Energia geotermalna
Już z nazwy jasno wynika, że reprezentuje ciepło wnętrza ziemi. Pod skorupą ziemską znajduje się warstwa magmy, która jest ognistym ciekłym stopionym krzemianem. Według danych badawczych potencjał energetyczny tego ciepła jest znacznie wyższy niż energia światowych zasobów gazu ziemnego, a także ropy naftowej. Magma - lawa wypływa na powierzchnię. Ponadto największą aktywność obserwuje się w tych warstwach ziemi, na których znajdują się granice płyt tektonicznych, a także w których skorupa ziemska charakteryzuje się cienkością. Energię geotermalną ziemi uzyskuje się w następujący sposób: dochodzi do kontaktu lawy i zasobów wodnych planety, w wyniku czego woda zaczyna się gwałtownie nagrzewać. Prowadzi to do erupcji gejzeru, powstania tzw. Gorących jezior i prądów podwodnych. To znaczy właśnie do tych naturalnych zjawisk, których właściwości są aktywnie wykorzystywane jako niewyczerpane źródło energii.
Energia petrotermalna
W tej chwili ciepło wnętrza Ziemi jest szeroko wykorzystywane na świecie, a jest to głównie energia płytkich studni - do 1 km. Aby zapewnić dostawę energii elektrycznej, ciepła lub ciepłej wody, instalowane są odwiertowe wymienniki ciepła pracujące na cieczach o niskiej temperaturze wrzenia (na przykład freon).
Obecnie zastosowanie odwiertowego wymiennika ciepła jest najbardziej racjonalnym sposobem wytwarzania ciepła. Wygląda to tak: płyn chłodzący krąży w zamkniętej pętli. Ogrzewany unosi się po koncentrycznie obniżonej rurze, oddając ciepło, po czym po schłodzeniu podawany jest do obudowy za pomocą pompy.
Wykorzystanie energii wnętrza Ziemi opiera się na zjawisku naturalnym - w miarę zbliżania się do jądra Ziemi wzrasta temperatura skorupy ziemskiej i płaszcza. Na poziomie 2-3 km od powierzchni planety osiąga ponad 100 ° С, zwiększając się średnio o 20 ° С z każdym kolejnym kilometrem. Na głębokości 100 km temperatura sięga 1300-1500 ºС.
Sztuczne źródła geotermalne
Energię zawartą w trzewiach ziemi należy mądrze wykorzystywać. Na przykład jest pomysł na stworzenie podziemnych kotłów. Aby to zrobić, musisz wywiercić dwie studnie o wystarczającej głębokości, które zostaną połączone na dole. Oznacza to, że okazuje się, że prawie w każdym zakątku lądu można pozyskać energię geotermalną na skalę przemysłową: przez jedną studnię wpompowywana będzie zimna woda, a przez drugą będzie wydobywać się gorąca woda lub para. Sztuczne źródła ciepła będą korzystne i racjonalne, jeśli powstające ciepło dostarczy więcej energii. Para może być kierowana do generatorów turbinowych, które będą wytwarzać energię elektryczną.
Oczywiście wybrane ciepło to tylko ułamek tego, co jest dostępne w całkowitych rezerwach. Należy jednak pamiętać, że głębokie ciepło będzie stale uzupełniane z powodu procesów rozpadu radioaktywnego, kompresji skał, rozwarstwienia jelit. Zdaniem ekspertów skorupa ziemska gromadzi ciepło, którego całkowita ilość jest 5000 razy większa niż wartość opałowa wszystkich kopalnych zasobów Ziemi jako całości. Okazuje się, że czas pracy takich sztucznie stworzonych stacji geotermalnych może być nieograniczony.
Metody pozyskiwania surowców energetycznych Ziemi
Obecnie istnieją trzy główne metody pozyskiwania energii geotermalnej: sucha para, gorąca woda i cykl binarny. Proces suchej pary bezpośrednio obraca napędy turbin generatorów prądu. Gorąca woda wpływa od dołu do góry, a następnie jest wtryskiwana do zbiornika, aby wytworzyć parę napędzającą turbiny.Te dwie metody są najpowszechniejsze i generują setki megawatów energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych, Islandii, Europie, Rosji i innych krajach. Ale lokalizacja jest ograniczona, ponieważ te fabryki działają tylko w regionach tektonicznych, gdzie łatwiej jest uzyskać dostęp do podgrzanej wody.
Dzięki technologii cyklu binarnego ciepła (niekoniecznie gorąca) woda jest usuwana na powierzchnię i łączona z butanem lub pentanem o niskiej temperaturze wrzenia. Ciecz ta jest pompowana przez wymiennik ciepła, gdzie jest odparowywana i przesyłana przez turbinę przed zawróceniem do układu. Technologia cyklu binarnego dostarcza dziesiątki megawatów energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych: Kalifornii, Nevadzie i na Hawajach.
Zasada pozyskiwania energii
Wady pozyskiwania energii geotermalnej
Na poziomie użyteczności elektrownie geotermalne są drogie w budowie i eksploatacji. Znalezienie odpowiedniej lokalizacji wymaga kosztownych badań studni bez gwarancji trafienia w produktywny podziemny gorący punkt. Jednak analitycy spodziewają się, że zdolność ta prawie się podwoi w ciągu następnych sześciu lat.
Ponadto obszary o wysokiej temperaturze źródła podziemnego znajdują się na obszarach z czynnymi wulkanami geologicznymi. Te „gorące punkty” utworzyły się na granicach płyt tektonicznych w miejscach, gdzie skorupa jest dość cienka. Region Pacyfiku jest często nazywany pierścieniem ognia wielu wulkanów z wieloma gorącymi punktami, w tym Alaską, Kalifornią i Oregonem. Nevada ma setki hotspotów obejmujących większość północnych Stanów Zjednoczonych.
Istnieją również inne regiony aktywne sejsmicznie. Trzęsienia ziemi i ruch magmy umożliwiają cyrkulację wody. W niektórych miejscach woda wypływa na powierzchnię i występują naturalne gorące źródła i gejzery, np. Na Kamczatce. Woda w gejzerach Kamczatki sięga 95 ° C.
Jednym z problemów związanych z otwartymi systemami gejzerowymi jest uwalnianie niektórych zanieczyszczeń powietrza. Siarkowodór to toksyczny gaz o bardzo rozpoznawalnym zapachu „zgniłego jajka” - niewielka ilość arsenu i minerałów uwalnianych z parą wodną. Sól może również stanowić problem dla środowiska.
W morskich elektrowniach geotermalnych w rurach gromadzi się znaczna ilość przeszkadzającej soli. W systemach zamkniętych nie ma emisji, a cała ciecz wypływająca na powierzchnię jest zawracana.
Potencjał ekonomiczny zasobu energetycznego
Hotspoty to nie jedyne miejsca, w których można znaleźć energię geotermalną. Istnieje stały dopływ użytecznego ciepła do bezpośredniego ogrzewania w dowolnym miejscu od 4 metrów do kilku kilometrów pod powierzchnią praktycznie w każdym miejscu na ziemi. Nawet ziemia na własnym podwórku lub w lokalnej szkole ma potencjał ekonomiczny w postaci ciepła, które można wypompować do domu lub innych budynków.
Ponadto w suchych formacjach skalnych bardzo głęboko pod powierzchnią (4-10 km) występuje ogromna ilość energii cieplnej.
Zastosowanie nowej technologii może rozszerzyć systemy geotermalne, w których ludzie mogą wykorzystywać to ciepło do wytwarzania energii elektrycznej na znacznie większą skalę niż w przypadku technologii konwencjonalnych. Pierwsze projekty demonstracyjne tej zasady wytwarzania energii elektrycznej pokazano w Stanach Zjednoczonych i Australii już w 2013 roku.
Jeśli uda się wykorzystać pełny potencjał ekonomiczny zasobów geotermalnych, będzie to ogromne źródło energii elektrycznej dla zakładów produkcyjnych. Naukowcy sugerują, że konwencjonalne źródła geotermalne mają potencjał 38 000 MW, co może generować 380 milionów MW energii elektrycznej rocznie.
