Din cele mai vechi timpuri, oamenii au știut despre manifestările elementare ale energiei gigantice care pândesc în adâncuri. globul. Memoria omenirii păstrează legende despre erupțiile vulcanice catastrofale care au adus milioane de vieți omenești, au schimbat de nerecunoscut aspectul multor locuri de pe Pământ. Puterea erupției chiar și a unui vulcan relativ mic este colosală, depășește de multe ori puterea celor mai mari centrale electrice create de mâinile omului. Adevărat, nu este nevoie să vorbim despre utilizarea directă a energiei erupțiilor vulcanice: oamenii nu au încă ocazia să înfrâneze acest element recalcitrant și, din fericire, aceste erupții sunt evenimente destul de rare. Dar acestea sunt manifestări ale energiei care pândește în măruntaiele pământului, când doar o mică parte din această energie inepuizabilă găsește o cale de ieșire prin gurile vulcanilor care suflă foc.
Mic tara europeana Islanda („țara de gheață” în traducere literală) este pe deplin autosuficientă în roșii, mere și chiar banane! Numeroase sere islandeze sunt alimentate de căldura pământului, practic nu există alte surse locale de energie în Islanda. Dar această țară este foarte bogată izvoare termale și gheizere celebre - fântâni cu apă caldă, cu precizia unui cronometru scăpat din pământ. Și deși islandezii nu au prioritate în utilizarea căldurii surselor subterane (chiar și vechii romani pentru a băi celebre- baile din Caracalla - au adus apa de sub pamant), locuitorii acestei mici tari nordice exploatează centrala subterană foarte intens. Capitala Reykjavik, unde trăiește jumătate din populația țării, este încălzită doar de surse subterane. Reykjavik este punctul de plecare ideal pentru explorarea Islandei: de aici poți face cele mai interesante și variate excursii în orice colț al acestei țări unice: gheizere, vulcani, cascade, munți riolit, fiorduri... Pretutindeni în Reykjavik te vei simți PUR. ENERGIE - energia termică a gheizerelor care țâșnesc din subteran, energia purității și a spațiului unui oraș ideal verde, energia unui vesel și incendiar viata de noapte Reykjavik pe tot parcursul anului.
Dar nu numai pentru încălzire oamenii atrag energie din adâncurile pământului. Centralele electrice care folosesc izvoare subterane fierbinți funcționează de mult timp. Prima astfel de centrală, încă destul de mică, a fost construită în 1904 în micul oraș italian Larderello, numit după inginerul francez Larderelli, care în 1827 a întocmit un proiect pentru utilizarea a numeroase izvoare termale din zonă. Treptat, capacitatea centralei a crescut, au intrat în funcțiune tot mai multe unități noi, au fost folosite noi surse de apă caldă, iar astăzi puterea stației a atins deja o valoare impresionantă - 360 de mii de kilowați. În Noua Zeelandă, există o astfel de centrală electrică în regiunea Wairakei, capacitatea sa este de 160.000 de kilowați. O centrală geotermală cu o capacitate de 500.000 de kilowați produce energie electrică la 120 km de San Francisco, în Statele Unite.
energie geotermală
Din cele mai vechi timpuri, oamenii au știut despre manifestările spontane ale energiei gigantice care pândesc în intestinele globului. Memoria omenirii păstrează legende despre erupțiile vulcanice catastrofale care au adus milioane de vieți omenești, au schimbat de nerecunoscut aspectul multor locuri de pe Pământ. Puterea erupției chiar și a unui vulcan relativ mic este colosală, depășește de multe ori puterea celor mai mari centrale electrice create de mâinile omului. Adevărat, nu este nevoie să vorbim despre utilizarea directă a energiei erupțiilor vulcanice - până acum oamenii nu au ocazia să înfrâneze acest element recalcitrant și, din fericire, aceste erupții sunt evenimente destul de rare. Dar acestea sunt manifestări ale energiei care pândesc în măruntaiele pământului, când doar o mică parte din această energie inepuizabilă găsește o cale de ieșire prin gurile vulcanilor care suflă foc.
Gheizerul este izvor fierbinte, care își erupe apa la înălțimi regulate sau neregulate, ca o fântână. Numele provine de la cuvântul islandez pentru „tours”. Apariția gheizerelor necesită un anumit mediu favorabil, care este creat doar în câteva locuri de pe pământ, ceea ce duce la prezența lor destul de rară. Aproape 50% dintre gheizere sunt situate în parc național Yellowstone (SUA). Activitatea gheizerului se poate opri din cauza modificărilor intestinelor, a cutremurelor și a altor factori. Acțiunea unui gheizer este cauzată de contactul apei cu magma, după care apa se încălzește rapid și, sub influența energiei geotermale, este aruncată în sus cu forță. După erupție, apa din gheizer se răcește treptat, se scurge înapoi în magmă și din nou țâșnește. Frecvența erupțiilor diferitelor gheizere variază de la câteva minute la câteva ore. Nevoia de energie mare pentru funcționarea unui gheizer - Motivul principal raritatea lor. Zonele vulcanice pot avea izvoare termale, vulcani noroiosi, fumarole, dar sunt foarte puține locuri unde se află gheizere. Faptul este că, chiar dacă un gheizer s-a format la locul activității vulcanului, erupțiile ulterioare vor distruge suprafața pământului și vor schimba starea acestuia, ceea ce va duce la dispariția gheizerului.
Energia pământului ( energie geotermală) se bazează pe utilizarea căldurii naturale a Pământului. Măruntaiele Pământului sunt pline de o sursă de energie colosală, aproape inepuizabilă. Radiația anuală de căldură internă pe planeta noastră este de 2,8 * 1014 miliarde kWh. Este compensată în mod constant de dezintegrarea radioactivă a unor izotopi în Scoarta terestra.
Sursele de energie geotermală pot fi de două tipuri. Primul tip este bazinele subterane cu purtători de căldură naturali - apă caldă (izvoare hidrotermale), sau abur (izvoare termale cu abur) sau un amestec de abur-apă. În esență, acestea sunt „cazane subterane” direct gata de utilizare, de unde se poate extrage apa sau aburul folosind foraje obișnuite. Al doilea tip este căldura caldă stânci. Pompând apă în astfel de orizonturi, se poate obține și abur sau apă supraîncălzită pentru utilizare ulterioară în scopuri energetice.
Dar în ambele cazuri de utilizare dezavantaj principal se află, probabil, într-o concentrație foarte slabă de energie geotermală. Cu toate acestea, în locurile de formare a anomaliilor geotermale deosebite, unde izvoarele termale sau rocile se apropie relativ de suprafață și unde temperatura crește cu 30-40 ° C la fiecare 100 m, concentrațiile de energie geotermală pot crea condiții pentru utilizarea sa economică. În funcție de temperatura apei, aburului sau a amestecului abur-apă, sursele geotermale se împart în temperatură joasă și medie (cu temperaturi de până la 130 - 150 ° C) și temperatură ridicată (peste 150 °). Natura utilizării lor depinde în mare măsură de temperatură.
