Dottore in Scienze Tecniche SUL. vergogna, professore,
Accademico dell'Accademia Russa delle Scienze Tecnologiche, Mosca

Negli ultimi decenni, il mondo ha preso in considerazione la direzione di un uso più efficiente dell'energia del calore profondo della Terra per sostituire parzialmente il gas naturale, il petrolio e il carbone. Ciò sarà possibile non solo in aree con parametri geotermici elevati, ma anche in qualsiasi area. il globo durante la perforazione di pozzi di iniezione e produzione e la creazione di sistemi di circolazione tra di essi.

L'interesse per le fonti energetiche alternative che è aumentato negli ultimi decenni nel mondo è causato dall'esaurimento delle riserve di idrocarburi e dalla necessità di risolvere una serie di problemi problemi ambientali... Fattori oggettivi (riserve di combustibili fossili e di uranio, nonché cambiamenti nell'ambiente causati dal fuoco tradizionale e dall'energia nucleare) consentono di affermare che il passaggio a nuovi metodi e forme di produzione di energia è inevitabile.

L'economia mondiale si è ormai avviata verso una transizione verso una combinazione razionale di fonti energetiche tradizionali e nuove. Il calore della Terra occupa uno dei primi posti tra di loro.

Le risorse energetiche geotermiche si dividono in idrogeologiche e petrogeotermiche. I primi sono rappresentati da vettori di calore (costituiscono solo l'1% delle risorse totali di energia geotermica) - acque sotterranee, vapore e miscele di acqua e vapore. Questi ultimi sono energia geotermica contenuta nelle rocce calde.

La tecnologia delle fontane (autoscaricamento) utilizzata nel nostro Paese e all'estero per l'estrazione di vapore naturale e acque geotermiche è semplice, ma inefficace. Con una bassa portata di pozzi autofluenti, la loro produzione di calore può recuperare i costi di perforazione solo a bassa profondità di serbatoi geotermici con alte temperature in aree di anomalie termiche. La durata di tali pozzi in molti paesi non raggiunge nemmeno i 10 anni.

Allo stesso tempo, l'esperienza conferma che in presenza di serbatoi poco profondi di vapore naturale, la costruzione di una centrale geotermica è l'opzione più redditizia per l'utilizzo dell'energia geotermica. Il funzionamento di tali centrali geotermiche ha dimostrato la loro competitività rispetto ad altri tipi di centrali elettriche. Pertanto, l'uso delle riserve di acque geotermiche e idroterme a vapore nel nostro paese sulla penisola di Kamchatka e sulle isole della cresta Kuril, nelle regioni del Caucaso settentrionale, nonché possibilmente in altre regioni, è opportuno e tempestivo. Ma i depositi di vapore sono rari, le sue riserve note e probabili sono piccole. I depositi molto più diffusi di calore e acqua elettrica non si trovano sempre abbastanza vicino al consumatore: l'oggetto di fornitura di calore. Ciò esclude la possibilità di un loro uso efficiente su larga scala.

Molto spesso, i problemi relativi al controllo della scala si trasformano in un problema complesso. L'uso di sorgenti geotermiche, solitamente mineralizzate come vettore di calore, porta alla crescita eccessiva delle zone dei pozzi con formazioni di ossido di ferro, carbonato di calcio e silicato. Inoltre, i problemi di erosione-corrosione e depositi di calcare influiscono negativamente sul funzionamento dell'apparecchiatura. Il problema, inoltre, è lo scarico di acque reflue mineralizzate contenenti impurità tossiche. Pertanto, la più semplice tecnologia delle fontane non può fungere da base per l'ampio sviluppo delle risorse geotermiche.

Secondo stime preliminari sul territorio Federazione Russa Le riserve previste di acque termali con una temperatura di 40-250°C, salinità 35-200 g/l e una profondità fino a 3000 m sono 21-22 milioni di m3/giorno, che equivale a bruciare 30-40 milioni di tonnellate di carburante equivalente. nell'anno.

Le riserve previste della miscela vapore-aria con una temperatura di 150-250 ° C della penisola di Kamchatka e delle Isole Curili sono di 500 mila m3 / giorno. e riserve di acque termali con una temperatura di 40-100 ° C - 150 mila m3 / giorno.

Sono considerate di primaria importanza per lo sviluppo le riserve di acqua termale con una portata di circa 8 milioni di m3/giorno, con una salinità fino a 10 g/le una temperatura superiore ai 50°C.

L'estrazione dell'energia termica, risorsa petro-geotermica praticamente inesauribile, riveste un'importanza molto maggiore per il settore energetico del futuro. Questa energia geotermica, racchiusa in solide rocce calde, rappresenta il 99% delle risorse totali di energia termica sotterranea. Ad una profondità di 4-6 km, massicci con una temperatura di 300-400 ° C si possono trovare solo vicino ai fuochi intermedi di alcuni vulcani, ma rocce calde con una temperatura di 100-150 ° C sono distribuite a queste profondità quasi ovunque , e con una temperatura di 180-200 ° C in una parte abbastanza significativa del territorio della Russia.

Per miliardi di anni, i processi nucleari, gravitazionali e di altro tipo all'interno della Terra hanno generato e stanno generando energia termica... Una parte di essa viene irradiata nello spazio esterno e il calore si accumula nelle viscere, ad es. il contenuto di calore delle fasi solida, liquida e gassosa della materia terrestre è chiamato energia geotermica.

La generazione continua di calore interno compensa le sue perdite esterne, funge da fonte di accumulo di energia geotermica e determina la parte rinnovabile delle sue risorse. La rimozione totale del calore dal sottosuolo a superficie terrestre tre volte la capacità attuale delle centrali elettriche nel mondo ed è stimata in 30 TW.

Tuttavia, è chiaro che la rinnovabilità conta solo per un periodo limitato risorse naturali, e il potenziale totale dell'energia geotermica è praticamente inesauribile, poiché dovrebbe essere definito come la quantità totale di calore che possiede la Terra.

Non è un caso che negli ultimi decenni il mondo stia valutando la direzione di un uso più efficiente dell'energia del calore profondo della Terra al fine di sostituire parzialmente gas naturale, petrolio, carbone. Ciò diventerà possibile non solo in aree con parametri geotermici elevati, ma anche in qualsiasi regione del mondo durante la perforazione di pozzi di iniezione e produzione e la creazione di sistemi di circolazione tra di essi.

Naturalmente, con bassa conducibilità termica delle rocce, per un efficiente funzionamento dei sistemi di circolazione, è necessario avere o creare una superficie di scambio termico sufficientemente sviluppata nella zona di estrazione del calore. Tale superficie è dotata di formazioni porose e zone di naturale tenacità a frattura, che spesso si trovano alle profondità sopra indicate, la cui permeabilità consente di organizzare la filtrazione forzata del refrigerante con efficiente estrazione dell'energia della roccia, nonché di creare artificialmente un'ampia superficie di scambio termico in massicci porosi poco permeabili mediante fratturazione idraulica (vedi figura).

Attualmente, la fratturazione idraulica è utilizzata nell'industria petrolifera e del gas come un modo per aumentare la permeabilità dei giacimenti per migliorare il recupero del petrolio nello sviluppo dei giacimenti petroliferi. Tecnologia moderna permette di creare una fessura stretta ma lunga, oppure una fessura corta ma larga. Sono noti esempi di fratturazione idraulica con fratture lunghe fino a 2-3 km.

L'idea domestica di estrarre le principali risorse geotermiche contenute in rocce dure, è stato espresso nel 1914 da K.E. Tsiolkovsky e nel 1920 il sistema di circolazione geotermica (GCC) in un massiccio granitico caldo è stato descritto da V.A. Obruchev.

Nel 1963 fu creato a Parigi il primo GCC per estrarre calore da formazioni porose per il riscaldamento e il condizionamento dell'aria nei locali del complesso Brodkastin Chaos. Nel 1985 erano già in funzione in Francia 64 GVC con una potenza termica complessiva di 450 MW, con un risparmio annuo di circa 150mila tonnellate di petrolio. Nello stesso anno, il primo GCC di questo tipo fu creato in URSS nella valle di Khankala vicino a Grozny.

Nel 1977, su progetto del Los Alamos National Laboratory degli USA, furono iniziate le prove di un GVC sperimentale con fratturazione idraulica di una massa quasi impermeabile presso il sito di Fenton Hill nel New Mexico. L'acqua dolce fredda iniettata attraverso il pozzo (iniezione) è stata riscaldata per scambio termico con l'ammasso roccioso (185 OC) in una frattura verticale con un'area di 8000 m2, formata da fratturazione idraulica a una profondità di 2,7 km. In un altro pozzo (produzione), anch'esso attraversando questa frattura, l'acqua surriscaldata affiorava in superficie sotto forma di getto di vapore. Quando circola in un circuito chiuso sotto pressione, la temperatura dell'acqua surriscaldata in superficie ha raggiunto 160-180 ° C e la potenza termica del sistema - 4-5 MW. Le perdite di refrigerante nel massiccio circostante rappresentavano circa l'1% della portata totale. La concentrazione di impurità meccaniche e chimiche (fino a 0,2 g/l) corrispondeva alle condizioni di fresco bevendo acqua... La frattura idraulica non necessitava di fissaggio ed era mantenuta aperta dalla pressione idrostatica del fluido. La libera convezione che si sviluppava in esso assicurava un'efficace partecipazione allo scambio termico di quasi tutta la superficie dell'affioramento dell'ammasso roccioso.

