Branduolinė žemės šiluma. Geoterminė energija ir jos gamybos būdai

Rusijai Žemės šilumos energija gali tapti nuolatiniu, patikimu šaltiniu tiekiant pigią ir prieinamą elektrą ir šilumą, naudojant naujas aukštas, aplinkai nekenksmingas technologijas jos išgavimui ir tiekimui vartotojui. Tai ypač aktualu šiais laikais.

Riboti iškastinių energijos žaliavų ištekliai

Ekologinių energetinių žaliavų paklausa yra didelė pramoniniu būdu išvystytose ir besivystančios šalys(JAV, Japonija, suvienytos Europos valstybės, Kinija, Indija ir kt.). Tuo pačiu metu jų pačių angliavandenilių ištekliai šiose šalyse yra arba nepakankami, arba rezervuoti, o šalis, pavyzdžiui, JAV, perka energetines žaliavas užsienyje arba plėtoja telkinius kitose šalyse.

Rusijoje, vienoje turtingiausių energetiniais ištekliais šalių, ekonominius energijos poreikius vis dar tenkina gamtos išteklių panaudojimo galimybės. Tačiau iškastinių angliavandenilių gavyba iš podirvio vyksta labai sparčiai. Jeigu 1940–1960 m. pagrindiniai naftos gavybos regionai buvo „Antrasis Baku“ Volgos ir Uralo regionuose, tada, pradedant nuo aštuntojo dešimtmečio ir iki šių dienų, tokia sritis yra Vakarų Sibiras... Tačiau čia taip pat labai sumažėjo iškastinių angliavandenilių gamyba. „Sausų“ Cenomanian dujų era praeina. Baigėsi ankstesnis ekstensyvios gamtinių dujų gamybos plėtros etapas. Jo gavyba iš tokių milžiniškų laukų kaip Medvežhye, Urengoyskoye ir Yamburgskoje sudarė atitinkamai 84, 65 ir 50%. Laikui bėgant mažėja ir plėtrai palankių naftos atsargų dalis.

Dėl aktyvaus angliavandenilių kuro vartojimo labai sumažėjo naftos ir gamtinių dujų atsargos sausumoje. Dabar pagrindiniai jų rezervai yra sutelkti žemyniniame šelfe. Ir nors naftos ir dujų pramonės žaliavų bazės vis dar yra pakankamai, kad būtų galima išgauti naftą ir dujas Rusijoje reikiamais kiekiais, artimiausiu metu ji bus teikiama vis labiau plėtojant telkinius, kurių kasyba sudėtinga. ir geologines sąlygas. Angliavandenilių žaliavų gamybos kaštai ir toliau augs.

Didžioji dalis iš žemės gelmių išgaunamų neatsinaujinančių išteklių panaudojama kaip kuras elektrinėms. Visų pirma, tai yra, kurio dalis kuro struktūroje yra 64%.

Rusijoje šiluminėse elektrinėse pagaminama 70 proc. Šalies energetikos įmonės kasmet sudegina apie 500 mln. tonų kuro ekvivalento. t elektros energijai ir šilumai gaminti, o šilumos gamybai angliavandeninio kuro sunaudojama 3-4 kartus daugiau nei elektrai gaminti.

Šilumos kiekis, gaunamas deginant šiuos angliavandenilių žaliavų kiekius, prilygsta šimtų tonų branduolinio kuro panaudojimui – skirtumas milžiniškas. Tačiau branduolinei energetikai reikalingas aplinkos saugumas (kad būtų išvengta Černobylio pasikartojimo) ir jos apsauga nuo galimų teroristinių išpuolių, taip pat įgyvendinamas saugus ir brangus pasenusių ir pasenusių AE blokų eksploatavimo nutraukimas. Įrodytos atgautinos urano atsargos pasaulyje yra apie 3 mln 400 tūkst.t.. Per visą ankstesnį laikotarpį (iki 2007 m.) buvo išgauta apie 2 mln.

AEI kaip pasaulio energetikos ateitis

Pastaraisiais dešimtmečiais pasaulyje išaugusį susidomėjimą alternatyviais atsinaujinančiais energijos šaltiniais (AEI) lemia ne tik angliavandenilių kuro atsargų išeikvojimas, bet ir būtinybė spręsti aplinkosaugos klausimai... Objektyvūs veiksniai (iškastinio kuro ir urano atsargos, taip pat pokyčiai aplinką susiję su tradicinės ugnies ir branduolinės energijos naudojimu) ir energetikos plėtros tendencijos leidžia teigti, kad perėjimas prie naujų energijos gamybos būdų ir formų yra neišvengiamas. Jau XXI amžiaus pirmoje pusėje. bus visiškai arba beveik visiškai pereita prie netradicinių energijos šaltinių.

Kuo greičiau bus padarytas lūžis šia kryptimi, tuo mažiau skaudu bus visai visuomenei ir tuo bus naudingiau šaliai, kurioje bus žengti ryžtingi žingsniai šia kryptimi.

Pasaulio ekonomika jau ėmėsi perėjimo prie racionalaus tradicinių ir naujų energijos šaltinių derinimo kurso. Iki 2000 m. energijos suvartojimas pasaulyje sudarė daugiau nei 18 milijardų tonų degalų ekvivalento. t., o energijos suvartojimas iki 2025 m. gali padidėti iki 30–38 mlrd. tce. t., prognozių duomenimis, iki 2050 metų galima sunaudoti 60 mlrd.tce. m. Būdinga pasaulio ekonomikos raidos tendencija nagrinėjamu laikotarpiu yra sistemingas iškastinio kuro vartojimo mažėjimas ir atitinkamai didėjantis netradicinių energijos išteklių naudojimas. Žemės šiluminė energija užima vieną iš pirmųjų vietų tarp jų.

Šiuo metu Rusijos Federacijos energetikos ministerija yra patvirtinusi netradicinės energetikos plėtros programą, apimančią 30 didelių šilumos siurblių įrenginių (HPU) naudojimo projektų, kurių principas grindžiamas mažo energijos suvartojimu. - Žemės šiluminė energija.

Žemos kokybės žemės šilumos energija ir šilumos siurbliai

Žemo potencialo šilumos energijos šaltiniai yra saulės spinduliuotė ir šiluminė spinduliuotė iš įkaitusių mūsų planetos žarnų. Šiuo metu tokios energijos naudojimas yra viena dinamiškiausiai besivystančių atsinaujinančiais energijos šaltiniais pagrįstos energetikos sričių.

Galima panaudoti žemės šilumą skirtingi tipai pastatai ir statiniai, skirti šildymui, karšto vandens tiekimui, oro kondicionavimui (vėsinimui), taip pat šildymo takams žiemos sezonu, apledėjimo prevencijai, lauko aikštynams atviruose stadionuose ir kt. bei oro kondicionavimui yra žymimi kaip GHP – „geoterminiai šilumos siurbliai“. “ (geoterminiai šilumos siurbliai). Vidurio ir Šiaurės Europos šalių, kurios kartu su JAV ir Kanada yra pagrindiniai žemo potencialo žemės šilumos panaudojimo regionai, klimato ypatumai tai lemia daugiausia šildymo tikslais; oro aušinimas net viduje vasaros laikotarpis reikalingas palyginti retai. Todėl, skirtingai nei JAV, šilumos siurbliai į Europos šalys veikia daugiausia šildymo režimu. Jungtinėse Amerikos Valstijose jie dažniau naudojami sistemose oro šildymas, kartu su ventiliacija, kuri leidžia tiek šildyti, tiek vėsinti lauko orą. Europos šalyse šilumos siurbliai dažniausiai naudojami karšto vandens šildymo sistemose. Kadangi jų efektyvumas didėja mažėjant temperatūrų skirtumui tarp garintuvo ir kondensatoriaus, pastatams šildyti dažnai naudojamos grindinio šildymo sistemos, kuriose aušinimo skystis cirkuliuoja santykinai žemoje temperatūroje (35–40 °C).

Žemo potencialo žemės šilumos energijos naudojimo sistemų tipai

Apskritai galima išskirti dviejų tipų sistemas, skirtas naudoti žemo potencialo šilumos energiją:

- atviros sistemos: gruntinis vanduo, tiekiamas tiesiai į šilumos siurblius, naudojamas kaip žemos kokybės šiluminės energijos šaltinis;

- uždaros sistemos: šilumokaičiai yra išdėstyti grunto masėje; kai per jas cirkuliuoja žemesnės temperatūros aušinimo skystis, iš žemės „paimama“ šiluminė energija ir perduodama į šilumos siurblio garintuvą (arba, naudojant aušinimo skystį, kurio temperatūra žemė atžvilgiu yra aukštesnė, ji atšaldoma ).

Atvirų sistemų trūkumai yra tai, kad šulinius reikia prižiūrėti. Be to, tokių sistemų naudojimas įmanomas ne visose srityse. Pagrindiniai reikalavimai dirvožemiui ir požeminiam vandeniui yra šie:

- pakankamas dirvožemio pralaidumas vandeniui, leidžiantis papildyti vandens atsargas;

- gera požeminio vandens cheminė sudėtis (pvz., mažas geležies kiekis), kad būtų išvengta problemų, susijusių su nuosėdų susidarymu ant vamzdžio sienelių ir korozijos.

