Calor nuclear de la tierra. Energía geotérmica y métodos de producción.
Doctor en Ciencias Técnicas SOBRE. Vergüenza, profesor,
Académico de la Academia Rusa de Ciencias Tecnológicas, Moscú
En las últimas décadas, el mundo ha estado considerando la dirección de un uso más eficiente de la energía del calor profundo de la Tierra para reemplazar parcialmente el gas natural, el petróleo y el carbón. Esto será posible no solo en áreas con altos parámetros geotérmicos, sino también en cualquier área. el mundo al perforar pozos de inyección y producción y crear sistemas de circulación entre ellos.
El interés por las fuentes de energía alternativas que se ha incrementado en las últimas décadas en el mundo se debe al agotamiento de las reservas de hidrocarburos y a la necesidad de resolver una serie de cuestiones ambientales... Factores objetivos (reservas de combustibles fósiles y uranio, así como cambios en el medio ambiente provocados por el fuego tradicional y la energía nuclear) permiten afirmar que la transición a nuevos métodos y formas de producción de energía es inevitable.
La economía mundial ha tomado ahora un rumbo hacia una transición hacia una combinación racional de fuentes de energía tradicionales y nuevas. El calor de la Tierra ocupa uno de los primeros lugares entre ellos.
Los recursos de energía geotérmica se dividen en hidrogeológicos y petrogeotérmicos. El primero de ellos está representado por portadores de calor (representan solo el 1% de los recursos totales de energía geotérmica): agua subterránea, vapor y mezclas de vapor y agua. Estos últimos son energía geotérmica contenida en rocas calientes.
La tecnología de fuente (autodescarga) utilizada en nuestro país y en el exterior para la extracción de vapor natural y aguas geotermales es sencilla, pero ineficaz. Con una tasa de flujo baja de pozos autofluyentes, su producción de calor puede recuperar los costos de perforación solo a poca profundidad de los reservorios geotérmicos con altas temperaturas en áreas de anomalías térmicas. La vida útil de dichos pozos en muchos países ni siquiera llega a los 10 años.
Al mismo tiempo, la experiencia confirma que en presencia de reservorios poco profundos de vapor natural, la construcción de una planta de energía geotérmica es la opción más rentable para el uso de energía geotérmica. La operación de tales plantas de energía geotérmica ha demostrado su competitividad en comparación con otros tipos de plantas de energía. Por lo tanto, el uso de reservas de aguas geotérmicas e hidrotermas de vapor en nuestro país en la península de Kamchatka y en las islas de la cordillera de Kuril, en las regiones del Cáucaso Norte, así como posiblemente en otras regiones, es oportuno y oportuno. Pero los depósitos de vapor son raros, sus reservas conocidas y probables son pequeñas. Los depósitos mucho más extendidos de agua caliente y eléctrica no siempre se encuentran lo suficientemente cerca del consumidor, el objeto de suministro de calor. Esto excluye la posibilidad de un uso eficiente a gran escala de ellos.
Muy a menudo, los problemas del control de escala se convierten en un problema complejo. El uso de manantiales geotérmicos, generalmente mineralizados, como portadores de calor conduce a un crecimiento excesivo de las zonas de perforación con formaciones de óxido de hierro, carbonato de calcio y silicato. Además, los problemas de erosión-corrosión y depósitos de incrustaciones afectan negativamente el funcionamiento del equipo. El problema también es la descarga de aguas residuales mineralizadas que contienen impurezas tóxicas. Por lo tanto, la tecnología de fuentes más simple no puede servir como base para el amplio desarrollo de los recursos geotérmicos.
Según estimaciones preliminares sobre el territorio Federación Rusa Las reservas previstas de aguas termales con una temperatura de 40-250 ° C, salinidad 35-200 g / ly una profundidad de hasta 3000 m son 21-22 millones de m3 / día, lo que equivale a quemar 30-40 millones de toneladas. de combustible equivalente. en el año.
Las reservas previstas de la mezcla de vapor y aire con una temperatura de 150-250 ° C de la península de Kamchatka y las islas Kuriles es de 500 mil m3 / día. y reservas de aguas termales con temperatura de 40-100 ° C - 150 mil m3 / día.
Las reservas de agua termal con un caudal de alrededor de 8 millones de m3 / día, con una salinidad de hasta 10 g / ly una temperatura superior a 50 ° C se consideran de primordial importancia para el desarrollo.
La extracción de energía térmica, recursos petrogeotermales prácticamente inagotables, es de mucha mayor importancia para el sector energético del futuro. Esta energía geotérmica, encerrada en rocas sólidas calientes, representa el 99% de los recursos totales de energía térmica subterránea. A una profundidad de 4-6 km, los macizos con una temperatura de 300-400 ° C se pueden encontrar solo cerca de los focos intermedios de algunos volcanes, pero las rocas calientes con una temperatura de 100-150 ° C se distribuyen en estas profundidades en casi todas partes. , y con temperaturas de 180-200 ° C en una parte bastante significativa del territorio de Rusia.
Durante miles de millones de años, los procesos nucleares, gravitacionales y de otro tipo dentro de la Tierra han generado y están generando energía térmica... Parte de ella se irradia al espacio exterior y el calor se acumula en los intestinos, es decir, el contenido de calor de las fases sólida, líquida y gaseosa de la materia terrestre se denomina energía geotérmica.
La generación continua de calor interno compensa sus pérdidas externas, sirve como fuente de acumulación de energía geotérmica y determina la parte renovable de sus recursos. La remoción total de calor del subsuelo a superficie terrestre tres veces la capacidad actual de las centrales eléctricas del mundo y se estima en 30 TW.
Sin embargo, está claro que la renovabilidad solo importa para recursos naturales, y el potencial total de la energía geotérmica es prácticamente inagotable, ya que debe definirse como la cantidad total de calor que tiene la Tierra.
No es una coincidencia que en las últimas décadas, el mundo esté considerando la dirección de un uso más eficiente de la energía del calor profundo de la Tierra para reemplazar parcialmente el gas natural, el petróleo y el carbón. Esto será posible no solo en áreas con altos parámetros geotérmicos, sino también en cualquier región del mundo cuando se perforan pozos de inyección y producción y se crean sistemas de circulación entre ellos.
Por supuesto, con baja conductividad térmica de las rocas, para el funcionamiento eficiente de los sistemas de circulación, es necesario tener o crear una superficie de intercambio de calor suficientemente desarrollada en la zona de extracción de calor. Dicha superficie está poseída por formaciones porosas y zonas de tenacidad natural a la fractura, que a menudo se encuentran en las profundidades indicadas anteriormente, cuya permeabilidad permite organizar la filtración forzada del refrigerante con una extracción eficiente de la energía de la roca, así como crear artificialmente una extensa superficie de intercambio de calor en macizos porosos de baja permeabilidad mediante fracturación hidráulica (ver figura).
Actualmente, la fracturación hidráulica se utiliza en la industria del petróleo y el gas como una forma de aumentar la permeabilidad de los yacimientos para mejorar la recuperación de petróleo en el desarrollo de campos petroleros. Tecnología moderna le permite crear una grieta estrecha pero larga o una grieta corta pero ancha. Se conocen ejemplos de fracturación hidráulica con fracturas de hasta 2-3 km de largo.
La idea doméstica de extraer los principales recursos geotérmicos contenidos en rocas duras, fue expresada en 1914 por K.E. Tsiolkovsky, y en 1920 el sistema de circulación geotérmica (CCG) en un macizo de granito caliente fue descrito por V.A. Obruchev.
En 1963, se creó el primer GCC en París para extraer calor de formaciones porosas para calefacción y aire acondicionado en las instalaciones del complejo Brodkastin Chaos. En 1985, 64 CVM con una capacidad térmica total de 450 MW ya estaban operando en Francia, con un ahorro anual de alrededor de 150 mil toneladas de petróleo. En el mismo año, se creó el primer CCG de este tipo en la URSS en el valle de Khankala, cerca de Grozny.
