Durante mucho tiempo, la gente ha sabido acerca de las manifestaciones espontáneas de una energía gigantesca que acecha en las profundidades. el mundo... La memoria de la humanidad guarda leyendas sobre catastróficas erupciones volcánicas, que cobraron millones de vidas humanas, cambiaron irreconociblemente la apariencia de muchos lugares de la Tierra. El poder de la erupción de incluso un volcán relativamente pequeño es colosal, es muchas veces mayor que el poder de las plantas de energía más grandes creadas por manos humanas. Es cierto que no es necesario hablar sobre el uso directo de la energía de las erupciones volcánicas: hasta ahora la gente no tiene la oportunidad de frenar este elemento rebelde y, afortunadamente, las erupciones son eventos bastante raros. Pero estas son manifestaciones de energía que acechan en las entrañas de la tierra, cuando solo una pequeña fracción de esta energía inagotable encuentra una salida a través de los respiraderos de fuego de los volcanes.
Pequeña País europeo Islandia (traducida literalmente como "tierra de hielo") es totalmente autosuficiente en tomates, manzanas e incluso plátanos. Numerosos invernaderos islandeses obtienen su energía del calor de la tierra; prácticamente no hay otras fuentes locales de energía en Islandia. Pero este pais es muy rico fuentes termales y famosos géiseres - fuentes de agua caliente, con la precisión de un cronómetro que estalla en el suelo. Y aunque los no islandeses tienen prioridad en el uso del calor de las fuentes subterráneas (incluso los antiguos romanos para baños famosos- los baños termales de Caracalla - trajeron agua del suelo), los habitantes de este pequeño país del norte operar una sala de calderas subterránea de manera muy intensiva... La ciudad capital de Reykjavik, que alberga a la mitad de la población del país, se calienta solo con fuentes subterráneas. Reykjavik es un punto de partida ideal para explorar Islandia: desde aquí se pueden realizar las excursiones más interesantes y variadas a cualquier rincón de este país único: géiseres, volcanes, cascadas, montañas de riolita, fiordos ... En todos los lugares de Reykjavik vivirás CLEAN ENERGÍA: la energía térmica de los géiseres, que emana del suelo, la energía de la limpieza y el espacio de una ciudad idealmente verde, la energía de un ambiente alegre e incendiario. la vida nocturna Reykjavik todo el año.
Pero no solo para calentar las personas extraen energía de las profundidades de la tierra. Las plantas de energía que utilizan manantiales subterráneos calientes han estado funcionando durante mucho tiempo. La primera central de este tipo, todavía de muy baja potencia, se construyó en 1904 en la pequeña ciudad italiana de Larderello, que lleva el nombre del ingeniero francés Larderelli, quien en 1827 elaboró un proyecto para utilizar las numerosas fuentes termales de la zona. Poco a poco, la capacidad de la planta de energía aumentó, se pusieron en funcionamiento más y más unidades, se utilizaron nuevas fuentes de agua caliente y hoy la potencia de la estación ya alcanzó un valor impresionante: 360 mil kilovatios. En Nueva Zelanda, existe una planta de energía de este tipo en la región de Wairakei, con una capacidad de 160 mil kilovatios. A 120 km de San Francisco en Estados Unidos, una estación geotérmica con una capacidad de 500 mil kilovatios produce electricidad.
Energía geotérmica
Durante mucho tiempo, la gente ha sabido acerca de las manifestaciones espontáneas de una energía gigantesca que acecha en las entrañas del globo. La memoria de la humanidad guarda leyendas sobre catastróficas erupciones volcánicas, que cobraron millones de vidas humanas, cambiaron irreconociblemente la apariencia de muchos lugares de la Tierra. El poder de la erupción de incluso un volcán relativamente pequeño es colosal, es muchas veces mayor que el poder de las plantas de energía más grandes creadas por manos humanas. Es cierto que no es necesario hablar sobre el uso directo de la energía de las erupciones volcánicas; hasta ahora, las personas no tienen la oportunidad de frenar este elemento rebelde y, afortunadamente, las erupciones son eventos bastante raros. Pero estas son manifestaciones de energía que acechan en las entrañas de la tierra, cuando solo una pequeña fracción de esta energía inagotable encuentra una salida a través de los respiraderos de fuego de los volcanes.
Géiser es primavera calurosa que arroja su agua a una altura regular o irregular, como una fuente. El nombre proviene de la palabra islandesa "vierte". La aparición de géiseres requiere un cierto entorno favorable, que se crea solo en unos pocos lugares de la tierra, lo que determina su presencia bastante rara. Casi el 50% de los géiseres se encuentran en Parque Nacional Yellowstone (Estados Unidos). La actividad del géiser puede detenerse debido a cambios en las entrañas, terremotos y otros factores. La acción del géiser es provocada por el contacto del agua con el magma, tras lo cual el agua se calienta rápidamente y, bajo la acción de la energía geotérmica, es arrojada violentamente hacia arriba. Después de la erupción, el agua del géiser se enfría gradualmente, vuelve a filtrarse al magma y vuelve a brotar. La frecuencia de erupciones de varios géiseres varía desde varios minutos hasta varias horas. La necesidad de una gran energía para el funcionamiento de un géiser. razón principal su rareza. Las áreas volcánicas pueden tener aguas termales, volcanes de lodo, fumarolas, pero hay muy pocos lugares donde se encuentran los géiseres. El hecho es que incluso si se formó un géiser en el lugar de actividad de un volcán, las erupciones posteriores destruirán la superficie de la tierra y cambiarán su estado, lo que conducirá a la desaparición del géiser.
Energía de la tierra ( energía geotérmica) se basa en el aprovechamiento del calor natural de la Tierra. Las entrañas de la Tierra están plagadas de una fuente de energía colosal y prácticamente inagotable. La radiación anual de calor interno en nuestro planeta es de 2.8 * 1014 mil millones de kWh. Se compensa constantemente por la desintegración radiactiva de algunos isótopos en corteza de la Tierra.
Las fuentes de energía geotérmica pueden ser de dos tipos. El primer tipo son las piscinas subterráneas de portadores de calor naturales: agua caliente (manantiales hidrotermales) o vapor (fuentes termales de vapor) o una mezcla de vapor y agua. En esencia, se trata de "calderas subterráneas" directamente listas para su uso, desde donde se puede producir agua o vapor mediante perforaciones convencionales. El segundo tipo es el calor del calor. rocas... Al bombear agua a tales horizontes, también puede obtener vapor o agua sobrecalentada para su uso posterior con fines energéticos.
Pero en ambos casos de uso principal inconveniente es, quizás, en una concentración muy débil de energía geotérmica. Sin embargo, en lugares donde se forman anomalías geotérmicas peculiares, donde manantiales termales o rocas llegan relativamente cerca de la superficie y donde, al sumergirse en profundidad, la temperatura aumenta en 30-40 ° C por cada 100 m, la concentración de energía geotérmica puede crear condiciones para su uso económico. Dependiendo de la temperatura del agua, vapor o mezcla de vapor y agua, las fuentes geotérmicas se subdividen en baja y media temperatura (con temperaturas de hasta 130 - 150 ° C) y alta temperatura (más de 150 °). La naturaleza de su uso depende en gran medida de la temperatura.
Es posible argumentar que energía geotérmica tiene cuatro características distintivas ventajosas.
Primero, sus reservas son prácticamente inagotables. Según las estimaciones de finales de los 70, a una profundidad de 10 km, son un valor que es 3,5 mil veces superior a las reservas. especies tradicionales combustible mineral.
En segundo lugar, la energía geotérmica está bastante extendida. Su concentración está asociada principalmente a los cinturones de actividad sísmica y Actividad volcánica, que ocupan 1/10 del área de la Tierra. Dentro de estos cinturones, se pueden identificar algunas de las "regiones geotérmicas" más prometedoras, ejemplos de las cuales son California en los EE. UU., Nueva Zelanda, Japón, Islandia, Kamchatka, Cáucaso del norte En Rusia. Solo en la ex URSS, a principios de los años 90, se abrieron alrededor de 50 cuencas subterráneas de agua caliente y vapor.
En tercer lugar, el uso de energía geotérmica no requiere altos costos, porque en este caso Viene sobre las fuentes de energía "listas para usar" creadas por la propia naturaleza.