L'estrazione di energia termica sotterranea da rocce calde impermeabili, basata sui metodi di perforazione direzionale e fratturazione idraulica, sviluppati e praticati a lungo nell'industria petrolifera e del gas, non ha causato attività sismica o altri effetti dannosi sull'ambiente.

Nel 1983, gli scienziati britannici hanno ripetuto l'esperienza americana creando una fratturazione idraulica sperimentale GVC a Carnwell. Un lavoro simile è stato svolto in Germania e Svezia. Negli Stati Uniti sono stati realizzati più di 224 progetti di riscaldamento geotermico. Allo stesso tempo, si presume che le risorse geotermiche possano fornire la maggior parte del fabbisogno futuro di energia termica degli Stati Uniti per esigenze non elettriche. In Giappone, la capacità della centrale geotermica nel 2000 ha raggiunto circa 50 GW.

Attualmente, la ricerca e l'esplorazione delle risorse geotermiche vengono svolte in 65 paesi. Nel mondo sono state realizzate stazioni con una capacità totale di circa 10 GW sulla base dell'energia geotermica. L'ONU sostiene attivamente lo sviluppo dell'energia geotermica.

L'esperienza nell'utilizzo di vettori di calore geotermici accumulati in molti paesi del mondo mostra che in condizioni favorevoli risultano essere 2-5 volte più redditizi delle centrali termiche e nucleari. I calcoli mostrano che un pozzo geotermico può sostituire 158mila tonnellate di carbone all'anno.

Pertanto, il calore della Terra è, forse, l'unica grande risorsa energetica rinnovabile, il cui sviluppo razionale promette di ridurre il costo dell'energia rispetto alla moderna energia da combustibile. Con un potenziale energetico altrettanto inesauribile, gli impianti solari e termonucleari, purtroppo, saranno più costosi di quelli esistenti per i combustibili.

Nonostante una storia molto lunga di sviluppo del calore terrestre, la tecnologia geotermica non ha ancora raggiunto il suo alto sviluppo. Lo sviluppo dell'energia termica terrestre sta incontrando grandi difficoltà nella costruzione di pozzi profondi, che sono un canale per portare il refrigerante in superficie. A causa dell'elevata temperatura nel foro di fondo (200-250 ° C), i tradizionali strumenti per il taglio della roccia non sono molto adatti per lavorare in tali condizioni, sono imposti requisiti speciali sulla selezione di aste di perforazione e rivestimento, fanghi di cemento, tecnologia di perforazione, rivestimento e completamento di pozzi. Le apparecchiature di misura domestiche, i raccordi e le apparecchiature di servizio in serie sono fabbricati in un design che consente temperature non superiori a 150-200 ° C. La tradizionale perforazione meccanica profonda dei pozzi a volte richiede anni e notevoli costi finanziari. Nei principali asset produttivi, il costo dei pozzi varia dal 70 al 90%. È possibile e necessario risolvere questo problema solo creando una tecnologia progressiva per lo sviluppo della maggior parte delle risorse geotermiche, ad es. estrarre energia dalle rocce calde.

Il nostro gruppo di scienziati e specialisti russi si occupa da più di un anno del problema dell'estrazione e dell'utilizzo dell'inesauribile e rinnovata energia termica profonda delle rocce calde della Terra sul territorio della Federazione Russa. Lo scopo del lavoro è creare, sulla base delle alte tecnologie domestiche, mezzi tecnici per la penetrazione profonda nelle viscere della crosta terrestre. Attualmente sono state sviluppate diverse varianti di gruppi di perforazione (BS), che non hanno analoghi nella pratica mondiale.

Il funzionamento della prima opzione BS è legato alla tecnologia convenzionale di perforazione di pozzi esistente. La velocità di perforazione di rocce dure (densità media 2500-3300 kg / m3) è fino a 30 m / h, il diametro del foro è 200-500 mm. La seconda versione del BS esegue la perforazione di pozzi in modo autonomo e automatico. Il lancio viene effettuato da una speciale piattaforma di lancio e accettazione, dalla quale viene controllato il suo movimento. Mille metri di BS in rocce dure potranno passare in poche ore. Diametro del foro da 500 a 1000 mm. Le opzioni BS riutilizzabili sono convenienti e hanno un enorme valore potenziale. L'introduzione del BS in produzione aprirà una nuova fase nella costruzione di pozzi e fornirà l'accesso a fonti inesauribili di energia termica dalla Terra.

Per le esigenze di fornitura di calore, la profondità richiesta dei pozzi in tutto il paese si trova nell'intervallo fino a 3-4,5 mila metri e non supera i 5-6 mila metri La temperatura del vettore di calore per l'edilizia abitativa e il riscaldamento comunale non andare oltre i 150°C. Per gli impianti industriali, la temperatura, di regola, non supera i 180-200 ° C.

Lo scopo del GCC è fornire calore permanente, conveniente ed economico alle regioni remote, difficili da raggiungere e non sviluppate della Federazione Russa. La durata del funzionamento del GCS è di 25-30 anni e oltre. Il periodo di ammortamento delle stazioni (tenendo conto delle ultime tecnologie di perforazione) è di 3-4 anni.

La realizzazione nella Federazione Russa nei prossimi anni delle corrispondenti capacità di utilizzo dell'energia geotermica per fabbisogni non elettrici consentirà di sostituire circa 600 milioni di tonnellate di combustibile equivalente. I risparmi possono ammontare fino a 2 trilioni di rubli.

Nel periodo fino al 2030, diventa possibile creare capacità energetiche per sostituire l'energia alimentata fino al 30% e fino al 2040 per escludere quasi completamente le materie prime organiche come combustibile dal bilancio energetico della Federazione Russa.

Letteratura

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4. Novikov GP et al.Perforazione di pozzi per acque termali. Mosca: Nedra, 1986.229 p.

2. Regime termico della Terra

La terra è un corpo spaziale freddo. La temperatura superficiale dipende principalmente dal calore esterno. Il 95% del calore dello strato superiore della Terra è esterno (solare) caldo e solo il 5% caldo interno , che proviene dalle viscere della Terra e comprende diverse fonti di energia. All'interno della Terra, la temperatura aumenta con la profondità da 1300°C (nel mantello superiore) a 3700°C (al centro del nucleo).

Calore esterno... Il calore arriva alla superficie della Terra principalmente dal Sole. Ogni centimetro quadrato di superficie riceve circa 2 calorie di calore in un minuto. Questa quantità si chiama costante solare e determina la quantità totale di calore fornita alla Terra dal Sole. Per un anno ammonta a 2,26 · 10 21 calorie. La profondità di penetrazione del calore solare nelle viscere della Terra dipende principalmente dalla quantità di calore che cade per unità di superficie e dalla conduttività termica delle rocce. La profondità massima alla quale penetra il calore esterno è di 200 m negli oceani e di circa 40 m sulla terraferma.

Calore interno... Con la profondità, c'è un aumento della temperatura, che si verifica in modo molto irregolare in diversi territori. L'aumento di temperatura segue la legge adiabatica e dipende dalla compressione della sostanza in pressione quando lo scambio termico con l'ambiente è impossibile.

Le principali fonti di calore all'interno della Terra:

Il calore rilasciato durante il decadimento radioattivo degli elementi.

Calore residuo, conservato dal momento della formazione della Terra.

Calore gravitazionale rilasciato durante la compressione della Terra e distribuzione della materia in termini di densità.

Calore generato da reazioni chimiche che avvengono nelle profondità della crosta terrestre.

Calore rilasciato dall'attrito delle maree della Terra.

Ci sono 3 zone di temperatura:

IO - zona a temperatura variabile ... La variazione di temperatura è determinata dal clima locale. Le fluttuazioni giornaliere si attenuano praticamente a una profondità di circa 1,5 m e le fluttuazioni annuali a una profondità di 20 ... 30 m. zona di congelamento.

II- zona a temperatura costante situato a una profondità di 15 ... 40 m, a seconda della regione.

III - zona di aumento della temperatura .

Il regime di temperatura delle rocce nelle viscere della crosta terrestre è solitamente espresso da un gradiente geotermico e da un gradino geotermico.