En 1977, bajo el proyecto del Laboratorio Nacional de Los Alamos de los EE. UU., Se inició la prueba de una GVC experimental con fracturación hidráulica de una masa casi impermeable en el sitio de Fenton Hill en Nuevo México. El agua dulce fría inyectada a través del pozo (inyección) se calentó por intercambio de calor con el macizo rocoso (185 OC) en una fractura vertical con un área de 8000 m2, formada por fracturamiento hidráulico a una profundidad de 2.7 km. En otro pozo (producción), también atravesando esta fractura, salía a la superficie agua sobrecalentada en forma de chorro de vapor. Al circular en un circuito cerrado bajo presión, la temperatura del agua sobrecalentada en la superficie alcanzó los 160-180 ° C, y la potencia térmica del sistema - 4-5 MW. Las fugas de refrigerante al macizo circundante representaron aproximadamente el 1% del caudal total. La concentración de impurezas mecánicas y químicas (hasta 0,2 g / l) correspondió a las condiciones de fresco agua potable... La fractura hidráulica no requirió sujeción y se mantuvo abierta por la presión hidrostática del fluido. La convección libre que se desarrolló en él aseguró la participación efectiva en el intercambio de calor de casi toda la superficie del afloramiento del macizo rocoso caliente.
La extracción de energía térmica subterránea de rocas calientes impermeables, basada en los métodos de perforación direccional y fracturación hidráulica, desarrollados y practicados durante mucho tiempo en la industria del petróleo y el gas, no causó actividad sísmica ni ningún otro efecto dañino sobre el medio ambiente.
En 1983, los científicos británicos repitieron la experiencia estadounidense al crear una GVC de fracturación hidráulica experimental en Carnwell. Se llevó a cabo un trabajo similar en Alemania y Suecia. Se han implementado más de 224 proyectos de calefacción geotérmica en los Estados Unidos. Al mismo tiempo, se supone que los recursos geotérmicos pueden proporcionar la mayor parte de las futuras necesidades de energía térmica de EE. UU. Para necesidades no eléctricas. En Japón, la capacidad de la planta de energía geotérmica en 2000 alcanzó aproximadamente 50 GW.
Actualmente, la investigación y exploración de recursos geotérmicos se lleva a cabo en 65 países. En el mundo, se han creado estaciones con una capacidad total de aproximadamente 10 GW sobre la base de la energía geotérmica. La ONU está apoyando activamente el desarrollo de la energía geotérmica.
La experiencia de uso de portadores de calor geotérmicos acumulada en muchos países del mundo muestra que en condiciones favorables resultan de 2 a 5 veces más rentables que las centrales térmicas y nucleares. Los cálculos muestran que un pozo geotérmico puede reemplazar 158 mil toneladas de carbón por año.
Por lo tanto, el calor de la Tierra es, quizás, el único gran recurso energético renovable, cuyo desarrollo racional promete reducir el costo de la energía en comparación con los combustibles modernos. Con un potencial energético igualmente inagotable, las instalaciones solares y termonucleares, lamentablemente, serán más caras que las de combustible existentes.
A pesar de una historia muy larga de desarrollo del calor de la Tierra, la tecnología geotérmica aún no ha alcanzado su alto desarrollo. El desarrollo de la energía térmica de la Tierra está experimentando grandes dificultades en la construcción de pozos profundos, que son un canal para llevar el refrigerante a la superficie. Debido a la alta temperatura del fondo del pozo (200-250 ° C), las herramientas tradicionales de corte de roca no son muy adecuadas para trabajar en tales condiciones; se imponen requisitos especiales en la selección de tuberías de perforación y revestimiento, lechada de cemento, tecnología de perforación, revestimiento y pozo. terminación. Los equipos de medición domésticos, los accesorios de servicio en serie y los equipos se fabrican en un diseño que permite temperaturas que no superen los 150-200 ° C. La perforación mecánica profunda tradicional de pozos a veces lleva años y requiere importantes costos financieros. En los principales activos productivos, el costo de los pozos oscila entre el 70 y el 90%. Es posible y necesario resolver este problema solo mediante la creación de una tecnología progresiva para el desarrollo de la mayor parte de los recursos geotérmicos, es decir. extrayendo energía de las rocas calientes.
Nuestro grupo de científicos y especialistas rusos ha estado lidiando con el problema de extraer y utilizar la energía térmica profunda inagotable y repuesta de las rocas calientes de la Tierra en el territorio de la Federación de Rusia durante más de un año. El propósito del trabajo es crear, sobre la base de altas tecnologías domésticas, medios técnicos para una penetración profunda en las entrañas de la corteza terrestre. En la actualidad, se han desarrollado varias variantes de conjuntos de perforación (BS), que no tienen análogos en la práctica mundial.
La operación de la primera opción BS está vinculada a la tecnología de perforación de pozos convencional existente. La velocidad de perforación de rocas duras (densidad media 2500-3300 kg / m3) es de hasta 30 m / h, el diámetro del pozo es de 200-500 mm. La segunda versión del BS realiza la perforación de pozos de forma autónoma y automática. El lanzamiento se realiza desde una plataforma especial de lanzamiento y aceptación, desde la que se controla su movimiento. En unas pocas horas podrán pasar mil metros de BS en rocas duras. Diámetro del pozo de 500 a 1000 mm. Las opciones de BS reutilizables son rentables y tienen un valor potencial enorme. La introducción de BS en producción abrirá una nueva etapa en la construcción de pozos y brindará acceso a fuentes inagotables de energía térmica de la Tierra.
Para las necesidades de suministro de calor, la profundidad requerida de los pozos en todo el país se encuentra en el rango de hasta 3-4.5 mil metros y no excede los 5-6 mil metros. La temperatura del portador de calor para viviendas y calefacción comunitaria no ir más allá de 150 ° C. Para las instalaciones industriales, la temperatura, por regla general, no supera los 180-200 ° C.
El propósito del CCG es proporcionar calefacción permanente, asequible y barata a regiones remotas, de difícil acceso y subdesarrolladas de la Federación de Rusia. La duración de funcionamiento del GCS es de 25 a 30 años y más. El período de recuperación de la inversión de las estaciones (teniendo en cuenta las últimas tecnologías de perforación) es de 3 a 4 años.
La creación en la Federación de Rusia en los próximos años de las capacidades correspondientes para el uso de energía geotérmica para necesidades no eléctricas permitirá reemplazar alrededor de 600 millones de toneladas de combustible equivalente. Los ahorros pueden ascender a 2 billones de rublos.
En el período hasta 2030, es posible crear capacidades energéticas para reemplazar la energía disparada hasta en un 30%, y hasta 2040 para excluir casi por completo las materias primas orgánicas como combustible del balance energético de la Federación de Rusia.
Literatura
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2. Régimen térmico de la Tierra
La tierra es un cuerpo espacial frío. La temperatura de la superficie depende principalmente del calor externo. 95% del calor de la capa superior de la Tierra es externo (solar) cálido y solo un 5% cálido interno , que proviene de las entrañas de la Tierra e incluye varias fuentes de energía. En el interior de la Tierra, la temperatura aumenta con la profundidad de 1300 ° C (en el manto superior) a 3700 ° C (en el centro del núcleo).
Calor externo... El calor llega a la superficie de la Tierra principalmente del Sol. Cada centímetro cuadrado de superficie recibe aproximadamente 2 calorías de calor en un minuto. Esta cantidad se llama constante solar y determina la cantidad total de calor suministrado a la Tierra desde el Sol. Durante un año, asciende a 2,26 · 10 21 calorías. La profundidad de penetración del calor solar en las entrañas de la Tierra depende principalmente de la cantidad de calor que cae por unidad de superficie y de la conductividad térmica de las rocas. La profundidad máxima a la que penetra el calor externo es de 200 m en los océanos y de unos 40 m en tierra.
Calidez interna... Con la profundidad, hay un aumento de temperatura, que se da de forma muy desigual en diferentes territorios. El aumento de temperatura sigue la ley adiabática y depende de la compresión de la sustancia bajo presión cuando el intercambio de calor con el medio ambiente es imposible.
Las principales fuentes de calor dentro de la Tierra:
El calor liberado durante la desintegración radiactiva de los elementos.
Calor residual, conservado desde el momento de la formación de la Tierra.
El calor gravitacional liberado durante la compresión de la Tierra y la distribución de la materia en términos de densidad.
Calor generado por reacciones químicas que tienen lugar en las profundidades de la corteza terrestre.
Calor liberado por la fricción de las mareas de la Tierra.
Hay 3 zonas de temperatura:
I - zona de temperatura variable ... El cambio de temperatura está determinado por el clima local. Las fluctuaciones diarias prácticamente se atenúan a una profundidad de aproximadamente 1,5 m, y las fluctuaciones anuales a profundidades de 20 ... 30 m. Iа - zona de congelación.
II - zona de temperatura constante ubicado a profundidades de 15 ... 40 m, según la región.
III - zona de aumento de temperatura .
El régimen de temperatura de las rocas en las entrañas de la corteza terrestre generalmente se expresa mediante un gradiente geotérmico y un paso geotérmico.
