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 ardente. Secondo i dati della ricerca, il potenziale energetico di questo calore è molto superiore all'energia delle riserve mondiali di gas naturale, oltre che di petrolio. Magma: la lava viene in superficie. Inoltre, l'attività più grande 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 nel modo seguente: la lava e le risorse idriche del pianeta vengono a contatto, a seguito delle quali l'acqua inizia a riscaldarsi bruscamente. Questo 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 sono attivamente utilizzate come fonte inesauribile di energia.
Energia Petrotermica
Al momento, il calore dell'interno della terra è ampiamente utilizzato nel mondo, e questa è principalmente l'energia dei pozzi poco profondi - fino a 1 km. Per fornire elettricità, calore o acqua calda, vengono installati scambiatori di calore a fondo pozzo funzionanti con liquidi a basso punto di ebollizione (ad esempio freon).
Oggigiorno, l'uso di uno scambiatore di calore da pozzo è il modo più razionale per produrre calore. Sembra così: il liquido di raffreddamento circola in un circuito chiuso. Quello riscaldato sale lungo un tubo ribassato concentricamente, sprigionando il suo calore, dopodiché, raffreddato, viene pompato nel mantello con l'ausilio di una pompa.
L'uso dell'energia dell'interno terrestre si basa su un fenomeno naturale: mentre si avvicina al centro della Terra, la temperatura della crosta terrestre e del mantello aumenta. A un livello di 2-3 km dalla superficie del pianeta, raggiunge più di 100 ° С, aumentando in media di 20 ° С ad ogni chilometro successivo. A una profondità di 100 km, la temperatura raggiunge i 1300-1500 ºС.
Sorgenti geotermiche artificiali
L'energia contenuta nelle viscere della terra deve essere usata con saggezza. Ad esempio, c'è un'idea per creare caldaie sotterranee. 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 diretto ai generatori a turbina, che genereranno elettricità.
Naturalmente, il calore selezionato è solo una frazione di ciò che è disponibile nelle riserve totali. Ma va ricordato che il calore profondo si riempirà costantemente a causa dei processi di decadimento radioattivo, compressione delle rocce, stratificazione delle viscere. Secondo gli esperti, la crosta terrestre accumula calore, la cui quantità totale è 5.000 volte maggiore del potere calorifico di tutte le risorse fossili della terra nel suo complesso. Si scopre che il tempo di funzionamento di tali stazioni geotermiche create artificialmente può essere illimitato.
Metodi di raccolta delle risorse energetiche della Terra
Oggi esistono tre metodi principali per raccogliere l'energia geotermica: vapore secco, acqua calda e ciclo binario. Il processo a vapore secco fa ruotare direttamente gli azionamenti della turbina dei generatori di corrente. L'acqua calda entra dal basso verso l'alto, quindi viene spruzzata nel serbatoio per creare vapore per azionare le turbine.Questi due metodi sono i più comuni e generano centinaia di megawatt di elettricità negli Stati Uniti, in Islanda, in Europa, in Russia e in altri paesi. Ma la posizione è limitata, poiché queste fabbriche operano solo in regioni tettoniche dove è più facile accedere all'acqua riscaldata.
Con la tecnologia del ciclo binario, l'acqua calda (non necessariamente calda) viene estratta in superficie e combinata con butano o pentano, che ha un basso punto di ebollizione. Questo liquido viene pompato attraverso uno scambiatore di calore dove viene vaporizzato e inviato attraverso una turbina prima di essere rimesso in circolo nel sistema. La tecnologia del ciclo binario fornisce decine di megawatt di elettricità negli Stati Uniti: California, Nevada e Isole Hawaii.
Il principio per ottenere energia
Svantaggi di ottenere energia geotermica
A livello di utilità, le centrali geotermiche sono costose da costruire e gestire. Trovare una posizione adatta richiede costose indagini sui pozzi senza alcuna garanzia di raggiungere un punto caldo sotterraneo produttivo. Tuttavia, gli analisti prevedono che questa capacità quasi raddoppierà nei prossimi sei anni.
Inoltre, le aree con una temperatura elevata della sorgente sotterranea si trovano in aree con vulcani geologici attivi. Questi "punti caldi" si sono formati ai confini delle placche tettoniche in luoghi dove la crosta è piuttosto sottile. La regione del Pacifico viene spesso definita l'anello di fuoco di molti vulcani con molti punti caldi, tra cui Alaska, California e Oregon. Il Nevada ha centinaia di hotspot che coprono la maggior parte degli Stati Uniti settentrionali.
Ci sono anche altre regioni sismicamente attive. I terremoti e il movimento del magma consentono all'acqua di circolare. In alcuni luoghi l'acqua sale in superficie e sorgono sorgenti calde naturali e geyser, come in Kamchatka. L'acqua nei geyser della Kamchatka raggiunge i 95 ° C.
Uno dei problemi con i sistemi geyser aperti è il rilascio di alcuni inquinanti atmosferici. L'idrogeno solforato è un gas tossico con un odore di "uovo marcio" molto riconoscibile: una piccola quantità di arsenico e minerali rilasciati con il vapore. Il sale può anche rappresentare un problema ambientale.
Nelle centrali geotermiche offshore, una quantità significativa di sale interferente si accumula nei tubi. Negli impianti chiusi non ci sono emissioni e tutto il liquido portato in superficie viene restituito.
Il potenziale economico della risorsa energetica
I punti caldi non sono gli unici luoghi in cui è possibile trovare l'energia geotermica. C'è una fornitura costante di calore utilizzabile per scopi di riscaldamento diretto ovunque da 4 metri a diversi chilometri sotto la superficie praticamente ovunque sulla terra. Anche la terra nel tuo cortile o nella tua scuola locale ha il potenziale economico, sotto forma di calore, di essere pompata nella tua casa o in altri edifici.
Inoltre, c'è un'enorme quantità di energia termica nelle formazioni rocciose asciutte molto profonde sotto la superficie (4-10 km).
