Geotermāla enerģija
Jau no nosaukuma ir skaidrs, ka tas pārstāv zemes iekšējo siltumu. Zem zemes garozas ir magmas slānis, kas ir ugunīgs šķidrs silikāta kausējums. Saskaņā ar pētījumu datiem šī siltuma enerģijas potenciāls ir daudz lielāks nekā pasaules dabasgāzes, kā arī naftas rezervju enerģija. Magma - lava nāk virsū. Turklāt vislielākā aktivitāte vērojama tajos zemes slāņos, uz kuriem atrodas tektonisko plākšņu robežas, kā arī tajos gadījumos, kad zemes garozai ir raksturīgs plānums. Zemes ģeotermālā enerģija tiek iegūta šādā veidā: lava un planētas ūdens resursi nonāk saskarē, kā rezultātā ūdens sāk strauji sakarst. Tas noved pie geizera izvirduma, tā saukto karsto ezeru un zemūdens straumju veidošanās. Tas ir, tieši tām dabas parādībām, kuru īpašības tiek aktīvi izmantotas kā neizsīkstošs enerģijas avots.
Petrotermālā enerģija
Šobrīd pasaulē plaši tiek izmantots zemes iekšējais siltums, un tas galvenokārt ir seklu aku enerģija - līdz 1 km. Lai nodrošinātu elektroenerģiju, siltumu vai karstu ūdeni, tiek uzstādīti dziļurbumu siltummaiņi, kas darbojas ar šķidrumiem ar zemu viršanas temperatūru (piemēram, freonu).
Tagad racionālākais siltuma ražošanas veids ir urbuma siltummaini izmantošana. Tas izskatās šādi: dzesēšanas šķidrums cirkulē slēgtā lokā. Sasildītais paceļas pa koncentriski nolaistu cauruli, atdodot savu siltumu, pēc kura atdzesēts ar sūkņa palīdzību tiek iesūknēts apvalkā.
Zemes interjera enerģijas izmantošana balstās uz dabas parādību - tuvojoties Zemes kodolam, paaugstinās zemes garozas un mantijas temperatūra. 2-3 km līmenī no planētas virsmas tas sasniedz vairāk nekā 100 ° С, vidēji palielinoties par 20 ° С ar katru nākamo kilometru. 100 km dziļumā temperatūra sasniedz 1300–1500 ºС.
Mākslīgie ģeotermiskie avoti
Enerģija, kas atrodas zemes iekšienē, jāizmanto saprātīgi. Piemēram, ir ideja izveidot pazemes katlus. Lai to izdarītu, jums jāizurbj divas pietiekama dziļuma akas, kuras tiks savienotas apakšā. Tas ir, izrādās, ka gandrīz jebkurā zemes stūrī ir iespējams iegūt ģeotermālo enerģiju rūpnieciski: caur vienu aku rezervuārā tiks iesūknēts auksts ūdens, bet caur otru - karsts ūdens vai tvaiks. Mākslīgie siltuma avoti būs izdevīgi un racionāli, ja radītais siltums nodrošinās vairāk enerģijas. Tvaiku var novirzīt turbīnu ģeneratoriem, kas ražos elektrību.
Protams, izvēlētais siltums ir tikai daļa no tā, kas pieejams kopējās rezervēs. Bet jāatceras, ka dziļais siltums tiks nepārtraukti papildināts radioaktīvās sabrukšanas procesu, iežu saspiešanas, zarnu noslāņošanās dēļ. Pēc ekspertu domām, zemes garozā uzkrājas siltums, kura kopējais daudzums ir 5000 reizes lielāks nekā visu zemes fosilo resursu siltumspēja kopumā. Izrādās, ka šādu mākslīgi izveidotu ģeotermālo staciju darbības laiks var būt neierobežots.
Zemes enerģijas resursu savākšanas metodes
Mūsdienās ir trīs galvenās ģeotermālās enerģijas ieguves metodes: sausais tvaiks, karstais ūdens un binārais cikls. Sausā tvaika process tieši pagriež enerģijas ģeneratoru turbīnu piedziņas. Karstais ūdens ieplūst no apakšas uz augšu, pēc tam izsmidzina tvertnē, lai radītu tvaiku turbīnu darbināšanai.Šīs divas metodes ir visizplatītākās, un tās rada simtiem megavatu elektrības Amerikas Savienotajās Valstīs, Islandē, Eiropā, Krievijā un citās valstīs. Bet atrašanās vieta ir ierobežota, jo šīs rūpnīcas darbojas tikai tektoniskos reģionos, kur ir vieglāk piekļūt apsildāmam ūdenim.
Izmantojot binārā cikla tehnoloģiju, siltu (ne vienmēr karstu) ūdeni ekstrahē uz virsmas un apvieno ar butānu vai pentānu, kam ir zema viršanas temperatūra. Šis šķidrums tiek sūknēts caur siltummaini, kur tas tiek iztvaicēts un nosūtīts caur turbīnu, pirms tas atkal tiek cirkulēts atpakaļ sistēmā. Binālā cikla tehnoloģija nodrošina desmitiem megavatu elektroenerģijas Amerikas Savienotajās Valstīs: Kalifornijā, Nevadā un Havaju salās.
Enerģijas iegūšanas princips
Ģeotermiskās enerģijas iegūšanas trūkumi
Inženierkomunikāciju līmenī ģeotermālo elektrostaciju būvniecība un ekspluatācija ir dārga. Piemērotas vietas atrašanai nepieciešami dārgi urbuma apsekojumi bez garantijas, ka trāpīsit produktīvu pazemes karsto vietu. Tomēr analītiķi sagaida, ka nākamo sešu gadu laikā šī spēja gandrīz dubultosies.
Turklāt teritorijas ar augstas temperatūras pazemes avotiem atrodas apgabalos ar aktīviem ģeoloģiskiem vulkāniem. Šie "karstie punkti" ir izveidojušies pie tektonisko plākšņu robežām vietās, kur garoza ir diezgan plāna. Klusā okeāna reģionu bieži sauc par uguns gredzenu daudziem vulkāniem ar daudziem karstajiem punktiem, tostarp Aļaskā, Kalifornijā un Oregonā. Nevadā ir simtiem karsto punktu, kas aptver lielāko ASV ziemeļu daļu.
Ir arī citi seismiski aktīvi reģioni. Zemestrīces un magmas kustība ļauj ūdenim cirkulēt. Dažās vietās ūdens paceļas uz virsmu un rodas dabiski karstie avoti un geizeri, piemēram, Kamčatkā. Kamčatkas geizeros ūdens sasniedz 95 ° C.
Viena no atvērto geizeru sistēmu problēmām ir noteiktu gaisa piesārņotāju izdalīšanās. Sērūdeņradis ir toksiska gāze ar ļoti atpazīstamu "puvušu olu" smaržu - nelielu daudzumu arsēna un minerālvielu, kas izdalās ar tvaiku. Sāls var radīt arī vides problēmas.
Ģeotermālās elektrostacijās, kas atrodas atklātā jūrā, caurulēs uzkrājas ievērojams daudzums traucējošā sāls. Slēgtās sistēmās nav emisiju, un viss uz virsmas nogādātais šķidrums tiek atgriezts.
Enerģijas resursa ekonomiskais potenciāls
Karstie punkti nav vienīgās vietas, kur var atrast ģeotermālo enerģiju. Pastāv pastāvīga izmantojamā siltuma padeve tiešai apkurei no 4 metriem līdz vairākiem kilometriem zem praktiski jebkuras zemes virsmas. Pat zemei jūsu mājas pagalmā vai vietējā skolā ir ekonomiskais potenciāls siltuma veidā, kas tiks izsūknēts jūsu mājās vai citās ēkās.
Turklāt sauso iežu veidojumos ir ļoti liels siltumenerģijas daudzums ļoti dziļi zem virsmas (4-10 km).
Jaunu tehnoloģiju izmantošana varētu paplašināt ģeotermālās sistēmas, kur cilvēki var izmantot šo siltumu elektroenerģijas ražošanai daudz lielākā apjomā nekā parastās tehnoloģijas. Pirmie šī elektroenerģijas ražošanas principa demonstrēšanas projekti tika parādīti Amerikas Savienotajās Valstīs un Austrālijā jau 2013. gadā.
Ja varēs realizēt visu ģeotermālo resursu ekonomisko potenciālu, tas būs milzīgs elektroenerģijas avots ražošanas iekārtām. Zinātnieki ierosina, ka parasto ģeotermālo avotu potenciāls ir 38 000 MW, kas gadā var radīt 380 miljonus MW elektroenerģijas.