La cantidad de aumento de temperatura por cada 100 m de profundidad se llama gradiente geotermal... En África, en el campo Witwatersrand, es de 1,5 ° С, en Japón (Echigo) - 2,9 ° С, en Australia del Sur - 10,9 ° С, en Kazajstán (Samarinda) - 6,3 ° С, en la península de Kola - 0,65 ° C .
Arroz. 3. Zonas de temperaturas en la corteza terrestre: I - zona de temperaturas variables, Iа - zona de congelación; II - zona de temperaturas constantes; III - zona de aumento de temperatura.
La profundidad a la que la temperatura aumenta en 1 grado se llama paso geotermal. Los valores numéricos del paso geotérmico no son constantes no solo en diferentes latitudes, sino también en diferentes profundidades de un mismo punto en la región. La magnitud del paso geotérmico varía de 1,5 a 250 m. En Arkhangelsk es de 10 m, en Moscú - 38,4 my en Pyatigorsk - 1,5 m. El valor teórico promedio de este paso es 33 m.
En un pozo perforado en Moscú a una profundidad de 1630 m, la temperatura del fondo del pozo fue de 41 ° C, y en una mina perforada en el Donbass a una profundidad de 1545 m, la temperatura fue de 56,3 ° C. La temperatura más alta se registró en EE. UU. En un pozo con una profundidad de 7136 m, donde es igual a 224 ° C. El aumento de temperatura con la profundidad debe tenerse en cuenta al diseñar estructuras profundas.Según los cálculos, a una profundidad de 400 km, la temperatura debe alcanzar los 1400 ... 1700 ° C. Las temperaturas más altas (alrededor de 5000 ° C) se obtuvieron para el núcleo de la Tierra.
El calor de la Tierra. Posibles fuentes de calor interno
Geotermia- una ciencia que estudia el campo térmico de la Tierra. La temperatura promedio de la superficie de la Tierra tiene una tendencia general a disminuir. Hace tres mil millones de años, la temperatura promedio en la superficie de la Tierra era de 71 °, ahora es de 17 °. Fuentes de térmicas (térmicas ) Los campos de la Tierra son procesos internos y externos. El calor de la Tierra es causado por la radiación solar y se origina en las entrañas del planeta. Las magnitudes de la entrada de calor de ambas fuentes son cuantitativamente extremadamente desiguales y sus funciones en la vida del planeta son diferentes. El calentamiento solar de la Tierra es el 99,5% del calor total recibido por su superficie, y la proporción del calentamiento interno es del 0,5%. Además, la entrada de calor interno se distribuye de manera muy desigual en la Tierra y se concentra principalmente en los lugares donde se produce el vulcanismo.
La fuente externa es la radiación solar. . La mitad de la energía solar es absorbida por la superficie, la vegetación y la capa cercana a la superficie de la corteza terrestre. La otra mitad se refleja en el espacio mundial. La radiación solar mantiene la temperatura de la superficie de la Tierra en un promedio de aproximadamente 0 0 C. El sol calienta la capa cercana a la superficie de la Tierra a una profundidad de 8-30 m en promedio, con una profundidad promedio de 25 m, el la influencia del calor solar se detiene y la temperatura se vuelve constante (capa neutra). Esta profundidad es mínima en zonas con clima marítimo y máxima en la región Subpolar. Por debajo de este límite, hay un cinturón de temperatura constante que corresponde a la temperatura media anual de un área determinada. Entonces, por ejemplo, en Moscú en el territorio de la agricultura. academia que lleva el nombre de Timiryazev, a una profundidad de 20 m, la temperatura se ha mantenido invariablemente igual a 4,2 ° C desde 1882. En París, a una profundidad de 28 m, el termómetro ha mostrado constantemente 11,83 ° C durante más de 100 años. Permafrost. Debajo del cinturón de temperatura constante se encuentra la zona geotérmica, que se caracteriza por el calor generado por la propia Tierra.
Las fuentes internas son las entrañas de la Tierra. La Tierra irradia más calor al espacio mundial del que recibe del Sol. Las fuentes internas incluyen el calor residual del momento en que se derritió el planeta, el calor de las reacciones termonucleares que ocurren en las entrañas de la Tierra, el calor de la compresión gravitacional de la Tierra bajo la influencia de la gravedad, el calor de las reacciones químicas y los procesos de cristalización, etc. (por ejemplo, fricción de las mareas). El calor de los intestinos proviene principalmente de las zonas móviles. Un aumento de temperatura con la profundidad se asocia con la existencia de fuentes internas de calor - la desintegración de isótopos radiactivos - U, Th, K, diferenciación gravitacional de la materia, fricción de marea, redox exotérmico reacciones químicas, metamorfismo y transiciones de fase. La tasa de aumento de la temperatura con la profundidad está determinada por una serie de factores: conductividad térmica, permeabilidad de la roca, proximidad de focos volcánicos, etc.
Por debajo del cinturón de temperaturas constantes, hay un aumento de temperatura, en promedio 1 o por 33 m ( etapa geotermal) o 3 aproximadamente cada 100 m ( gradiente geotermal). Estos valores son indicadores del campo térmico de la Tierra. Está claro que estos valores son promedios y de diferente magnitud en diferentes regiones o zonas de la Tierra. La etapa geotérmica es diferente en diferentes puntos de la Tierra. Por ejemplo, en Moscú - 38,4 m, en Leningrado - 19,6, en Arkhangelsk - 10. Entonces, al perforar un pozo profundo en la península de Kola a una profundidad de 12 km, se supuso una temperatura de 150 °, pero en realidad cambió a unos 220 grados. Al perforar pozos en la región norte del Caspio a una profundidad de 3000 m, se asumió una temperatura de 150 o grados, pero resultó ser de 108 o.
Cabe señalar que las características climáticas de la zona y temperatura media anual no afectan el cambio en el valor del paso geotérmico, las razones son las siguientes:
1) en diferentes conductividades térmicas de las rocas que componen una zona determinada. La medida de conductividad térmica se entiende como la cantidad de calor en calorías transmitidas en 1 segundo. A través de una sección de 1 cm 2 con un gradiente de temperatura de 1 C aproximadamente;
2) en la radiactividad de las rocas, cuanto mayor es la conductividad térmica y la radiactividad, menor es la etapa geotérmica;
3) en diferentes condiciones de lecho de rocas y edad de alteración de su lecho; las observaciones han demostrado que la temperatura aumenta más rápidamente en las capas recogidas en pliegues, en ellas hay más a menudo perturbaciones (grietas), a lo largo de las cuales se facilita el acceso del calor de las profundidades;
4) la naturaleza de las aguas subterráneas: corrientes de aguas subterráneas calientes, rocas calientes, frías, frías;
5) lejanía del océano: cerca del océano debido al enfriamiento de las rocas con una masa de agua, la etapa geotérmica es mayor y al contacto es menor.
El conocimiento de la magnitud específica de la etapa geotérmica es de gran importancia práctica.
1. Esto es importante al diseñar minas. En algunos casos, será necesario tomar medidas para bajar artificialmente la temperatura en minas profundas (la temperatura - 50 ° C es la máxima para una persona en aire seco y 40 ° C en aire húmedo); en otros, será posible trabajar a gran profundidad.
2. La evaluación de las condiciones de temperatura durante la construcción de túneles en áreas montañosas es de gran importancia.
3. El estudio de las condiciones geotermales del interior de la Tierra permite utilizar vapor y fuentes termales que salen a la superficie de la Tierra. El calor subterráneo se utiliza, por ejemplo, en Italia, Islandia; en Rusia, se construyó una planta de energía industrial experimental con calor natural en Kamchatka.
Utilizando datos sobre la magnitud del paso geotérmico, es posible hacer algunas suposiciones sobre las condiciones de temperatura de las zonas profundas de la Tierra. Si tomamos el valor promedio del paso geotérmico como 33 my asumimos que el aumento de temperatura con la profundidad ocurre de manera uniforme, entonces a una profundidad de 100 km habrá una temperatura de 3000 ° C.Esta temperatura excede el punto de fusión de todos sustancias conocidas en la Tierra, por lo tanto, a esta profundidad debe haber masas fundidas ... Pero debido a la enorme presión de 31.000 atm. Las masas sobrecalentadas no tienen signos inherentes a los líquidos, pero están dotados de signos de un sólido.
Con la profundidad, el paso geotérmico aparentemente debería aumentar significativamente. Si asumimos que el paso no cambia con la profundidad, entonces la temperatura en el centro de la Tierra debería ser de unos 200.000 o grados, y según los cálculos no puede superar los 5000 - 10.000 o.