Finalmente, en cuarto lugar, la energía geotérmica es completamente inofensiva desde el punto de vista ecológico y no contamina el medio ambiente.
El hombre ha estado utilizando durante mucho tiempo la energía del calor interno de la Tierra (recuerde, al menos los famosos baños romanos), pero su uso comercial comenzó solo en la década de 1920 con la construcción de las primeras plantas de geo-energía en Italia, y luego en otros países. . A principios de la década de 1980, estaban funcionando en el mundo unas 20 estaciones de este tipo con una capacidad total de 1,5 millones de kW. La más grande de ellas es la estación Geysers en EE. UU. (500 mil kW).
La energía geotérmica se utiliza para generar electricidad, calentar hogares, invernaderos, etc. Como portador de calor se utiliza vapor seco, agua sobrecalentada o algún tipo de refrigerante con un punto de ebullición bajo (amoniaco, freón, etc.).
En nuestro país rico en hidrocarburos, la geotermia es un recurso exótico que, dada la situación actual, es poco probable que compita con el petróleo y el gas. Sin embargo, esta forma alternativa de energía se puede utilizar en casi todas partes y es bastante eficiente.
La energía geotérmica es el calor del interior de la tierra. Se produce en las profundidades y llega a la superficie de la Tierra en diferentes formas y con intensidad variable.
La temperatura de las capas superiores del suelo depende principalmente de factores externos (exógenos): la luz solar y la temperatura del aire. En verano y durante el día, el suelo se calienta a ciertas profundidades, y en invierno y por la noche se enfría a raíz de un cambio de temperatura del aire y con cierta demora, aumentando con la profundidad. La influencia de las fluctuaciones diarias de la temperatura del aire termina en profundidades de unas pocas a varias decenas de centímetros. Las fluctuaciones estacionales cubren capas más profundas de suelo, hasta decenas de metros.
A cierta profundidad, de decenas a cientos de metros, la temperatura del suelo se mantiene constante, igual a la temperatura media anual del aire en la superficie de la Tierra. Es fácil convencerse de esto bajando a una cueva lo suficientemente profunda.
Cuando la temperatura media anual del aire en un área determinada es inferior a cero, esto se manifiesta como permafrost (más precisamente, permafrost). En Siberia oriental, el grosor, es decir, el grosor de los suelos helados durante todo el año alcanza los 200-300 m en algunos lugares.
Desde una cierta profundidad (la suya para cada punto del mapa), el efecto del Sol y la atmósfera se debilita tanto que los factores endógenos (internos) pasan a primer plano y el interior de la tierra se calienta desde el interior, por lo que la temperatura comienza a elevarse con profundidad.
El calentamiento de las capas profundas de la Tierra se asocia principalmente a la desintegración de los elementos radiactivos allí ubicados, aunque también se denominan otras fuentes de calor, por ejemplo, procesos fisicoquímicos, tectónicos en las capas profundas de la corteza y manto terrestre. Pero sea cual sea la razón, la temperatura de las rocas y las sustancias líquidas y gaseosas asociadas aumenta con la profundidad. Los mineros se enfrentan a este fenómeno: siempre hace calor en las minas profundas. A una profundidad de 1 km, un calor de treinta grados es normal y, a mayor profundidad, la temperatura es aún mayor.
El flujo de calor del interior de la Tierra, que llega a la superficie de la Tierra, es pequeño; en promedio, su potencia es de 0,03 a 0,05 W / m 2, o aproximadamente 350 W · h / m 2 por año. En el contexto del flujo de calor del sol y el aire calentado por él, este es un valor imperceptible: el sol da a todos metro cuadrado La superficie terrestre es de unos 4000 kWh anuales, es decir, 10.000 veces más (por supuesto, esto es en promedio, con una gran variación entre latitudes polares y ecuatoriales y dependiendo de otros factores climáticos y meteorológicos).
La insignificancia del flujo de calor desde las profundidades a la superficie en la mayor parte del planeta está asociada con la baja conductividad térmica de las rocas y las características. estructura geologica... Pero hay excepciones: lugares donde el flujo de calor es alto. Estas son, en primer lugar, zonas fallas tectónicas, aumentado actividad sísmica y vulcanismo, donde la energía del interior de la tierra encuentra una salida. Estas zonas se caracterizan por anomalías térmicas de la litosfera, aquí el flujo de calor que llega a la superficie de la Tierra puede ser varias veces e incluso órdenes de magnitud más potente que el "habitual". Las erupciones volcánicas y los manantiales de agua caliente llevan una gran cantidad de calor a la superficie en estas zonas.
Son estas áreas las más favorables para el desarrollo de la energía geotérmica. En el territorio de Rusia, esto es, en primer lugar, Kamchatka, Islas Kuriles y el Cáucaso.
Al mismo tiempo, el desarrollo de la energía geotérmica es posible en casi todas partes, ya que un aumento de temperatura con la profundidad es un fenómeno ubicuo, y la tarea es "extraer" calor de las entrañas, tal como se extraen de allí las materias primas minerales.
En promedio, la temperatura aumenta con la profundidad de 2,5 a 3 ° C por cada 100 m La relación entre la diferencia de temperatura entre dos puntos a diferentes profundidades y la diferencia de profundidad entre ellos se denomina gradiente geotérmico.
El recíproco es el paso geotérmico, o intervalo de profundidad, en el que la temperatura aumenta 1 ° C.
Cuanto mayor sea el gradiente y, en consecuencia, cuanto menor sea el escalón, más se acercará a la superficie el calor de las profundidades de la Tierra y más prometedora es esta zona para el desarrollo de la energía geotérmica.
En diferentes áreas, dependiendo de la estructura geológica y otras condiciones regionales y locales, la tasa de aumento de temperatura con la profundidad puede variar dramáticamente. En la escala de la Tierra, las fluctuaciones en las magnitudes de los gradientes y pasos geotérmicos alcanzan 25 veces. Por ejemplo, en Oregón (EE. UU.) La pendiente es de 150 ° C por km y en Sudáfrica es de 6 ° C por km.
La pregunta es, ¿cuál es la temperatura a grandes profundidades: 5, 10 km o más? Si la tendencia continúa, las temperaturas a 10 km de profundidad deberían promediar alrededor de 250-300 ° C. Esto se confirma más o menos mediante observaciones directas en pozos superprofundos, aunque el panorama es mucho más complicado que un aumento lineal de temperatura.
Por ejemplo, en Kola pozo superprofundo perforado en el escudo cristalino del Báltico, la temperatura a una profundidad de 3 km cambia a una velocidad de 10 ° C / 1 km, y luego el gradiente geotérmico se vuelve de 2 a 2,5 veces mayor. A una profundidad de 7 km, ya se registró una temperatura de 120 ° C, a una profundidad de 10 km - 180 ° C, y a 12 km - 220 ° C.
Otro ejemplo es un pozo perforado en la región norte del Caspio, donde se registró una temperatura de 42 ° C a una profundidad de 500 m, 70 ° C a 1,5 km, 80 ° C a 2 km y 108 ° C a 3 km.
Se supone que el gradiente geotérmico disminuye a partir de una profundidad de 20-30 km: a una profundidad de 100 km, las temperaturas asumidas son aproximadamente 1300-1500 ° C, a una profundidad de 400 km - 1600 ° C, en la Tierra. núcleo (profundidades superiores a 6000 km) - 4000-5000 ° C.
A profundidades de hasta 10 a 12 km, la temperatura se mide a través de pozos perforados; donde están ausentes, está determinado por signos indirectos de la misma manera que a mayores profundidades. Estos signos indirectos pueden ser la naturaleza del paso de las ondas sísmicas o la temperatura de la lava que fluye.
Sin embargo, a los efectos de la energía geotérmica, los datos sobre temperaturas a profundidades de más de 10 km aún no son de interés práctico.
Hay mucho calor a varios kilómetros de profundidad, pero ¿cómo elevarlo? A veces, este problema nos lo resuelve la naturaleza misma con la ayuda de un portador de calor natural: calentado aguas termales que emergen a la superficie o se encuentran a una profundidad accesible para nosotros. En algunos casos, el agua en las profundidades se calienta al estado de vapor.