Viene chiamata la quantità di aumento di temperatura per ogni 100 m di profondità gradiente geotermico... In Africa, nel campo di Witwatersrand, è 1,5 ° , in Giappone (Echigo) - 2,9 ° , nell'Australia meridionale - 10,9 ° , in Kazakistan (Samarinda) - 6,3 ° , nella penisola di Kola - 0,65 ° C .

Riso. 3. Zone di temperatura nella crosta terrestre: I - zona di temperature variabili, Iа - zona di congelamento; II - zona di temperature costanti; III - zona di aumento della temperatura.

Viene chiamata la profondità alla quale la temperatura aumenta di 1 grado passo geotermico. I valori numerici del passaggio geotermico non sono costanti non solo a diverse latitudini, ma anche a diverse profondità dello stesso punto nella regione. La grandezza del gradino geotermico varia da 1,5 a 250 m. Ad Arkhangelsk è di 10 m, a Mosca - 38,4 m e a Pyatigorsk - 1,5 m. Il valore medio teorico di questo passaggio è di 33 m.

In un pozzo perforato a Mosca a una profondità di 1630 m, la temperatura del pozzo di fondo era di 41 ° C e in una miniera perforata nel Donbass a una profondità di 1545 m, la temperatura era di 56,3 ° C. La temperatura più alta è stata registrata negli Stati Uniti in un pozzo con una profondità di 7136 m, dove è pari a 224 ° C. L'aumento della temperatura con la profondità dovrebbe essere preso in considerazione quando si progettano strutture profonde.Secondo i calcoli, a una profondità di 400 km, la temperatura dovrebbe raggiungere 1400 ... 1700 ° C. Le temperature più alte (circa 5000°C) sono state ottenute per il nucleo terrestre.

Il calore della Terra. Possibili fonti di calore interno

geotermia- una scienza che studia il campo termico della Terra. La temperatura media della superficie terrestre ha una generale tendenza a diminuire. Tre miliardi di anni fa, la temperatura media sulla superficie terrestre era di 71°, ora è di 17°. Fonti termiche (termali ) I campi della Terra sono processi interni ed esterni. Il calore della Terra è causato dalla radiazione solare e ha origine nelle viscere del pianeta. Le grandezze dell'afflusso di calore da entrambe le fonti sono quantitativamente estremamente diseguali e i loro ruoli nella vita del pianeta sono diversi. Il riscaldamento solare della Terra è il 99,5% del calore totale ricevuto dalla sua superficie e la quota del riscaldamento interno è dello 0,5%. Inoltre, l'afflusso di calore interno è distribuito in modo molto irregolare sulla Terra ed è concentrato principalmente nei luoghi in cui si verifica il vulcanismo.

La fonte esterna è la radiazione solare . La metà dell'energia solare viene assorbita dalla superficie, dalla vegetazione e dallo strato superficiale della crosta terrestre. L'altra metà si riflette nello spazio del mondo. La radiazione solare mantiene la temperatura della superficie terrestre ad una media di circa 0 0 C. Il sole riscalda lo strato vicino alla superficie della Terra ad una profondità media di 8-30 m, con una profondità media di 25 m, la l'influenza del calore solare cessa e la temperatura diventa costante (strato neutro). Questa profondità è minima nelle zone con clima marittimo e massima nella regione subpolare. Al di sotto di questo confine, c'è una fascia di temperatura costante corrispondente alla temperatura media annuale di una data area. Quindi, ad esempio, a Mosca sul territorio agricolo. accademia intitolata Timiryazev, a una profondità di 20 m, la temperatura è rimasta invariabilmente pari a 4,2 ° C dal 1882. A Parigi, a una profondità di 28 m, il termometro ha costantemente segnato 11,83 ° C per più di 100 anni permafrost. Al di sotto della fascia di temperatura costante si trova la zona geotermica, caratterizzata dal calore generato dalla Terra stessa.

Le fonti interne sono le viscere della Terra. La Terra irradia più calore nello spazio mondiale di quello che riceve dal Sole. Le fonti interne includono il calore residuo dal momento in cui il pianeta è stato fuso, il calore delle reazioni termonucleari che si verificano nelle viscere della Terra, il calore della compressione gravitazionale della Terra sotto l'influenza della gravità, il calore delle reazioni chimiche e dei processi di cristallizzazione, ecc. (ad esempio, attrito di marea). Il calore delle viscere proviene principalmente dalle zone mobili. Un aumento della temperatura con la profondità è associato all'esistenza di fonti interne di calore - il decadimento degli isotopi radioattivi - U, Th, K, differenziazione gravitazionale della materia, attrito mareale, redox esotermico reazioni chimiche, metamorfismo e transizioni di fase. Il tasso di aumento della temperatura con la profondità è determinato da una serie di fattori: conduttività termica, permeabilità delle rocce, vicinanza di fuochi vulcanici, ecc.

Al di sotto della fascia delle temperature costanti, vi è un aumento della temperatura, in media di 1 o ogni 33 m ( stadio geotermico) o 3 circa ogni 100 m ( gradiente geotermico). Questi valori sono indicatori del campo termico terrestre. È chiaro che questi valori sono medi e di diversa grandezza in diverse regioni o zone della Terra. Lo stadio geotermico è diverso in diversi punti della Terra. Ad esempio, a Mosca - 38,4 m, a Leningrado - 19,6, ad Arkhangelsk - 10. Quindi, durante la perforazione di un pozzo profondo nella penisola di Kola a una profondità di 12 km, è stata ipotizzata una temperatura di 150 o, ma in realtà si è trasformata fuori essere di circa 220 gradi. Durante la perforazione di pozzi nella regione del Caspio settentrionale a una profondità di 3000 m, è stata ipotizzata una temperatura di 150 o gradi, ma si è rivelata essere di 108 o.

Va notato che le caratteristiche climatiche della zona e temperatura media annuale non influiscono sulla variazione del valore del gradino geotermico, i motivi sono i seguenti:

1) nella diversa conducibilità termica delle rocce che compongono una determinata area. La misura della conducibilità termica è intesa come la quantità di calore in calorie trasmessa in 1 secondo. Attraverso una sezione di 1 cm 2 con un gradiente di temperatura di 1 circa C;

2) nella radioattività delle rocce, maggiore è la conducibilità termica e la radioattività, minore è lo stadio geotermico;

3) in diverse condizioni di assestamento delle rocce ed età di disturbo del loro assestamento; le osservazioni hanno mostrato che la temperatura aumenta più velocemente negli strati raccolti in pieghe, in essi ci sono più spesso disturbi (crepe), lungo i quali è facilitato l'accesso di calore dalle profondità;

4) la natura delle acque sotterranee: i corsi d'acqua sotterranei caldi riscaldano le rocce, quelli freddi raffreddano;

5) lontananza dall'oceano: vicino all'oceano a causa del raffreddamento delle rocce con una massa d'acqua, lo stadio geotermico è maggiore e al contatto è minore.

La conoscenza della grandezza specifica dello stadio geotermico è di grande importanza pratica.

1. Questo è importante quando si progettano le miniere. In alcuni casi, sarà necessario adottare misure per abbassare artificialmente la temperatura nelle miniere profonde (la temperatura - 50 ° C è la massima per una persona in aria secca e 40 ° C in aria umida); in altri sarà possibile lavorare a grandi profondità.

2. Di grande importanza è la valutazione delle condizioni di temperatura durante lo scavo di gallerie in aree montuose.

3. Lo studio delle condizioni geotermiche dell'interno della Terra consente di utilizzare il vapore e le sorgenti termali che fuoriescono dalla superficie terrestre. Il calore sotterraneo viene utilizzato, ad esempio, in Italia, in Islanda; in Russia, in Kamchatka, è stata costruita una centrale elettrica industriale sperimentale sul calore naturale.

Utilizzando i dati sulla grandezza del gradino geotermico, è possibile fare alcune ipotesi sulle condizioni di temperatura delle zone profonde della Terra. Se prendiamo il valore medio del gradino geotermico come 33 m e supponiamo che l'aumento della temperatura con la profondità avvenga in modo uniforme, allora a una profondità di 100 km ci sarà una temperatura di 3000 ° C. Questa temperatura supera il punto di fusione di tutti sostanze conosciute sulla Terra, quindi, a questa profondità devono esserci masse fuse... Ma a causa dell'enorme pressione di 31.000 atm. Le masse surriscaldate non hanno segni inerenti ai liquidi, ma sono dotate di segni di un solido.

Con la profondità, il gradino geotermico dovrebbe apparentemente aumentare in modo significativo. Se assumiamo che il gradino non cambi con la profondità, la temperatura al centro della Terra dovrebbe essere di circa 200.000 o gradi e, secondo i calcoli, non può superare i 5000 - 10.000 o.

Le principali fonti di energia termica della Terra sono [,]:

• calore di differenziazione gravitazionale;
• calore radiogeno;
• calore di attrito mareale;
• calore di accrescimento;
• calore di attrito rilasciato a causa della rotazione differenziale del nucleo interno rispetto al nucleo esterno, esterno rispetto al mantello e ai singoli strati all'interno del nucleo esterno.