L'uso della nuova tecnologia potrebbe espandere i sistemi geotermici, in cui gli esseri umani possono utilizzare questo calore per generare elettricità su scala molto più ampia rispetto alle tecnologie convenzionali. I primi progetti dimostrativi di questo principio di generazione di elettricità sono stati mostrati negli Stati Uniti e in Australia nel 2013.
Se sarà possibile realizzare il pieno potenziale economico delle risorse geotermiche, ciò rappresenterà un'enorme fonte di elettricità per gli impianti di produzione. Gli scienziati suggeriscono che le fonti geotermiche convenzionali hanno un potenziale di 38.000 MW, che possono generare 380 milioni di MW di elettricità all'anno.
Rocce calde e secche si trovano a profondità comprese tra 5 e 8 km ovunque nel sottosuolo ea profondità inferiori in alcuni luoghi.L'accesso a queste risorse comporta l'introduzione di acqua fredda che circola attraverso le rocce calde e la rimozione di acqua riscaldata. Attualmente non esiste un'applicazione commerciale per questa tecnologia. Le tecnologie esistenti non consentono ancora di recuperare energia termica direttamente dal magma, molto in profondità, ma questa è la risorsa più potente di energia geotermica.
Con la combinazione delle risorse energetiche e della sua consistenza, l'energia geotermica può svolgere un ruolo insostituibile come sistema energetico più pulito e sostenibile.
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 vomitano acqua bollente a intervalli regolari. Dopo che si è verificata l'eruzione, la piscina si libera dall'acqua, al suo fondo si può vedere un canale che va in profondità nel terreno. I geyser sono usati come fonti di energia in regioni come Kamchatka, Islanda, Nuova Zelanda e Nord America, mentre i geyser solitari si trovano in molte altre aree.
Industria e abitazioni e servizi comunali
Nel novembre 2014, la più grande centrale geotermica del mondo all'epoca ha iniziato a funzionare in Kenya. Il secondo più grande si trova in Islanda: questo è Hellisheidi, che prende il calore da fonti vicine al vulcano Hengiedl.
Altri paesi che utilizzano l'energia geotermica su scala industriale: USA, Filippine, Russia, Giappone, Costa Rica, Turchia, Nuova Zelanda, ecc.
Esistono quattro schemi principali per la generazione di energia in GeoTPP:
- dritto, quando il vapore viene convogliato attraverso i tubi a turbine collegate a gruppi elettrogeni;
- indiretto, simile al precedente in tutto, tranne che prima di entrare nei tubi, il vapore viene ripulito dai gas;
- binario - non viene utilizzata acqua o vapore come calore di lavoro, ma un altro liquido con un punto di ebollizione basso;
- misto - simile alla linea retta, ma dopo la condensazione, i gas non disciolti vengono rimossi dall'acqua.
Nel 2009, un team di ricercatori alla ricerca di risorse geotermiche utilizzabili ha raggiunto il magma fuso a soli 2,1 km di profondità. Tale caduta nel magma è molto rara, questo è solo il secondo caso noto (il precedente si è verificato alle Hawaii nel 2007).
Sebbene il tubo collegato al magma non sia mai stato collegato alla vicina centrale geotermica di Krafla, gli scienziati hanno ricevuto risultati molto promettenti. Fino ad ora, tutte le stazioni operative ricevevano calore indirettamente, dalle rocce della terra o dalle acque sotterranee.
Da dove viene l'energia?
Il magma non raffreddato si trova molto vicino alla superficie terrestre. Da esso vengono rilasciati gas e vapori che salgono e passano lungo le fessure. Mescolandosi con l'acqua di falda, provocano il loro riscaldamento, si trasformano in acqua calda, in cui molte sostanze si dissolvono. 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 caverne o camere collegate da passaggi, crepe e canali. Sono solo pieni di acque sotterranee e molto vicino a loro ci sono camere magmatiche. È così che si forma naturalmente l'energia termica della terra.
Energia idrotermale
L'acqua che circola a grandi profondità viene riscaldata a valori significativi. Nelle regioni sismicamente attive sale in superficie lungo le fessure della crosta terrestre; nelle regioni calme può essere rimosso mediante pozzi.
Il principio di funzionamento è lo stesso: l'acqua riscaldata sale nel pozzo, emette calore e ritorna nel secondo tubo. Il ciclo è praticamente infinito e si rinnova finché il calore rimane all'interno della terra.
In alcune regioni sismicamente attive, le acque calde si trovano così vicino alla superficie che si può osservare in prima persona come funziona l'energia geotermica. Una foto delle vicinanze del vulcano Krafla (Islanda) mostra i geyser che trasmettono vapore per la centrale geotermica che vi opera.
Campo elettrico della Terra
Esiste un'altra fonte di energia alternativa in natura, che si distingue per rinnovabilità, compatibilità ambientale e facilità d'uso. È vero, fino ad ora questa fonte è stata studiata e non applicata nella pratica. Quindi, l'energia potenziale della Terra è nascosta nel suo campo elettrico. L'energia può essere ottenuta in questo modo studiando le leggi fondamentali dell'elettrostatica e le caratteristiche del campo elettrico terrestre. In effetti, il nostro pianeta dal 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. L'atmosfera terrestre 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 reintegrare 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 nel flusso del 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.
Calore della Terra
(Per la fine. Per l'inizio, vedere Science and Life, n. 9, 2013)
Collettore per la raccolta dell'acqua termale del boro a Larderello (Italia), prima metà del XIX secolo.
Il motore e l'inverter utilizzati a Larderello nel 1904 nel primo esperimento per produrre energia elettrica geotermica.
Diagramma schematico del funzionamento di una centrale termica.
Il principio di funzionamento di GeoPP su vapore secco. Il vapore geotermico proveniente da un pozzo di produzione viene fatto passare direttamente attraverso una turbina a vapore. Il più semplice degli schemi esistenti di operazione GeoPP.
Il principio di funzionamento di un GeoPP con un circuito indiretto. L'acqua calda sotterranea da un pozzo di produzione viene pompata in un evaporatore e il vapore risultante viene fornito a una 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 inferiore.