Karsti sausi ieži sastopami 5 līdz 8 km dziļumā visur pazemē un seklākā dziļumā noteiktās vietās.Piekļuve šiem resursiem ietver aukstā ūdens ievadīšanu, kas cirkulē pa karstajiem akmeņiem, un apsildāma ūdens noņemšanu. Šobrīd šai tehnoloģijai nav komerciāla pielietojuma. Esošās tehnoloģijas vēl neļauj ļoti dziļi atgūt siltumenerģiju tieši no magmas, taču tas ir visspēcīgākais ģeotermālās enerģijas resurss.
Izmantojot enerģijas resursus un tā konsekvenci, ģeotermālajai enerģijai var būt neaizstājama loma kā tīrākai un ilgtspējīgākai enerģijas sistēmai.
Avotu iezīmes
Avotus, kas nodrošina ģeotermālo enerģiju, gandrīz pilnībā nav iespējams izmantot. Tie pastāv vairāk nekā 60 pasaules valstīs, un lielākā daļa sauszemes vulkānu atrodas Klusā okeāna vulkāniskajā uguns gredzenā. Bet praksē izrādās, ka ģeotermālie avoti dažādos pasaules reģionos ir pilnīgi atšķirīgi pēc to īpašībām, proti, vidējās temperatūras, mineralizācijas, gāzes sastāva, skābuma utt.
Geizeri ir enerģijas avoti uz Zemes, kuru īpatnība ir tā, ka tie regulāri izšļāc verdošu ūdeni. Pēc izvirduma iestāšanās baseins atbrīvojas no ūdens, tā apakšā var redzēt kanālu, kas iet dziļi zemē. Geizeri tiek izmantoti kā enerģijas avoti tādos reģionos kā Kamčatka, Islande, Jaunzēlande un Ziemeļamerika, un vientuļie geizeri ir atrodami vairākos citos apgabalos.
Rūpniecība, mājokļi un komunālie pakalpojumi
2014. gada novembrī Kenijā sāka darboties tajā laikā lielākā ģeotermālā elektrostacija pasaulē. Otrais lielākais atrodas Islandē - tas ir Hellisheidi, kas siltumu ņem no avotiem netālu no Hengiedl vulkāna.
Citas valstis, kas izmanto ģeotermālo enerģiju rūpnieciskā mērogā: ASV, Filipīnas, Krievija, Japāna, Kostarika, Turcija, Jaunzēlande utt.
GeoTPP ir četras galvenās enerģijas ražošanas shēmas:
- taisni, kad tvaiks caur caurulēm tiek virzīts uz turbīnām, kas savienotas ar enerģijas ģeneratoriem;
- netiešs, līdzīgs iepriekšējam visā, izņemot to, ka pirms ieiešanas caurulēs tvaiks tiek attīrīts no gāzēm;
- binārs - par darba siltumu izmanto nevis ūdeni vai tvaiku, bet citu šķidrumu ar zemu viršanas temperatūru;
- jaukts - līdzīgs taisnai līnijai, bet pēc kondensācijas neizšķīdušās gāzes tiek noņemtas no ūdens.
2009. gadā pētnieku grupa, kas meklēja izmantojamus ģeotermālos resursus, sasniedza izkusušo magmu tikai 2,1 km (1,2 jūdzes) zem virsmas. Šāda nokrišana magmā notiek ļoti reti, tas ir tikai otrais zināmais gadījums (iepriekšējais notika Havaju salās 2007. gadā).
Kaut arī ar magmu savienotā caurule nekad nav bijusi savienota ar tuvējo Kraflas ģeotermālo elektrostaciju, zinātnieki ir saņēmuši ļoti daudzsološus rezultātus. Līdz šim visas darbības stacijas siltumu paņēma netieši, no zemes akmeņiem vai no pazemes ūdeņiem.
No kurienes nāk enerģija?
Neatdzesēta magma atrodas ļoti tuvu zemes virsmai. No tā izdalās gāzes un tvaiki, kas paceļas un iet gar plaisām. Sajaucoties ar gruntsūdeņiem, tie izraisa to sasilšanu, tie paši pārvēršas karstā ūdenī, kurā tiek izšķīdinātas daudzas vielas. Šāds ūdens tiek izlaists zemes virsmā dažādu ģeotermisko avotu veidā: karstie avoti, minerālūdens avoti, geizeri utt. Pēc zinātnieku domām, zemes karstās zarnas ir alas vai kameras, kuras savieno ejas, plaisas un kanāli. Tie ir vienkārši piepildīti ar gruntsūdeņiem, un magmas centri atrodas ļoti tuvu tiem. Tā dabiski veidojas zemes siltuma enerģija.
Hidrotermālā enerģija
Lielā dziļumā cirkulējošais ūdens tiek uzkarsēts līdz nozīmīgām vērtībām. Seismiski aktīvos reģionos tas paceļas uz virsmu gar zemes garozas plaisām, mierīgos reģionos to var noņemt, izmantojot akas.
Darbības princips ir vienāds: sakarsēts ūdens paceļas augšā akā, izdala siltumu un atgriežas pa otro cauruli. Cikls ir praktiski bezgalīgs un tiek atjaunots, kamēr zemes iekšienē saglabājas siltums.
Dažos seismiski aktīvos reģionos karstie ūdeņi atrodas tik tuvu virsmai, ka jūs no pirmavotiem varat redzēt, kā darbojas ģeotermālā enerģija. Kraflas vulkāna (Islande) apkārtnes fotoattēlā redzami geizeri, kas pārraida tvaiku tur darbojošajai ģeotermālajai spēkstacijai.
Zemes elektriskais lauks
Dabā ir vēl viens alternatīvs enerģijas avots, kas atšķiras ar atjaunojamību, draudzīgumu videi un ērtu lietošanu. Tiesa, līdz šim šis avots tiek tikai pētīts un netiek izmantots praksē. Tātad Zemes potenciālā enerģija ir paslēpta tās elektriskajā laukā. Šādā veidā enerģiju var iegūt, izpētot elektrostatikas pamatlikumus un Zemes elektriskā lauka īpašības. Faktiski mūsu planēta no elektriskā viedokļa ir sfērisks kondensators, kas uzlādēts līdz 300 000 voltiem. Tās iekšējai sfērai ir negatīvs lādiņš, un ārējā - jonosfēra - ir pozitīva. Zemes atmosfēra ir izolators. Caur to pastāvīgi plūst jonu un konvekcijas strāvas, kas sasniedz daudzu tūkstošu ampēru spēku. Tomēr potenciālā atšķirība starp plāksnēm šajā gadījumā nemazinās.
Tas liek domāt, ka dabā ir ģenerators, kura uzdevums ir pastāvīgi papildināt lādiņu noplūdi no kondensatora plāksnēm. Šāda ģeneratora lomu spēlē Zemes magnētiskais lauks, kas rotē kopā ar mūsu planētu Saules vēja plūsmā. Zemes magnētiskā lauka enerģiju var iegūt, tikai savienojot enerģijas patērētāju ar šo ģeneratoru. Lai to izdarītu, jums jāveic uzticama zemējuma uzstādīšana.
Zemes siltums
(Beigās. Sākumā sk. Science and Life, 2013. gada 9. nr.)
Kolekcionārs termiskā bora ūdens savākšanai Larderello (Itālija), 19. gadsimta pirmajā pusē.
Motors un invertors, ko 1904. gadā izmantoja Larderello pirmajā eksperimentā, lai ražotu ģeotermālo elektrību.
Siltumelektrostacijas darbības shēma.
GeoPP darbības princips uz sausa tvaika. Ģeotermālais tvaiks no ražošanas akas tiek izvadīts tieši caur tvaika turbīnu. Vienkāršākā no esošajām GeoPP darbības shēmām.
GeoPP darbības princips ar netiešu shēmu. Karsts pazemes ūdens no ražošanas akas tiek iesūknēts iztvaicētājā, un iegūtais tvaiks tiek piegādāts turbīnai.
Binārā GeoPP darbības princips. Karstais termālais ūdens mijiedarbojas ar citu šķidrumu, kas darbojas kā darba šķidrums un kuram ir zemāka viršanas temperatūra.
Petrotermālās sistēmas shēma. Sistēmas pamatā ir temperatūras gradienta izmantošana starp zemes virsmu un tās dzīli, kur temperatūra ir augstāka.
Ledusskapja un siltumsūkņa shematiska shēma: 1 - kondensators; 2 - droseļvārsts (spiediena regulators); 3 - iztvaicētājs; 4 - kompresors.
Mutnovskaja GeoPP Kamčatkā. 2011. gada beigās stacijas uzstādītā jauda bija 50 MW, bet to plānots palielināt līdz 80 MW. Foto: Tatjana Korobkova (Lomonosova Maskavas Valsts universitātes Ģeogrāfiskās fakultātes RES laboratorija.)