Ad oggi sono state valutate quantitativamente solo le prime quattro fonti. Nel nostro paese, il merito principale in questo appartiene O.G. Sorokhtin e S.A. Ushakov... I dati seguenti si basano principalmente sui calcoli di questi scienziati.

Calore della differenziazione gravitazionale terrestre

Una delle leggi più importanti dello sviluppo della Terra è differenziazione la sua sostanza, che continua ancora oggi. A causa di questa differenziazione, la formazione di nucleo e crosta, cambiamento nella composizione del primario mantello, mentre la separazione di una sostanza inizialmente omogenea in frazioni di diversa densità è accompagnata dal rilascio energia termica, e il massimo rilascio di calore si verifica quando la materia terrestre è divisa in nucleo denso e pesante e residuo accendino involucro in silicato - mantello di terra... Attualmente, la maggior parte di questo calore viene rilasciata al confine mantello - nucleo.

Energia di differenziazione gravitazionale della Terra per tutto il tempo della sua esistenza si è distinto - 1.46 * 10 38 erg (1.46 * 10 31 J). questa energia per la maggior parte, prima va in energia cinetica flussi convettivi di materia del mantello, e poi in calore; l'altra parte viene spesa per ulteriori compressione dell'interno della terra derivante dalla concentrazione di fasi dense nella parte centrale della Terra. A partire dal 1.46 * 10 38 erg l'energia di differenziazione gravitazionale della Terra per la sua compressione aggiuntiva è andata 0.23 * 10 38 erg (0,23 * 10 31 J), e sotto forma di calore è stato rilasciato 1.23 * 10 38 erg (1.23 * 10 31 J). Il valore di questo componente termico supera significativamente il rilascio totale di tutti gli altri tipi di energia nella Terra. La distribuzione nel tempo del valore totale e della velocità di rilascio della componente termica dell'energia gravitazionale è mostrata in Fig. 3.6 .

Riso. 3.6.

L'attuale livello di generazione di calore durante la differenziazione gravitazionale della Terra è 3 * 10 20 erg/sec (3*10 13W), che il valore del moderno flusso di calore che attraversa la superficie del pianeta in ( 4.2-4.3) * 10 20 erg/s ((4.2-4.3) * 10 13W), è ~ 70% .

Calore radiogeno

Causato dal decadimento radioattivo di instabile isotopi... Il più energivoro e longevo ( metà vita commisurato all'età della Terra) sono isotopi 238 U, 235 U, 232 Th e 40 K... Il loro volume principale è concentrato in crosta continentale... Generazione all'avanguardia calore radiogeno:

• in geofisica americana V. Wakye - 1.14 * 10 20 erg/s (1.14 * 10 13 W) ,
• per i geofisici russi O.G. Sorokhtin e S.A. Ushakov - 1,26 * 10 20 erg/sec(1,26 * 10 13 W) .

Dal valore del flusso di calore moderno, questo è ~ 27-30%.

Dal valore totale del calore di decadimento radioattivo in 1,26 * 10 20 erg/sec (1,26 * 10 13 W) nella crosta terrestre spicca - 0,91 * 10 20 erg/s, e nel mantello - 0,35 * 10 20 erg/s... Ne consegue che la quota di calore radiogeno del mantello non supera il 10% delle perdite termiche totali moderne della Terra, e non può essere la principale fonte di energia per processi tettonico-magmatici attivi, la cui profondità di origine può raggiungere 2900 chilometri; e il calore radiogeno rilasciato nella crosta si perde in tempi relativamente brevi attraverso la superficie terrestre e praticamente non partecipa al riscaldamento delle profondità interne del pianeta.

Nelle passate epoche geologiche, la quantità di calore radiogeno rilasciato nel mantello avrebbe dovuto essere maggiore. Le sue stime al momento della formazione della Terra ( 4,6 miliardi di anni fa) dare - 6.95 * 10 20 erg/sec... Da quel momento, c'è stata una costante diminuzione della velocità di rilascio di energia radiogena (Fig. 3.7 ).

Per tutto il tempo sulla Terra, ~ 4.27 * 10 37 erg(4.27 * 10 30 J) energia termica di decadimento radioattivo, che è quasi tre volte inferiore al calore totale di differenziazione gravitazionale.

Calore di attrito mareale

Si distingue durante l'interazione gravitazionale della Terra, prima di tutto, con la Luna, come il grande corpo cosmico più vicino. A causa della reciproca attrazione gravitazionale, nei loro corpi sorgono deformazioni di marea - rigonfiamento o gobbe... Le gobbe di marea dei pianeti, con la loro ulteriore attrazione, influenzano il loro movimento. Pertanto, l'attrazione di entrambe le gobbe di marea della Terra crea una coppia di forze che agiscono sia sulla Terra stessa che sulla Luna. Tuttavia, l'influenza del gonfiore vicino, rivolto verso la Luna, è leggermente più forte di quello lontano. A causa del fatto che la velocità angolare di rotazione della Terra moderna ( 7.27 * 10 -5 s -1) supera la velocità orbitale della Luna ( 2.66 * 10 -6 secondi -1), e la materia dei pianeti non è idealmente elastica, allora le gobbe di marea della Terra sembrano essere portate via dalla sua rotazione in avanti e superare notevolmente il moto della Luna. Ciò porta al fatto che le maree massime della Terra si verificano sempre sulla sua superficie un po' più tardi del momento climax La Luna e un ulteriore momento di forza agisce sulla Terra e sulla Luna (Fig. 3.8 ) .

I valori assoluti delle forze di interazione mareale nel sistema Terra-Luna sono ormai relativamente piccoli e le deformazioni mareali della litosfera da essi provocate possono raggiungere solo poche decine di centimetri, ma portano ad una graduale decelerazione della rotazione e, viceversa, all'accelerazione del moto orbitale della Luna e alla sua distanza dalla Terra. L'energia cinetica del movimento delle gobbe di marea terrestre viene convertita in energia termica a causa dell'attrito interno della materia nelle gobbe di marea.

Attualmente, la velocità di rilascio dell'energia delle maree è G. Macdonaldè ~ 0,25 * 10 20 erg/s (0,25 * 10 13 W), mentre la sua parte principale (circa 2/3) è presumibilmente dissipa(dissipa) nell'idrosfera. Di conseguenza, la frazione di energia di marea causata dall'interazione della Terra con la Luna e dissipata nella Terra solida (principalmente nell'astenosfera) non supera 2 % energia termica totale generata nelle sue viscere; e la proporzione delle maree solari non superi 20 % dagli effetti delle maree lunari. Pertanto, le maree solide ora non svolgono praticamente alcun ruolo nell'alimentare i processi tettonici con l'energia, ma in alcuni casi possono agire come "inneschi", ad esempio i terremoti.

La quantità di energia delle maree è direttamente correlata alla distanza tra gli oggetti spaziali. E se non si ipotizzano cambiamenti significativi nella scala temporale geologica per la distanza tra la Terra e il Sole, allora nel sistema Terra-Luna questo parametro è una quantità variabile. Indipendentemente dalle idee su, quasi tutti i ricercatori ammettono che su fasi iniziali lo sviluppo della Terra, la distanza dalla Luna era significativamente inferiore a quella moderna, nel processo di sviluppo planetario, secondo la maggior parte degli scienziati, aumenta gradualmente e secondo Yu.N. Avsyuk questa distanza subisce cambiamenti a lungo termine sotto forma di cicli "andare e venire" della luna... Quindi, si presume che nelle epoche geologiche passate il ruolo del calore delle maree nel bilancio termico totale della Terra fosse più significativo. In generale, per tutto il tempo dello sviluppo della Terra, ~ 3.3 * 10 37 erg (3,3 * 10 30 J) energia del calore di marea (questo è soggetto alla rimozione sequenziale della Luna dalla Terra). La variazione nel tempo della velocità di rilascio di questo calore è mostrata in Fig. 3.10 .

Più della metà della quantità totale di energia delle maree è stata rilasciata in katarchee (merda)) - 4,6-4,0 miliardi di anni fa, e in questo momento, solo a causa di questa energia, la Terra potrebbe ulteriormente riscaldarsi di ~ 500 0 С. Dal tardo Archeano, le maree lunari hanno avuto un'influenza trascurabile sullo sviluppo processi endogeni ad alta intensità energetica .