Las principales fuentes de energía térmica de la Tierra son [,]:
Hasta la fecha, solo se han evaluado cuantitativamente las cuatro primeras fuentes. En nuestro país, el principal mérito en esto pertenece O.G. Sorokhtin y S.A. Ushakov... Los datos a continuación se basan principalmente en los cálculos de estos científicos.
Calor de la diferenciación gravitacional de la Tierra
Una de las leyes más importantes del desarrollo de la Tierra es diferenciación su sustancia, que continúa hasta el día de hoy. Debido a esta diferenciación, la formación de núcleo y corteza, cambio en la composición del primario manto, mientras que la separación de una sustancia inicialmente homogénea en fracciones de diferentes densidades va acompañada de la liberación energía térmica, y la máxima liberación de calor ocurre cuando la materia de la tierra se divide en núcleo denso y pesado y residual encendedor carcasa de silicato - manto de tierra... Actualmente, la mayor parte de este calor se libera en la frontera. manto - núcleo.
Energía de diferenciación gravitacional de la Tierra. por todo el tiempo de su existencia se destacó - 1,46 * 10 38 ergio (1,46 * 10 31 J). Esta energía en su mayor parte, primero entra en energía cinética flujos convectivos de materia del manto, y luego en calurosamente; la otra parte se gasta en adicionales compresión del interior de la tierra que surgen debido a la concentración de fases densas en la parte central de la Tierra. De 1,46 * 10 38 ergio La energía de diferenciación gravitacional de la Tierra para su compresión adicional fue 0,23 * 10 38 ergio (0,23 * 10 31 J), y en forma de calor se liberó 1,23 * 10 38 ergio (1,23 * 10 31 J). El valor de este componente térmico excede significativamente la liberación total de todos los demás tipos de energía en la Tierra. La distribución en el tiempo del valor total y la tasa de liberación del componente térmico de la energía gravitacional se muestra en la Fig. 3.6 .
Arroz. 3.6.
El nivel actual de generación de calor durante la diferenciación gravitacional de la Tierra es 3 * 10 20 erg / s (3 * 10 13W), que el valor del flujo de calor moderno que atraviesa la superficie del planeta en ( 4,2-4,3) * 10 20 erg / s ((4,2-4,3) * 10 13 W), es ~ 70%
.
Calor radiogénico
Causado por la desintegración radiactiva de inestables isótopos... El más intensivo en energía y duradero ( media vida acordes con la edad de la Tierra) son isótopos 238 U, 235 U, 232 mil y 40 K... Su volumen principal se concentra en corteza continental... Generación de vanguardia calor radiogénico:
- en geofísica americana V. Wakye - 1,14 * 10 20 erg / s (1,14 * 10 13 W) ,
- para los geofísicos rusos O.G. Sorokhtin y S.A. Ushakov - 1,26 * 10 20 erg / s(1,26 * 10 13 W) .
Del valor del flujo de calor moderno, esto es ~ 27-30%.
Del valor total del calor de desintegración radiactiva en 1,26 * 10 20 erg / s (1,26 * 10 13 W) en la corteza terrestre se destaca - 0,91 * 10 20 erg / s, y en el manto - 0,35 * 10 20 erg / s... Por lo tanto, se deduce que la proporción de calor radiogénico del manto no supera el 10% de las pérdidas de calor modernas totales de la Tierra, y no puede ser la principal fuente de energía para los procesos tectónico-magmáticos activos, cuya profundidad de origen puede alcanzar 2900 km; y el calor radiogénico liberado en la corteza se pierde con relativa rapidez a través de la superficie terrestre y prácticamente no participa en el calentamiento del interior profundo del planeta.
En épocas geológicas pasadas, la cantidad de calor radiogénico liberado en el manto debería haber sido mayor. Sus estimaciones en el momento de la formación de la Tierra ( Hace 4,6 mil millones de años) dar - 6,95 * 10 20 erg / s... Desde ese momento, ha habido una disminución constante en la tasa de liberación de energía radiogénica (Fig. 3.7 ).
Por todo el tiempo en la Tierra, ~ 4,27 * 10 37 ergio(4,27 * 10 30 J) energía térmica de desintegración radiactiva, que es casi tres veces menor que el calor total de diferenciación gravitacional.
Calor de la fricción de las mareas
Destaca durante la interacción gravitacional de la Tierra, en primer lugar, con la Luna, como el gran cuerpo cósmico más cercano. Debido a la atracción gravitacional mutua, las deformaciones de las mareas surgen en sus cuerpos: hinchazón o jorobas... Las jorobas de marea de los planetas, con su atracción adicional, influyen en su movimiento. Por lo tanto, la atracción de ambas jorobas de la Tierra crea un par de fuerzas que actúan tanto sobre la Tierra como sobre la Luna. Sin embargo, la influencia de la hinchazón cercana, de cara a la Luna, es algo más fuerte que la lejana. Debido al hecho de que la velocidad angular de rotación de la Tierra moderna ( 7,27 * 10-5 s -1) excede la velocidad orbital de la Luna ( 2,66 * 10 -6 s -1), y la materia de los planetas no es idealmente elástica, entonces las jorobas de marea de la Tierra parecen ser arrastradas por su rotación hacia adelante y superan notablemente el movimiento de la Luna. Esto lleva al hecho de que las mareas máximas de la Tierra siempre ocurren en su superficie un poco más tarde que el momento clímax La Luna, y un momento adicional de fuerzas actúa sobre la Tierra y la Luna (Fig. 3.8 ) .
Los valores absolutos de las fuerzas de interacción de las mareas en el sistema Tierra-Luna son ahora relativamente pequeños y las deformaciones de la litosfera causadas por las mareas pueden alcanzar solo unas pocas decenas de centímetros, pero conducen a una desaceleración gradual de la velocidad de la Tierra. rotación y, a la inversa, a la aceleración del movimiento orbital de la Luna ya su distancia de la Tierra. La energía cinética del movimiento de los montículos de marea de la tierra se convierte en energía térmica debido a la fricción interna de la materia en los montículos de marea.
En la actualidad, la tasa de liberación de energía de las mareas es G. Macdonald es ~ 0,25 * 10 20 erg / s (0,25 * 10 13 W), mientras que su parte principal (alrededor de 2/3) es presumiblemente se disipa(se disipa) en la hidrosfera. En consecuencia, la fracción de energía de las mareas causada por la interacción de la Tierra con la Luna y disipada en la Tierra sólida (principalmente en la astenosfera) no excede 2 %
energía térmica total generada en sus entrañas; y la proporción de mareas solares no supera 20 %
de los efectos de las mareas lunares. Por lo tanto, las mareas sólidas ahora prácticamente no juegan ningún papel en la alimentación de los procesos tectónicos con energía, pero en algunos casos pueden actuar como "desencadenantes", por ejemplo, terremotos.
La cantidad de energía de las mareas está directamente relacionada con la distancia entre los objetos espaciales. Y si no se suponen cambios significativos en la escala de tiempo geológico para la distancia entre la Tierra y el Sol, entonces en el sistema Tierra-Luna este parámetro es una cantidad variable. Independientemente de las ideas sobre, casi todos los investigadores admiten que en primeras etapas El desarrollo de la Tierra, la distancia a la Luna fue significativamente menor que la moderna, en el proceso de desarrollo planetario, según la mayoría de los científicos, aumenta gradualmente, y según Yu.N. Avsyuk esta distancia sufre cambios a largo plazo en forma de ciclos "yendo - yendo" de la luna... Por lo tanto, se supone que en épocas geológicas pasadas el papel del calor de las mareas en el balance de calor total de la Tierra fue más significativo. En general, durante todo el tiempo del desarrollo de la Tierra, ~ 3.3 * 10 37 ergio (3,3 * 10 30 J) energía del calor de las mareas (esto está sujeto a la eliminación secuencial de la Luna de la Tierra). La variación en el tiempo de la tasa de liberación de este calor se muestra en la Fig. 3.10 .
Más de la mitad de la cantidad total de energía de las mareas se liberó en katarchee (mierda)) - Hace 4.6-4.0 mil millones de años, y en este momento, solo debido a esta energía, la Tierra podría calentarse adicionalmente en ~ 500 0 С. Desde el Arcaico tardío, las mareas lunares tuvieron solo una influencia insignificante en el desarrollo procesos endógenos intensivos en energía .