Gorące, suche skały występują na głębokościach od 5 do 8 km wszędzie pod ziemią i na mniejszych głębokościach w niektórych miejscach.Dostęp do tych zasobów wiąże się z wprowadzeniem zimnej wody krążącej przez gorące skały i usunięciem podgrzanej wody. Obecnie nie ma komercyjnego zastosowania tej technologii. Istniejące technologie nie pozwalają jeszcze na bardzo głębokie odzyskiwanie energii cieplnej bezpośrednio z magmy, ale jest to najpotężniejsze źródło energii geotermalnej.
Dzięki połączeniu zasobów energii i ich spójności, energia geotermalna może odegrać niezastąpioną rolę jako czystszy i bardziej zrównoważony system energetyczny.
Cechy źródeł
Źródła dostarczające energię geotermalną są prawie niemożliwe do wykorzystania w całości. Występują w ponad 60 krajach świata, z większością lądowych wulkanów w Pacyfiku Wulkanicznego Pierścienia Ognia. Ale w praktyce okazuje się, że źródła geotermalne w różnych regionach świata mają zupełnie inne właściwości, a mianowicie średnią temperaturę, mineralizację, skład gazu, kwasowość i tak dalej.
Gejzery to źródła energii na Ziemi, których cechą charakterystyczną jest to, że regularnie wypluwają wrzącą wodę. Po erupcji basen staje się wolny od wody, na jego dnie widać kanał, który zagłębia się w ziemię. Gejzery są wykorzystywane jako źródła energii w regionach takich jak Kamczatka, Islandia, Nowa Zelandia i Ameryka Północna, a samotne gejzery znajdują się na kilku innych obszarach.
Przemysł i mieszkalnictwo oraz usługi komunalne
W listopadzie 2014 r. W Kenii zaczęła działać największa wówczas elektrownia geotermalna na świecie. Druga co do wielkości znajduje się na Islandii - to Hellisheid, która pobiera ciepło ze źródeł w pobliżu wulkanu Hengiedl.
Inne kraje wykorzystujące energię geotermalną na skalę przemysłową: USA, Filipiny, Rosja, Japonia, Kostaryka, Turcja, Nowa Zelandia itd.
W GeoTPP istnieją cztery główne schematy produkcji energii:
- proste, gdy para jest kierowana rurami do turbin połączonych z generatorami prądu;
- pośredni, podobny do poprzedniego we wszystkim, z wyjątkiem tego, że przed wejściem do rur para jest oczyszczana z gazów;
- binarny - jako ciepło robocze nie jest używana woda ani para, ale inna ciecz o niskiej temperaturze wrzenia;
- mieszane - podobnie jak w linii prostej, ale po kondensacji nierozpuszczone gazy są usuwane z wody.
W 2009 roku zespół naukowców poszukujących nadających się do eksploatacji zasobów geotermalnych dotarł do stopionej magmy na głębokość zaledwie 2,1 km (5 mil). Takie wpadanie w magmę jest bardzo rzadkie, jest to dopiero drugi znany przypadek (poprzedni miał miejsce na Hawajach w 2007 roku).
Chociaż rura połączona z magmą nigdy nie została podłączona do pobliskiej elektrowni geotermalnej Krafla, naukowcy uzyskali bardzo obiecujące wyniki. Do tej pory wszystkie działające stacje pobierały ciepło pośrednio, ze skał ziemnych lub z wód podziemnych.
Skąd pochodzi energia?
Niechłodzona magma znajduje się bardzo blisko powierzchni ziemi. Uwalniają się z niej gazy i opary, które unoszą się i przechodzą wzdłuż szczelin. Mieszając się z wodą gruntową, powodują ich ogrzewanie, same zamieniają się w gorącą wodę, w której rozpuszcza się wiele substancji. Taka woda jest wypuszczana na powierzchnię ziemi w postaci różnych źródeł geotermalnych: gorących, mineralnych, gejzerów i tak dalej. Według naukowców gorące trzewia ziemi to jaskinie lub komory połączone przejściami, szczelinami i kanałami. Są po prostu wypełnione wodą gruntową, a centra magmy znajdują się bardzo blisko nich. W ten sposób energia cieplna ziemi jest formowana w sposób naturalny.
Energia hydrotermalna
Woda krążąca na dużych głębokościach jest podgrzewana do znacznych wartości. W regionach aktywnych sejsmicznie wypływa na powierzchnię wzdłuż pęknięć w skorupie ziemskiej, w spokojnych rejonach można go usunąć za pomocą studni.
Zasada działania jest taka sama: podgrzana woda unosi się do studni, oddaje ciepło i powraca drugą rurą. Cykl jest praktycznie nieskończony i odnawia się tak długo, jak długo pozostaje ciepło we wnętrzu ziemi.
W niektórych regionach aktywnych sejsmicznie gorące wody leżą tak blisko powierzchni, że można na własne oczy zobaczyć, jak działa energia geotermalna. Zdjęcie okolic wulkanu Krafla (Islandia) przedstawia gejzery, które przesyłają parę do działającej tam elektrowni geotermalnej.
Pole elektryczne Ziemi
W przyrodzie istnieje inne alternatywne źródło energii, które wyróżnia się odnawialnością, przyjaznością dla środowiska i łatwością użytkowania. To prawda, że do tej pory to źródło jest tylko badane i nie jest stosowane w praktyce. Zatem energia potencjalna Ziemi jest ukryta w jej polu elektrycznym. W ten sposób można uzyskać energię, badając podstawowe prawa elektrostatyki i charakterystykę pola elektrycznego Ziemi. W rzeczywistości nasza planeta z elektrycznego punktu widzenia jest sferycznym kondensatorem naładowanym do 300 000 woltów. Jego wewnętrzna kula ma ładunek ujemny, a zewnętrzna, jonosfera, jest dodatnia. Atmosfera ziemska jest izolatorem. Przez nią odbywa się stały przepływ prądów jonowych i konwekcyjnych, które osiągają siłę wielu tysięcy amperów. Jednak różnica potencjałów między płytami nie zmniejsza się w tym przypadku.
Sugeruje to, że w naturze istnieje generator, którego rolą jest ciągłe uzupełnianie wycieku ładunków z płytek kondensatora. Rolę takiego generatora pełni ziemskie pole magnetyczne, wirujące wraz z naszą planetą w przepływie wiatru słonecznego. Energię pola magnetycznego Ziemi można uzyskać po prostu podłączając odbiorcę energii do tego generatora. Aby to zrobić, musisz wykonać niezawodną instalację uziemiającą.
Ciepło Ziemi
(Na koniec. Na początek zobacz Science and Life, nr 9, 2013)
Kolektor do zbierania termalnej wody borowej w Larderello (Włochy), pierwsza połowa XIX wieku.
Silnik i falownik użyty w Larderello w 1904 r. W pierwszym eksperymencie do produkcji energii elektrycznej geotermalnej.
Schemat ideowy działania elektrociepłowni.
Zasada działania GeoPP na suchej parze. Para geotermalna ze studni produkcyjnej przepuszczana jest bezpośrednio przez turbinę parową. Najprostszy z istniejących schematów działania GeoPP.
Zasada działania GeoPP z obwodem pośrednim. Gorąca woda podziemna ze studni jest wpompowywana do parownika, a powstała w ten sposób para jest dostarczana do turbiny.
Zasada działania binarnego GeoPP. Gorąca woda termalna oddziałuje z inną cieczą, która działa jak ciecz robocza i ma niższą temperaturę wrzenia.
Schemat systemu petrotermalnego. System opiera się na wykorzystaniu gradientu temperatury pomiędzy powierzchnią ziemi a jej podłożem, gdzie temperatura jest wyższa.
Schemat ideowy lodówki i pompy ciepła: 1 - skraplacz; 2 - przepustnica (regulator ciśnienia); 3 - parownik; 4 - sprężarka.
Mutnovskaya GeoPP na Kamczatce. Na koniec 2011 r. Moc zainstalowana stacji wynosiła 50 MW, ale planowane jest jej zwiększenie do 80 MW. Zdjęcie Tatiana Korobkova (Laboratorium Badawcze OZE Wydziału Geograficznego Uniwersytetu Moskiewskiego im. Łomonosowa).