‹
›
Ģeotermālās enerģijas izmantošanai ir ļoti ilga vēsture. Viens no pirmajiem zināmajiem piemēriem ir Itālija, vieta Toskānas provincē, ko tagad sauc par Larderello, kur jau 19. gadsimta sākumā tika izmantoti vietējie karstie termālie ūdeņi, kas dabiski izlieti vai iegūti no seklām akām. enerģijas vajadzībām.
Bora skābes iegūšanai šeit tika izmantots pazemes ūdens, kas bagāts ar boru. Sākotnēji šī skābe tika iegūta, iztvaicējot dzelzs katlos, un parasto malku no blakus esošajiem mežiem uzskatīja par degvielu, bet 1827. gadā Frančesko Larderels izveidoja sistēmu, kas darbojās uz pašu ūdeņu siltumu. Tajā pašā laikā dabisko ūdens tvaiku enerģiju sāka izmantot urbšanas platformu darbībai, bet 20. gadsimta sākumā - vietējo māju un siltumnīcu apkurei. Tajā pašā vietā, Larderello, 1904. gadā termālie ūdens tvaiki kļuva par enerģijas avotu elektroenerģijas ražošanai.
Dažas citas valstis sekoja Itālijas piemēram 19. gadsimta beigās un 20. gadsimta sākumā. Piemēram, 1892. gadā termālie ūdeņi vietējai apkurei pirmo reizi tika izmantoti Amerikas Savienotajās Valstīs (Boisa, Aidaho), 1919. gadā Japānā un 1928. gadā Islandē.
Amerikas Savienotajās Valstīs pirmā hidrotermālā elektrostacija parādījās Kalifornijā 1930. gadu sākumā, Jaunzēlandē 1958. gadā, Meksikā 1959. gadā, Krievijā (pasaulē pirmā binārā ģeotermālā elektrostacija) 1965. gadā ...
Vecais princips uz jaunu avotu
Elektroenerģijas ražošanai nepieciešama augstāka hidroelektrostacijas temperatūra nekā apkurei - vairāk nekā 150 ° C. Ģeotermālās spēkstacijas (GeoPP) darbības princips ir līdzīgs parastās termoelektrostacijas (TPP) darbības principam. Faktiski ģeotermālā elektrostacija ir sava veida termoelektrostacija.
Pie TPP parasti ogles, gāze vai mazuts darbojas kā primārais enerģijas avots, un ūdens tvaiki kalpo kā darba šķidrums. Degviela, degot, uzsilda ūdeni līdz tvaika stāvoklim, kas rotē tvaika turbīnu, un tas rada elektrību.
Atšķirība starp GeoPP ir tāda, ka primārais enerģijas avots šeit ir zemes iekšējais siltums un darba šķidrums tvaika veidā tiek piegādāts elektriskā ģeneratora turbīnas lāpstiņām "gatavā" formā tieši no ražošanas labi.
Ir trīs galvenās GeoPP darbības shēmas: tieša, izmantojot sausu (ģeotermālo) tvaiku; netiešs, pamatojoties uz hidrotermālo ūdeni, un jaukts, vai binārs.
Konkrētas shēmas izmantošana ir atkarīga no agregācijas stāvokļa un enerģijas nesēja temperatūras.
Vienkāršākā un tāpēc pirmā no apgūtajām shēmām ir taisna līnija, kurā tvaiks, kas nāk no akas, tiek virzīts tieši caur turbīnu. Arī pasaulē pirmā GeoPP Larderello 1904. gadā darbojās ar sausu tvaiku.
Mūsdienās visizplatītākie ir GeoPP ar netiešu darba shēmu. Viņi izmanto karstu pazemes ūdeni, kas zem augsta spiediena tiek iesūknēts iztvaicētājā, kur daļa no tā tiek iztvaikota, un iegūtais tvaiks rotē turbīnu. Dažos gadījumos ir nepieciešamas papildu ierīces un ķēdes, lai attīrītu ģeotermālo ūdeni un tvaiku no agresīviem savienojumiem.
Iztērētais tvaiks nonāk iesmidzināšanas urbumā vai tiek izmantots telpu apsildīšanai - šajā gadījumā princips ir tāds pats kā koģenerācijas darbībā.
Binārajos GeoPP karstais termālais ūdens mijiedarbojas ar citu šķidrumu, kas darbojas kā darba šķidrums ar zemāku viršanas temperatūru. Abi šķidrumi tiek izvadīti caur siltummaini, kur termiskais ūdens iztvaiko darba šķidrumu, kura tvaiki rotē turbīnu.
Šī sistēma ir slēgta, kas atrisina emisiju atmosfērā problēmu. Turklāt darba šķidrumi ar samērā zemu viršanas temperatūru ļauj izmantot ne pārāk karstu termālo ūdeni kā primāro enerģijas avotu.
Visās trijās shēmās tiek izmantots hidrotermālais avots, bet elektrotehnikas ražošanai var izmantot arī petrotermālo enerģiju (par atšķirībām starp hidrotermālo un petrotermālo enerģiju skat. Science and Life, Nr. 9, 2013).
Arī shematiskā shēma šajā gadījumā ir diezgan vienkārša. Ir nepieciešams urbt divas savstarpēji savienotas akas - iesmidzināšanu un ražošanu. Ūdens tiek iesūknēts iesmidzināšanas urbumā. Dziļumā tas sasilst, pēc tam uzsildīts ūdens vai tvaiks, kas izveidojies spēcīgas karsēšanas rezultātā, caur ražošanas urbumu tiek novadīts uz virsmu. Turklāt viss ir atkarīgs no tā, kā tiek izmantota petrotermālā enerģija - apkurei vai elektroenerģijas ražošanai. Slēgts cikls ir iespējams ar tvaika un ūdens novadīšanu atpakaļ iesmidzināšanas urbumā vai citā veidā.
Šādas sistēmas trūkums ir acīmredzams: lai iegūtu pietiekami augstu darba šķidruma temperatūru, ir nepieciešams urbt akas lielā dziļumā.Šīs ir nopietnas izmaksas un ievērojamu siltuma zudumu risks, šķidrumam virzoties uz augšu. Tāpēc petrotermālās sistēmas joprojām ir mazāk izplatītas nekā hidrotermālās, lai gan petrotermālās enerģijas potenciāls ir par daudz lielākām kārtām.
Šobrīd tā dēvēto petrotermālās cirkulācijas sistēmu (PCS) izveidē līderis ir Austrālija. Turklāt šis ģeotermālās enerģijas virziens aktīvi attīstās ASV, Šveicē, Lielbritānijā un Japānā.
Lorda Kelvina dāvana
Fiziķa Viljama Tompsona (jeb Lorda Kelvina) 1852. gada izgudrojums par siltumsūkni cilvēcei sniedza reālu iespēju izmantot augsnes augšējo slāņu zemā potenciālo siltumu. Siltumsūkņu sistēma vai, kā to nosauca Tompsons, siltuma reizinātājs ir balstīta uz fizisko procesu, kā siltumu pārnest no vides uz dzesētājvielu. Patiesībā tas izmanto to pašu principu kā petrotermālajās sistēmās. Atšķirība ir siltuma avotā, saistībā ar kuru var rasties terminoloģisks jautājums: cik lielā mērā siltumsūkni var uzskatīt par ģeotermālo sistēmu? Fakts ir tāds, ka augšējos slāņos līdz desmitiem - simtiem metru dziļumā akmeņus un tajos esošos šķidrumus silda nevis dziļais zemes siltums, bet saule. Tādējādi tieši saule šajā gadījumā ir primārais siltuma avots, kaut arī tā, tāpat kā ģeotermālajās sistēmās, tiek ņemta no zemes.
Siltumsūkņa darba pamatā ir augsnes sasilšanas un dzesēšanas kavēšanās salīdzinājumā ar atmosfēru, kā rezultātā starp virsmas un dziļākiem slāņiem veidojas temperatūras gradients, kas pat ziemā saglabā siltumu, līdzīgi kā kas notiek ūdenstilpēs. Siltumsūkņu galvenais mērķis ir telpu apkure. Faktiski tas ir “reversais ledusskapis”. Gan siltumsūknis, gan ledusskapis mijiedarbojas ar trim komponentiem: iekšējo vidi (pirmajā gadījumā - apsildāmo telpu, otrajā - ledusskapja atdzesēto kameru), ārējo vidi - enerģijas avotu un dzesēšanas šķidrumu (dzesēšanas šķidrumu). , tas ir arī siltuma nesējs, kas nodrošina siltuma pārnesi vai aukstumu.
Viela ar zemu viršanas temperatūru darbojas kā dzesētājs, kas ļauj tai ņemt siltumu no avota, kam ir pat salīdzinoši zema temperatūra.
