Jau seniai žmonės žinojo apie spontaniškas gelmėse slypinčios milžiniškos energijos apraiškas. pasaulis... Žmonijos atmintyje saugomos legendos apie katastrofiškus ugnikalnių išsiveržimus, nusinešusius milijonus žmonių gyvybių, neatpažįstamai pakeitusius daugelio Žemės vietų išvaizdą. Net palyginti nedidelio ugnikalnio išsiveržimo galia yra kolosali, ji daug kartų viršija didžiausių žmogaus rankomis sukurtų elektrinių galią. Tiesa, apie tiesioginį ugnikalnių išsiveržimų energijos panaudojimą kalbėti neverta: kol kas žmonės neturi galimybių pažaboti šios maištaujančios stichijos, o, laimei, išsiveržimai yra gana reti įvykiai. Tačiau tai yra energijos apraiškos, slypinčios žemės gelmėse, kai tik mažytė šios neišsenkančios energijos dalelė randa išėjimą per ugnikalnių ugnikalnių angas.
Mažas Europos šalis Islandija (pažodžiui išvertus „ledo žemė“) visiškai apsirūpina pomidorais, obuoliais ir net bananais! Daugybė Islandijos šiltnamių energiją gauna iš žemės šilumos, kitų vietinių energijos šaltinių Islandijoje praktiškai nėra. Tačiau ši šalis yra labai turtinga karštosios versmės ir garsieji geizeriai – karšto vandens fontanai, iš žemės išsiveržiančio chronometro tikslumu. Ir nors ne islandai turi pirmenybę naudoti požeminių šaltinių šilumą (net senovės romėnai garsios pirtys- Karakalos terminės vonios - jos atnešė vandenį iš žemės), šios mažos šiaurės šalies gyventojai labai intensyviai eksploatuoti požeminę katilinę... Sostinė Reikjavikas, kurioje gyvena pusė šalies gyventojų, šildoma tik požeminiais šaltiniais. Reikjavikas yra idealus atspirties taškas tyrinėjant Islandiją: iš čia galėsite leistis į pačias įdomiausias ir įvairiausias ekskursijas į bet kurį šios unikalios šalies kampelį: geizeriai, ugnikalniai, kriokliai, riolito kalnai, fiordai... Visur Reikjavike patirsite ŠVARĄ. ENERGIJA - geizerių šiluminė energija, trykštanti iš žemės, švaros ir idealiai žalio miesto erdvės energija, linksmos ir uždegančios energijos energija. naktinis gyvenimas Reikjavikas ištisus metus.
Tačiau ne tik šildymui žmonės semiasi energijos iš žemės gelmių. Elektrinės, naudojančios karštąsias požemines versmes, veikė jau seniai. Pirmoji tokia, vis dar labai maža, elektrinė buvo pastatyta 1904 m. nedideliame Italijos miestelyje Larderello, pavadintame prancūzų inžinieriaus Larderelli vardu, kuris dar 1827 m. parengė projektą, kaip panaudoti daugybę karštųjų versmių rajone. Palaipsniui augo jėgainės galia, buvo pradėta eksploatuoti vis daugiau blokų, pradėti naudoti nauji karšto vandens šaltiniai, o šiandien stoties galia jau pasiekė įspūdingą vertę – 360 tūkstančių kilovatų. Naujojoje Zelandijoje tokia elektrinė yra Vairakėjaus regione, kurios galia siekia 160 tūkstančių kilovatų. 120 km nuo San Francisko JAV, 500 tūkstančių kilovatų galios geoterminė stotis gamina elektros energiją.
Geotermine energija
Jau seniai žmonės žinojo apie spontaniškas gigantiškos energijos apraiškas, slypinčias žemės rutulio žarnyne. Žmonijos atmintyje saugomos legendos apie katastrofiškus ugnikalnių išsiveržimus, nusinešusius milijonus žmonių gyvybių, neatpažįstamai pakeitusius daugelio Žemės vietų išvaizdą. Net palyginti nedidelio ugnikalnio išsiveržimo galia yra kolosali, ji daug kartų viršija didžiausių žmogaus rankomis sukurtų elektrinių galią. Tiesa, apie tiesioginį ugnikalnių išsiveržimų energijos panaudojimą kalbėti neverta – kol kas žmonės neturi galimybės pažaboti šios maištaujančios stichijos, o, laimei, išsiveržimai yra gana reti įvykiai. Tačiau tai yra energijos apraiškos, slypinčios žemės gelmėse, kai tik mažytė šios neišsenkančios energijos dalelė randa išėjimą per ugnikalnių ugnikalnių angas.
Geizeris yra karštas pavasaris kuri išsviedžia savo vandenį taisyklingame ar netaisyklingame aukštyje, kaip fontanas. Pavadinimas kilęs iš islandų kalbos žodžio „pours“. Geizerių atsiradimui reikalinga tam tikra palanki aplinka, kuri susidaro tik keliose žemės vietose, o tai lemia gana retą jų buvimą. Beveik 50% geizerių yra čia Nacionalinis parkas Jeloustounas (JAV). Geizerio veikla gali sustoti dėl vidurių pokyčių, žemės drebėjimų ir kitų veiksnių. Geizerio veikimą sukelia vandens sąlytis su magma, po kurio vanduo greitai įšyla ir, veikiamas geoterminės energijos, smarkiai išmetamas aukštyn. Po išsiveržimo vanduo geizeryje pamažu atvėsta, vėl išsiveržia į magmą ir vėl trykšta. Įvairių geizerių išsiveržimų dažnis svyruoja nuo kelių minučių iki kelių valandų. Didelės energijos poreikis geizerio veikimui - Pagrindinė priežastis jų retumas. Vulkaninėse vietovėse gali būti karštųjų versmių, purvo ugnikalniai, fumaroles, tačiau vietų, kur stovi geizeriai, yra labai mažai. Faktas yra tas, kad net jei ugnikalnio veiklos vietoje buvo suformuotas geizeris, vėlesni išsiveržimai sunaikins žemės paviršių ir pakeis jo būseną, dėl ko geizeris išnyks.
Žemės energija ( geotermine energija) yra pagrįsta natūralios Žemės šilumos naudojimu. Žemės viduriai yra kupini kolosalaus, praktiškai neišsenkamo energijos šaltinio. Kasmetinė vidinės šilumos spinduliuotė mūsų planetoje yra 2,8 * 1014 milijardo kWh. Jį nuolat kompensuoja kai kurių izotopų radioaktyvusis skilimas žemės pluta.
Geoterminės energijos šaltiniai gali būti dviejų tipų. Pirmoji rūšis yra požeminiai natūralių šilumnešių baseinai – karšto vandens (hidroterminių šaltinių), arba garo (garo terminės versmės), arba garo ir vandens mišinio. Iš esmės tai yra tiesiogiai paruošti naudoti „požeminiai katilai“, iš kurių naudojant įprastus gręžinius galima gaminti vandenį arba garą. Antrasis tipas yra karšto šiluma akmenys... Siurbdami vandenį į tokius horizontus, taip pat galite gauti garų arba perkaitinto vandens, kad galėtumėte toliau naudoti energetiniais tikslais.
Tačiau abiem naudojimo atvejais pagrindinis trūkumas galbūt yra labai silpna geoterminės energijos koncentracija. Tačiau ypatingų geoterminių anomalijų susidarymo vietose, kur karštosios versmės ar uolienos priartėja prie paviršiaus gana arti ir kur, panardinus į gylį, temperatūra kas 100 m pakyla 30-40 °C, geoterminės energijos koncentracija gali sudaryti sąlygas jos ekonominiam naudojimui. Priklausomai nuo vandens, garo ar garo-vandens mišinio temperatūros, geoterminiai šaltiniai skirstomi į žemos ir vidutinės temperatūros (su temperatūra iki 130 - 150 °C) ir aukštos temperatūros (virš 150 °C). Jų naudojimo pobūdis labai priklauso nuo temperatūros.
Galima ginčytis, kad geotermine energija turi keturis naudingus skiriamuosius bruožus.
Pirma, jo atsargos yra praktiškai neišsenkančios. Aštuntojo dešimtmečio pabaigos skaičiavimais, iki 10 km gylio jie yra 3,5 tūkstančio kartų didesni už atsargas. tradicinės rūšys mineralinis kuras.
Antra, geoterminė energija yra gana plačiai paplitusi. Jo koncentracija daugiausia siejama su aktyvių seisminių ir vulkaninė veikla, kurios užima 1/10 Žemės ploto. Šiose juostose galima išskirti keletą perspektyviausių „geoterminių regionų“, kurių pavyzdžiai yra Kalifornija JAV, Naujoji Zelandija, Japonija, Islandija, Kamčiatka, Šiaurės Kaukazas Rusijoje. Vien buvusioje SSRS iki 90-ųjų pradžios buvo atidaryta apie 50 požeminių karšto vandens ir garų baseinų.
Trečia, geoterminės energijos naudojimas nereikalauja didelių išlaidų, nes tokiu atveju ateina apie „paruoštus naudoti“ energijos šaltinius, sukurtus pačios gamtos.
Galiausiai, ketvirta, geoterminė energija yra visiškai nekenksminga ekologiniu požiūriu ir neteršia aplinkos.