Lo schema di lavoro del sistema petrotermico. Il sistema si basa sull'utilizzo di un gradiente di temperatura tra la superficie della terra e il suo sottosuolo, dove la temperatura è più alta.
Schema schematico di un frigorifero e di una pompa di calore: 1 - condensatore; 2 - acceleratore (regolatore di pressione); 3 - evaporatore; 4 - compressore.
Mutnovskaya GeoPP in Kamchatka. Alla fine del 2011 la capacità installata della stazione era di 50 MW, ma si prevede di aumentarla a 80 MW. Foto di Tatiana Korobkova (Laboratorio di ricerca RES della Facoltà di geografia dell'Università statale di Mosca Lomonosov.)
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L'uso dell'energia geotermica ha una storia molto lunga. Uno dei primi esempi conosciuti è l'Italia, località in provincia di Toscana, oggi Larderello, dove già all'inizio del XIX secolo, le acque termali calde locali, sgorgate naturalmente o estratte da pozzi poco profondi, venivano utilizzate per scopi energetici.
L'acqua sotterranea ricca di boro è stata utilizzata qui per ottenere l'acido borico. Inizialmente questo acido era ottenuto per evaporazione in caldaie di ferro, e la normale legna da ardere dei boschi vicini veniva presa come combustibile, ma nel 1827 Francesco Larderel creò un sistema che funzionava sul calore delle acque stesse. Allo stesso tempo, l'energia del vapore acqueo naturale iniziò a essere utilizzata per il funzionamento delle piattaforme di perforazione e, all'inizio del XX secolo, per il riscaldamento di case e serre locali. Nello stesso luogo, a Larderello, nel 1904, il vapore acqueo termale divenne una 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 Stati Uniti (Boise, Idaho), nel 1919 in Giappone e nel 1928 in Islanda.
Negli Stati Uniti, la prima centrale idrotermica apparve 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 generazione di elettricità richiede una temperatura più alta della fonte idroelettrica 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 sorta di centrale termica.
Nei TPP, di regola, il carbone, il gas o l'olio combustibile fungono da fonte primaria di energia e il vapore acqueo funge da fluido di lavoro. Il 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 una forma "pronta all'uso" direttamente dalla produzione bene.
Esistono tre schemi principali di funzionamento del GeoPP: diretto, utilizzando vapore secco (geotermico); indiretta, basata su acqua idrotermale e mista o binaria.
L'uso di un particolare schema dipende dallo stato di aggregazione e dalla temperatura del vettore energetico.
Il 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 funzionava a vapore secco nel 1904.
I GeoPP con uno schema di lavoro indiretto sono i più comuni ai nostri tempi. Usano acqua calda sotterranea, che viene pompata in un evaporatore ad alta pressione, dove una 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 da composti aggressivi.
Il vapore esaurito entra nel pozzo di iniezione o viene utilizzato per il riscaldamento degli ambienti: in questo caso, il principio è lo stesso del funzionamento di una cogenerazione.
Ai GeoPP binari, l'acqua termale calda interagisce con un altro liquido che funge da fluido di lavoro con un punto di ebollizione inferiore. Entrambi i liquidi vengono fatti passare attraverso uno scambiatore di calore, dove l'acqua termale fa evaporare il fluido di lavoro, il cui vapore fa ruotare la turbina.
Questo sistema è chiuso, il che risolve il problema delle emissioni in atmosfera. Inoltre fluidi di lavoro con punto di ebollizione relativamente basso consentono di utilizzare come fonte primaria di energia acque termali non molto calde.
In tutti e tre gli schemi, viene sfruttata una fonte idrotermale, ma l'energia petrotermica può anche essere utilizzata per generare elettricità (per le differenze tra energia idrotermica e petrotermica, vedere Science and Life, n. 9, 2013).
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 alimentato attraverso il pozzo di produzione in superficie. Inoltre, tutto dipende da come viene utilizzata l'energia petrotermica, per il riscaldamento o per la generazione di elettricità. È possibile un ciclo chiuso con l'iniezione di vapore e acqua di scarto nel pozzo di iniezione o in un altro modo di smaltimento.
Lo svantaggio di un tale sistema è ovvio: per ottenere una temperatura sufficientemente elevata del fluido di lavoro, è necessario perforare pozzi a grande profondità.E questi sono costi seri e il rischio di una significativa perdita di calore quando il fluido si sposta verso l'alto. Pertanto, i sistemi petrotermici sono ancora meno diffusi di quelli idrotermali, sebbene il potenziale dell'energia petrotermica sia dell'ordine di grandezza superiore.
Attualmente l'Australia è leader nella realizzazione dei cosiddetti sistemi di circolazione petrotermica (PCS). Inoltre, questa direzione dell'energia geotermica si sta sviluppando attivamente negli Stati Uniti, in Svizzera, Gran Bretagna e Giappone.
Il dono di Lord Kelvin
L'invenzione nel 1852 di una pompa di calore da parte del fisico William Thompson (alias Lord Kelvin) ha fornito all'umanità una reale opportunità di utilizzare il calore a basso potenziale degli strati superiori del suolo. Il sistema a pompa di calore, o, come lo chiamava Thompson, il moltiplicatore di calore, si basa sul processo fisico di trasferimento del calore dall'ambiente al refrigerante. Infatti utilizza lo stesso principio dei sistemi petrotermici. La differenza sta nella fonte di calore, in relazione alla quale può sorgere una 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 di decine - centinaia di metri, le rocce ei fluidi in esse contenuti vengono riscaldati non dal calore profondo della terra, ma dal sole. Quindi, è il sole in questo caso la principale fonte di calore, sebbene sia prelevato, come nei sistemi geotermici, dalla terra.