No existe una definición estricta del término "aguas termales". Por regla general, se refieren a aguas subterráneas calientes en estado líquido o en forma de vapor, incluidas las que salen a la superficie de la Tierra con una temperatura superior a 20 ° C, es decir, por regla general, superior a la temperatura del aire.
El calor del agua subterránea, vapor, mezclas de vapor y agua es energía hidrotermal. En consecuencia, la energía basada en su uso se denomina hidrotermal.
La situación es más complicada con la producción de calor directamente a partir de rocas secas: energía petrotérmica, especialmente porque las temperaturas bastante altas, por regla general, comienzan a profundidades de varios kilómetros.
En el territorio de Rusia, el potencial de la energía petrotermal es cien veces mayor que el de la energía hidrotermal: 3500 y 35 billones de toneladas de combustible equivalente, respectivamente. Esto es bastante natural: el calor de las profundidades de la Tierra está en todas partes y las aguas termales se encuentran localmente. Sin embargo, debido a las obvias dificultades técnicas para generar calor y electricidad, actualmente se utilizan en la mayor parte aguas termales.
Las aguas con temperaturas entre 20-30 ° C y 100 ° C son adecuadas para calefacción, temperaturas entre 150 ° C y superiores, y para generar electricidad en plantas de energía geotérmica.
En general, los recursos geotérmicos en el territorio de Rusia en términos de toneladas de combustible equivalente o cualquier otra unidad de medida energética son aproximadamente 10 veces más altos que las reservas de combustibles fósiles.
Teóricamente, solo la energía geotérmica podría satisfacer completamente necesidades energéticas país. En la práctica, por el momento, en la mayor parte de su territorio, esto no es factible por razones técnicas y económicas.
En el mundo, el uso de energía geotérmica se asocia con mayor frecuencia con Islandia, un país ubicado en el extremo norte de la Cordillera del Atlántico Medio, en un estado tectónico y zona volcánica... Probablemente todos recuerden la poderosa erupción del volcán Eyjafjallajokull ( Eyjafjallajökull) en 2010 año.
Es gracias a esta especificidad geológica que Islandia tiene enormes reservas de energía geotérmica, incluidas las fuentes termales que afloran a la superficie de la Tierra e incluso brotan en forma de géiseres.
En Islandia, más del 60% de toda la energía consumida se extrae actualmente de la Tierra. Incluidas las fuentes geotérmicas, proporcionan el 90% de la calefacción y el 30% de la generación de electricidad. Agregamos que el resto de la electricidad del país se produce en centrales hidroeléctricas, es decir, también utilizando una fuente de energía renovable, gracias a lo cual Islandia parece una especie de estándar ambiental global.
La domesticación de la energía geotérmica en el siglo XX ayudó a Islandia notablemente económicamente. Hasta mediados del siglo pasado, era un país muy pobre, ahora ocupa el primer lugar en el mundo en términos de capacidad instalada y producción de energía geotérmica per cápita y está entre los diez primeros en términos de valor absoluto de capacidad instalada de geotermia. plantas de energía. Sin embargo, su población es de solo 300 mil personas, lo que simplifica la tarea de cambiar a amigables con el medio ambiente. fuentes limpias energía: las necesidades son generalmente pequeñas.
Además de Islandia, una gran parte de la energía geotérmica en el balance total de la generación de electricidad se proporciona en Nueva Zelanda y los estados insulares. El sudeste de Asia(Filipinas e Indonesia), países de América Central y África Oriental, cuyo territorio también se caracteriza por una alta actividad sísmica y volcánica. Para estos países, dado su nivel actual de desarrollo y necesidades, la energía geotérmica hace una contribución significativa al desarrollo socioeconómico.
El uso de energía geotérmica tiene una historia muy larga. Uno de los primeros ejemplos conocidos es Italia, un lugar en la provincia de Toscana, ahora llamado Larderello, donde ya a principios del siglo XIX, las aguas termales calientes locales, vertidas naturalmente o extraídas de pozos poco profundos, se utilizaron para fines energéticos.
Aquí se utilizó agua subterránea rica en boro para obtener ácido bórico. Inicialmente, este ácido se obtenía por evaporación en calderas de hierro y se tomaba como combustible leña ordinaria de los bosques cercanos, pero en 1827 Francesco Larderel creó un sistema que funcionaba con el calor de las propias aguas. Al mismo tiempo, la energía del vapor de agua natural comenzó a usarse para la operación de plataformas de perforación y, a principios del siglo XX, para calentar casas e invernaderos locales. En el mismo lugar, en Larderello, en 1904, el vapor de agua termal se convirtió en una fuente de energía para generar electricidad.
Algunos otros países siguieron el ejemplo de Italia a finales del siglo XIX y principios del XX. Por ejemplo, en 1892, las aguas termales se utilizaron por primera vez para calefacción local en los Estados Unidos (Boise, Idaho), en 1919 en Japón y en 1928 en Islandia.
En los Estados Unidos, la primera planta de energía hidrotermal apareció en California a principios de la década de 1930, en Nueva Zelanda en 1958, en México en 1959, en Rusia (la primera planta de energía geotérmica binaria del mundo) en 1965 ...
Principio antiguo sobre una nueva fuente
La generación de electricidad requiere una temperatura más alta de la fuente hidráulica que para la calefacción: más de 150 ° C. El principio de funcionamiento de una planta de energía geotérmica (GeoPP) es similar al principio de funcionamiento de una planta de energía térmica convencional (TPP). De hecho, una planta de energía geotérmica es una especie de planta de energía térmica.
En los TPP, por regla general, el carbón, el gas o el fuel oil actúan como fuente primaria de energía y el vapor de agua sirve como fluido de trabajo. El combustible, al quemarse, calienta el agua al estado de vapor, que hace girar la turbina de vapor y genera electricidad.
La diferencia entre los GeoPP es que la fuente principal de energía aquí es el calor del interior de la tierra y el fluido de trabajo en forma de vapor se suministra a las palas de la turbina de un generador eléctrico en una forma "lista para usar" directamente desde la producción. bien.
Hay tres esquemas principales de operación GeoPP: directo, usando vapor seco (geotérmico); indirecto, basado en agua hidrotermal, y mixto, o binario.
La aplicación de este o aquel esquema depende del estado de agregación y de la temperatura del portador de energía.
El más simple y, por lo tanto, el primero de los esquemas dominados es la línea recta, en la que el vapor proveniente del pozo pasa directamente a través de la turbina. El primer GeoPP del mundo en Larderello también operó con vapor seco en 1904.
Los GeoPP con un esquema de trabajo indirecto son los más comunes en nuestro tiempo. Usan caliente aguas subterráneas, que se bombea al evaporador a alta presión, donde parte de él se evapora y el vapor resultante hace girar la turbina. En algunos casos, se requieren dispositivos y circuitos adicionales para purificar el agua geotérmica y el vapor de compuestos agresivos.
El vapor residual ingresa al pozo de inyección o se usa para calentar espacios; en este caso, el principio es el mismo que en el funcionamiento de un CHP.
En GeoPP binarios, el agua termal caliente interactúa con otro líquido que actúa como fluido de trabajo con un punto de ebullición más bajo. Ambos fluidos pasan a través de un intercambiador de calor, donde el agua termal evapora el fluido de trabajo, cuyo vapor hace girar la turbina.
Este sistema es cerrado, lo que resuelve el problema de las emisiones a la atmósfera. Además, los fluidos de trabajo con un punto de ebullición relativamente bajo permiten utilizar aguas termales poco calientes como fuente primaria de energía.
Los tres esquemas utilizan una fuente hidrotermal, pero la energía petrotérmica también se puede utilizar para generar electricidad.
El diagrama esquemático en este caso también es bastante simple. Es necesario perforar dos pozos interconectados: pozos de inyección y de producción. Se bombea agua al pozo de inyección. En profundidad, se calienta, luego se suministra agua caliente o vapor formado como resultado de un fuerte calentamiento a la superficie a través del pozo de producción. Además, todo depende de cómo se utilice la energía petrotérmica: para calefacción o para generar electricidad. Es posible un ciclo cerrado con la inyección de vapor residual y agua en el pozo de inyección u otra forma de eliminación.
La desventaja de tal sistema es obvia: para obtener una temperatura suficientemente alta del fluido de trabajo, es necesario perforar pozos en gran profundidad... Y estos son costos importantes y el riesgo de una pérdida de calor significativa cuando el fluido se mueve hacia arriba. Por lo tanto, los sistemas petrotermales todavía están menos extendidos que los hidrotermales, aunque el potencial de la energía petrotermal es órdenes de magnitud mayor.