Se poate argumenta că energie geotermală are patru caracteristici distinctive avantajoase.
În primul rând, rezervele sale sunt practic inepuizabile. Potrivit estimărilor de la sfârșitul anilor 70, la o adâncime de 10 km, acestea se ridică la o valoare de 3,5 mii de ori mai mare decât rezervele. tipuri tradiționale combustibil mineral.
În al doilea rând, energia geotermală este destul de răspândită. Concentrația sa este asociată în principal cu seismică activă și activitate vulcanica, care ocupă 1/10 din suprafața Pământului. În cadrul acestor centuri se pot distinge unele dintre cele mai promițătoare „regiuni geotermale”, exemple dintre care sunt California în SUA, Noua Zeelandă, Japonia, Islanda, Kamchatka, Caucazul de Nord in Rusia. Numai în fosta URSS, la începutul anilor 90, au fost deschise aproximativ 50 de bazine subterane cu apă caldă și abur.
În al treilea rând, utilizarea energiei geotermale nu necesită costuri mari, deoarece. în acest caz, vorbim despre surse de energie deja „gata de utilizare” create de natura însăși.
În cele din urmă, în al patrulea rând, energia geotermală este complet inofensivă pentru mediu și nu poluează mediul.
Omul folosește de mult energia căldurii interne a Pământului (să ne amintim faimoasele băi romane), dar utilizarea sa comercială a început abia în anii 20 ai secolului nostru odată cu construirea primelor centrale geoelectrice în Italia și apoi in alte țări. Până la începutul anilor 1980, în lume funcționau aproximativ 20 de astfel de stații cu o capacitate totală de 1,5 milioane kW. Cea mai mare dintre ele este stația Geysers din SUA (500 mii kW).
Energia geotermală este folosită pentru a genera energie electrică, încălzirea locuințelor, sere etc. Aburul uscat, apa supraîncălzită sau orice purtător de căldură cu un punct de fierbere scăzut (amoniac, freon etc.) este folosit ca purtător de căldură.
La noi, bogată în hidrocarburi, energia geotermală este un fel de resursă exotică care, în starea actuală, este puțin probabil să concureze cu petrolul și gazele. Cu toate acestea, această formă alternativă de energie poate fi folosită aproape peste tot și destul de eficient.
Energia geotermală este căldura din interiorul pământului. Este produsă în adâncuri și iese la suprafața Pământului în forme diferiteşi cu intensităţi diferite.
Temperatura straturilor superioare ale solului depinde în principal de factori externi (exogeni) - lumina soarelui și temperatura aerului. Vara și ziua, solul se încălzește la anumite adâncimi, iar iarna și noaptea se răcește în urma schimbării temperaturii aerului și cu o oarecare întârziere, crescând odată cu adâncimea. Influența fluctuațiilor zilnice ale temperaturii aerului se termină la adâncimi de la câțiva până la câteva zeci de centimetri. Fluctuațiile sezoniere captează straturi mai adânci de sol - până la zeci de metri.
La o anumită adâncime - de la zeci la sute de metri - temperatura solului se menține constantă, egală cu temperatura medie anuală a aerului de la suprafața Pământului. Acest lucru este ușor de verificat coborând într-o peșteră destul de adâncă.
Când temperatura medie anuală a aerului într-o anumită zonă este sub zero, aceasta se manifestă ca permafrost (mai precis, permafrost). În Siberia de Est, grosimea, adică grosimea, a solurilor înghețate pe tot parcursul anului ajunge la 200–300 m pe alocuri.
De la o anumită adâncime (proprie pentru fiecare punct de pe hartă), acțiunea Soarelui și a atmosferei slăbește atât de mult încât factorii endogeni (interni) vin pe primul loc și interiorul pământului este încălzit din interior, astfel încât temperatura începe să scadă. se ridică cu adâncimea.
Încălzirea straturilor profunde ale Pământului este asociată în principal cu dezintegrarea elementelor radioactive aflate acolo, deși alte surse de căldură sunt denumite și, de exemplu, procese fizico-chimice, tectonice în straturile profunde ale scoarței și mantalei terestre. Dar oricare ar fi cauza, temperatura rocilor și a substanțelor lichide și gazoase asociate crește odată cu adâncimea. Minerii se confruntă cu acest fenomen - este întotdeauna cald în minele adânci. La o adâncime de 1 km, căldura de treizeci de grade este normală, iar mai adânc temperatura este și mai mare.
Fluxul de căldură din interiorul pământului, care ajunge la suprafața Pământului, este mic - în medie, puterea sa este de 0,03–0,05 W / m 2 sau aproximativ 350 W h / m 2 pe an. Pe fondul fluxului de căldură de la Soare și al aerului încălzit de acesta, aceasta este o valoare imperceptibilă: Soarele oferă tuturor metru patrat suprafața pământului este de aproximativ 4.000 kWh anual, adică de 10.000 de ori mai mult (desigur, aceasta este în medie, cu o răspândire uriașă între latitudinile polare și ecuatoriale și în funcție de alți factori climatici și meteorologici).
Nesemnificația fluxului de căldură de la adâncime la suprafață în cea mai mare parte a planetei este asociată cu conductivitatea termică scăzută a rocilor și a caracteristicilor. structura geologica. Dar există și excepții - locuri în care fluxul de căldură este mare. Acestea sunt, în primul rând, domenii falii tectonice, a crescut activitate seismicăși vulcanismul, unde energia din interiorul pământului găsește o cale de ieșire. Astfel de zone sunt caracterizate de anomalii termice ale litosferei, aici fluxul de căldură care ajunge la suprafața Pământului poate fi de multe ori și chiar ordine de mărime mai puternic decât cel „obișnuit”. O cantitate imensă de căldură este adusă la suprafață în aceste zone de erupțiile vulcanice și izvoarele termale de apă.
Aceste zone sunt cele mai favorabile pentru dezvoltarea energiei geotermale. Pe teritoriul Rusiei, aceasta este, în primul rând, Kamchatka, Insulele Kurileși Caucazul.
În același timp, dezvoltarea energiei geotermale este posibilă aproape peste tot, deoarece creșterea temperaturii cu adâncimea este un fenomen omniprezent, iar sarcina este de a „extrage” căldura din intestine, la fel cum de acolo se extrag materiile prime minerale.
În medie, temperatura crește cu adâncimea cu 2,5–3°C la fiecare 100 m. Raportul dintre diferența de temperatură dintre două puncte situate la adâncimi diferite și diferența de adâncime dintre ele se numește gradient geotermal.
Reciprocul este pasul geotermal sau intervalul de adâncime la care temperatura crește cu 1°C.