Il lavoro di una pompa di calore si basa su un ritardo nel riscaldamento e raffreddamento del suolo rispetto all'atmosfera, a seguito del quale si forma un gradiente di temperatura tra la superficie e gli strati più profondi, che trattengono il calore anche in inverno, simile a cosa succede nei corpi idrici. Lo scopo principale delle pompe di calore è il riscaldamento degli ambienti. In effetti, è un "frigorifero inverso". Sia la pompa di calore che il frigorifero interagiscono con tre componenti: l'ambiente interno (nel primo caso - la stanza riscaldata, nel secondo - la camera refrigerata del frigorifero), l'ambiente esterno - la fonte di energia e il refrigerante (refrigerante) , è anche il vettore di calore che fornisce il trasferimento di calore o freddo.
Una sostanza con un punto di ebollizione basso funge da refrigerante, il che le consente di prelevare calore da una fonte che ha anche una temperatura relativamente bassa.
Nel frigorifero, il refrigerante liquido entra nell'evaporatore attraverso una 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 dall'esterno. Di conseguenza, il calore viene prelevato dalle pareti interne dell'evaporatore, 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 un processo inverso che porta al rilascio del calore rimosso nell'ambiente esterno. Di norma, viene lanciato nella stanza e il retro del frigorifero è relativamente caldo.
Una pompa di calore funziona più o meno allo stesso modo, con la differenza che il calore viene prelevato dall'ambiente esterno e attraverso l'evaporatore entra nell'ambiente interno - il sistema di riscaldamento della stanza.
In una vera pompa di calore l'acqua si riscalda, passando lungo un circuito esterno, posata nel terreno o in un serbatoio, quindi entra 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 proveniente dall'impianto di riscaldamento.
Il compressore richiede elettricità per funzionare, tuttavia, il rapporto di trasformazione (il rapporto tra energia consumata e energia generata) nei sistemi moderni è sufficientemente alto da garantire la loro efficienza.
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 degli idrocarburi. In media, un GeoPP occupa 400 m2 in termini di 1 GW di elettricità generata. La stessa cifra per una centrale elettrica a carbone, ad esempio, è di 3600 m2. I vantaggi ecologici dei GeoPP includono anche il basso consumo di acqua: 20 litri di acqua dolce per 1 kW, mentre TPP e NPP richiedono circa 1000 litri. Si noti che questi sono indicatori ambientali del GeoPP "medio".
Ma ci sono ancora effetti collaterali negativi. 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 l'acqua termale vera e propria (ad alta temperatura e mineralizzazione), che spesso contiene grandi quantità di composti tossici, in relazione ai quali si pone un problema di smaltimento delle acque reflue e delle sostanze pericolose.
Gli effetti negativi della geotermia possono essere rintracciati in più fasi, a partire dalla perforazione dei pozzi. Qui sorgono gli stessi pericoli della perforazione di qualsiasi pozzo: distruzione del suolo e della copertura vegetale, contaminazione 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 (CO2), solfuro di zolfo (H2S), ammoniaca (NH3), metano (CH4), 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 corrosivi alle strutture della centrale geotermica.
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 chilowattora di elettricità generata sono fino a 380 g a GeoPP, 1.042 g - a TPP a carbone, 906 g - a olio combustibile e 453 g - a TPP a gas.
La domanda sorge spontanea: cosa fare con le acque reflue? Con bassa salinità, può essere scaricato nelle acque superficiali dopo il raffreddamento. Un altro modo è iniettarlo nuovamente nella falda acquifera attraverso un pozzo di iniezione, che è preferito e prevalentemente utilizzato oggi.
L'estrazione di acqua termale dalle falde acquifere (così come il pompaggio di acqua normale) può causare cedimenti e movimenti del suolo, altre deformazioni degli strati geologici e micro-terremoti. La probabilità di tali fenomeni, di regola, è bassa, 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 piccoli. Con uno sviluppo più esteso dell'energia geotermica, i rischi ambientali possono aumentare e moltiplicarsi.
Quanto costa l'energia della Terra?
I costi di investimento per la costruzione di sistemi geotermici variano in un intervallo molto ampio: da $ 200 a $ 5.000 per 1 kW di capacità installata, ovvero le opzioni più economiche sono paragonabili al costo di costruzione di una centrale termica. Dipendono, prima di tutto, dalle condizioni di presenza delle acque termali, dalla loro composizione e dal design del sistema. Forando a grandi profondità, creando un sistema chiuso con due pozzi, la necessità di depurazione dell'acqua può aumentare il costo molteplice.
Ad esempio, gli investimenti nella creazione di un sistema di circolazione petrotermica (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 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 NPP operativo, il carburante rappresenta il 50-80% o anche di più, a seconda dei prezzi attuali dell'energia. Da qui un altro vantaggio del sistema geotermico: i costi di esercizio sono più stabili e prevedibili, poiché non dipendono dalla congiuntura esterna dei prezzi dell'energia. In generale, i costi operativi della centrale geotermica sono stimati in 2-10 centesimi (60 copechi - 3 rubli) per 1 kWh di capacità prodotta.
La seconda voce di spesa più grande (dopo l'energia) (e molto significativa) è, di norma, gli stipendi del personale dell'impianto, che possono differire radicalmente da paese a paese e regione.
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 del costo elevato risiede nel fatto che, a differenza delle centrali termiche e idrauliche, il GeoTPP ha una capacità relativamente ridotta. Inoltre, è necessario confrontare 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 in 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 quali modi è possibile, se è possibile un utilizzo combinato della risorsa. Pertanto, elementi chimici e composti estratti dall'acqua termale possono fornire un reddito aggiuntivo. Ricordiamo l'esempio di Larderello: lì era la produzione chimica primaria, e l'uso della geotermia era inizialmente di natura ausiliaria.
La geotermia in avanti
L'energia geotermica si sta sviluppando in modo leggermente diverso dall'eolico e dal solare. Attualmente dipende in misura molto maggiore dalla natura della risorsa stessa, che differisce nettamente da regione a regione, e le concentrazioni più elevate sono legate a zone ristrette di anomalie geotermiche, associate, di regola, ad aree di sviluppo di faglie tettoniche e vulcanismo (vedi "Science and Life" n. 9, 2013).