Uždaros sistemos, skirtos žemo potencialo žemės šilumos energijai panaudoti

Uždarosios sistemos yra horizontalios ir vertikalios (1 pav.).

Ryžiai. 1. Geoterminio šilumos siurblio įrengimo schema su: a - horizontalia

ir b - vertikalūs žemės šilumokaičiai.

Horizontalus žemės šilumokaitis

Vakarų ir Vidurio Europos šalyse horizontalūs žemės šilumokaičiai dažniausiai yra atskiri vamzdžiai, klojami gana sandariai ir jungiami nuosekliai arba lygiagrečiai (2 pav.).

Ryžiai. 2. Horizontalūs žemės šilumokaičiai su: a - serijiniais ir

b - lygiagretus ryšys.

Siekiant sutaupyti zonos, kurioje pašalinama šiluma, plotą, buvo sukurti patobulinti šilumokaičių tipai, pavyzdžiui, spiralės formos šilumokaičiai (3 pav.), išdėstyti horizontaliai arba vertikaliai. Ši šilumokaičio forma yra paplitusi JAV.

Mūsų šalyje, kurioje gausu angliavandenilių, geoterminė energija yra egzotiškas išteklius, kuris, atsižvelgiant į dabartinę padėtį, vargu ar konkuruos su nafta ir dujomis. Nepaisant to, ši alternatyvi energijos forma gali būti naudojama beveik visur ir yra gana efektyvi.

Geotermine energija– tai žemės vidaus šiluma. Jis gaminamas gelmėse ir patenka į Žemės paviršių skirtingos formos ir skirtingu intensyvumu.

Viršutinių dirvožemio sluoksnių temperatūra daugiausia priklauso nuo išorinių (egzogeninių) veiksnių – saulės šviesos ir oro temperatūros. Vasarą ir dieną dirvožemis įšyla iki tam tikro gylio, o žiemą ir naktį atšąla pasikeitus oro temperatūrai ir šiek tiek vėluojant, didėjant gyliui. Kasdienių oro temperatūros svyravimų įtaka baigiasi gylyje nuo kelių iki kelių dešimčių centimetrų. Sezoniniai svyravimai apima gilesnius dirvožemio sluoksnius – iki dešimčių metrų.

Tam tikrame gylyje – nuo ​​dešimčių iki šimtų metrų – dirvožemio temperatūra palaikoma pastovi, lygi vidutinei metinei oro temperatūrai Žemės paviršiuje. Tuo nesunku įsitikinti nusileidus į pakankamai gilų urvą.

Kada vidutinė metinė temperatūra oro šioje srityje yra žemiau nulio, tai pasireiškia kaip amžinasis įšalas (tiksliau, amžinasis įšalas). Rytų Sibire ištisus metus įšalusių dirvų storis, tai yra storis, vietomis siekia 200-300 m.

Nuo tam tikro gylio (kiekvienam žemėlapio taškui savo) Saulės ir atmosferos poveikis taip susilpnėja, kad išryškėja endogeniniai (vidiniai) veiksniai ir žemės vidus įšyla iš vidaus, todėl temperatūra. pradeda kilti su gyliu.

Giliųjų Žemės sluoksnių įkaitimas daugiausia siejamas su ten esančių radioaktyviųjų elementų irimu, nors kitais šilumos šaltiniais vadinami ir, pavyzdžiui, fizikiniai ir cheminiai, tektoniniai procesai giliuose žemės plutos ir mantijos sluoksniuose. Tačiau, kad ir kokia būtų priežastis, uolienų ir susijusių skystųjų bei dujinių medžiagų temperatūra didėja didėjant gyliui. Kalnakasiai susiduria su šiuo reiškiniu – giliose kasyklose visada karšta. 1 km gylyje trisdešimties laipsnių karštis yra normalus, o giliau temperatūra dar aukštesnė.

Žemės vidaus šilumos srautas, pasiekiantis Žemės paviršių, yra nedidelis – vidutiniškai jo galia yra 0,03–0,05 W / m 2 arba apie 350 W · h / m 2 per metus. Saulės šilumos srauto ir jos šildomo oro fone tai yra nepastebima vertybė: Saulė suteikia kiekvienam kvadratinis metrasŽemės paviršius per metus yra apie 4000 kWh, tai yra 10000 kartų daugiau (žinoma, tai yra vidutiniškai, esant didžiuliam skirtumui tarp poliarinės ir pusiaujo platumos ir priklausomai nuo kitų klimato ir oro veiksnių).

Šilumos srauto iš gelmių į paviršių nereikšmingumas didžiojoje planetos dalyje siejamas su mažu uolienų šilumos laidumu ir geologinės sandaros ypatumais. Tačiau yra išimčių – vietos, kur šilumos srautas didelis. Tai visų pirma tektoninių lūžių, padidėjusio seisminio aktyvumo ir vulkanizmo zonos, kuriose išteklius randa žemės vidaus energija. Tokios zonos pasižymi litosferos šiluminėmis anomalijomis, čia šilumos srautas, pasiekiantis Žemės paviršių, gali būti kelis kartus ir net eilėmis galingesnis už „įprastą“. Vulkanų išsiveržimai ir karšto vandens šaltiniai šiose zonose į paviršių išneša didžiulį šilumos kiekį.

Būtent šios teritorijos yra palankiausios geoterminės energetikos plėtrai. Rusijos teritorijoje tai visų pirma Kamčiatka, Kurilų salos ir Kaukazas.

Tuo pačiu metu geoterminės energijos plėtra įmanoma beveik visur, nes temperatūros padidėjimas kartu su gyliu yra visur paplitęs reiškinys, o užduotis yra „ištraukti“ šilumą iš žarnyno, kaip iš ten išgaunamos mineralinės žaliavos.

Vidutiniškai kas 100 m temperatūra didėja didėjant gyliui 2,5–3 ° C. Temperatūros skirtumo tarp dviejų skirtingų gylių taškų ir gylio skirtumo santykis tarp jų vadinamas geoterminiu gradientu.

Atvirkštinė vertė yra geoterminis žingsnis arba gylio intervalas, kai temperatūra pakyla 1 ° C.

Kuo didesnis gradientas ir atitinkamai žemesnis laiptelis, tuo Žemės gelmių šiluma artėja prie paviršiaus ir ši sritis yra perspektyvesnė geoterminės energijos plėtrai.

Įvairiose vietovėse, priklausomai nuo geologinės struktūros ir kitų regioninių bei vietinių sąlygų, temperatūros kilimo greitis didėjant gyliui gali labai skirtis. Žemės mastu geoterminių gradientų ir žingsnių dydžių svyravimai siekia 25 kartus. Pavyzdžiui, Oregone (JAV) gradientas yra 150 ° C / km, o Pietų Afrikoje - 6 ° C / km.

Kyla klausimas, kokia temperatūra dideliame gylyje – 5, 10 km ar daugiau? Jei tendencija tęsis, temperatūra 10 km gylyje turėtų būti vidutiniškai apie 250–300 °C. Tai daugiau ar mažiau patvirtina tiesioginiai stebėjimai itin giliuose šuliniuose, nors vaizdas yra daug sudėtingesnis nei tiesinis temperatūros padidėjimas.

Pavyzdžiui, Baltijos kristaliniame skyde išgręžtame Kolos ypač giliame gręžinyje temperatūra iki 3 km gylio kinta 10 °C / 1 km greičiu, o tada geoterminis gradientas tampa 2–2,5 karto didesnis. 7 km gylyje jau buvo užfiksuota 120 ° C temperatūra, 10 km gylyje - 180 ° C, o 12 km - 220 ° C.

Kitas pavyzdys – gręžinys, išgręžtas šiaurinėje Kaspijos jūros regione, kur 500 m gylyje užfiksuota 42 °C, 1,5 km gylyje – 70 °C, 2 km – 80 °C, 3 km gylyje – 108 °C.

Daroma prielaida, kad geoterminis gradientas mažėja pradedant nuo 20-30 km gylio: 100 km gylyje numatoma apie 1300-1500 °C temperatūra, 400 km gylyje - 1600 °C, Žemės paviršiuje. šerdis (gylis virš 6000 km) - 4000-5000 ° C.

Gylyje iki 10–12 km temperatūra matuojama per gręžinius; kur jų nėra, tai nustatoma netiesioginiais ženklais taip pat, kaip ir didesniame gylyje. Tokie netiesioginiai požymiai gali būti seisminių bangų praėjimo pobūdis arba ištekančios lavos temperatūra.

Tačiau geoterminės energijos tikslais duomenys apie temperatūrą didesniame nei 10 km gylyje dar nėra praktiški.

Kelių kilometrų gylyje yra daug šilumos, bet kaip ją pakelti? Kartais šią problemą mums išsprendžia pati gamta, pasitelkusi natūralų šilumnešį – šildomus terminius vandenis, kurie iškyla į paviršių arba glūdi mums prieinamame gylyje. Kai kuriais atvejais vanduo gelmėse pašildomas iki garo būsenos.