Actualmente, Australia es líder en la creación de los denominados sistemas de circulación petrotermal (PCS). Además, esta dirección de la energía geotérmica se está desarrollando activamente en los EE. UU., Suiza, Gran Bretaña y Japón.
El regalo de Lord Kelvin
La invención de una bomba de calor por el físico William Thompson (también conocido como Lord Kelvin) en 1852 brindó a la humanidad una oportunidad real de utilizar el calor de bajo potencial de las capas superiores del suelo. El sistema de bomba de calor, o, como lo llamó Thompson, el multiplicador de calor, se basa en proceso fisico transferencia de calor desde medio ambiente al refrigerante. De hecho, utiliza el mismo principio que en los sistemas petrotermales. La diferencia está en la fuente de calor, en relación con la cual puede surgir una pregunta terminológica: ¿hasta qué punto se puede considerar una bomba de calor como un sistema geotérmico? El hecho es que en las capas superiores, a profundidades de decenas a cientos de metros, las rocas y los fluidos que contienen no se calientan por el calor profundo de la tierra, sino por el sol. Así, es el sol en este caso la principal fuente de calor, aunque se toma, como en los sistemas geotérmicos, de la tierra.
El trabajo de una bomba de calor se basa en un retraso en el calentamiento y enfriamiento del suelo con respecto a la atmósfera, como resultado de lo cual se forma un gradiente de temperatura entre la superficie y las capas más profundas, que retienen el calor incluso en invierno, similar a lo que sucede en los cuerpos de agua. El objetivo principal de las bombas de calor es la calefacción de espacios. De hecho, es un "frigorífico inverso". Tanto la bomba de calor como el refrigerador interactúan con tres componentes: el ambiente interno (en el primer caso, la habitación climatizada, en el segundo, la cámara refrigerada del refrigerador), el ambiente externo, la fuente de energía y el refrigerante (refrigerante). , también es el portador de calor que proporciona transferencia de calor o frío.
Una sustancia con un punto de ebullición bajo actúa como refrigerante, lo que le permite tomar calor de una fuente que tiene incluso una temperatura relativamente baja.
En el refrigerador, el refrigerante líquido ingresa al evaporador a través de un acelerador (regulador de presión), donde, debido a una fuerte disminución de la presión, el líquido se evapora. La evaporación es un proceso endotérmico que requiere absorción de calor externa. Como resultado, se toma calor de las paredes internas del evaporador, lo que proporciona un efecto de enfriamiento en la cámara del refrigerador. Además, desde el evaporador, el refrigerante se aspira al compresor, donde vuelve al estado líquido de agregación. Este es un proceso inverso que conduce a la liberación del calor eliminado al ambiente externo. Como regla general, se arroja a la habitación y la parte posterior del refrigerador está relativamente caliente.
Una bomba de calor funciona de la misma manera, con la diferencia de que el calor se toma del ambiente externo y, a través del evaporador, ingresa al ambiente interno: el sistema de calefacción de la habitación.
En una bomba de calor real, el agua se calienta, pasa por un circuito externo, se deposita en el suelo o en un depósito y luego ingresa al evaporador.
En el evaporador, el calor se transfiere a un circuito interno lleno de un refrigerante de bajo punto de ebullición, el cual, al pasar por el evaporador, pasa de estado líquido a gaseoso, quitando calor.
Además, el refrigerante gaseoso entra en el compresor, donde se comprime a alta presión y temperatura, y entra en el condensador, donde tiene lugar el intercambio de calor entre el gas caliente y el refrigerante del sistema de calefacción.
El compresor requiere electricidad para funcionar, sin embargo, la relación de transformación (la relación de energía consumida y generada) en los sistemas modernos es lo suficientemente alta como para garantizar su eficiencia.
Actualmente, las bombas de calor se utilizan ampliamente para la calefacción de espacios, principalmente en países desarrollados.
Energía eco-correcta
La energía geotérmica se considera respetuosa con el medio ambiente, lo que en general es cierto. En primer lugar, utiliza un recurso renovable y prácticamente inagotable. La energía geotérmica no requiere grandes áreas, a diferencia de las grandes centrales hidroeléctricas o parques eólicos, y no contamina la atmósfera, a diferencia de la energía de hidrocarburos. En promedio, un GeoPP ocupa 400 m 2 en términos de 1 GW de electricidad generada. El mismo indicador para una central eléctrica de carbón, por ejemplo, es 3600 m 2. Las ventajas ecológicas de los GeoPP también incluyen un bajo consumo de agua: 20 litros agua dulce por 1 kW, mientras que TPP y NPP requieren alrededor de 1000 litros. Tenga en cuenta que estos son indicadores ambientales del GeoPP "promedio".
Pero negativo efectos secundarios todavía están disponibles. Entre ellos, se distinguen con mayor frecuencia el ruido, la contaminación térmica de la atmósfera y la contaminación química: agua y suelo, así como la formación de desechos sólidos.
La principal fuente de contaminación química del medio ambiente es el agua termal propiamente dicha (con alta temperatura y mineralización), que a menudo contiene grandes cantidades de compuestos tóxicos, en relación con los cuales existe un problema de eliminación de aguas residuales y sustancias peligrosas.
Los efectos negativos de la energía geotérmica se pueden rastrear en varias etapas, comenzando con la perforación de pozos. Aquí surgen los mismos peligros que al perforar cualquier pozo: destrucción del suelo y la cubierta vegetal, contaminación del suelo y de las aguas subterráneas.
En la etapa de operación del GeoPP, persisten los problemas de contaminación ambiental. Los fluidos térmicos, agua y vapor, generalmente contienen dióxido de carbono (CO 2), sulfuro de azufre (H 2 S), amoníaco (NH 3), metano (CH 4), sal de mesa (NaCl), boro (B), arsénico (As ), mercurio (Hg). Cuando se liberan al medio ambiente, se convierten en fuentes de su contaminación. Además, un entorno químico agresivo puede provocar daños por corrosión en las estructuras del GeoTPP.
Al mismo tiempo, las emisiones de contaminantes en los GeoPP son en promedio más bajas que en los TPP. Por ejemplo, emisiones dióxido de carbono por cada kilovatio-hora de electricidad generada hasta 380 g en GeoPP, 1.042 g - en TPP de carbón, 906 g - en fuel oil y 453 g - en TPP de gas.
Surge la pregunta: ¿qué hacer con las aguas residuales? Con baja salinidad, después de enfriar, se puede descargar en aguas superficiales... Otra forma es bombearlo de regreso al acuífero a través de un pozo de inyección, que se prefiere y se usa predominantemente en la actualidad.
La extracción de agua termal de los acuíferos (así como el bombeo de agua corriente) puede provocar hundimientos y movimientos del suelo, otras deformaciones de las capas geológicas, micro-terremotos. La probabilidad de tales fenómenos, por regla general, es pequeña, aunque se han registrado casos individuales (por ejemplo, en el GeoPP en Staufen im Breisgau en Alemania).
Cabe destacar que la mayoría de los GeoPP están ubicados en áreas relativamente poco pobladas y en países del Tercer Mundo, donde los requisitos ambientales son menos estrictos que en los países desarrollados. Además, en este momento el número de GeoPP y sus capacidades son relativamente pequeños. Con un desarrollo más extenso de la energía geotérmica, los riesgos ambientales pueden aumentar y multiplicarse.
¿A cuánto asciende la energía de la Tierra?
Los costos de inversión para la construcción de sistemas geotérmicos varían en un rango muy amplio: de $ 200 a $ 5,000 por 1 kW de capacidad instalada, es decir, la mayor cantidad opciones baratas comparable al costo de construir una central térmica. Dependen, en primer lugar, de las condiciones de ocurrencia de las aguas termales, su composición y el diseño del sistema. Perforando a grandes profundidades, creando un sistema cerrado con dos pozos, la necesidad de purificar el agua puede multiplicar el costo.
Por ejemplo, las inversiones en la creación de una petrotermia sistema de circulación(PCS) se estiman en 1.6-4 mil dólares por 1 kW de capacidad instalada, lo que excede el costo de construcción planta de energía nuclear y es comparable al costo de construir plantas de energía eólica y solar.