Žmogus jau seniai naudoja Žemės vidinės šilumos energiją (prisiminkime bent jau garsiąsias romėnų pirtis), tačiau komercinis jos naudojimas pradėtas tik praėjusio amžiaus 2 dešimtmetyje, kai Italijoje, o vėliau ir kitose šalyse buvo pastatytos pirmosios geoelektrinės. . Iki devintojo dešimtmečio pradžios pasaulyje veikė apie 20 tokių stočių, kurių bendra galia siekė 1,5 mln. kW. Didžiausia iš jų – „Geizerių“ stotis JAV (500 tūkst. kW).
Geoterminė energija naudojama elektrai gaminti, namams, šiltnamiams šildyti ir kt. Kaip šilumos nešiklis naudojami sausi garai, perkaitintas vanduo arba koks nors žemos virimo temperatūros aušinimo skystis (amoniakas, freonas ir kt.).
Mūsų šalyje, kurioje gausu angliavandenilių, geoterminė energija yra egzotiškas išteklius, kuris, atsižvelgiant į dabartinę padėtį, vargu ar konkuruos su nafta ir dujomis. Nepaisant to, ši alternatyvi energijos forma gali būti naudojama beveik visur ir yra gana efektyvi.
Geoterminė energija yra žemės vidaus šiluma. Jis gaminamas gelmėse ir patenka į Žemės paviršių skirtingos formos ir su skirtingu intensyvumu.
Viršutinių dirvožemio sluoksnių temperatūra daugiausia priklauso nuo išorinių (egzogeninių) veiksnių – saulės šviesos ir oro temperatūros. Vasarą ir dieną dirvožemis įšyla iki tam tikro gylio, o žiemą ir naktį atšąla pasikeitus oro temperatūrai ir šiek tiek uždelsdamas, didėjant gyliui. Kasdienių oro temperatūros svyravimų įtaka baigiasi gylyje nuo kelių iki kelių dešimčių centimetrų. Sezoniniai svyravimai apima gilesnius dirvožemio sluoksnius – iki dešimčių metrų.
Tam tikrame gylyje – nuo dešimčių iki šimtų metrų – dirvožemio temperatūra palaikoma pastovi, lygi vidutinei metinei oro temperatūrai Žemės paviršiuje. Tai nesunku įsitikinti nusileidus į pakankamai gilų urvą.
Kai vidutinė metinė oro temperatūra tam tikroje vietovėje yra žemiau nulio, tai pasireiškia amžinuoju įšalu (tiksliau – amžinuoju įšalu). Rytų Sibire ištisus metus įšalusių dirvų storis, tai yra storis, vietomis siekia 200-300 m.
Nuo tam tikro gylio (kiekvienam žemėlapio taškui savo) Saulės ir atmosferos veikimas taip susilpnėja, kad išryškėja endogeniniai (vidiniai) veiksniai ir žemės vidus įšyla iš vidaus, todėl temperatūra. pradeda kilti su gyliu.
Giliųjų Žemės sluoksnių įkaitimas daugiausia siejamas su ten esančių radioaktyviųjų elementų irimu, nors kitais šilumos šaltiniais vadinami ir, pavyzdžiui, fizikiniai ir cheminiai, tektoniniai procesai giliuose žemės plutos ir mantijos sluoksniuose. Tačiau, kad ir kokia būtų priežastis, uolienų ir susijusių skystųjų bei dujinių medžiagų temperatūra didėja didėjant gyliui. Kalnakasiai susiduria su šiuo reiškiniu – giliose kasyklose visada karšta. 1 km gylyje trisdešimties laipsnių karštis yra normalus, o giliau temperatūra dar aukštesnė.
Žemės vidaus šilumos srautas, pasiekiantis Žemės paviršių, yra mažas – vidutiniškai jo galia yra 0,03–0,05 W / m 2 arba apie 350 W · h / m 2 per metus. Saulės šilumos srauto ir jos šildomo oro fone tai yra nepastebima vertybė: Saulė suteikia kiekvienam kvadratinis metrasŽemės paviršius per metus yra apie 4000 kWh, tai yra 10000 kartų daugiau (žinoma, tai yra vidutiniškai, esant didžiuliam skirtumui tarp poliarinės ir pusiaujo platumos ir priklausomai nuo kitų klimato ir oro veiksnių).
Šilumos srauto iš gelmių į paviršių nereikšmingumas didžiojoje planetos dalyje yra susijęs su mažu uolienų šilumos laidumu ir savybėmis. geologinė struktūra... Tačiau yra išimčių – vietos, kur šilumos srautas didelis. Tai visų pirma zonos tektoniniai lūžiai, padidėjo seisminis aktyvumas ir vulkanizmas, kur išeitį randa žemės vidaus energija. Tokioms zonoms būdingos litosferos šiluminės anomalijos, čia šilumos srautas, pasiekiantis Žemės paviršių, gali būti kelis kartus ir net eilėmis galingesnis už „įprastą“. Vulkanų išsiveržimai ir karšto vandens šaltiniai šiose zonose į paviršių išneša didžiulį šilumos kiekį.
Būtent šios vietovės yra palankiausios geoterminės energetikos plėtrai. Rusijos teritorijoje tai visų pirma Kamčiatka, Kurilų salos ir Kaukazo.
Tuo pačiu metu geoterminės energijos plėtra įmanoma beveik visur, nes temperatūros kilimas kartu su gyliu yra visur paplitęs reiškinys, o užduotis yra „ištraukti“ šilumą iš žarnyno, kaip iš ten išgaunamos mineralinės žaliavos.
Vidutiniškai kas 100 m temperatūra didėja didėjant gyliui 2,5–3 ° C. Temperatūros skirtumo tarp dviejų taškų skirtinguose gyliuose ir gylio skirtumo tarp jų santykis vadinamas geoterminiu gradientu.
Abipusis yra geoterminis žingsnis arba gylio intervalas, kai temperatūra pakyla 1 ° C.
Kuo didesnis gradientas ir atitinkamai žemesnis laiptelis, tuo Žemės gelmių šiluma artėja prie paviršiaus ir ši sritis yra perspektyvesnė geoterminės energijos plėtrai.
Įvairiose vietovėse, priklausomai nuo geologinės struktūros ir kitų regioninių bei vietinių sąlygų, temperatūros kilimo greitis didėjant gyliui gali labai skirtis. Žemės mastu geoterminių gradientų ir žingsnių dydžių svyravimai siekia 25 kartus. Pavyzdžiui, Oregone (JAV) gradientas yra 150 ° C / km, o Pietų Afrikoje - 6 ° C / km.
Kyla klausimas, kokia temperatūra dideliame gylyje – 5, 10 km ar daugiau? Jei tendencija tęsis, temperatūra 10 km gylyje turėtų būti vidutiniškai apie 250–300 °C. Tai daugiau ar mažiau patvirtina tiesioginiai stebėjimai itin giliuose šuliniuose, nors vaizdas yra daug sudėtingesnis nei tiesinis temperatūros padidėjimas.
Pavyzdžiui, Koloje supergilus šulinys gręžiant Baltijos kristaliniame skyde, temperatūra iki 3 km gylio kinta 10 °C / 1 km greičiu, o tada geoterminis gradientas tampa 2–2,5 karto didesnis. 7 km gylyje jau buvo užfiksuota 120 ° C temperatūra, 10 km gylyje - 180 ° C, o 12 km gylyje - 220 ° C.
Kitas pavyzdys yra gręžinys, išgręžtas šiaurinėje Kaspijos jūros regione, kur 500 m gylyje buvo užfiksuota 42 ° C temperatūra, 1,5 km gylyje - 70 ° C, 2 km - 80 ° C, o 3 km gylyje - 108 ° C.
Daroma prielaida, kad geoterminis gradientas mažėja pradedant nuo 20-30 km gylio: 100 km gylyje numatoma apie 1300-1500 °C temperatūra, 400 km gylyje - 1600 °C, Žemės gelmėse. šerdyje (gylis viršija 6000 km) - 4000-5000 ° C.
10–12 km gylyje temperatūra matuojama per gręžinius; kur jų nėra, tai nustatoma netiesioginiais ženklais taip pat, kaip ir didesniame gylyje. Tokie netiesioginiai požymiai gali būti seisminių bangų praėjimo pobūdis arba ištekančios lavos temperatūra.
Tačiau geoterminės energijos tikslais duomenys apie temperatūrą didesniame nei 10 km gylyje dar nėra praktiški.
Kelių kilometrų gylyje yra daug šilumos, bet kaip ją pakelti? Kartais šią problemą mums išsprendžia pati gamta natūralaus šilumnešio pagalba – šildoma terminiai vandenys kurie iškyla į paviršių arba guli mums prieinamame gylyje. Kai kuriais atvejais vanduo gelmėse pašildomas iki garo būsenos.
Nėra griežto termino „terminiai vandenys“ apibrėžimo. Paprastai jie reiškia karštą požeminį vandenį skystoje būsenoje arba garų pavidalu, įskaitant tuos, kurie išeina į Žemės paviršių, kurio temperatūra viršija 20 ° C, tai yra, kaip taisyklė, aukštesnė už oro temperatūrą.
Požeminio vandens, garo, garo ir vandens mišinių šiluma yra hidroterminė energija. Atitinkamai, energija, pagrįsta jos panaudojimu, vadinama hidrotermine.
Padėtis yra sudėtingesnė gaminant šilumą tiesiai iš sausų uolienų – naftos šiluminę energiją, juolab kad gana aukšta temperatūra, kaip taisyklė, prasideda nuo kelių kilometrų gylio.
