1 km til en dybde på 3 km, og deretter blir den geotermiske gradienten 2–2,5 ganger større. På en dybde på 7 km er det allerede registrert en temperatur på 120°C, ved 10 km - 180°C, og ved 12 km - 220°C.

Et annet eksempel er en brønn lagt i det nordlige Kaspiske hav, hvor det på en dybde på 500 m ble registrert en temperatur på 42°C, ved 1,5 km - 70°C, ved 2 km - 80°C, ved 3 km - 108°C.

Det antas at den geotermiske gradienten avtar fra en dybde på 20–30 km: på en dybde på 100 km er de estimerte temperaturene omtrent 1300–1500°C, på en dybde på 400 km - 1600°C, i jordens kjerne (dybder på mer enn 6000 km) - 4000–5000°C.

På dyp opp til 10–12 km måles temperatur gjennom borede brønner; der de ikke finnes, bestemmes det av indirekte tegn på samme måte som på større dyp. Slike indirekte tegn kan være arten av passasjen av seismiske bølger eller temperaturen til lavaen som bryter ut.

For geotermisk energiformål er imidlertid data om temperaturer på dyp på mer enn 10 km ennå ikke av praktisk interesse.

Det er mye varme på flere kilometers dyp, men hvordan heve den? Noen ganger løser naturen selv dette problemet for oss ved hjelp av en naturlig kjølevæske - oppvarmet termisk vann som kommer til overflaten eller ligger på en dybde som er tilgjengelig for oss. I noen tilfeller blir vannet i dypet oppvarmet til damptilstand.

Det er ingen streng definisjon av begrepet "termisk farvann". Som regel betyr de varmt grunnvann i flytende tilstand eller i form av damp, inkludert de som kommer til jordens overflate med en temperatur over 20 ° C, det vil si som regel høyere enn lufttemperaturen.

Varmen til grunnvann, damp, damp-vannblandinger er hydrotermisk energi. Følgelig kalles energi basert på bruken hydrotermisk.

Situasjonen er mer komplisert med produksjon av varme direkte fra tørre bergarter - petrotermisk energi, spesielt siden tilstrekkelig høye temperaturer, som regel, begynner fra dybder på flere kilometer.

På Russlands territorium er potensialet for petrotermisk energi hundre ganger høyere enn hydrotermisk energi - henholdsvis 3500 og 35 billioner tonn standard drivstoff. Dette er ganske naturlig - varmen fra jordens dyp er overalt, og termisk vann finnes lokalt. Men på grunn av åpenbare tekniske vanskeligheter, brukes det meste av termalvannet i dag til å generere varme og elektrisitet.

Vanntemperaturer fra 20-30 til 100°C egner seg for oppvarming, temperaturer fra 150°C og over - og for generering av elektrisitet i geotermiske kraftverk.

Generelt er geotermiske ressurser på Russlands territorium, i form av tonn referansedrivstoff eller andre energimåleenheter, omtrent 10 ganger høyere enn reserver av fossilt brensel.

Teoretisk er det bare geotermisk energi som fullt ut kan dekke landets energibehov. I praksis, for øyeblikket, på det meste av landets territorium, er dette ikke mulig av tekniske og økonomiske årsaker.

I verden er bruken av geotermisk energi oftest forbundet med Island – et land som ligger i den nordlige enden av Midt-Atlanterhavsryggen, i en ekstremt aktiv tektonisk og vulkansk sone. Sannsynligvis husker alle det kraftige utbruddet av vulkanen Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajökull) i 2010 år.

Det er takket være denne geologiske spesifisiteten at Island har enorme reserver av geotermisk energi, inkludert varme kilder som kommer til jordens overflate og til og med fosser ut i form av geysirer.

På Island er mer enn 60 % av all energi som forbrukes i dag hentet fra jorden. Inkludert på grunn av geotermiske kilder, leveres 90 % av oppvarmingen og 30 % av elektrisitetsproduksjonen. Vi legger til at resten av elektrisiteten i landet produseres av vannkraftverk, det vil si også ved hjelp av en fornybar energikilde, takket være hvilken Island ser ut som en slags global miljøstandard.

«Temmingen» av geotermisk energi på 1900-tallet hjalp Island betydelig økonomisk. Fram til midten av forrige århundre var det et veldig fattig land, nå rangerer det først i verden når det gjelder installert kapasitet og produksjon av geotermisk energi per innbygger, og er på topp ti når det gjelder absolutt installert kapasitet for geotermisk kraft planter. Imidlertid er befolkningen bare 300 tusen mennesker, noe som forenkler oppgaven med å bytte til miljøvennlige energikilder: behovet for det er generelt lite.

I tillegg til Island leveres en høy andel geotermisk energi i den totale balansen av elektrisitetsproduksjon i New Zealand og øystatene i Sørøst-Asia (Filippinene og Indonesia), landene i Mellom-Amerika og Øst-Afrika, hvis territorium også er preget av ved høy seismisk og vulkansk aktivitet. For disse landene, på deres nåværende utviklingsnivå og behov, gir geotermisk energi et betydelig bidrag til sosioøkonomisk utvikling.

Bruken av geotermisk energi har en svært lang historie. Et av de første kjente eksemplene er Italia, et sted i provinsen Toscana, nå kalt Larderello, hvor man allerede på begynnelsen av 1800-tallet brukte lokalt varmt termalvann, som strømmet naturlig eller utvunnet fra grunne brønner, til energi. formål.

Vann fra underjordiske kilder, rikt på bor, ble brukt her for å få borsyre. Opprinnelig ble denne syren oppnådd ved fordampning i jernkjeler, og vanlig ved ble tatt som brensel fra nærliggende skoger, men i 1827 skapte Francesco Larderel et system som fungerte på varmen i vannet selv. Samtidig begynte energien fra naturlig vanndamp å bli brukt til drift av borerigger, og på begynnelsen av 1900-tallet til oppvarming av lokale hus og drivhus. På samme sted, i Larderello, i 1904, ble termisk vanndamp en energikilde for å generere elektrisitet.

Eksemplet med Italia på slutten av 1800- og begynnelsen av 1900-tallet ble fulgt av noen andre land. For eksempel, i 1892, ble termisk vann først brukt til lokal oppvarming i USA (Boise, Idaho), i 1919 - i Japan, i 1928 - på Island.

I USA dukket det første hydrotermiske kraftverket opp i California på begynnelsen av 1930-tallet, i New Zealand - i 1958, i Mexico - i 1959, i Russland (verdens første binære GeoPP) - i 1965.

Et gammelt prinsipp ved en ny kilde

Elektrisitetsproduksjon krever en høyere vannkildetemperatur enn oppvarming, over 150°C. Driftsprinsippet for et geotermisk kraftverk (GeoES) er likt driftsprinsippet for et konvensjonelt termisk kraftverk (TPP). Faktisk er et geotermisk kraftverk en type termisk kraftverk.

Ved termiske kraftverk fungerer som regel kull, gass eller fyringsolje som den primære energikilden, og vanndamp fungerer som arbeidsvæske. Drivstoffet, brennende, varmer vannet til en tilstand av damp, som roterer dampturbinen, og det genererer elektrisitet.