Calor acrecional
Este es el calor almacenado por la Tierra desde el momento de su formación. Durante acreción, que duró varias decenas de millones de años, gracias a la colisión planetesimales La tierra ha experimentado un calentamiento significativo. Al mismo tiempo, no existe consenso sobre la magnitud de este calentamiento. En la actualidad, los investigadores se inclinan a creer que, en el proceso de acreción, la Tierra experimentó, si no completa, un derretimiento parcial significativo, lo que llevó a la diferenciación inicial de Proto-Earth en un núcleo de hierro pesado y un manto de silicato ligero. y a la formación "océano de magma" en su superficie oa poca profundidad. Aunque, incluso antes de la década de 1990, se consideraba prácticamente generalmente aceptado el modelo de una Tierra primaria relativamente fría, que se fue calentando gradualmente debido a los procesos anteriores, acompañado de la liberación de una cantidad importante de energía térmica.
Una evaluación precisa del calor de acreción primario y su fracción conservada hasta la fecha se asocia con dificultades importantes. Por O.G. Sorokhtin y S.A. Ushakov, que apoyan una Tierra primaria relativamente fría, el valor de la energía de acreción convertida en calor es - 20,13 * 10 38 ergio (20,13 * 10 31 J)... Esta energía, en ausencia de pérdida de calor, sería suficiente para evaporación completa materia terrestre, tk. la temperatura podría subir a 30000 0 С... Pero el proceso de acreción fue relativamente largo, y la energía de los impactos planetesimales se liberó solo en las capas cercanas a la superficie de la Tierra en crecimiento y se perdió rápidamente con la radiación térmica, por lo que el calentamiento primario del planeta no fue grande. La magnitud de esta radiación térmica, que va en paralelo con la formación (acreción) de la Tierra, es estimada por estos autores como 19,4 * 10 38 ergio (19,4 * 10 31 J)
.
El calor de acreción probablemente juega un papel insignificante en el balance energético moderno de la Tierra.
En nuestro país rico en hidrocarburos, la geotermia es un recurso exótico que, dada la situación actual, es poco probable que compita con el petróleo y el gas. Sin embargo, esta forma alternativa de energía se puede utilizar en casi todas partes y es bastante eficiente.
Energía geotérmica- este es el calor del interior de la tierra. Se produce en las profundidades y llega a la superficie de la Tierra en diferentes formas y con intensidad variable.
La temperatura de las capas superiores del suelo depende principalmente de factores externos (exógenos): la luz solar y la temperatura del aire. En verano y durante el día, el suelo se calienta a ciertas profundidades, y en invierno y por la noche se enfría a raíz de un cambio de temperatura del aire y con cierta demora, aumentando con la profundidad. La influencia de las fluctuaciones diarias de la temperatura del aire termina en profundidades de unas pocas a varias decenas de centímetros. Las fluctuaciones estacionales cubren capas más profundas de suelo, hasta decenas de metros.
A cierta profundidad, de decenas a cientos de metros, la temperatura del suelo se mantiene constante, igual a la temperatura media anual del aire en la superficie de la Tierra. Es fácil convencerse de esto bajando a una cueva lo suficientemente profunda.
Cuando la temperatura media anual del aire en un área determinada está por debajo de cero, esto se manifiesta como permafrost (más precisamente, permafrost). En Siberia oriental, el grosor, es decir, el grosor de los suelos helados durante todo el año alcanza los 200-300 m en algunos lugares.
Desde una cierta profundidad (la suya para cada punto del mapa), el efecto del Sol y la atmósfera se debilita tanto que los factores endógenos (internos) pasan a primer plano y el interior de la tierra se calienta desde el interior, por lo que la temperatura comienza a subir con profundidad.
El calentamiento de las capas profundas de la Tierra se asocia principalmente con la desintegración de los elementos radiactivos allí ubicados, aunque también se denominan otras fuentes de calor, por ejemplo, procesos fisicoquímicos, tectónicos en las capas profundas de la corteza y manto terrestre. Pero sea cual sea la razón, la temperatura de las rocas y las sustancias líquidas y gaseosas asociadas aumenta con la profundidad. Los mineros se enfrentan a este fenómeno: siempre hace calor en las minas profundas. A una profundidad de 1 km, un calor de treinta grados es normal y, a mayor profundidad, la temperatura es aún mayor.
El flujo de calor del interior de la Tierra, que llega a la superficie de la Tierra, es pequeño; en promedio, su potencia es de 0,03 a 0,05 W / m 2, o alrededor de 350 W · h / m 2 por año. En el contexto del flujo de calor del Sol y el aire calentado por él, este es un valor imperceptible: el Sol da a todos metro cuadrado la superficie terrestre es de unos 4.000 kWh anuales, es decir, 10.000 veces más (por supuesto, esto es en promedio, con una gran variación entre latitudes polares y ecuatoriales y dependiendo de otros factores climáticos y meteorológicos).
La insignificancia del flujo de calor desde las profundidades a la superficie en la mayor parte del planeta está asociada con la baja conductividad térmica de las rocas y las peculiaridades de la estructura geológica. Pero hay excepciones: lugares donde el flujo de calor es alto. Se trata, en primer lugar, de zonas de fallas tectónicas, aumento de la actividad sísmica y vulcanismo, donde la energía del interior de la tierra encuentra una salida. Estas zonas se caracterizan por anomalías térmicas de la litosfera, aquí el flujo de calor que llega a la superficie de la Tierra puede ser varias veces e incluso órdenes de magnitud más potente que el "habitual". Las erupciones volcánicas y los manantiales de agua caliente llevan una gran cantidad de calor a la superficie en estas zonas.
Son estas áreas las más favorables para el desarrollo de la energía geotérmica. En el territorio de Rusia, estos son, en primer lugar, Kamchatka, las islas Kuriles y el Cáucaso.
Al mismo tiempo, el desarrollo de la energía geotérmica es posible en casi todas partes, ya que el aumento de temperatura con la profundidad es un fenómeno omnipresente, y la tarea es "extraer" calor de las entrañas, al igual que de allí se extraen materias primas minerales.
En promedio, la temperatura aumenta con la profundidad de 2,5 a 3 ° C por cada 100 m La relación entre la diferencia de temperatura entre dos puntos a diferentes profundidades y la diferencia de profundidad entre ellos se denomina gradiente geotérmico.
El recíproco es el paso geotérmico, o intervalo de profundidad, en el que la temperatura aumenta en 1 ° C.
Cuanto mayor sea el gradiente y, en consecuencia, cuanto menor sea el escalón, más se acercará el calor de las profundidades de la Tierra a la superficie y más prometedora es esta zona para el desarrollo de la energía geotérmica.
V Diferentes areas, dependiendo de la estructura geológica y otras condiciones regionales y locales, la tasa de aumento de temperatura con la profundidad puede variar dramáticamente. En la escala de la Tierra, las fluctuaciones en las magnitudes de los gradientes y pasos geotérmicos alcanzan 25 veces. Por ejemplo, en Oregón (EE. UU.) La pendiente es de 150 ° C por km y en Sudáfrica es de 6 ° C por km.
La pregunta es, ¿cuál es la temperatura a grandes profundidades, 5, 10 km o más? Si la tendencia continúa, las temperaturas a 10 km de profundidad deberían promediar alrededor de 250-300 ° C. Esto está más o menos confirmado por observaciones directas en pozos superprofundos, aunque el panorama es mucho más complicado que un aumento lineal de temperatura.
Por ejemplo, en el pozo superprofundo de Kola perforado en el escudo cristalino del Báltico, la temperatura a una profundidad de 3 km cambia a una velocidad de 10 ° C / 1 km, y luego el gradiente geotérmico se vuelve de 2 a 2,5 veces mayor. A una profundidad de 7 km, ya se registró una temperatura de 120 ° C, a una profundidad de 10 km - 180 ° C, y a 12 km - 220 ° C.
Otro ejemplo es un pozo perforado en la región norte del Caspio, donde se registró una temperatura de 42 ° C a una profundidad de 500 m, 70 ° C a 1,5 km, 80 ° C a 2 km y 108 ° C a 3 km.
Se supone que el gradiente geotérmico disminuye a partir de una profundidad de 20-30 km: a una profundidad de 100 km, las temperaturas asumidas son aproximadamente 1300-1500 ° C, a una profundidad de 400 km - 1600 ° C, en la Tierra. núcleo (profundidades superiores a 6000 km) - 4000-5000 ° C.
A profundidades de hasta 10 a 12 km, la temperatura se mide a través de pozos perforados; donde están ausentes, está determinado por signos indirectos de la misma manera que a mayores profundidades. Estos signos indirectos pueden ser la naturaleza del paso de las ondas sísmicas o la temperatura de la lava que sale.