Rusijos teritorijoje naftos šiluminės energijos potencialas yra šimtą kartų didesnis nei hidroterminės energijos – atitinkamai 3500 ir 35 trilijonai tonų kuro ekvivalento. Tai gana natūralu – Žemės gelmių šiluma yra visur, o terminiai vandenys randami lokaliai. Tačiau dėl akivaizdžių techninių sunkumų gaminant šilumą ir elektrą jie šiuo metu naudojami didžiąja dalimi terminiai vandenys.
Vanduo, kurio temperatūra yra nuo 20–30 °C iki 100 °C, tinka šildymui, nuo 150 °C ir aukštesnė – ir elektros gamybai geoterminėse elektrinėse.
Apskritai geoterminiai ištekliai Rusijos teritorijoje, skaičiuojant tonomis ekvivalentinio kuro ar bet kokiu kitu energijos matavimo vienetu, yra apie 10 kartų didesni nei iškastinio kuro atsargos.
Teoriškai visiškai patenkinti galėtų tik geoterminė energija energijos poreikiusŠalis. Praktiškai šiuo metu didžiojoje jos teritorijos dalyje tai neįmanoma dėl techninių ir ekonominių priežasčių.
Pasaulyje geoterminės energijos naudojimas dažniausiai siejamas su Islandija – šalimi, esančia šiauriniame Vidurio Atlanto kalnagūbrio gale, itin aktyvioje tektoninėje ir vulkaninė zona... Turbūt visi prisimena galingą Eyjafjallajokull ugnikalnio išsiveržimą ( Eyjafjallajökull) 2010 m.
Būtent dėl šios geologinės specifikos Islandija turi didžiulius geoterminės energijos rezervus, įskaitant karštąsias versmes, kurios išeina į Žemės paviršių ir net trykšta geizerių pavidalu.
Islandijoje daugiau nei 60% visos suvartojamos energijos šiuo metu paimama iš Žemės. Įskaitant geoterminius šaltinius, gaunama 90 % šildymo ir 30 % elektros energijos. Priduriame, kad likusi šalies elektros dalis gaminama hidroelektrinėse, tai yra taip pat naudojant atsinaujinantį energijos šaltinį, kurio dėka Islandija atrodo kaip savotiškas pasaulinis aplinkosaugos standartas.
Geoterminės energijos „prijaukinimas“ XX amžiuje padėjo Islandijai pastebimai ekonomiškai. Iki praėjusio šimtmečio vidurio tai buvo labai skurdi šalis, dabar ji užima pirmąją vietą pasaulyje pagal įrengtus pajėgumus ir geoterminės energijos gamybą, tenkančią vienam gyventojui, ir yra dešimtuke pagal absoliučią geoterminės instaliuotos galios vertę. elektrinės. Tačiau jos gyventojų skaičius yra tik 300 tūkstančių žmonių, o tai supaprastina užduotį pereiti prie ekologiško. švarūs šaltiniai energija: jos poreikiai paprastai yra nedideli.
Be Islandijos, didelę geoterminės energijos dalį bendrame elektros energijos gamybos balanse sudaro Naujoji Zelandija ir salų valstybės. Pietryčių Azija(Filipinai ir Indonezija), Centrinės Amerikos ir Rytų Afrikos šalys, kurių teritorijai taip pat būdingas didelis seisminis ir vulkaninis aktyvumas. Šioms šalims, atsižvelgiant į jų dabartinį išsivystymo lygį ir poreikius, geoterminė energija labai prisideda prie socialinio ir ekonominio vystymosi.
Geoterminės energijos naudojimas turi labai ilgą istoriją. Vienas iš pirmųjų žinomų pavyzdžių yra Italija, vieta Toskanos provincijoje, dabar vadinamoje Larderello, kur dar XIX amžiaus pradžioje buvo naudojamas vietinis karštas terminis vanduo, išlietas natūraliai arba išgaunamas iš seklių šulinių. energetiniais tikslais.
Boro rūgščiai gauti čia buvo naudojamas požeminis vanduo, kuriame gausu boro. Iš pradžių ši rūgštis buvo gauta išgarinant geležiniuose katiluose, o kaip kuras buvo paimtos paprastos malkos iš netoliese esančių miškų, tačiau 1827 m. Francesco Larderel sukūrė sistemą, kuri veikė pačių vandenų šilumą. Tuo pat metu natūralių vandens garų energija pradėta naudoti gręžimo įrenginiams, o XX amžiaus pradžioje - vietiniams namams ir šiltnamiams šildyti. Toje pačioje vietoje, Larderello mieste, 1904 m. terminio vandens garai tapo energijos šaltiniu elektrai gaminti.
Kai kurios kitos šalys XIX amžiaus pabaigoje ir XX amžiaus pradžioje pasekė Italijos pavyzdžiu. Pavyzdžiui, 1892 metais terminiai vandenys vietiniam šildymui pirmą kartą pradėti naudoti JAV (Boise, Aidaho valstija), 1919 metais – Japonijoje, o 1928 metais – Islandijoje.
Jungtinėse Valstijose pirmoji hidroterminė elektrinė pasirodė Kalifornijoje XX amžiaus trečiojo dešimtmečio pradžioje, Naujojoje Zelandijoje 1958 m., Meksikoje 1959 m., Rusijoje (pirmoji pasaulyje dvejetainė geoterminė elektrinė) 1965 m.
Senas principas naujame šaltinyje
Elektros gamybai reikalinga aukštesnė hidro šaltinio temperatūra nei šildymui – daugiau nei 150 °C. Geoterminės elektrinės (GeoPP) veikimo principas panašus į įprastos šiluminės elektrinės (TPP) veikimo principą. Tiesą sakant, geoterminė elektrinė yra savotiška šiluminė elektrinė.
AE, kaip taisyklė, pagrindinis energijos šaltinis yra anglys, dujos arba mazutas, o vandens garai – kaip darbinis skystis. Kuras, degdamas, įkaitina vandenį iki garo būsenos, kuri suka garo turbiną ir gamina elektrą.
Skirtumas tarp GeoPP yra tas, kad pagrindinis energijos šaltinis čia yra žemės vidaus šiluma, o darbinis skystis garų pavidalu į elektros generatoriaus turbinos mentes tiekiamas „paruošta“ forma tiesiai iš gamybos. gerai.
Yra trys pagrindinės GeoPP veikimo schemos: tiesioginė, naudojant sausą (geoterminį) garą; netiesioginis, pagrįstas hidroterminiu vandeniu, ir mišrus, arba dvejetainis.
Konkrečios schemos naudojimas priklauso nuo agregacijos būsenos ir energijos nešiklio temperatūros.
Paprasčiausia ir todėl pirmoji iš įsisavintų schemų yra tiesioji linija, kurioje iš gręžinio einantys garai praleidžiami tiesiai per turbiną. Pirmasis pasaulyje GeoPP Larderello mieste taip pat veikė sausu garu 1904 m.
GeoPP su netiesiogine darbo schema mūsų laikais yra labiausiai paplitę. Jie naudoja karštą požeminis vanduo, kuris esant aukštam slėgiui pumpuojamas į garintuvą, kur dalis jo išgarinama, o susidarę garai sukasi turbiną. Kai kuriais atvejais reikalingi papildomi įrenginiai ir grandinės, kad būtų galima išvalyti geoterminį vandenį ir garą nuo agresyvių junginių.
Atliekos garai patenka į įpurškimo šulinį arba yra naudojami patalpų šildymui – šiuo atveju principas yra toks pat kaip ir dirbant CHP.
Dvejetainiuose GeoPP karštas terminis vanduo sąveikauja su kitu skysčiu, kuris veikia kaip darbinis skystis, kurio virimo temperatūra žemesnė. Abu skysčiai praleidžiami per šilumokaitį, kuriame terminis vanduo išgarina darbinį skystį, kurio garai suka turbiną.
Ši sistema yra uždara, o tai išsprendžia emisijų į atmosferą problemą. Be to, darbiniai skysčiai su santykinai žema virimo temperatūra leidžia naudoti ne itin karštą terminį vandenį kaip pirminį energijos šaltinį.
Visose trijose schemose naudojamas hidroterminis šaltinis, tačiau elektros energijai gaminti gali būti naudojama ir petroterminė energija.
Scheminė schema šiuo atveju taip pat gana paprasta. Būtina išgręžti du tarpusavyje sujungtus gręžinius – įpurškimo ir gamybinius. Vanduo pumpuojamas į įpurškimo šulinį. Gylyje jis įšyla, tada per gamybinį šulinį į paviršių tiekiamas pašildytas vanduo arba garai, susidarę dėl stipraus kaitinimo. Be to, viskas priklauso nuo to, kaip naudojama naftos šiluminė energija – šildymui ar elektros gamybai. Galimas uždaras ciklas įpurškiant garus ir vandenį atgal į įpurškimo šulinį arba kitu būdu pašalinant.
Tokios sistemos trūkumas yra akivaizdus: norint gauti pakankamai aukštą darbinio skysčio temperatūrą, būtina gręžti šulinius. didelis gylis... Ir tai yra rimtos išlaidos ir didelių šilumos nuostolių rizika, kai skystis juda aukštyn. Todėl petroterminės sistemos vis dar yra mažiau paplitusios nei hidroterminės, nors naftos šiluminės energijos potencialas yra daug didesnis.