Forskjellen mellom GeoPP er at den primære energikilden her er varmen fra jordens indre og arbeidsfluidet i form av damp kommer inn i turbinbladene til den elektriske generatoren i "klar" form direkte fra produksjonsbrønnen.

Det er tre hovedordninger for GeoPP-drift: direkte, ved bruk av tørr (geotermisk) damp; indirekte, basert på hydrotermisk vann, og blandet, eller binært.

Bruken av en eller annen ordning avhenger av aggregeringstilstanden og temperaturen til energibæreren.

Den enkleste og derfor den første av de mestrede ordningene er den direkte, der dampen som kommer fra brønnen føres direkte gjennom turbinen. Verdens første GeoPP i Larderello i 1904 opererte også på tørr damp.

GeoPP-er med en indirekte driftsordning er de vanligste i vår tid. De bruker varmt underjordisk vann, som pumpes under høyt trykk inn i en fordamper, hvor en del av det fordampes, og den resulterende dampen roterer en turbin. I noen tilfeller kreves det ytterligere enheter og kretser for å rense geotermisk vann og damp fra aggressive forbindelser.

Eksosdampen kommer inn i injeksjonsbrønnen eller brukes til romoppvarming - i dette tilfellet er prinsippet det samme som under driften av en CHP.

Ved binære GeoPPs interagerer varmt termisk vann med en annen væske som fungerer som en arbeidsvæske med et lavere kokepunkt. Begge væskene føres gjennom en varmeveksler, der termisk vann fordamper arbeidsvæsken, hvis damp roterer turbinen.

Prinsippet for drift av en binær GeoPP. Varmt termisk vann samhandler med en annen væske som fungerer som en arbeidsvæske og har et lavere kokepunkt. Begge væskene føres gjennom en varmeveksler, der termisk vann fordamper arbeidsvæsken, hvis damp i sin tur roterer turbinen.

Dette systemet er lukket, noe som løser problemet med utslipp til atmosfæren. I tillegg gjør arbeidsvæsker med relativt lavt kokepunkt det mulig å bruke ikke veldig varmt termisk vann som primær energikilde.

Alle tre ordningene bruker en hydrotermisk kilde, men petrotermisk energi kan også brukes til å generere elektrisitet.

Kretsskjemaet i dette tilfellet er også ganske enkelt. Det er nødvendig å bore to sammenkoblede brønner - injeksjon og produksjon. Vann pumpes inn i injeksjonsbrønnen. På dypet varmes det opp, deretter tilføres oppvarmet vann eller damp dannet som følge av sterk oppvarming til overflaten gjennom en produksjonsbrønn. Videre avhenger alt av hvordan den petrotermiske energien brukes - til oppvarming eller til produksjon av elektrisitet. En lukket syklus er mulig med pumping av eksosdamp og vann tilbake til injeksjonsbrønnen eller en annen metode for avhending.

Opplegg for det petrotermiske systemet. Systemet er basert på bruk av en temperaturgradient mellom jordoverflaten og dens indre, hvor temperaturen er høyere. Vann fra overflaten pumpes inn i injeksjonsbrønnen og varmes opp i dybden, deretter tilføres det oppvarmede vannet eller dampen som dannes som følge av oppvarming til overflaten gjennom produksjonsbrønnen.

Ulempen med et slikt system er åpenbar: for å oppnå en tilstrekkelig høy temperatur på arbeidsfluidet, er det nødvendig å bore brønner til stor dybde. Og dette er en alvorlig kostnad og risiko for betydelig varmetap når væsken beveger seg opp. Derfor er petrotermiske systemer fortsatt mindre vanlige enn hydrotermiske, selv om potensialet til petrotermisk energi er størrelsesorden høyere.

For tiden er lederen i etableringen av de såkalte petrotermiske sirkulasjonssystemene (PCS) Australia. I tillegg utvikler denne retningen for geotermisk energi aktivt i USA, Sveits, Storbritannia og Japan.

Gave fra Lord Kelvin

Oppfinnelsen av varmepumpen i 1852 av fysikeren William Thompson (aka Lord Kelvin) ga menneskeheten en reell mulighet til å bruke lavgradsvarmen i de øvre lagene av jorda. Varmepumpesystemet, eller varmemultiplikatoren som Thompson kalte det, er basert på den fysiske prosessen med å overføre varme fra omgivelsene til kjølemediet. Faktisk bruker den samme prinsipp som i petrotermiske systemer. Forskjellen ligger i varmekilden, i forbindelse med hvilken et terminologisk spørsmål kan oppstå: i hvilken grad kan en varmepumpe betraktes som et geotermisk system? Faktum er at i de øvre lagene, til dybder på titalls eller hundrevis av meter, blir bergartene og væskene i dem oppvarmet ikke av jordens dype varme, men av solen. Dermed er det sola i dette tilfellet som er den primære varmekilden, selv om den tas, som i geotermiske systemer, fra jorden.

Driften av en varmepumpe er basert på forsinkelsen i oppvarming og avkjøling av jorda sammenlignet med atmosfæren, som et resultat av at det dannes en temperaturgradient mellom overflaten og dypere lag, som holder på varmen selv om vinteren, i likhet med hvordan det skjer i reservoarer. Hovedformålet med varmepumper er romoppvarming. Faktisk er det et "kjøleskap i revers". Både varmepumpen og kjøleskapet samhandler med tre komponenter: det indre miljøet (i det første tilfellet - et oppvarmet rom, i det andre - et avkjølt kjølekammer), det ytre miljøet - en energikilde og et kjølemiddel (kjølemiddel), som er også en kjølevæske som gir varmeoverføring eller kulde.

Et stoff med lavt kokepunkt fungerer som et kjølemiddel, som lar det ta varme fra en kilde som til og med har en relativt lav temperatur.

I kjøleskapet kommer det flytende kjølemediet inn i fordamperen gjennom en strupe (trykkregulator), hvor væsken fordamper på grunn av en kraftig trykkreduksjon. Fordampning er en endoterm prosess som krever at varme absorberes utenfra. Som et resultat tas varme fra innerveggene i fordamperen, noe som gir en kjølende effekt i kjøleskapskammeret. Videre fra fordamperen suges kjølemediet inn i kompressoren, hvor det går tilbake til flytende aggregeringstilstand. Dette er den omvendte prosessen, som fører til frigjøring av den tatt varmen til det ytre miljøet. Som regel blir det kastet inn i rommet, og bakveggen på kjøleskapet er relativt varm.

Varmepumpen fungerer på nesten samme måte, med den forskjellen at varme hentes fra det ytre miljøet og kommer inn i det indre miljøet gjennom fordamperen - romvarmesystemet.

I en ekte varmepumpe varmes vann opp, passerer gjennom en ekstern krets lagt i bakken eller et reservoar, og går deretter inn i fordamperen.

I fordamperen overføres varme til en intern krets fylt med et kjølemiddel med lavt kokepunkt, som, som passerer gjennom fordamperen, endres fra flytende tilstand til gassform og tar varme.