Nėra griežto termino „terminių vandenų“ apibrėžimo. Paprastai jie reiškia karštą požeminį vandenį skystoje būsenoje arba garų pavidalu, įskaitant tuos, kurie išeina į Žemės paviršių, kurio temperatūra aukštesnė nei 20 ° C, tai yra, paprastai, aukštesnė už oro temperatūrą.

Požeminio vandens, garo, garo ir vandens mišinių šiluma yra hidroterminė energija. Atitinkamai, energija, pagrįsta jos panaudojimu, vadinama hidrotermine.

Padėtis yra sudėtingesnė gaminant šilumą tiesiai iš sausų uolienų – naftos šiluminę energiją, juolab kad gana aukšta temperatūra, kaip taisyklė, prasideda nuo kelių kilometrų gylio.

Rusijos teritorijoje naftos šiluminės energijos potencialas yra šimtą kartų didesnis nei hidroterminės energijos – atitinkamai 3500 ir 35 trilijonai tonų kuro ekvivalento. Tai gana natūralu – Žemės gelmių šiluma yra visur, o terminiai vandenys randami lokaliai. Tačiau dėl akivaizdžių techninių šilumos ir elektros gamybos sunkumų šiuo metu dažniausiai naudojamas terminis vanduo.

Vanduo, kurio temperatūra nuo 20-30 °C iki 100 °C, tinka šildymui, nuo 150 °C ir aukštesnė temperatūra – ir elektros gamybai geoterminėse elektrinėse.

Apskritai geoterminiai ištekliai Rusijos teritorijoje, skaičiuojant tonomis ekvivalentinio kuro ar bet kokiu kitu energijos matavimo vienetu, yra apie 10 kartų didesni nei iškastinio kuro atsargos.

Teoriškai tik geoterminė energija galėtų visiškai patenkinti šalies energijos poreikius. Praktiškai įjungta Šis momentas didžiojoje jos teritorijos dalyje tai neįmanoma dėl techninių ir ekonominių priežasčių.

Pasaulyje geoterminės energijos panaudojimas dažniausiai siejamas su Islandija – šalimi, esančia šiauriniame Vidurio Atlanto kalnagūbrio gale, itin aktyvioje tektoninėje ir vulkaninėje zonoje. Turbūt visi prisimena galingą Eyjafjallajokull ugnikalnio išsiveržimą ( Eyjafjallajökull) 2010 m.

Būtent dėl ​​šios geologinės specifikos Islandija turi milžiniškus geoterminės energijos rezervus, įskaitant karštąsias versmes, kurios išeina į Žemės paviršių ir net trykšta geizerių pavidalu.

Islandijoje daugiau nei 60% visos suvartojamos energijos šiuo metu paimama iš Žemės. Įskaitant geoterminius šaltinius, gaunama 90 % šildymo ir 30 % elektros energijos. Priduriame, kad likusi šalies elektros dalis gaminama hidroelektrinėse, tai yra taip pat naudojant atsinaujinantį energijos šaltinį, kurio dėka Islandija atrodo kaip savotiškas pasaulinis aplinkosaugos standartas.

Geoterminės energijos prijaukinimas XX amžiuje padėjo Islandijai pastebimai ekonomiškai. Iki praėjusio šimtmečio vidurio tai buvo labai skurdi šalis, dabar ji užima pirmąją vietą pasaulyje pagal įrengtus pajėgumus ir geoterminės energijos gamybą, tenkančią vienam gyventojui, ir yra dešimtuke pagal absoliučią geoterminės energijos instaliuotos galios vertę. elektrinės. Tačiau jos gyventojų skaičius yra tik 300 tūkstančių žmonių, o tai supaprastina užduotį pereiti prie aplinkai nekenksmingų energijos šaltinių: jos poreikiai paprastai yra nedideli.

Be Islandijos, didelę geoterminės energijos dalį bendrame elektros energijos gamybos balanse sudaro Naujoji Zelandija ir Pietryčių Azijos salų valstybės (Filipinai ir Indonezija), Centrinės Amerikos ir Rytų Afrikos šalys, kurių teritorija yra taip pat pasižymi dideliu seisminiu ir vulkaniniu aktyvumu. Šioms šalims, atsižvelgiant į jų dabartinį išsivystymo lygį ir poreikius, geoterminė energija labai prisideda prie socialinio ir ekonominio vystymosi.

Geoterminės energijos naudojimas turi labai ilgą istoriją. Vienas iš pirmųjų žinomų pavyzdžių yra Italija, vieta Toskanos provincijoje, dabar vadinamoje Larderello, kur dar XIX amžiaus pradžioje buvo naudojamas vietinis karštas terminis vanduo, išlietas natūraliai arba išgaunamas iš seklių šulinių. energetiniais tikslais.

Boro rūgščiai gauti čia buvo naudojamas požeminis vanduo, kuriame gausu boro. Iš pradžių ši rūgštis buvo gauta išgarinant geležiniuose katiluose, o kaip kuras buvo paimtos paprastos malkos iš šalia esančių miškų, tačiau 1827 m. Francesco Larderel sukūrė sistemą, kuri veikė pačių vandenų šilumą. Tuo pačiu metu natūralių vandens garų energija pradėta naudoti gręžimo įrenginiams, o XX amžiaus pradžioje - vietiniams namams ir šiltnamiams šildyti. Toje pačioje vietoje, Larderello mieste, 1904 m. terminio vandens garai tapo energijos šaltiniu elektrai gaminti.

Kai kurios kitos šalys XIX amžiaus pabaigoje ir XX amžiaus pradžioje pasekė Italijos pavyzdžiu. Pavyzdžiui, 1892 metais terminiai vandenys vietiniam šildymui pirmą kartą pradėti naudoti JAV (Boise, Aidaho valstija), 1919 metais – Japonijoje, o 1928 metais – Islandijoje.

Jungtinėse Valstijose pirmoji hidroterminė elektrinė pasirodė Kalifornijoje XX amžiaus trečiojo dešimtmečio pradžioje, Naujojoje Zelandijoje 1958 m., Meksikoje 1959 m., Rusijoje (pirmoji pasaulyje dvejetainė geoterminė elektrinė) 1965 m.

Senas principas naujame šaltinyje

Elektros gamybai reikalinga aukštesnė hidro šaltinio temperatūra nei šildymui – daugiau nei 150 °C. Geoterminės elektrinės (GeoPP) veikimo principas panašus į įprastos šiluminės elektrinės (TPP) veikimo principą. Tiesą sakant, geoterminė elektrinė yra savotiška šiluminė elektrinė.

AE, kaip taisyklė, pagrindinis energijos šaltinis yra anglys, dujos arba mazutas, o vandens garai – kaip darbinis skystis. Kuras, degdamas, įkaitina vandenį iki garo būsenos, sukasi garo turbiną ir gamina elektros energiją.

Skirtumas tarp GeoPP yra tas, kad pagrindinis energijos šaltinis čia yra žemės vidaus šiluma, o darbinis skystis garų pavidalu yra tiekiamas į elektros generatoriaus turbinos mentes „paruošta“ forma tiesiai iš gamybos. gerai.

Yra trys pagrindinės GeoPP veikimo schemos: tiesioginė, naudojant sausą (geoterminį) garą; netiesioginis, pagrįstas hidroterminiu vandeniu, ir mišrus, arba dvejetainis.

Šios ar kitos schemos taikymas priklauso nuo agregacijos būsenos ir energijos nešiklio temperatūros.

Paprasčiausia ir todėl pirmoji iš įsisavintų schemų yra tiesi linija, kai iš gręžinio einantys garai praleidžiami tiesiai per turbiną. Pirmasis pasaulyje GeoPP Larderello mieste taip pat veikė sausu garu 1904 m.

GeoPP su netiesiogine darbo schema mūsų laikais yra labiausiai paplitę. Jie naudoja karštą požeminį vandenį, kuris esant aukštam slėgiui pumpuojamas į garintuvą, kur dalis jo išgarinama, o susidarę garai suka turbiną. Kai kuriais atvejais reikalingi papildomi įrenginiai ir grandinės, kad būtų galima išvalyti geoterminį vandenį ir garą nuo agresyvių junginių.

Atliekos garai patenka į įpurškimo šulinį arba yra naudojami patalpų šildymui – šiuo atveju principas toks pat kaip ir dirbant CHP.

Dvejetainiuose GeoPP karštas terminis vanduo sąveikauja su kitu skysčiu, kuris veikia kaip darbinis skystis, kurio virimo temperatūra žemesnė. Abu skysčiai praleidžiami per šilumokaitį, kuriame terminis vanduo išgarina darbinį skystį, kurio garai suka turbiną.

Dvejetainės GeoPP veikimo principas. Karštas terminis vanduo sąveikauja su kitu skysčiu, kuris veikia kaip darbinis skystis ir turi žemesnę virimo temperatūrą. Abu skysčiai praleidžiami per šilumokaitį, kur terminis vanduo išgarina darbinį skystį, kurio garai savo ruožtu suka turbiną.

Ši sistema yra uždara, o tai išsprendžia emisijų į atmosferą problemą. Be to, darbiniai skysčiai su santykinai žema virimo temperatūra leidžia naudoti ne itin karštą terminį vandenį kaip pirminį energijos šaltinį.