La ventaja económica obvia de GeoTPP es un portador de energía gratuito. A modo de comparación, en la estructura de costos de un TPP o una central nuclear en funcionamiento, el combustible representa entre el 50% y el 80% o incluso más, según los precios actuales de la energía. De ahí otra ventaja del sistema geotérmico: los costos operativos son más estables y predecibles, ya que no dependen de la coyuntura externa de los precios de la energía. En general, los costos operativos del GeoTPP se estiman en 2 a 10 centavos (60 kopeks - 3 rublos) por 1 kWh de capacidad producida.
La segunda partida de gasto más importante (después de la energía) (y muy significativa) es, por regla general, sueldo personal de la planta, que puede diferir drásticamente según el país y la región.
En promedio, el costo de 1 kWh de energía geotérmica es comparable al de los TPP (en condiciones rusas, alrededor de 1 rublo / 1 kWh) y diez veces más alto que el costo de generar electricidad en centrales hidroeléctricas (5-10 kopeks / 1 kWh).
Parte de la razón del alto costo radica en el hecho de que, a diferencia de las centrales térmicas e hidráulicas, GeoTPP tiene una capacidad relativamente pequeña. Además, es necesario comparar sistemas ubicados en la misma región y en condiciones similares. Por ejemplo, en Kamchatka, según los expertos, 1 kWh de electricidad geotérmica cuesta 2-3 veces menos que la electricidad producida en las centrales térmicas locales.
Indicadores eficiencia económica El funcionamiento de un sistema geotérmico depende, por ejemplo, de si es necesario eliminar las aguas residuales y de qué manera se hace, si es posible un uso combinado del recurso. Entonces, elementos químicos y los compuestos extraídos del agua termal pueden proporcionar ingresos adicionales. Recordemos el ejemplo de Larderello: produccion quimica, y el uso de energía geotérmica fue originalmente auxiliar.
La energía geotérmica avanza
La energía geotérmica se está desarrollando de manera algo diferente a la eólica y la solar. Actualmente se encuentra en una situación significativa en mayor medida depende de la naturaleza del recurso en sí, que difiere marcadamente según la región, y las concentraciones más altas están vinculadas a zonas estrechas de anomalías geotérmicas, asociadas, por regla general, con áreas de fallas tectónicas y vulcanismo.
Además, la energía geotérmica tiene menos capacidad tecnológica en comparación con la eólica, y más aún con la energía solar: los sistemas de las plantas geotérmicas son bastante simples.
V estructura general El componente geotérmico representa menos del 1% de la producción mundial de electricidad, pero en algunas regiones y países su participación alcanza el 25-30%. Debido a la vinculación con las condiciones geológicas, una parte importante de la capacidad de energía geotérmica se concentra en los países del tercer mundo, donde hay tres clústeres de mayor desarrollo de la industria: las islas del sudeste asiático, América Central y África Oriental. Las dos primeras regiones están incluidas en el "cinturón de fuego de la Tierra" del Pacífico, la tercera está vinculada al Rift de África Oriental. Lo más probable es que la energía geotérmica continúe desarrollándose en estos cinturones. Más perspectiva distante- desarrollo de energía petrotermal, utilizando el calor de las capas de la tierra que se encuentran a una profundidad de varios kilómetros. Este es un recurso casi omnipresente, pero su extracción requiere altos costos, por lo que la energía petrotermal se está desarrollando principalmente en los países más poderosos económica y tecnológicamente.
En general, dada la distribución ubicua de los recursos geotérmicos y un nivel aceptable de seguridad ambiental, hay razones para creer que la energía geotérmica ha Buenos prospectos desarrollo. Especialmente con la creciente amenaza de una escasez de fuentes de energía tradicionales y el aumento de sus precios.
De Kamchatka al Cáucaso
En Rusia, el desarrollo de la energía geotérmica tiene una historia bastante larga, y en varios puestos estamos entre los líderes mundiales, aunque la participación de la energía geotérmica en el balance energético total de un país enorme sigue siendo insignificante.
Dos regiones, Kamchatka y el norte del Cáucaso, se han convertido en pioneros y centros para el desarrollo de la energía geotérmica en Rusia, y si en el primer caso estamos hablando principalmente de la industria de la energía eléctrica, en el segundo, sobre el uso de energía térmica. de agua termal.
En el norte del Cáucaso, en Territorio de Krasnodar, Chechenia, Daguestán: el calor de las aguas termales con fines energéticos se utilizó incluso antes del Gran Guerra patria... En las décadas de 1980 y 1990, el desarrollo de la energía geotérmica en la región por razones obvias se estancó y aún no ha salido de un estado de estancamiento. Sin embargo, el suministro de agua geotérmica en el Cáucaso Norte proporciona calor a unas 500 mil personas y, por ejemplo, la ciudad de Labinsk en el Territorio de Krasnodar con una población de 60 mil personas está completamente calentada por aguas geotérmicas.
En Kamchatka, la historia de la energía geotérmica está asociada principalmente con la construcción de GeoPP. La primera de ellas, que todavía funciona con las estaciones Pauzhetskaya y Paratunskaya, se construyó en 1965-1967, mientras que Paratunskaya GeoPP con una capacidad de 600 kW se convirtió en la primera estación del mundo con ciclo binario. Fue el desarrollo de los científicos soviéticos SS Kutateladze y A.M. Rosenfeld del Instituto de Termofísica de la Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia, quienes en 1965 recibieron un certificado de autor para la extracción de electricidad del agua con una temperatura de 70 ° C. Esta tecnología más tarde se convirtió en un prototipo para más de 400 GeoPP binarios en el mundo.
La capacidad del Pauzhetskaya GeoPP, puesto en servicio en 1966, fue inicialmente de 5 MW y posteriormente aumentó a 12 MW. Actualmente, se está construyendo un bloque binario en la estación, que aumentará su capacidad en otros 2,5 MW.
El desarrollo de la energía geotérmica en la URSS y Rusia se vio obstaculizado por la disponibilidad de fuentes de energía tradicionales: petróleo, gas, carbón, pero nunca se detuvo. Las mayores instalaciones de energía geotérmica en este momento son Verkhne-Mutnovskaya GeoPP con una capacidad total de 12 MW de unidades de energía, puestas en marcha en 1999, y Mutnovskaya GeoPP con una capacidad de 50 MW (2002).
Los GeoPP de Mutnovskaya y Verkhne-Mutnovskaya son objetos únicos no solo para Rusia, sino también a escala mundial. Las estaciones están ubicadas al pie del volcán Mutnovsky, a una altitud de 800 metros sobre el nivel del mar, y operan en condiciones climáticas extremas, donde es invierno de 9 a 10 meses al año. El equipo de Mutnovsky GeoPP, actualmente uno de los más modernos del mundo, se crea completamente en empresas nacionales de ingeniería energética.
En la actualidad, la participación de las plantas de Mutnovskie en la estructura total del consumo de energía del centro de Kamchatka unidad de poder es del 40%. Está previsto un aumento de capacidad en los próximos años.
Por separado, debería decirse sobre los desarrollos petrotermales rusos. Todavía no tenemos grandes DSP, pero existen tecnologías avanzadas para perforar a grandes profundidades (unos 10 km), que tampoco tienen análogos en el mundo. Su mayor desarrollo permitirá reducir drásticamente el costo de creación de sistemas petrotermales. Los desarrolladores de estas tecnologías y proyectos son N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Instituto Geológico, RAS), A. S. Nekrasov (Instituto de Previsión Económica, RAS) y especialistas de Kaluga Turbine Works. El proyecto de un sistema de circulación petrotermal en Rusia se encuentra actualmente en una etapa experimental.
Hay perspectivas para la energía geotérmica en Rusia, aunque relativamente distantes: en este momento, el potencial es bastante grande y las posiciones de la energía tradicional son fuertes. Al mismo tiempo, en varias regiones remotas del país, el uso de energía geotérmica es económicamente rentable y está en demanda ahora. Estos son territorios con alto potencial geoenergético (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - Parte rusa Pacífico "cinturón de fuego de la Tierra", las montañas del sur de Siberia y el Cáucaso) y al mismo tiempo remoto y desconectado de la fuente de alimentación centralizada.