Videre kommer det gassformige kjølemediet inn i kompressoren, hvor det komprimeres til høyt trykk og temperatur, og går inn i kondensatoren, hvor varmevekslingen finner sted mellom den varme gassen og varmebæreren fra varmesystemet.

Kompressoren krever elektrisk energi for å fungere, men transformasjonsforholdet (forholdet mellom energi forbrukt og produsert) i moderne systemer er høy nok til å sikre effektiviteten.

For tiden er varmepumper mye brukt til romoppvarming, hovedsakelig i økonomisk utviklede land.

Økoriktig energi

Geotermisk energi anses som miljøvennlig, noe som generelt er sant. Først og fremst bruker den en fornybar og praktisk talt uuttømmelig ressurs. Geotermisk energi krever ikke store arealer, i motsetning til store vannkraftverk eller vindparker, og forurenser ikke atmosfæren, i motsetning til hydrokarbonenergi. I gjennomsnitt opptar GeoPP 400 m 2 i form av 1 GW generert elektrisitet. Det samme tallet for et kullfyrt termisk kraftverk er for eksempel 3600 m 2. Miljøfordelene med GeoPPs inkluderer også lavt vannforbruk - 20 liter ferskvann per 1 kW, mens termiske kraftverk og atomkraftverk krever ca 1000 liter. Merk at dette er miljøindikatorene til den "gjennomsnittlige" GeoPP.

Men det er fortsatt negative bivirkninger. Blant dem skilles oftest støy, termisk forurensning av atmosfæren og kjemisk forurensning av vann og jord, samt dannelse av fast avfall.

Hovedkilden til kjemisk forurensning av miljøet er selve termalvannet (med høy temperatur og saltholdighet), som ofte inneholder store mengder giftige forbindelser, og derfor er det et problem med avhending av avløpsvann og farlige stoffer.

De negative effektene av geotermisk energi kan spores på flere stadier, og starter med boring av brønner. Her oppstår de samme farene som ved boring av en hvilken som helst brønn: ødeleggelse av jord og vegetasjonsdekke, forurensning av jord og grunnvann.

På driftsstadiet av GeoPP vedvarer problemene med miljøforurensning. Termiske væsker - vann og damp - inneholder typisk karbondioksid (CO 2), svovelsulfid (H 2 S), ammoniakk (NH 3), metan (CH 4), vanlig salt (NaCl), bor (B), arsen (As) ), kvikksølv (Hg). Når de slippes ut i miljøet, blir de kilder til forurensning. I tillegg kan et aggressivt kjemisk miljø forårsake korrosjonsskader på GeoTPP-strukturer.

Samtidig er forurensningsutslippene ved GeoPP-er i gjennomsnitt lavere enn ved TPP-er. For eksempel er karbondioksidutslipp per kilowattime produsert elektrisitet opptil 380 g ved GeoPPs, 1042 g ved kullfyrte termiske kraftverk, 906 g ved fyringsolje og 453 g ved gassfyrte varmekraftverk.

Spørsmålet oppstår: hva skal man gjøre med avløpsvann? Med lav saltholdighet kan den etter avkjøling slippes ut i overflatevann. Den andre måten er å pumpe den tilbake i akviferen gjennom en injeksjonsbrønn, som er den foretrukne og dominerende praksisen for tiden.

Uttak av termisk vann fra akviferer (samt utpumping av vanlig vann) kan forårsake innsynkning og grunnbevegelser, andre deformasjoner av geologiske lag og mikrojordskjelv. Sannsynligheten for slike fenomener er vanligvis lav, selv om enkelttilfeller er registrert (for eksempel ved GeoPP i Staufen im Breisgau i Tyskland).

Det bør understrekes at de fleste GeoPP-ene er lokalisert i relativt tynt befolkede områder og i tredjeverdensland, hvor miljøkravene er mindre strenge enn i utviklede land. I tillegg er antallet GeoPP-er og deres kapasitet for øyeblikket relativt liten. Med en større utbygging av geotermisk energi kan miljørisikoen øke og formere seg.

Hvor mye er energien til jorden?

Investeringskostnadene for bygging av geotermiske systemer varierer i et veldig bredt område - fra 200 til 5000 dollar per 1 kW installert kapasitet, det vil si at de billigste alternativene er sammenlignbare med kostnadene ved å bygge et termisk kraftverk. De avhenger først og fremst av betingelsene for forekomst av termisk vann, deres sammensetning og utformingen av systemet. Boring til store dyp, skaper et lukket system med to brønner, behovet for vannbehandling kan mangedoble kostnadene.

For eksempel er investeringer i etableringen av et petrotermisk sirkulasjonssystem (PTS) estimert til 1,6–4 tusen dollar per 1 kW installert kapasitet, noe som overstiger kostnadene ved å bygge et kjernekraftverk og kan sammenlignes med kostnadene ved å bygge vind- og vindkraftverk. solkraftverk.

Den åpenbare økonomiske fordelen med GeoTPP er en gratis energibærer. Til sammenligning, i kostnadsstrukturen til et termisk kraftverk eller kjernekraftverk i drift, utgjør drivstoff 50–80 % eller enda mer, avhengig av gjeldende energipriser. Derfor er en annen fordel med det geotermiske systemet: driftskostnadene er mer stabile og forutsigbare, siden de ikke er avhengige av den eksterne konjunkturen av energipriser. Generelt er driftskostnadene til GeoTPP estimert til 2–10 cent (60 kopek–3 rubler) per 1 kWh generert kapasitet.

Den nest største (og meget betydelige) utgiftsposten etter energibæreren er som regel lønnen til stasjonsansatte, som kan variere dramatisk fra land til land og region.

I gjennomsnitt er kostnaden for 1 kWh geotermisk energi sammenlignbar med den for termiske kraftverk (i russiske forhold - omtrent 1 rubel / 1 kWh) og ti ganger høyere enn kostnadene for elektrisitetsproduksjon ved vannkraftverk (5–10 kopek) / 1 kWh).

Noe av årsaken til de høye kostnadene er at i motsetning til termiske og hydrauliske kraftverk har GeoTPP en relativt liten kapasitet. I tillegg er det nødvendig å sammenligne systemer lokalisert i samme region og under lignende forhold. Så, for eksempel, i Kamchatka, ifølge eksperter, koster 1 kWh geotermisk elektrisitet 2-3 ganger billigere enn elektrisitet produsert ved lokale termiske kraftverk.

Indikatorene for økonomisk effektivitet av det geotermiske systemet avhenger for eksempel av om det er nødvendig å disponere avløpsvannet og på hvilke måter dette gjøres, om kombinert bruk av ressursen er mulig. Dermed kan kjemiske elementer og forbindelser utvunnet fra termisk vann gi ekstra inntekt. Husk eksemplet med Larderello: det var kjemisk produksjon som var primært der, og bruken av geotermisk energi var i utgangspunktet av hjelpekarakter.