Calore accrescitivo

Questo è il calore immagazzinato dalla Terra dal momento della sua formazione. In corso accrescimento, che durò per diverse decine di milioni di anni, grazie alla collisione planetesimi La terra ha subito un notevole riscaldamento. Allo stesso tempo, non c'è consenso sull'entità di questo riscaldamento. Allo stato attuale, i ricercatori sono inclini a credere che, nel processo di accrescimento, la Terra abbia subito, se non completa, una fusione parziale significativa, che ha portato alla differenziazione iniziale della Proto-Terra in un nucleo di ferro pesante e un mantello di silicato leggero, e alla formazione "oceano di magma" sulla sua superficie o ad una profondità ridotta. Sebbene, anche prima degli anni '90, il modello di una Terra primaria relativamente fredda fosse considerato praticamente generalmente accettato, che gradualmente si è riscaldato a causa dei suddetti processi, accompagnato dal rilascio di una quantità significativa di energia termica.

Una valutazione accurata del calore di accrescimento primario e della sua frazione conservata fino ad oggi è associata a notevoli difficoltà. Di O.G. Sorokhtin e S.A. Ushakov, che sono sostenitori di una Terra primaria relativamente fredda, il valore dell'energia di accrescimento convertita in calore è - 20.13 * 10 38 erg (20.13 * 10 31 J)... Questa energia, in assenza di dispersioni termiche, sarebbe sufficiente per evaporazione completa materia terrestre, tk. la temperatura potrebbe salire a 30 000 0... Ma il processo di accrescimento è stato relativamente lungo e l'energia degli impatti planetesimi è stata rilasciata solo negli strati vicini alla superficie della Terra in crescita ed è stata rapidamente persa con la radiazione termica, quindi il riscaldamento primario del pianeta non è stato eccezionale. L'entità di questa radiazione termica, che va di pari passo con la formazione (accrescimento) della Terra, è stimata da questi autori come 19,4 * 10 38 erg (19,4 * 10 31 J) .

Il calore di accrescimento molto probabilmente gioca un ruolo insignificante nel moderno bilancio energetico della Terra.

Nel nostro Paese ricco di idrocarburi, la geotermia è una risorsa esotica che, allo stato attuale, difficilmente potrà competere con petrolio e gas. Tuttavia, questa forma alternativa di energia può essere utilizzata quasi ovunque ed è abbastanza efficiente.

Energia geotermica- questo è il calore dell'interno della terra. Viene prodotto nelle profondità e arriva alla superficie della Terra in forme diverse e con intensità variabile.

La temperatura degli strati superiori del suolo dipende principalmente da fattori esterni (esogeni): la luce solare e la temperatura dell'aria. In estate e di giorno il suolo si riscalda fino a una certa profondità, e in inverno e di notte si raffredda in seguito allo sbalzo della temperatura dell'aria e con un certo ritardo, aumentando con la profondità. L'influenza delle fluttuazioni giornaliere della temperatura dell'aria termina a profondità da poche a diverse decine di centimetri. Le fluttuazioni stagionali coprono strati più profondi del suolo - fino a decine di metri.

Ad una certa profondità - da decine a centinaia di metri - la temperatura del suolo viene mantenuta costante, pari alla temperatura media annuale dell'aria sulla superficie terrestre. Di questo è facile convincersene scendendo in una grotta sufficientemente profonda.

Quando la temperatura media annuale dell'aria in una determinata area è inferiore allo zero, questo si manifesta come permafrost (più precisamente, permafrost). Nella Siberia orientale, lo spessore, cioè lo spessore, dei terreni ghiacciati per tutto l'anno raggiunge i 200-300 m in alcuni punti.

Da una certa profondità (propria per ogni punto della mappa), l'azione del Sole e dell'atmosfera si indebolisce a tal punto che fattori endogeni (interni) emergono dall'alto e l'interno della terra si riscalda dall'interno, così che la temperatura comincia a salire con la profondità.

Il riscaldamento degli strati profondi della Terra è principalmente associato al decadimento degli elementi radioattivi che si trovano lì, sebbene siano anche chiamate altre fonti di calore, ad esempio, processi fisico-chimici, tettonici negli strati profondi della crosta terrestre e del mantello. Ma qualunque sia la ragione, la temperatura delle rocce e delle sostanze liquide e gassose associate cresce con la profondità. I minatori devono affrontare questo fenomeno: fa sempre caldo nelle miniere profonde. A una profondità di 1 km, il calore di trenta gradi è normale e più in profondità la temperatura è ancora più alta.

Il flusso di calore dell'interno della terra, che raggiunge la superficie terrestre, è piccolo - in media, la sua potenza è 0,03-0,05 W / m 2, o circa 350 W · h / m 2 all'anno. Sullo sfondo del flusso di calore del Sole e dell'aria da esso riscaldata, questo è un valore impercettibile: il Sole dona a tutti metro quadro la superficie terrestre è di circa 4.000 kWh all'anno, ovvero 10.000 volte di più (ovviamente in media, con un'enorme variazione tra le latitudini polari ed equatoriali e in funzione di altri fattori climatici e meteorologici).

L'insignificanza del flusso di calore dalle profondità alla superficie sulla maggior parte del pianeta è associata alla bassa conduttività termica delle rocce e alle peculiarità della struttura geologica. Ma ci sono eccezioni: luoghi in cui il flusso di calore è elevato. Si tratta, prima di tutto, di zone di faglie tettoniche, aumento dell'attività sismica e vulcanismo, dove trova sfogo l'energia dell'interno della terra. Tali zone sono caratterizzate da anomalie termiche della litosfera, qui il flusso di calore che raggiunge la superficie terrestre può essere più volte e anche ordini di grandezza più potente di quello "normale". Le eruzioni vulcaniche e le sorgenti di acqua calda portano in superficie un'enorme quantità di calore in queste zone.

Sono queste le aree più favorevoli allo sviluppo dell'energia geotermica. Sul territorio della Russia, questi sono, prima di tutto, la Kamchatka, le Isole Curili e il Caucaso.

Allo stesso tempo, lo sviluppo dell'energia geotermica è possibile quasi ovunque, poiché un aumento della temperatura con la profondità è un fenomeno onnipresente e il compito è "estrarre" calore dalle viscere, proprio come da lì vengono estratte le materie prime minerali.

In media, la temperatura aumenta con la profondità di 2,5-3 ° C per ogni 100 M. Il rapporto tra la differenza di temperatura tra due punti a diverse profondità e la differenza di profondità tra di loro è chiamato gradiente geotermico.

Il reciproco è il gradino geotermico, o intervallo di profondità, al quale la temperatura sale di 1°C.

Più alto è il gradiente e, di conseguenza, più basso è il gradino, più il calore delle profondità della Terra si avvicina alla superficie e più quest'area è promettente per lo sviluppo dell'energia geotermica.

V diverse aree, a seconda della struttura geologica e di altre condizioni regionali e locali, il tasso di aumento della temperatura con la profondità può variare notevolmente. Sulla scala terrestre, le fluttuazioni delle magnitudini dei gradienti e dei gradini geotermici raggiungono 25 volte. Ad esempio, in Oregon (USA) la pendenza è di 150 ° C per km e in Sudafrica è di 6 ° C per km.

La domanda è: qual è la temperatura a grandi profondità - 5, 10 km o più? Se la tendenza continua, le temperature a 10 km di profondità dovrebbero avere una media di circa 250-300 ° C. Ciò è più o meno confermato dalle osservazioni dirette in pozzi super profondi, sebbene il quadro sia molto più complicato di un aumento lineare della temperatura.

Ad esempio, nel pozzo super profondo di Kola perforato nello scudo cristallino del Baltico, la temperatura fino a una profondità di 3 km cambia a una velocità di 10 ° C / 1 km, quindi il gradiente geotermico diventa 2-2,5 volte maggiore. A una profondità di 7 km, è stata già registrata una temperatura di 120 ° C, a una profondità di 10 km - 180 ° C e a 12 km - 220 ° C.

Un altro esempio è un pozzo perforato nella regione del Caspio settentrionale, dove è stata registrata una temperatura di 42 ° C a una profondità di 500 m, 70 ° C a 1,5 km, 80 ° C a 2 km e 108 ° C a 3 km.

Si ipotizza che il gradiente geotermico diminuisca a partire da una profondità di 20-30 km: a una profondità di 100 km, le temperature ipotizzate sono di circa 1300-1500°C, ad una profondità di 400 km - 1600°C, nell'area terrestre nucleo (profondità oltre 6000 km) - 4000-5000°C.

A profondità fino a 10-12 km, la temperatura viene misurata attraverso pozzi perforati; dove sono assenti, è determinata da segni indiretti allo stesso modo che a profondità maggiori. Tali segni indiretti possono essere la natura del passaggio delle onde sismiche o la temperatura della lava in uscita.

Tuttavia, ai fini dell'energia geotermica, i dati sulle temperature a profondità superiori a 10 km non sono ancora di interesse pratico.

C'è molto calore a profondità di diversi chilometri, ma come aumentarlo? A volte questo problema viene risolto per noi dalla natura stessa con l'aiuto di un portatore di calore naturale: acque termali riscaldate che vengono in superficie o si trovano a una profondità a noi accessibile. In alcuni casi, l'acqua nelle profondità viene riscaldata allo stato di vapore.