Visose trijose schemose naudojamas hidroterminis šaltinis, tačiau elektros energijai gaminti gali būti naudojama ir petroterminė energija.

Scheminė schema šiuo atveju taip pat gana paprasta. Būtina išgręžti du tarpusavyje sujungtus gręžinius – įpurškimo ir gamybinius. Vanduo pumpuojamas į įpurškimo šulinį. Gylyje jis įšyla, tada per gamybinį šulinį į paviršių tiekiamas dėl stipraus kaitinimo susidaręs pašildytas vanduo arba garai. Be to, viskas priklauso nuo to, kaip naudojama naftos šiluminė energija – šildymui ar elektros gamybai. Galimas uždaras ciklas įpurškiant garus ir vandenį atgal į įpurškimo šulinį arba kitu būdu pašalinant.

Petroterminės sistemos schema. Sistema remiasi temperatūros gradiento tarp žemės paviršiaus ir jos podirvio, kur temperatūra yra aukštesnė, naudojimu. Vanduo nuo paviršiaus pumpuojamas į įpurškimo šulinį ir šildomas gilumoje, po to per gamybinį šulinį į paviršių tiekiamas pašildytas vanduo arba kaitinant susidaręs garas.

Tokios sistemos trūkumas yra akivaizdus: norint gauti pakankamai aukštą darbinio skysčio temperatūrą, reikia gręžti gręžinius iki didelio gylio. Ir tai yra rimtos išlaidos ir didelių šilumos nuostolių rizika, kai skystis juda aukštyn. Todėl petroterminės sistemos vis dar yra mažiau paplitusios nei hidroterminės, nors naftos šiluminės energijos potencialas yra daug didesnis.

Šiuo metu Australija yra vadinamųjų petroterminės cirkuliacijos sistemų (PCS) kūrimo lyderė. Be to, ši geoterminės energijos kryptis aktyviai vystosi JAV, Šveicarijoje, Didžiojoje Britanijoje, Japonijoje.

Lordo Kelvino dovana

1852 m. fiziko Williamo Thompsono (dar žinomo kaip lordo Kelvino) išradimas šilumos siurblį suteikė žmonijai realią galimybę panaudoti žemo potencialo viršutinių dirvožemio sluoksnių šilumą. Šilumos siurblio sistema arba, kaip pavadino Thompsonas, šilumos daugiklis, pagrįsta fiziniu šilumos perdavimo procesu iš aplinkos į šaltnešį. Tiesą sakant, jis naudoja tą patį principą kaip ir petroterminėse sistemose. Skirtumas yra šilumos šaltinyje, dėl kurio gali kilti terminologinis klausimas: kiek šilumos siurblys gali būti laikomas geotermine sistema? Faktas yra tas, kad viršutiniuose sluoksniuose, iki dešimčių iki šimtų metrų gylio, uolienos ir jose esantys skysčiai įkaista ne nuo gilios žemės šilumos, o nuo saulės. Taigi šiuo atveju saulė yra pagrindinis šilumos šaltinis, nors ji, kaip ir geoterminėse sistemose, paimama iš žemės.

Šilumos siurblio veikimas pagrįstas dirvožemio įkaitimo ir vėsinimo uždelsimu, palyginti su atmosfera, dėl ko tarp paviršiaus ir gilesnių sluoksnių susidaro temperatūros gradientas, kuris net žiemą sulaiko šilumą, panašus į kas vyksta vandens telkiniuose. Pagrindinė šilumos siurblių paskirtis – patalpų šildymas. Tiesą sakant, tai yra „atvirkštinis šaldytuvas“. Tiek šilumos siurblys, tiek šaldytuvas sąveikauja su trimis komponentais: vidine aplinka (pirmuoju atveju - šildoma patalpa, antruoju - šaldytuvo šaldymo kamera), išorine aplinka - energijos šaltiniu ir šaltnešiu (aušinimo skysčiu) , tai taip pat yra šilumos nešiklis, užtikrinantis šilumos perdavimą arba šaltį.

Medžiaga, kurios virimo temperatūra yra žema, veikia kaip šaltnešis, leidžiantis paimti šilumą iš šaltinio, kurio temperatūra yra net palyginti žema.

Šaldytuve skystas šaltnešis per droselį (slėgio reguliatorių) patenka į garintuvą, kur dėl staigaus slėgio sumažėjimo skystis išgaruoja. Garavimas yra endoterminis procesas, kuriam reikalinga išorinė šilumos absorbcija. Dėl to iš garintuvo vidinių sienelių paimama šiluma, kuri suteikia vėsinimo efektą šaldytuvo kameroje. Be to, iš garintuvo šaltnešis įsiurbiamas į kompresorių, kur grįžta į skystą agregacijos būseną. Tai yra atvirkštinis procesas, dėl kurio perteklinė šiluma išleidžiama į išorinė aplinka... Paprastai jis metamas į kambarį, o galinėje šaldytuvo dalyje yra gana šilta.

Šilumos siurblys veikia beveik taip pat, tik tuo skirtumu, kad šiluma paimama iš išorinės aplinkos ir per garintuvą patenka į vidinę aplinką – kambario šildymo sistemą.

Tikrame šilumos siurblyje vanduo šildomas, eidamas išorine grandine, paguldomas į žemę arba rezervuare, o tada patenka į garintuvą.

Garintuve šiluma perduodama į vidinę grandinę, užpildytą žemos virimo temperatūros šaltnešiu, kuris, eidamas per garintuvą, iš skystos būsenos virsta dujine, pašalindamas šilumą.

Toliau dujinis šaltnešis patenka į kompresorių, kur suspaudžiamas iki aukšto slėgio ir temperatūros, ir patenka į kondensatorių, kur vyksta šilumos mainai tarp karštų dujų ir aušinimo skysčio iš šildymo sistemos.

Kompresoriaus darbui reikalinga elektra, tačiau transformacijos koeficientas (suvartotos ir pagaminamos energijos santykis) yra modernios sistemos pakankamai aukštas, kad būtų veiksmingas.

Šiuo metu šilumos siurbliai plačiai naudojami patalpų šildymui, daugiausia ekonomiškai išsivysčiusiose šalyse.

Ekologiškai teisinga energija

Geoterminė energija laikoma ekologiška, o tai paprastai yra tiesa. Visų pirma, naudojamas atsinaujinantis ir praktiškai neišsenkantis išteklius. Geoterminė energija nereikalauja didelių plotų, skirtingai nei didelės hidroelektrinės ar vėjo jėgainės, ir neteršia atmosferos, kitaip nei angliavandenilių energija. Vidutiniškai GeoPP užima 400 m 2 1 GW pagamintos elektros energijos. Tas pats rodiklis, pavyzdžiui, anglimi kūrenamos elektrinės yra 3600 m 2. Ekologiniai GeoPP pranašumai taip pat apima mažas vandens sąnaudas – 20 litrų gėlo vandens už 1 kW, tuo tarpu TE ir AE reikia apie 1000 litrų. Atminkite, kad tai yra „vidutinio“ GeoPP aplinkos rodikliai.

Bet neigiamas šalutiniai poveikiai vis dar yra prieinami. Tarp jų dažniausiai išskiriamas triukšmas, šiluminė atmosferos tarša ir cheminė – vandens ir dirvožemio tarša, taip pat kietųjų atliekų susidarymas.

Pagrindinis cheminės aplinkos taršos šaltinis yra tikras terminis vanduo (aukštos temperatūros ir mineralizacijos), kuriame dažnai yra daug toksinių junginių, dėl kurių kyla nuotekų ir pavojingų medžiagų šalinimo problema.

Neigiamą geoterminės energijos poveikį galima atsekti keliais etapais, pradedant nuo gręžinių gręžimo. Čia kyla tie patys pavojai, kaip ir gręžiant bet kurį gręžinį: dirvožemio ir augalinės dangos sunaikinimas, dirvožemio ir gruntinio vandens tarša.

GeoPP eksploatavimo etape aplinkos taršos problemos išlieka. Šiluminiuose skysčiuose – vandenyje ir garuose – dažniausiai yra anglies dioksido (CO 2), sieros sulfido (H 2 S), amoniako (NH 3), metano (CH 4), valgomosios druskos (NaCl), boro (B), arseno (As). ), gyvsidabrio (Hg). Patekę į aplinką jie tampa jos taršos šaltiniais. Be to, agresyvi cheminė aplinka gali sukelti korozijos žalą GeoTPP konstrukcijoms.

Tuo pačiu metu teršalų emisija GeoPP yra vidutiniškai mažesnė nei TPP. Pavyzdžiui, anglies dvideginio emisija už kiekvieną pagamintos elektros kilovatvalandę yra iki 380 g GeoPP, 1 042 g - anglimi kūrenamų AE, 906 g - mazutu ir 453 g - dujomis kūrenamų AE.

Kyla klausimas: ką daryti su nuotekomis? Esant mažam druskingumui, jį atvėsus galima išleisti į paviršinius vandenis. Kitas būdas yra pumpuoti jį atgal į vandeningąjį sluoksnį per įpurškimo šulinį, kuris šiandien yra pageidaujamas ir dažniausiai naudojamas.