Probablemente, en las próximas décadas, la energía geotérmica en nuestro país se desarrollará precisamente en tales regiones.
2. Régimen térmico de la Tierra
La tierra es un cuerpo espacial frío. La temperatura de la superficie depende principalmente del calor externo. 95% del calor de la capa superior de la Tierra es externo (solar) cálido y solo un 5% cálido interno , que proviene de las entrañas de la Tierra e incluye varias fuentes de energía. En el interior de la Tierra, la temperatura aumenta con la profundidad de 1300 ° C (en el manto superior) a 3700 ° C (en el centro del núcleo).
Calor externo... El calor llega a la superficie de la Tierra principalmente del Sol. Cada centímetro cuadrado de superficie recibe aproximadamente 2 calorías de calor en un minuto. Esta cantidad se llama constante solar y determina la cantidad total de calor suministrado a la Tierra desde el Sol. Durante un año, asciende a 2,26 · 10 21 calorías. La profundidad de penetración del calor solar en las entrañas de la Tierra depende principalmente de la cantidad de calor que cae por unidad de superficie y de la conductividad térmica de las rocas. La profundidad máxima a la que penetra el calor externo es de 200 m en los océanos y de unos 40 m en tierra.
Calidez interna... Con la profundidad, hay un aumento de temperatura, que se da de forma muy desigual en diferentes territorios. El aumento de temperatura sigue la ley adiabática y depende de la compresión de la sustancia bajo presión cuando el intercambio de calor con el medio ambiente es imposible.
Las principales fuentes de calor dentro de la Tierra:
El calor liberado durante la desintegración radiactiva de los elementos.
Calor residual, conservado desde el momento de la formación de la Tierra.
El calor gravitacional liberado durante la compresión de la Tierra y la distribución de la materia en términos de densidad.
Calor generado por reacciones químicas que tienen lugar en las profundidades de la corteza terrestre.
Calor liberado por la fricción de las mareas de la Tierra.
Hay 3 zonas de temperatura:
I - zona de temperatura variable ... El cambio de temperatura está determinado por el clima local. Las fluctuaciones diarias prácticamente se atenúan a una profundidad de aproximadamente 1,5 m, y las fluctuaciones anuales a profundidades de 20 ... 30 m. Iа - zona de congelación.
II - zona de temperatura constante ubicado a profundidades de 15 ... 40 m, dependiendo de la región.
III - zona de aumento de temperatura .
El régimen de temperatura de las rocas en las entrañas de la corteza terrestre generalmente se expresa mediante un gradiente geotérmico y un paso geotérmico.
La cantidad de aumento de temperatura por cada 100 m de profundidad se llama gradiente geotermal... En África, en el campo Witwatersrand, es de 1,5 ° C, en Japón (Echigo) - 2,9 ° C, en Australia del Sur - 10,9 ° C, en Kazajstán (Samarinda) - 6,3 ° C, en la península de Kola - 0,65 ° C .
Arroz. 3. Zonas de temperaturas en la corteza terrestre: I - zona de temperaturas variables, Iа - zona de congelación; II - zona de temperaturas constantes; III - zona de aumento de temperatura.
La profundidad a la que la temperatura aumenta en 1 grado se llama paso geotermal. Los valores numéricos del paso geotérmico no son constantes no solo en diferentes latitudes, sino también en diferentes profundidades de un mismo punto en la región. La magnitud del paso geotérmico varía de 1,5 a 250 m. En Arkhangelsk es de 10 m, en Moscú - 38,4 my en Pyatigorsk - 1,5 m. El valor teórico promedio de este paso es de 33 m.
En un pozo perforado en Moscú a una profundidad de 1630 m, la temperatura del fondo del pozo fue de 41 ° C, y en una mina perforada en el Donbass a una profundidad de 1545 m, la temperatura fue de 56,3 ° C. La temperatura más alta se registró en EE. UU. En un pozo con una profundidad de 7136 m, donde es igual a 224 ° C. El aumento de temperatura con la profundidad debe tenerse en cuenta al diseñar estructuras profundas.Según los cálculos, a una profundidad de 400 km, la temperatura debe alcanzar los 1400 ... 1700 ° C. Las temperaturas más altas (alrededor de 5000 ° C) se obtuvieron para el núcleo de la Tierra.
El término energía geotérmica proviene de la palabra griega para tierra (geo) y térmica (térmica). De hecho, la energía geotérmica proviene de la tierra misma... El calor del núcleo de la tierra, que tiene un promedio de 3.600 grados Celsius, se irradia hacia la superficie del planeta.
El calentamiento de manantiales y géiseres subterráneos a una profundidad de varios kilómetros se puede llevar a cabo utilizando pozos especiales a través de los cuales fluye agua caliente (o vapor de ella) a la superficie, donde se puede usar directamente como calor o indirectamente para generar electricidad encendiendo la rotación. turbinas.
Dado que el agua debajo de la superficie de la tierra se repone constantemente, y el núcleo de la tierra continuará generando calor relativamente vida humana interminablemente, la energía geotérmica en última instancia limpio y renovable.
Métodos de recolección de recursos energéticos de la Tierra.
Hoy en día existen tres métodos principales para recolectar energía geotérmica: vapor seco, agua caliente y ciclo binario. El proceso de vapor seco hace girar directamente los accionamientos de la turbina de los generadores de energía. El agua caliente entra de abajo hacia arriba y luego se rocía en el tanque para crear vapor para impulsar las turbinas. Estos dos métodos son los más comunes y generan cientos de megavatios de electricidad en Estados Unidos, Islandia, Europa, Rusia y otros países. Pero la ubicación es limitada, ya que estas fábricas solo operan en regiones tectónicas donde es más fácil acceder al agua caliente.
Con la tecnología de ciclo binario, el agua tibia (no necesariamente caliente) se extrae a la superficie y se combina con butano o pentano, que tiene un punto de ebullición bajo. Este líquido se bombea a través de un intercambiador de calor donde se vaporiza y se envía a través de una turbina antes de ser recirculado de regreso al sistema. La tecnología de ciclo binario proporciona decenas de megavatios de electricidad en los Estados Unidos: California, Nevada y las islas Hawaianas.
El principio de obtención de energía.
Desventajas de obtener energía geotérmica
A nivel de servicios públicos, las plantas de energía geotérmica son costosas de construir y operar. Encontrar una ubicación adecuada requiere costosos estudios de pozos sin garantía de llegar a un punto caliente subterráneo productivo. Sin embargo, los analistas esperan que esta capacidad casi se duplique durante los próximos seis años.
Además, las áreas con alta temperatura de la fuente subterránea se ubican en áreas con volcanes geológicos activos. Estos "puntos calientes" se han formado en los límites de las placas tectónicas en lugares donde la corteza es bastante delgada. región pacífica, a menudo referido como un anillo de fuego para muchos volcanes con muchos puntos calientes, incluidos Alaska, California y Oregón. Nevada tiene cientos de puntos críticos que cubren la mayor parte del norte de los Estados Unidos.
También hay otras regiones sísmicamente activas. Los terremotos y el movimiento del magma permiten que el agua circule. En algunos lugares, el agua sube a la superficie y se forman fuentes termales y géiseres naturales, como en Kamchatka. El agua de los géiseres de Kamchatka alcanza los 95 ° C. 
Uno de los problemas sistema abierto géiseres es la liberación de algunos contaminantes del aire. El sulfuro de hidrógeno es un gas tóxico con un olor muy reconocible a "huevo podrido": una pequeña cantidad de arsénico y minerales que se liberan con el vapor. La sal también puede plantear un problema medioambiental.
Plantas de energía geotérmica costa afuera cantidad importante la sal interferente se acumula en las tuberías. En los sistemas cerrados, no hay emisiones y se devuelve todo el líquido traído a la superficie.
El potencial económico del recurso energético
Los puntos calientes no son los únicos lugares donde se puede encontrar energía geotérmica. Existe un suministro constante de calor utilizable para fines de calentamiento directo en cualquier lugar desde 4 metros hasta varios kilómetros por debajo de la superficie de prácticamente cualquier lugar de la tierra. Incluso la tierra en su propio patio trasero o en la escuela local tiene el potencial económico en forma de calor para bombear a su hogar u otros edificios.