‹
›
Wykorzystanie energii geotermalnej ma bardzo długą historię. Jednym z pierwszych znanych przykładów są Włochy, miejscowość w prowincji Toskanii, obecnie zwanej Larderello, gdzie już na początku XIX wieku wykorzystywano miejscowe gorące wody termalne, wylane w sposób naturalny lub wydobywane z płytkich studni. cele energetyczne.
Do otrzymywania kwasu borowego wykorzystywano tu bogate w bór wody podziemne. Początkowo kwas ten uzyskiwano przez odparowywanie w kotłach żelaznych, a jako paliwo pobierano zwykłe drewno opałowe z pobliskich lasów, ale w 1827 roku Francesco Larderel stworzył system, który działał na ciepło samych wód. W tym samym czasie energia naturalnej pary wodnej zaczęła być wykorzystywana do eksploatacji platform wiertniczych, a na początku XX wieku - do ogrzewania okolicznych domów i szklarni. W tym samym miejscu, w Larderello, w 1904 r. Termiczna para wodna stała się źródłem energii do wytwarzania energii elektrycznej.
Niektóre inne kraje poszły za przykładem Włoch na przełomie XIX i XX wieku. Na przykład w 1892 roku wody termalne po raz pierwszy wykorzystano do lokalnego ogrzewania w Stanach Zjednoczonych (Boise, Idaho), w 1919 roku w Japonii i w 1928 roku na Islandii.
W Stanach Zjednoczonych pierwsza elektrownia hydrotermalna pojawiła się w Kalifornii na początku lat trzydziestych XX wieku, w Nowej Zelandii w 1958 roku, w Meksyku w 1959 roku, w Rosji (pierwsza na świecie dwuskładnikowa elektrownia geotermalna) w 1965 roku ...
Stara zasada na nowym źródle
Wytwarzanie energii elektrycznej wymaga wyższej temperatury źródła wody niż do ogrzewania - ponad 150 ° C. Zasada działania elektrowni geotermalnej (GeoPP) jest podobna do zasady działania konwencjonalnej elektrociepłowni (TPP). W rzeczywistości elektrownia geotermalna jest rodzajem elektrowni cieplnej.
W TPP z reguły węgiel, gaz lub olej opałowy działają jako podstawowe źródło energii, a para wodna służy jako płyn roboczy. Paliwo spalając podgrzewa wodę do stanu pary, która obraca turbinę parową i wytwarza prąd.
Różnica między GeoPPs polega na tym, że podstawowym źródłem energii jest tutaj ciepło z wnętrza ziemi, a płyn roboczy w postaci pary jest dostarczany do łopatek turbiny generatora elektrycznego w „gotowej” postaci bezpośrednio z produkcji dobrze.
Istnieją trzy główne schematy działania GeoPP: bezpośrednie, z wykorzystaniem suchej pary (geotermalnej); pośredni, oparty na wodzie hydrotermalnej i mieszany lub binarny.
Zastosowanie konkretnego schematu zależy od stanu agregacji i temperatury nośnika energii.
Najprostszym i tym samym pierwszym z opanowanych schematów jest linia prosta, w której para pochodząca ze studni przepuszczana jest bezpośrednio przez turbinę. Pierwszy na świecie GeoPP w Larderello również działał na suchej parze w 1904 roku.
GeoPP z pośrednim schematem pracy są najbardziej rozpowszechnione w naszych czasach. Wykorzystują one gorącą wodę podziemną, która pod wysokim ciśnieniem pompowana jest do parownika, gdzie jej część jest odparowywana, a powstała para obraca turbinę. W niektórych przypadkach wymagane są dodatkowe urządzenia i obwody do oczyszczania wody geotermalnej i pary z agresywnych związków.
Zużyta para dostaje się do studni wtryskowej lub służy do ogrzewania pomieszczeń - w tym przypadku zasada jest taka sama, jak podczas pracy CHP.
W binarnych GeoPP gorąca woda termalna oddziałuje z inną cieczą, która działa jak płyn roboczy o niższej temperaturze wrzenia. Oba płyny przechodzą przez wymiennik ciepła, w którym woda termalna odparowuje płyn roboczy, którego para obraca turbinę.
System ten jest zamknięty, co rozwiązuje problem emisji do atmosfery. Ponadto płyny robocze o stosunkowo niskiej temperaturze wrzenia pozwalają na wykorzystanie niezbyt gorących wód termalnych jako podstawowego źródła energii.
We wszystkich trzech schematach wykorzystuje się źródło hydrotermalne, ale energia petrotermalna może być również wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej (różnice między energią hydrotermalną i petrotermalną, patrz Science and Life, nr 9, 2013).
Schemat w tym przypadku jest również dość prosty. Konieczne jest wywiercenie dwóch połączonych ze sobą odwiertów - iniekcyjnych i produkcyjnych. Woda jest pompowana do studni iniekcyjnej. Na głębokości nagrzewa się, a następnie podgrzana woda lub para wodna powstająca w wyniku silnego nagrzewania jest wyprowadzana przez studnię produkcyjną na powierzchnię. Co więcej, wszystko zależy od tego, jak wykorzystywana jest energia petrotermalna - do ogrzewania lub do wytwarzania energii elektrycznej. Zamknięty obieg jest możliwy z wtryskiem pary odpadowej i wody z powrotem do studni wtryskowej lub w inny sposób.
Wada takiego systemu jest oczywista: aby uzyskać dostatecznie wysoką temperaturę płynu roboczego, konieczne jest wiercenie studni na dużą głębokość.Są to poważne koszty i ryzyko znacznych strat ciepła, gdy płyn porusza się w górę. Dlatego systemy petrotermalne są nadal mniej rozpowszechnione niż systemy hydrotermalne, chociaż potencjał energii petrotermalnej jest o rząd wielkości wyższy.
Obecnie Australia jest liderem w tworzeniu tzw. Petrotermalnych systemów cyrkulacji (PCS). Ponadto ten kierunek energetyki geotermalnej aktywnie rozwija się w USA, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii i Japonii.
Dar Lorda Kelvina
Wynalezienie w 1852 roku pompy ciepła przez fizyka Williama Thompsona (aka Lorda Kelvina) dało ludzkości realną możliwość wykorzystania niskiego potencjału ciepła górnych warstw gleby. System pompy ciepła, lub, jak to nazwał Thompson, multiplikator ciepła, opiera się na fizycznym procesie przekazywania ciepła z otoczenia do czynnika chłodniczego. W rzeczywistości wykorzystuje tę samą zasadę, co w systemach petrotermalnych. Różnica polega na źródle ciepła, w związku z którym może pojawić się pytanie terminologiczne: w jakim stopniu pompę ciepła można uznać za system geotermalny? Faktem jest, że w górnych warstwach, na głębokości kilkudziesięciu - setek metrów, skały i zawarte w nich płyny są podgrzewane nie przez głębokie ciepło ziemi, ale przez słońce. Zatem to słońce jest w tym przypadku głównym źródłem ciepła, chociaż jest ono pobierane, podobnie jak w systemach geotermalnych, z ziemi.
Praca pompy ciepła polega na opóźnieniu nagrzewania i schładzania gleby w stosunku do atmosfery, w wyniku czego powstaje gradient temperatury między powierzchnią a głębszymi warstwami, które zatrzymują ciepło nawet zimą, podobnie jak co dzieje się w zbiornikach wodnych. Głównym celem pomp ciepła jest ogrzewanie pomieszczeń. W rzeczywistości jest to „odwrócona lodówka”. Zarówno pompa ciepła, jak i lodówka współdziałają z trzema komponentami: środowiskiem wewnętrznym (w pierwszym przypadku - ogrzewanym pomieszczeniem, w drugim - chłodzoną komorą lodówki), środowiskiem zewnętrznym - źródłem energii i czynnikiem chłodniczym (chłodziwo) jest również nośnikiem ciepła, który zapewnia przenoszenie ciepła lub chłód.
Substancja o niskiej temperaturze wrzenia działa jak czynnik chłodniczy, dzięki czemu może pobierać ciepło ze źródła, które ma nawet stosunkowo niską temperaturę.