Šiuo metu Australija yra vadinamųjų petroterminės cirkuliacijos sistemų (PCS) kūrimo lyderė. Be to, ši geoterminės energijos kryptis aktyviai vystosi JAV, Šveicarijoje, Didžiojoje Britanijoje, Japonijoje.
Lordo Kelvino dovana
1852 m. fiziko Williamo Thompsono (dar žinomas kaip Lordas Kelvinas) išradimas šilumos siurblys suteikė žmonijai realią galimybę panaudoti žemo potencialo viršutinių dirvožemio sluoksnių šilumą. Šilumos siurblio sistema arba, kaip Thompsonas pavadino, šilumos daugiklis yra pagrįstas fizinis procesasšilumos perdavimas iš aplinkąį šaltnešį. Tiesą sakant, jis naudoja tą patį principą kaip ir petroterminėse sistemose. Skirtumas yra šilumos šaltinyje, dėl kurio gali kilti terminologinis klausimas: kiek šilumos siurblys gali būti laikomas geotermine sistema? Faktas yra tas, kad viršutiniuose sluoksniuose, iki dešimčių iki šimtų metrų gylio, uolienos ir jose esantys skysčiai įkaista ne nuo gilios žemės šilumos, o nuo saulės. Taigi šiuo atveju saulė yra pagrindinis šilumos šaltinis, nors ji, kaip ir geoterminėse sistemose, paimama iš žemės.
Šilumos siurblio darbas pagrįstas dirvožemio įkaitimo ir vėsinimo uždelsimu, palyginti su atmosfera, dėl ko tarp paviršiaus ir gilesnių sluoksnių susidaro temperatūros gradientas, kuris net ir žiemą sulaiko šilumą, panašus į kas vyksta vandens telkiniuose. Pagrindinė šilumos siurblių paskirtis – patalpų šildymas. Tiesą sakant, tai yra „atvirkštinis šaldytuvas“. Tiek šilumos siurblys, tiek šaldytuvas sąveikauja su trimis komponentais: vidine aplinka (pirmuoju atveju - šildoma patalpa, antruoju - šaldytuvo šaldymo kamera), išorine aplinka - energijos šaltiniu ir šaltnešiu (aušinimo skysčiu) , tai taip pat yra šilumos nešiklis, kuris užtikrina šilumos perdavimą arba šaltį.
Medžiaga, kurios virimo temperatūra yra žema, veikia kaip šaltnešis, leidžiantis paimti šilumą iš šaltinio, kurio temperatūra yra net palyginti žema.
Šaldytuve skystas šaltnešis per droselį (slėgio reguliatorių) patenka į garintuvą, kur dėl staigaus slėgio sumažėjimo skystis išgaruoja. Garavimas yra endoterminis procesas, kuriam reikalinga išorinė šilumos absorbcija. Dėl to iš garintuvo vidinių sienelių paimama šiluma, kuri suteikia vėsinimo efektą šaldytuvo kameroje. Be to, iš garintuvo šaltnešis įsiurbiamas į kompresorių, kur grįžta į skystą agregacijos būseną. Tai atvirkštinis procesas, dėl kurio pašalinta šiluma patenka į išorinę aplinką. Paprastai jis išmetamas į kambarį, o šaldytuvo nugarėlė yra gana šilta.
Šilumos siurblys veikia beveik taip pat, tik tuo skirtumu, kad šiluma paimama iš išorinės aplinkos ir per garintuvą patenka į vidinę aplinką – kambario šildymo sistemą.
Tikrame šilumos siurblyje vanduo įkaista, eidamas išorine grandine, paguldytas į žemę arba rezervuare, tada patenka į garintuvą.
Garintuve šiluma perduodama į vidinę grandinę, užpildytą žemos virimo temperatūros šaltnešiu, kuris, eidamas per garintuvą, pasikeičia iš skystos į dujinę būseną, pašalindamas šilumą.
Toliau dujinis šaltnešis patenka į kompresorių, kur suspaudžiamas iki aukšto slėgio ir temperatūros, ir patenka į kondensatorių, kur vyksta šilumos mainai tarp karštų dujų ir aušinimo skysčio iš šildymo sistemos.
Kompresoriaus veikimui reikalinga elektros energija, tačiau transformacijos koeficientas (suvartotos ir pagaminamos energijos santykis) šiuolaikinėse sistemose yra pakankamai didelis, kad užtikrintų jų efektyvumą.
Šiais laikais šilumos siurbliai plačiai naudojami patalpų šildymui, daugiausia ekonomiškiems išsivyščiusios šalys.
Ekologiškai teisinga energija
Geoterminė energija laikoma ekologiška, o tai paprastai yra tiesa. Visų pirma, naudojamas atsinaujinantis ir praktiškai neišsenkantis išteklius. Geoterminė energija nereikalauja didelių plotų, skirtingai nei didelės hidroelektrinės ar vėjo jėgainės, ir neteršia atmosferos, kitaip nei angliavandenilių energija. Vidutiniškai GeoPP užima 400 m 2 1 GW pagamintos elektros energijos. Tas pats skaičius, pavyzdžiui, anglimi kūrenamos elektrinės yra 3600 m 2. Ekologiniai GeoPP pranašumai taip pat apima mažas vandens sąnaudas – 20 litrų gėlo vandens už 1 kW, o TE ir AE reikia apie 1000 litrų. Atminkite, kad tai yra „vidutinio“ GeoPP aplinkosaugos rodikliai.
Bet neigiamas šalutiniai poveikiai vis dar yra prieinami. Tarp jų dažniausiai išskiriamas triukšmas, šiluminė atmosferos tarša ir cheminė – vandens ir dirvožemio tarša, taip pat kietųjų atliekų susidarymas.
Pagrindinis cheminės aplinkos taršos šaltinis yra pats terminis vanduo (su aukšta temperatūra ir mineralizacija), kuriame dažnai yra daug toksinių junginių, todėl iškyla nuotekų ir pavojingų medžiagų šalinimo problema.
Neigiamą geoterminės energijos poveikį galima atsekti keliais etapais, pradedant nuo gręžinių gręžimo. Čia kyla tie patys pavojai, kaip ir gręžiant bet kurį gręžinį: dirvožemio ir augalinės dangos sunaikinimas, dirvožemio ir gruntinio vandens tarša.
GeoPP eksploatavimo etape aplinkos taršos problemos išlieka. Šiluminiuose skysčiuose – vandenyje ir garuose – dažniausiai yra anglies dioksido (CO 2), sieros sulfido (H 2 S), amoniako (NH 3), metano (CH 4), valgomosios druskos (NaCl), boro (B), arseno (As). ), gyvsidabrio (Hg). Patekę į išorinę aplinką jie tampa jos taršos šaltiniais. Be to, agresyvi cheminė aplinka gali sukelti korozinę žalą Geoterminės elektrinės konstrukcijoms.
Tuo pačiu metu teršalų emisija GeoPP yra vidutiniškai mažesnė nei TPP. Pavyzdžiui, emisijos anglies dioksidas už kiekvieną pagamintą elektros energijos kilovatvalandę jie sudaro 380 g GeoE, 1 042 g - anglies AE, 906 g - mazuto ir 453 g - dujinėse AE.
Kyla klausimas: ką daryti su nuotekomis? Esant mažai mineralizacijai, po aušinimo jį galima išleisti į paviršiniai vandenys... Kitas būdas yra pumpuoti jį atgal į vandeningąjį sluoksnį per įpurškimo šulinį, kuris šiandien yra pageidaujamas ir dažniausiai naudojamas.
Terminio vandens išgavimas iš vandeningųjų sluoksnių (taip pat ir įprasto vandens išsiurbimas) gali sukelti grunto nusėdimą ir judėjimą, kitas geologinių sluoksnių deformacijas, mikrožemės drebėjimus. Tokių reiškinių tikimybė, kaip taisyklė, yra maža, nors buvo užfiksuoti pavieniai atvejai (pavyzdžiui, GeoPP Staufen im Breisgau Vokietijoje).
Reikėtų pabrėžti, kad dauguma GeoPP yra gana retai apgyvendintose vietovėse ir Trečiojo pasaulio šalyse, kur aplinkosaugos reikalavimai yra ne tokie griežti nei išsivysčiusiose šalyse. Be to, šiuo metu GeoPP skaičius ir jų pajėgumai yra palyginti nedideli. Plačiau plėtojant geoterminę energiją, rizika aplinkai gali padidėti ir daugėti.
Kiek yra Žemės energijos?
Investicijų sąnaudos į geoterminių sistemų statybą skiriasi labai plačiu diapazonu – nuo 200 USD iki 5000 USD už 1 kW instaliuotos galios, tai yra daugiausia pigūs variantai palyginama su TPP statybos sąnaudomis. Jie visų pirma priklauso nuo terminių vandenų atsiradimo sąlygų, jų sudėties ir sistemos konstrukcijos. Gręžiant didelius gylius, sukuriant uždarą sistemą su dviem šuliniais, vandens valymo poreikis gali padidinti išlaidas.
Pavyzdžiui, investicijos į petrotermijos sukūrimą cirkuliacijos sistema(PCS) yra 1,6–4 tūkst. dolerių už 1 kW instaliuotos galios, o tai viršija statybos kainą. atominė jėgainė ir yra palyginama su vėjo ir saulės elektrinių statybos kaina.
