Il calore nucleare della terra. Energia geotermica e modalità di produzione

Per la Russia, l'energia del calore terrestre può diventare una fonte permanente e affidabile per fornire elettricità e calore a basso costo e a prezzi accessibili utilizzando nuove tecnologie elevate ed ecocompatibili per la sua estrazione e fornitura al consumatore. Ciò è particolarmente vero al giorno d'oggi.

Risorse limitate di materie prime energetiche fossili

La domanda di materie prime di energia organica è grande in industrialmente sviluppato e paesi in via di sviluppo(Stati Uniti, Giappone, stati dell'Europa unita, Cina, India, ecc.). Allo stesso tempo, le proprie risorse di idrocarburi in questi paesi sono insufficienti o riservate e un paese, ad esempio gli Stati Uniti, acquista materie prime energetiche all'estero o sviluppa giacimenti in altri paesi.

In Russia, uno dei paesi più ricchi in termini di risorse energetiche, il fabbisogno economico di energia è ancora soddisfatto dalle possibilità di utilizzo delle risorse naturali. Tuttavia, l'estrazione di idrocarburi fossili dal sottosuolo procede a ritmi molto rapidi. Se negli anni 1940-1960. le principali regioni produttrici di petrolio erano "Second Baku" nelle regioni del Volga e degli Urali, quindi, a partire dagli anni '70, e fino ad oggi, tale area è Siberia occidentale... Ma anche qui si registra un calo significativo della produzione di idrocarburi fossili. L'era del gas cenomaniano "secco" sta finendo. La precedente fase di ampio sviluppo della produzione di gas naturale è giunta al termine. La sua estrazione da giacimenti giganti come Medvezhye, Urengoyskoye e Yamburgskoye è stata rispettivamente dell'84, 65 e 50%. Anche la quota di riserve petrolifere favorevole allo sviluppo diminuisce nel tempo.

A causa del consumo attivo di combustibili idrocarburici, le riserve di petrolio e gas naturale a terra sono notevolmente diminuite. Ora le loro principali riserve sono concentrate sulla piattaforma continentale. E sebbene la base di materie prime dell'industria petrolifera e del gas sia ancora sufficiente per la produzione di petrolio e gas in Russia nei volumi richiesti, nel prossimo futuro sarà fornita in misura sempre maggiore attraverso lo sviluppo di giacimenti con difficoltà minerarie e condizioni geologiche. Il costo di produzione delle materie prime di idrocarburi continuerà a crescere.

La maggior parte delle risorse non rinnovabili estratte dal sottosuolo sono utilizzate come combustibile per le centrali elettriche. Prima di tutto, la cui quota nella struttura del carburante è del 64%.

In Russia, il 70% dell'elettricità viene generata nelle centrali termoelettriche. Le imprese energetiche del paese bruciano circa 500 milioni di tonnellate di carburante equivalente all'anno. t. per la produzione di energia elettrica e calore, mentre per la produzione di calore, il consumo di idrocarburi è 3-4 volte superiore a quello per la produzione di energia elettrica.

La quantità di calore ottenuta dalla combustione di questi volumi di materie prime idrocarburiche equivale all'utilizzo di centinaia di tonnellate di combustibile nucleare: la differenza è enorme. Tuttavia, l'energia nucleare richiede la sicurezza ambientale (per escludere il ripetersi di Chernobyl) e la sua protezione da possibili attacchi terroristici, nonché l'attuazione di una disattivazione sicura e costosa di centrali nucleari obsolete e obsolete. Le riserve accertate di uranio recuperabili nel mondo sono circa 3 milioni e 400 mila tonnellate Per l'intero periodo precedente (fino al 2007), sono state estratte circa 2 milioni di tonnellate.

RES come futuro dell'energia mondiale

L'interesse per le fonti di energia rinnovabile alternativa (RES) che è cresciuto negli ultimi decenni nel mondo è causato non solo dall'esaurimento delle riserve di idrocarburi, ma anche dalla necessità di risolvere problemi ambientali... Fattori oggettivi (riserve di combustibili fossili e uranio, nonché variazioni ambiente associati all'uso del fuoco tradizionale e dell'energia nucleare) e le tendenze nello sviluppo dell'energia consentono di affermare che il passaggio a nuovi metodi e forme di produzione di energia è inevitabile. Già nella prima metà del XXI sec. ci sarà una transizione completa o quasi completa verso le fonti di energia non convenzionali.

Quanto prima si farà un passo avanti in questa direzione, tanto meno doloroso sarà per l'intera società e tanto più vantaggioso per il Paese in cui verranno compiuti passi decisivi in ​​questa direzione.

L'economia mondiale ha già intrapreso un percorso di transizione verso una combinazione razionale di fonti energetiche tradizionali e nuove. Nel 2000, il consumo di energia nel mondo ammontava a oltre 18 miliardi di tonnellate di carburante equivalente. t., e il consumo di energia entro il 2025 potrebbe aumentare fino a 30-38 miliardi di tce. t., secondo i dati previsionali, entro il 2050 è possibile un consumo di 60 miliardi di tce. m.Una tendenza caratteristica nello sviluppo dell'economia mondiale nel periodo in esame è una diminuzione sistematica del consumo di combustibili fossili e un corrispondente aumento dell'uso di risorse energetiche non tradizionali. L'energia termica della Terra occupa uno dei primi posti tra di loro.

Allo stato attuale, il Ministero dell'Energia della Federazione Russa ha adottato un programma per lo sviluppo dell'energia non tradizionale, che comprende 30 grandi progetti per l'utilizzo di unità a pompa di calore (HPU), il cui principio si basa sul consumo di -grado di energia termica della Terra.