Inoltre la geotermia è tecnologicamente meno capiente rispetto all'eolico, e ancor di più al solare: i sistemi delle stazioni geotermiche 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 della capacità di energia geotermica è concentrata nei paesi del terzo mondo, dove spiccano tre cluster di maggiore sviluppo dell'industria: le isole del Sud-est asiatico, dell'America centrale e dell'Africa orientale. Le prime due regioni sono incluse nella "cintura di fuoco terrestre" del Pacifico, la terza è legata alla spaccatura 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, ad una profondità di diversi chilometri. Si tratta di una risorsa quasi onnipresente, ma la sua estrazione richiede costi elevati, pertanto l'energia petrotermica si sta sviluppando principalmente nei paesi economicamente e tecnologicamente più potenti.
In generale, data l'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 loro.
Dalla Kamchatka al Caucaso
In Russia, lo sviluppo della geotermia ha una storia piuttosto lunga e in un certo numero di posizioni siamo tra i leader mondiali, sebbene la quota di energia geotermica nel bilancio energetico totale di un enorme 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 stiamo parlando principalmente dell'industria dell'energia elettrica, nel secondo - dell'uso dell'energia termica di acqua termale.
Nel Caucaso settentrionale - nel territorio di Krasnodar, in Cecenia, in Daghestan - il calore delle acque termali a fini energetici era utilizzato anche prima della Grande Guerra Patriottica. Negli anni '80 e '90, lo sviluppo dell'energia geotermica nella regione per ovvie ragioni si è arrestato e non è ancora uscito da uno stato di stagnazione. Tuttavia, l'approvvigionamento idrico geotermico nel Caucaso settentrionale fornisce calore a circa 500mila persone e, ad esempio, la città di Labinsk nel territorio di Krasnodar con una popolazione di 60mila persone è completamente riscaldata dalle acque geotermiche.
In Kamchatka, la storia dell'energia geotermica è associata principalmente alla costruzione di centrali geotermiche. La prima, ancora operativa nelle 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 della sezione siberiana dell'Accademia delle scienze russa, che nel 1965 ricevettero un certificato dell'autore per l'estrazione di elettricità dall'acqua con una temperatura di 70 ° C. Questa tecnologia è diventata in seguito un prototipo per più di 400 GeoPP binari nel mondo.
La capacità della Pauzhetskaya GeoPP, messa in servizio nel 1966, era inizialmente di 5 MW e successivamente aumentata a 12 MW. Attualmente è in costruzione un blocco binario presso la stazione, che aumenterà la sua capacità di altri 2,5 MW.
Lo sviluppo dell'energia geotermica in URSS e in Russia è stato ostacolato dalla disponibilità di fonti energetiche tradizionali: petrolio, gas, carbone, ma non si è mai fermato. I più grandi impianti di energia geotermica al momento sono il Verkhne-Mutnovskaya GeoPP con una capacità totale di 12 MW di unità di potenza, commissionato nel 1999, e il Mutnovskaya GeoPP con una capacità di 50 MW (2002).
I GeoPP Mutnovskaya e Verkhne-Mutnovskaya sono oggetti unici non solo per la Russia, ma anche su scala globale. Le stazioni si trovano ai piedi del vulcano Mutnovsky, a un'altitudine di 800 metri sul livello del mare, e operano in condizioni 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.
Al momento, la quota degli impianti Mutnovskie nella struttura totale del consumo energetico del polo energetico della Kamchatka centrale è del 40%. Nei prossimi anni è previsto un aumento della capacità.
Separatamente, va detto sugli sviluppi petroliferi russi. Non abbiamo ancora grandi DSP, ma ci sono tecnologie avanzate per perforare a grandi profondità (circa 10 km), che non hanno analoghi al mondo. Il loro ulteriore sviluppo consentirà di abbattere drasticamente i costi di realizzazione degli impianti petrotermici. Gli sviluppatori di queste tecnologie e progetti sono N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Istituto geologico, RAS), A. S. Nekrasov (Istituto di previsione economica, RAS) e specialisti del Kaluga Turbine Works. Il progetto per un sistema di circolazione petrotermica in Russia è attualmente in fase sperimentale.
Ci sono prospettive per l'energia geotermica 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 un certo numero di regioni remote del paese, l'uso dell'energia geotermica è economicamente redditizio ed è richiesto anche adesso. Si tratta di territori ad alto potenziale geoenergetico (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - la parte russa della "cintura di fuoco terrestre" del Pacifico, le montagne della Siberia meridionale e del Caucaso) e allo stesso tempo remoti e tagliati fuori dal rifornimento energetico centralizzato.
Probabilmente, nei prossimi decenni, l'energia geotermica nel nostro Paese si svilupperà proprio in tali regioni.
Risorse rinnovabili
Man mano che 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: eolica, solare e idrica. Sono ecocompatibili, quindi puoi usarli senza timore 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 esistono un gran numero di centrali idroelettriche che convertono l'energia del flusso dell'acqua in elettricità. La particolarità di questo metodo è che le risorse idroelettriche vengono rinnovate, rispettivamente, tali strutture hanno un basso costo. Questo è il motivo per cui, nonostante il fatto che la costruzione di centrali idroelettriche sia in corso da un tempo piuttosto lungo e il processo stesso sia molto costoso, tuttavia queste strutture superano significativamente le industrie ad alta intensità di energia.
Energia del sole: moderna ea prova di futuro
L'energia solare si ottiene utilizzando pannelli solari, ma le moderne tecnologie consentono di utilizzare nuovi metodi per questo. La più grande centrale solare del mondo è un sistema costruito nel deserto della California. Alimenta completamente 2.000 case. Il design funziona come segue: i raggi del sole vengono riflessi dagli specchi, che vengono inviati alla caldaia centrale con l'acqua. Bolle e si trasforma in vapore che aziona la turbina. Lei, a sua volta, è collegata a un generatore elettrico. Il vento può anche essere utilizzato come energia che ci dà la Terra. Il vento soffia le vele, fa girare i mulini. E ora può essere utilizzato per creare dispositivi che genereranno energia elettrica. Ruotando le pale del mulino, aziona l'albero della turbina, che a sua volta è collegato a un generatore elettrico.