Akivaizdus ekonominis GeoTPP pranašumas – nemokamas energijos nešiklis. Palyginimui, veikiančios AE ar AE sąnaudų struktūroje kuras sudaro 50–80% ar net daugiau, priklausomai nuo esamų energijos kainų. Iš čia dar vienas geoterminės sistemos privalumas: eksploatacijos kaštai yra stabilesni ir labiau nuspėjami, nes nepriklauso nuo išorinės energijos kainų konjunktūros. Apskritai GeoTPP eksploatacinės sąnaudos yra 2–10 centų (60 kapeikų – 3 rubliai) už 1 kWh pagamintos galios.
Antra pagal dydį (po energijos) (ir labai reikšminga) išlaidų dalis, kaip taisyklė, yra darbo užmokestis gamyklos personalas, kuris įvairiose šalyse ir regionuose gali labai skirtis.
Vidutiniškai 1 kWh geoterminės energijos kaina yra panaši į TE (Rusijos sąlygomis - apie 1 rublis / 1 kWh) ir dešimt kartų didesnė nei elektros energijos gamybos kaina hidroelektrinėse (5-10 kapeikų / 1). kWh).
Dalis didelių sąnaudų priežasčių yra ta, kad priešingai nei šiluminės ir hidraulinės elektrinės, GeoTPP yra gana mažos talpos. Be to, būtina palyginti sistemas, esančias tame pačiame regione ir panašiomis sąlygomis. Pavyzdžiui, Kamčiatkoje, ekspertų teigimu, 1 kWh geoterminės elektros kainuoja 2–3 kartus pigiau nei vietinėse šiluminėse elektrinėse pagaminta elektra.
Rodikliai ekonominis efektyvumas geoterminės sistemos veikimas priklauso, pavyzdžiui, nuo to, ar būtina šalinti nuotekas ir kokiais būdais tai daroma, ar galimas bendras išteklių naudojimas. Taigi, cheminiai elementai o iš terminio vandens išgaunami junginiai gali duoti papildomų pajamų. Prisiminkime Larderello pavyzdį: chemijos gamyba, o geoterminės energijos naudojimas iš pradžių buvo pagalbinis.
Geoterminė energija į priekį
Geoterminė energija vystosi kiek kitaip nei vėjo ir saulės energija. Šiuo metu ji yra reikšminga didesniu mastu priklauso nuo paties ištekliaus pobūdžio, kuris labai skiriasi priklausomai nuo regiono, o didžiausios koncentracijos yra susietos su siauromis geoterminių anomalijų zonomis, paprastai susijusiomis su tektoninių lūžių ir vulkanizmo sritimis.
Be to, geoterminė energija yra mažiau technologiškai talpi, palyginti su vėjo, o tuo labiau su saulės energija: geoterminių stočių sistemos gana paprastos.
V bendra struktūra Geoterminis komponentas sudaro mažiau nei 1% pasaulio elektros energijos gamybos, tačiau kai kuriuose regionuose ir šalyse jos dalis siekia 25-30%. Dėl sąsajos su geologinėmis sąlygomis nemaža dalis geoterminės energijos pajėgumų sutelkta trečiojo pasaulio šalyse, kur išsiskiria trys didžiausios pramonės plėtros klasteriai – Pietryčių Azijos, Centrinės Amerikos ir Rytų Afrikos salos. Pirmieji du regionai yra įtraukti į Ramiojo vandenyno „Žemės ugnies juostą“, trečiasis yra susietas su Rytų Afrikos plyšiu. Greičiausiai šiose juostose ir toliau vystysis geoterminė energija. Daugiau tolima perspektyva- naftos terminės energijos plėtra, naudojant kelių kilometrų gylyje glūdinčių žemės sluoksnių šilumą. Tai beveik visur paplitęs išteklius, tačiau jo išgavimas reikalauja didelių sąnaudų, todėl naftos šiluminė energija pirmiausia vystosi ekonomiškai ir technologiškai galingiausiose šalyse.
Apskritai, atsižvelgiant į visur esantį geoterminių išteklių pasiskirstymą ir priimtiną aplinkos saugos lygį, yra pagrindo manyti, kad geoterminė energija geros perspektyvos plėtra. Ypač augant tradicinių energijos išteklių trūkumo grėsmei ir kylant jų kainoms.
Nuo Kamčiatkos iki Kaukazo
Rusijoje geoterminės energijos plėtra turi gana ilgą istoriją, o daugelyje pozicijų esame tarp pasaulio lyderių, nors geoterminės energijos dalis bendrame didžiulės šalies energijos balanse vis dar yra nereikšminga.
Du regionai - Kamčiatka ir Šiaurės Kaukazas - tapo Rusijos geoterminės energijos plėtros pionieriais ir centrais, o jei pirmuoju atveju kalbame pirmiausia apie elektros energijos pramonę, tai antruoju - apie šiluminės energijos naudojimą. terminio vandens.
Šiaurės Kaukaze – in Krasnodaro teritorija, Čečėnija, Dagestanas – terminių vandenų šiluma energetiniams tikslams buvo naudojama dar prieš Didžiąją Tėvynės karas... Devintajame ir dešimtajame dešimtmetyje geoterminės energetikos plėtra regione dėl akivaizdžių priežasčių sustojo ir dar neišsikėlė iš sąstingio būsenos. Nepaisant to, geoterminis vanduo Šiaurės Kaukaze aprūpina šilumą apie 500 tūkstančių žmonių, o, pavyzdžiui, Labinsko miestas Krasnodaro krašte, kuriame gyvena 60 tūkstančių žmonių, yra visiškai šildomas geoterminiais vandenimis.
Kamčiatkoje geoterminės energijos istorija pirmiausia siejama su GeoPP statyba. Pirmoji iš jų, vis dar veikiančios Paužetskaya ir Paratunskaya stotys, buvo pastatytos 1965-1967 m., o Paratunskaya GeoPP, kurios galia 600 kW, tapo pirmąja stotimi pasaulyje su dvejetainiu ciklu. Taip sukūrė sovietų mokslininkai S.S.Kutateladze ir A.M.Rozenfeldas iš Rusijos mokslų akademijos Sibiro filialo Termofizikos instituto, kurie 1965 metais gavo autorinį pažymėjimą elektros energijos išgavimui iš 70 °C temperatūros vandens. Vėliau ši technologija tapo prototipu daugiau nei 400 dvejetainių GeoPP pasaulyje.
1966 m. pradėto eksploatuoti Pauzhetskaya GeoPP galia iš pradžių buvo 5 MW, o vėliau padidinta iki 12 MW. Šiuo metu stotyje statomas dvejetainis blokas, kurio galia padidins dar 2,5 MW.
Geoterminės energijos plėtrą SSRS ir Rusijoje stabdė tradicinių energijos šaltinių – naftos, dujų, anglies – prieinamumas, tačiau jis niekada nesustojo. Didžiausi geoterminės energijos objektai šiuo metu yra Verchne-Mutnovskaya GeoPP, kurio bendra galia yra 12 MW, pradėtas eksploatuoti 1999 m. ir Mutnovskaya GeoPP, kurio galia 50 MW (2002 m.).
Mutnovskaya ir Verkhne-Mutnovskaya GeoPP yra unikalūs objektai ne tik Rusijai, bet ir pasauliniu mastu. Stotys yra Mutnovskio ugnikalnio papėdėje, 800 metrų virš jūros lygio aukštyje ir veikia ekstremaliomis klimato sąlygomis, kur žiema 9-10 mėnesių per metus. „Mutnovsky GeoPP“ įranga, šiuo metu viena moderniausių pasaulyje, yra visiškai sukurta vidaus energetikos įmonėse.
Šiuo metu Mutnovskie gamyklų dalis bendroje Centrinės Kamčiatkos energijos suvartojimo struktūroje energijos vienetas yra 40 proc. Ateinančiais metais planuojamas pajėgumų didinimas.
Atskirai reikėtų pasakyti apie Rusijos naftos šilumos plėtrą. Kol kas didelių DSP neturime, tačiau yra pažangių giluminio gręžimo (apie 10 km) technologijos, kurios taip pat neturi analogų pasaulyje. Jų tolimesnis vystymas leis drastiškai sumažinti naftos terminių sistemų kūrimo kaštus. Šių technologijų ir projektų kūrėjai yra N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geologijos institutas, RAS), A. S. Nekrasov (Ekonominių prognozių institutas, RAS) ir Kalugos turbinų gamyklos specialistai. Petroterminės cirkuliacijos sistemos projektas Rusijoje šiuo metu yra eksperimentiniame etape.
Geoterminės energijos perspektyvos Rusijoje yra, nors ir gana toli: šiuo metu potencialas yra gana didelis, o tradicinės energetikos pozicijos tvirtos. Tuo pačiu metu daugelyje atokių šalies regionų geoterminės energijos naudojimas yra ekonomiškai pelningas ir šiuo metu yra paklausus. Tai yra teritorijos, turinčios didelį geoenergetinį potencialą (Čukotka, Kamčiatka, Kurilai - Rusiška dalis Ramiojo vandenyno „Žemės ugnies juosta“, Pietų Sibiro ir Kaukazo kalnai) ir tuo pačiu nutolęs bei atjungtas nuo centralizuoto maitinimo šaltinio.
Ko gero, artimiausiais dešimtmečiais geoterminė energetika mūsų šalyje vystysis būtent tokiuose regionuose.