Energia termica terrestre e pompe di calore di bassa qualità

Le fonti di energia a basso potenziale del calore terrestre sono la radiazione solare e la radiazione termica provenienti dalle viscere riscaldate del nostro pianeta. Attualmente, l'uso di tale energia è una delle aree di sviluppo più dinamico dell'energia basata su fonti di energia rinnovabile.

Il calore della terra può essere utilizzato tipi diversi gli edifici e le strutture per il riscaldamento, la fornitura di acqua calda, il condizionamento (raffreddamento), nonché i percorsi di riscaldamento nella stagione invernale, la prevenzione del ghiaccio, il riscaldamento dei campi in stadi aperti, ecc. e il condizionamento dell'aria sono designati come GHP - "pompe di calore geotermiche " (pompe di calore geotermiche). Le caratteristiche climatiche dei paesi del Centro e Nord Europa, che, insieme a USA e Canada, sono le principali regioni di sfruttamento del calore a basso potenziale della Terra, lo determinano principalmente a fini di riscaldamento; raffreddamento ad aria anche all'interno periodo estivoè richiesto relativamente raramente. Pertanto, a differenza degli USA, le pompe di calore entrano paesi europei funzionano principalmente in modalità riscaldamento. Negli Stati Uniti, sono più comunemente usati nei sistemi riscaldamento ad aria, abbinata alla ventilazione, che permette sia il riscaldamento che il raffrescamento dell'aria esterna. Nei paesi europei, le pompe di calore sono comunemente utilizzate negli impianti di riscaldamento dell'acqua calda. Poiché la loro efficienza aumenta con una diminuzione della differenza di temperatura tra l'evaporatore e il condensatore, i sistemi di riscaldamento a pavimento vengono spesso utilizzati per riscaldare gli edifici, in cui circola un liquido di raffreddamento a una temperatura relativamente bassa (35–40 ° C).

Tipi di sistemi per l'utilizzo dell'energia a basso potenziale del calore terrestre

In generale si possono distinguere due tipi di sistemi per l'utilizzo dell'energia a basso potenziale del calore terrestre:

- sistemi aperti: l'acqua di falda fornita direttamente alle pompe di calore è utilizzata come fonte di energia termica di bassa qualità;

- sistemi chiusi: gli scambiatori di calore si trovano nella massa del suolo; quando circola un liquido di raffreddamento con una temperatura più bassa rispetto al suolo, l'energia termica viene "prelevata" dal suolo e trasferita all'evaporatore della pompa di calore (o, quando si utilizza un liquido di raffreddamento con una temperatura elevata rispetto al suolo, viene raffreddata ).

Gli svantaggi dei sistemi aperti sono che i pozzi richiedono manutenzione. Inoltre, l'uso di tali sistemi non è possibile in tutte le aree. I requisiti principali per il suolo e le acque sotterranee sono i seguenti:

- sufficiente permeabilità all'acqua del suolo, consentendo il ripristino delle riserve idriche;

- buona composizione chimica delle acque di falda (es. basso contenuto di ferro), evitando problemi legati alla formazione di depositi sulle pareti delle tubazioni e alla corrosione.

Sistemi chiusi per l'utilizzo dell'energia a basso potenziale del calore terrestre

I sistemi chiusi sono orizzontali e verticali (Figura 1).

Riso. 1. Schema di un impianto a pompa di calore geotermica con: a - orizzontale

e b - scambiatori di calore a terra verticali.

Scambiatore di calore orizzontale a terra

Nei paesi dell'Europa occidentale e centrale, gli scambiatori di calore orizzontali a terra sono generalmente tubi separati, posati in modo relativamente stretto e collegati in serie o in parallelo (Fig. 2).

Riso. 2. Scambiatori di calore orizzontali a terra con: a - seriale e

b - collegamento in parallelo.

Per salvare l'area dell'area in cui viene rimosso il calore, sono stati sviluppati tipi migliorati di scambiatori di calore, ad esempio scambiatori di calore a forma di spirale (Fig. 3), posizionati orizzontalmente o verticalmente. Questa forma di scambiatore di calore è comune negli Stati Uniti.

Nel nostro Paese ricco di idrocarburi, l'energia geotermica è una risorsa esotica che, allo stato attuale delle cose, 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. È prodotto nelle profondità e arriva sulla superficie della Terra in forme diverse e con intensità variabile.

La temperatura degli strati superiori del suolo dipende principalmente da fattori esterni (esogeni): luce solare e temperatura dell'aria. In estate e di giorno il terreno si riscalda fino a determinate profondità, in inverno e di notte si raffredda a seguito di un cambiamento 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. È facile convincersene scendendo in una grotta sufficientemente profonda.

quando temperatura media annuale l'aria in questa zona è sotto lo zero, questo si manifesta come permafrost (più precisamente, permafrost). Nella Siberia orientale, lo spessore, cioè lo spessore, dei terreni ghiacciati tutto l'anno raggiunge in alcuni punti i 200-300 m.

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

Il riscaldamento degli strati profondi della Terra è principalmente associato al decadimento degli elementi radioattivi che vi si trovano, sebbene altre fonti di calore siano anche chiamate, ad esempio, processi fisico-chimici e 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: nelle miniere profonde fa sempre caldo. 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 di 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 riscaldata da esso, questo è un valore impercettibile: il Sole dà a tutti metro quadro la superficie terrestre è di circa 4000 kWh all'anno, cioè 10.000 volte di più (ovviamente si tratta in media, con un'enorme variazione tra latitudini polari ed equatoriali e dipendente da altri fattori climatici e meteorologici).