Ledusskapī šķidrais aukstumaģents caur droseļvārstu (spiediena regulatoru) nonāk iztvaicētājā, kur strauja spiediena samazināšanās dēļ šķidrums iztvaiko. Iztvaikošana ir endotermisks process, kas prasa ārēju siltuma absorbciju. Tā rezultātā siltums tiek ņemts no iztvaicētāja iekšējām sienām, kas nodrošina dzesēšanas efektu ledusskapja kamerā. Turpmāk no iztvaicētāja dzesējošo vielu iesūc kompresorā, kur tas atgriežas šķidrā agregācijas stāvoklī. Tas ir apgriezts process, kas noved pie noņemtā siltuma izdalīšanās ārējā vidē. Parasti tas tiek izmests telpā, un ledusskapja aizmugure ir samērā silta.
Siltumsūknis darbojas apmēram tāpat, ar atšķirību, ka siltums tiek ņemts no ārējās vides un caur iztvaicētāju nonāk iekšējā vidē - telpas apkures sistēmā.
Īstā siltumsūknī ūdens tiek uzkarsēts, izejot caur ārēju ķēdi, ieklājot zemē vai rezervuārā, un pēc tam nonāk iztvaicētājā.
Iztvaicētājā siltums tiek pārnests uz iekšējo ķēdi, kas piepildīta ar aukstumaģentu ar zemu viršanas temperatūru, kas, izejot caur iztvaicētāju, no šķidruma pāriet gāzveida stāvoklī, atņemot siltumu.
Tālāk gāzveida dzesētājs nonāk kompresorā, kur tas tiek saspiests līdz augstam spiedienam un temperatūrai, un nonāk kondensatorā, kur notiek siltuma apmaiņa starp karsto gāzi un dzesēšanas šķidrumu no apkures sistēmas.
Kompresoram darbībai nepieciešama elektrība, tomēr transformācijas koeficients (patērētās un saražotās enerģijas attiecība) mūsdienu sistēmās ir pietiekami augsts, lai nodrošinātu to efektivitāti.
Pašlaik siltumsūkņi tiek plaši izmantoti telpu apkurei, galvenokārt ekonomiski attīstītajās valstīs.
Eko-pareiza enerģija
Ģeotermālā enerģija tiek uzskatīta par videi draudzīgu, kas parasti ir taisnība. Pirmkārt, tas izmanto atjaunojamu un praktiski neizsmeļamu resursu. Ģeotermiskajai enerģijai nav nepieciešamas lielas platības, atšķirībā no lielām hidroelektrostacijām vai vēja elektrostacijām, un tā nepiesārņo atmosfēru, atšķirībā no ogļūdeņražu enerģijas. Vidēji GeoPP aizņem 400 m2 1 GW saražotās elektroenerģijas izteiksmē. Tas pats skaitlis, piemēram, ar oglēm darbināmai spēkstacijai ir 3600 m2. GeoPP ekoloģiskās priekšrocības ietver arī zemu ūdens patēriņu - 20 litrus saldūdens uz 1 kW, savukārt TPP un AES nepieciešami aptuveni 1000 litri. Ņemiet vērā, ka šie ir "vidējā" GeoPP vides rādītāji.
Bet joprojām ir negatīvas blakusparādības. Starp tiem visbiežāk izšķir troksni, atmosfēras termisko piesārņojumu un ķīmisko piesārņojumu - ūdeni un augsni, kā arī cieto atkritumu veidošanos.
Galvenais vides ķīmiskā piesārņojuma avots ir pats termālais ūdens (ar augstu temperatūru un mineralizāciju), kas bieži satur lielu daudzumu toksisku savienojumu, un tāpēc pastāv notekūdeņu un bīstamo vielu iznīcināšanas problēma.
Ģeotermiskās enerģijas negatīvās sekas var izsekot vairākos posmos, sākot ar urbumu urbšanu. Šeit rodas tādas pašas briesmas kā urbjot jebkuru aku: augsnes un veģetācijas seguma iznīcināšana, augsnes un gruntsūdeņu piesārņošana.
GeoPP darbības posmā joprojām pastāv vides piesārņojuma problēmas. Termiskie šķidrumi - ūdens un tvaiki - parasti satur oglekļa dioksīdu (CO2), sēra sulfīdu (H2S), amonjaku (NH3), metānu (CH4), galda sāli (NaCl), boru (B), arsēnu (As), dzīvsudrabu (Hg) ). Kad tie nonāk vidē, tie kļūst par tā piesārņojuma avotiem. Turklāt agresīva ķīmiskā vide var izraisīt korozijas bojājumus GeoTPP struktūrās.
Tajā pašā laikā piesārņotāju emisijas GeoPP vidēji ir zemākas nekā TPP. Piemēram, oglekļa dioksīda emisija katrai saražotās elektroenerģijas kilovatstundai ir līdz 380 g pie GeoPP, 1042 g - ar akmeņogļu kurināmiem TPP, 906 g - ar mazutu un 453 g - ar gāzi darbināmām TPP.
Rodas jautājums: ko darīt ar notekūdeņiem? Ar zemu sāļumu to pēc atdzesēšanas var novadīt virszemes ūdeņos. Vēl viens veids ir injicēt to atpakaļ ūdens nesējslānī caur iesmidzināšanas urbumu, kas ir vēlams un pārsvarā izmantots mūsdienās.
Termiskā ūdens iegūšana no ūdens nesējslāņiem (kā arī parastā ūdens izsūknēšana) var izraisīt augsnes iegrimšanu un pārvietošanos, citas ģeoloģisko slāņu deformācijas un mikrostrīces. Šādu parādību iespējamība parasti ir maza, lai gan atsevišķi gadījumi ir reģistrēti (piemēram, GeoPP Staufen im Breisgau Vācijā).
Jāuzsver, ka lielākā daļa GeoPP atrodas salīdzinoši mazapdzīvotās vietās un trešās pasaules valstīs, kur vides prasības ir mazāk stingras nekā attīstītajās valstīs. Turklāt šobrīd GeoPP skaits un to ietilpība ir salīdzinoši neliela. Ar plašāku ģeotermālās enerģijas attīstību vides riski var palielināties un vairoties.
Cik daudz ir Zemes enerģija?
Investīciju izmaksas ģeotermālo sistēmu būvniecībai svārstās ļoti plašā diapazonā - no 200 līdz 5000 ASV dolāriem par 1 kW uzstādītās jaudas, tas ir, lētākās iespējas ir salīdzināmas ar termoelektrostacijas celtniecības izmaksām. Tie, pirmkārt, ir atkarīgi no termālo ūdeņu rašanās apstākļiem, to sastāva un sistēmas konstrukcijas. Urbjot lielā dziļumā, izveidojot slēgtu sistēmu ar divām akām, nepieciešamība pēc ūdens attīrīšanas var palielināt izmaksu kolektoru.
Piemēram, tiek lēsts, ka ieguldījumi petrotermālās cirkulācijas sistēmas (PCS) izveidē ir 1,6–4 tūkstoši dolāru par 1 kW uzstādītās jaudas, kas pārsniedz atomelektrostacijas celtniecības izmaksas un ir salīdzināms ar vēja un elektrības būvniecības saules elektrostacijas.
GeoTPP acīmredzamā ekonomiskā priekšrocība ir bezmaksas enerģijas nesējs. Salīdzinājumam - darbojošās TPP vai AES izmaksu struktūrā degviela ir 50–80% vai pat vairāk, atkarībā no pašreizējām enerģijas cenām. Tādējādi vēl viena ģeotermālās sistēmas priekšrocība: ekspluatācijas izmaksas ir stabilākas un paredzamākas, jo tās nav atkarīgas no enerģijas cenu ārējās konjunktūras. Parasti ģeotermālās elektrostacijas ekspluatācijas izmaksas tiek lēstas 2–10 centu (60 kapeikas - 3 rubļi) par 1 kWh saražotās jaudas.
Otra lielākā (pēc enerģijas) (un ļoti nozīmīgā) izdevumu pozīcija parasti ir rūpnīcas personāla algas, kas dažādās valstīs un reģionos var radikāli atšķirties.
Vidēji 1 kWh ģeotermālās enerģijas izmaksas ir salīdzināmas ar TPP (Krievijas apstākļos - aptuveni 1 rublis / 1 kWh) un desmit reizes augstākas nekā elektroenerģijas ražošanas izmaksas hidroelektrostacijās (5–10 kapeikas / 1). kWh).
Daļa no augstajām izmaksām ir saistīta ar faktu, ka atšķirībā no termālajām un hidrauliskajām spēkstacijām GeoTPP ir salīdzinoši maza jauda. Turklāt ir nepieciešams salīdzināt sistēmas, kas atrodas tajā pašā reģionā un līdzīgos apstākļos. Piemēram, Kamčatkā, pēc ekspertu domām, 1 kWh ģeotermālās elektroenerģijas maksā 2-3 reizes lētāk nekā vietējās termoelektrostacijās saražotā elektroenerģija.