Sin embargo, a los efectos de la energía geotérmica, los datos sobre temperaturas a profundidades de más de 10 km aún no son de interés práctico.
Hay mucho calor a varios kilómetros de profundidad, pero ¿cómo elevarlo? A veces, la naturaleza misma nos resuelve este problema con la ayuda de un portador de calor natural: aguas termales calentadas que salen a la superficie o se encuentran a una profundidad accesible para nosotros. En algunos casos, el agua en las profundidades se calienta al estado de vapor.
No existe una definición estricta del término "aguas termales". Por regla general, se refieren a aguas subterráneas calientes en estado líquido o en forma de vapor, incluidas las que salen a la superficie de la Tierra con una temperatura superior a 20 ° C, es decir, por regla general, más alta que la temperatura del aire.
El calor del agua subterránea, vapor, mezclas de vapor y agua es energía hidrotermal. En consecuencia, la energía basada en su uso se denomina hidrotermal.
La situación es más complicada con la producción de calor directamente a partir de rocas secas: energía petrotérmica, especialmente porque las temperaturas bastante altas, por regla general, comienzan a profundidades de varios kilómetros.
En el territorio de Rusia, el potencial de la energía petrotermal es cien veces mayor que el de la energía hidrotermal: 3500 y 35 billones de toneladas de combustible equivalente, respectivamente. Esto es bastante natural: el calor de las profundidades de la Tierra está en todas partes y las aguas termales se encuentran localmente. Sin embargo, debido a las evidentes dificultades técnicas para generar calor y electricidad, actualmente se utilizan principalmente aguas termales.
Las aguas con temperaturas entre 20-30 ° C y 100 ° C son adecuadas para calefacción, temperaturas entre 150 ° C y superiores, y para generar electricidad en plantas de energía geotérmica.
En general, los recursos geotérmicos en el territorio de Rusia en términos de toneladas de combustible equivalente o cualquier otra unidad de medida energética son aproximadamente 10 veces más altos que las reservas de combustibles fósiles.
En teoría, solo la energía geotérmica podría satisfacer plenamente las necesidades energéticas del país. Prácticamente en este momento en la mayor parte de su territorio, esto no es factible por razones técnicas y económicas.
En el mundo, el uso de energía geotérmica se asocia con mayor frecuencia con Islandia, un país ubicado en el extremo norte de la Cordillera del Atlántico Medio, en una zona tectónica y volcánica extremadamente activa. Probablemente todos recuerden la poderosa erupción del volcán Eyjafjallajokull ( Eyjafjallajökull) en 2010 año.
Es gracias a esta especificidad geológica que Islandia tiene enormes reservas de energía geotérmica, incluidas las fuentes termales que afloran a la superficie de la Tierra e incluso brotan en forma de géiseres.
En Islandia, más del 60% de toda la energía consumida se extrae actualmente de la Tierra. Incluidas las fuentes geotérmicas, proporcionan el 90% de la calefacción y el 30% de la generación de electricidad. Agregamos que el resto de la electricidad del país se produce en centrales hidroeléctricas, es decir, también utilizando una fuente de energía renovable, gracias a lo cual Islandia parece una especie de estándar ambiental global.
La domesticación de la energía geotérmica en el siglo XX ayudó a Islandia notablemente económicamente. Hasta mediados del siglo pasado, era un país muy pobre, ahora ocupa el primer lugar en el mundo en términos de capacidad instalada y producción de energía geotérmica per cápita y está entre los diez primeros en términos de valor absoluto de capacidad instalada de geotermia. plantas de energía. Sin embargo, su población es de solo 300 mil personas, lo que simplifica la tarea de cambiar a fuentes de energía amigables con el medio ambiente: las necesidades son generalmente pequeñas.
Además de Islandia, una gran parte de la energía geotérmica en el saldo total de la producción de electricidad se proporciona en Nueva Zelanda y los estados insulares del sudeste asiático (Filipinas e Indonesia), países de América Central y África Oriental, cuyo territorio es También se caracteriza por una alta actividad sísmica y volcánica. Para estos países, dado su nivel actual de desarrollo y necesidades, la energía geotérmica hace una contribución significativa al desarrollo socioeconómico.
El uso de energía geotérmica tiene una historia muy larga. Uno de los primeros ejemplos conocidos es Italia, un lugar en la provincia de Toscana, ahora llamado Larderello, donde ya a principios del siglo XIX, las aguas termales calientes locales, vertidas naturalmente o extraídas de pozos poco profundos, se utilizaron para fines energéticos.
Aquí se utilizó agua subterránea rica en boro para obtener ácido bórico. Inicialmente, este ácido se obtenía por evaporación en calderas de hierro y se tomaba como combustible leña ordinaria de los bosques cercanos, pero en 1827 Francesco Larderel creó un sistema que funcionaba con el calor de las propias aguas. Al mismo tiempo, la energía del vapor de agua natural comenzó a usarse para la operación de plataformas de perforación y, a principios del siglo XX, para calentar casas e invernaderos locales. En el mismo lugar, en Larderello, en 1904, el vapor de agua termal se convirtió en una fuente de energía para generar electricidad.
Algunos otros países siguieron el ejemplo de Italia a finales del siglo XIX y principios del XX. Por ejemplo, en 1892, las aguas termales se utilizaron por primera vez para calefacción local en los Estados Unidos (Boise, Idaho), en 1919 en Japón y en 1928 en Islandia.
En los Estados Unidos, la primera planta de energía hidrotermal apareció en California a principios de la década de 1930, en Nueva Zelanda en 1958, en México en 1959, en Rusia (la primera planta de energía geotérmica binaria del mundo) en 1965 ...
Principio antiguo sobre una nueva fuente
La generación de electricidad requiere una temperatura más alta de la fuente hidráulica que para la calefacción: más de 150 ° C. El principio de funcionamiento de una planta de energía geotérmica (GeoPP) es similar al principio de funcionamiento de una planta de energía térmica convencional (TPP). De hecho, una planta de energía geotérmica es una especie de planta de energía térmica.
En los TPP, por regla general, el carbón, el gas o el fueloil actúan como fuente primaria de energía y el vapor de agua actúa como fluido de trabajo. El combustible, al quemarse, calienta el agua al estado de vapor, que hace girar la turbina de vapor y genera electricidad.
La diferencia entre los GeoPP es que la fuente principal de energía aquí es el calor del interior de la tierra y el fluido de trabajo en forma de vapor se suministra a las palas de la turbina de un generador eléctrico en una forma "lista para usar" directamente desde la producción. bien.
Hay tres esquemas principales de operación de GeoPP: directo, usando vapor seco (geotermal); indirectos, basados en agua hidrotermal, y mixtos o binarios.
La aplicación de este o aquel esquema depende del estado de agregación y de la temperatura del portador de energía.
El más simple y, por lo tanto, el primero de los esquemas dominados es la línea recta, en la que el vapor que proviene del pozo pasa directamente a través de la turbina. El primer GeoPP del mundo en Larderello también operó con vapor seco en 1904.
Los GeoPP con un esquema de trabajo indirecto son los más habituales en nuestro tiempo. Usan caliente aguas subterráneas, que se bombea al evaporador a alta presión, donde parte de él se evapora y el vapor resultante hace girar la turbina. En algunos casos, se requieren dispositivos y circuitos adicionales para purificar el agua geotérmica y el vapor de compuestos agresivos.
El vapor residual ingresa al pozo de inyección o se usa para calentar espacios; en este caso, el principio es el mismo que en el funcionamiento de un CHP.
En GeoPP binarios, el agua termal caliente interactúa con otro líquido que actúa como fluido de trabajo con un punto de ebullición más bajo. Ambos fluidos pasan a través de un intercambiador de calor, donde el agua termal evapora el fluido de trabajo, cuyo vapor hace girar la turbina.
Este sistema es cerrado, lo que resuelve el problema de las emisiones a la atmósfera. Además, los fluidos de trabajo con un punto de ebullición relativamente bajo permiten utilizar aguas termales poco calientes como fuente primaria de energía.
Los tres esquemas utilizan una fuente hidrotermal, pero la energía petrotermal también se puede utilizar para generar electricidad.
El diagrama esquemático en este caso también es bastante simple. Es necesario perforar dos pozos interconectados: pozos de inyección y de producción. Se bombea agua al pozo de inyección. En profundidad, se calienta, luego se suministra agua caliente o vapor formado como resultado de un fuerte calentamiento a la superficie a través del pozo de producción. Además, todo depende de cómo se utilice la energía petrotérmica: para calefacción o para generar electricidad. Es posible un ciclo cerrado con la inyección de vapor residual y agua en el pozo de inyección u otra forma de eliminación.