Terminio vandens išgavimas iš vandeningųjų sluoksnių (taip pat ir įprasto vandens išsiurbimas) gali sukelti grunto nusėdimą ir judėjimą, kitas geologinių sluoksnių deformacijas, mikrožemės drebėjimus. Tokių reiškinių tikimybė, kaip taisyklė, yra maža, nors buvo užfiksuoti pavieniai atvejai (pavyzdžiui, GeoPP Staufen im Breisgau Vokietijoje).

Reikėtų pabrėžti, kad dauguma GeoPP yra gana retai apgyvendintose vietovėse ir Trečiojo pasaulio šalyse, kur aplinkosaugos reikalavimai yra ne tokie griežti nei išsivysčiusiose šalyse. Be to, šiuo metu GeoPP skaičius ir jų pajėgumai yra palyginti nedideli. Plačiau plėtojant geoterminę energiją, rizika aplinkai gali padidėti ir daugėti.

Kiek yra Žemės energijos?

Investicijų sąnaudos į geoterminių sistemų statybą skiriasi labai plačiu diapazonu – nuo ​​200 USD iki 5000 USD už 1 kW instaliuotos galios, tai yra, pigiausi variantai yra palyginami su šiluminės elektrinės statybos kainomis. Jie visų pirma priklauso nuo terminių vandenų atsiradimo sąlygų, jų sudėties ir sistemos konstrukcijos. Gręžiant didelius gylius, sukuriant uždarą sistemą su dviem šuliniais, vandens valymo poreikis gali padidėti išlaidas.

Pavyzdžiui, investicijos į petroterminės cirkuliacijos sistemos (PCS) sukūrimą vertinamos 1,6–4 tūkst. dolerių už 1 kW instaliuotos galios, o tai viršija atominės elektrinės statybos kaštus ir yra palyginama su vėjo ir vėjo elektrinių statyba. saulės elektrinių.

Akivaizdus ekonominis GeoTPP pranašumas – nemokamas energijos nešiklis. Palyginimui, veikiančios AE ar AE sąnaudų struktūroje kuras sudaro 50–80% ar net daugiau, priklausomai nuo esamų energijos kainų. Iš čia dar vienas geoterminės sistemos privalumas: eksploatacijos sąnaudos yra stabilesnės ir labiau prognozuojamos, nes nepriklauso nuo išorinės energijos kainų konjunktūros. Bendrai GeoTPP eksploatacinės sąnaudos skaičiuojamos 2–10 centų (60 kapeikų – 3 rubliai) už 1 kWh pagamintos galios.

Antra pagal dydį (po energijos nešėjo) (ir labai reikšminga) išlaidų dalis, kaip taisyklė, yra gamyklos personalo atlyginimai, kurie įvairiose šalyse ir regionuose gali kardinaliai skirtis.

Vidutiniškai 1 kWh geoterminės energijos kaina yra panaši į šiluminių elektrinių kainą (Rusijos sąlygomis - apie 1 rublis / 1 kWh) ir dešimt kartų didesnė nei elektros energijos gamybos kaina hidroelektrinėse (5-10 kapeikų). / 1 kWh).

Dalis didelių sąnaudų priežasčių slypi tame, kad priešingai nei šiluminės ir hidraulinės elektrinės, GeoTPP yra gana mažos galios. Be to, būtina palyginti sistemas, esančias tame pačiame regione ir panašiomis sąlygomis. Pavyzdžiui, Kamčiatkoje, ekspertų teigimu, 1 kWh geoterminės elektros kainuoja 2–3 kartus pigiau nei vietinėse šiluminėse elektrinėse pagaminta elektra.

Geoterminės sistemos ekonominio naudingumo rodikliai priklauso, pavyzdžiui, nuo to, ar būtina šalinti nuotekas ir kokiais būdais tai daroma, ar galimas bendras išteklių naudojimas. Taigi iš terminio vandens išgaunami cheminiai elementai ir junginiai gali duoti papildomų pajamų. Prisiminkime Larderello pavyzdį: cheminė gamyba ten buvo pagrindinė, o geoterminės energijos naudojimas iš pradžių buvo pagalbinis.

Geoterminė energija į priekį

Geoterminė energija vystosi kiek kitaip nei vėjo ir saulės energija. Šiuo metu tai labai priklauso nuo paties ištekliaus pobūdžio, kuris labai skiriasi priklausomai nuo regiono, o didžiausios koncentracijos yra susietos su siauromis geoterminių anomalijų zonomis, paprastai susijusiomis su tektoninių lūžių ir vulkanizmo sritimis.

Be to, geoterminė energija yra mažiau technologiškai talpi, palyginti su vėjo, o tuo labiau su saulės energija: geoterminių elektrinių sistemos yra gana paprastos.

Bendroje pasaulio elektros gamybos struktūroje geoterminė komponentė sudaro mažiau nei 1%, tačiau kai kuriuose regionuose ir šalyse jos dalis siekia 25-30%. Dėl sąsajos su geologinėmis sąlygomis nemaža dalis geoterminės energijos pajėgumų yra sutelkta trečiojo pasaulio šalyse, kur yra trys didžiausios pramonės plėtros klasteriai – Pietryčių Azijos, Centrinės Amerikos ir Rytų Afrikos salos. Pirmieji du regionai yra įtraukti į Ramiojo vandenyno „Žemės ugnies juostą“, trečiasis yra susietas su Rytų Afrikos plyšiu. Greičiausiai šiose juostose ir toliau vystysis geoterminė energija. Tolimesnė perspektyva – kelių kilometrų gylyje glūdinčios petroterminės energijos plėtra, naudojant žemės sluoksnių šilumą. Tai beveik visur paplitęs išteklius, tačiau jo išgavimas reikalauja didelių sąnaudų, todėl naftos šiluminė energija pirmiausia vystosi ekonomiškai ir technologiškai galingiausiose šalyse.

Apskritai, atsižvelgiant į visur esantį geoterminių išteklių pasiskirstymą ir priimtiną aplinkos saugos lygį, yra pagrindo manyti, kad geoterminės energijos plėtros perspektyvos yra geros. Ypač augant tradicinių energijos šaltinių trūkumo grėsmei ir kylant jų kainoms.

Nuo Kamčiatkos iki Kaukazo

Rusijoje geoterminės energijos plėtra turi gana ilgą istoriją, o daugelyje pozicijų esame tarp pasaulio lyderių, nors geoterminės energijos dalis bendrame didžiulės šalies energijos balanse vis dar yra nereikšminga.

Du regionai - Kamčiatka ir Šiaurės Kaukazas - tapo Rusijos geoterminės energijos plėtros pionieriais ir centrais, o jei pirmuoju atveju kalbame pirmiausia apie elektros energijos pramonę, tai antruoju - apie šiluminės energijos naudojimą. terminio vandens.

Šiaurės Kaukaze – Krasnodaro teritorijoje, Čečėnijoje, Dagestane – terminių vandenų šiluma energetiniams tikslams buvo naudojama dar prieš Didžiąją. Tėvynės karas... Devintajame ir dešimtajame dešimtmetyje geoterminės energetikos plėtra regione dėl akivaizdžių priežasčių sustojo ir dar neišsikėlė iš sąstingio būsenos. Nepaisant to, geoterminis vanduo Šiaurės Kaukaze aprūpina šilumą apie 500 tūkstančių žmonių, o, pavyzdžiui, Labinsko miestas Krasnodaro krašte, kuriame gyvena 60 tūkstančių žmonių, yra visiškai šildomas geoterminiais vandenimis.

Kamčiatkoje geoterminės energijos istorija pirmiausia siejama su GeoPP statyba. Pirmoji iš jų, vis dar veikiančios Paužetskaya ir Paratunskaya stotys, buvo pastatytos dar 1965–1967 m., o Paratunskaya GeoPP, kurios galia 600 kW, tapo pirmąja stotimi pasaulyje su dvejetainiu ciklu. Tai buvo sovietų mokslininkų S. S. Kutateladzės ir A. M. Rosenfeldo iš Rusijos mokslų akademijos Sibiro filialo Termofizikos instituto sukūrimas, kurie 1965 m. gavo autorinį pažymėjimą elektros energijos išgavimui iš 70 ° C temperatūros vandens. Vėliau ši technologija tapo prototipu daugiau nei 400 dvejetainių GeoPP pasaulyje.

1966 m. pradėto eksploatuoti Pauzhetskaya GeoPP galia iš pradžių buvo 5 MW, o vėliau padidinta iki 12 MW. Šiuo metu stotyje statomas dvejetainis blokas, kurio galia padidins dar 2,5 MW.

Geoterminės energijos plėtrą SSRS ir Rusijoje stabdė tradicinių energijos šaltinių – naftos, dujų, anglies – prieinamumas, tačiau jis niekada nesustojo. Didžiausi geoterminės energetikos objektai šiuo metu yra Verchne-Mutnovskaya GeoE, kurio bendra galia 12 MW jėgainių, pradėtas eksploatuoti 1999 m., ir Mutnovskaya GeoPP, kurio galia 50 MW (2002 m.).