Applicazioni
Lo sfruttamento della geotermia risale al XIX secolo. La prima è stata l'esperienza degli italiani residenti in provincia di Toscana, che utilizzavano l'acqua calda proveniente da fonti per il riscaldamento. Con il suo aiuto, i nuovi pozzi di perforazione hanno funzionato.
L'acqua toscana è ricca di boro e evaporata trasformata in acido borico, le caldaie lavoravano con il calore delle proprie acque. All'inizio del XX secolo (1904), i toscani andarono oltre e avviarono una centrale a vapore. L'esempio degli italiani diventa un'esperienza importante per USA, Giappone, Islanda.
Agricoltura e orticoltura
L'energia geotermica viene utilizzata nell'agricoltura, nella sanità e nelle famiglie in 80 paesi in tutto il mondo.
La prima cosa che l'acqua termale è stata e per cui viene utilizzata è il riscaldamento di serre e serre, che permette di raccogliere ortaggi, frutta e fiori anche in inverno. Anche l'acqua calda è stata utile per l'irrigazione.
La coltivazione di colture in idroponica è considerata una direzione promettente per i produttori agricoli.Alcuni allevamenti ittici utilizzano acqua riscaldata in bacini artificiali per allevare avannotti e pesci.
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Queste tecnologie sono comuni in Israele, Kenya, Grecia, Messico.
Industria e abitazioni e servizi comunali
Più di un secolo fa, il vapore termico caldo era già la base per la generazione di elettricità. Da allora, ha servito l'industria e le utility.
In Islanda, l'80% degli alloggi è riscaldato dall'acqua termale.
Sono stati sviluppati tre schemi di produzione di energia elettrica:
- Linea retta utilizzando vapore acqueo. Il più semplice: viene utilizzato dove c'è accesso diretto ai vapori geotermici.
- Indiretto, non usa il vapore, ma l'acqua. Viene alimentato all'evaporatore, convertito in vapore con metodo tecnico e inviato al turbogeneratore.
L'acqua richiede una purificazione aggiuntiva, perché contiene composti aggressivi che possono distruggere i meccanismi di lavoro. Il vapore di scarico, ma non ancora raffreddato, è adatto per le esigenze di riscaldamento.
- Misto (binario). L'acqua sostituisce il carburante, che riscalda un altro fluido con un maggiore trasferimento di calore. Aziona la turbina.
Il sistema binario impiega una turbina, che viene attivata dall'energia dell'acqua riscaldata.
L'energia idrotermica viene utilizzata da Stati Uniti, Russia, Giappone, Nuova Zelanda, Turchia e altri paesi.
Sistemi di riscaldamento geotermico per la casa
Un vettore di calore riscaldato a +50 - 600C è adatto per il riscaldamento degli alloggi, l'energia geotermica soddisfa questo requisito. Le città con una popolazione di diverse decine di migliaia di persone possono essere riscaldate dal calore dell'interno della terra. Ad esempio: il riscaldamento della città di Labinsk, territorio di Krasnodar, funziona con combustibile terrestre naturale.
Schema di un impianto geotermico per il riscaldamento di una casa
Non c'è bisogno di sprecare tempo ed energia per il riscaldamento dell'acqua e la costruzione di un locale caldaia. Il refrigerante viene prelevato direttamente dalla sorgente del geyser. La stessa acqua è adatta anche per la fornitura di acqua calda. Nel primo e nel secondo caso viene sottoposto alle necessarie pulizie tecniche e chimiche preliminari.
L'energia risultante costa da due a tre volte in meno. Apparvero installazioni per case private. Sono più costosi delle tradizionali caldaie a combustibile, ma nel processo di funzionamento giustificano i costi.
I vantaggi e gli svantaggi dell'utilizzo dell'energia geotermica per riscaldare una casa.
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 accaduto a causa della formazione dei planetesimi. Si sono attaccati insieme, rispettivamente, la massa della Terra è diventata sempre di più. Dopo che il nostro pianeta iniziò ad avere una massa moderna, ma era ancora privo di atmosfera, corpi meteorici e 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 caduti sul pianeta, maggiore è la quantità di energia rilasciata, contenuta nelle viscere della Terra.
Questa differenziazione gravitazionale ha portato al fatto che le sostanze hanno iniziato a stratificarsi: le sostanze pesanti semplicemente annegavano e quelle leggere e volatili galleggiavano. La differenziazione ha anche influenzato il rilascio aggiuntivo di energia gravitazionale.
Quasi tutte le proprietà fisiche di base della materia terrestre dipendono dalla temperatura. A seconda della temperatura, cambia la pressione alla quale la sostanza passa da uno stato solido a uno fuso. Quando la temperatura cambia, la viscosità, la conduttività elettrica e le proprietà magnetiche delle rocce che compongono la Terra cambiano. Per immaginare cosa sta succedendo all'interno della Terra, dobbiamo conoscere il suo stato termico. Non abbiamo ancora l'opportunità di misurare direttamente le temperature a nessuna profondità della Terra. Solo i primi chilometri della crosta terrestre sono disponibili per le nostre misurazioni.Ma possiamo determinare la temperatura interna della Terra indirettamente, sulla base dei dati sul flusso di calore della Terra.
L'impossibilità della verifica diretta è, ovviamente, una difficoltà molto grande in molte scienze della terra. Tuttavia, lo sviluppo riuscito di osservazioni e teorie avvicina gradualmente la nostra conoscenza alla verità.
Scienza moderna sullo stato termico e sulla storia della Terra - geotermia È una scienza giovane. Il primo studio sulla geotermia è apparso solo a metà del secolo scorso. William Thomson (Lord Kelvin), allora ancora giovanissimo scienziato, fisico, dedicò la sua dissertazione alla determinazione dell'età della Terra basata sullo studio della distribuzione e del movimento del calore all'interno del pianeta. Kelvin credeva che la temperatura interna della Terra dovesse diminuire nel tempo a causa della formazione e solidificazione del pianeta dalla materia fusa.