Geothermal Energy Forwards

Geotermisk energi utvikler seg noe annerledes enn vind og sol. For tiden avhenger det i stor grad av selve ressursen, som varierer sterkt fra region til region, og de høyeste konsentrasjonene er knyttet til trange soner med geotermiske anomalier, vanligvis assosiert med områder med tektoniske forkastninger og vulkanisme.

I tillegg er geotermisk energi mindre teknologisk kapasitet sammenlignet med vind og enda mer med solenergi: systemene til geotermiske stasjoner er ganske enkle.

I den samlede strukturen til verdens elektrisitetsproduksjon utgjør den geotermiske komponenten mindre enn 1 %, men i noen regioner og land når andelen 25–30 %. På grunn av koblingen til geologiske forhold er en betydelig del av den geotermiske energikapasiteten konsentrert i tredjeverdensland, hvor det er tre klynger av industriens største utvikling - øyene i Sørøst-Asia, Mellom-Amerika og Øst-Afrika. De to første regionene er en del av Stillehavets "Fire Belt of the Earth", den tredje er knyttet til den østafrikanske riften. Med størst sannsynlighet vil geotermisk energi fortsette å utvikle seg i disse beltene. Et mer fjernt perspektiv er utviklingen av petrotermisk energi, ved å bruke varmen fra jordlagene som ligger på flere kilometers dyp. Dette er en nesten allestedsnærværende ressurs, men utvinningen krever høye kostnader, så petrotermisk energi utvikler seg først og fremst i de mest økonomisk og teknologisk mektige landene.

Generelt sett er det grunn til å tro at geotermisk energi har gode utviklingsutsikter, gitt geotermiske ressurser og et akseptabelt miljøsikkerhetsnivå. Spesielt med den økende trusselen om mangel på tradisjonelle energibærere og stigende priser på dem.

Fra Kamchatka til Kaukasus

I Russland har utviklingen av geotermisk energi en ganske lang historie, og i en rekke posisjoner er vi blant verdens ledende, selv om andelen geotermisk energi i den samlede energibalansen til et stort land fortsatt er ubetydelig.

Pionerene og sentrene for utvikling av geotermisk energi i Russland var to regioner - Kamchatka og Nord-Kaukasus, og hvis vi i det første tilfellet først og fremst snakker om elektrisk kraftindustri, så i det andre - om bruken av termisk energi av termisk vann.

I Nord-Kaukasus - i Krasnodar-territoriet, Tsjetsjenia, Dagestan - ble varmen fra termisk vann brukt til energiformål selv før den store patriotiske krigen. På 1980–1990-tallet stoppet utviklingen av geotermisk energi i regionen av åpenbare årsaker og har ennå ikke kommet seg etter stagnasjonstilstanden. Ikke desto mindre gir geotermisk vannforsyning i Nord-Kaukasus varme til rundt 500 tusen mennesker, og for eksempel er byen Labinsk i Krasnodar-territoriet med en befolkning på 60 tusen mennesker fullstendig oppvarmet av geotermisk vann.

I Kamchatka er historien til geotermisk energi først og fremst knyttet til byggingen av GeoPP. Den første av dem, som fortsatt driver Pauzhetskaya og Paratunskaya stasjoner, ble bygget tilbake i 1965–1967, mens Paratunskaya GeoPP med en kapasitet på 600 kW ble den første stasjonen i verden med en binær syklus. Det var utviklingen av sovjetiske forskere S. S. Kutateladze og A. M. Rosenfeld fra Institute of Thermal Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, som i 1965 mottok et opphavsrettsertifikat for utvinning av elektrisitet fra vann med en temperatur på 70 ° C. Denne teknologien ble senere prototypen for mer enn 400 binære GeoPP-er i verden.

Kapasiteten til Pauzhetskaya GeoPP, satt i drift i 1966, var opprinnelig 5 MW og økte deretter til 12 MW. For tiden er stasjonen under bygging av en binær blokk, som vil øke kapasiteten med ytterligere 2,5 MW.

Utviklingen av geotermisk energi i Sovjetunionen og Russland ble hindret av tilgjengeligheten av tradisjonelle energikilder - olje, gass, kull, men stoppet aldri. De største geotermiske kraftanleggene for øyeblikket er Verkhne-Mutnovskaya GeoPP med en total kapasitet på 12 MW kraftenheter, satt i drift i 1999, og Mutnovskaya GeoPP med en kapasitet på 50 MW (2002).

Mutnovskaya og Verkhne-Mutnovskaya GeoPP er unike objekter ikke bare for Russland, men også på global skala. Stasjonene ligger ved foten av Mutnovsky-vulkanen, i en høyde av 800 meter over havet, og opererer under ekstreme klimatiske forhold, hvor det er vinter i 9-10 måneder i året. Utstyret til Mutnovsky GeoPPs, for tiden en av de mest moderne i verden, ble fullstendig skapt av innenlandske foretak innen kraftteknikk.

For øyeblikket er andelen av Mutnovsky-stasjoner i den generelle strukturen for energiforbruket til Central Kamchatka energiknutepunkt 40%. Det er planlagt en kapasitetsøkning i årene som kommer.

Separat bør det sies om russisk petrotermisk utvikling. Vi har ennå ikke store PDS, men det finnes avanserte teknologier for boring til store dyp (ca. 10 km), som heller ikke har noen analoger i verden. Deres videre utvikling vil gjøre det mulig å drastisk redusere kostnadene ved å lage petrotermiske systemer. Utviklerne av disse teknologiene og prosjektene er N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geologisk institutt ved det russiske vitenskapsakademiet), A. S. Nekrasov (Institute of Economic Forecasting of the Russian Academy of Sciences) og spesialister fra Kaluga Turbine Plant. For øyeblikket er det petrotermiske sirkulasjonssystemet i Russland på pilotstadiet.

Det er utsikter for geotermisk energi i Russland, selv om de er relativt fjerne: for øyeblikket er potensialet ganske stort og posisjonen til tradisjonell energi er sterk. Samtidig, i en rekke avsidesliggende regioner av landet, er bruken av geotermisk energi økonomisk lønnsom og er etterspurt selv nå. Dette er territorier med høyt geoenergipotensial (Tsjukotka, Kamchatka, Kurilene - den russiske delen av Stillehavet "Jordens brannbelte", fjellene i Sør-Sibir og Kaukasus) og samtidig fjerntliggende og avskåret fra sentralisert energi forsyning.

Det er sannsynlig at i løpet av de kommende tiårene vil geotermisk energi i vårt land utvikle seg nettopp i slike regioner.