W lodówce ciekły czynnik chłodniczy wchodzi do parownika przez przepustnicę (regulator ciśnienia), gdzie z powodu gwałtownego spadku ciśnienia ciecz odparowuje. Odparowanie jest procesem endotermicznym, który wymaga zewnętrznego pochłaniania ciepła. W rezultacie ciepło jest pobierane z wewnętrznych ścian parownika, co zapewnia efekt chłodzenia w komorze chłodziarki. Ponadto z parownika czynnik chłodniczy zasysany jest do sprężarki, gdzie powraca do ciekłego stanu skupienia. Jest to proces odwrotny prowadzący do uwolnienia usuniętego ciepła do środowiska zewnętrznego. Z reguły jest wrzucany do pomieszczenia, a tył lodówki jest stosunkowo ciepły.
Pompa ciepła działa w podobny sposób, z tą różnicą, że ciepło pobierane jest z otoczenia zewnętrznego i przez parownik trafia do środowiska wewnętrznego - systemu ogrzewania pomieszczeń.
W prawdziwej pompie ciepła woda nagrzewa się, przechodząc przez obwód zewnętrzny, ułożona w ziemi lub w zbiorniku, a następnie wpływa do parownika.
W parowniku ciepło jest przekazywane do wewnętrznego obwodu wypełnionego czynnikiem chłodniczym o niskiej temperaturze wrzenia, który przechodząc przez parownik przechodzi ze stanu ciekłego w gazowy, odbierając ciepło.
Ponadto gazowy czynnik chłodniczy dostaje się do sprężarki, gdzie jest sprężany do wysokiego ciśnienia i temperatury, a następnie do skraplacza, gdzie następuje wymiana ciepła między gorącym gazem a chłodziwem z systemu grzewczego.
Sprężarka do pracy wymaga energii elektrycznej, jednak współczynnik transformacji (stosunek energii zużytej do wytworzonej) w nowoczesnych układach jest na tyle wysoki, aby zapewnić ich sprawność.
Obecnie pompy ciepła są szeroko stosowane do ogrzewania pomieszczeń, głównie w krajach rozwiniętych gospodarczo.
Energia ekologiczna
Energia geotermalna jest uważana za przyjazną dla środowiska, co generalnie jest prawdą. Przede wszystkim wykorzystuje odnawialne i praktycznie niewyczerpane zasoby. Energia geotermalna nie wymaga dużych powierzchni, w przeciwieństwie do dużych elektrowni wodnych czy farm wiatrowych, i nie zanieczyszcza atmosfery, w przeciwieństwie do energii węglowodorowej. Średnio GeoPP zajmuje 400 m2 w przeliczeniu na 1 GW wytworzonej energii elektrycznej. Na przykład ta sama wartość dla elektrowni węglowej wynosi 3600 m2. Do ekologicznych zalet GeoPP należy również zaliczyć niskie zużycie wody - 20 litrów świeżej wody na 1 kW, podczas gdy TPP i EJ wymagają około 1000 litrów. Zwróć uwagę, że są to wskaźniki środowiskowe „przeciętnego” GeoPP.
Ale nadal istnieją negatywne skutki uboczne. Wśród nich najczęściej wyróżnia się hałas, zanieczyszczenie termiczne atmosfery i zanieczyszczenie chemiczne - wody i gleby, a także powstawanie odpadów stałych.
Głównym źródłem zanieczyszczenia chemicznego środowiska są rzeczywiste wody termalne (o wysokiej temperaturze i mineralizacji), które często zawierają duże ilości toksycznych związków, w związku z czym istnieje problem odprowadzania ścieków i substancji niebezpiecznych.
Negatywne skutki energii geotermalnej można prześledzić na kilku etapach, zaczynając od wiercenia studni. Tutaj pojawiają się te same niebezpieczeństwa, co podczas wiercenia jakiejkolwiek studni: zniszczenie gleby i pokrywy roślinnej, zanieczyszczenie gleby i wód gruntowych.
Na etapie funkcjonowania GeoPP utrzymują się problemy związane z zanieczyszczeniem środowiska. Płyny termalne - woda i para - zwykle zawierają dwutlenek węgla (CO2), siarczek siarki (H2S), amoniak (NH3), metan (CH4), sól kuchenną (NaCl), bor (B), arsen (As), rtęć (Hg) ). Po uwolnieniu do środowiska zewnętrznego stają się źródłem jego zanieczyszczenia. Ponadto agresywne środowisko chemiczne może powodować korozyjne niszczenie struktur GeoTPP.
Jednocześnie emisje zanieczyszczeń w GeoPP są średnio niższe niż w TPP. Na przykład emisje dwutlenku węgla na każdą kilowatogodzinę wytworzonej energii elektrycznej wynoszą do 380 g w przypadku TPP opalanych węglem, 1042 g - w przypadku TPP opalanych węglem, 906 g - w przypadku TPP opalanych olejem opałowym i 453 g - w przypadku TPP opalanych gazem.
Powstaje pytanie: co zrobić ze ściekami? Przy niskim zasoleniu po schłodzeniu może być odprowadzany do wód powierzchniowych. Innym sposobem jest wpompowanie go z powrotem do warstwy wodonośnej przez studnię iniekcyjną, która jest obecnie preferowana i przeważnie stosowana.
Wydobywanie wód termalnych z warstw wodonośnych (jak również wypompowywanie zwykłej wody) może powodować osiadanie i ruch gruntu, inne deformacje warstw geologicznych, mikrotrzęsienia ziemi. Prawdopodobieństwo wystąpienia takich zjawisk jest z reguły niewielkie, chociaż odnotowano pojedyncze przypadki (np. W GeoPP w Staufen im Breisgau w Niemczech).
Należy podkreślić, że większość GeoPP jest zlokalizowana na stosunkowo słabo zaludnionych obszarach oraz w krajach Trzeciego Świata, gdzie wymagania środowiskowe są mniej rygorystyczne niż w krajach rozwiniętych. Ponadto w tej chwili liczba GeoPP i ich możliwości są stosunkowo niewielkie. Wraz z bardziej intensywnym rozwojem energii geotermalnej, zagrożenia środowiskowe mogą się zwiększać i mnożyć.
Ile kosztuje energia Ziemi?
Koszty inwestycyjne budowy systemów geotermalnych wahają się w bardzo szerokim przedziale - od 200 do 5000 USD za 1 kW zainstalowanej mocy, czyli najtańsze opcje są porównywalne z kosztem budowy elektrociepłowni. Zależą one przede wszystkim od warunków występowania wód termalnych, ich składu oraz konstrukcji systemu. Wiercenie na duże głębokości, tworzenie zamkniętego systemu z dwiema studniami, konieczność oczyszczania wody może zwielokrotnić koszty.
Przykładowo, inwestycje w stworzenie systemu cyrkulacji petrotermalnej (PCS) szacuje się na 1,6-4 tys. Dolarów za 1 kW mocy zainstalowanej, co przekracza koszt budowy elektrowni jądrowej i jest porównywalne z kosztem budowy wiatru i elektrownie słoneczne.
Oczywistą zaletą ekonomiczną GeoTPP jest darmowy nośnik energii. Dla porównania w strukturze kosztów działającej TPP lub EJ paliwo stanowi 50-80% lub nawet więcej, w zależności od aktualnych cen energii. Stąd kolejna zaleta systemu geotermalnego: koszty operacyjne są bardziej stabilne i przewidywalne, ponieważ nie zależą od zewnętrznej koniunktury cen energii. Ogólnie rzecz biorąc, koszty eksploatacji elektrowni geotermalnej szacuje się na 2-10 centów (60 kopiejek - 3 ruble) za 1 kWh wyprodukowanej mocy.
Drugą co do wielkości (po energii) (i bardzo istotną) pozycją wydatków są z reguły wynagrodzenia personelu zakładu, które mogą radykalnie różnić się w zależności od kraju i regionu.
Średnio koszt 1 kWh energii geotermalnej jest porównywalny z kosztem elektrociepłowni (w warunkach rosyjskich - około 1 rubla / 1 kWh) i dziesięciokrotnie wyższy niż koszt wytworzenia energii elektrycznej w elektrowni wodnej (5- 10 kopiejek / 1 kWh).
Jednym z powodów wysokich kosztów jest to, że w przeciwieństwie do elektrociepłowni i elektrowni hydraulicznych, GeoTPP ma stosunkowo małą moc. Ponadto konieczne jest porównanie systemów zlokalizowanych w tym samym regionie iw podobnych warunkach. Na przykład na Kamczatce, zdaniem ekspertów, 1 kWh energii geotermalnej kosztuje 2-3 razy taniej niż energia elektryczna wytwarzana w lokalnych elektrociepłowniach.