L'insignificanza del flusso di calore dalle profondità alla superficie sulla maggior parte del pianeta è associata alla bassa conducibilità termica delle rocce e alle peculiarità della struttura geologica. Ma ci sono delle eccezioni: luoghi in cui il flusso di calore è elevato. Si tratta, in primo luogo, di zone di faglie tettoniche, aumento dell'attività sismica e vulcanismo, dove trova sfogo l'energia dell'interno terrestre. Tali zone sono caratterizzate da anomalie termiche della litosfera, qui il flusso di calore che raggiunge la superficie terrestre può essere diverse volte e anche ordini di grandezza più potente di quello "normale". Le eruzioni vulcaniche e le sorgenti di acqua calda trasportano un'enorme quantità di calore in superficie 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 ogni 100 m Il rapporto tra la differenza di temperatura tra due punti a profondità diverse e la differenza di profondità tra di loro è chiamato gradiente geotermico.

Il reciproco è il passo geotermico, o intervallo di profondità, in cui la temperatura aumenta di 1°C.

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

In 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 grandezze dei gradienti e dei gradini geotermici raggiungono 25 volte. Ad esempio, in Oregon (USA) la pendenza è di 150°C per km, e in Sud Africa 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 essere in media di circa 250–300 °C. Ciò è più o meno confermato dalle osservazioni dirette in pozzi superprofondi, sebbene il quadro sia molto più complicato di un aumento lineare della temperatura.

Ad esempio, nel pozzo superprofondo di Kola perforato nello scudo cristallino del Baltico, la temperatura a una profondità di 3 km cambia a una velocità di 10 ° C / 1 km, quindi il gradiente geotermico diventa 2–2,5 volte superiore. 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 decresca a partire da una profondità di 20-30 km: a una profondità di 100 km, le temperature ipotizzate sono di circa 1300-1500 °C, a 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 dai 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 della geotermia, 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 vettore di calore naturale: acque termali riscaldate che affiorano in superficie o giacciono a una profondità a noi accessibile. In alcuni casi, l'acqua nelle profondità viene riscaldata allo stato di vapore.

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

Il calore delle acque sotterranee, del vapore, delle miscele vapore-acqua 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, partono 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 produzione 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 oltre - e per la generazione di elettricità 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 ( Eyjafjallajokull) nell'anno 2010.

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

In Islanda, oltre il 60% di tutta l'energia consumata viene attualmente prelevata dalla Terra. Comprese le fonti geotermiche forniscono il 90% del riscaldamento e il 30% della produzione di elettricità. Aggiungiamo che il resto dell'elettricità del Paese è prodotta da centrali idroelettriche, cioè anche utilizzando 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 20° secolo ha aiutato notevolmente l'Islanda dal punto di vista economico. Fino alla metà del secolo scorso era un Paese molto povero, oggi è al primo posto al mondo per capacità installata e produzione di energia geotermica pro capite ed è tra i primi dieci in valore assoluto di capacità installata di geotermia centrali elettriche. Tuttavia, la sua popolazione è di sole 300mila 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 elevata attività sismica e vulcanica. Per questi paesi, dato il loro attuale livello di sviluppo e necessità, 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 in provincia di Toscana, oggi denominata Larderello, dove già all'inizio dell'800 le calde acque termali locali, sgorgate naturalmente o estratte da pozzi poco profondi, venivano utilizzate per scopi energetici.

L'acqua sotterranea ricca di boro veniva utilizzata qui per ottenere acido borico. Inizialmente questo acido si otteneva per evaporazione in caldaie di ferro, e si prendeva come combustibile legna da ardere ordinaria dai boschi vicini, ma nel 1827 Francesco Larderel realizzò un sistema che lavorava sul calore delle acque stesse. Allo stesso tempo, l'energia del vapore acqueo naturale iniziò ad essere utilizzata per il funzionamento di impianti di perforazione e, all'inizio del XX secolo, per il riscaldamento di case e serre locali. Nella stessa località, a Larderello, nel 1904, il vapore acqueo termale divenne fonte di energia per la generazione 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 il riscaldamento locale per la prima volta negli USA (Boise, Idaho), nel 1919 - in Giappone, nel 1928 - in Islanda.

Negli Stati Uniti, la prima centrale idrotermale è apparsa in California all'inizio degli 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 alta 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 termica convenzionale (TPP). In effetti, una centrale geotermica è una specie 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. Combustibile, 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 forma "pronta" direttamente dalla produzione bene.

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

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

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

I GeoPP con uno schema di lavoro indiretto sono i più comuni nel nostro tempo. Usano acqua sotterranea calda, che viene pompata in un evaporatore ad alta pressione, dove parte di essa viene evaporata e il vapore risultante fa ruotare una turbina. In alcuni casi, sono necessari dispositivi e circuiti aggiuntivi per purificare l'acqua geotermica e il vapore dai composti aggressivi.

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

Nei 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 vengono fatti passare attraverso uno scambiatore di calore, dove l'acqua termica fa evaporare il fluido di lavoro, il cui vapore fa ruotare la turbina.

Il principio di funzionamento di un GeoPP binario. L'acqua termale calda interagisce con un altro liquido che funge da fluido di lavoro e ha un punto di ebollizione più basso. Entrambi i liquidi vengono fatti passare attraverso uno scambiatore di calore, dove l'acqua termale fa evaporare il fluido di lavoro i cui vapori, a loro volta, fanno 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 acque termali poco calde come fonte primaria di energia.

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

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

Schema del sistema petrotermico. Il sistema si basa sull'utilizzo di un gradiente di temperatura tra la superficie terrestre e il suo sottosuolo, dove la temperatura è più elevata. L'acqua dalla superficie viene pompata in un pozzo di iniezione e riscaldata in profondità, quindi l'acqua riscaldata o il vapore generato dal riscaldamento viene fornito alla superficie attraverso il pozzo di produzione.