Definendo gradiente termico - il tasso di aumento della temperatura con la profondità - nelle miniere e nei pozzi a diverse profondità, Kelvin è giunto alla conclusione che da questi dati è possibile ipotizzare per quanto tempo la Terra dovrebbe raffreddarsi e, quindi, determinare l'età della Terra . Secondo la stima di Kelvin, la temperatura alle profondità più vicine al di sotto della superficie aumenta di 20-40 ° C ogni mille metri di profondità. Si è scoperto che la Terra si è raffreddata fino al suo stato attuale in poche decine di milioni di anni. Ma questo non concorda in alcun modo con altri dati, ad esempio con i dati sulla durata di molte epoche geologiche conosciute. Il dibattito su questo tema continuò per mezzo secolo e mise Kelvin in opposizione a eminenti evoluzionisti come Charles Darwin e Thomas Huxley.
Kelvin basò le sue conclusioni sull'idea che la Terra fosse originariamente in uno stato fuso e gradualmente raffreddata. Questa ipotesi ha dominato per decenni. Tuttavia, all'inizio del XX secolo, sono state fatte scoperte che hanno cambiato radicalmente la comprensione della natura del flusso di calore profondo della Terra e della sua storia termica. È stata scoperta la radioattività, sono iniziati gli studi sui processi di rilascio del calore durante il decadimento radioattivo di alcuni isotopi, sono state tratte conclusioni che le rocce che compongono la crosta terrestre contengono una quantità significativa di isotopi radioattivi.
Le misurazioni dirette del flusso di calore della Terra sono iniziate relativamente di recente: prima nei continenti - nel 1939 in pozzi profondi in Sud Africa, in seguito sul fondo degli oceani - dal 1954, nell'Atlantico. Nel nostro paese, per la prima volta, il flusso di calore è stato misurato in pozzi profondi a Sochi e Matsesta. Negli ultimi anni, l'accumulo di dati ottenuti sperimentalmente sui flussi di calore è andato avanti piuttosto rapidamente.
Perché viene fatto questo? E sono ancora necessarie nuove e nuove dimensioni? Sì, molto necessario. Il confronto delle misurazioni del flusso di calore profondo effettuate in diversi punti del pianeta mostra che la perdita di energia attraverso diverse parti della superficie del pianeta avviene in modi diversi. Questo parla dell'eterogeneità della crosta e del mantello, consente di giudicare la natura di molti processi che si verificano a varie profondità inaccessibili ai nostri occhi sotto la superficie terrestre e fornisce una chiave per studiare il meccanismo di sviluppo del pianeta e la sua energia interna .
Quanto calore perde la Terra a causa del flusso di calore dalle viscere? Si scopre che in media questo valore è piccolo: circa 0,06 watt per metro quadrato di superficie, o circa 30 trilioni di watt sull'intero pianeta. La Terra riceve energia dal Sole circa 4mila volte di più. E, naturalmente, è il calore solare che gioca un ruolo importante nello stabilire la temperatura sulla superficie terrestre.
Il calore emesso da un pianeta attraverso una superficie delle dimensioni di un campo da calcio è approssimativamente uguale al calore che possono produrre lampadine da trecento watt. Un tale flusso di energia sembra insignificante, ma dopotutto emana dall'intera superficie della Terra e costantemente! La potenza dell'intero flusso di calore proveniente dalle viscere del pianeta è circa 30 volte maggiore della potenza di tutte le moderne centrali elettriche del mondo.
Misurazione della profondità flusso di calore della Terra il processo non è facile e richiede tempo. Attraverso la crosta terrestre il calore viene condotto alla superficie in modo conduttivo, cioè attraverso la propagazione delle vibrazioni termiche. Pertanto, la quantità di calore che passa è uguale al prodotto gradiente di temperatura (il tasso di aumento della temperatura con la profondità) sulla conducibilità termica. Per determinare il flusso di calore, è imperativo conoscere queste due quantità. Il gradiente di temperatura viene misurato con dispositivi sensibili: sensori (termistori) in miniere o pozzi appositamente perforati, a una profondità da alcune decine a diverse centinaia di metri. La conducibilità termica delle rocce viene determinata esaminando campioni in laboratorio.
Misurazione il calore scorre sul fondo degli oceani associati a notevoli difficoltà: il lavoro deve essere svolto sott'acqua a profondità considerevoli. Tuttavia, ha anche i suoi vantaggi: non è necessario perforare pozzi sul fondo degli oceani, perché i sedimenti sono generalmente piuttosto molli e la lunga sonda cilindrica utilizzata per misurare la temperatura affonda facilmente diversi metri in sedimenti molli.
Coloro che sono impegnati nella geotermia ne hanno davvero bisogno mappa del flusso di calore per l'intera superficie del pianeta. I punti in cui sono già state effettuate le misurazioni del flusso di calore sono distribuiti in modo estremamente irregolare sulla superficie terrestre. Nei mari e negli oceani, le misurazioni sono state effettuate il doppio rispetto alla terra. Nord America, Europa e Australia, gli oceani alle medie latitudini sono stati studiati abbastanza a fondo. E in altre parti della superficie terrestre le misurazioni sono ancora poche o per niente. Tuttavia, l'attuale volume di dati sul flusso di calore della Terra consente già di costruire mappe generalizzate, ma abbastanza affidabili.
Il rilascio di calore dalle viscere della Terra alla superficie non è uniforme. In alcune zone la Terra emette più calore rispetto alla media globale, in altre la resa termica è molto inferiore. I "punti freddi" si verificano in Europa orientale (piattaforma dell'Europa orientale), Canada (Canadian Shield), Nord Africa, Australia, Sud America, bacini di acque profonde degli oceani Pacifico, Indiano e Atlantico. I punti "caldi" e "caldi" - aree di maggiore flusso di calore - si verificano nelle regioni della California, dell'Europa alpina, dell'Islanda, del Mar Rosso, del Pacifico orientale e delle dorsali sottomarine a medio raggio dell'Oceano Atlantico e Indiano.