Wskaźniki efektywności ekonomicznej systemu geotermalnego zależą na przykład od tego, czy konieczne jest usuwanie ścieków i w jaki sposób jest to wykonywane, czy możliwe jest łączne wykorzystanie zasobów. Zatem pierwiastki i związki chemiczne wydobywane z wód termalnych mogą zapewnić dodatkowy dochód. Przypomnijmy przykład Larderello: to produkcja chemiczna była tam podstawowa, a wykorzystanie energii geotermalnej początkowo miało charakter pomocniczy.
Przekazywanie energii geotermalnej
Energia geotermalna rozwija się nieco inaczej niż wiatr i słońce. Obecnie w dużo większym stopniu zależy to od charakteru samego zasobu, który znacznie różni się w zależności od regionu, a najwyższe stężenia związane są z wąskimi strefami anomalii geotermalnych, związanych z reguły z obszarami rozwoju uskoków tektonicznych. i wulkanizm (patrz „Nauka i życie” nr 9, 2013).
Ponadto energia geotermalna jest mniej pojemna technologicznie w porównaniu z wiatrem, a tym bardziej z energią słoneczną: układy stacji geotermalnych są dość proste.
W ogólnej strukturze światowej produkcji energii elektrycznej składnik geotermalny stanowi mniej niż 1%, ale w niektórych regionach i krajach jego udział sięga 25-30%. Ze względu na powiązanie z warunkami geologicznymi znaczna część mocy geotermalnych koncentruje się w krajach trzeciego świata, gdzie wyróżnia się trzy klastry największego rozwoju branży - wyspy Azji Południowo-Wschodniej, Ameryki Środkowej i Afryki Wschodniej. Pierwsze dwa regiony znajdują się w „pasie ognia Ziemi” na Pacyfiku, a trzeci jest związany z wschodnią Afryką. Najprawdopodobniej w tych pasach będzie się nadal rozwijać energia geotermalna. Odleglejszą perspektywą jest rozwój energii petrotermalnej, wykorzystującej ciepło warstw ziemi leżących na głębokości kilku kilometrów. Jest to surowiec niemal wszechobecny, ale jego wydobycie wiąże się z wysokimi kosztami, dlatego energetyka petrotermalna rozwija się przede wszystkim w krajach najsilniejszych gospodarczo i technologicznie.
Ogólnie biorąc, biorąc pod uwagę wszechobecną dystrybucję zasobów geotermalnych i akceptowalny poziom bezpieczeństwa środowiskowego, istnieją powody, by sądzić, że energia geotermalna ma dobre perspektywy rozwoju. Zwłaszcza w obliczu rosnącego zagrożenia niedoborem tradycyjnych zasobów energii i rosnących cen za nie.
Od Kamczatki po Kaukaz
W Rosji rozwój energetyki geotermalnej ma dość długą historię i na wielu stanowiskach należymy do światowej czołówki, choć udział energii geotermalnej w całkowitym bilansie energetycznym wielkiego kraju jest wciąż znikomy.
Dwa regiony - Kamczatka i Kaukaz Północny - stały się pionierami i ośrodkami rozwoju energetyki geotermalnej w Rosji, a jeśli w pierwszym przypadku mówimy przede wszystkim o elektroenergetyce, to w drugim - o wykorzystaniu energii cieplnej wody termalnej.
Na Kaukazie Północnym - na terytorium Krasnodaru, Czeczenii, Dagestanu - ciepło wód termalnych do celów energetycznych było wykorzystywane jeszcze przed Wielką Wojną Ojczyźnianą. W latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych rozwój energetyki geotermalnej w regionie z oczywistych powodów utknął w martwym punkcie i nie wyszedł jeszcze ze stanu zastoju. Niemniej jednak zaopatrzenie w wodę geotermalną na Północnym Kaukazie zapewnia ciepło około 500 tysiącom ludzi, a na przykład miasto Labinsk na Terytorium Krasnodarskim z populacją 60 tysięcy osób jest całkowicie ogrzewane wodami geotermalnymi.
Na Kamczatce historia energetyki geotermalnej wiąże się przede wszystkim z budową elektrowni geotermalnych. Pierwsza z nich, nadal działająca stacja Pauzhetskaya i Paratunskaya, powstała jeszcze w latach 1965-1967, natomiast Paratunskaya GeoPP o mocy 600 kW stała się pierwszą na świecie stacją z cyklem binarnym. Był to rozwój radzieckich naukowców S.S. Kutateladze i A.M. Rosenfelda z Instytutu Termofizyki Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk, którzy w 1965 roku otrzymali autorski certyfikat na pobieranie energii elektrycznej z wody o temperaturze 70 ° C. Technologia ta stała się później prototypem dla ponad 400 binarnych GeoPP na świecie.
Moc Pauzhetskaya GeoPP, oddana do użytku w 1966 r., Wynosiła początkowo 5 MW, a następnie została zwiększona do 12 MW. Obecnie na stacji powstaje blok binarny, który zwiększy jej moc o kolejne 2,5 MW.
Rozwój energetyki geotermalnej w ZSRR i Rosji był utrudniony przez dostępność tradycyjnych źródeł energii - ropy, gazu, węgla, ale nigdy nie został zatrzymany. Największe obecnie obiekty geotermalne to Verkhne-Mutnovskaya GeoPP o łącznej mocy 12 MW, oddane do użytku w 1999 roku oraz Mutnovskaya GeoPP o mocy 50 MW (2002).
GeoPP Mutnovskaya i Verkhne-Mutnovskaya to unikatowe obiekty nie tylko w Rosji, ale także w skali globalnej. Stacje znajdują się u podnóża wulkanu Mutnovsky, na wysokości 800 m n.p.m. i działają w ekstremalnych warunkach klimatycznych, gdzie panuje zima 9-10 miesięcy w roku. Sprzęt Mutnovsky GeoPPs, obecnie jednego z najnowocześniejszych na świecie, w całości powstaje w krajowych przedsiębiorstwach energetycznych.
Obecnie udział zakładów Mutnovskich w ogólnej strukturze energochłonności węzła energetycznego Centralna Kamczatka wynosi 40%. W najbliższych latach planowany jest wzrost wydajności.
Osobno należy powiedzieć o rosyjskich osiągnięciach petrotermalnych. Nie mamy jeszcze dużych DSP, ale istnieją zaawansowane technologie wiercenia na duże głębokości (około 10 km), które również nie mają odpowiedników na świecie. Ich dalszy rozwój pozwoli drastycznie obniżyć koszty tworzenia systemów petrotermalnych. Twórcami tych technologii i projektów są: N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Instytut Geologiczny, RAS), A. S. Niekrasow (Instytut Prognoz Gospodarczych, RAS) oraz specjaliści z Kaluga Turbin Works. Projekt petrotermalnego systemu cyrkulacji w Rosji jest obecnie na etapie eksperymentalnym.
W Rosji istnieją perspektywy dla energetyki geotermalnej, choć stosunkowo odległe: w tej chwili potencjał jest dość duży, a pozycja energetyki tradycyjnej silna. Jednocześnie w wielu odległych regionach kraju wykorzystanie energii geotermalnej jest opłacalne ekonomicznie i jest pożądane nawet teraz. Są to terytoria o wysokim potencjale geoenergetycznym (Czukotka, Kamczatka, Kuryle - rosyjska część Pacyfiku „ziemskiego pasa ognia”, góry Syberii Południowej i Kaukazu), a jednocześnie odległe i odcięte od scentralizowanego zaopatrzenia w energię.
Prawdopodobnie w najbliższych dziesięcioleciach energetyka geotermalna w naszym kraju będzie się rozwijać właśnie w takich regionach.
Odnawialne źródła
Ponieważ populacja naszej planety stale rośnie, potrzebujemy coraz więcej energii, aby ją utrzymać. Energia zawarta w jelitach ziemi może być bardzo różna. Na przykład istnieją źródła odnawialne: energia wiatrowa, słoneczna i wodna. Są przyjazne dla środowiska, dlatego można z nich korzystać bez obawy o uszkodzenie środowiska.