Lo svantaggio di un tale sistema è evidente: 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 petrolifera (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 fornì 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 dall'ambiente al refrigerante. Infatti utilizza lo stesso principio degli impianti petroltermici. La differenza sta nella fonte di calore, in relazione alla quale può sorgere una domanda terminologica: fino a che punto una pompa di calore può essere considerata un sistema geotermico? Il fatto è che negli strati superiori, a profondità da decine a centinaia di metri, le rocce ei fluidi in esse contenuti sono riscaldati non dal calore profondo della terra, ma dal sole. Pertanto, è il sole in questo caso la fonte primaria di calore, sebbene sia prelevato, come nei sistemi geotermici, dalla terra.

Il funzionamento di una pompa di calore si basa su un ritardo nel riscaldamento e raffreddamento del suolo rispetto all'atmosfera, per cui 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 a rovescio". 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 del frigorifero refrigerata), l'ambiente esterno - la fonte di energia e il refrigerante (refrigerante), esso è anche il vettore di calore che fornisce il trasferimento di calore o freddo.

Una sostanza con un basso punto di ebollizione agisce come un refrigerante, che le consente di prelevare 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 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 degli ambienti.

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 trasferito ad un circuito interno riempito con un refrigerante a basso punto di ebollizione, che, passando attraverso l'evaporatore, passa dallo stato liquido a quello gassoso, sottraendo calore.

Inoltre, il refrigerante gassoso entra nel compressore, dove viene compresso ad alta pressione e temperatura, ed entra nel condensatore, dove avviene lo scambio di calore tra il gas caldo e il refrigerante 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) lo è sistemi moderni abbastanza alto per essere efficace.

Attualmente, le pompe di calore sono ampiamente utilizzate per il riscaldamento degli ambienti, principalmente nei paesi economicamente 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 di 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 infatti l'acqua termale (ad alta temperatura e mineralizzazione), che spesso contiene grandi quantità di composti tossici, in relazione alla quale 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 un 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 nei GeoPP sono in media inferiori rispetto ai TPP. Ad esempio, le emissioni di anidride carbonica per ogni kilowattora di elettricità generata sono fino a 380 g con i GeoPP, 1.042 g con i TPP a carbone, 906 g con l'olio combustibile e 453 g con i TPP a gas.

Sorge la domanda: cosa fare con le acque reflue? A bassa salinità, può essere scaricato nelle acque superficiali previo raffreddamento. Un altro modo è pomparlo nuovamente nella falda acquifera attraverso un pozzo di iniezione, che oggi è 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 fenomeni, di regola, è piccola, sebbene siano stati registrati casi individuali (ad esempio, presso il GeoPP di Staufen im Breisgau in Germania).

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

Quant'è 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, in primo luogo, dalle condizioni di presenza delle acque termali, dalla loro composizione e dal progetto 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 nella creazione di un sistema di circolazione petrolifera (PCS) sono stimati in 1,6-4 mila dollari per 1 kW di capacità installata, che supera il costo di costruzione di una centrale nucleare ed è paragonabile al costo di costruzione di energia eolica 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 di una centrale nucleare operativa, il carburante rappresenta il 50–80% o anche di più, a seconda dei prezzi correnti 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 in 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 degli impianti, che possono differire 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 elettricità nelle centrali idroelettriche (5-10 copechi / 1 kWh).

Parte del motivo dell'alto costo risiede nel fatto che, a differenza delle centrali termoelettriche 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 sistema geotermico dipendono, ad esempio, dalla necessità di smaltire le acque reflue e in che modo viene effettuato, dalla possibilità di un uso combinato della risorsa. Pertanto, gli elementi chimici ei composti estratti dall'acqua termale possono fornire un reddito aggiuntivo. Ricordiamo l'esempio di Larderello: lì era primaria la produzione chimica e l'uso della geotermia inizialmente era ausiliario.

L'energia geotermica in avanti

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

Inoltre, la geotermia è tecnologicamente meno capiente rispetto all'eolico, e ancor di più al solare: i sistemi degli impianti geotermici sono abbastanza semplici.

Nella struttura totale della produzione mondiale di elettricità, 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 sono presenti tre cluster di maggior sviluppo del settore: le isole del Sud-est asiatico, dell'America centrale e dell'Africa orientale. Le prime due regioni sono incluse nella "cintura di fuoco della Terra" del Pacifico, la terza è legata alla Rift dell'Africa orientale. Molto probabilmente, l'energia geotermica continuerà a svilupparsi in queste cinture. Una prospettiva più lontana è lo sviluppo dell'energia petrotermica, utilizzando il calore degli strati della terra, che giace a una profondità di diversi chilometri. Si tratta di una risorsa quasi onnipresente, ma la sua estrazione richiede costi elevati, per questo l'energia petrotermica si sta sviluppando principalmente nei paesi più potenti dal punto di vista economico e tecnologico.

In generale, data l'onnipresente 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 prezzi per queste ultime.

Dalla Kamchatka al Caucaso

In Russia, lo sviluppo della geotermia ha una storia abbastanza lunga e in diverse posizioni siamo tra i leader mondiali, sebbene la quota della geotermia nel bilancio energetico totale di un grande Paese sia ancora trascurabile.