Cu cât gradientul este mai mare și, în consecință, cu cât treapta este mai mică, cu atât căldura adâncurilor Pământului se apropie de suprafață și cu atât această zonă este mai promițătoare pentru dezvoltarea energiei geotermale.
În diferite zone, în funcție de structura geologică și de alte condiții regionale și locale, rata de creștere a temperaturii cu adâncimea poate varia dramatic. La scara Pământului, fluctuațiile valorilor gradienților și treptelor geotermale ajung la 25 de ori. De exemplu, în statul Oregon (SUA) gradientul este de 150°C la 1 km, iar în Africa de Sud este de 6°C la 1 km.
Întrebarea este, care este temperatura la adâncimi mari - 5, 10 km sau mai mult? Dacă tendința continuă, temperaturile la o adâncime de 10 km ar trebui să fie în medie de 250-300°C. Acest lucru este mai mult sau mai puțin confirmat de observațiile directe în puțuri ultraprofunde, deși imaginea este mult mai complicată decât creșterea liniară a temperaturii.
De exemplu, în Kola fântână ultra-profundă, forat în Scutul Cristalin Baltic, temperatura la o adâncime de 3 km se schimbă cu o rată de 10°C/1 km, iar apoi gradientul geotermal devine de 2–2,5 ori mai mare. La o adâncime de 7 km s-a înregistrat deja o temperatură de 120°C, la 10 km - 180°C, iar la 12 km - 220°C.
Un alt exemplu este o fântână așezată în nordul Caspicului, unde la o adâncime de 500 m s-a înregistrat o temperatură de 42°C, la 1,5 km - 70°C, la 2 km - 80°C, la 3 km - 108°C.
Se presupune că gradientul geotermal scade începând de la o adâncime de 20–30 km: la o adâncime de 100 km, temperaturile estimate sunt de aproximativ 1300–1500°C, la o adâncime de 400 km - 1600°C, în adâncimea Pământului. miez (adâncimi de peste 6000 km) - 4000–5000 ° C.
La adâncimi de până la 10–12 km, temperatura este măsurată prin puțuri forate; acolo unde nu există, se determină prin semne indirecte la fel ca la adâncimi mai mari. Astfel de semne indirecte pot fi natura trecerii undelor seismice sau temperatura lavei care erupe.
Cu toate acestea, în scopul energiei geotermale, datele privind temperaturile la adâncimi mai mari de 10 km nu prezintă încă un interes practic.
Este multă căldură la adâncimi de câțiva kilometri, dar cum să o ridici? Uneori, natura însăși rezolvă această problemă pentru noi cu ajutorul unui lichid de răcire natural - încălzit ape termale, ieșind la suprafață sau culcându-se la o adâncime accesibilă nouă. În unele cazuri, apa din adâncuri este încălzită până la starea de abur.
Nu există o definiție strictă a conceptului de „ape termale”. De regulă, ele înseamnă apă subterană fierbinte în stare lichidă sau sub formă de abur, inclusiv cele care vin la suprafața Pământului cu o temperatură de peste 20 ° C, adică, de regulă, mai mare decât temperatura aerului.
Căldura din apă subterană, abur, amestecuri abur-apă este energie hidrotermală. În consecință, energia bazată pe utilizarea sa se numește hidrotermală.
Situația este mai complicată cu producerea de căldură direct din roci uscate - energie petrotermală, mai ales că temperaturile suficient de ridicate, de regulă, încep de la adâncimi de câțiva kilometri.
Pe teritoriul Rusiei, potențialul energiei petrotermale este de o sută de ori mai mare decât cel al energiei hidrotermale - 3500 și, respectiv, 35 trilioane de tone de combustibil standard. Acest lucru este destul de natural - căldura adâncurilor Pământului este peste tot, iar apele termale se găsesc local. Cu toate acestea, din cauza dificultăților tehnice evidente, în prezent se utilizează căldură și electricitate în majoritatea cazurilor ape termale.
Temperaturile apei de la 20-30 până la 100°C sunt potrivite pentru încălzire, temperaturi de la 150°C și peste - și pentru generarea de energie electrică în centralele geotermale.
În general, resursele geotermale de pe teritoriul Rusiei, în ceea ce privește tonele de combustibil de referință sau orice altă unitate de măsură a energiei, sunt de aproximativ 10 ori mai mari decât rezervele de combustibili fosili.
Teoretic, numai datorită energiei geotermale, s-ar putea satisface pe deplin nevoile energeticeţări. În practică, în prezent, în cea mai mare parte a teritoriului său, acest lucru nu este fezabil din motive tehnice și economice.
În lume, utilizarea energiei geotermale este asociată cel mai adesea cu Islanda, o țară situată la capătul nordic al creastului Mid-Atlantic, într-o zonă tectonică și excepțional de activă. zona vulcanica. Probabil că toată lumea își amintește de erupția puternică a vulcanului Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajokull) în 2010.
Datorită acestui specific geologic, Islanda are rezerve uriașe de energie geotermală, inclusiv izvoare termale care ies la suprafața Pământului și chiar țâșnesc sub formă de gheizere.
În Islanda, mai mult de 60% din toată energia consumată este preluată în prezent de pe Pământ. Inclusiv din cauza surselor geotermale, se asigură 90% din încălzire și 30% din generarea de energie electrică. Adăugăm că restul energiei electrice din țară este produsă de centrale hidroelectrice, adică folosind și o sursă de energie regenerabilă, datorită căreia Islanda arată ca un fel de standard de mediu global.
„Îmblânzirea” energiei geotermale în secolul al XX-lea a ajutat în mod semnificativ Islanda din punct de vedere economic. Până la jumătatea secolului trecut, a fost o țară foarte săracă, acum ocupând primul loc în lume în ceea ce privește capacitatea instalată și producția de energie geotermală pe cap de locuitor, fiind în top zece în ceea ce privește capacitatea instalată absolută de energie geotermală. plantelor. Cu toate acestea, populația sa este de doar 300 de mii de oameni, ceea ce simplifică sarcina de a trece la ecologic surse curate energie: nevoia de ea este în general mică.
Pe lângă Islanda, o pondere mare a energiei geotermale în soldul total al producției de energie electrică este furnizată în Noua Zeelandă și statele insulare Asia de Sud-Est(Filipine și Indonezia), țările din America Centrală și Africa de Est, al căror teritoriu se caracterizează și prin activitate seismică și vulcanică ridicată. Pentru aceste țări, la nivelul lor actual de dezvoltare și nevoi, energia geotermală aduce o contribuție semnificativă la dezvoltarea socio-economică.
Utilizarea energiei geotermale are o istorie foarte lungă. Unul dintre primele exemple cunoscute este Italia, un loc din provincia Toscana, numit în prezent Larderello, unde, încă de la începutul secolului al XIX-lea, apele termale calde locale, curgând în mod natural sau extrase din fântâni de mică adâncime, erau folosite pentru energie. scopuri.