Mutnovskaya ir Verkhne-Mutnovskaya GeoPP yra unikalūs objektai ne tik Rusijai, bet ir pasauliniu mastu. Stotys yra Mutnovskio ugnikalnio papėdėje, 800 metrų virš jūros lygio aukštyje ir veikia ekstremaliomis klimato sąlygomis, kur žiema 9-10 mėnesių per metus. „Mutnovsky GeoPP“ įranga, šiuo metu viena moderniausių pasaulyje, yra visiškai sukurta vidaus energetikos įmonėse.

Šiuo metu Mutnovskie gamyklų dalis bendroje Centrinio Kamčiatkos energetikos centro energijos suvartojimo struktūroje sudaro 40%. Ateinančiais metais planuojamas pajėgumų didinimas.

Atskirai reikėtų pasakyti apie Rusijos naftos šilumos plėtrą. Didelių DSP kol kas neturime, tačiau yra pažangių technologijų gręžti į didelį gylį (apie 10 km), kurios taip pat neturi analogų pasaulyje. Tolimesnė jų plėtra leis drastiškai sumažinti naftos terminių sistemų kūrimo išlaidas. Šių technologijų ir projektų kūrėjai yra N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geologijos institutas, RAS), A. S. Nekrasov (Ekonominių prognozių institutas, RAS) ir Kalugos turbinų gamyklos specialistai. Petroterminės cirkuliacijos sistemos projektas Rusijoje šiuo metu yra eksperimentiniame etape.

Geoterminės energijos perspektyvos Rusijoje yra, nors ir gana toli: šiuo metu potencialas yra gana didelis, o tradicinės energetikos pozicijos tvirtos. Tuo pačiu metu daugelyje atokių šalies regionų geoterminės energijos naudojimas yra ekonomiškai pelningas ir šiuo metu yra paklausus. Tai teritorijos, turinčios didelį geoenergetinį potencialą (Čukotka, Kamčiatka, Kurilai – rusiška Ramiojo vandenyno „Žemės ugnies juostos“ dalis, Pietų Sibiro ir Kaukazo kalnai) ir kartu atokios bei atkirstos nuo centralizuoto energijos tiekimo.

Ko gero, artimiausiais dešimtmečiais geoterminė energetika mūsų šalyje vystysis būtent tokiuose regionuose.

Kirilas Degtyarevas,
Maskvos valstybinio universiteto mokslininkas M. V. Lomonosovas
„Mokslas ir gyvenimas“ Nr.9, Nr.10 2013 m

2. Žemės šiluminis režimas

Žemė yra šaltos erdvės kūnas. Paviršiaus temperatūra daugiausia priklauso nuo išorinės šilumos. 95% viršutinio Žemės sluoksnio šilumos yra išorės (saulės) šilta ir tik 5% šilta vidinis , kuris ateina iš Žemės žarnų ir apima keletą energijos šaltinių. Žemės viduje temperatūra didėja gyliui nuo 1300 ° C (viršutinėje mantijoje) iki 3700 ° C (šerdies centre).

Išorinė šiluma... Šiluma į Žemės paviršių patenka daugiausia iš Saulės. Kiekvienas kvadratinis paviršiaus centimetras per minutę gauna apie 2 kalorijas šilumos. Šis kiekis vadinamas saulės konstanta ir nustato bendrą į Žemę iš Saulės tiekiamos šilumos kiekį. Per metus tai sudaro 2,26 · 10 21 kaloriją. Saulės šilumos įsiskverbimo į Žemės žarnas gylis daugiausia priklauso nuo šilumos kiekio, patenkančio į paviršiaus ploto vienetą, ir nuo uolienų šilumos laidumo. Didžiausias gylis, į kurį prasiskverbia išorinė šiluma, yra 200 m vandenynuose ir apie 40 m sausumoje.

Vidinė šiluma... Didėjant gyliui, kyla temperatūra, kuri įvairiose teritorijose vyksta labai netolygiai. Temperatūros padidėjimas vyksta pagal adiabatinį dėsnį ir priklauso nuo slėginės medžiagos suspaudimo, kai šilumos mainai su aplinka yra neįmanomi.

Pagrindiniai šilumos šaltiniai Žemėje:

Šiluma, išsiskirianti radioaktyvaus elementų skilimo metu.

Liekamoji šiluma, išsaugota nuo Žemės susidarymo laikų.

Gravitacinė šiluma, išsiskirianti suspaudžiant Žemę ir pasiskirstant medžiagai pagal tankį.

Šiluma, susidaranti dėl cheminių reakcijų, vykstančių žemės plutos gelmėse.

Šiluma, išsiskirianti dėl Žemės potvynių trinties.

Yra 3 temperatūros zonos:

aš - kintamos temperatūros zona ... Temperatūros pokytį lemia vietos klimatas. Kasdieniniai svyravimai praktiškai susilpnėja maždaug 1,5 m gylyje, o metiniai svyravimai 20 ... 30 m gylyje. Iа - užšalimo zona.

II - pastovios temperatūros zona yra 15 ... 40 m gylyje, priklausomai nuo regiono.

III - temperatūros kilimo zona .

Uolienų temperatūros režimas žemės plutos žarnose dažniausiai išreiškiamas geoterminiu gradientu ir geoterminiu žingsniu.

Temperatūros kilimo dydis kiekvienam 100 m gyliu vadinamas geoterminis gradientas... Afrikoje, Witwatersrand lauke, yra 1,5 ° C, Japonijoje (Echigo) - 2,9 ° C, Pietų Australijoje - 10,9 ° C, Kazachstane (Samarinda) - 6,3 ° C, Kolos pusiasalyje - 0,65 ° C .

Ryžiai. 3. Temperatūrų zonos žemės plutoje: I - kintamų temperatūrų zona, Iа - užšalimo zona; II - pastovių temperatūrų zona; III - temperatūros kilimo zona.

Gylis, kuriame temperatūra pakyla 1 laipsniu, vadinamas geoterminis žingsnis. Geoterminio žingsnio skaitinės vertės nėra pastovios ne tik skirtingose ​​platumose, bet ir skirtinguose to paties regiono taško gyliuose. Geoterminio laiptelio dydis svyruoja nuo 1,5 iki 250 m. Archangelske jis yra 10 m, Maskvoje - 38,4 m, o Piatigorske - 1,5 m. Teoriškai vidutinė šio žingsnio vertė yra 33 m.

Šulinyje, išgręžtame Maskvoje iki 1630 m gylio, dugno duobės temperatūra buvo 41 ° C, o kasykloje, išgręžtoje Donbase iki 1545 m gylio, temperatūra siekė 56,3 ° C. Aukščiausia temperatūra užfiksuota JAV 7136 m gylio gręžinyje, kur ji lygi 224 °C. Projektuojant gilias konstrukcijas reikia atsižvelgti į temperatūros padidėjimą kartu su gyliu Pagal skaičiavimus, 400 km gylyje temperatūra turėtų siekti 1400 ... 1700 ° C. Aukščiausia temperatūra (apie 5000 ° C) buvo gauta Žemės šerdyje.

Vystantis ir formuojantis visuomenei, žmonija pradėjo ieškoti modernesnių ir kartu ekonomiškesnių energijos gavimo būdų. Tam šiandien statomos įvairios stotys, tačiau tuo pat metu plačiai naudojama žemės gelmėse esanti energija. Į ką tai panašu? Pabandykime tai išsiaiškinti.

Geotermine energija

Jau iš pavadinimo aišku, kad jis reprezentuoja žemės vidaus šilumą. Po žemės pluta yra magmos sluoksnis, kuris yra ugningas skystas silikato lydalas. Tyrimų duomenimis, šios šilumos energetinis potencialas yra daug didesnis nei pasaulio gamtinių dujų, taip pat naftos, atsargų energija. Magma – lava iškyla į paviršių. Be to, didžiausias aktyvumas pastebimas tuose žemės sluoksniuose, kuriuose yra tektoninių plokščių ribos, taip pat ten, kur žemės pluta pasižymi plonumu. Geoterminė žemės energija gaunama taip: lava ir vandens ištekliai planetos liečiasi, ko pasekoje vanduo pradeda smarkiai kaisti. Tai veda prie geizerio išsiveržimo, vadinamųjų karštųjų ežerų ir povandeninių srovių susidarymo. Tai yra, būtent tiems gamtos reiškiniams, kurių savybės aktyviai naudojamos kaip energijos.

Dirbtinės geoterminės versmės

Energija, esanti žemės gelmėse, turi būti naudojama protingai. Pavyzdžiui, yra mintis sukurti požeminius katilus. Norėdami tai padaryti, turite išgręžti du pakankamai gylio šulinius, kurie bus sujungti apačioje. Tai yra, paaiškėja, kad beveik bet kuriame žemės kampelyje galima gauti geoterminės energijos pramoniniu būdu: per vieną šulinį į rezervuarą bus pumpuojamas šaltas vanduo, o per antrą - karštas vanduo arba garai. išgauti. Dirbtiniai šilumos šaltiniai bus naudingi ir racionalūs, jei gaunama šiluma suteiks daugiau energijos. Garai gali būti siunčiami į turbinų generatorius, kurie gamins elektros energiją.