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

Nel Caucaso settentrionale - nel territorio di Krasnodar, Cecenia, Daghestan - il calore delle acque termali per scopi 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 bloccato 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, ancora funzionante con le stazioni Pauzhetskaya e Paratunskaya, fu costruita nel 1965-1967, mentre la Paratunskaya GeoPP con una capacità di 600 kW divenne 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 dell'SB RAS, che nel 1965 ricevettero un certificato d'autore per l'estrazione di elettricità dall'acqua con una temperatura di 70 ° C. Questa tecnologia in seguito è diventata 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 presso la stazione è in costruzione un blocco binario 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 interrotto. I più grandi impianti di energia geotermica al momento sono il Verkhne-Mutnovskaya GeoPP con una capacità totale di 12 MW di unità di potenza, messo in servizio 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 climatiche estreme, dove è inverno 9-10 mesi all'anno. L'attrezzatura dei Mutnovsky GeoPP, attualmente una delle più moderne al mondo, è completamente creata nelle imprese nazionali di ingegneria energetica.

Allo stato attuale, la quota degli impianti di Mutnovskie nella struttura totale del consumo energetico dell'hub energetico della Kamchatka centrale è del 40%. Un aumento della capacità è previsto nei prossimi anni.

Separatamente, si dovrebbe parlare degli sviluppi petroliferi russi. Non disponiamo ancora di 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 degli impianti petroliferi. 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 petrolifera in Russia è attualmente in fase sperimentale.

Ci sono prospettive per la geotermia in Russia, anche se relativamente lontane: al momento il potenziale è abbastanza 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 attualmente richiesto. Si tratta di territori ad alto potenziale geoenergetico (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - la parte russa del Pacifico "cintura di fuoco della Terra", le montagne della Siberia meridionale e del Caucaso) e allo stesso tempo remoti e tagliati fuori dall'approvvigionamento energetico centralizzato.

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

Kirill Degtyarev,
Ricercatore, Università statale di Mosca MV Lomonosov
"Scienza e vita" n. 9, n. 10 2013

2. Regime termico della Terra

La terra è un corpo nello spazio 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 sulla superficie della Terra principalmente dal Sole. Ogni centimetro quadrato di superficie riceve circa 2 calorie di calore in un minuto. Questa quantità è chiamata 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 a cui 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 della temperatura segue la legge adiabatica e dipende dalla compressione della sostanza in pressione quando è impossibile lo scambio termico con l'ambiente.

Le principali fonti di calore all'interno della Terra:

Il calore rilasciato durante il decadimento radioattivo degli elementi.

Calore residuo, preservato dal tempo della formazione della Terra.

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

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

Calore rilasciato dall'attrito di marea 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 Iа - 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 ° С, in Giappone (Echigo) - 2,9 ° С, nell'Australia meridionale - 10,9 ° С, in Kazakistan (Samarinda) - 6,3 ° С, nella penisola di Kola - 0,65 ° C .

Riso. 3. Zone di temperatura nella crosta terrestre: I - zona di temperatura variabile, 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 gradino geotermico non sono costanti non solo a diverse latitudini, ma anche a diverse profondità dello stesso punto della regione. L'entità del gradino geotermico varia da 1,5 a 250 m.Ad Arkhangelsk sono 10 m, a Mosca - 38,4 m e a Pyatigorsk - 1,5 m.Il valore medio teorico di questo passaggio è 33 m.

In un pozzo trivellato a Mosca a una profondità di 1630 m, la temperatura del fondo pozzo 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 USA 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.

Con lo sviluppo e la formazione della società, l'umanità iniziò a cercare modi più moderni e allo stesso tempo economici per ottenere energia. Per questo oggi si stanno costruendo varie stazioni, ma allo stesso tempo viene ampiamente utilizzata l'energia contenuta nelle viscere della terra. Com'è? Proviamo a capirlo.

Energia geotermica

Già dal nome è chiaro che rappresenta il calore dell'interno della terra. Sotto la crosta terrestre c'è uno strato di magma, che è una fusione di silicato liquido infuocato. Secondo i dati della ricerca, il potenziale energetico di questo calore è molto superiore all'energia delle riserve mondiali di gas naturale e petrolio. Magma - la lava viene in superficie. Inoltre, la maggiore attività si osserva in quegli strati della terra su cui si trovano i confini delle placche tettoniche, nonché dove la crosta terrestre è caratterizzata da magrezza. L'energia geotermica della terra si ottiene come segue: lava e risorse idriche i pianeti si toccano, per cui l'acqua inizia a riscaldarsi bruscamente. Ciò porta all'eruzione di un geyser, alla formazione dei cosiddetti laghi caldi e alle correnti sottomarine. Cioè, proprio a quei fenomeni naturali, le cui proprietà vengono attivamente utilizzate come energie.

Sorgenti geotermiche artificiali

L'energia contenuta nelle viscere della terra deve essere usata con saggezza. Ad esempio, c'è un'idea per creare caldaie interrate. Per fare ciò, è necessario perforare due pozzi di profondità sufficiente, che saranno collegati nella parte inferiore. Cioè, si scopre che in quasi ogni angolo del terreno è possibile ottenere energia geotermica industrialmente: l'acqua fredda verrà pompata nel serbatoio attraverso un pozzo e l'acqua calda o il vapore verranno estratti attraverso il secondo. Le fonti di calore artificiali saranno utili e razionali se il calore risultante fornisce più energia. Il vapore può essere inviato a generatori a turbina, che genereranno elettricità.

Naturalmente, la batteria selezionata è solo una frazione di quella disponibile nelle riserve totali. Ma va ricordato che il calore profondo si reintegra costantemente a causa dei processi di compressione delle rocce, stratificazione delle viscere. Come dicono gli esperti, la crosta terrestre accumula calore, la cui quantità totale è 5000 volte superiore al potere calorifico di tutte le risorse fossili della terra nel suo insieme. Si scopre che il tempo di funzionamento di tali stazioni geotermiche create artificialmente può essere illimitato.