Apa din surse subterane, bogata in bor, era folosita aici pentru obtinerea acidului boric. Inițial, acest acid a fost obținut prin evaporare în cazane de fier, iar lemnul de foc obișnuit a fost luat drept combustibil din pădurile din apropiere, dar în 1827 Francesco Larderel a creat un sistem care funcționa pe căldura apelor în sine. În același timp, energia vaporilor naturali de apă a început să fie utilizată pentru exploatarea instalațiilor de foraj, iar la începutul secolului XX, pentru încălzirea caselor și a serelor locale. În același loc, la Larderello, în 1904, vaporii de apă termală au devenit o sursă de energie pentru generarea energiei electrice.
Exemplul Italiei de la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea a fost urmat de alte țări. De exemplu, în 1892, apele termale au fost folosite pentru încălzirea locală pentru prima dată în Statele Unite (Boise, Idaho), în 1919 - în Japonia, în 1928 - în Islanda.
În Statele Unite, prima centrală hidrotermală a apărut în California la începutul anilor 1930, în Noua Zeelandă - în 1958, în Mexic - în 1959, în Rusia (primul GeoPP binar din lume) - în 1965.
Un principiu vechi la o nouă sursă
Generarea de energie electrică necesită o temperatură mai mare a sursei de apă decât încălzirea, peste 150°C. Principiul de funcționare al unei centrale geotermale (GeoES) este similar cu principiul de funcționare al unei centrale termice convenționale (TPP). De fapt, o centrală geotermală este un tip de centrală termică.
La centralele termice, de regulă, cărbunele, gazul sau păcura acţionează ca sursă primară de energie, iar vaporii de apă servesc ca fluid de lucru. Combustibilul, care arde, încălzește apa până la o stare de abur, care rotește turbina cu abur și generează energie electrică.
Diferența dintre GeoPP este că sursa primară de energie aici este căldura din interiorul pământului, iar fluidul de lucru sub formă de abur pătrunde în paletele turbinei generatorului electric într-o formă „gata” direct din puțul de producție.
Există trei scheme principale de funcționare GeoPP: directă, folosind abur uscat (geotermal); indirect, pe bază de apă hidrotermală, și mixt, sau binar.
Utilizarea uneia sau a alteia scheme depinde de starea de agregare și de temperatura purtătorului de energie.
Cea mai simplă și deci prima dintre schemele stăpânite este cea directă, în care aburul care vine din puț este trecut direct prin turbină. Primul GeoPP din lume din Larderello din 1904 a funcționat și cu abur uscat.
GeoPP-urile cu o schemă indirectă de funcționare sunt cele mai comune în timpul nostru. Ei folosesc fierbinte apă subterană, care este injectat sub presiune mare în evaporator, unde o parte din acesta este evaporată, iar aburul rezultat rotește turbina. În unele cazuri, sunt necesare dispozitive și circuite suplimentare pentru a purifica apa geotermală și aburul din compușii agresivi.
Aburul de evacuare intră în puțul de injecție sau este utilizat pentru încălzirea spațiului - în acest caz, principiul este același ca în timpul funcționării unui CHP.
La GeoPP-urile binare, apa termală fierbinte interacționează cu un alt lichid care acționează ca un fluid de lucru cu un punct de fierbere mai scăzut. Ambele lichide sunt trecute printr-un schimbător de căldură, unde apa termală evaporă lichidul de lucru, ai cărui vapori rotesc turbina.
Acest sistem este închis, ceea ce rezolvă problema emisiilor în atmosferă. În plus, fluidele de lucru cu un punct de fierbere relativ scăzut fac posibilă utilizarea apelor termale nu foarte fierbinți ca sursă primară de energie.
Toate cele trei scheme folosesc o sursă hidrotermală, dar energia petrotermală poate fi folosită și pentru a genera energie electrică.
Schema de circuit în acest caz este, de asemenea, destul de simplă. Este necesar să forați două puțuri interconectate - injecție și producție. Apa este pompată în puțul de injecție. La adâncime, se încălzește, apoi apa încălzită sau aburul format ca urmare a încălzirii puternice este furnizat la suprafață printr-un puț de producție. În plus, totul depinde de modul în care este utilizată energia petrotermală - pentru încălzire sau pentru producerea de energie electrică. Un ciclu închis este posibil cu pomparea aburului de evacuare și a apei înapoi în puțul de injecție sau altă metodă de eliminare.
Dezavantajul unui astfel de sistem este evident: pentru a obține o temperatură suficient de ridicată a fluidului de lucru, este necesară forarea puțurilor la mare adâncime. Și acesta este un cost serios și riscul unei pierderi semnificative de căldură atunci când fluidul se mișcă în sus. Prin urmare, sistemele petrotermale sunt încă mai puțin comune decât cele hidrotermale, deși potențialul energiei petrotermale este cu ordine de mărime mai mare.
În prezent, liderul în crearea așa-numitelor sisteme de circulație petrotermală (PCS) este Australia. În plus, această direcție a energiei geotermale se dezvoltă activ în SUA, Elveția, Marea Britanie și Japonia.
Cadou de la Lordul Kelvin
Invenția pompei de căldură în 1852 de către fizicianul William Thompson (alias Lord Kelvin) a oferit omenirii o oportunitate reală de a folosi căldura de calitate scăzută a straturilor superioare ale solului. Pe care se bazează sistemul de pompă de căldură sau multiplicatorul de căldură, așa cum l-a numit Thompson proces fizic transfer de căldură de la mediu inconjurator la lichidul de răcire. De fapt, folosește același principiu ca și în sistemele petrotermale. Diferența constă în sursa de căldură, în legătură cu care poate apărea o întrebare terminologică: în ce măsură o pompă de căldură poate fi considerată un sistem geotermal? Cert este că în straturile superioare, până la adâncimi de zeci sau sute de metri, rocile și fluidele conținute în ele sunt încălzite nu de căldura adâncă a pământului, ci de soare. Astfel, soarele este în acest caz sursa primară de căldură, deși este luat, ca și în sistemele geotermale, de pe pământ.
Funcționarea unei pompe de căldură se bazează pe întârzierea încălzirii și răcirii solului față de atmosferă, în urma căreia se formează un gradient de temperatură între suprafață și straturile mai adânci, care rețin căldura chiar și iarna, similar cu ce se întâmplă în rezervoare. Scopul principal al pompelor de căldură este încălzirea spațiului. De fapt, este un „frigider în sens invers”. Atât pompa de căldură, cât și frigiderul interacționează cu trei componente: mediul intern (în primul caz - o cameră încălzită, în al doilea - o cameră frigorifică răcită), mediul extern - o sursă de energie și un agent frigorific (refrigerant), care este, de asemenea, un lichid de răcire care asigură transferul de căldură sau frig.