Žinoma, pasirinkta šiluma yra tik dalis to, kas yra bendruose rezervuose. Tačiau reikia atsiminti, kad gilus karštis nuolat pasipildys dėl uolienų suspaudimo, žarnyno sluoksniavimosi procesų. Kaip sako ekspertai, žemės pluta kaupia šilumą, kurios bendras kiekis yra 5000 kartų didesnis nei visų žemės iškastinių išteklių kaloringumas. Pasirodo, tokių dirbtinai sukurtų geoterminių stočių veikimo laikas gali būti neribotas.

Šaltinių ypatumai

Geoterminę energiją teikiančių šaltinių beveik neįmanoma visiškai panaudoti. Jie egzistuoja daugiau nei 60 pasaulio šalių, o dauguma sausumos ugnikalnių yra Ramiojo vandenyno ugnikalnio ugnies žiede. Tačiau praktiškai paaiškėja, kad geoterminiai šaltiniai skirtinguose pasaulio regionuose visiškai skiriasi savo savybėmis, būtent vidutine temperatūra, mineralizacija, dujų sudėtimi, rūgštingumu ir pan.

Geizeriai yra energijos šaltiniai Žemėje, kurių ypatumas yra tas, kad jie reguliariais intervalais išlieja verdantį vandenį. Įvykus išsiveržimui, baseinas tampa be vandens, jo apačioje matosi giliai į žemę besidriekiantis kanalas. Geizeriai naudojami kaip energijos šaltinis tokiuose regionuose kaip Kamčiatka, Islandija, Naujoji Zelandija ir Šiaurės Amerika, o pavieniai geizeriai randami dar keliose srityse.

Iš kur atsiranda energija?

Labai arti žemės paviršių yra neatvėsinta magma. Iš jo išsiskiria dujos ir garai, kurie pakyla ir praeina pro įtrūkimus. Maišymas su gruntinio vandens, jie priverčia juos įkaisti, jie patys virsta karštas vanduo, kuriame ištirpsta daug medžiagų. Toks vanduo į žemės paviršių išleidžiamas įvairių geoterminių šaltinių pavidalu: karštųjų versmių, mineralinių šaltinių, geizerių ir pan. Pasak mokslininkų, karštieji žemės dumbliai yra urvai arba kameros, sujungtos praėjimais, plyšiais ir kanalais. Jie tiesiog užpildyti požeminiu vandeniu, o magmos centrai yra visai šalia jų. Taip jis susiformuoja natūraliai šiluminė energijažemė.

Elektrinis žemės laukas

Gamtoje yra dar vienas alternatyvus energijos šaltinis, išsiskiriantis atsinaujinimu, ekologiškumu, naudojimo paprastumu. Tiesa, iki šiol šis šaltinis tik tiriamas, o praktiškai netaikomas. Taigi, potenciali Žemės energija yra paslėpta jos elektriniame lauke. Jūs galite gauti energijos tokiu būdu, remdamiesi pagrindinių elektrostatikos dėsnių ir savybių tyrimu elektrinis laukasŽemė. Tiesą sakant, mūsų planeta elektriniu požiūriu yra sferinis kondensatorius, įkraunamas iki 300 000 voltų. Jo vidinė sfera turi neigiamą krūvį, o išorinė – jonosfera – teigiamą. yra izoliatorius. Per jį nuolat teka joninės ir konvekcinės srovės, kurios pasiekia daugelio tūkstančių amperų jėgą. Tačiau potencialų skirtumas tarp plokščių šiuo atveju nesumažėja.

Tai rodo, kad gamtoje yra generatorius, kurio vaidmuo yra nuolat papildyti įkrovų nuotėkį iš kondensatoriaus plokščių. Tokio generatoriaus vaidmenį atlieka Žemės magnetinis laukas, besisukantis su mūsų planeta srove saulės vėjas... Žemės magnetinio lauko energiją galima gauti tiesiog prie šio generatoriaus prijungus energijos vartotoją. Norėdami tai padaryti, turite atlikti patikimą įžeminimo instaliaciją.

Atsinaujinantys šaltiniai

Kadangi mūsų planetos gyventojų skaičius nuolat auga, mums reikia vis daugiau energijos, kad galėtume išlaikyti gyventojus. Energija, esanti žemės žarnyne, gali būti labai skirtinga. Pavyzdžiui, yra atsinaujinančių šaltinių: vėjo, saulės ir vandens energijos. Jie yra nekenksmingi aplinkai, todėl galite juos naudoti nebijodami pakenkti aplinkai.

Vandens energija

Šis metodas buvo naudojamas daugelį šimtmečių. Šiandien yra pastatyta daugybė užtvankų, rezervuarų, kuriuose vanduo naudojamas elektrai gaminti. Šio mechanizmo esmė paprasta: veikiami upės tėkmės, atitinkamai sukasi turbinų ratai, vandens energija paverčiama elektros energija.

Šiandien yra didelis skaičius hidroelektrinės, paverčiančios vandens tėkmės energiją į elektros energiją. Šio metodo ypatumas yra tas, kad atitinkamai atnaujintos tokios konstrukcijos turi mažą kainą. Būtent todėl, nepaisant to, kad hidroelektrinių statyba vyksta gana ilgą laiką, o pats procesas yra labai brangus, vis dėlto šios konstrukcijos gerokai lenkia energijai imlias pramonės šakas.

Saulės energija: šiuolaikiška ir perspektyvi

Tačiau saulės energija gaunama iš saulės baterijų šiuolaikinės technologijos leidžia naudoti naujus metodus. Didžiausia pasaulyje yra sistema, pastatyta Kalifornijos dykumoje. Jis pilnai aprūpina 2000 namų. Dizainas veikia taip: nuo veidrodžių atsispindi saulės spinduliai, kurie siunčiami į centrinį boilerį su vandeniu. Jis užverda ir virsta garais, kurie varo turbiną. Ji, savo ruožtu, yra prijungta prie elektros generatoriaus. Vėjas taip pat gali būti naudojamas kaip energija, kurią mums suteikia Žemė. Vėjas pučia bures, suka malūnus. Ir dabar jis gali būti naudojamas kuriant prietaisus, kurie gamins elektros energiją. Sukdama vėjo turbinos mentes, ji varo turbinos veleną, kuris, savo ruožtu, yra prijungtas prie elektros generatoriaus.

Vidinė Žemės energija

Jis atsirado dėl kelių procesų, iš kurių pagrindiniai yra akrecija ir radioaktyvumas. Mokslininkų teigimu, Žemė ir jos masė susiformavo per kelis milijonus metų, o tai įvyko dėl planetezimalių susidarymo. Jie sulipo, atitinkamai, Žemės masė tapo vis didesnė. Po to, kai mūsų planeta pradėjo turėti modernią masę, bet vis dar neturėjo atmosferos, meteorų ir asteroidų kūnai krito ant jos netrukdomai. Šis procesas tiksliai vadinamas akrecija ir paskatino didelės gravitacinės energijos išsiskyrimą. Ir kuo didesni kūnai krito ant planetos, tuo didesnis energijos kiekis išsiskiria Žemės žarnyne.

Ši gravitacinė diferenciacija lėmė tai, kad medžiagos pradėjo sluoksniuotis: sunkiosios medžiagos tiesiog nuskendo, o lengvosios ir lakiosios išplaukė aukštyn. Diferenciacija paveikė ir papildomą gravitacinės energijos išsiskyrimą.

Atominė energija

Žemės energija gali būti naudojama įvairiais būdais. Pavyzdžiui, statant atomines elektrines, kai šiluminė energija išsiskiria dėl smulkiausių atomų medžiagos dalelių. Pagrindinis kuras yra uranas, esantis žemės plutoje. Daugelis mano, kad šis konkretus energijos gavimo būdas yra perspektyviausias, tačiau jo taikymas yra kupinas daugybės problemų. Pirma, uranas skleidžia spinduliuotę, kuri žudo visus gyvus organizmus. Be to, jei ši medžiaga pateks į dirvožemį ar atmosferą, kils tikra žmogaus sukelta nelaimė. Vis dar išgyvename liūdnas Černobylio atominės elektrinės avarijos pasekmes. Pavojus slypi tame, kad radioaktyviųjų atliekų gali kelti grėsmę visoms gyvoms būtybėms labai labai ilgą laiką, ištisus tūkstantmečius.

Naujas laikas – naujos idėjos

Žinoma, žmonės tuo nesibaigia ir kasmet vis dažniau bandoma ieškoti naujų būdų pasisemti energijos. Jei žemės šilumos energija gaunama gana paprastai, tai kai kurie metodai nėra tokie paprasti. Pavyzdžiui, kaip energijos šaltinį visiškai įmanoma naudoti biologines dujas, kurios gaunamos iš pūvančių atliekų. Juo galima šildyti namus ir šildyti vandenį.

Vis dažniau jie statomi, kai per rezervuarų angas įrengiamos užtvankos ir turbinos, kurias atitinkamai varo atoslūgiai ir tėkmė, gaunama elektra.

Deginant šiukšles gauname energijos

Kitas metodas, kuris jau taikomas Japonijoje, yra deginimo krosnių kūrimas. Šiandien jos statomos Anglijoje, Italijoje, Danijoje, Vokietijoje, Prancūzijoje, Nyderlanduose ir JAV, tačiau tik Japonijoje šios įmonės pradėtos naudoti ne tik pagal paskirtį, bet ir elektros gamybai. Vietinėse gamyklose sudeginama 2/3 visų atliekų, o gamyklose įrengtos garo turbinos. Atitinkamai jie tiekia šilumą ir elektrą apylinkėms. Tuo pačiu metu, kalbant apie išlaidas, daug pelningiau statyti tokią įmonę nei statyti kogeneracinę elektrinę.