Caratteristiche delle fonti

Le fonti che forniscono energia geotermica sono quasi impossibili da utilizzare completamente. Esistono in più di 60 paesi del mondo, con la maggior parte dei vulcani terrestri nell'anello di fuoco vulcanico del Pacifico. Ma in pratica, si scopre che le fonti geotermiche in diverse regioni del mondo sono completamente diverse nelle loro proprietà, vale a dire, temperatura media, mineralizzazione, composizione del gas, acidità e così via.

I geyser sono fonti di energia sulla Terra, la cui particolarità è che emettono acqua bollente a intervalli regolari. Dopo che si è verificata l'eruzione, la piscina si libera dall'acqua, sul fondo si può vedere un canale che si insinua in profondità nel terreno. I geyser sono utilizzati come fonti di energia in regioni come Kamchatka, Islanda, Nuova Zelanda e Nord America, mentre i geyser solitari si trovano in molte altre aree.

Da dove viene l'energia?

Molto vicino a superficie terrestre si trova il magma non raffreddato. Da esso vengono rilasciati gas e vapori, che salgono e passano lungo le fessure. Mescolando con acque sotterranee, li fanno riscaldare, essi stessi si trasformano in acqua calda, in cui sono disciolte molte sostanze. Tale acqua viene rilasciata sulla superficie della terra sotto forma di varie sorgenti geotermiche: sorgenti termali, sorgenti minerali, geyser e così via. Secondo gli scienziati, le viscere calde della terra sono grotte o camere collegate da passaggi, crepe e canali. Sono solo pieni di acque sotterranee e i centri di magma si trovano molto vicino a loro. Ecco come si forma naturalmente energia termica terra.

Campo elettrico della terra

Esiste un'altra fonte di energia alternativa in natura, che si distingue per rinnovabilità, rispetto dell'ambiente e facilità d'uso. È vero, fino ad ora questa fonte viene solo studiata e non applicata nella pratica. Quindi, l'energia potenziale della Terra è nascosta nel suo campo elettrico. Puoi ottenere energia in questo modo in base allo studio delle leggi di base dell'elettrostatica e delle caratteristiche campo elettrico Terra. Infatti il ​​nostro pianeta da un punto di vista elettrico è un condensatore sferico caricato fino a 300.000 volt. La sua sfera interna ha una carica negativa e quella esterna, la ionosfera, è positiva. è un isolante. Attraverso di essa c'è un flusso costante di correnti ioniche e convettive, che raggiungono una forza di molte migliaia di ampere. Tuttavia, la differenza di potenziale tra le piastre non diminuisce in questo caso.

Ciò suggerisce che esiste un generatore in natura, il cui ruolo è quello di ricostituire costantemente la perdita di cariche dalle piastre del condensatore. Il ruolo di un tale generatore è svolto dal campo magnetico terrestre, che ruota con il nostro pianeta in un flusso vento solare... L'energia del campo magnetico terrestre può essere ottenuta semplicemente collegando un consumatore di energia a questo generatore. Per fare ciò, è necessario eseguire un'installazione di messa a terra affidabile.

Risorse rinnovabili

Poiché la popolazione del nostro pianeta cresce costantemente, abbiamo bisogno di sempre più energia per sostenere la popolazione. L'energia contenuta nelle viscere della terra può essere molto diversa. Ad esempio, ci sono le fonti rinnovabili: energia eolica, solare e idrica. Sono rispettosi dell'ambiente e quindi puoi usarli senza temere di causare danni all'ambiente.

Energia dell'acqua

Questo metodo è stato utilizzato per molti secoli. Oggi è stato costruito un numero enorme di dighe, bacini idrici, in cui l'acqua viene utilizzata per generare elettricità. L'essenza di questo meccanismo è semplice: sotto l'influenza del flusso del fiume, le ruote delle turbine ruotano, rispettivamente, l'energia dell'acqua viene convertita in energia elettrica.

Oggi c'è un gran numero di centrali idroelettriche che convertono l'energia del flusso dell'acqua in energia elettrica. La particolarità di questo metodo è che rinnovate, rispettivamente, tali strutture hanno un costo contenuto. Ecco perché, nonostante la costruzione di centrali idroelettriche sia in corso da molto tempo e il processo stesso sia molto costoso, tuttavia, queste strutture superano notevolmente le industrie ad alta intensità di energia.

L'energia del sole: moderna e promettente

Tuttavia, l'energia solare proviene dai pannelli solari moderne tecnologie consentono di utilizzare nuovi metodi per questo. Il più grande del mondo è un sistema costruito nel deserto della California. Alimenta completamente 2.000 case. Il design funziona come segue: dagli specchi si riflettono i raggi del sole, che vengono inviati alla caldaia centrale con acqua. Bollisce e si trasforma in vapore che aziona la turbina. Lei, a sua volta, è collegata a un generatore elettrico. Il vento può anche essere usato come energia che la Terra ci fornisce. Il vento soffia le vele, fa girare i mulini. E ora può essere utilizzato per creare dispositivi che genereranno energia elettrica. Ruotando le pale della turbina eolica, aziona l'albero della turbina, che, a sua volta, è collegato a un generatore elettrico.

Energia interiore della Terra

È apparso come risultato di diversi processi, i principali dei quali sono l'accrescimento e la radioattività. Secondo gli scienziati, la formazione della Terra e della sua massa è avvenuta nell'arco di diversi milioni di anni, e ciò è avvenuto a causa della formazione dei planetesimi. Rimasero insieme, rispettivamente, la massa della Terra divenne sempre di più. Dopo che il nostro pianeta iniziò ad avere una massa moderna, ma era ancora privo di atmosfera, corpi meteorici e di asteroidi caddero su di esso senza ostacoli. Questo processo è precisamente chiamato accrescimento e ha portato al rilascio di una significativa energia gravitazionale. E più grandi sono i corpi che cadono sul pianeta, maggiore è la quantità di energia rilasciata, contenuta nelle viscere della Terra.