Ģeotermālās sistēmas ekonomiskās efektivitātes rādītāji ir atkarīgi, piemēram, no tā, vai ir nepieciešams novadīt notekūdeņus un kādā veidā tas tiek darīts, vai ir iespējama resursu kombinēta izmantošana. Tādējādi ķīmiskie elementi un savienojumi, kas iegūti no termālā ūdens, var dot papildu ienākumus. Atgādināsim Larderello piemēru: tur primārā bija ķīmiskā ražošana, un sākotnēji ģeotermālās enerģijas izmantošana bija palīgdarbība.
Ģeotermālā enerģija uz priekšu
Ģeotermālā enerģija attīstās nedaudz savādāk nekā vējš un saule. Pašlaik tas ir daudz lielākā mērā atkarīgs no paša resursa rakstura, kas krasi atšķiras atkarībā no reģiona, un vislielākā koncentrācija ir saistīta ar šaurām ģeotermālo anomāliju zonām, kas parasti saistītas ar tektonisko defektu attīstības zonām. un vulkānisms (sk. "Zinātne un dzīve" Nr. 9, 2013).
Turklāt ģeotermālā enerģija ir mazāk tehnoloģiski ietilpīga salīdzinājumā ar vēju un vēl jo vairāk ar saules enerģiju: ģeotermālo staciju sistēmas ir diezgan vienkāršas.
Pasaules elektroenerģijas ražošanas kopējā struktūrā ģeotermālais komponents veido mazāk nekā 1%, bet dažos reģionos un valstīs tā daļa sasniedz 25-30%. Sakarā ar saikni ar ģeoloģiskajiem apstākļiem ievērojama daļa no ģeotermālās enerģijas jaudām ir koncentrēta trešās pasaules valstīs, kur izšķir trīs nozares vislielākās attīstības kopas - Dienvidaustrumu Āzijas, Centrālamerikas un Austrumāfrikas salas. Pirmie divi reģioni ir iekļauti Klusā okeāna reģiona "Zemes uguns joslā", trešais ir saistīts ar Austrumāfrikas plaisu. Visticamāk, šajās jostās turpinās attīstīties ģeotermālā enerģija. Tālāka perspektīva ir petrotermālās enerģijas attīstība, izmantojot zemes slāņu siltumu, kas atrodas vairāku kilometru dziļumā. Tas ir gandrīz visuresošs resurss, taču tā ieguvei nepieciešamas lielas izmaksas, tāpēc petrotermālā enerģija galvenokārt attīstās ekonomiski un tehnoloģiski spēcīgākajās valstīs.
Ņemot vērā ģeotermālo resursu visuresošo izplatību un pieņemamo vides drošības līmeni, kopumā ir pamats uzskatīt, ka ģeotermālajai enerģijai ir labas attīstības perspektīvas. Īpaši ar pieaugošajiem tradicionālo enerģijas avotu trūkuma draudiem un to cenu pieaugumu.
No Kamčatkas līdz Kaukāzam
Krievijā ģeotermālās enerģijas attīstībai ir diezgan ilga vēsture, un vairākās pozīcijās mēs esam starp pasaules līderiem, lai gan ģeotermālās enerģijas īpatsvars milzīgas valsts kopējā enerģijas bilancē joprojām ir nenozīmīgs.
Divi reģioni - Kamčatka un Ziemeļkaukāzs - ir kļuvuši par pionieriem un centriem ģeotermālās enerģijas attīstībai Krievijā, un, ja pirmajā gadījumā mēs runājam galvenokārt par elektroenerģijas nozari, tad otrajā - par siltumenerģijas izmantošanu termiskā ūdens.
Ziemeļkaukāzā - Krasnodaras apgabalā, Čečenijā, Dagestānā - termālo ūdeņu siltums enerģijas vajadzībām tika izmantots jau pirms Lielā Tēvijas kara. Astoņdesmitajos un deviņdesmitajos gados ģeotermālās enerģijas attīstība reģionā acīmredzamu iemeslu dēļ apstājās un vēl nav parādījusies stagnācijas stāvoklī. Neskatoties uz to, ģeotermālā ūdens apgāde Ziemeļkaukāzā nodrošina siltumu aptuveni 500 tūkstošiem cilvēku, un, piemēram, Krasnodaras apgabala Labinskas pilsētu ar 60 tūkstošiem iedzīvotāju pilnībā silda ģeotermālie ūdeņi.
Kamčatkā ģeotermālās enerģijas vēsture galvenokārt ir saistīta ar ģeotermālo spēkstaciju celtniecību. Pirmais no tiem, kas joprojām darbojas Pauzhetskaya un Paratunskaya stacijas, tika uzbūvēts 1965.-1967. Gadā, savukārt Paratunskaya GeoPP ar jaudu 600 kW kļuva par pirmo staciju pasaulē ar bināro ciklu. Tas bija padomju zinātnieku S.S. Kutateladzes un A. M. Rozenfelda attīstība no Krievijas Zinātņu akadēmijas Sibīrijas filiāles Termofizikas institūta, kuri 1965. gadā saņēma autora sertifikātu par elektrības iegūšanu no ūdens, kura temperatūra ir 70 ° C. Šī tehnoloģija vēlāk kļuva par vairāk nekā 400 bināru GeoPP prototipu pasaulē.
Pauzhetskaya GeoPP jauda, kas nodota ekspluatācijā 1966. gadā, sākotnēji bija 5 MW un pēc tam palielinājās līdz 12 MW. Pašlaik stacijā tiek būvēts binārs bloks, kas palielinās tā jaudu vēl par 2,5 MW.
Ģeotermālās enerģijas attīstību PSRS un Krievijā kavēja tradicionālo enerģijas avotu - naftas, gāzes, ogļu - pieejamība, taču tā nekad neapstājās. Šobrīd lielākās ģeotermālās enerģijas iekārtas ir Verkhne-Mutnovskaya GeoPP ar kopējo jaudu 12 MW jaudas bloki, kas nodoti ekspluatācijā 1999. gadā, un Mutnovskaya GeoPP ar jaudu 50 MW (2002).
Mutnovskaya un Verkhne-Mutnovskaya GeoPP ir unikāli objekti ne tikai Krievijai, bet arī globālā mērogā. Stacijas atrodas Mutnovska vulkāna pakājē, 800 metru augstumā virs jūras līmeņa, un darbojas ekstremālos klimatiskajos apstākļos, kur ziema ir 9-10 mēnešus gadā. Mutnovska GeoPP aprīkojums, kas šobrīd ir viens no modernākajiem pasaulē, tiek pilnībā izveidots vietējos enerģētikas uzņēmumos.
Pašlaik Mutnovskie rūpnīcu īpatsvars kopējā Centrālās Kamčatkas enerģijas centra enerģijas patēriņa struktūrā ir 40%. Nākamajos gados ir plānots palielināt jaudu.
Atsevišķi jāsaka par Krievijas petrotermālo attīstību. Mums vēl nav lielu DSP, taču ir modernas tehnoloģijas urbšanai lielos dziļumos (apmēram 10 km), kurām arī pasaulē nav analogu. To turpmākā attīstība ļaus krasi samazināt petrotermālo sistēmu radīšanas izmaksas. Šo tehnoloģiju un projektu izstrādātāji ir N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Ģeoloģijas institūts, RAS), A. S. Nekrasovs (Ekonomiskās prognozēšanas institūts, RAS) un Kalugas turbīnu darbu speciālisti. Petrotermiskās cirkulācijas sistēmas projekts Krievijā pašlaik ir eksperimentālā stadijā.
Krievijā ir izredzes uz ģeotermālo enerģiju, lai arī salīdzinoši tālu: šobrīd potenciāls ir diezgan liels, un tradicionālās enerģijas pozīcijas ir spēcīgas. Tajā pašā laikā vairākos attālos valsts reģionos ģeotermālās enerģijas izmantošana ir ekonomiski izdevīga un pieprasīta arī tagad. Tās ir teritorijas ar augstu ģeoenerģētisko potenciālu (Čukotka, Kamčatka, Kuriles - Klusā okeāna Krievijas Zemes uguns joslas daļa, Dienvidsibīrijas un Kaukāza kalni) un vienlaikus nomaļas un norobežotas no centralizētās enerģijas piegādes.
Iespējams, nākamajās desmitgadēs ģeotermālā enerģija mūsu valstī attīstīsies tieši šādos reģionos.
Atjaunojamie avoti
Tā kā mūsu planētas iedzīvotāju skaits vienmērīgi pieaug, mums ir nepieciešams arvien vairāk enerģijas, lai atbalstītu iedzīvotājus. Enerģija, kas atrodas zemes zarnās, var būt ļoti atšķirīga. Piemēram, ir atjaunojamie avoti: vēja, saules un ūdens enerģija. Tie ir videi draudzīgi, un tāpēc jūs tos varat izmantot, nebaidoties nodarīt kaitējumu videi.