Non esiste una definizione rigorosa del termine "acque termali". Di norma, significano acque sotterranee calde allo stato liquido o sotto forma di vapore, comprese quelle che escono sulla superficie della Terra con una temperatura superiore a 20 ° C, cioè, di regola, superiore alla temperatura dell'aria.

Il calore delle acque sotterranee, del vapore e delle miscele di acqua e vapore è energia idrotermale. Di conseguenza, l'energia basata sul suo utilizzo è chiamata idrotermale.

La situazione è più complicata con la produzione di calore direttamente dalle rocce secche - energia petrotermica, soprattutto perché temperature piuttosto elevate, di regola, iniziano da profondità di diversi chilometri.

Sul territorio della Russia, il potenziale dell'energia petrotermica è cento volte superiore a quello dell'energia idrotermale: rispettivamente 3500 e 35 trilioni di tonnellate di carburante equivalente. Questo è abbastanza naturale: il calore delle profondità della Terra è ovunque e le acque termali si trovano localmente. Tuttavia, a causa di evidenti difficoltà tecniche per la generazione di calore ed elettricità, le acque termali sono attualmente utilizzate principalmente.

Le acque con temperature comprese tra 20-30 ° C e 100 ° C sono adatte per il riscaldamento, temperature comprese tra 150 ° C e superiori - e per la generazione di energia elettrica nelle centrali geotermiche.

In generale, le risorse geotermiche sul territorio della Russia in termini di tonnellate di combustibile equivalente o qualsiasi altra unità di misura dell'energia sono circa 10 volte superiori alle riserve di combustibili fossili.

In teoria, solo la geotermia potrebbe soddisfare pienamente il fabbisogno energetico del Paese. Praticamente acceso questo momento nella maggior parte del suo territorio, ciò non è fattibile per ragioni tecniche ed economiche.

Nel mondo, l'uso dell'energia geotermica è più spesso associato all'Islanda, un paese situato all'estremità settentrionale della dorsale medio-atlantica, in una zona tettonica e vulcanica estremamente attiva. Probabilmente tutti ricordano la potente eruzione del vulcano Eyjafjallajokull ( Eyjafjallajökull) nel 2010 anno.

È grazie a questa specificità geologica che l'Islanda dispone di enormi riserve di energia geotermica, comprese le sorgenti termali che sgorgano sulla superficie della Terra e sgorgano addirittura sotto forma di geyser.

In Islanda, oltre il 60% di tutta l'energia consumata è attualmente prelevata dalla Terra. Comprese le fonti geotermiche forniscono il 90% del riscaldamento e il 30% della produzione di energia elettrica. Aggiungiamo che il resto dell'energia elettrica del Paese è prodotta presso centrali idroelettriche, cioè utilizzando anche una fonte di energia rinnovabile, grazie alla quale l'Islanda si presenta come una sorta di standard ambientale globale.

L'addomesticamento dell'energia geotermica nel XX secolo ha aiutato notevolmente l'Islanda dal punto di vista economico. Fino alla metà del secolo scorso era un Paese molto povero, ora è primo al mondo per capacità installata e produzione di energia geotermica pro capite ed è tra i primi dieci in termini di valore assoluto di capacità installata di geotermia centrali elettriche. Tuttavia, la sua popolazione è di soli 300 mila persone, il che semplifica il compito di passare a fonti energetiche rispettose dell'ambiente: il fabbisogno è generalmente ridotto.

Oltre all'Islanda, un'elevata quota di energia geotermica nel bilancio totale della produzione di elettricità è fornita in Nuova Zelanda e negli stati insulari del sud-est asiatico (Filippine e Indonesia), nei paesi dell'America centrale e dell'Africa orientale, il cui territorio è caratterizzato anche da un'elevata attività sismica e vulcanica. Per questi paesi, dato il loro attuale livello di sviluppo e le loro esigenze, l'energia geotermica fornisce un contributo significativo allo sviluppo socio-economico.

L'uso dell'energia geotermica ha una storia molto lunga. Uno dei primi esempi conosciuti è l'Italia, località della provincia della Toscana, oggi denominata Larderello, dove già agli inizi dell'ottocento le acque termali calde locali, sgorgate naturalmente o estratte da pozzi poco profondi, venivano utilizzate per scopi energetici.

L'acqua sotterranea ricca di boro è stata utilizzata qui per ottenere acido borico. Inizialmente questo acido si otteneva per evaporazione in caldaie di ferro, e si prendeva come combustibile la normale legna da ardere dei boschi vicini, ma nel 1827 Francesco Larderel realizzò un sistema che funzionava sul calore delle acque stesse. Allo stesso tempo, l'energia del vapore acqueo naturale iniziò ad essere utilizzata per il funzionamento delle piattaforme di perforazione e, all'inizio del XX secolo, per il riscaldamento delle case e delle serre locali. Nello stesso luogo, a Larderello, nel 1904, il vapore acqueo termale divenne fonte di energia per la produzione di energia elettrica.

Alcuni altri paesi hanno seguito l'esempio dell'Italia tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo. Ad esempio, nel 1892, le acque termali furono utilizzate per la prima volta per il riscaldamento locale negli Stati Uniti (Boise, Idaho), nel 1919 in Giappone e nel 1928 in Islanda.

Negli Stati Uniti, la prima centrale idrotermale è apparsa in California nei primi anni '30, in Nuova Zelanda nel 1958, in Messico nel 1959, in Russia (la prima centrale geotermica binaria al mondo) nel 1965 ...

Vecchio principio su una nuova fonte

La produzione di elettricità richiede una temperatura della fonte idroelettrica più elevata rispetto al riscaldamento - più di 150 ° C. Il principio di funzionamento di una centrale geotermica (GeoPP) è simile al principio di funzionamento di una centrale termoelettrica convenzionale (TPP). In effetti, una centrale geotermica è una sorta di centrale termica.

Nei TPP, di norma, carbone, gas o olio combustibile fungono da fonte primaria di energia e il vapore acqueo funge da fluido di lavoro. Il carburante, bruciando, riscalda l'acqua allo stato di vapore, che fa ruotare la turbina a vapore e genera elettricità.

La differenza tra i GeoPP è che la fonte primaria di energia qui è il calore dell'interno della terra e il fluido di lavoro sotto forma di vapore viene fornito alle pale della turbina di un generatore elettrico in una forma "preconfezionata" direttamente dalla produzione bene.

Esistono tre schemi principali di funzionamento di GeoPP: diretto, utilizzando vapore secco (geotermico); indiretto, basato sull'acqua idrotermale, e misto, o binario.

L'applicazione di questo o quello schema dipende dallo stato di aggregazione e dalla temperatura del vettore energetico.

Il più semplice e quindi il primo degli schemi padroneggiati è la retta, in cui il vapore proveniente dal pozzo viene fatto passare direttamente attraverso la turbina. Anche il primo GeoPP al mondo a Larderello operava a vapore secco nel 1904.

I GeoPP con uno schema di lavoro indiretto sono i più comuni nel nostro tempo. Usano caldo acqua sotterranea, che viene pompato nell'evaporatore ad alta pressione, dove parte di esso viene evaporato e il vapore risultante fa ruotare la turbina. In alcuni casi, sono necessari dispositivi e circuiti aggiuntivi per purificare l'acqua geotermica e il vapore da composti aggressivi.

Il vapore di scarto entra nel pozzo di iniezione o viene utilizzato per il riscaldamento dell'ambiente: in questo caso, il principio è lo stesso del funzionamento di un cogeneratore.

Ai GeoPP binari, l'acqua termale calda interagisce con un altro liquido che funge da fluido di lavoro con un punto di ebollizione inferiore. Entrambi i fluidi passano attraverso uno scambiatore di calore, dove l'acqua termica fa evaporare il fluido di lavoro, il cui vapore fa ruotare la turbina.

Questo sistema è chiuso, il che risolve il problema delle emissioni in atmosfera. Inoltre, fluidi di lavoro con punto di ebollizione relativamente basso consentono di utilizzare come fonte primaria di energia acque termali non molto calde.

Tutti e tre gli schemi utilizzano una fonte idrotermale, ma l'energia petrotermica può essere utilizzata anche per generare elettricità.

Il diagramma schematico in questo caso è anche abbastanza semplice. È necessario perforare due pozzi interconnessi: pozzi di iniezione e di produzione. L'acqua viene pompata nel pozzo di iniezione. In profondità, si riscalda, quindi l'acqua riscaldata o il vapore formatosi a causa di un forte riscaldamento viene fornito in superficie attraverso il pozzo di produzione. Inoltre, tutto dipende da come viene utilizzata l'energia petrotermica: per il riscaldamento o per la generazione di elettricità. È possibile un ciclo chiuso con l'iniezione di vapore e acqua di scarico nel pozzo di iniezione o in un altro modo di smaltimento.