Energia wody
Ta metoda była używana od wielu stuleci. Dziś zbudowano ogromną liczbę tam, zbiorników, w których woda jest wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej. Istota tego mechanizmu jest prosta: pod wpływem przepływu rzeki odpowiednio obracają się koła turbin, energia wody zamieniana jest na energię elektryczną.
Obecnie istnieje wiele elektrowni wodnych, które przekształcają energię przepływu wody w energię elektryczną. Osobliwością tej metody jest to, że zasoby energii wodnej są odpowiednio odnawiane, takie konstrukcje mają niski koszt. Dlatego pomimo tego, że budowa elektrowni wodnych trwa już dość długo, a sam proces jest bardzo kosztowny, to jednak konstrukcje te znacznie przewyższają energochłonne branże.
Energia słońca: nowoczesna i przyszłościowa
Energię słoneczną pozyskuje się za pomocą paneli słonecznych, ale nowoczesne technologie pozwalają na zastosowanie do tego nowych metod. Największa na świecie elektrownia słoneczna to system zbudowany na pustyni w Kalifornii. W pełni zasila 2000 domów. Projekt działa w następujący sposób: promienie słoneczne odbijają się od luster, które są wysyłane do centralnego kotła z wodą. Wrze się i zamienia w parę, która napędza turbinę. Ona z kolei jest podłączona do generatora elektrycznego. Wiatr może być również używany jako energia, którą daje nam Ziemia. Wiatr wieje w żagle, kręci młynami. A teraz można go wykorzystać do tworzenia urządzeń, które będą generować energię elektryczną. Obracając łopatkami wiatraka, napędza wał turbiny, który z kolei jest połączony z generatorem elektrycznym.
Aplikacje
Eksploatacja energii geotermalnej sięga XIX wieku. Pierwszym było doświadczenie Włochów mieszkających w prowincji Toskanii, którzy używali ciepłej wody do ogrzewania. Z jej pomocą działały nowe wiertnice.
Woda w Toskanii jest bogata w bor, a po odparowaniu, zamieniana w kwas borowy, kotły działały na ciepło własnych wód. Na początku XX wieku (1904) Toskańczycy poszli dalej i uruchomili elektrownię parową. Przykład Włochów stał się ważnym doświadczeniem dla USA, Japonii, Islandii.
Rolnictwo i ogrodnictwo
Energia geotermalna jest wykorzystywana w rolnictwie, służbie zdrowia i gospodarstwach domowych w 80 krajach na całym świecie.
Pierwszą rzeczą, do której woda termalna była i jest wykorzystywana, jest ogrzewanie szklarni i szklarni, co umożliwia zbiór warzyw, owoców i kwiatów nawet zimą. Ciepła woda przydała się również do podlewania.
Uprawa roślin w hydroponice jest uważana za obiecujący kierunek dla producentów rolnych.Niektóre gospodarstwa rybne wykorzystują podgrzewaną wodę w sztucznych zbiornikach do hodowli narybku i ryb.
Radzimy przeczytać: Procedura usuwania laboratoryjnych odczynników chemicznych
Technologie te są powszechne w Izraelu, Kenii, Grecji i Meksyku.
Przemysł i mieszkalnictwo oraz usługi komunalne
Już ponad sto lat temu gorąca para termiczna była podstawą do wytwarzania energii elektrycznej. Od tego czasu służył przemysłowi i przedsiębiorstwom użyteczności publicznej.
Na Islandii 80% mieszkań ogrzewanych jest wodą termalną.
Opracowano trzy schematy produkcji energii elektrycznej:
- Prosta linia za pomocą pary wodnej. Najprostszy: jest stosowany tam, gdzie jest bezpośredni dostęp do oparów geotermalnych.
- Pośrednio, nie używa pary, ale wodę. Jest podawany do parownika, zamieniany metodą techniczną na parę i przesyłany do turbogeneratora.
Woda wymaga dodatkowego oczyszczenia, ponieważ zawiera agresywne związki, które mogą zniszczyć mechanizmy pracy. Odpadowa, ale jeszcze nie schłodzona para nadaje się do ogrzewania.
- Mieszane (binarne). Woda zastępuje paliwo, które ogrzewa inny płyn o wyższym przepływie ciepła. Napędza turbinę.
System binarny wykorzystuje turbinę, która jest aktywowana energią podgrzanej wody.
Energia hydrotermalna jest wykorzystywana w USA, Rosji, Japonii, Nowej Zelandii, Turcji i innych krajach.
Systemy ogrzewania geotermalnego do domu
Nośnik ciepła podgrzany do +50 - 600C nadaje się do ogrzewania mieszkania, energia geotermalna spełnia to wymaganie. Miasta o populacji kilkudziesięciu tysięcy ludzi mogą być ogrzewane ciepłem wnętrza ziemi. Na przykład: ogrzewanie miasta Labinsk na terytorium Krasnodar odbywa się na naturalnym paliwie naziemnym.
Schemat instalacji geotermalnej do ogrzewania domu
Nie ma potrzeby tracenia czasu i energii na ogrzewanie wody i budowę kotłowni. Chłodziwo jest pobierane bezpośrednio ze źródła gejzeru. Ta sama woda nadaje się również do dostarczania ciepłej wody. W pierwszym i drugim przypadku poddawany jest niezbędnemu wstępnemu czyszczeniu technicznemu i chemicznemu.
Uzyskana energia kosztuje dwa do trzech razy taniej. Pojawiły się instalacje do domów prywatnych. Są droższe niż tradycyjne kotły na paliwo, ale w trakcie eksploatacji uzasadniają koszty.
Zalety i wady wykorzystania energii geotermalnej do ogrzewania domu.
Wewnętrzna energia Ziemi
Pojawił się w wyniku kilku procesów, z których główne to akrecja i radioaktywność. Według naukowców formowanie się Ziemi i jej masy następowało przez kilka milionów lat, a stało się to z powodu formowania się planetozymali. Sklejali się odpowiednio, masa Ziemi stawała się coraz większa. Po tym, jak nasza planeta zaczęła mieć nowoczesną masę, ale nadal była pozbawiona atmosfery, ciała meteorytów i asteroid spadały na nią bez przeszkód. Ten proces jest dokładnie nazywany akrecją i doprowadził do uwolnienia znacznej energii grawitacyjnej. Im większe ciała spadły na planetę, tym większa ilość uwolnionej energii zawartej w trzewiach Ziemi.
To grawitacyjne zróżnicowanie doprowadziło do tego, że substancje zaczęły się rozwarstwiać: ciężkie substancje po prostu topiły się, a lekkie i lotne unosiły się. Zróżnicowanie wpłynęło również na dodatkowe uwolnienie energii grawitacyjnej.
Prawie wszystkie podstawowe właściwości fizyczne materii Ziemi zależą od temperatury. W zależności od temperatury zmienia się ciśnienie, przy którym substancja przechodzi ze stanu stałego do stanu stopionego. Wraz ze zmianą temperatury zmienia się lepkość, przewodnictwo elektryczne i właściwości magnetyczne skał tworzących Ziemię. Aby wyobrazić sobie, co dzieje się wewnątrz Ziemi, musimy zdecydowanie poznać jej stan termiczny. Nie mamy jeszcze możliwości bezpośredniego pomiaru temperatury na żadnej głębokości Ziemi. Do naszych pomiarów dostępnych jest tylko kilka pierwszych kilometrów skorupy ziemskiej.Ale możemy pośrednio określić temperaturę wewnętrzną Ziemi, opierając się na danych dotyczących przepływu ciepła na Ziemi.
Niemożność bezpośredniej weryfikacji jest oczywiście bardzo dużą trudnością w wielu naukach o Ziemi. Niemniej jednak pomyślny rozwój obserwacji i teorii stopniowo przybliża naszą wiedzę do prawdy.
Współczesna nauka o stanie termicznym i historii Ziemi - geotermika To młoda nauka. Pierwsze badania dotyczące geotermii pojawiły się dopiero w połowie ubiegłego wieku. William Thomson (Lord Kelvin), wówczas jeszcze bardzo młody naukowiec, fizyk, poświęcił swoją rozprawę określaniu wieku Ziemi na podstawie badań rozkładu i ruchu ciepła wewnątrz planety. Kelvin uważał, że wewnętrzna temperatura Ziemi powinna z czasem spadać z powodu tworzenia się i krzepnięcia planety ze stopionej materii.