Energia atomica
L'uso dell'energia della terra può avvenire in diversi modi. Ad esempio, con la costruzione di centrali nucleari, quando l'energia termica viene rilasciata a causa della disintegrazione delle più piccole particelle di materia degli 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 i rifiuti radioattivi possono minacciare tutti gli esseri viventi per un tempo molto, molto lungo, interi millenni.
Prima centrale geotermica
Siamo tutti abituati al fatto che molti anni fa l'energia veniva estratta dalle risorse naturali. E così è stato, ma anche prima, una delle prime centrali elettriche era geotermica. In generale, questo è molto logico, poiché la tecnica ha funzionato sulla trazione a vapore e l'uso del vapore è stata la decisione più corretta. E in realtà l'unico per quel tempo, senza contare la combustione di legna e carbone.
Già nel 1817, il conte François de Larderel sviluppò una tecnologia per la raccolta del vapore naturale, che tornò utile nel XX secolo, quando la domanda di centrali geotermiche divenne molto alta.
La prima stazione effettivamente funzionante fu costruita nella città italiana di Larderello nel 1904. È vero, era più un prototipo, poiché poteva alimentare solo 4 lampadine, ma funzionava. Sei anni dopo, nel 1910, nella stessa città fu costruita una vera e propria stazione funzionante, in grado di produrre energia sufficiente per usi industriali.
Anche in luoghi così pittoreschi possono esserci centrali geotermiche.
Generatori sperimentali sono stati costruiti in molti luoghi, ma è stata l'Italia a tenere il comando fino al 1958 ed è stato l'unico produttore industriale di energia geotermica al mondo.
La leadership dovette essere ceduta dopo che la centrale elettrica di Wairakei fu messa in servizio in Nuova Zelanda. È stata la prima centrale geotermica indiretta. Alcuni anni dopo, strutture simili si aprirono in altri paesi, compresi gli Stati Uniti con le sue fonti in California.
La prima centrale geotermica di tipo indiretto è stata costruita in URSS nel 1967. In questo momento, questo metodo per ottenere energia iniziò a svilupparsi attivamente in tutto il mondo. Soprattutto in luoghi come l'Alaska, le Filippine e l'Indonesia, che sono ancora tra i leader nell'energia prodotta in questo modo.
Nuovo tempo - nuove idee
Certo, 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 viene ottenuta in modo abbastanza semplice, alcuni metodi non sono così semplici. Ad esempio, come fonte di energia, è del tutto possibile utilizzare gas biologico, che si ottiene da rifiuti in decomposizione. Può essere utilizzato per riscaldare case e riscaldare l'acqua.
Sempre più spesso vengono costruite centrali a marea, quando vengono installate dighe e turbine attraverso le bocche dei bacini idrici, che sono azionate rispettivamente da flusso e riflusso, si ottiene elettricità.
Bruciando spazzatura, 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 2/3 di tutti i rifiuti, mentre le fabbriche sono dotate di turbine a vapore. Di conseguenza, forniscono calore ed elettricità all'area circostante. Allo stesso tempo, in termini di costi, è molto più redditizio costruire un'impresa del genere che costruire una cogenerazione.
La prospettiva di utilizzare il calore della Terra dove sono concentrati i vulcani sembra più allettante. In questo caso, non è 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 metodo per generare elettricità come l'energia dell'idrogeno. 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 all'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 dalle centrali nucleari non possono soddisfare pienamente tutte le esigenze dell'umanità, che crescono ogni anno. Tuttavia, gli esperti dicono 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 cresce in modo catastrofico. La quantità di emissioni nocive va fuori scala, rispettivamente, l'aria che respiriamo è dannosa, l'acqua ha impurità pericolose e il suolo si esaurisce gradualmente. Ecco perché è così importante impegnarsi tempestivamente nello studio di 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.
Risorse limitate di materie prime energetiche fossili
La domanda di materie prime energetiche organiche è grande nei paesi industrialmente sviluppati e in via di sviluppo (USA, 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 depositi 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 sta procedendo a un ritmo molto veloce. Se negli anni '40 -'60. Le principali regioni produttrici di petrolio erano la "Seconda Baku" nelle regioni del Volga e degli Urali, quindi, a partire dagli anni '70 e fino ai giorni nostri, tale area è la Siberia occidentale. Ma anche qui si registra una significativa diminuzione della produzione di idrocarburi fossili. L'era del gas cenomaniano "secco" sta finendo. La fase precedente di ampio sviluppo della produzione di gas naturale è giunta al termine. La sua estrazione da giacimenti giganti come Medvezhye, Urengoyskoye e Yamburgskoye ammontava rispettivamente all'84, 65 e 50%. Anche la quota di riserve di petrolio favorevole allo sviluppo diminuisce nel tempo.
A causa del consumo attivo di idrocarburi, le riserve di petrolio e gas naturale a terra sono diminuite in modo significativo. Ora le loro riserve principali sono concentrate sulla piattaforma continentale. E sebbene la base di risorse 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 campi con difficili attività 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 centrali elettriche. Prima di tutto, è il gas naturale, la cui quota nella struttura del carburante è del 64%.
In Russia, il 70% dell'elettricità è generata da centrali termiche. Le imprese energetiche del paese bruciano circa 500 milioni di tonnellate di carburante equivalente all'anno. t. per generare elettricità e calore, mentre per la produzione di calore si consumano idrocarburi 3-4 volte di più rispetto alla produzione di elettricità.
La quantità di calore ottenuta dalla combustione di questi volumi di materie prime di idrocarburi equivale all'uso di centinaia di tonnellate di combustibile nucleare - la differenza è enorme. Tuttavia, l'energia nucleare richiede 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 unità di potenza NPP obsolete e obsolete. Le riserve provate recuperabili di uranio nel mondo sono di circa 3 milioni e 400 mila tonnellate, mentre per l'intero periodo precedente (fino al 2007) sono state estratte circa 2 milioni di tonnellate.