Lo svantaggio di un tale sistema è ovvio: per ottenere una temperatura sufficientemente elevata del fluido di lavoro, è necessario perforare pozzi a grande profondità. E questi sono costi seri e il rischio di una significativa perdita di calore quando il fluido si sposta verso l'alto. Pertanto, i sistemi petrotermici sono ancora meno diffusi di quelli idrotermali, sebbene il potenziale dell'energia petrotermica sia di ordini di grandezza superiore.

Attualmente l'Australia è leader nella realizzazione dei cosiddetti sistemi di circolazione petrotermica (PCS). Inoltre, questa direzione dell'energia geotermica si sta sviluppando attivamente negli Stati Uniti, in Svizzera, in Gran Bretagna e in Giappone.

Il dono di Lord Kelvin

L'invenzione di una pompa di calore da parte del fisico William Thompson (alias Lord Kelvin) nel 1852 ha fornito all'umanità una reale opportunità di utilizzare il calore a basso potenziale degli strati superiori del suolo. Il sistema a pompa di calore, o, come lo chiamava Thompson, il moltiplicatore di calore, si basa sul processo fisico di trasferimento del calore da ambiente al refrigerante. Infatti, utilizza lo stesso principio dei sistemi petrotermici. La differenza sta nella fonte di calore, in relazione alla quale può sorgere una questione terminologica: fino a che punto una pompa di calore può essere considerata un impianto geotermico? Il fatto è che negli strati superiori, a profondità di decine o centinaia di metri, le rocce e i fluidi in essi contenuti sono riscaldati non dal calore profondo della terra, ma dal sole. Quindi, è il sole in questo caso la fonte primaria di calore, sebbene sia prelevato, come nei sistemi geotermici, dalla terra.

Il lavoro di una pompa di calore si basa su un ritardo nel riscaldamento e raffreddamento del suolo rispetto all'atmosfera, a seguito del quale si forma un gradiente di temperatura tra la superficie e gli strati più profondi, che trattengono il calore anche in inverno, simile a cosa succede nei corpi idrici. Lo scopo principale delle pompe di calore è il riscaldamento degli ambienti. In effetti, è un "frigorifero al contrario". Sia la pompa di calore che il frigorifero interagiscono con tre componenti: l'ambiente interno (nel primo caso - l'ambiente riscaldato, nel secondo - la camera refrigerata del frigorifero), l'ambiente esterno - la fonte di energia e il refrigerante (refrigerante) , è anche il vettore di calore che fornisce il trasferimento di calore o freddo.

Una sostanza con un punto di ebollizione basso funge da refrigerante, il che le consente di prendere calore da una fonte che ha anche una temperatura relativamente bassa.

Nel frigorifero, il refrigerante liquido entra nell'evaporatore attraverso una valvola a farfalla (regolatore di pressione), dove, a causa di una forte diminuzione della pressione, il liquido evapora. L'evaporazione è un processo endotermico che richiede l'assorbimento di calore esterno. Di conseguenza, il calore viene prelevato dalle pareti interne dell'evaporatore, il che fornisce un effetto di raffreddamento nella camera del frigorifero. Inoltre, dall'evaporatore, il refrigerante viene aspirato nel compressore, dove ritorna allo stato liquido di aggregazione. Questo è il processo inverso che porta al rilascio di calore di scarto in ambiente esterno... Di norma, viene gettato nella stanza e il retro del frigorifero è relativamente caldo.

Una pompa di calore funziona più o meno allo stesso modo, con la differenza che il calore viene prelevato dall'ambiente esterno e attraverso l'evaporatore entra nell'ambiente interno - il sistema di riscaldamento della stanza.

In una vera pompa di calore l'acqua viene riscaldata, passando lungo un circuito esterno, interrata o in un serbatoio, per poi entrare nell'evaporatore.

Nell'evaporatore il calore viene ceduto ad un circuito interno riempito con un refrigerante a basso punto di ebollizione che, attraversando l'evaporatore, passa da stato liquido a stato gassoso sottraendo calore.

Quindi il refrigerante gassoso entra nel compressore, dove viene compresso per alta pressione e temperatura, ed entra nel condensatore, dove avviene lo scambio termico tra il gas caldo e il liquido di raffreddamento dell'impianto di riscaldamento.

L'elettricità è necessaria per il funzionamento del compressore, tuttavia, il rapporto di trasformazione (il rapporto tra energia consumata e generata) è sistemi moderni abbastanza alto da essere efficace.

Attualmente, le pompe di calore sono ampiamente utilizzate per il riscaldamento degli ambienti, principalmente in condizioni economiche paesi sviluppati.

Energia eco-corretta

L'energia geotermica è considerata rispettosa dell'ambiente, il che è generalmente vero. Innanzitutto utilizza una risorsa rinnovabile e praticamente inesauribile. L'energia geotermica non richiede grandi aree, a differenza delle grandi centrali idroelettriche o dei parchi eolici, e non inquina l'atmosfera, a differenza dell'energia da idrocarburi. In media, un GeoPP occupa 400 m 2 in termini di 1 GW di elettricità generata. Lo stesso indicatore per una centrale elettrica a carbone, ad esempio, è 3600 m 2. I vantaggi ecologici dei GeoPP includono anche il basso consumo di acqua - 20 litri acqua dolce per 1 kW, mentre TPP e NPP richiedono circa 1000 litri. Si noti che questi sono indicatori ambientali del GeoPP "medio".

Ma negativo effetti collaterali sono ancora disponibili. Tra questi, si distinguono più spesso il rumore, l'inquinamento termico dell'atmosfera e l'inquinamento chimico - acqua e suolo, nonché la formazione di rifiuti solidi.

La principale fonte di inquinamento chimico dell'ambiente è proprio l'acqua termale (ad alta temperatura e mineralizzazione), che spesso contiene grandi quantità di composti tossici, in relazione alle quali si pone il problema dello smaltimento delle acque reflue e delle sostanze pericolose.

Gli effetti negativi dell'energia geotermica possono essere rintracciati in più fasi, a cominciare dalla perforazione dei pozzi. Qui sorgono gli stessi pericoli della perforazione di qualsiasi pozzo: distruzione del suolo e della copertura vegetale, inquinamento del suolo e delle acque sotterranee.

Nella fase di funzionamento del GeoPP persistono i problemi di inquinamento ambientale. I fluidi termici - acqua e vapore - contengono solitamente anidride carbonica (CO 2), solfuro di zolfo (H 2 S), ammoniaca (NH 3), metano (CH 4), sale da cucina (NaCl), boro (B), arsenico (As ), mercurio (Hg). Quando vengono rilasciati nell'ambiente, diventano fonti del suo inquinamento. Inoltre, un ambiente chimico aggressivo può causare danni da corrosione alle strutture del GeoTPP.

Allo stesso tempo, le emissioni di inquinanti presso i GeoPP sono mediamente inferiori rispetto ai TPP. Ad esempio, le emissioni di anidride carbonica per ogni chilowattora di elettricità generata arrivano fino a 380 g nei GeoPP, 1.042 g - nei TPP a carbone, 906 g - nell'olio combustibile e 453 g - nei TPP a gas.

La domanda sorge spontanea: cosa fare con le acque reflue? A bassa salinità, può essere scaricato nelle acque superficiali dopo il raffreddamento. Un altro modo è quello di pomparlo nuovamente nella falda acquifera attraverso un pozzo di iniezione, che è oggi preferito e prevalentemente utilizzato.

L'estrazione di acqua termale dalle falde acquifere (oltre al pompaggio di acqua ordinaria) può causare cedimenti e movimenti del suolo, altre deformazioni degli strati geologici e micro-terremoti. La probabilità di tali eventi è generalmente bassa, sebbene casi isolati registrati (ad esempio, presso il GeoPP di Staufen im Breisgau in Germania).

Va sottolineato che la maggior parte dei GeoPP sono localizzati in aree relativamente scarsamente popolate e nei paesi del Terzo Mondo, dove i requisiti ambientali sono meno stringenti rispetto ai paesi sviluppati. Inoltre, al momento il numero di GeoPP e le loro capacità sono relativamente ridotti. Con uno sviluppo più esteso della geotermia, i rischi ambientali possono aumentare e moltiplicarsi.

Quanto vale l'energia della Terra?

I costi di investimento per la costruzione di sistemi geotermici variano in un intervallo molto ampio: da $ 200 a $ 5.000 per 1 kW di capacità installata, ovvero le opzioni più economiche sono paragonabili al costo di costruzione di una centrale termica. Dipendono, prima di tutto, dalle condizioni di presenza delle acque termali, dalla loro composizione e dalla progettazione dell'impianto. Perforando a grandi profondità, creando un sistema chiuso con due pozzi, la necessità di depurazione dell'acqua può moltiplicare il costo.