2. Žemės šiluminis režimas
Žemė yra šaltos erdvės kūnas. Paviršiaus temperatūra daugiausia priklauso nuo išorinės šilumos. 95% viršutinio Žemės sluoksnio šilumos yra išorės (saulės) šilta ir tik 5% šilta vidinis , kuris ateina iš Žemės žarnų ir apima keletą energijos šaltinių. Žemės viduje temperatūra didėja su gyliu nuo 1300 o C (viršutinėje mantijoje) iki 3700 o C (brandžio centre).
Išorinė šiluma... Šiluma patenka į Žemės paviršių daugiausia iš Saulės. Kiekvienas kvadratinis paviršiaus centimetras per minutę gauna apie 2 kalorijas šilumos. Šis kiekis vadinamas saulės konstanta ir nustato bendrą į Žemę iš Saulės tiekiamos šilumos kiekį. Per metus tai sudaro 2,26 · 10 21 kaloriją. Saulės šilumos įsiskverbimo į Žemės žarnas gylis daugiausia priklauso nuo šilumos kiekio, patenkančio į paviršiaus ploto vienetą, ir nuo uolienų šilumos laidumo. Didžiausias gylis, į kurį prasiskverbia išorinė šiluma, yra 200 m vandenynuose ir apie 40 m sausumoje.
Vidinė šiluma... Didėjant gyliui, kyla temperatūra, kuri įvairiose teritorijose vyksta labai netolygiai. Temperatūros padidėjimas vyksta pagal adiabatinį dėsnį ir priklauso nuo slėginės medžiagos suspaudimo, kai šilumos mainai su aplinka yra neįmanomi.
Pagrindiniai šilumos šaltiniai Žemėje:
Šiluma, išsiskirianti radioaktyvaus elementų skilimo metu.
Liekamoji šiluma iš Žemės formavimosi.
Gravitacinė šiluma, išsiskirianti suspaudžiant Žemę ir pasiskirstant medžiagai pagal tankį.
Šiluma, susidaranti dėl cheminių reakcijų, vykstančių žemės plutos gelmėse.
Šiluma, išsiskirianti dėl Žemės potvynių trinties.
Yra 3 temperatūros zonos:
aš - kintamos temperatūros zona ... Temperatūros pokytį lemia vietos klimatas. Kasdieniniai svyravimai praktiškai susilpnėja maždaug 1,5 m gylyje, o metiniai svyravimai 20 ... 30 m gylyje. Ia - užšalimo zona.
II - pastovios temperatūros zona yra 15 ... 40 m gylyje, priklausomai nuo regiono.
III - temperatūros kilimo zona .
Uolienų temperatūros režimas žemės plutos žarnose dažniausiai išreiškiamas geoterminiu gradientu ir geoterminiu žingsniu.
Temperatūros kilimo dydis kiekvienam 100 m gyliu vadinamas geoterminis gradientas... Afrikoje, Witwatersrand lauke, yra 1,5 ° C, Japonijoje (Echigo) - 2,9 ° C, Pietų Australijoje - 10,9 ° C, Kazachstane (Samarinda) - 6,3 ° C, Kolos pusiasalyje - 0,65 ° C .
Ryžiai. 3. Temperatūrų zonos žemės plutoje: I - kintamų temperatūrų zona, Iа - užšalimo zona; II - pastovių temperatūrų zona; III - temperatūros kilimo zona.
Gylis, kuriame temperatūra pakyla 1 laipsniu, vadinamas geoterminis žingsnis. Geoterminio žingsnio skaitinės vertės nėra pastovios ne tik skirtingose platumose, bet ir skirtinguose to paties regiono taško gyliuose. Geoterminio laiptelio dydis svyruoja nuo 1,5 iki 250 m. Archangelske jis yra 10 m, Maskvoje - 38,4 m, o Piatigorske - 1,5 m. Teoriškai vidutinė šio žingsnio vertė yra 33 m.
Šulinyje, išgręžtame Maskvoje iki 1630 m gylio, dugno duobės temperatūra buvo 41 ° C, o kasykloje, išgręžtoje Donbase iki 1545 m gylio, temperatūra siekė 56,3 ° C. Aukščiausia temperatūra užfiksuota JAV 7136 m gylio gręžinyje, kur ji lygi 224 °C. Projektuojant gilias konstrukcijas reikia atsižvelgti į temperatūros padidėjimą kartu su gyliu Pagal skaičiavimus, 400 km gylyje temperatūra turėtų siekti 1400 ... 1700 ° C. Aukščiausia temperatūra (apie 5000 ° C) buvo gauta Žemės šerdyje.
Terminas geoterminė energija kilęs iš graikų kalbos žodžio žemė (geo) ir šiluminė (šiluma). Iš tiesų, geoterminė energija ateina iš pačios žemės... Šiluma iš žemės šerdies, kurios vidutinė temperatūra yra 3600 laipsnių Celsijaus, sklinda link planetos paviršiaus.
Šaltinių ir geizerių šildymas po žeme kelių kilometrų gylyje gali būti atliekamas naudojant specialius šulinius, per kuriuos karštas vanduo (arba iš jo garai) teka į paviršių, kur jį galima tiesiogiai panaudoti kaip šilumą arba netiesiogiai sukant elektros energiją. ant besisukančių turbinų.
Kadangi vanduo po žemės paviršiumi nuolat pasipildo, o Žemės šerdis ir toliau santykinai gamins šilumą žmogaus gyvenimas be galo, galiausiai geoterminė energija švarus ir atsinaujinantis.
Žemės energijos išteklių rinkimo metodai
Šiandien yra trys pagrindiniai geoterminės energijos surinkimo būdai: sausas garas, karštas vanduo ir dvejetainis ciklas. Sauso garo procesas tiesiogiai suka elektros generatorių turbinines pavaras. Karštas vanduo patenka iš apačios į viršų, tada purškiamas į rezervuarą, kad susidarytų garai varyti turbinas. Šie du būdai yra labiausiai paplitę, generuojant šimtus megavatų elektros energijos JAV, Islandijoje, Europoje, Rusijoje ir kitose šalyse. Tačiau vieta yra ribota, nes šios gamyklos veikia tik tektoniniuose regionuose, kur lengviau pasiekti šildomą vandenį.
Naudojant dvejetainio ciklo technologiją, šiltas (nebūtinai karštas) vanduo ištraukiamas į paviršių ir sujungiamas su butanu arba pentanu, kurių virimo temperatūra žema. Šis skystis pumpuojamas per šilumokaitį, kur jis išgarinamas ir siunčiamas per turbiną prieš grąžinant atgal į sistemą. Dvejetainio ciklo technologija teikia dešimtis megavatų elektros energijos JAV: Kalifornijoje, Nevadoje ir Havajų salose.
Energijos gavimo principas
Geoterminės energijos gavimo trūkumai
Komunalinių paslaugų lygmeniu geotermines elektrines statyti ir eksploatuoti yra brangu. Norint rasti tinkamą vietą, reikia brangiai atlikti gręžinių tyrimus, negarantuojant, kad pateksite į produktyvią požeminę karštąją vietą. Tačiau analitikai tikisi, kad per ateinančius šešerius metus šis pajėgumas padvigubės.
Be to, teritorijos, kuriose yra aukšta požeminio šaltinio temperatūra, yra teritorijose, kuriose yra aktyvių geologinių ugnikalnių. Šios „karštosios vietos“ susidarė ties tektoninių plokščių ribomis tose vietose, kur pluta gana plona. Ramiojo vandenyno regionas, dažnai vadinamas ugnies žiedu daugeliui ugnikalnių su daugybe karštųjų taškų, įskaitant Aliaską, Kaliforniją ir Oregoną. Nevada turi šimtus viešosios interneto prieigos taškų, apimančių didžiąją dalį šiaurinės JAV dalies.
Taip pat yra ir kitų seismiškai aktyvių regionų. Žemės drebėjimai ir magmos judėjimas leidžia vandeniui cirkuliuoti. Kai kur vanduo pakyla į paviršių ir atsiranda natūralių karštųjų versmių bei geizerių, pavyzdžiui, Kamčiatkoje. Kamčiatkos geizerių vanduo pasiekia 95 ° C. 
Viena iš problemų atvira sistema geizeriai yra kai kurių oro teršalų išmetimas. Vandenilio sulfidas yra nuodingos dujos, turinčios labai atpažįstamą „supuvusio kiaušinio“ kvapą – nedidelis kiekis arseno ir mineralų išsiskiria su garais. Druska taip pat gali kelti aplinkos problemų.
Jūros geoterminės elektrinės reikšminga suma vamzdžiuose kaupiasi trukdanti druska. Uždarosiose sistemose išmetamų teršalų nėra, o visas į paviršių išneštas skystis grąžinamas.
Ekonominis energijos išteklių potencialas
Karštieji taškai nėra vienintelės vietos, kur galima rasti geoterminės energijos. Naudojama šiluma nuolat tiekiama tiesioginiam šildymui bet kur nuo 4 metrų iki kelių kilometrų žemiau paviršiaus praktiškai bet kurioje žemės vietoje. Netgi jūsų kieme ar vietinėje mokykloje esanti žemė turi ekonominį potencialą, nes šiluma gali būti pumpuojama į jūsų namus ar kitus pastatus.
Be to, yra puiki sumašiluminė energija sausose uolienose labai giliai po paviršiumi (4 - 10 km).