Ūdens enerģija
Šī metode ir izmantota daudzus gadsimtus. Mūsdienās ir uzbūvēts milzīgs skaits aizsprostu, rezervuāru, kuros ūdens tiek izmantots elektrības ražošanai. Šī mehānisma būtība ir vienkārša: upes plūsmas ietekmē turbīnu riteņi griežas, attiecīgi ūdens enerģija tiek pārveidota par elektrisko enerģiju.
Mūsdienās ir liels skaits hidroelektrostaciju, kas ūdens plūsmas enerģiju pārvērš elektrībā. Šīs metodes īpatnība ir tāda, ka tiek atjaunoti hidroenerģijas resursi, attiecīgi šādām struktūrām ir zemas izmaksas. Tieši tāpēc, neskatoties uz to, ka hidroelektrostaciju būvniecība ir notikusi diezgan ilgu laiku, un pats process ir ļoti dārgs, tomēr šīs struktūras ievērojami pārspēj energoietilpīgās nozares.
Saules enerģija: moderna un droša nākotnē
Saules enerģija tiek iegūta, izmantojot saules baterijas, taču mūsdienu tehnoloģijas ļauj tam izmantot jaunas metodes. Pasaulē lielākā saules elektrostacija ir sistēma, kas uzbūvēta Kalifornijas tuksnesī. Tas pilnībā pārvalda 2000 mājas. Dizains darbojas šādi: no spoguļiem tiek atstaroti saules stari, kas ar ūdeni tiek nosūtīti uz centrālo katlu. Tas vārās un pārvēršas par tvaiku, kas virza turbīnu. Viņa savukārt ir savienota ar elektrisko ģeneratoru. Vēju var izmantot arī kā enerģiju, ko Zeme mums dod. Vējš pūš buras, griež dzirnavas. Un tagad to var izmantot, lai izveidotu ierīces, kas radīs elektrisko enerģiju. Pagriežot vējdzirnavas asmeņus, tas darbina turbīnas vārpstu, kas, savukārt, ir savienota ar elektrisko ģeneratoru.
Pieteikumi
Ģeotermālās enerģijas izmantošana sākās 19. gadsimtā. Pirmais bija Toskānas provincē dzīvojošo itāļu pieredze, kuri apkurei izmantoja siltu ūdeni no avotiem. Ar viņas palīdzību strādāja jaunas urbumu urbšanas iekārtas.
Toskānas ūdeņos ir daudz bora, un, iztvaikojot, pārvēršoties par borskābi, katli strādāja ar savu ūdeņu siltumu. 20. gadsimta sākumā (1904. gadā) Toskānas iedzīvotāji devās tālāk un palaida tvaika elektrostaciju. Itāļu piemērs kļuva par nozīmīgu pieredzi ASV, Japānai, Islandei.
Lauksaimniecība un dārzkopība
Ģeotermālo enerģiju izmanto lauksaimniecībā, veselības aprūpē un mājsaimniecībās 80 pasaules valstīs.
Pirmais, kam termālais ūdens izmantots un tiek izmantots, ir siltumnīcu un siltumnīcu apkure, kas ļauj dārzeņus, augļus un ziedus novākt pat ziemā. Laistīšanai noderēja arī siltais ūdens.
Kultūru audzēšana hidroponikā tiek uzskatīta par daudzsološu virzienu lauksaimniecības ražotājiem.Dažas zivju audzētavas mazuļu un zivju audzēšanai mākslīgajos rezervuāros izmanto apsildāmu ūdeni.
Mēs iesakām izlasīt: Laboratorijas ķīmisko reaģentu iznīcināšanas kārtība
Šīs tehnoloģijas ir izplatītas Izraēlā, Kenijā, Grieķijā, Meksikā.
Rūpniecība, mājokļi un komunālie pakalpojumi
Pirms vairāk nekā gadsimta karsts termiskais tvaiks jau bija pamats elektroenerģijas ražošanai. Kopš tā laika tas ir kalpojis rūpniecībai un komunālajiem pakalpojumiem.
Islandē 80% mājokļu silda termālais ūdens.
Ir izstrādātas trīs elektroenerģijas ražošanas shēmas:
- Taisna līnija, izmantojot ūdens tvaikus. Vienkāršākais: to lieto vietās, kur ir tieša piekļuve ģeotermālajiem tvaikiem.
- Netiešs, izmanto nevis tvaiku, bet ūdeni. To ievada iztvaicētājā, ar tehnisku metodi pārveido par tvaiku un nosūta uz turbīnas ģeneratoru.
Ūdenim nepieciešama papildu attīrīšana, jo tas satur agresīvus savienojumus, kas var iznīcināt darba mehānismus. Atkritumi, bet vēl neatdzesēti tvaiki ir piemēroti apkures vajadzībām.
- Jaukts (binārs). Ūdens aizstāj degvielu, kas silda citu šķidrumu ar lielāku siltuma pārnesi. Tas virza turbīnu.
Binārajā sistēmā strādā turbīna, kuru aktivizē ar apsildāma ūdens enerģiju.
Hidrotermālo enerģiju izmanto ASV, Krievija, Japāna, Jaunzēlande, Turcija un citas valstis.
Ģeotermiskās apkures sistēmas mājām
Siltumnesējs, kas sasildīts līdz +50 - 600C, ir piemērots mājokļu apsildīšanai, ģeotermālā enerģija atbilst šai prasībai. Pilsētas, kurās dzīvo vairāki desmiti tūkstoši cilvēku, var sildīt zemes iekšējās vides siltums. Kā piemērs: Labinska pilsētas, Krasnodaras apgabala, apkure notiek ar dabīgu zemes degvielu.
Ģeotermālās sistēmas shēma mājas apkurei
Nav nepieciešams tērēt laiku un enerģiju ūdens sildīšanai un katlu telpas celtniecībai. Dzesēšanas šķidrumu ņem tieši no geizera avota. Tas pats ūdens ir piemērots arī karstā ūdens apgādei. Pirmajā un otrajā gadījumā tam veic nepieciešamo sākotnējo tehnisko un ķīmisko tīrīšanu.
Iegūtā enerģija maksā divas līdz trīs reizes lētāk. Parādījās instalācijas privātmājām. Tie ir dārgāki nekā tradicionālie degvielas katli, bet darbības procesā tie attaisno izmaksas.
Ģeotermiskās enerģijas izmantošanas priekšrocības un trūkumi mājas apsildīšanai.
Zemes iekšējā enerģija
Tas parādījās vairāku procesu rezultātā, no kuriem galvenie ir akrecija un radioaktivitāte. Pēc zinātnieku domām, Zemes un tās masas veidošanās notika vairākus miljonus gadu, un tas notika planetesimālu veidošanās dēļ. Viņi turējās kopā, attiecīgi Zemes masa kļuva arvien lielāka. Pēc tam, kad mūsu planētai sāka būt mūsdienīga masa, bet tai joprojām nebija atmosfēras, meteoriskie un asteroīdie ķermeņi netraucēti nokrita uz tās. Šo procesu sauc par akreciju, un tas noveda pie ievērojamas gravitācijas enerģijas izdalīšanās. Un jo lielāki ķermeņi nokrita uz planētas, jo lielāks tika atbrīvots enerģijas daudzums, kas atrodas Zemes zarnās.
Šī gravitācijas diferenciācija noveda pie tā, ka vielas sāka slāņoties: smagās vielas vienkārši noslīka, un vieglas un gaistošas uzpeldēja. Diferencēšana ietekmēja arī gravitācijas enerģijas papildu atbrīvošanu.
Gandrīz visas Zemes matērijas fizikālās pamatīpašības ir atkarīgas no temperatūras. Atkarībā no temperatūras mainās spiediens, kurā viela pāriet no cietas līdz izkusušai. Mainoties temperatūrai, mainās Zemi veidojošo iežu viskozitāte, elektrovadītspēja un magnētiskās īpašības. Lai iedomāties, kas notiek Zemes iekšienē, mums noteikti jāzina tās termiskais stāvoklis. Mums vēl nav iespēju tieši izmērīt temperatūru jebkurā Zemes dziļumā. Mūsu mērījumiem ir pieejami tikai pirmie zemes garozas kilometri.Bet mēs varam netieši noteikt Zemes iekšējo temperatūru, pamatojoties uz datiem par Zemes siltuma plūsmu.
Tiešās pārbaudes neiespējamība, protams, ir ļoti lielas grūtības daudzās zemes zinātnēs. Neskatoties uz to, veiksmīga novērojumu un teoriju attīstība pamazām tuvina mūsu zināšanas patiesībai.