O substanță cu un punct de fierbere scăzut acționează ca agent frigorific, ceea ce îi permite să preia căldură dintr-o sursă care are chiar și o temperatură relativ scăzută.
În frigider, agentul frigorific lichid intră în evaporator printr-un clapete de accelerație (regulator de presiune), unde, din cauza scăderii brusce a presiunii, lichidul se evaporă. Evaporarea este un proces endotermic care necesită absorbția căldurii din exterior. Ca urmare, căldura este preluată din pereții interiori ai evaporatorului, ceea ce asigură un efect de răcire în camera frigiderului. Mai departe de evaporator, agentul frigorific este aspirat în compresor, unde revine la starea lichidă de agregare. Acesta este procesul invers, care duce la eliberarea căldurii preluate în mediul extern. De regulă, este aruncat în cameră, iar peretele din spate al frigiderului este relativ cald.
Pompa de caldura functioneaza aproape in acelasi mod, cu diferenta ca caldura este preluata din mediul exterior si intra in mediul intern prin evaporator - sistemul de incalzire a incaperii.
Într-o pompă de căldură adevărată, apa este încălzită, trecând printr-un circuit extern așezat în pământ sau într-un rezervor, apoi intră în evaporator.
În evaporator, căldura este transferată într-un circuit intern umplut cu un agent frigorific cu un punct de fierbere scăzut, care, trecând prin evaporator, trece de la starea lichidă la starea gazoasă, luând căldură.
Mai mult, agentul frigorific gazos intră în compresor, unde este comprimat la presiune și temperatură ridicată, și intră în condensator, unde are loc schimbul de căldură între gazul fierbinte și purtătorul de căldură din sistemul de încălzire.
Compresorul necesită energie electrică pentru a funcționa, totuși, raportul de transformare (raportul dintre energia consumată și produsă) în sistemele moderne este suficient de mare pentru a asigura eficiența acestora.
În prezent, pompele de căldură sunt destul de utilizate pe scară largă pentru încălzirea spațiilor, în principal din punct de vedere economic țările dezvoltate.
Energie eco-corectă
Energia geotermală este considerată ecologică, ceea ce este în general adevărat. În primul rând, folosește o resursă regenerabilă și practic inepuizabilă. Energia geotermală nu necesită suprafețe mari, spre deosebire de marile hidrocentrale sau parcuri eoliene, și nu poluează atmosfera, spre deosebire de energia hidrocarburilor. În medie, GeoPP ocupă 400 m 2 în ceea ce privește 1 GW de energie electrică generată. Aceeași cifră pentru o centrală termică pe cărbune, de exemplu, este de 3600 m 2. Beneficiile pentru mediu ale GeoPP includ și consumul redus de apă - 20 de litri apa dulce la 1 kW, în timp ce centralele termice și centralele nucleare necesită aproximativ 1000 de litri. Rețineți că aceștia sunt indicatorii de mediu ai GeoPP „medie”.
Dar negativ efecte secundare totusi exista. Printre acestea, cel mai adesea se disting zgomotul, poluarea termică a atmosferei și poluarea chimică a apei și a solului, precum și formarea deșeurilor solide.
Principala sursă de poluare chimică a mediului este apa termală în sine (cu temperatură ridicată și mineralizare), care conține adesea cantități mari de compuși toxici și, prin urmare, există o problemă de eliminare a apelor uzate și a substanțelor periculoase.
Efectele negative ale energiei geotermale pot fi urmărite în mai multe etape, începând cu forarea puțurilor. Aici apar aceleași pericole ca la forarea oricărei puțuri: distrugerea solului și a stratului de vegetație, poluarea solului și a apelor subterane.
În etapa de funcționare a GeoPP persistă problemele poluării mediului. Fluidele termice - apă și abur - conțin de obicei dioxid de carbon (CO 2), sulfură de sulf (H 2 S), amoniac (NH 3), metan (CH 4), sare comună (NaCl), bor (B), arsen (As). ), mercur (Hg). Când sunt eliberate în mediu, devin surse de poluare. În plus, un mediu chimic agresiv poate provoca deteriorarea coroziunii structurilor GeoTPP.
În același timp, emisiile de poluanți la GeoPP-uri sunt în medie mai mici decât la TPP-uri. De exemplu, emisiile dioxid de carbon pentru fiecare kilowatt-oră de energie electrică produsă, acestea se ridică la 380 g la GeoPP, 1042 g - la termocentrale pe cărbune, 906 g - la păcură și 453 g - la termocentrale pe gaz.
Apare întrebarea: ce să faci cu apa uzată? Cu mineralizare scăzută, după răcire, poate fi aruncat în suprafata apei. Cealaltă modalitate este de a-l pompa înapoi în acvifer printr-un puț de injecție, care este practica preferată și predominantă în prezent.
Extracția apei termale din acvifere (precum și pomparea apei obișnuite) poate provoca tasări și mișcări ale solului, alte deformații ale straturilor geologice și micro-cutremure. Probabilitatea unor astfel de fenomene este de obicei scăzută, deși au fost înregistrate cazuri individuale (de exemplu, la GeoPP din Staufen im Breisgau în Germania).
Trebuie subliniat faptul că majoritatea GeoPP-urilor sunt situate în zone relativ slab populate și în țările lumii a treia, unde cerințele de mediu sunt mai puțin stricte decât în țările dezvoltate. În plus, în acest moment numărul GeoPP-urilor și capacitățile acestora sunt relativ mici. Odată cu o dezvoltare mai mare a energiei geotermale, riscurile de mediu pot crește și se pot multiplica.
Cât este energia Pământului?
Costurile de investiții pentru construcția sistemelor geotermale variază într-o gamă foarte largă - de la 200 la 5000 de dolari pe 1 kW de capacitate instalată, adică cea mai mare. opțiuni ieftine comparabil cu costul construirii unei centrale termice. Ele depind, în primul rând, de condițiile de apariție a apelor termale, de compoziția acestora și de proiectarea sistemului. Forarea la adâncimi mari, crearea unui sistem închis cu două puțuri, nevoia de tratare a apei poate multiplica costul.
De exemplu, investiții în crearea unei petrotermale sistem de circulație(PTsS) sunt estimate la 1,6-4 mii de dolari pe 1 kW de capacitate instalată, ceea ce depășește costurile de construcție centrală nuclearăși comparabil cu costul construirii centralelor eoliene și solare.
Avantajul economic evident al GeoTPP este un purtător de energie gratuit. Pentru comparație, în structura costurilor unei centrale termice în exploatare sau centrale nucleare, combustibilul reprezintă 50–80% sau chiar mai mult, în funcție de prețurile curente la energie. De aici, un alt avantaj al sistemului geotermal: costurile de operare sunt mai stabile și mai previzibile, deoarece nu depind de conjunctura externă a prețurilor la energie. În general, costurile de operare ale GeoTPP sunt estimate la 2–10 cenți (60 copeici–3 ruble) per 1 kWh de capacitate generată.