La desventaja de tal sistema es obvia: para obtener una temperatura suficientemente alta del fluido de trabajo, es necesario perforar pozos a una gran profundidad. Y estos son costos importantes y el riesgo de una pérdida de calor significativa cuando el fluido se mueve hacia arriba. Por lo tanto, los sistemas petrotermales todavía están menos extendidos que los hidrotermales, aunque el potencial de la energía petrotermal es órdenes de magnitud mayor.
Actualmente, Australia es líder en la creación de los denominados sistemas de circulación petrotermal (PCS). Además, esta dirección de la energía geotérmica se está desarrollando activamente en los EE. UU., Suiza, Gran Bretaña y Japón.
El regalo de Lord Kelvin
La invención de una bomba de calor por el físico William Thompson (también conocido como Lord Kelvin) en 1852 brindó a la humanidad una oportunidad real de utilizar el calor de bajo potencial de las capas superiores del suelo. El sistema de bomba de calor, o, como lo llamó Thompson, el multiplicador de calor, se basa en el proceso físico de transferir calor desde medio ambiente al refrigerante. De hecho, utiliza el mismo principio que en los sistemas petrotermales. La diferencia está en la fuente de calor, en relación con la cual puede surgir una pregunta terminológica: ¿hasta qué punto se puede considerar una bomba de calor como un sistema geotérmico? El hecho es que en las capas superiores, a profundidades de decenas a cientos de metros, las rocas y los fluidos contenidos en ellas no se calientan por el calor profundo de la tierra, sino por el sol. Así, es el sol en este caso la principal fuente de calor, aunque se toma, como en los sistemas geotérmicos, de la tierra.
El trabajo de una bomba de calor se basa en un retraso en el calentamiento y enfriamiento del suelo con respecto a la atmósfera, como resultado de lo cual se forma un gradiente de temperatura entre la superficie y las capas más profundas, que retienen el calor incluso en invierno, similar a lo que sucede en los cuerpos de agua. El objetivo principal de las bombas de calor es la calefacción de espacios. De hecho, es un “frigorífico inverso”. Tanto la bomba de calor como el refrigerador interactúan con tres componentes: el ambiente interno (en el primer caso, la habitación climatizada, en el segundo, la cámara refrigerada del refrigerador), el ambiente externo, la fuente de energía y el refrigerante (refrigerante). , también es el portador de calor que proporciona transferencia de calor o frío.
Una sustancia con un punto de ebullición bajo actúa como refrigerante, lo que le permite tomar calor de una fuente que tiene incluso una temperatura relativamente baja.
En el refrigerador, el refrigerante líquido ingresa al evaporador a través de un acelerador (regulador de presión), donde, debido a una fuerte disminución de la presión, el líquido se evapora. La evaporación es un proceso endotérmico que requiere absorción de calor externa. Como resultado, se toma calor de las paredes internas del evaporador, lo que proporciona un efecto de enfriamiento en la cámara del refrigerador. Además, desde el evaporador, el refrigerante se aspira al compresor, donde vuelve al estado líquido de agregación. Este es el proceso inverso que conduce a la liberación de calor residual en ambiente externo... Como regla general, se arroja a la habitación y la parte posterior del refrigerador está relativamente caliente.
Una bomba de calor funciona de la misma manera, con la diferencia de que el calor se toma del ambiente externo y, a través del evaporador, ingresa al ambiente interno: el sistema de calefacción de la habitación.
En una bomba de calor real, el agua se calienta, pasa por un circuito externo, se deposita en el suelo o en un depósito y luego ingresa al evaporador.
En el evaporador, el calor se transfiere a un circuito interno lleno de un refrigerante de bajo punto de ebullición, el cual, al pasar por el evaporador, pasa de estado líquido a gaseoso, quitando calor.
Luego, el refrigerante gaseoso ingresa al compresor, donde se comprime a alta presión y temperatura, y entra al condensador, donde tiene lugar el intercambio de calor entre el gas caliente y el refrigerante del sistema de calefacción.
Se requiere electricidad para el funcionamiento del compresor, sin embargo, la relación de transformación (la relación de energía consumida y generada) es sistemas modernos lo suficientemente alto para ser eficaz.
Actualmente, las bombas de calor se utilizan ampliamente para la calefacción de espacios, principalmente en países desarrollados.
Energía eco-correcta
La energía geotérmica se considera respetuosa con el medio ambiente, lo que en general es cierto. En primer lugar, utiliza un recurso renovable y prácticamente inagotable. La energía geotérmica no requiere grandes áreas, a diferencia de las grandes centrales hidroeléctricas o los parques eólicos, y no contamina la atmósfera, a diferencia de la energía de hidrocarburos. En promedio, un GeoPP ocupa 400 m 2 en términos de 1 GW de electricidad generada. El mismo indicador para una central eléctrica de carbón, por ejemplo, es 3600 m 2. Las ventajas ecológicas de los GeoPP también incluyen un bajo consumo de agua: 20 litros agua dulce por 1 kW, mientras que TPP y NPP requieren alrededor de 1000 litros. Tenga en cuenta que estos son indicadores ambientales del GeoPP "promedio".
Pero negativo efectos secundarios todavía están disponibles. Entre ellos, se distinguen con mayor frecuencia el ruido, la contaminación térmica de la atmósfera y la contaminación química: agua y suelo, así como la formación de desechos sólidos.
La principal fuente de contaminación química del medio ambiente es el agua termal actual (con alta temperatura y mineralización), que a menudo contiene grandes cantidades de compuestos tóxicos, en relación con los cuales existe un problema de eliminación de aguas residuales y sustancias peligrosas.
Los efectos negativos de la energía geotérmica se pueden rastrear en varias etapas, comenzando con la perforación de pozos. Aquí surgen los mismos peligros que al perforar cualquier pozo: destrucción del suelo y la cubierta vegetal, contaminación del suelo y de las aguas subterráneas.
En la etapa de operación del GeoPP, persisten los problemas de contaminación ambiental. Los fluidos térmicos, agua y vapor, generalmente contienen dióxido de carbono (CO 2), sulfuro de azufre (H 2 S), amoníaco (NH 3), metano (CH 4), sal de mesa (NaCl), boro (B), arsénico (As ), mercurio (Hg). Cuando se liberan al medio ambiente, se convierten en fuentes de su contaminación. Además, un entorno químico agresivo puede provocar daños por corrosión en las estructuras del GeoTPP.
Al mismo tiempo, las emisiones de contaminantes en los GeoPP son en promedio más bajas que en los TPP. Por ejemplo, las emisiones de dióxido de carbono por cada kilovatio-hora de electricidad generada son de hasta 380 g en los GeoPP, 1.042 g en los TPP de carbón, 906 g en el fuelóleo y 453 g en los TPP de gas.
Surge la pregunta: ¿qué hacer con las aguas residuales? Con baja salinidad, se puede descargar en aguas superficiales después de enfriarse. Otra forma es bombearlo de regreso al acuífero a través de un pozo de inyección, que es el preferido y más utilizado en la actualidad.
La extracción de agua termal de los acuíferos (así como el bombeo de agua corriente) puede provocar hundimientos y movimientos del suelo, otras deformaciones de las capas geológicas y micro-terremotos. La probabilidad de que ocurran tales eventos suele ser baja, aunque casos aislados grabado (por ejemplo, en el GeoPP en Staufen im Breisgau en Alemania).
Cabe destacar que la mayoría de los GeoPP están ubicados en áreas relativamente poco pobladas y en países del Tercer Mundo, donde los requisitos ambientales son menos estrictos que en los países desarrollados. Además, en este momento el número de GeoPP y sus capacidades son relativamente pequeños. Con un desarrollo más extenso de la energía geotérmica, los riesgos ambientales pueden aumentar y multiplicarse.
¿A cuánto asciende la energía de la Tierra?
Los costos de inversión para la construcción de sistemas geotérmicos varían en un rango muy amplio: de $ 200 a $ 5,000 por 1 kW de capacidad instalada, es decir, las opciones más baratas son comparables al costo de construir una planta de energía térmica. Dependen, en primer lugar, de las condiciones de ocurrencia de las aguas termales, su composición y el diseño del sistema. Perforando a grandes profundidades, creando un sistema cerrado con dos pozos, la necesidad de purificar el agua puede multiplicar el costo.