Además, hay gran cantidad energía térmica en formaciones rocosas secas muy profundas por debajo de la superficie (4 - 10 km).
El uso de nueva tecnología podría expandir los sistemas geotérmicos, donde los humanos pueden usar este calor para generar electricidad a una escala mucho mayor que las tecnologías convencionales. Los primeros proyectos de demostración de este principio de generación de electricidad se mostraron en Estados Unidos y Australia en 2013.
Si se puede aprovechar todo el potencial económico de los recursos geotérmicos, esto representará una enorme fuente de electricidad para las instalaciones de producción. Los científicos sugieren que las fuentes geotérmicas convencionales tienen un potencial de 38.000 MW, que pueden generar 380 millones de MW de electricidad al año.
Las rocas secas calientes se encuentran a profundidades de 5 a 8 km en todas partes bajo tierra y a profundidades menores en ciertos lugares. El acceso a estos recursos implica la introducción de agua fría que circula a través de las rocas calientes y la eliminación del agua calentada. Actualmente no uso comercial esta tecnología. Las tecnologías existentes aún no permiten restaurar energía térmica directamente del magma, muy profundo, pero este es el recurso más poderoso de energía geotérmica.
Con la combinación de recursos energéticos y su consistencia, la energía geotérmica puede desempeñar un papel insustituible como sistema energético más limpio y sostenible.
Estructuras de plantas de energía geotérmica
La energía geotérmica es calor limpio y sostenible de la Tierra. Se encuentran grandes recursos en el rango de varios kilómetros por debajo de la superficie de la tierra, e incluso más profundo, hasta la alta temperatura de la roca fundida llamada magma. Pero como se describió anteriormente, la gente aún no ha llegado al magma.
Tres diseños de plantas de energía geotérmica.
La tecnología de la aplicación está determinada por el recurso. Si el agua proviene del pozo en forma de vapor, se puede utilizar directamente. Si el agua caliente está lo suficientemente caliente, debe pasar por un intercambiador de calor.
El primer pozo para la generación de energía se perforó antes de 1924. Los pozos más profundos se perforaron en la década de 1950, pero el desarrollo real tiene lugar en las décadas de 1970 y 1980.
Uso directo de calor geotérmico
Las fuentes geotérmicas también se pueden utilizar directamente para fines de calefacción. El agua caliente se utiliza para calentar edificios, cultivar plantas en invernaderos, secar pescado y cultivos, mejorar la recuperación de aceite, ayudar a los procesos industriales como pasteurizadores de leche y calentar agua en granjas de peces. En los EE. UU., Klamath Falls, Oregon y Boise, Idaho, el agua geotérmica se ha utilizado para calentar casas y edificios durante más de un siglo. En la costa este, Warm Springs, Virginia extrae el calor directamente del agua de manantial utilizando fuentes de calor locales.
En Islandia, casi todos los edificios del país se calientan con agua termal. De hecho, Islandia obtiene más del 50 por ciento de su energía primaria de fuentes geotérmicas. En Reykjavik, por ejemplo, (población 118 mil), el agua caliente se transporta a lo largo de 25 kilómetros y los residentes la usan para calefacción y necesidades naturales.
Nueva Zelanda obtiene un 10% adicional de su electricidad. está subdesarrollado, a pesar de la presencia de aguas termales.
ELLOS. Kapitonov
Calor nuclear de la Tierra
Calor terrenal
La tierra es un cuerpo bastante caliente y es una fuente de calor. Se calienta, en primer lugar, debido a la radiación solar absorbida. Pero la Tierra también tiene su propio recurso de calor comparable al calor recibido del Sol. Se cree que esta auto-energía de la Tierra tiene el siguiente origen. La Tierra surgió hace unos 4.500 millones de años tras la formación del Sol a partir de un disco de polvo de gas protoplanetario que gira a su alrededor y se condensa. En la etapa inicial de su formación, el calentamiento de la sustancia terrestre tuvo lugar debido a la compresión gravitacional relativamente lenta. También jugó un papel importante en el equilibrio térmico de la Tierra la energía liberada cuando pequeños cuerpos cósmicos cayeron sobre ella. Por lo tanto, la Tierra joven se fundió. Al enfriarse, gradualmente llegó a su estado actual con una superficie sólida, una parte significativa de la cual está cubierta de océanos y aguas del mar... Esta capa exterior dura se llama corteza y en promedio en áreas terrestres su espesor es de unos 40 km, y bajo aguas oceánicas- 5-10 km. La capa más profunda de la Tierra, llamada manto, también consta de un sólido. Se extiende a una profundidad de casi 3000 km y contiene la mayor parte del material de la Tierra. Finalmente, la parte más interna de la Tierra es su centro... Consta de dos capas: externa e interna. Núcleo externo es una capa de hierro fundido y níquel a una temperatura de 4500-6500 K y un espesor de 2000-2500 km. Núcleo central con un radio de 1000-1500 km es una aleación dura de hierro-níquel calentada a una temperatura de 4000-5000 K con una densidad de aproximadamente 14 g / cm 3, que surgió a una presión enorme (casi 4 millones de bares).
Además del calor interno de la Tierra, heredado de la etapa caliente más temprana de su formación, y cuya cantidad debería disminuir con el tiempo, existe otro, a largo plazo, asociado con la desintegración radiactiva de núcleos con una vida media larga, principalmente 232 Th, 235 U, 238 U y 40 K. La energía liberada en estas desintegraciones, que representan casi el 99% de la energía radiactiva de la Tierra, repone constantemente las reservas térmicas de la Tierra. Los núcleos antes mencionados se encuentran en la corteza y el manto. Su descomposición conduce al calentamiento de las capas interna y externa de la Tierra.
Parte del enorme calor contenido dentro de la Tierra sale constantemente a su superficie, a menudo en procesos volcánicos a gran escala. Se conoce el flujo de calor que fluye desde las profundidades de la Tierra a través de su superficie. Es (47 ± 2) · 10 12 vatios, que equivale al calor que pueden generar 50 mil centrales nucleares (la potencia media de una central nuclear es de unos 10 9 vatios). Surge la pregunta de si la energía radiactiva juega un papel significativo en el balance térmico total de la Tierra, y si lo hace, entonces, ¿qué papel? La respuesta a estas preguntas largo tiempo permaneció desconocido. Ahora han surgido oportunidades para responder a estas preguntas. El papel clave aquí pertenece a los neutrinos (antineutrinos), que nacen en los procesos de desintegración radiactiva de los núcleos que componen la sustancia de la Tierra y que se denominan geo-neutrino.
Geo-neutrino
Geo-neutrino- Este es el nombre colectivo de los neutrinos o antineutrinos, que se emiten como resultado de la desintegración beta de los núcleos ubicados debajo de la superficie terrestre. Obviamente, debido a su capacidad de penetración sin precedentes, el registro de ellos (y solo ellos) por los detectores de neutrinos terrestres puede proporcionar información objetiva sobre los procesos de desintegración radiactiva que tienen lugar en las profundidades de la Tierra. Un ejemplo de tal desintegración es la desintegración β - del núcleo de 228 Ra, que es un producto de la desintegración α del núcleo de 232 Th de larga duración (ver tabla):
La vida media (T 1/2) del núcleo de 228 Ra es de 5,75 años, la energía liberada es de aproximadamente 46 keV. El espectro de energía del antineutrino es continuo con el límite superior cercano a la energía liberada.