Definiując gradient termiczny - tempo wzrostu temperatury wraz z głębokością - w kopalniach i otworach wiertniczych na różnych głębokościach Kelvin doszedł do wniosku, że na podstawie tych danych można założyć, jak długo Ziemia powinna się ochłodzić, a zatem określić wiek Ziemi . Według szacunków Kelvina temperatura na najbliższych głębokościach pod powierzchnią wzrasta o 20-40 ° C na każdy tysiąc metrów głębokości. Okazało się, że Ziemia ostygła do obecnego stanu w ciągu zaledwie kilkudziesięciu milionów lat. Ale to w żaden sposób nie zgadza się z innymi danymi, na przykład z danymi dotyczącymi czasu trwania wielu znanych epok geologicznych. Debata na ten temat trwała pół wieku i postawiła Kelvina w opozycji do tak wybitnych ewolucjonistów, jak Charles Darwin i Thomas Huxley.
kelwin oparł swoje wnioski na idei, że Ziemia była pierwotnie w stanie stopionym i stopniowo się ochładzała. Ta hipoteza dominuje od dziesięcioleci. Jednak na przełomie XIX i XX wieku dokonano odkryć, które zasadniczo zmieniły zrozumienie natury głębokiego przepływu ciepła na Ziemi i jej historii termicznej. Odkryto radioaktywność, rozpoczęto badania procesów wydzielania ciepła podczas rozpadu promieniotwórczego niektórych izotopów, wyciągnięto wnioski, że skały tworzące skorupę ziemską zawierają znaczną ilość izotopów promieniotwórczych.
Bezpośrednie pomiary przepływu ciepła na Ziemi rozpoczęto stosunkowo niedawno: najpierw na kontynentach - w 1939 r. W studniach głębinowych w RPA, później na dnie oceanów - od 1954 r. Na Atlantyku. W naszym kraju po raz pierwszy mierzono przepływ ciepła w studniach głębinowych w Soczi i Matsesta. W ostatnich latach gromadzenie eksperymentalnie uzyskanych danych dotyczących strumieni ciepła przebiega dość szybko.
Dlaczego to się dzieje? Czy nadal potrzebne są nowe i nowe wymiary? Tak, bardzo potrzebne. Porównanie pomiarów głębokiego strumienia ciepła przeprowadzonych w różnych punktach planety pokazuje, że utrata energii przez różne części powierzchni planety jest różna. Wskazuje to na niejednorodność skorupy i płaszcza, pozwala ocenić naturę wielu procesów zachodzących na różnych głębokościach niedostępnych dla naszych oczu pod powierzchnią ziemi oraz jest kluczem do badania mechanizmu rozwoju planety i jej energii wewnętrznej.
Ile ciepła traci Ziemia w wyniku przepływu ciepła z jelit? Okazuje się, że średnio ta wartość jest niewielka - około 0,06 wata na metr kwadratowy powierzchni, czyli około 30 bilionów watów na całej planecie. Ziemia otrzymuje energię słoneczną około 4 tysiące razy więcej. I oczywiście to ciepło słoneczne odgrywa główną rolę w ustalaniu temperatury na powierzchni ziemi.
Ciepło uwalniane przez planetę na powierzchni wielkości boiska do piłki nożnej jest w przybliżeniu równe ciepłu, które może być wytwarzane przez trzysta watowych żarówek. Taki przepływ energii wydaje się nieistotny, ale pochodzi z całej powierzchni Ziemi i nieustannie! Moc całego strumienia ciepła pochodzącego z wnętrzności planety jest około 30 razy większa niż moc wszystkich nowoczesnych elektrowni na świecie.
Pomiar głębokości przepływ ciepła Ziemi proces nie jest łatwy i czasochłonny. Przez twardą skorupę ziemi ciepło jest przewodzone na powierzchnię w sposób przewodzący, to znaczy poprzez propagację drgań termicznych. Dlatego ilość przechodzącego ciepła jest równa iloczynowi gradient temperatury (tempo wzrostu temperatury wraz z głębokością) na przewodnictwo cieplne. Aby określić strumień ciepła, konieczna jest znajomość tych dwóch wielkości. Gradient temperatury mierzy się czułymi urządzeniami - czujnikami (termistorami) w kopalniach lub specjalnie wywierconych studniach, na głębokości od kilkudziesięciu do kilkuset metrów. Przewodność cieplną skał określa się badając próbki w laboratoriach.
Pomiary ciepło przepływa na dnie oceanów związane ze znacznymi trudnościami: prace należy wykonywać pod wodą na znacznych głębokościach. Ma jednak również swoje zalety: nie ma potrzeby wiercenia studni na dnie oceanów, ponieważ osady są zwykle dość miękkie, a długa cylindryczna sonda służąca do pomiaru temperatury łatwo tonie kilka metrów w miękkich osadach.
Ci, którzy zajmują się geotermią, naprawdę potrzebują mapa przepływu ciepła na całej powierzchni planety. Punkty, w których przeprowadzono już pomiary przepływu ciepła, są bardzo nierównomiernie rozłożone na powierzchni Ziemi. Na morzach i oceanach pomiary wykonano dwukrotnie częściej niż na lądzie. Ameryka Północna, Europa i Australia, oceany na średnich szerokościach geograficznych zostały w pełni zbadane. W innych częściach powierzchni Ziemi pomiary są nadal nieliczne lub nie ma ich wcale. Niemniej jednak obecna ilość danych o przepływie ciepła na Ziemi już umożliwia budowanie uogólnionych, ale dość wiarygodnych map.
Uwalnianie ciepła z wnętrzności Ziemi na powierzchnię jest nierównomierne. Na niektórych obszarach Ziemia wydziela więcej ciepła niż średnia światowa, na innych wytwarzanie ciepła jest znacznie mniejsze. „Zimne plamy” występują w Europie Wschodniej (Platforma Wschodnioeuropejska), Kanadzie (Tarcza Kanadyjska), Afryce Północnej, Australii, Ameryce Południowej, głębinowych basenach Pacyfiku, oceanach indyjskich i atlantyckich. Miejsca „ciepłe” i „gorące” - obszary o zwiększonym przepływie ciepła - występują w rejonach Kalifornii, Europy alpejskiej, Islandii, Morza Czerwonego, Wschodniego Pacyfiku oraz w podwodnych grzbietach średniego zasięgu Atlantyku i Oceanu Indyjskiego.
Energia atomowa
Wykorzystanie energii ziemi może odbywać się na różne sposoby. Na przykład przy budowie elektrowni jądrowych, kiedy energia cieplna jest uwalniana w wyniku rozpadu najmniejszych cząstek materii atomów. Głównym paliwem jest uran zawarty w skorupie ziemskiej. Wielu uważa, że ta konkretna metoda pozyskiwania energii jest najbardziej obiecująca, ale jej zastosowanie jest obarczone wieloma problemami. Po pierwsze, uran emituje promieniowanie, które zabija wszystkie żywe organizmy. Ponadto, jeśli ta substancja dostanie się do gleby lub atmosfery, nastąpi prawdziwa katastrofa spowodowana przez człowieka. Wciąż przeżywamy smutne konsekwencje wypadku w elektrowni atomowej w Czarnobylu. Niebezpieczeństwo polega na tym, że odpady radioaktywne mogą zagrażać wszystkim żywym istotom przez bardzo, bardzo długi czas, całe tysiąclecia.
Pierwsza elektrownia geotermalna
Wszyscy jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że wiele lat temu energia była pozyskiwana z zasobów naturalnych. I tak było, ale jeszcze wcześniej jedna z pierwszych elektrowni była geotermalna. Ogólnie jest to bardzo logiczne, ponieważ technika działała na trakcji parowej, a użycie pary było bardziej poprawną decyzją. I właściwie jedyny jak na tamte czasy, nie licząc spalania drewna i węgla.
W 1817 roku hrabia François de Larderel opracował technologię zbierania pary naturalnej, która przydała się w XX wieku, kiedy zapotrzebowanie na elektrownie geotermalne stało się bardzo wysokie.