Mūsdienu zinātne par Zemes termisko stāvokli un vēsturi - ģeotermika Vai jauna zinātne. Pirmais ģeotermijas pētījums parādījās tikai pagājušā gadsimta vidū. Viljams Tomsons (lords Kelvins), tad vēl ļoti jauns zinātnieks, fiziķis, veltot savu disertāciju Zemes vecuma noteikšanai, balstoties uz siltuma izplatības un kustības pētījumu planētas iekšienē. Kelvins uzskatīja, ka laika gaitā Zemes iekšējai temperatūrai vajadzētu samazināties planētas veidošanās un sacietēšanas dēļ no izkausētām vielām.
Nosakot termiskais gradients - temperatūras pieauguma ātrums ar dziļumu - raktuvēs un dziļurbumos dažādos dziļumos, Kelvins nonāca pie secinājuma, ka no šiem datiem var pieņemt, cik ilgi Zemei vajadzētu atdzist, un līdz ar to noteikt Zemes vecumu . Pēc Kelvina aplēsēm, temperatūra tuvākajos dziļumos zem virsmas palielinās par 20–40 ° C uz tūkstoš tūkstoš metriem. Izrādījās, ka Zeme atdzisa līdz pašreizējam stāvoklim tikai dažu desmitu miljonu gadu laikā. Bet tas nekādā ziņā nesaskan ar citiem datiem, piemēram, ar datiem par daudzu zināmo ģeoloģisko laikmetu ilgumu. Debates par šo jautājumu turpinājās pusgadsimtu un nostādīja Kelvinu opozīcijā tādiem ievērojamiem evolucionistiem kā Čārlzs Darvins un Tomass Hakslijs.
Kelvins savus secinājumus pamatoja ar domu, ka Zeme sākotnēji bija izkususi un pamazām atdzisa. Šī hipotēze ir dominējusi gadu desmitiem. Tomēr 20. gadsimta mijā tika veikti atklājumi, kas būtiski mainīja izpratni par Zemes dziļās siltuma plūsmas būtību un tās termisko vēsturi. Tika atklāta radioaktivitāte, sākti siltuma izdalīšanās procesu pētījumi dažu izotopu radioaktīvās sabrukšanas laikā, izdarīti secinājumi, ka ieži, kas veido zemes garozu, satur ievērojamu daudzumu radioaktīvo izotopu.
Tiešie Zemes siltuma plūsmas mērījumi sākās salīdzinoši nesen: vispirms kontinentos - 1939. gadā Dienvidāfrikas dziļajās akās, vēlāk okeānu apakšā - kopš 1954. gada Atlantijas okeānā. Mūsu valstī siltuma plūsma Sočos un Matsestā pirmo reizi tika mērīta dziļurbumos. Pēdējos gados eksperimentāli iegūto datu uzkrāšana par siltuma plūsmām notiek diezgan ātri.
Kāpēc tas tiek darīts? Un vai joprojām ir vajadzīgas jaunas un jaunas dimensijas? Jā, ļoti vajadzīgs. Dažādos planētas punktos veikto dziļās siltuma plūsmas mērījumu salīdzinājums parāda, ka enerģijas zudumi caur dažādām planētas virsmas daļām notiek dažādos veidos. Tas runā par garozas un apvalka neviendabīgumu, ļauj spriest par daudzu procesu būtību, kas notiek dažādos dziļumos, kas mūsu acīm nav pieejami zem zemes virsmas, un sniedz atslēgu planētas attīstības mehānisma un tās iekšējās enerģijas izpētei. .
Cik daudz siltuma Zeme zaudē siltuma plūsmas dēļ no zarnām? Izrādās, ka vidēji šī vērtība ir maza - aptuveni 0,06 vati uz kvadrātmetru virsmas vai aptuveni 30 triljoni vatu visā planētā. Zeme saņem enerģiju no Saules apmēram 4 tūkstošus reižu vairāk. Un, protams, tieši saules siltumam ir galvenā loma temperatūras noteikšanā uz zemes virsmas.
Planētas izdotais siltums caur futbola laukuma lielumu ir aptuveni vienāds ar siltumu, ko var radīt trīs simtu vatu spuldzes. Šāda enerģijas plūsma šķiet nenozīmīga, taču tā izplūst no visas Zemes virsmas un pastāvīgi! Visas siltuma plūsmas, kas nāk no planētas zarnām, jauda ir aptuveni 30 reizes lielāka nekā visu mūsdienu pasaules elektrostaciju jauda.
Dziļuma mērīšana Zemes siltuma plūsma process nav viegls un laikietilpīgs. Caur cieto zemes garozu siltums tiek novadīts uz virsmu vadoši, tas ir, caur termisko vibrāciju izplatīšanos. Tāpēc garāmejošā siltuma daudzums ir vienāds ar produktu temperatūras gradients (temperatūras pieauguma ātrums ar dziļumu) par siltuma vadītspēju. Lai noteiktu siltuma plūsmu, obligāti jāzina šie divi lielumi. Temperatūras gradientu mēra ar jutīgām ierīcēm - sensoriem (termistoriem) raktuvēs vai speciāli urbtās akās, vairāku desmitu līdz vairāku simtu metru dziļumā. Iežu siltumvadītspēju nosaka, pārbaudot paraugus laboratorijās.
Mērīšana siltums plūst okeānu dibenā saistīta ar ievērojamām grūtībām: darbs jāveic zem ūdens lielā dziļumā. Tomēr tam ir arī savas priekšrocības: nav nepieciešams urbt akas okeānu dibenā, jo nogulsnes parasti ir diezgan mīkstas un temperatūras mērīšanai izmantotā garā cilindriskā zonde viegli vairākus metrus iegrimst mīkstos nogulumos.
Tiem, kas nodarbojas ar ģeotermiku, tas patiešām ir vajadzīgs siltuma plūsmas karte visai planētas virsmai. Punkti, kuros siltuma plūsmas mērījumi jau ir veikti, ir ārkārtīgi nevienmērīgi sadalīti pa Zemes virsmu. Jūrās un okeānos mērījumi veikti divreiz vairāk nekā uz sauszemes. Ziemeļamerika, Eiropa un Austrālija, okeāni vidējos platuma grādos ir izpētīti diezgan pilnībā. Un citās zemes virsmas daļās mērījumu joprojām ir maz vai to nav vispār. Neskatoties uz to, pašreizējais Zemes siltuma plūsmas datu apjoms jau ļauj izveidot vispārinātas, bet diezgan uzticamas kartes.
Siltuma izdalīšanās no Zemes zarnām uz virsmu ir nevienmērīga. Dažos apgabalos Zeme izdala vairāk siltuma nekā vidēji pasaulē, citās siltuma izlaide ir daudz mazāka. "Aukstās vietas" sastopamas Austrumeiropā (Austrumeiropas platforma), Kanādā (Kanādas vairogs), Ziemeļāfrikā, Austrālijā, Dienvidamerikā, Klusā okeāna, Indijas un Atlantijas okeāna dziļūdens baseinos. "Siltie" un "karstie" punkti - paaugstinātas siltuma plūsmas apgabali - sastopami Kalifornijas, Alpu Eiropas, Islandes, Sarkanās jūras, Klusā okeāna austrumu daļas un Atlantijas un Indijas okeāna zemūdens viduslaiku reģionos.
Atomenerģija
Zemes enerģijas izmantošana var notikt dažādos veidos. Piemēram, ar atomelektrostaciju būvniecību, kad siltuma enerģija izdalās mazāko atomu vielas daļiņu sadalīšanās dēļ. Galvenā degviela ir urāns, kas atrodas zemes garozā. Daudzi uzskata, ka šī konkrētā enerģijas iegūšanas metode ir visdaudzsološākā, taču tās pielietošana ir saistīta ar vairākām problēmām. Pirmkārt, urāns izstaro starojumu, kas iznīcina visus dzīvos organismus. Turklāt, ja šī viela nokļūst augsnē vai atmosfērā, tad notiks reāla cilvēku izraisīta katastrofa. Mēs joprojām piedzīvojam Černobiļas atomelektrostacijas avārijas skumjās sekas. Bīstamība slēpjas faktā, ka radioaktīvie atkritumi var apdraudēt visu dzīvo ļoti, ļoti ilgi, veselus gadu tūkstošus.
Pirmā ģeotermālā elektrostacija
Mēs visi esam pieraduši, ka pirms daudziem gadiem enerģija tika iegūta no dabas resursiem. Tā arī bija, bet jau pirms tam viena no pirmajām elektrostacijām bija ģeotermālā. Kopumā tas ir ļoti loģiski, jo tehnika strādāja pie tvaika vilces, un pareizāks lēmums bija tvaika izmantošana. Un patiesībā vienīgais tajā laikā, neskaitot koksnes un ogļu dedzināšanu.
Vēl 1817. gadā grāfs Fransuā de Larderels izstrādāja dabiskā tvaika savākšanas tehnoloģiju, kas noderēja divdesmitajā gadsimtā, kad pieprasījums pēc ģeotermālajām elektrostacijām kļuva ļoti liels.