Galimybė panaudoti Žemės šilumą ten, kur telkiasi ugnikalniai, atrodo patraukliau. Tokiu atveju jums nereikės gręžti Žemės per giliai, nes jau 300–500 metrų gylyje temperatūra bus bent du kartus aukštesnė už vandens virimo temperatūrą.

Taip pat yra toks elektros gamybos būdas, kaip Vandenilis – paprasčiausias ir lengviausias cheminis elementas – gali būti laikomas idealiu kuru, nes būtent ten yra vandens. Jei deginate vandenilį, galite gauti vandens, kuris skyla į deguonį ir vandenilį. Pati vandenilio liepsna yra nekenksminga, tai yra, nebus jokios žalos aplinkai. Šio elemento ypatumas yra tas, kad jis turi didelę kaloringumo vertę.

Kas bus ateityje?

Žinoma, Žemės magnetinio lauko energija arba ta, kuri gaunama atominėse elektrinėse, negali visiškai patenkinti visų žmonijos poreikių, kurie kasmet auga. Tačiau ekspertai teigia, kad nerimauti nėra pagrindo, nes planetos kuro išteklių vis dar pakanka. Be to, naudojama vis daugiau naujų, aplinkai nekenksmingų ir atsinaujinančių šaltinių.

Aplinkos taršos problema išlieka ir ji katastrofiškai auga. Žalingų išmetimų kiekis sumažėja, atitinkamai, oras, kuriuo kvėpuojame, yra kenksmingas, vanduo turi pavojingų priemaišų, o dirvožemis palaipsniui senka. Štai kodėl taip svarbu laiku pradėti tirti tokį reiškinį kaip energija Žemės žarnyne, siekiant ieškoti būdų, kaip sumažinti iškastinio kuro poreikį ir aktyviau naudoti netradicinius energijos šaltinius.

Ši energija priklauso alternatyviems šaltiniams. Šiais laikais vis daugiau žmonių kalba apie galimybes gauti išteklių, kuriuos mums suteikia planeta. Galima sakyti, kad gyvename atsinaujinančios energijos mados eroje. Šioje srityje kuriama daug techninių sprendimų, planų, teorijų.

Jis yra giliai žemės gelmėse ir turi atsinaujinimo savybių, kitaip tariant, yra begalinis. Klasikiniai ištekliai, pasak mokslininkų, pradeda baigtis, nafta, anglis ir dujos išdžius.

Nesiavelliro geoterminė elektrinė, Islandija

Todėl palaipsniui galima ruoštis perimti naujus alternatyvius energijos gamybos būdus. Po žemės pluta yra galinga šerdis. Jo temperatūra svyruoja nuo 3000 iki 6000 laipsnių. Litosferos plokščių judėjimas demonstruoja savo didžiulę galią. Tai pasireiškia vulkaniniu magmos protrūkiu. Gilumoje vyksta radioaktyvusis skilimas, kartais sukeliantis tokias stichines nelaimes.

Paprastai magma šildo paviršių nepalikdama jo. Taip gaminami geizeriai arba šilti vandens telkiniai. Taigi galima panaudoti fizinius procesus norimų tikslų už žmoniją.

Geoterminės energijos šaltinių rūšys

Paprastai ji skirstoma į dvi rūšis: hidroterminę ir petroterminę energiją. Pirmasis susidaro dėl šiltų šaltinių, o antrasis tipas yra temperatūros skirtumas žemės paviršiuje ir gelmėse. Aiškindami savo žodžiais, hidroterminis šaltinis susideda iš garų ir karšto vandens, o petroterminis yra paslėptas giliai po žeme.

Geoterminės energijos plėtros potencialo pasaulyje žemėlapis

Naftos energijai gauti reikia išgręžti du gręžinius, vieną užpildyti vandeniu, po to vyks aukštėjimo procesas, kuris išeis į paviršių. Yra trys geoterminių zonų klasės:

• Geoterminis - esantis šalia žemyninių plokščių. Temperatūros gradientas virš 80C/km. Pavyzdžiui, Italijos Larderello komuna. Yra elektrinė
• Pusiau terminis – temperatūra 40 – 80 C/km. Tai natūralūs vandeningieji sluoksniai, sudaryti iš suskilusių uolienų. Kai kuriose Prancūzijos vietose tokiu būdu šildomi pastatai.
• Normalus – nuolydis mažesnis nei 40 C/km. Tokių sričių atstovavimas yra labiausiai paplitęs

Jie yra puikus vartojimo šaltinis. Jie randami uoloje tam tikrame gylyje. Pažvelkime atidžiau į klasifikaciją:

• Epiterminė – temperatūra nuo 50 iki 90 s
• Mezoterminis - 100 - 120 s
• Hipoterminė – daugiau nei 200 s

Šios rūšys susideda iš skirtingų cheminė sudėtis... Priklausomai nuo to, vandenį galite naudoti įvairiems tikslams. Pavyzdžiui, gaminant elektros energiją, šilumos tiekimą (šilumos trasas), žaliavų bazę.

Vaizdo įrašas: geoterminė energija

Šilumos tiekimo procesas

Vandens temperatūra yra 50 -60 laipsnių, kuri yra optimali gyvenamojo ploto šildymui ir karštam tiekimui. Reikia šildymo sistemos priklauso nuo geografinės padėties ir klimato sąlygos... O žmonėms nuolat reikia tiekti karštą vandenį. Šiam procesui statomos GTS (geoterminės šiluminės elektrinės).

Jei klasikinei šiluminės energijos gamybai naudojama katilinė, kuri naudoja kietąjį arba dujinį kurą, tai šioje gamyboje naudojamas geizeris. Techninis procesas labai paprastas, tos pačios komunikacijos, šildymo trasos ir įranga. Užtenka išgręžti šulinį, išvalyti jį nuo dujų, po to perpumpuoti į katilinę, kur bus palaikomas temperatūrų grafikas, o tada pateks į šilumos trasą.

Pagrindinis skirtumas yra tas, kad nereikia naudoti kuro katilo. Tai žymiai sumažina šilumos energijos sąnaudas. Žiemą abonentai gauna šilumos ir karšto vandens tiekimą, o vasarą tik karšto vandens tiekimą.

Energijos gamyba

Karštos versmės ir geizeriai yra pagrindiniai elektros energijos gamybos komponentai. Tam naudojamos kelios schemos, statomos specialios elektrinės. GTS įrenginys:

• Karšto vandens bakas
• Siurblys
• Dujų separatorius
• Garų separatorius
• Generuojanti turbina
• Kondensatorius
• Padidinimo siurblys
• Bakas - aušintuvas

Kaip matote, pagrindinis grandinės elementas yra garo keitiklis. Tai leidžia gauti išgrynintus garus, nes juose yra rūgščių, kurios ardo turbinos įrangą. Technologiniame cikle yra galimybė naudoti mišrią schemą, tai yra, procese dalyvauja vanduo ir garai. Skystis praeina visą valymo nuo dujų, taip pat garų etapą.

Dvejetainio šaltinio grandinė

Darbinis komponentas yra skystis, kurio virimo temperatūra žema. Terminis vanduo taip pat dalyvauja elektros gamyboje ir yra antrinė žaliava.

Su jo pagalba susidaro garai iš žemai verdančio šaltinio. GTS su tokiu darbo ciklu gali būti visiškai automatizuotas ir nereikalauja techninės priežiūros personalo. Galingesnėse stotyse naudojama dviejų grandinių schema. Šio tipo jėgainės leidžia pasiekti 10 MW galią. Dvigubos grandinės struktūra:

• Garų generatorius
• Turbina
• Kondensatorius
• Ežektorius
• Tiekimo siurblys
• Ekonomizatorius
• Garintuvas

Praktinis naudojimas

Didžiulės šaltinių atsargos daug kartų viršija metinį energijos suvartojimą. Tačiau žmonija naudoja tik nedidelę dalį. Stočių statybos data yra 1916 m. Italijoje buvo sukurta pirmoji 7,5 MW galios geoterminė elektrinė. Pramonė aktyviai vystosi tokiose šalyse kaip: JAV, Islandija, Japonija, Filipinai, Italija.

Vykdomi aktyvūs potencialių vietų tyrinėjimai ir patogesni kasybos būdai. Gamybos pajėgumai kasmet auga. Jei atsižvelgsime į ekonominį rodiklį, tada tokios pramonės kaina yra lygi anglies šiluminėms elektrinėms. Islandija beveik visiškai padengia GT šaltinio komunalines paslaugas ir būstą. 80% namų šildymui naudoja karštą vandenį iš šulinių. Jungtinių Valstijų ekspertai tvirtina, kad tinkamai plėtojant geotermines elektrines per metus suvartojama 30 kartų daugiau. Jei kalbėsime apie potencialą, tai 39 pasaulio šalys galės pilnai apsirūpinti elektra, jei išnaudos žemės žarnas 100 procentų.