Questa differenziazione gravitazionale portò al fatto che le sostanze iniziarono a stratificarsi: le sostanze pesanti semplicemente annegavano e quelle leggere e volatili galleggiavano. La differenziazione ha anche influenzato il rilascio aggiuntivo di energia gravitazionale.

Energia atomica

L'uso dell'energia della terra può avvenire in diversi modi. Ad esempio, attraverso la costruzione di centrali nucleari, quando l'energia termica viene rilasciata a causa della disintegrazione delle più piccole particelle di materia di atomi. Il combustibile principale è l'uranio, contenuto nella crosta terrestre. Molti credono che questo particolare metodo per ottenere energia sia il più promettente, ma la sua applicazione è irta di una serie di problemi. In primo luogo, l'uranio emette radiazioni che uccidono tutti gli organismi viventi. Inoltre, se questa sostanza entra nel suolo o nell'atmosfera, si verificherà un vero disastro causato dall'uomo. Stiamo ancora vivendo le tristi conseguenze dell'incidente alla centrale nucleare di Chernobyl. Il pericolo sta nel fatto che scorie radioattive può minacciare tutti gli esseri viventi per un tempo molto, molto lungo, interi millenni.

Nuovo tempo - nuove idee

Naturalmente, le persone non si fermano qui e ogni anno vengono fatti sempre più tentativi per trovare nuovi modi per ottenere energia. Se l'energia del calore della terra si ottiene semplicemente, allora alcuni metodi non sono così semplici. Ad esempio, come fonte di energia, è del tutto possibile utilizzare gas biologico, ottenuto da rifiuti in decomposizione. Può essere utilizzato per riscaldare le case e riscaldare l'acqua.

Sempre più spesso, vengono eretti quando dighe e turbine vengono installate attraverso le bocche dei bacini idrici, che sono azionate rispettivamente da flusso e riflusso, si ottiene elettricità.

Bruciando i rifiuti, otteniamo energia

Un altro metodo, già utilizzato in Giappone, è la creazione di inceneritori. Oggi sono costruite in Inghilterra, Italia, Danimarca, Germania, Francia, Paesi Bassi e Stati Uniti, ma solo in Giappone queste imprese hanno iniziato ad essere utilizzate non solo per lo scopo previsto, ma anche per la generazione di elettricità. Le fabbriche locali bruciano i 2/3 di tutti i rifiuti, mentre le fabbriche sono dotate di turbine a vapore. Di conseguenza, forniscono calore ed elettricità alle aree circostanti. Allo stesso tempo, in termini di costi, è molto più redditizio costruire un'impresa del genere che costruire un cogeneratore.

La prospettiva di utilizzare il calore terrestre dove si concentrano i vulcani sembra più allettante. In questo caso, non sarà necessario perforare la Terra troppo in profondità, poiché già a una profondità di 300-500 metri la temperatura sarà almeno il doppio del punto di ebollizione dell'acqua.

Esiste anche un modo di generare elettricità poiché l'idrogeno - l'elemento chimico più semplice e leggero - può essere considerato un combustibile ideale, perché è lì dove c'è l'acqua. Se bruci idrogeno, puoi ottenere acqua, che si decompone in ossigeno e idrogeno. La stessa fiamma dell'idrogeno è innocua, cioè non ci saranno danni per l'ambiente. La particolarità di questo elemento è che ha un alto potere calorifico.

Cosa c'è nel futuro?

Naturalmente, l'energia del campo magnetico terrestre o quella che si ottiene nelle centrali nucleari non può soddisfare pienamente tutti i bisogni dell'umanità, che crescono ogni anno. Tuttavia, gli esperti affermano che non ci sono motivi di preoccupazione, dal momento che le risorse di carburante del pianeta sono ancora sufficienti. Inoltre, vengono utilizzate sempre più nuove fonti, rispettose dell'ambiente e rinnovabili.

Il problema dell'inquinamento ambientale resta, e sta crescendo in modo catastrofico. La quantità di emissioni nocive va fuori scala, rispettivamente, l'aria che respiriamo è nociva, l'acqua ha impurità pericolose e il suolo si esaurisce gradualmente. Ecco perché è così importante studiare tempestivamente un fenomeno come l'energia nelle viscere della Terra al fine di cercare modi per ridurre la domanda di combustibili fossili e utilizzare più attivamente fonti di energia non tradizionali.

Questa energia appartiene a fonti alternative. Oggigiorno, sempre più persone parlano delle possibilità di ottenere risorse che il pianeta ci offre. Possiamo dire che viviamo nell'era della moda delle energie rinnovabili. Molte soluzioni tecniche, piani, teorie si stanno creando in quest'area.

Si trova nelle profondità delle viscere della terra e ha le proprietà del rinnovamento, in altre parole è infinito. Le risorse classiche, secondo gli scienziati, stanno iniziando a esaurirsi, petrolio, carbone e gas si esauriranno.

Centrale geotermica di Nesiavellir, Islanda

Pertanto, si può gradualmente prepararsi ad adottare nuovi metodi alternativi di produzione di energia. C'è un potente nucleo sotto la crosta terrestre. La sua temperatura varia da 3000 a 6000 gradi. Il movimento delle placche litosferiche dimostra il suo tremendo potere. Si manifesta sotto forma di esplosione vulcanica di magma. Nelle profondità si verifica un decadimento radioattivo, che a volte provoca tali disastri naturali.