Al doilea cel mai mare (și foarte semnificativ) articol de cheltuială după purtătorul de energie este, de regulă, salariu personalul uzinei, care poate varia dramatic de la o țară și de la alta.
În medie, costul de 1 kWh de energie geotermală este comparabil cu cel pentru centralele termice (în condițiile rusești - aproximativ 1 rublă / 1 kWh) și de zece ori mai mare decât costul de producere a energiei electrice la centralele hidroelectrice (5-10 copeici). / 1 kWh ).
O parte din motivul costului ridicat este că, spre deosebire de centralele termice și hidraulice, GeoTPP are o capacitate relativ mică. În plus, este necesară compararea sistemelor situate în aceeași regiune și în condiții similare. Deci, de exemplu, în Kamchatka, conform experților, 1 kWh de energie electrică geotermală costă de 2-3 ori mai ieftin decât energia electrică produsă la centralele termice locale.
Indicatori eficiență economică Funcționarea unui sistem geotermal depinde, de exemplu, dacă este necesară eliminarea apei uzate și în ce mod se face acest lucru, dacă utilizarea combinată a resursei este posibilă. Asa de, elemente chimice iar compușii extrași din apa termală pot oferi venituri suplimentare. Să ne amintim exemplul lui Larderello: primarul producție chimică, iar utilizarea energiei geotermale a fost inițial de natură auxiliară.
Energie Geotermală Forwards
Energia geotermală se dezvoltă oarecum diferit decât eolian și solar. Ea este în prezent semnificativă Mai mult depinde de natura resursei în sine, care diferă puternic de la o regiune la alta, iar cele mai mari concentrații sunt legate de zone înguste de anomalii geotermale asociate, de regulă, cu zone de falii tectonice și vulcanism.
În plus, energia geotermală este mai puțin încăpătoare din punct de vedere tehnologic în comparație cu cea eoliană și cu atât mai mult cu energia solară: sistemele stațiilor geotermale sunt destul de simple.
LA structura de ansamblu Componenta geotermală reprezintă mai puțin de 1% din producția globală de energie electrică, dar în unele regiuni și țări ponderea sa ajunge la 25-30%. Datorită legăturii cu condițiile geologice, o parte semnificativă a capacității de energie geotermală este concentrată în țările lumii a treia, unde există trei grupuri de cea mai mare dezvoltare a industriei - insulele din Asia de Sud-Est, America Centrală și Africa de Est. Primele două regiuni fac parte din „Centura de foc a Pământului” din Pacific, a treia este legată de Rift-ul Africii de Est. Cu cea mai mare probabilitate, energia geotermală va continua să se dezvolte în aceste centuri. Mai mult perspectivă îndepărtată- dezvoltarea energiei petrotermale, folosind căldura straturilor pământului aflate la o adâncime de câțiva kilometri. Aceasta este o resursă aproape omniprezentă, dar extracția ei necesită costuri ridicate, astfel încât energia petrotermală se dezvoltă în primul rând în țările cele mai puternice din punct de vedere economic și tehnologic.
În general, având în vedere ubicuitatea resurselor geotermale și un nivel acceptabil de siguranță a mediului, există motive să credem că energia geotermală are perspective bune dezvoltare. Mai ales cu amenințarea crescândă a penuriei de purtători de energie tradiționali și creșterea prețurilor pentru aceștia.
Din Kamchatka până în Caucaz
În Rusia, dezvoltarea energiei geotermale are o istorie destul de lungă, iar într-o serie de poziții suntem printre liderii mondiali, deși ponderea energiei geotermale în bilanțul energetic global al unei țări uriașe este încă neglijabilă.
Pionierii și centrele de dezvoltare a energiei geotermale în Rusia au fost două regiuni - Kamchatka și Caucazul de Nord, iar dacă în primul caz vorbim în primul rând despre industria energiei electrice, atunci în al doilea - despre utilizarea energiei termice a apa termala.
În Caucazul de Nord, în Teritoriul Krasnodar, Cecenia, Daghestan - căldura apelor termale în scopuri energetice a fost folosită chiar înainte de Marea Războiul Patriotic. În anii 1980–1990, dezvoltarea energiei geotermale în regiune, din motive evidente, a stagnat și nu și-a revenit încă din starea de stagnare. Cu toate acestea, alimentarea cu apă geotermală din Caucazul de Nord oferă căldură pentru aproximativ 500 de mii de oameni și, de exemplu, orașul Labinsk din Teritoriul Krasnodar, cu o populație de 60 de mii de oameni, este complet încălzit de ape geotermale.
În Kamchatka, istoria energiei geotermale este asociată în primul rând cu construcția GeoPP. Primele dintre ele, care încă operează stațiile Pauzhetskaya și Paratunskaya, au fost construite în anii 1965–1967, în timp ce Paratunskaya GeoPP cu o capacitate de 600 kW a devenit prima stație din lume cu un ciclu binar. A fost dezvoltarea oamenilor de știință sovietici S. S. Kutateladze și A. M. Rosenfeld de la Institutul de Fizică Termică a Filialei Siberiei a Academiei Ruse de Științe, care au primit în 1965 un certificat de drepturi de autor pentru extragerea energiei electrice din apă cu o temperatură de 70 ° C. Această tehnologie a devenit ulterior prototipul pentru peste 400 de GeoPP-uri binare din lume.
Capacitatea GeoPP Pauzhetskaya, pusă în funcțiune în 1966, a fost inițial de 5 MW și ulterior a crescut la 12 MW. În prezent, centrala este în construcție a unui bloc binar, care își va crește capacitatea cu încă 2,5 MW.
Dezvoltarea energiei geotermale în URSS și Rusia a fost împiedicată de disponibilitatea surselor tradiționale de energie - petrol, gaze, cărbune, dar nu sa oprit niciodată. Cele mai mari instalații de energie geotermală în acest moment sunt Verkhne-Mutnovskaya GeoPP cu o capacitate totală de unități de putere de 12 MW, puse în funcțiune în 1999, și Mutnovskaya GeoPP cu o capacitate de 50 MW (2002).
Mutnovskaya și Verkhne-Mutnovskaya GeoPP sunt obiecte unice nu numai pentru Rusia, ci și la scară globală. Stațiile sunt situate la poalele vulcanului Mutnovsky, la o altitudine de 800 de metri deasupra nivelului mării, și funcționează în condiții climatice extreme, unde este iarnă 9-10 luni pe an. Echipamentul Mutnovsky GeoPP-uri, în prezent unul dintre cele mai moderne din lume, a fost complet creat la întreprinderile interne de inginerie energetică.