Kirill Degtyarev,
Forsker ved Moscow State University M.V. Lomonosov
"Vitenskap og liv" nr. 9, nr. 10 2013

Med utviklingen og dannelsen av samfunnet begynte menneskeheten å lete etter mer og mer moderne og samtidig økonomiske måter å skaffe energi på. Til dette bygges det i dag ulike stasjoner, men samtidig blir energien som finnes i jordens tarm mye brukt. Hvordan er hun? La oss prøve å finne ut av det.

geotermisk energi

Allerede fra navnet er det tydelig at det representerer varmen i jordens indre. Under jordskorpen er et lag med magma, som er en brennende flytende silikatsmelte. I følge forskningsdata er energipotensialet til denne varmen mye høyere enn energien til verdens naturgassreserver, så vel som olje. Magma kommer til overflaten - lava. Dessuten er den største aktiviteten observert i de lagene av jorden der grensene til tektoniske plater er lokalisert, så vel som hvor jordskorpen er preget av tynnhet. Jordens geotermiske energi oppnås som følger: lava- og vannressursene til planeten er i kontakt, som et resultat av at vannet begynner å varmes opp kraftig. Dette fører til utbrudd av geysiren, dannelsen av de såkalte varme innsjøene og understrømmene. Det vil si nettopp de naturfenomenene, hvis egenskaper brukes aktivt som energier.

Kunstige geotermiske kilder

Energien som finnes i jordens tarmer må brukes med omhu. For eksempel er det en idé å lage underjordiske kjeler. For å gjøre dette må du bore to brønner med tilstrekkelig dybde, som kobles sammen i bunnen. Det vil si at det viser seg at i nesten alle hjørner av landet er det mulig å få geotermisk energi på en industriell måte: kaldt vann vil pumpes inn i reservoaret gjennom en brønn, og varmt vann eller damp vil bli ekstrahert gjennom den andre. Kunstige varmekilder vil være fordelaktige og rasjonelle hvis den resulterende varmen vil gi mer energi. Dampen kan sendes til turbingeneratorer som skal generere elektrisitet.

Den utvunne varmen er selvsagt bare en brøkdel av det som er tilgjengelig i de totale reservene. Men det bør huskes at den dype varmen stadig vil bli etterfylt på grunn av prosessene med kompresjon av steiner, lagdeling av tarmene. Ifølge eksperter akkumulerer jordskorpen varme, den totale mengden av denne er 5000 ganger større enn brennverdien til alle fossile indre av jorden som helhet. Det viser seg at driftstiden til slike kunstig opprettede geotermiske stasjoner kan være ubegrenset.

Kildefunksjoner

Kildene som gjør det mulig å skaffe geotermisk energi er nesten umulig å utnytte fullt ut. De finnes i mer enn 60 land i verden, med det største antallet terrestriske vulkaner på territoriet til Stillehavets vulkanske ildring. Men i praksis viser det seg at geotermiske kilder i forskjellige regioner i verden er helt forskjellige i egenskapene deres, nemlig gjennomsnittstemperatur, saltholdighet, gasssammensetning, surhet og så videre.

Geysirer er energikilder på jorden, og det særegne er at de spyr ut kokende vann med visse intervaller. Etter utbruddet blir bassenget fritt for vann, i bunnen kan du se en kanal som går dypt ned i bakken. Geysirer brukes som energikilder i regioner som Kamchatka, Island, New Zealand og Nord-Amerika, og enkeltgeysirer finnes i flere andre områder.

Hvor kommer energien fra?

Ukjølt magma befinner seg svært nær jordoverflaten. Fra den frigjøres gasser og damper, som stiger opp og passerer gjennom sprekkene. Blanding med grunnvann får de dem til å varme opp, de blir selv til varmt vann, hvor mange stoffer er oppløst. Slikt vann frigjøres til jordoverflaten i form av forskjellige geotermiske kilder: varme kilder, mineralkilder, geysirer og så videre. Ifølge forskere er jordens varme tarmer huler eller kammer forbundet med passasjer, sprekker og kanaler. De er bare fylt med grunnvann, og veldig nær dem er magmakamre. På denne naturlige måten dannes jordens termiske energi.

Jordens elektriske felt

Det finnes en annen alternativ energikilde i naturen, som er fornybar, miljøvennlig og enkel å bruke. Riktignok har denne kilden så langt bare blitt studert og ikke brukt i praksis. Så den potensielle energien til jorden ligger i dets elektriske felt. Det er mulig å oppnå energi på denne måten basert på studiet av de grunnleggende lovene for elektrostatikk og egenskapene til jordens elektriske felt. Faktisk er planeten vår fra et elektrisk synspunkt en sfærisk kondensator ladet opp til 300 000 volt. Dens indre sfære har en negativ ladning, og den ytre - ionosfæren - er positiv. er en isolator. Gjennom den er det en konstant strøm av ioniske og konvektive strømmer, som når styrker på mange tusen ampere. Imidlertid reduseres ikke potensialforskjellen mellom platene i dette tilfellet.

Dette antyder at det i naturen er en generator, hvis rolle er å hele tiden fylle på lekkasjen av ladninger fra kondensatorplatene. Rollen til en slik generator spilles av jordens magnetfelt, som roterer sammen med planeten vår i strømmen av solvinden. Energien til jordens magnetfelt kan oppnås bare ved å koble en energiforbruker til denne generatoren. For å gjøre dette må du installere en pålitelig bakke.

Fornybare ressurser

Ettersom befolkningen på planeten vår vokser jevnt og trutt, trenger vi mer og mer energi for å forsørge befolkningen. Energien som finnes i jordens tarmer kan være svært forskjellig. For eksempel er det fornybare kilder: vind-, sol- og vannenergi. De er miljøvennlige, og derfor kan du bruke dem uten frykt for å skade miljøet.

vannenergi

Denne metoden har blitt brukt i mange århundrer. I dag er det bygget et stort antall demninger og reservoarer, der vann brukes til å generere elektrisk energi. Essensen av denne mekanismen er enkel: under påvirkning av strømmen av elven roterer turbinenes hjul, henholdsvis vannets energi omdannes til elektrisk energi.

I dag finnes det et stort antall vannkraftverk som omdanner energien fra vannstrømmen til elektrisitet. Det særegne ved denne metoden er at den er fornybar, henholdsvis, slike design har en lav kostnad. Det er derfor, til tross for at byggingen av vannkraftverk tar ganske lang tid, og selve prosessen er svært kostbar, likevel overgår disse anleggene betydelig elektrisk-intensiv industri.

Solenergi: moderne og lovende

Solenergi oppnås ved hjelp av solcellepaneler, men moderne teknologier tillater bruk av nye metoder for dette. Det største systemet i verden er bygget i California-ørkenen. Det gir fullt ut energi til 2000 hjem. Designet fungerer som følger: Solens stråler reflekteres fra speilene, som sendes til sentralkjelen med vann. Det koker og blir til damp, som snur turbinen. Den er på sin side koblet til en elektrisk generator. Vinden kan også brukes som energien som Jorden gir oss. Vinden blåser seilene, snur vindmøllene. Og nå med dens hjelp kan du lage enheter som vil generere elektrisk energi. Ved å rotere bladene til vindmøllen, driver den turbinakselen, som igjen er koblet til en elektrisk generator.