Naujų technologijų naudojimas galėtų išplėsti geotermines sistemas, kuriose žmonės gali panaudoti šią šilumą elektros energijos gamybai daug didesniu mastu nei įprastos technologijos. Pirmieji demonstraciniai šio elektros gamybos principo projektai buvo parodyti JAV ir Australijoje dar 2013 m.
Jei pavyks panaudoti visą ekonominį geoterminių išteklių potencialą, tai bus didžiulis elektros energijos šaltinis gamybos įrenginiams. Mokslininkai apskaičiavo, kad įprastinių geoterminių šaltinių potencialas yra 38 000 MW, kurie per metus gali pagaminti 380 mln. MW elektros energijos.
Karštų sausų uolienų yra 5–8 km gylyje visur po žeme, o kai kuriose vietose – mažesniame gylyje. Prieiga prie šių išteklių apima šalto vandens, cirkuliuojančio per karštas uolienas, įvedimą ir pašildyto vandens pašalinimą. Šiuo metu nėra komercinis naudojimasši technologija. Esamos technologijos dar neleidžia atkurti šiluminė energija tiesiai iš magmos, labai giliai, tačiau tai yra galingiausias geoterminės energijos šaltinis.
Derinant energijos išteklius ir jų nuoseklumą, geoterminė energija gali atlikti nepakeičiamą švaresnės, tvaresnės energijos sistemos vaidmenį.
Geoterminių elektrinių konstrukcijos
Geoterminė energija yra švari ir tvari šiluma iš Žemės. Dideli ištekliai randami kelių kilometrų gylyje žemiau žemės paviršiaus ir dar giliau iki aukštos išlydytos uolienos, vadinamos magma, temperatūros. Tačiau, kaip aprašyta aukščiau, žmonės dar nepasiekė magmos.
Trys geoterminių elektrinių projektai
Taikymo technologiją lemia ištekliai. Jei vanduo iš šulinio ateina garų pavidalu, jį galima naudoti tiesiogiai. Jei karštas vanduo pakankamai karštas, jis turi praeiti per šilumokaitį.
Pirmasis gręžinys elektros gamybai buvo išgręžtas iki 1924 m. Gilesni gręžiniai buvo išgręžti šeštajame dešimtmetyje, tačiau tikroji plėtra vyksta aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose.
Tiesioginis geoterminės šilumos naudojimas
Geoterminiai šaltiniai taip pat gali būti tiesiogiai naudojami šildymui. Karštas vanduo naudojamas pastatams šildyti, augalams šiltnamiuose auginti, žuvims ir pasėliams džiovinti, aliejaus gamybai gerinti, pramoniniams procesams, kaip pieno pasterizavimui, ir vandens šildymui žuvų ūkiuose. JAV, Klamath Falls, Oregone ir Boise, Aidaho valstijoje, geoterminis vanduo namams ir pastatams šildyti naudojamas daugiau nei šimtmetį. Rytinėje pakrantėje, Warm Springs mieste, Virdžinijoje, šilumą gauna tiesiai iš šaltinio vandens, naudojant šilumos šaltinius viename iš vietinių kurortų.
Islandijoje beveik kiekvienas šalies pastatas šildomas karšto šaltinio vandeniu. Iš tikrųjų Islandija daugiau nei 50 procentų pirminės energijos gauna iš geoterminių šaltinių. Pavyzdžiui, Reikjavike (118 tūkst. gyventojų) karštas vanduo tiekiamas per 25 kilometrus, o gyventojai jį naudoja šildymui ir gamtinėms reikmėms.
Naujoji Zelandija papildomai gauna 10% elektros energijos. yra nepakankamai išvystytas, nepaisant terminių vandenų.
JUOS. Kapitonovas
Žemės branduolinė šiluma
Žemiška šiluma
Žemė yra gana karštas kūnas ir yra šilumos šaltinis. Jis įkaista, visų pirma, dėl sugertos saulės spinduliuotės. Tačiau Žemė taip pat turi savo šilumos išteklius, palyginamus su šiluma, gaunama iš Saulės. Manoma, kad šios Žemės savaiminės energijos kilmė yra tokia. Žemė atsirado maždaug prieš 4,5 milijardo metų po Saulės susidarymo iš protoplanetinio dujų-dulkių disko, besisukančio aplink ją ir kondensuojančio. Ankstyvoje formavimosi stadijoje antžeminė medžiaga buvo kaitinama dėl santykinai lėto gravitacinio suspaudimo. Svarbų vaidmenį Žemės šiluminiame balanse suvaidino ir energija, išsiskirianti ant jos krintant mažiems kosminiams kūnams. Todėl jauna Žemė buvo išlydyta. Atvėsęs jis pamažu įgavo dabartinę būseną su kietu paviršiumi, kurio nemaža dalis padengta vandenyno ir jūros vandenys... Šis kietas išorinis sluoksnis vadinamas pluta ir vidutiniškai sausumos plotuose jo storis apie 40 km, ir žemiau vandenyno vandenys- 5-10 km. Gilesnis Žemės sluoksnis, vadinamas mantija, taip pat susideda iš kietos medžiagos. Jis tęsiasi iki beveik 3000 km gylio ir jame yra didžioji dalis Žemės medžiagos. Galiausiai, slapčiausia Žemės dalis yra ji šerdis... Jis susideda iš dviejų sluoksnių - išorinio ir vidinio. Išorinė šerdis tai 4500-6500 K temperatūros ir 2000-2500 km storio išlydytos geležies ir nikelio sluoksnis. Vidinė šerdis 1000–1500 km spinduliu yra kietas geležies ir nikelio lydinys, įkaitintas iki 4000–5000 K temperatūros, kurio tankis yra apie 14 g / cm 3, kuris atsirado esant didžiuliam (beveik 4 milijonų barų) slėgiui.
Be vidinės Žemės šilumos, paveldėtos iš ankstyviausios karštosios jos formavimosi stadijos ir kurios kiekis laikui bėgant turėtų mažėti, yra dar viena, ilgalaikė, susijusi su radioaktyviu branduolių, kurių pusinės eliminacijos laikas, skilimu. - pirmiausia 232 Th, 235 U , 238 U ir 40 K. Šių skilimų metu išsiskirianti energija - jie sudaro beveik 99% žemės radioaktyviosios energijos - nuolat papildo Žemės šilumines atsargas. Minėtos šerdys yra plutoje ir mantijoje. Dėl jų irimo įkaista ir išorinis, ir vidinis Žemės sluoksniai.
Dalis milžiniškos šilumos, esančios Žemėje, nuolat išeina į jos paviršių, dažnai vykstant labai didelio masto vulkaniniams procesams. Yra žinomas šilumos srautas, tekantis iš Žemės gelmių per jos paviršių. Tai yra (47 ± 2) · 10 12 vatų, o tai prilygsta šilumai, kurią gali pagaminti 50 tūkstančių atominių elektrinių (vidutinė vienos atominės elektrinės galia yra apie 10 9 vatai). Kyla klausimas, ar radioaktyvioji energija vaidina kokį nors reikšmingą vaidmenį bendrame Žemės šiluminiame biudžete, ir jei taip, tai kokį vaidmenį? Atsakymas į šiuos klausimus ilgas laikas liko nežinomi. Dabar atsirado galimybių atsakyti į šiuos klausimus. Pagrindinis vaidmuo čia tenka neutrinams (antineutrinams), kurie gimsta Žemės substanciją sudarančių branduolių radioaktyvaus skilimo procesuose ir vadinami geoneutrinas.
Geoneutrinas
Geoneutrinas- Tai yra bendras neutrinų arba antineutrinų, kurie išsiskiria dėl branduolių, esančių žemiau žemės paviršiaus, beta skilimo, pavadinimas. Akivaizdu, kad dėl precedento neturinčio prasiskverbimo gebėjimo juos (ir tik juos) užregistravus antžeminiais neutrinų detektoriais galima gauti objektyvios informacijos apie giliai Žemės viduje vykstančius radioaktyvaus skilimo procesus. Tokio skilimo pavyzdys yra 228 Ra branduolio β - -skilimas, kuris yra ilgalaikio 232 Th branduolio α skilimo produktas (žr. lentelę):
228 Ra branduolio pusinės eliminacijos laikas (T 1/2) yra 5,75 metų, išsiskirianti energija apie 46 keV. Antineutrino energijos spektras yra ištisinis, o viršutinė riba yra artima išleistai energijai.