Las desintegraciones de los núcleos 232 Th, 235 U, 238 U son cadenas de desintegraciones sucesivas que forman el llamado rangos radiactivos... En tales cadenas, las desintegraciones α se intercalan con las desintegraciones β, ya que durante las desintegraciones α los núcleos finales se desplazan desde la línea de estabilidad β a la región de núcleos sobrecargados con neutrones. Después de una cadena de desintegraciones sucesivas al final de cada fila, se forman núcleos estables con un número mágico cercano o igual de protones y neutrones (Z
=
82,norte= 126). Dichos núcleos finales son isótopos estables de plomo o bismuto. Así, la desintegración de T 1/2 termina con la formación de un núcleo doblemente mágico de 208 Pb, y en el camino 232 Th → 208 Pb se producen seis desintegraciones α, alternando con cuatro desintegraciones β - (en la cadena 238 U → 206 Pb, ocho α- y seis β - - desintegraciones; en la cadena 235 U → 207 Pb, hay siete α y cuatro β - desintegraciones). Por tanto, el espectro de energía de los antineutrinos de cada serie radiactiva es una superposición de espectros parciales de desintegraciones β individuales que componen esta serie. Los espectros de antineutrinos formados en las desintegraciones 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K se muestran en la Fig. 1. La desintegración de 40 K es una sola desintegración β (ver tabla). Los antineutrinos alcanzan la energía más alta (hasta 3,26 MeV) en la desintegración
214 Bi → 214 Po, que es un enlace de la serie radiactiva 238 U. La energía total liberada durante el paso de todos los enlaces de desintegración de la serie 232 Th → 208 Pb es 42,65 MeV. Para las series radiactivas 235 U y 238 U, estas energías son 46,39 y 51,69 MeV, respectivamente. Energía liberada en descomposición
40 K → 40 Ca, es 1,31 MeV.
Características de los núcleos 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K
| Centro | Compartir en% en la mezcla isótopos |
Numero de nucleos relata. núcleos Si |
T 1/2, mil millones de años |
Primeros enlaces decaer |
|---|---|---|---|---|
| 232 mil | 100 | 0.0335 | 14.0 | |
| 235 U | 0.7204 | 6,48 · 10 -5 | 0.704 | |
| 238 U | 99.2742 | 0.00893 | 4.47 | |
| 40 K | 0.0117 | 0.440 | 1.25 |
 |
Una estimación del flujo de geoneutrinos realizada sobre la base de la desintegración de los núcleos 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K contenidos en la materia de la Tierra conduce a un valor del orden de 10 6 cm -2 seg -1. Al registrar estos geoneutrinos, se puede obtener información sobre el papel del calor radiactivo en el balance de calor total de la Tierra y comprobar nuestras ideas sobre el contenido de radioisótopos de larga duración en la composición de la materia terrestre.
Arroz. 1. Espectros de energía de los antineutrinos de la desintegración nuclear
232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, normalizado a una desintegración del núcleo principal
Para registrar antineutrinos electrónicos, se utiliza la reacción
P → e + + n, (1)
en el que realmente se descubrió esta partícula. El umbral para esta reacción es 1,8 MeV. Por lo tanto, solo los geoneutrinos formados en cadenas de desintegración a partir de núcleos de 232 Th y 238 U pueden registrarse en la reacción anterior. La sección transversal efectiva de la reacción discutida es extremadamente pequeña: σ ≈ 10-43 cm 2. Por lo tanto, se deduce que un detector de neutrinos con un volumen sensible de 1 m 3 no registrará más que unos pocos eventos por año. Obviamente, para la fijación confiable de los flujos de geoneutrinos, se necesitan detectores de neutrinos de gran volumen, ubicados en laboratorios subterráneos para una máxima protección contra el fondo. La idea de registrar geoneutrinos con detectores diseñados para estudiar neutrinos solares y de reactores surgió en 1998. Actualmente, existen dos detectores de neutrinos de gran volumen que utilizan un centelleador líquido y son adecuados para resolver este problema. Se trata de detectores de neutrinos de los experimentos de KamLAND (Japón) y Borexino (Italia). A continuación consideramos el dispositivo del detector Borexino y los resultados obtenidos en este detector en el registro de geoneutrinos.
Detector de Borexino y registro de geo-neutrinos
El detector de neutrinos Borexino se encuentra en el centro de Italia en un laboratorio subterráneo bajo la cordillera del Gran Sasso, cuya altura de los picos alcanza los 2,9 km (Fig. 2).
Arroz. 2. Disposición del laboratorio de neutrinos bajo la cordillera del Gran Sasso (centro de Italia)
Borexino es un detector masivo no segmentado, cuyo medio activo es
280 toneladas de centelleador líquido orgánico. Llenó un recipiente esférico de nailon de 8,5 m de diámetro (Fig. 3). El centelleador es pseudocumeno (C 9 H 12) con un aditivo de cambio de espectro PPO (1,5 g / L). La luz del centelleador es recogida por 2.212 tubos fotomultiplicadores (PMT) de ocho pulgadas montados en una esfera de acero inoxidable (SNS).
Arroz. 3. Diagrama del dispositivo detector Borexino
Un recipiente de nailon con pseudocumeno es un detector interno, cuya tarea es registrar neutrinos (antineutrinos). El detector interno está rodeado por dos zonas de amortiguación concéntricas que lo protegen de los rayos gamma y neutrones externos. La zona interior se llena con un medio no centelleante que consta de 900 toneladas de pseudocumeno con aditivos de ftalato de dimetilo que apagan el centelleo. La zona exterior está ubicada en la parte superior del SNS y es un detector de agua Cherenkov que contiene 2000 toneladas de agua ultrapura y corta las señales de los muones que ingresan a la configuración desde el exterior. Para cada interacción que tiene lugar en el detector interno, se determinan la energía y el tiempo. La calibración del detector utilizando diversas fuentes radiactivas permitió determinar con mucha precisión su escala de energía y el grado de reproducibilidad de la señal luminosa.
Borexino es un detector de muy alta pureza de radiación. Todos los materiales se han seleccionado rigurosamente y el centelleador se ha purificado para minimizar el fondo interno. Debido a su alta pureza de radiación, Borexino es un excelente detector para detectar antineutrinos.
En la reacción (1), el positrón da una señal instantánea, seguida de un tiempo por la captura de un neutrón por un núcleo de hidrógeno, lo que conduce a la aparición de un γ-cuanto con una energía de 2,22 MeV, que crea una señal retardada. relativo al primero. En Borexino, el tiempo de captura de neutrones es de aproximadamente 260 μs. Las señales instantáneas y retardadas están correlacionadas en el espacio y el tiempo, proporcionando un reconocimiento preciso del evento causado por e.
El umbral para la reacción (1) es 1,806 MeV y, como se puede ver en la Fig. 1, todos los geoneutrinos de desintegraciones de 40 K y 235 U resultan estar por debajo de este umbral, y solo se puede detectar una parte de los geoneutrinos que surgen en desintegraciones de 232 Th y 238 U.
El detector Borexino detectó por primera vez señales de geoneutrinos en 2010, y recientemente se publicaron nuevos resultados basados en observaciones durante 2056 días desde diciembre de 2007 a marzo de 2015. A continuación presentamos los datos obtenidos y los resultados de su discusión, basados en el artículo.
Como resultado del análisis de los datos experimentales, se identificaron 77 candidatos a antineutrinos electrónicos que pasaron todos los criterios de selección. El fondo de los eventos que imitan e se estimó mediante el valor. Por lo tanto, la relación señal-fondo fue ≈100.
Los antineutrinos de los reactores fueron la principal fuente de antecedentes. Para Borexino, la situación fue bastante favorable, ya que no hay reactores nucleares cerca del laboratorio Gran Sasso. Además, los antineutrinos del reactor son más energéticos que los geoneutrinos, lo que hizo posible separar estos antineutrinos del positrón en magnitud de señal. Los resultados del análisis de las contribuciones de los geoneutrinos y los antineutrinos del reactor al número total de eventos registrados de e se muestran en la Fig. 4. El número de geo-neutrinos detectados dado por este análisis (en la Fig. 4 corresponden a la región oscurecida) es igual a 
... En el espectro geoneutrino extraído como resultado del análisis, dos grupos son visibles: menos enérgicos, más intensos y más enérgicos, menos intensos. Los autores del estudio descrito asocian estos grupos con la desintegración del torio y el uranio, respectivamente.
El análisis discutido utilizó la relación de las masas de torio y uranio en el material de la Tierra.
m (Th) / m (U) = 3.9 (en la tabla, este valor es ≈3.8). Esta cifra refleja el contenido relativo de estos elementos químicos en las condritas, el grupo más común de meteoritos (más del 90% de los meteoritos que cayeron a la Tierra pertenecen a este grupo). Se cree que la composición de las condritas, a excepción de los gases ligeros (hidrógeno y helio), repite la composición del sistema solar y el disco protoplanetario a partir del cual se formó la Tierra.
Arroz. 4. Espectro de salida de luz de positrones en unidades del número de fotoelectrones para eventos antineutrinos candidatos (puntos experimentales). El área sombreada es la contribución de los geoneutrinos. La línea continua es la contribución de los antineutrinos del reactor.