În prezent, ponderea stațiilor Mutnovsky în structura generală a consumului de energie din Kamchatka Centrală nodul energetic este de 40%. O creștere a capacității este planificată în următorii ani.
Separat, ar trebui spus despre dezvoltările petrotermale din Rusia. Nu avem încă PDS mari, dar există tehnologii avansate de foraj la adâncimi mari (aproximativ 10 km), care, de asemenea, nu au analogi în lume. Lor dezvoltare ulterioară va reduce drastic costul creării sistemelor petrotermale. Dezvoltatorii acestor tehnologii și proiecte sunt N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Institutul Geologic al Academiei Ruse de Științe), A. S. Nekrasov (Institutul de Prognoză Economică al Academiei Ruse de Științe) și specialiști de la Uzina de Turbine Kaluga. În prezent, proiectul sistemului de circulație petrotermală din Rusia se află în stadiu pilot.
Există perspective pentru energia geotermală în Rusia, deși sunt relativ îndepărtate: în acest moment, potențialul este destul de mare, iar pozițiile energiei tradiționale sunt puternice. În același timp, într-o serie de regiuni îndepărtate ale țării, utilizarea energiei geotermale este profitabilă din punct de vedere economic și este solicitată și acum. Acestea sunt teritorii cu potențial geoenergetic ridicat (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - partea rusă Pacificul „Centura de foc a Pământului”, munții din sudul Siberiei și din Caucaz) și, în același timp, îndepărtați și tăiați de alimentarea centralizată cu energie.
Este probabil ca în următoarele decenii energia geotermală din țara noastră să se dezvolte tocmai în astfel de regiuni.
2. Regimul termic al Pământului
Pământul este un corp cosmic rece. Temperatura suprafeței depinde în principal de căldura furnizată din exterior. 95% din căldura stratului superior al Pământului este extern căldură (solară) și doar 5% căldură intern , care provine din intestinele Pământului și include mai multe surse de energie. În intestinele Pământului, temperatura crește odată cu adâncimea de la 1300 o C (în mantaua superioară) la 3700 o C (în centrul nucleului).
căldură externă. Căldura vine la suprafața Pământului în principal de la Soare. Fiecare centimetru pătrat de suprafață primește aproximativ 2 calorii de căldură într-un minut. Această valoare este numită constantă solară și determină cantitatea totală de căldură care vine pe Pământ de la Soare. Pentru un an, se ridică la 2,26 10 21 calorii. Adâncimea de pătrundere a căldurii solare în intestinele Pământului depinde în principal de cantitatea de căldură care cade pe unitatea de suprafață și de conductivitatea termică a rocilor. Adâncimea maximă la care pătrunde căldura externă este de 200 m în oceane și de aproximativ 40 m pe uscat.
căldură interioară. Odată cu adâncimea, are loc o creștere a temperaturii, care are loc foarte neuniform în diferite teritorii. Creșterea temperaturii urmează o lege adiabatică și depinde de comprimarea substanței sub presiune atunci când schimbul de căldură cu mediul este imposibil.
Principalele surse de căldură din interiorul Pământului:
Căldura eliberată în timpul dezintegrarii radioactive a elementelor.
Căldura reziduală rămasă de la formarea Pământului.
Căldura gravitațională eliberată în timpul comprimării Pământului și distribuția materiei în densitate.
Căldura generată de reacțiile chimice care au loc în adâncurile scoarței terestre.
Căldura eliberată de frecarea mareelor a Pământului.
Există 3 zone de temperatură:
eu- zona de temperatura variabila . Schimbarea temperaturii este determinată de clima zonei. Fluctuațiile zilnice se sting practic la o adâncime de aproximativ 1,5 m, iar fluctuațiile anuale la adâncimi de 20 ... 30 m. Ia - zona de inghet.
II - zona de temperatura constanta situat la adâncimi de 15…40 m, în funcție de regiune.
III - zona fierbinte .
Regimul de temperatură al rocilor din intestinele scoarței terestre este de obicei exprimat printr-un gradient geotermal și o treaptă geotermală.
Se numește cantitatea de creștere a temperaturii pentru fiecare 100 m de adâncime gradient geotermal. În Africa, la câmpul Witwatersrand, este de 1,5 °С, în Japonia (Echigo) - 2,9 °С, în Australia de Sud - 10,9 °С, în Kazahstan (Samarinda) - 6,3 °С, pe Peninsula Kola - 0,65 °С .
Orez. 3. Zone de temperatura din scoarta terestra: I - zona de temperaturi variabile, Ia - zona de inghet; II - zona de temperaturi constante; III - zona de creștere a temperaturii.
Se numește adâncimea la care temperatura crește cu 1 grad pas geotermal. Valorile numerice ale etapei geotermale nu sunt constante nu numai la diferite latitudini, ci și la diferite adâncimi ale aceluiași punct din regiune. Valoarea treptei geotermale variază de la 1,5 la 250 m. În Arhangelsk este de 10 m, la Moscova - 38,4 m, iar în Pyatigorsk - 1,5 m. Teoretic, valoarea medie a acestui pas este de 33 m.
Într-o sondă forată la Moscova la o adâncime de 1.630 m, temperatura în fundul găurii a fost de 41 °C, iar într-o mină forată în Donbass la o adâncime de 1.545 m, temperatura a fost de 56,3 °C. Cea mai mare temperatură a fost înregistrată în SUA într-o fântână cu adâncimea de 7136 m, unde este egală cu 224 °C. Creșterea temperaturii cu adâncimea trebuie luată în considerare la proiectarea structurilor adânci.După calcule, la o adâncime de 400 km, temperatura ar trebui să ajungă la 1400...1700 °C. Cele mai ridicate temperaturi (aproximativ 5000 °C) au fost obținute pentru nucleul Pământului.
Termenul „energie geotermală” provine din cuvintele grecești pământ (geo) și termică (termă). De fapt, energia geotermală vine de la pământ însuși. Căldura din miezul pământului, a cărei temperatură medie este de 3600 de grade Celsius, este radiată spre suprafața planetei.
Încălzirea izvoarelor și gheizerelor în subteran la adâncimi de câțiva kilometri se poate realiza folosind puțuri speciale prin care apa caldă (sau aburul de la aceasta) curge la suprafață, unde poate fi folosită direct ca căldură sau indirect pentru a genera electricitate prin pornirea turbinelor rotative. .
Deoarece apa de sub suprafața pământului este reîncărcată în mod constant, iar miezul Pământului va continua să genereze căldură relativ viata umana la nesfârșit, energie geotermală, în cele din urmă curat și regenerabil.