Pierwsza faktycznie działająca stacja została zbudowana we włoskim mieście Larderello w 1904 roku. To prawda, był to bardziej prototyp, ponieważ mógł zasilać tylko 4 żarówki, ale działał. Sześć lat później, w 1910 roku, w tym samym mieście zbudowano naprawdę działającą stację, która mogła wytwarzać energię wystarczającą do użytku przemysłowego.
Nawet w tak malowniczych miejscach mogą znajdować się elektrownie geotermalne.
Generatory eksperymentalne budowano w wielu miejscach, ale to Włochy były liderem do 1958 roku i były jedynym przemysłowym producentem energii geotermalnej na świecie.
Przywództwo musiało zostać oddane po uruchomieniu elektrowni Wairakei w Nowej Zelandii. Była to pierwsza pośrednia elektrownia geotermalna. Kilka lat później podobne obiekty zostały otwarte w innych krajach, w tym w Stanach Zjednoczonych ze źródłami w Kalifornii.
Pierwsza elektrownia geotermalna typu pośredniego została zbudowana w ZSRR w 1967 roku. W tym czasie ta metoda pozyskiwania energii zaczęła się aktywnie rozwijać na całym świecie. Zwłaszcza w miejscach takich jak Alaska, Filipiny czy Indonezja, które wciąż należą do liderów w wytwarzanej w ten sposób energii.
Nowy czas - nowe pomysły
Oczywiście ludzie na tym nie poprzestają i każdego roku podejmuje się coraz więcej prób znalezienia nowych sposobów pozyskiwania energii. Jeśli energia ciepła ziemi jest uzyskiwana po prostu, to niektóre metody nie są takie proste. Na przykład jako źródło energii całkiem możliwe jest użycie gazu biologicznego, który jest uzyskiwany z gnijących odpadów. Może być stosowany do ogrzewania domu i podgrzewania wody.
Coraz częściej buduje się elektrownie pływowe, w których w poprzek ujść zbiorników instaluje się tamy i turbiny, które napędzane są odpowiednio odpływami i odpływami, uzyskuje się energię elektryczną.
Płonąc śmieci, otrzymujemy energię
Inną metodą, która jest już stosowana w Japonii, jest tworzenie spalarni. Dziś budowane są w Anglii, Włoszech, Danii, Niemczech, Francji, Holandii i Stanach Zjednoczonych, ale dopiero w Japonii przedsiębiorstwa te zaczęły być wykorzystywane nie tylko zgodnie z ich przeznaczeniem, ale także do wytwarzania energii elektrycznej. Lokalne fabryki spalają 2/3 wszystkich odpadów, a fabryki wyposażone są w turbiny parowe. W związku z tym dostarczają ciepło i energię elektryczną do otoczenia. Jednocześnie pod względem kosztów o wiele bardziej opłaca się zbudować takie przedsiębiorstwo niż zbudować elektrociepłownię.
Perspektywa wykorzystania ciepła Ziemi w miejscu koncentracji wulkanów wydaje się bardziej kusząca. W takim przypadku nie będziesz musiał zbyt głęboko wiercić Ziemi, ponieważ już na głębokości 300-500 metrów temperatura będzie co najmniej dwukrotnie wyższa niż temperatura wrzenia wody.
Istnieje również taka metoda wytwarzania energii elektrycznej, jak energia wodorowa. Wodór - najprostszy i najlżejszy pierwiastek chemiczny - można uznać za idealne paliwo, ponieważ występuje tam, gdzie jest woda. Jeśli spalasz wodór, możesz dostać wodę, która rozkłada się na tlen i wodór. Sam płomień wodorowy jest nieszkodliwy, to znaczy nie będzie szkodził środowisku. Osobliwością tego pierwiastka jest to, że ma on wysoką kaloryczność.
Co będzie w przyszłości?
Oczywiście energia pola magnetycznego Ziemi czy energia pozyskiwana z elektrowni jądrowych nie są w stanie w pełni zaspokoić wszystkich potrzeb ludzkości, które rosną z każdym rokiem. Jednak eksperci twierdzą, że nie ma powodów do zmartwień, ponieważ zasoby paliwowe planety są nadal wystarczające. Ponadto wykorzystuje się coraz więcej nowych, przyjaznych dla środowiska i odnawialnych źródeł.
Problem zanieczyszczenia środowiska pozostaje i narasta katastrofalnie. Ilość szkodliwych emisji przekracza odpowiednio skalę, powietrze, którym oddychamy, jest szkodliwe, woda zawiera niebezpieczne zanieczyszczenia, a gleba jest stopniowo wyczerpywana. Dlatego tak ważne jest, aby w odpowiednim czasie zaangażować się w badanie takiego zjawiska, jak energia w trzewiach Ziemi, aby szukać sposobów na zmniejszenie zapotrzebowania na paliwa kopalne i aktywniej wykorzystywać niekonwencjonalne źródła energii.
Ograniczone zasoby kopalnych surowców energetycznych
Zapotrzebowanie na organiczne surowce energetyczne jest duże w krajach uprzemysłowionych i rozwijających się (USA, Japonia, stany zjednoczonej Europy, Chiny, Indie itp.). Jednocześnie własne zasoby węglowodorów w tych krajach są albo niewystarczające, albo zarezerwowane, a kraj, na przykład Stany Zjednoczone, kupuje surowce energetyczne za granicą lub zagospodarowuje złoża w innych krajach.
W Rosji, jednym z najbogatszych krajów pod względem surowców energetycznych, ekonomiczne potrzeby energetyczne są nadal zaspokajane przez możliwości wykorzystania zasobów naturalnych. Jednak wydobycie węglowodorów kopalnych z podłoża przebiega w bardzo szybkim tempie. Jeśli w latach 1940-1960. Głównymi regionami wydobywającymi ropę były „Drugie Baku” w rejonie Wołgi i Uralu, a następnie od lat 70. XX wieku do chwili obecnej takim obszarem jest Zachodnia Syberia. Ale także tutaj następuje znaczny spadek produkcji węglowodorów kopalnych. Przemija era „suchego” cenomańskiego gazu. Zakończył się poprzedni etap ekstensywnego rozwoju wydobycia gazu ziemnego. Wydobycie z takich gigantycznych złóż jak Medvezhye, Urengoskoye i Yamburgskoye wyniosło odpowiednio 84, 65 i 50%. Z upływem czasu maleje również udział zasobów ropy naftowej sprzyjających rozwojowi.
Ze względu na aktywne zużycie paliw węglowodorowych, zasoby ropy naftowej i gazu ziemnego na lądzie znacznie się zmniejszyły. Teraz ich główne rezerwy są skoncentrowane na szelfie kontynentalnym. I choć baza surowcowa przemysłu naftowo-gazowego jest jeszcze wystarczająca do wydobycia ropy i gazu w Rosji w wymaganych ilościach, to w najbliższej przyszłości będzie w coraz większym stopniu zapewniana poprzez zagospodarowanie złóż o trudnej eksploatacji. i warunki geologiczne. Koszt produkcji surowców węglowodorowych będzie nadal rósł.
Większość nieodnawialnych zasobów wydobywanych z podłoża jest wykorzystywana jako paliwo do elektrowni. Przede wszystkim jest to gaz ziemny, którego udział w strukturze paliw wynosi 64%.
W Rosji 70% energii elektrycznej jest wytwarzane w elektrowniach cieplnych. Przedsiębiorstwa energetyczne kraju spalają rocznie około 500 mln ton ekwiwalentu paliwa. t. do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, a do produkcji ciepła paliwo węglowodorowe zużywa się 3-4 razy więcej niż do wytwarzania energii elektrycznej.
Ilość ciepła uzyskanego ze spalania tych ilości surowców węglowodorowych odpowiada zużyciu setek ton paliwa jądrowego - różnica jest ogromna. Energetyka jądrowa wymaga jednak bezpieczeństwa środowiskowego (aby wykluczyć nawrót Czarnobyla) i jego ochrony przed ewentualnymi atakami terrorystycznymi, a także wdrożenia bezpiecznej i kosztownej likwidacji przestarzałych i przestarzałych bloków elektrowni jądrowych. Udowodnione możliwe do odzyskania zasoby uranu na świecie wynoszą ok. 3 mln 400 tys. T. W całym poprzednim okresie (do 2007 r.) Wydobyto ok. 2 mln ton.