Jordens indre energi

Det dukket opp som et resultat av flere prosesser, hvorav de viktigste er akkresjon og radioaktivitet. Ifølge forskere skjedde dannelsen av jorden og dens masse over flere millioner år, og dette skjedde på grunn av dannelsen av planetesimaler. De hang sammen, henholdsvis, jordens masse ble mer og mer. Etter at planeten vår begynte å ha en moderne masse, men fortsatt var blottet for en atmosfære, falt meteoriske og asteroidelegemer på den uten hindring. Denne prosessen kalles bare akkresjon, og den førte til at betydelig gravitasjonsenergi ble frigjort. Og jo større kropper som treffer planeten, desto større energi ble det frigjort i jordens tarmer.

Denne gravitasjonsdifferensieringen førte til at stoffer begynte å skille seg: tunge stoffer sank rett og slett, mens lette og flyktige stoffer fløt opp. Differensiering påvirket også den ekstra frigjøringen av gravitasjonsenergi.

Atomenergi

Bruk av jordenergi kan skje på forskjellige måter. For eksempel ved hjelp av bygging av kjernekraftverk, når termisk energi frigjøres på grunn av forfallet av de minste partiklene av atommateriale. Hoveddrivstoffet er uran, som finnes i jordskorpen. Mange tror at denne metoden for å skaffe energi er den mest lovende, men bruken er forbundet med en rekke problemer. For det første sender uran ut stråling som dreper alle levende organismer. I tillegg, hvis dette stoffet kommer inn i jorda eller atmosfæren, vil en ekte menneskeskapt katastrofe oppstå. Vi opplever de triste konsekvensene av ulykken ved atomkraftverket i Tsjernobyl den dag i dag. Faren ligger i det faktum at radioaktivt avfall kan true alt levende i veldig, veldig lang tid, i årtusener.

Ny tid – nye ideer

Folk stopper selvsagt ikke der, og hvert år blir det gjort flere og flere forsøk på å finne nye måter å få energi på. Hvis energien til jordvarmen oppnås ganske enkelt, er noen metoder ikke så enkle. For eksempel, som energikilde, er det fullt mulig å bruke biologisk gass, som oppnås under forfallet av avfall. Den kan brukes til oppvarming av hus og oppvarming av vann.

I økende grad bygges de når demninger og turbiner installeres på tvers av munningen av reservoarer, som er drevet av henholdsvis ebb og flom, elektrisitet oppnås.

Brenner søppel, vi får energi

En annen metode som allerede brukes i Japan, er å lage forbrenningsovner. I dag er de bygget i England, Italia, Danmark, Tyskland, Frankrike, Nederland og USA, men bare i Japan begynte disse foretakene å bli brukt ikke bare til det tiltenkte formålet, men også til å generere elektrisitet. Ved lokale fabrikker brennes 2/3 av alt søppel, mens fabrikkene er utstyrt med dampturbiner. Følgelig leverer de varme og strøm til nærliggende områder. Samtidig, når det gjelder kostnader, er det mye mer lønnsomt å bygge et slikt foretak enn å bygge et termisk kraftverk.

Mer fristende er utsiktene til å bruke jordens varme der vulkaner er konsentrert. I dette tilfellet vil det ikke være nødvendig å bore jorden for dypt, siden allerede på en dybde på 300-500 meter vil temperaturen være minst dobbelt så høy som kokepunktet til vann.

Det er også en slik måte å generere elektrisitet på, da Hydrogen - det enkleste og letteste kjemiske elementet - kan betraktes som et ideelt drivstoff, fordi det er der det er vann. Hvis du brenner hydrogen, kan du få vann, som spaltes til oksygen og hydrogen. Selve hydrogenflammen er ufarlig, det vil si at det ikke vil være noen skade på miljøet. Det særegne ved dette elementet er at det har en høy brennverdi.

Hva skjer i fremtiden?

Selvfølgelig kan ikke energien til jordens magnetfelt eller den som oppnås ved atomkraftverk fullt ut tilfredsstille alle menneskehetens behov, som vokser hvert år. Eksperter sier imidlertid at det ikke er noen grunn til bekymring, siden planetens drivstoffressurser fortsatt er nok. Dessuten blir flere og flere nye kilder tatt i bruk, miljøvennlige og fornybare.

Problemet med miljøforurensning gjenstår, og det vokser katastrofalt raskt. Mengden av skadelige utslipp går av skala, henholdsvis luften vi puster inn er skadelig, vannet har farlige urenheter, og jorda blir gradvis utarmet. Derfor er det så viktig å begynne å studere et slikt fenomen som energi i jordens tarmer i tide for å se etter måter å redusere behovet for fossilt brensel og gjøre mer aktiv bruk av utradisjonelle energikilder.

Denne energien tilhører alternative kilder. I dag nevner de oftere og oftere mulighetene for å skaffe ressurser som planeten gir oss. Vi kan si at vi lever i en tid med mote for fornybar energi. Det lages mange tekniske løsninger, planer, teorier på dette området.

Den er dypt inne i jordens tarm og har egenskapene til fornyelse, med andre ord er den uendelig. Klassiske ressurser, ifølge forskere, begynner å ta slutt, olje, kull, gass vil gå tom.

Nesjavellir geotermiske kraftverk, Island

Derfor kan man gradvis forberede seg på å ta i bruk nye alternative metoder for energiproduksjon. Under jordskorpen er en kraftig kjerne. Temperaturen varierer fra 3000 til 6000 grader. Bevegelsen av litosfæriske plater demonstrerer dens enorme kraft. Det manifesterer seg i form av vulkansk skvalping av magma. I dypet oppstår radioaktivt forfall, noen ganger forårsaker slike naturkatastrofer.

Vanligvis varmer magma overflaten uten å gå utover den. Slik oppnås geysirer eller varme bassenger. På denne måten kan fysiske prosesser brukes til de rette formålene for menneskeheten.

Typer geotermiske energikilder

Det er vanligvis delt inn i to typer: hydrotermisk og petrotermisk energi. Den første er dannet på grunn av varme kilder, og den andre typen er temperaturforskjellen på overflaten og i dypet av jorden. For å si det med dine egne ord, består en hydrotermisk kilde av damp og varmt vann, mens en petrotermisk kilde er gjemt dypt under jorden.

Kart over utviklingspotensialet for geotermisk energi i verden

For petrotermisk energi er det nødvendig å bore to brønner, fyll den ene med vann, hvoretter en svevende prosess vil oppstå, som kommer til overflaten. Det er tre klasser av geotermiske områder:

Geotermisk - ligger nær kontinentalplatene. Temperaturgradient over 80C/km. Som et eksempel, den italienske kommunen Larderello. Det er et kraftverk
Semi-termisk - temperatur 40 - 80 C / km. Dette er naturlige akviferer, bestående av knuste bergarter. Noen steder i Frankrike varmes bygninger opp på denne måten.
Normal - stigning mindre enn 40 C/km. Representasjon av slike områder er mest vanlig

De er en utmerket kilde til forbruk. De er i fjellet, på en viss dybde. La oss se nærmere på klassifiseringen:

Epitermisk - temperatur fra 50 til 90 s
Mesotermisk - 100 - 120 s
Hypotermisk - mer enn 200 s

Disse artene er sammensatt av ulik kjemisk sammensetning. Avhengig av det kan vann brukes til forskjellige formål. For eksempel i produksjon av elektrisitet, varmeforsyning (termiske ruter), råvarebase.