Di solito il magma riscalda la superficie senza lasciarla. Così sono fatti i geyser o le calde pozze d'acqua. Pertanto, è possibile utilizzare processi fisici in obiettivi desiderati per l'umanità.

Tipi di fonti di energia geotermica

Di solito è diviso in due tipi: energia idrotermale e petrotermica. Il primo si forma a causa di sorgenti calde e il secondo tipo è la differenza di temperatura in superficie e nelle profondità della terra. Spiegando con parole tue, la sorgente idrotermale è composta da vapore e acqua calda, mentre quella petrotermica è nascosta in profondità sotto terra.

Mappa del potenziale di sviluppo della geotermia nel mondo

Per l'energia petrotermica, è necessario perforare due pozzi, riempirne uno con acqua, dopodiché avrà luogo un processo vertiginoso, che verrà in superficie. Esistono tre classi di aree geotermiche:

• Geotermico - situato vicino alle placche continentali. Gradiente di temperatura oltre 80°C/km. Ad esempio, il comune italiano di Larderello. C'è una centrale elettrica
• Semitermico - temperatura 40 - 80 C/km. Si tratta di falde acquifere naturali costituite da rocce fratturate. In alcuni luoghi in Francia, gli edifici vengono riscaldati in questo modo.
• Normale - pendenza inferiore a 40 C/km. La rappresentazione di tali aree è più comune

Sono un'ottima fonte di consumo. Si trovano nella roccia ad una certa profondità. Diamo un'occhiata più da vicino alla classificazione:

• Epitermico - temperatura da 50 a 90 s
• Mesotermico - 100 - 120 s
• Ipotermico - più di 200 s

Questi tipi sono costituiti da diversi Composizione chimica... A seconda di ciò, puoi usare l'acqua per scopi diversi. Ad esempio, nella produzione di energia elettrica, fornitura di calore (percorsi di riscaldamento), la base delle materie prime.

Video: energia geotermica

Processo di fornitura di calore

La temperatura dell'acqua è di 50 -60 gradi, ottimale per il riscaldamento e la fornitura di acqua calda in un'area residenziale. Necessità di impianti di riscaldamento dipende dalla posizione geografica e condizioni climatiche... E le persone hanno costantemente bisogno di acqua calda. Per questo processo sono in corso di realizzazione le GTS (centrali termiche geotermiche).

Se per la produzione classica di energia termica viene utilizzato un locale caldaia che consuma combustibile solido o gassoso, in questa produzione viene utilizzata una sorgente geyser. Il processo tecnico è molto semplice, le stesse comunicazioni, percorsi di riscaldamento e apparecchiature. È sufficiente perforare un pozzo, pulirlo dai gas, quindi pomparlo nel locale caldaia, dove verrà mantenuto il programma di temperatura, quindi entrerà nella rete di riscaldamento.

La differenza principale è che non è necessario utilizzare una caldaia a combustibile. Ciò riduce notevolmente il costo dell'energia termica. In inverno, gli abbonati ricevono la fornitura di calore e acqua calda e in estate solo la fornitura di acqua calda.

Produzione di energia

Le sorgenti termali e i geyser sono i componenti principali nella produzione di elettricità. Per questo vengono utilizzati diversi schemi, vengono costruite centrali elettriche speciali. Dispositivo GTS:

• Serbatoio ACS
• Pompa
• Separatore di gas
• Separatore di vapore
• Turbina generatrice
• Condensatore
• Pompa booster
• Serbatoio - dispositivo di raffreddamento

Come puoi vedere, l'elemento principale del circuito è un convertitore di vapore. Ciò consente di ottenere vapore purificato, poiché contiene acidi che distruggono l'apparecchiatura della turbina. Esiste la possibilità di utilizzare uno schema misto nel ciclo tecnologico, ovvero acqua e vapore sono coinvolti nel processo. Il liquido attraversa l'intera fase di purificazione dai gas e dal vapore.

Circuito sorgente binario

Il componente di lavoro è un liquido a basso punto di ebollizione. L'acqua termale è anche coinvolta nella produzione di energia elettrica e funge da materia prima secondaria.

Con il suo aiuto, si forma vapore da una fonte a basso punto di ebollizione. GTS con un tale ciclo di lavoro può essere completamente automatizzato e non richiede personale addetto alla manutenzione. Le stazioni più potenti utilizzano uno schema a due circuiti. Questo tipo di centrale permette di raggiungere una potenza di 10 MW. Struttura a doppio circuito:

• Generatore di vapore
• Turbina
• Condensatore
• Espulsore
• Pompa di alimentazione
• Economizzatore
• Evaporatore

Uso pratico

Le enormi riserve di fonti sono molte volte superiori al consumo energetico annuo. Ma solo una piccola parte è usata dall'umanità. La costruzione delle stazioni è datata 1916. Nasce in Italia la prima centrale geotermica con una potenza di 7,5 MW. L'industria si sta sviluppando attivamente in paesi come: USA, Islanda, Giappone, Filippine, Italia.

I potenziali siti vengono attivamente esplorati e sono in corso metodi di estrazione più convenienti. La capacità produttiva cresce di anno in anno. Se prendiamo in considerazione l'indicatore economico, il costo di tale industria è uguale alle centrali termoelettriche a carbone. L'Islanda copre quasi completamente i servizi pubblici e il patrimonio immobiliare della fonte GT. L'80% delle case utilizza l'acqua calda dei pozzi per il riscaldamento. Gli esperti degli Stati Uniti sostengono che, con un adeguato sviluppo, le centrali geotermiche possono produrre un consumo annuo 30 volte superiore. Se parliamo del potenziale, allora 39 paesi del mondo saranno in grado di fornirsi completamente di elettricità se utilizzeranno le viscere della terra per il 100%.