Por ejemplo, las inversiones en la creación de un sistema de circulación petrotérmica (PCS) se estiman en 1.6-4 mil dólares por 1 kW de capacidad instalada, lo que excede el costo de construcción de una central nuclear y es comparable al costo de construcción eólica y plantas de energía solar.
La ventaja económica obvia de GeoTPP es un portador de energía gratuito. A modo de comparación, en la estructura de costos de un TPP o una central nuclear en funcionamiento, el combustible representa entre el 50% y el 80% o incluso más, según los precios actuales de la energía. De ahí otra ventaja del sistema geotérmico: los costos operativos son más estables y predecibles, ya que no dependen de la coyuntura externa de los precios de la energía. En general, los costos operativos del GeoTPP se estiman en 2 a 10 centavos (60 kopeks - 3 rublos) por 1 kWh de capacidad producida.
La segunda partida de gasto más importante (después de los portadores de energía) (y muy significativa) es, por regla general, los sueldos del personal de la planta, que pueden diferir radicalmente entre países y regiones.
En promedio, el costo de 1 kWh de energía geotérmica es comparable al de los TPP (en condiciones rusas, alrededor de 1 rublo / 1 kWh) y diez veces más alto que el costo de generar electricidad en centrales hidroeléctricas (5-10 kopeks / 1 kWh).
Parte de la razón del alto costo radica en el hecho de que, a diferencia de las centrales térmicas e hidráulicas, GeoTPP tiene una capacidad relativamente pequeña. Además, es necesario comparar sistemas ubicados en la misma región y en condiciones similares. Por ejemplo, en Kamchatka, según los expertos, 1 kWh de electricidad geotérmica cuesta 2-3 veces menos que la electricidad producida en las centrales térmicas locales.
Los indicadores de la eficiencia económica de un sistema geotérmico dependen, por ejemplo, de si es necesario eliminar las aguas residuales y de qué forma se hace, si es posible un uso combinado del recurso. Por lo tanto, los elementos y compuestos químicos extraídos del agua termal pueden proporcionar ingresos adicionales. Recordemos el ejemplo de Larderello: era la producción química lo principal allí, y el uso de la energía geotérmica fue inicialmente auxiliar.
La energía geotérmica avanza
La energía geotérmica se está desarrollando de manera algo diferente a la eólica y la solar. En la actualidad, depende en gran medida de la naturaleza del recurso en sí, que difiere drásticamente según la región, y las concentraciones más altas están vinculadas a zonas estrechas de anomalías geotérmicas, asociadas, por regla general, con áreas de fallas tectónicas y vulcanismo.
Además, la energía geotérmica tiene menos capacidad tecnológica en comparación con la eólica, y más aún con la energía solar: los sistemas de las plantas geotérmicas son bastante simples.
En la estructura total de la producción mundial de electricidad, el componente geotérmico representa menos del 1%, pero en algunas regiones y países su participación alcanza el 25-30%. Debido a la vinculación con las condiciones geológicas, una parte significativa de las capacidades de energía geotérmica se concentra en los países del tercer mundo, donde hay tres grupos de mayor desarrollo de la industria: las islas del sudeste asiático, América Central y África Oriental. Las dos primeras regiones están incluidas en el "cinturón de fuego de la Tierra" del Pacífico, la tercera está vinculada al Rift de África Oriental. Lo más probable es que la energía geotérmica continúe desarrollándose en estos cinturones. Una perspectiva más lejana es el desarrollo de la energía petrotermal, utilizando el calor de las capas de la tierra, que se encuentran a una profundidad de varios kilómetros. Este es un recurso casi omnipresente, pero su extracción requiere altos costos, por lo que la energía petrotermal se está desarrollando principalmente en los países más poderosos económica y tecnológicamente.
En general, dada la distribución ubicua de los recursos geotérmicos y un nivel aceptable de seguridad ambiental, hay razones para creer que la energía geotérmica tiene buenas perspectivas de desarrollo. Especialmente con la creciente amenaza de una escasez de fuentes de energía tradicionales y el aumento de sus precios.
De Kamchatka al Cáucaso
En Rusia, el desarrollo de la energía geotérmica tiene una historia bastante larga, y en varios puestos estamos entre los líderes mundiales, aunque la participación de la energía geotérmica en el balance energético total de un país enorme sigue siendo insignificante.
Dos regiones, Kamchatka y el norte del Cáucaso, se han convertido en pioneros y centros para el desarrollo de la energía geotérmica en Rusia, y si en el primer caso estamos hablando principalmente de la industria de la energía eléctrica, en el segundo, sobre el uso de energía térmica. de agua termal.
En el norte del Cáucaso, en el territorio de Krasnodar, Chechenia, Daguestán, el calor de las aguas termales con fines energéticos se utilizó incluso antes del Gran Guerra patria... En las décadas de 1980 y 1990, el desarrollo de la energía geotérmica en la región por razones obvias se estancó y aún no ha salido de un estado de estancamiento. Sin embargo, el suministro de agua geotérmica en el Cáucaso Norte proporciona calor a unas 500 mil personas y, por ejemplo, la ciudad de Labinsk en el Territorio de Krasnodar con una población de 60 mil personas está completamente calentada por aguas geotérmicas.
En Kamchatka, la historia de la energía geotérmica se asocia principalmente con la construcción de GeoPP. La primera de ellas, que todavía funciona con las estaciones Pauzhetskaya y Paratunskaya, se construyó en 1965-1967, mientras que Paratunskaya GeoPP con una capacidad de 600 kW se convirtió en la primera estación del mundo con ciclo binario. Fue el desarrollo de los científicos soviéticos SS Kutateladze y A.M. Rosenfeld del Instituto de Termofísica de la Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia, quienes en 1965 recibieron un certificado de autor para la extracción de electricidad del agua con una temperatura de 70 ° C. Más tarde, esta tecnología se convirtió en un prototipo de más de 400 GeoPP binarios en el mundo.
La capacidad del GeoPP de Pauzhetskaya, encargado en 1966, fue inicialmente de 5 MW y posteriormente aumentó a 12 MW. Actualmente, se está construyendo un bloque binario en la estación, que aumentará su capacidad en otros 2,5 MW.
El desarrollo de la energía geotérmica en la URSS y Rusia se vio obstaculizado por la disponibilidad de fuentes de energía tradicionales: petróleo, gas, carbón, pero nunca se detuvo. Las instalaciones de energía geotérmica más grandes en este momento son Verkhne-Mutnovskaya GeoPP con una capacidad total de 12 MW de unidades de energía, puesta en servicio en 1999, y Mutnovskaya GeoPP con una capacidad de 50 MW (2002).
Los GeoPP de Mutnovskaya y Verkhne-Mutnovskaya son objetos únicos no solo para Rusia, sino también a escala mundial. Las estaciones están ubicadas al pie del volcán Mutnovsky, a una altitud de 800 metros sobre el nivel del mar, y operan en condiciones extremas. condiciones climáticas donde 9-10 meses al año es invierno. El equipo de Mutnovsky GeoPP, actualmente uno de los más modernos del mundo, se crea completamente en empresas nacionales de ingeniería energética.
En la actualidad, la participación de las plantas de Mutnovskie en la estructura total del consumo de energía del centro energético de Kamchatka Central es del 40%. Está previsto un aumento de capacidad en los próximos años.
Por separado, debería decirse sobre los desarrollos petrotermales rusos. Todavía no tenemos grandes DSP, pero existen tecnologías avanzadas para perforar a grandes profundidades (unos 10 km), que tampoco tienen análogos en el mundo. Su mayor desarrollo permitirá reducir drásticamente el costo de creación de sistemas petrotermales. Los desarrolladores de estas tecnologías y proyectos son N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Instituto Geológico, RAS), A. S. Nekrasov (Instituto de Previsión Económica, RAS) y especialistas de Kaluga Turbine Works. El proyecto de un sistema de circulación petrotermal en Rusia se encuentra actualmente en una etapa experimental.
Hay perspectivas para la energía geotérmica en Rusia, aunque relativamente lejanas: en este momento, el potencial es bastante grande y las posiciones de la energía tradicional son fuertes. Al mismo tiempo, en varias regiones remotas del país, el uso de energía geotérmica es económicamente rentable y tiene demanda ahora. Estos son territorios con alto potencial geoenergético (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - la parte rusa del Pacífico "cinturón de fuego de la Tierra", montañas Sur de siberia y el Cáucaso) y al mismo tiempo remoto y desconectado del suministro eléctrico centralizado.
Probablemente, en las próximas décadas, la energía geotérmica en nuestro país se desarrollará precisamente en tales regiones.
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