Video: Geotermisk energi

Varmeforsyningsprosess

Vanntemperaturen er 50 -60 grader, noe som er optimalt for oppvarming og varmforsyning av et boligområde. Behovet for varmesystemer avhenger av geografisk plassering og klimatiske forhold. Og folk trenger hele tiden behovene til varmtvannsforsyning. For denne prosessen bygges GTS (geotermiske termiske stasjoner).

Hvis det for klassisk produksjon av termisk energi brukes et kjelehus som forbruker fast brensel eller gass, brukes en geysirkilde i denne produksjonen. Den tekniske prosessen er veldig enkel, samme kommunikasjon, termiske ruter og utstyr. Det er nok å bore en brønn, rense den fra gasser, og deretter sende den til kjelerommet med pumper, hvor temperaturplanen vil bli opprettholdt, og deretter vil den gå inn i varmeledningen.

Hovedforskjellen er at det ikke er nødvendig å bruke en brennstoffkjele. Dette reduserer kostnadene for termisk energi betydelig. Om vinteren får abonnentene varme- og varmtvannsforsyning, og om sommeren kun varmtvannsforsyning.

Kraftproduksjon

Varme kilder, geysirer er hovedkomponentene i produksjonen av elektrisitet. For dette brukes flere ordninger, det bygges spesielle kraftverk. GTS-enhet:

VV-tank
Pumpe
Gassutskiller
Dampseparator
genererer turbin
Kondensator
booster pumpe
Tank - kjøler

Som du kan se, er hovedelementet i kretsen en dampomformer. Dette gjør det mulig å få renset damp, siden den inneholder syrer som ødelegger turbinutstyr. Det er mulig å bruke en blandet ordning i den teknologiske syklusen, det vil si at vann og damp er involvert i prosessen. Væsken går gjennom hele trinnet med rensing fra gasser, så vel som damp.

Krets med binær kilde

Arbeidskomponenten er en væske med lavt kokepunkt. Termisk vann er også involvert i produksjon av elektrisitet og fungerer som et sekundært råstoff.

Med dens hjelp dannes lavtkokende kildedamp. GTS med en slik arbeidssyklus kan være helautomatisert og krever ikke tilstedeværelse av vedlikeholdspersonell. Kraftigere stasjoner bruker en to-krets ordning. Denne typen kraftverk gjør det mulig å nå en kapasitet på 10 MW. Dobbel krets struktur:

damp-generator
Turbin
Kondensator
Utkaster
Matepumpe
Economizer
Fordamper

Praktisk bruk

Enorme reserver av kilder er mange ganger større enn det årlige energiforbruket. Men bare en liten brøkdel brukes av menneskeheten. Byggingen av stasjonene dateres tilbake til 1916. I Italia ble den første GeoTPP med en kapasitet på 7,5 MW laget. Industrien utvikler seg aktivt i land som: USA, Island, Japan, Filippinene, Italia.

Aktiv utforskning av potensielle steder og mer praktiske metoder for utvinning er i gang. Produksjonskapasiteten øker fra år til år. Hvis vi tar hensyn til den økonomiske indikatoren, er kostnaden for en slik industri lik kullfyrte termiske kraftverk. Island dekker nesten fullstendig felles- og boligmassen med en GT-kilde. 80 % av boligene bruker varmtvann fra brønner til oppvarming. Eksperter fra USA hevder at med riktig utvikling kan GeoTPP-er produsere 30 ganger mer enn årlig forbruk. Hvis vi snakker om potensialet, vil 39 land i verden fullt ut kunne forsyne seg med elektrisitet hvis de bruker jordens tarmer til 100 prosent.

De viktigste kildene til termisk energi på jorden er [ , ]:

varme gravitasjonsdifferensiering;

radiogen varme;

varme av tidevannsfriksjon;

akkresjon varme;

friksjonsvarme som frigjøres på grunn av differensiell rotasjon av den indre kjernen i forhold til den ytre kjernen, den ytre kjernen i forhold til mantelen og individuelle lag inne i den ytre kjernen.

Til dags dato er kun de fire første kildene kvantifisert. I vårt land tilhører hovedfortjenesten i dette O.G. Sorokhtin og S.A. Ushakov. Følgende data er hovedsakelig basert på beregningene til disse forskerne.

Varme fra jordens gravitasjonsdifferensiering

En av de viktigste regelmessighetene i utviklingen av jorden er differensiering dens substans, som fortsetter på det nåværende tidspunkt. Denne differensieringen resulterte i dannelsen kjerne og skorpe, endring i sammensetningen av primæren kapper mens separasjonen av et opprinnelig homogent stoff i fraksjoner med forskjellige tettheter er ledsaget av frigjøring Termisk energi, og den maksimale varmeavgivelsen skjer når det terrestriske stoffet deles inn i tett og tung kjerne og gjenværende lighter silikatskall jordkappe. For tiden genereres det meste av denne varmen ved grensen mantel - kjerne.

Jordensgier for hele tiden av dens eksistens skilte seg ut - 1,46 * 10 38 erg (1,46 * 10 31 J). Gitt energi for det meste går først inn kinetisk energi konvektive strømmer av mantelstoffet, og deretter inn varm; en annen del av det brukes på tillegg kompresjon av jordens indre, som oppstår på grunn av konsentrasjonen av tette faser i den sentrale delen av jorden. Fra 1,46*10 38 erg energien til jordens gravitasjonsdifferensiering gikk til dens ekstra kompresjon 0,23*10 38 erg (0,23*10 31 J), og i form av frigjort varme 1,23*10 38 erg (1,23*10 31 J). Størrelsen på denne termiske komponenten overstiger betydelig den totale frigjøringen i jorden av alle andre typer energi. Tidsfordelingen av den totale verdien og frigjøringshastigheten til den termiske komponenten av gravitasjonsenergi er vist i fig. 3.6 .

Ris. 3.6.

Det nåværende nivået av varmegenerering under gravitasjonsdifferensieringen av jorden - 3*10 20 erg/s (3*10 13W), som avhenger av verdien av den moderne varmestrømmen som passerer gjennom overflaten av planeten i ( 4,2-4,3) * 10 20 erg / s ((4,2-4,3)*10 13W), er ~ 70% .

radiogen varme

Forårsaket av radioaktivt forfall av ustabil isotoper. Den mest energikrevende og langlivede ( med halveringstid står i forhold til jordens alder). isotoper 238 U, 235 U, 232Th og 40K. De fleste av dem er konsentrert i kontinental skorpe. Moderne generasjonsnivå radiogen varme:

av amerikansk geofysiker V. Vakye - 1,14*10 20 erg/s (1,14*10 13W) ,
ifølge russiske geofysikere O.G. Sorokhtin og S.A. Ushakov - 1,26*10 20 erg/s(1,26*10 13W) .

Fra verdien av den moderne varmestrømmen er dette ~ 27-30%.