232 Th, 235 U, 238 U branduolių skilimas yra nuoseklaus skilimo grandinės, kurios sudaro vadinamąjį. radioaktyviųjų gretų... Tokiose grandinėse α-skilimai yra įsiterpę į β-skilimus, nes α-skilimų metu galutiniai branduoliai pasislenka iš β-stabilumo linijos į neutronais perkrautų branduolių sritį. Po nuoseklaus skilimo grandinės kiekvienos eilutės pabaigoje susidaro stabilūs branduoliai su artimu arba lygiu magišku skaičiumi protonų ir neutronų (Z
=
82,N= 126). Tokie galutiniai branduoliai yra stabilūs švino arba bismuto izotopai. Taigi T 1/2 irimas baigiasi dvigubai magiško 208 Pb branduolio susidarymu, o kelyje 232 Th → 208 Pb įvyksta šeši α skilimai, pakaitomis su keturiais β - -skilimais (grandinėje 238 U → 206 Pb, aštuoni α- ir šeši β - skilimai; 235 U → 207 Pb grandinėje yra septyni α ir keturi β - skilimai). Taigi kiekvienos radioaktyviosios serijos antineutrinų energijos spektras yra atskirų β skilimų, sudarančių šią seriją, dalinių spektrų superpozicija. Skilimo metu 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K susidariusių antineutrinų spektrai parodyti pav. 1. 40 K skilimas yra vienas β - skilimas (žr. lentelę). Antineutrinai pasiekia didžiausią energiją (iki 3,26 MeV) irimo metu
214 Bi → 214 Po, kuri yra 238 U radioaktyviųjų serijų grandis. Bendra energija, išsiskirianti praeinant visoms 232 Th → 208 Pb serijos skilimo grandims, yra 42,65 MeV. Radioaktyviųjų serijų 235 U ir 238 U šios energijos yra atitinkamai 46,39 ir 51,69 MeV. Skilimo metu išsiskirianti energija
40 K → 40 Ca, yra 1,31 MeV.
232 Th, 235 U, 238 U, 40 K branduolių charakteristikos
| Šerdis | Dalintis % mišinyje izotopų |
Šerdžių skaičius susiję. šerdys Si |
T 1/2, milijardas metų |
Pirmosios nuorodos irimas |
|---|---|---|---|---|
| 232 Th | 100 | 0.0335 | 14.0 | |
| 235 U | 0.7204 | 6.48 10 -5 | 0.704 | |
| 238 U | 99.2742 | 0.00893 | 4.47 | |
| 40 tūkst | 0.0117 | 0.440 | 1.25 |
 |
Geoneutrinų srauto įvertinimas, atliktas remiantis 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K branduolių, esančių Žemės medžiagos sudėtyje, skilimu, leidžia gauti maždaug 10 6 cm - 2 sek -1. Registruojant šiuos geoneutrinus galima gauti informacijos apie radioaktyviosios šilumos vaidmenį bendrame Žemės šilumos balanse ir pasitikrinti mūsų mintis apie ilgaamžių radioizotopų kiekį Žemės materijos sudėtyje.
Ryžiai. 1. Branduolinio skilimo antineutrinų energijos spektrai
232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, normalizuota iki vieno pradinio branduolio skilimo
Elektroniniams antineutrinams registruoti naudojama reakcija
P → e + + n, (1)
kuriame ši dalelė iš tikrųjų buvo aptikta. Šios reakcijos slenkstis yra 1,8 MeV. Todėl aukščiau nurodytoje reakcijoje gali būti registruojami tik geoneutrinai, susidarę skilimo grandinėse, pradedant nuo 232 Th ir 238 U branduolių. Aptariamos reakcijos efektyvusis skerspjūvis yra itin mažas: σ ≈ 10–43 cm 2. Iš to išplaukia, kad neutrinų detektorius, kurio jautrus tūris yra 1 m 3, užregistruos ne daugiau kaip kelis įvykius per metus. Akivaizdu, kad patikimam geoneutrinų srautų fiksavimui reikalingi didelio tūrio neutrinų detektoriai, esantys požeminėse laboratorijose, kad maksimaliai apsaugotų nuo fono. Idėja geoneutrinams registruoti naudoti detektorius, skirtus saulės ir reaktorių neutrinams tirti, kilo 1998 m. Šiuo metu yra du didelio tūrio neutrinų detektoriai, naudojantys skysčio scintiliatorių ir tinkami šiai problemai spręsti. Tai KamLAND (Japonija) ir Borexino (Italija) eksperimentų neutrinų detektoriai. Žemiau aptariame Borexino detektoriaus įrenginį ir su šiuo detektoriumi gautus rezultatus registruojant geoneutrinus.
Borexino detektorius ir geoneutrinų registracija
Borexino neutrinų detektorius yra centrinėje Italijoje, požeminėje laboratorijoje po Gran Sasso kalnų grandine, kurios kalnų viršūnės siekia 2,9 km (2 pav.).
Ryžiai. 2. Neutrinų laboratorijos išdėstymas po Gran Sasso kalnų grandine (Centrinė Italija)
Borexino yra nesegmentuotas masyvus detektorius, kurio aktyvioji terpė yra
280 tonų organinio skysčio scintiliatoriaus. Jis užpildė nailoninį sferinį 8,5 m skersmens indą (3 pav.). Scintiliatorius yra pseudokumenas (C 9 H 12) su spektrą keičiančiu priedu PPO (1,5 g / l). Šviesa iš scintiliatoriaus surenkama 2212 aštuonių colių fotodauginimo vamzdžių (PMT), sumontuotų ant nerūdijančio plieno sferos (SNS).
Ryžiai. 3. Borexino detektoriaus įrenginio schema
Nailono indas su pseudokumenu yra vidinis detektorius, kurio užduotis yra registruoti neutrinus (antineutrinus). Vidinį detektorių supa dvi koncentrinės buferinės zonos, kurios apsaugo jį nuo išorinių gama spindulių ir neutronų. Vidinė zona užpildyta nespinduliuojančia terpe, susidedančia iš 900 tonų pseudokumeno su scintiliaciją gesinančiais dimetilftalato priedais. Išorinė zona yra virš SNS ir yra vandens Čerenkovo detektorius, kuriame yra 2000 tonų itin gryno vandens ir kuris atjungia signalus iš miuonų, patenkančių į įrenginį iš išorės. Kiekvienai sąveikai, kuri vyksta vidiniame detektoriuje, nustatoma energija ir laikas. Detektoriaus kalibravimas naudojant įvairius radioaktyvius šaltinius leido labai tiksliai nustatyti jo energijos skalę ir šviesos signalo atkuriamumo laipsnį.
Borexino yra labai didelio radiacinio grynumo detektorius. Visos medžiagos buvo kruopščiai atrinktos, o scintiliatorius išvalytas, kad būtų sumažintas vidinis fonas. Dėl didelio radiacinio grynumo Borexino yra puikus detektorius antineutrinams aptikti.
Reakcijoje (1) pozitronas duoda momentinį signalą, po kurio po kurio laiko neutroną užfiksuoja vandenilio branduolys, dėl kurio atsiranda γ-kvantas, kurio energija yra 2,22 MeV, o tai sukuria signalas uždelstas, palyginti su pirmuoju. „Borexino“ neutronų pagavimo laikas yra apie 260 μs. Momentiniai ir uždelsti signalai yra koreliuojami erdvėje ir laike, todėl tiksliai atpažįstamas e.
Reakcijos (1) slenkstis yra 1,806 MeV ir, kaip matyti iš Fig. 1, visi geoneutrinai iš 40 K ir 235 U skilimo, pasirodo, yra žemiau šios ribos, ir galima aptikti tik dalį geoneutrinų, susidarančių 232 Th ir 238 U skilimo metu.
Borexino detektorius pirmą kartą aptiko signalus iš geoneutrinų 2010 m., o neseniai buvo paskelbti nauji rezultatai, remiantis 2056 dienų stebėjimais nuo 2007 m. gruodžio mėn. iki 2015 m. kovo mėn. Žemiau pateikiame gautus duomenis ir jų aptarimo rezultatus, remiantis straipsniu.
Atlikus eksperimentinių duomenų analizę, buvo nustatyti 77 kandidatai į elektroninius antineutrinus, kurie atitiko visus atrankos kriterijus. Įvykių, imituojančių e, fonas buvo įvertintas pagal vertę. Taigi signalo ir fono santykis buvo ≈100.
Pagrindinis fono šaltinis buvo reaktorių antineutrinai. Borexino situacija buvo gana palanki, nes šalia Gran Sasso laboratorijos nėra branduolinių reaktorių. Be to, reaktorių antineutrinai yra energingesni nei geoneutrinai, todėl šiuos antineutrinus galima atskirti nuo pozitrono signalo dydžiu. Geoneutrinų ir reaktorių antineutrinų įnašo į bendrą registruotų įvykių skaičių nuo e analizės rezultatai parodyti Fig. 4. Šios analizės nustatytas aptiktų geoneutrinų skaičius (4 pav. jie atitinka patamsėjusią sritį) yra lygus 
... Analizės metu išskirtame geoneutrinų spektre matomos dvi grupės – mažiau energingos, intensyvesnės ir energingesnės, mažiau intensyvios. Aprašyto tyrimo autoriai šias grupes sieja su atitinkamai torio ir urano skilimu.
Aptartoje analizėje buvo naudojamas torio ir urano masių santykis Žemės medžiagoje
m (Th) / m (U) = 3,9 (lentelėje ši vertė yra ≈3,8). Šis skaičius atspindi santykinį šių cheminių elementų kiekį chondrituose – labiausiai paplitusioje meteoritų grupėje (šiai grupei priklauso daugiau nei 90 proc. į Žemę nukritusių meteoritų). Manoma, kad chondritų sudėtis, išskyrus lengvąsias dujas (vandenilį ir helią), pakartoja Saulės sistemos ir protoplanetinio disko, iš kurio susidarė Žemė, sudėtį.
Ryžiai. 4. Pozitronų šviesos išėjimo spektras, išreikštas fotoelektronų skaičiaus vienetais kandidatams į antineutrininius įvykius (eksperimentiniai taškai). Tamsinta sritis yra geoneutrinų indėlis. Ištisinė linija yra reaktoriaus antineutrinų indėlis.