Ad esempio, gli investimenti per la realizzazione di un sistema di circolazione petrotermica (PCS) sono stimati in 1,6-4 mila dollari per 1 kW di potenza installata, che supera il costo di costruzione di una centrale nucleare ed è paragonabile al costo di costruzione di impianti eolici e centrali solari.

L'ovvio vantaggio economico di GeoTPP è un vettore energetico gratuito. Per fare un confronto, nella struttura dei costi di un TPP o NPP operativo, il carburante rappresenta il 50-80% o anche di più, a seconda dei prezzi attuali dell'energia. Da qui un altro vantaggio del sistema geotermico: i costi di esercizio sono più stabili e prevedibili, poiché non dipendono dalla congiuntura esterna dei prezzi dell'energia. In generale, i costi operativi del GeoTPP sono stimati a 2-10 centesimi (60 copechi – 3 rubli) per 1 kWh di capacità prodotta.

La seconda voce di spesa più grande (dopo il vettore energetico) (e molto significativa) è, di norma, gli stipendi del personale dell'impianto, che possono variare radicalmente tra paesi e regioni.

In media, il costo di 1 kWh di energia geotermica è paragonabile a quello dei TPP (in condizioni russe - circa 1 rublo / 1 kWh) e dieci volte superiore al costo di generazione di energia elettrica nelle centrali idroelettriche (5-10 copechi / 1 kWh).

Parte del motivo dell'alto costo risiede nel fatto che, a differenza delle centrali termiche e idrauliche, GeoTPP ha una capacità relativamente piccola. Inoltre, è necessario confrontare i sistemi situati nella stessa regione e in condizioni simili. Ad esempio, in Kamchatka, secondo gli esperti, 1 kWh di elettricità geotermica costa 2-3 volte meno dell'elettricità prodotta nelle centrali termiche locali.

Gli indicatori dell'efficienza economica di un impianto geotermico dipendono, ad esempio, dalla necessità o meno di smaltire le acque reflue e con quali modalità lo si fa, dalla possibilità di un uso combinato della risorsa. Pertanto, elementi chimici e composti estratti dall'acqua termale possono fornire un reddito aggiuntivo. Ricordiamo l'esempio di Larderello: lì era primaria la produzione chimica, e inizialmente ausiliario l'uso della geotermia.

L'energia geotermica in avanti

L'energia geotermica si sta sviluppando in modo leggermente diverso rispetto a quella eolica e solare. Attualmente dipende in gran parte dalla natura della risorsa stessa, che differisce nettamente da regione a regione, e le concentrazioni più elevate sono legate a zone ristrette di anomalie geotermiche, associate, di norma, ad aree di faglie tettoniche e vulcanismo.

Inoltre l'energia geotermica è tecnologicamente meno capiente rispetto all'eolico, e ancor più all'energia solare: i sistemi degli impianti geotermici sono abbastanza semplici.

Nella struttura totale della produzione elettrica mondiale, la componente geotermica rappresenta meno dell'1%, ma in alcune regioni e paesi la sua quota raggiunge il 25-30%. A causa del legame con le condizioni geologiche, una parte significativa delle capacità di energia geotermica è concentrata nei paesi del terzo mondo, dove ci sono tre cluster di maggiore sviluppo del settore: le isole del sud-est asiatico, l'America centrale e l'Africa orientale. Le prime due regioni sono incluse nella "cintura di fuoco della Terra" del Pacifico, la terza è legata al Rift dell'Africa orientale. Molto probabilmente, l'energia geotermica continuerà a svilupparsi in queste fasce. Una prospettiva più lontana è lo sviluppo dell'energia petrotermica, utilizzando il calore degli strati della terra, che si trovano a una profondità di diversi chilometri. Questa è una risorsa quasi onnipresente, ma la sua estrazione richiede costi elevati, pertanto l'energia petrotermica si sta sviluppando principalmente nei paesi economicamente e tecnologicamente più potenti.

In generale, data l'ubiquità della distribuzione delle risorse geotermiche e un livello accettabile di sicurezza ambientale, vi è motivo di ritenere che l'energia geotermica abbia buone prospettive di sviluppo. Soprattutto con la crescente minaccia di una carenza di fonti energetiche tradizionali e l'aumento dei loro prezzi.

Dalla Kamchatka al Caucaso

In Russia, lo sviluppo dell'energia geotermica ha una storia abbastanza lunga e in diverse posizioni siamo tra i leader mondiali, sebbene la quota dell'energia geotermica nel bilancio energetico totale di un enorme paese sia ancora trascurabile.

Due regioni - Kamchatka e il Caucaso settentrionale - sono diventate pioniere e centri per lo sviluppo dell'energia geotermica in Russia, e se nel primo caso stiamo parlando principalmente dell'industria dell'energia elettrica, quindi nel secondo - dell'uso dell'energia termica di acqua termale.

Nel Caucaso settentrionale - nel Territorio di Krasnodar, Cecenia, Daghestan - il calore delle acque termali a fini energetici veniva utilizzato anche prima della Grande guerra patriottica... Negli anni '80 e '90, lo sviluppo dell'energia geotermica nella regione per ovvi motivi si è arrestato e non è ancora uscito da uno stato di stagnazione. Tuttavia, l'approvvigionamento idrico geotermico nel Caucaso settentrionale fornisce calore a circa 500 mila persone e, ad esempio, la città di Labinsk nel territorio di Krasnodar con una popolazione di 60 mila persone è completamente riscaldata dalle acque geotermiche.

In Kamchatka, la storia dell'energia geotermica è associata principalmente alla costruzione di GeoPP. La prima di esse, ancora in funzione con le stazioni Pauzhetskaya e Paratunskaya, è stata costruita nel 1965-1967, mentre la Paratunskaya GeoPP con una capacità di 600 kW è diventata la prima stazione al mondo con un ciclo binario. Fu lo sviluppo degli scienziati sovietici S.S.Kutateladze e A.M. Rosenfeld dell'Istituto di termofisica del ramo siberiano dell'Accademia delle scienze russa, che nel 1965 ricevettero un certificato d'autore per l'estrazione di elettricità dall'acqua con una temperatura di 70 ° C. Questa tecnologia è diventata in seguito un prototipo per più di 400 GeoPP binari nel mondo.

La capacità del Pauzhetskaya GeoPP, commissionato nel 1966, era inizialmente di 5 MW e successivamente aumentata a 12 MW. Attualmente è in costruzione un blocco binario presso la stazione, che aumenterà la sua capacità di altri 2,5 MW.

Lo sviluppo dell'energia geotermica in URSS e in Russia è stato ostacolato dalla disponibilità di fonti energetiche tradizionali: petrolio, gas, carbone, ma non si è mai fermato. I più grandi impianti di energia geotermica al momento sono il Verkhne-Mutnovskaya GeoPP con una capacità totale di 12 MW, commissionato nel 1999, e il Mutnovskaya GeoPP con una capacità di 50 MW (2002).

I GeoPP Mutnovskaya e Verkhne-Mutnovskaya sono oggetti unici non solo per la Russia, ma anche su scala globale. Le stazioni si trovano ai piedi del vulcano Mutnovsky, a un'altitudine di 800 metri sul livello del mare, e operano in condizioni estreme condizioni climatiche dove 9-10 mesi all'anno è inverno. L'attrezzatura dei Mutnovsky GeoPP, attualmente una delle più moderne al mondo, è completamente creata presso imprese nazionali di ingegneria energetica.

Attualmente, la quota degli impianti di Mutnovskie nella struttura totale del consumo energetico del centro energetico della Kamchatka centrale è del 40%. Nei prossimi anni è previsto un aumento della capacità.

Separatamente, va detto degli sviluppi petrotermici russi. Non abbiamo ancora grandi DSP, ma esistono tecnologie avanzate per la perforazione a grandi profondità (circa 10 km), che non hanno analoghi nel mondo. Il loro ulteriore sviluppo consentirà di ridurre drasticamente i costi di realizzazione di impianti petrotermici. Gli sviluppatori di queste tecnologie e progetti sono N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Istituto geologico, RAS), A. S. Nekrasov (Istituto di previsioni economiche, RAS) e specialisti di Kaluga Turbine Works. Il progetto per un sistema di circolazione petrotermale in Russia è attualmente in fase sperimentale.

Ci sono prospettive per la geotermia in Russia, seppur relativamente distanti: al momento il potenziale è piuttosto ampio e le posizioni dell'energia tradizionale sono forti. Allo stesso tempo, in alcune regioni remote del paese, l'uso dell'energia geotermica è economicamente redditizio ed è ora richiesto. Si tratta di territori ad alto potenziale geoenergetico (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - la parte russa del Pacifico "cintura di fuoco terrestre", montagne Siberia meridionale e Caucaso) e al tempo stesso distanti e tagliati fuori dalla rete di alimentazione centralizzata.

Probabilmente, nei prossimi decenni, l'energia geotermica nel nostro Paese si svilupperà proprio in tali regioni.

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