Av den totale varmen av radioaktivt forfall i 1,26*10 20 erg/s (1,26*10 13W) i jordskorpen skiller seg ut - 0,91*10 20 erg/s, og i mantelen - 0,35*10 20 erg/s. Det følger av dette at andelen radiogen mantelvarme ikke overstiger 10% av det totale moderne varmetapet på jorden, og det kan ikke være hovedkilden til energi for aktive tektono-magmatiske prosesser, hvis dybde kan nå 2900 km ; og den radiogene varmen som frigjøres i jordskorpen går relativt raskt tapt gjennom jordoverflaten og deltar praktisk talt ikke i oppvarmingen av det dype indre av planeten.

I tidligere geologiske epoker må mengden radiogen varme frigjort i mantelen ha vært høyere. Dens estimater på tidspunktet for dannelsen av jorden ( 4,6 milliarder år siden) gi - 6,95*10 20 erg/s. Siden den tid har det vært en jevn nedgang i hastigheten for frigjøring av radiogen energi (fig. 3.7 ).

For all tid på jorden skilte seg ut ~4,27*10 37 erg(4,27*10 30 J) den termiske energien til radioaktivt forfall, som er nesten tre ganger lavere enn den totale verdien aven.

Varme av tidevannsfriksjon

Den skiller seg ut under jordens gravitasjonsinteraksjon, først og fremst med månen, som den nærmeste store kosmiske kroppen. På grunn av gjensidig gravitasjonsattraksjon oppstår tidevannsdeformasjoner i kroppene deres - opphovning eller pukler. Tidevannshumpene på planetene påvirker deres bevegelse ved sin ekstra tiltrekning. Dermed skaper tiltrekningen av begge tidevannspukler på jorden et par krefter som virker både på jorden selv og på månen. Påvirkningen av den nære, månevendte hevelsen er imidlertid noe sterkere enn den fjernere. På grunn av det faktum at rotasjonsvinkelhastigheten til den moderne jorden ( 7,27*10 -5 s -1) overstiger månens banehastighet ( 2,66*10 -6 s -1), og planetenes substans ikke er ideelt elastisk, så blir jordens tidevannspukler, som det var, ført bort av dens foroverrotasjon og er merkbart foran Månens bevegelse. Dette fører til det faktum at det maksimale tidevannet på jorden alltid oppstår på overflaten noe senere enn øyeblikket klimaks Månen, og et ekstra øyeblikk av krefter virker på jorden og månen (fig. 3.8 ) .

De absolutte verdiene av kreftene for tidevannsinteraksjon i jord-månesystemet er nå relativt små, og tidevannsdeformasjonene av litosfæren forårsaket av dem kan bare nå noen få titalls centimeter, men de fører til en gradvis nedbremsing av jordens rotasjon og omvendt til akselerasjonen av månens banebevegelse og dens fjerning fra jorden. Den kinetiske energien til bevegelsen til jordens tidevannshumler omdannes til termisk energi på grunn av den indre friksjonen av materie i tidevannshumper.

For tiden er hastigheten for frigjøring av tidevannsenergi ved G. McDonald er ~0,25*10 20 erg/s (0,25*10 13W), mens hoveddelen (omtrent 2/3) antagelig er forsvinner(spredt) i hydrosfæren. Følgelig overskrider ikke brøkdelen av tidevannsenergien forårsaket av samspillet mellom jorden og månen og spredt i den faste jorden (primært i astenosfæren) 2 % total termisk energi generert i dypet; og brøkdelen av solenergi overstiger ikke 20 % fra påvirkning av månens tidevann. Derfor spiller fast tidevann nå praktisk talt ingen rolle i å mate tektoniske prosesser med energi, men i noen tilfeller kan de fungere som "triggere", for eksempel jordskjelv.

Størrelsen på tidevannsenergi er direkte relatert til avstanden mellom romobjekter. Og hvis avstanden mellom jorden og solen ikke antar noen betydelige endringer i den geologiske tidsskalaen, er denne parameteren en variabel i jord-månesystemet. Uavhengig av ideer om, innrømmer nesten alle forskere at i de tidlige stadiene av utviklingen av jorden var avstanden til månen betydelig mindre enn den moderne, mens i prosessen med planetarisk utvikling, ifølge de fleste forskere, øker den gradvis. , og iht Yu.N. Avsyuku denne avstanden opplever langsiktige endringer i form av sykluser "ankomst - avgang" av månen. Dette antyder at i tidligere geologiske epoker var tidevannsvarmens rolle i jordens totale varmebalanse mer betydelig. Generelt har den skilt seg ut under hele utviklingen av jorden ~3,3*10 37 erg (3,3*10 30 J) tidevannsvarmeenergi (dette er underlagt den suksessive fjerningen av månen fra jorden). Endringen i tid for frigjøringshastigheten for denne varmen er vist i fig. 3.10 .

Mer enn halvparten av den totale tidevannsenergien ble sluppet ut katarchee (hellea)) - For 4,6-4,0 milliarder år siden, og på den tiden, bare på grunn av denne energien, kunne jorden i tillegg varmes opp med ~ 500 0 С. energikrevende endogene prosesser .

akkresjonsvarme

Dette er varmen som er lagret av jorden siden den ble dannet. I prosessen tilvekster, som varte i flere titalls millioner år, på grunn av kollisjonen planetesimals Jorden har opplevd betydelig oppvarming. Samtidig er det ingen konsensus om størrelsen på denne oppvarmingen. Foreløpig er forskere tilbøyelige til å tro at i prosessen med akkresjon opplevde jorden, om ikke fullstendig, så betydelig delvis smelting, noe som førte til den første differensieringen av Proto-jorden til en tung jernkjerne og en lett silikatmantel, og til formasjonen "magma hav" på overflaten eller på grunne dybder. Selv før 1990-tallet ble modellen av en relativt kald primærjord ansett som praktisk talt universelt anerkjent, som gradvis ble varmet opp på grunn av de ovennevnte prosessene, ledsaget av frigjøring av en betydelig mengde termisk energi.

Et nøyaktig estimat av den primære akkresjonære varmen og dens andel som har overlevd til i dag er forbundet med betydelige vanskeligheter. Av O.G. Sorokhtin og S.A. Ushakov, som er tilhengere av en relativt kald primærjord, er verdien av akkresjonsenergien omdannet til varme - 20.13*10 38 erg (20,13*10 31 J). Denne energien i fravær av varmetap ville være nok for fullstendig fordampning terrestrisk materie, fordi temperaturen kan stige til 30 000 0 С. Men akkresjonsprosessen var relativt lang, og energien fra planetesimale påvirkninger ble frigjort bare i de nærliggende lagene på den voksende jorden og gikk raskt tapt med termisk stråling, så den første oppvarmingen av planeten var ikke stor. Størrelsen på denne termiske strålingen, som går parallelt med dannelsen (akkresjonen) av jorden, er estimert av de angitte forfatterne som 19,4*10 38 erg (19,4*10 31 J) .

I jordens moderne energibalanse spiller akkresjonsvarme mest sannsynlig en ubetydelig rolle.