Pirmā faktiski strādājošā stacija tika uzcelta Itālijas pilsētā Larderello 1904. gadā. Tiesa, tas drīzāk bija prototips, jo tas varēja darbināt tikai 4 spuldzes, taču tas darbojās. Sešus gadus vēlāk, 1910. gadā, tajā pašā pilsētā tika uzbūvēta patiešām darba stacija, kas varētu ražot pietiekami daudz enerģijas rūpnieciskai izmantošanai.
Pat šādās gleznainās vietās var būt ģeotermālās spēkstacijas.
Eksperimentālie ģeneratori tika uzbūvēti daudzviet, taču tieši Itālija bija vadošā loma līdz 1958. gadam un bija vienīgā rūpnieciskā ģeotermālās enerģijas ražotāja pasaulē.
Pēc Wairakei spēkstacijas nodošanas ekspluatācijā Jaunzēlandē nācās atteikties no līderības. Tā bija pirmā netiešā ģeotermālā elektrostacija. Dažus gadus vēlāk līdzīgas iekārtas tika atvērtas citās valstīs, tostarp Amerikas Savienotajās Valstīs ar avotiem Kalifornijā.
Pirmā netiešā tipa ģeotermālā elektrostacija tika uzbūvēta PSRS 1967. gadā. Šajā laikā šī enerģijas iegūšanas metode sāka aktīvi attīstīties visā pasaulē. Īpaši tādās vietās kā Aļaska, Filipīnas un Indonēzija, kas joprojām ir starp šādā veidā saražotās enerģijas līderiem.
Jauns laiks - jaunas idejas
Protams, cilvēki neapstājas pie tā, un katru gadu arvien vairāk mēģina atrast jaunus enerģijas iegūšanas veidus. Ja zemes siltuma enerģija tiek iegūta pavisam vienkārši, tad dažas metodes nav tik vienkāršas. Piemēram, kā enerģijas avotu ir pilnīgi iespējams izmantot bioloģisko gāzi, ko iegūst no pūstošiem atkritumiem. To var izmantot mājas apkurei un ūdens sildīšanai.
Arvien vairāk tiek būvētas plūdmaiņu elektrostacijas, kad pāri rezervuāru mutēm tiek uzstādīti dambji un turbīnas, kuras virza attiecīgi bēgums un plūsma, iegūst elektrību.
Dedzinot atkritumus, mēs iegūstam enerģiju
Vēl viena metode, kas jau tiek izmantota Japānā, ir atkritumu sadedzināšanas iekārtu izveide. Mūsdienās tie tiek būvēti Anglijā, Itālijā, Dānijā, Vācijā, Francijā, Nīderlandē un ASV, taču tikai Japānā šos uzņēmumus sāka izmantot ne tikai paredzētajam mērķim, bet arī elektroenerģijas ražošanai. Vietējās rūpnīcas sadedzina 2/3 visu atkritumu, savukārt rūpnīcas ir aprīkotas ar tvaika turbīnām. Attiecīgi viņi piegādā siltumu un elektrību apkārtnei. Turklāt izmaksu ziņā ir daudz izdevīgāk veidot šādu uzņēmumu nekā būvēt koģenerācijas staciju.
Izredzes izmantot Zemes siltumu tur, kur ir koncentrēti vulkāni, izskatās vilinošāka. Šajā gadījumā jums nevajadzēs urbt Zemi pārāk dziļi, jo jau 300-500 metru dziļumā temperatūra būs vismaz divas reizes lielāka par ūdens viršanas temperatūru.
Ir arī tāda elektroenerģijas ražošanas metode kā ūdeņraža enerģija. Ūdeņradi - vienkāršāko un vieglāko ķīmisko elementu - var uzskatīt par ideālu degvielu, jo tieši tur ir ūdens. Sadedzinot ūdeņradi, jūs varat iegūt ūdeni, kas sadalās skābeklī un ūdeņradī. Pati ūdeņraža liesma ir nekaitīga, tas ir, videi nekaitēs. Šī elementa īpatnība ir tā, ka tam ir augsta siltumspēja.
Kas notiks nākotnē?
Protams, Zemes magnētiskā lauka enerģija vai tā, kas tiek iegūta atomelektrostacijās, nevar pilnībā apmierināt visas cilvēces vajadzības, kas katru gadu pieaug. Tomēr eksperti saka, ka uztraukumam nav pamata, jo planētas degvielas resursi joprojām ir pietiekami. Turklāt arvien vairāk tiek izmantoti jauni, videi draudzīgi un atjaunojami avoti.
Vides piesārņojuma problēma joprojām pastāv, un tā katastrofāli pieaug. Kaitīgo izmešu daudzums neatbilst mērogam, attiecīgi gaiss, ko mēs elpojam, ir kaitīgs, ūdenī ir bīstami piemaisījumi, un augsne pamazām tiek iztukšota. Tāpēc ir tik svarīgi savlaicīgi iesaistīties tādas parādības kā enerģija Zemes zarnās izpētē, lai meklētu veidus, kā samazināt pieprasījumu pēc fosilā kurināmā un aktīvāk izmantot netradicionālos enerģijas avotus.
Ierobežoti fosilās enerģijas izejvielu resursi
Pieprasījums pēc organiskās enerģijas izejvielām ir liels rūpnieciski attīstītajās un jaunattīstības valstīs (ASV, Japāna, apvienotās Eiropas valstis, Ķīna, Indija utt.). Tajā pašā laikā viņu pašu ogļūdeņraža resursi šajās valstīs ir vai nu nepietiekami, vai rezervēti, un valsts, piemēram, Amerikas Savienotās Valstis, pērk enerģijas izejvielas ārzemēs vai attīsta noguldījumus citās valstīs.
Krievijā, kas ir viena no bagātākajām valstīm energoresursu ziņā, ekonomiskās vajadzības pēc enerģijas joprojām apmierina dabas resursu izmantošanas iespējas. Tomēr fosilo ogļūdeņražu ieguve no pamatnes notiek ļoti strauji. Ja 1940.-1960. Galvenie naftas ieguves reģioni bija "Otrā Baku" Volgas un Urālu reģionos, pēc tam, sākot ar pagājušā gadsimta 70. gadiem, un līdz mūsdienām šāda teritorija ir Rietumsibīrija. Bet arī šeit ir ievērojams fosilo ogļūdeņražu ražošanas samazinājums. "Sausās" kenomaniešu gāzes laikmets iet garām. Iepriekšējais plašās dabasgāzes ražošanas attīstības posms ir beidzies. Tās ieguve no tādiem milzu noguldījumiem kā Medvezhye, Urengoyskoye un Yamburgskoye bija attiecīgi 84, 65 un 50%. Laika gaitā samazinās arī attīstībai labvēlīgo naftas rezervju daļa.
Aktīvā ogļūdeņraža degvielas patēriņa dēļ krastā naftas un dabasgāzes rezerves ir ievērojami samazinājušās. Tagad viņu galvenās rezerves ir koncentrētas kontinentālajā šelfā. Lai gan naftas un gāzes nozares resursu bāze joprojām ir pietiekama naftas un gāzes ražošanai Krievijā vajadzīgajos apjomos, tuvākajā nākotnē to nodrošinās arvien lielākā mērā, attīstot laukus ar sarežģītu ieguves rūpniecību un ģeoloģiskie apstākļi. Ogļūdeņraža izejvielu ražošanas izmaksas turpinās pieaugt.
Lielāko daļu no zemes dzīlēs iegūtajiem neatjaunojamiem resursiem izmanto kā kurināmo spēkstacijām. Pirmkārt, tā ir dabasgāze, kuras īpatsvars degvielas struktūrā ir 64%.
Krievijā 70% elektroenerģijas tiek saražoti termoelektrostacijās. Valsts enerģētikas uzņēmumi gadā sadedzina aptuveni 500 miljonus tonnu degvielas ekvivalenta. t. lai ražotu elektrību un siltumu, savukārt siltuma ražošanai ogļūdeņraža degviela tiek patērēta 3-4 reizes vairāk nekā elektroenerģijas ražošanai.
Siltuma daudzums, kas iegūts, sadedzinot šos ogļūdeņražu izejvielu apjomus, ir līdzvērtīgs simtiem tonnu kodoldegvielas izmantošanai - atšķirība ir milzīga. Tomēr kodolenerģijai nepieciešama vides drošība (lai izslēgtu Černobiļas atkārtošanos) un tās aizsardzība pret iespējamiem teroristu uzbrukumiem, kā arī drošas un dārgas novecojušo un novecojušo AES spēkstaciju ekspluatācijas pārtraukšana. Pārbaudītās urāna atgūstamās rezerves pasaulē ir aptuveni 3 miljoni 400 tūkstoši tonnu. Visā iepriekšējā periodā (līdz 2007. gadam) tika iegūti apmēram 2 miljoni tonnu.