Metode de colectare a resurselor energetice ale Pământului
Astăzi, există trei metode principale de recoltare a energiei geotermale: abur uscat, apă caldă și ciclu binar. Procesul de abur uscat antrenează direct antrenările turbinei generatoarelor de energie. Apa fierbinte intră de jos în sus, apoi pulverizată în rezervor pentru a crea abur care să conducă turbinele. Aceste două metode sunt cele mai comune, generând sute de megawați de energie electrică în SUA, Islanda, Europa, Rusia și alte țări. Însă locația este limitată, deoarece aceste centrale funcționează doar în regiunile tectonice unde este mai ușor accesul la apă încălzită.
Cu tehnologia cu ciclu binar, apa caldă (nu neapărat fierbinte) este extrasă la suprafață și combinată cu butan sau pentan, care are un punct de fierbere scăzut. Acest lichid este pompat printr-un schimbător de căldură, unde se evaporă și este trimis printr-o turbină înainte de a fi recirculat înapoi în sistem. Tehnologia ciclului binar oferă zeci de megawați de energie electrică în SUA: California, Nevada și Insulele Hawaii.
Principiul obținerii energiei
Dezavantajele obținerii energiei geotermale
La nivel de utilitate, centralele geotermale sunt costisitoare de construit și de exploatat. Găsirea unei locații adecvate necesită sondaje costisitoare de puțuri, fără nicio garanție a atingerii unui hotspot subteran productiv. Cu toate acestea, analiştii se aşteaptă ca această capacitate să se dubleze aproape în următorii şase ani.
În plus, zonele cu o temperatură ridicată a unei surse subterane sunt situate în zone cu vulcani geologici și chimici activi. Aceste „puncte fierbinți” s-au format la granițele plăcilor tectonice în locurile în care crusta este destul de subțire. Pacific, denumit adesea un inel de foc pentru mulți vulcani unde există multe puncte fierbinți, inclusiv cele din Alaska, California și Oregon. Nevada are sute de puncte fierbinți care acoperă o mare parte din nordul SUA.
Există și alte zone active din punct de vedere seismic. Cutremurele și mișcarea magmei permit apei să circule. În unele locuri apa se ridică la suprafață și apar izvoare termale naturale și gheizere, cum ar fi în Kamchatka. Apa din gheizerele din Kamchatka atinge 95°C. 
Una dintre probleme sistem deschis gheizere este eliberarea unor poluanți din aer. Hidrogen sulfurat - un gaz toxic cu un miros de „ou putred” foarte recunoscut - cantități mici de arsen și minerale eliberate cu abur. Sarea poate reprezenta, de asemenea, o problemă de mediu.
La centralele geotermale situate în mare cantitate semnificativă sare interferentă se acumulează în conducte. În sistemele închise, nu există emisii și tot lichidul adus la suprafață este returnat.
Potențialul economic al resursei energetice
Punctele active din punct de vedere seismic nu sunt singurele locuri unde poate fi găsită energia geotermală. Există o sursă constantă de căldură utilizabilă pentru încălzire directă la adâncimi de la 4 metri până la câțiva kilometri sub suprafață, practic oriunde pe pământ. Chiar și terenul din curtea proprie sau de la o școală locală are potențialul economic de a furniza căldură unei locuințe sau altor clădiri.
În plus, există o cantitate mare energie termică în formațiuni de rocă uscată foarte adânc sub suprafață (4 - 10 km).
Utilizarea noii tehnologii ar putea extinde sistemele geotermale în care oamenii pot folosi acea căldură pentru a genera electricitate la o scară mult mai mare decât tehnologia convențională. Primele proiecte demonstrative ale acestui principiu de generare a energiei electrice sunt prezentate în Statele Unite și Australia încă din 2013.
Dacă se poate realiza întregul potențial economic al resurselor geotermale, aceasta va reprezenta o sursă uriașă de energie electrică pentru capacitatea de producție. Oamenii de știință sugerează că sursele geotermale convenționale au un potențial de 38.000 MW, care pot produce 380 milioane MW de energie electrică pe an.
Rocile uscate fierbinți apar la adâncimi de 5 până la 8 km peste tot sub pământ și la adâncimi mai mici în anumite locuri. Accesul la aceste resurse presupune introducerea apei reci care circulă prin roci fierbinți și îndepărtarea apei încălzite. Momentan nr aplicație comercială această tehnologie. Tehnologiile existente nu permit încă restaurarea energie termală direct din magmă, foarte adânc, dar este cea mai puternică sursă de energie geotermală.
Prin combinarea resurselor energetice și consistența acesteia, energia geotermală poate juca un rol indispensabil ca sistem energetic mai curat și mai durabil.
Constructii de centrale geotermale
Energia geotermală este căldură curată și durabilă de la Pământ. Resursele mai mari variază de la câțiva kilometri sub suprafața pământului și chiar mai adânc, până la rocă topită la temperatură înaltă numită magmă. Dar, așa cum este descris mai sus, oamenii nu au ajuns încă în magmă.
Trei proiecte de centrale geotermale
Tehnologia de aplicare este determinată de resursă. Dacă apa provine din fântână sub formă de abur, poate fi folosită direct. Dacă apa fierbinte este suficient de mare, trebuie să treacă prin schimbătorul de căldură.
Prima sondă pentru generarea de energie a fost forată înainte de 1924. Puțuri mai adânci au fost forate în anii 1950, dar dezvoltarea reală are loc în anii 1970 și 1980.
Utilizarea directă a căldurii geotermale
Sursele geotermale pot fi, de asemenea, utilizate direct în scopuri de încălzire. Apa caldă este folosită pentru a încălzi clădirile, pentru a cultiva plante în sere, pentru a usca peștele și culturile, pentru a îmbunătăți producția de ulei, pentru a ajuta procesele industriale cum ar fi pasteurizatoarele de lapte și pentru a încălzi apa în fermele piscicole. În SUA, Klamath Falls, Oregon și Boise, Idaho au folosit apă geotermală pentru a încălzi casele și clădirile de peste un secol. Pe coasta de est, orașul Warm Springs, Virginia primește căldură direct din apa de izvor folosind surse de căldură la una dintre stațiunile locale.
În Islanda, aproape fiecare clădire din țară este încălzită cu apă caldă de izvor. De fapt, Islanda obține mai mult de 50% din energia primară din surse geotermale. În Reykjavik, de exemplu (118.000 de locuitori), apa caldă este transportată pe 25 de kilometri de-a lungul unui transportor, iar locuitorii o folosesc pentru încălzire și nevoi naturale.
Noua Zeelandă primește 10% din electricitate suplimentară. este subdezvoltată, în ciuda prezenței apelor termale.
LOR. Kapitonov
Căldura nucleară a Pământului
Căldura pământului
Pământul este un corp destul de puternic încălzit și este o sursă de căldură. Se încălzește în primul rând datorită radiației solare pe care o absoarbe. Dar Pământul are și propria sa resursă termică comparabilă cu căldura primită de la Soare. Se crede că această energie proprie a Pământului are următoarea origine. Pământul a apărut în urmă cu aproximativ 4,5 miliarde de ani, în urma formării Soarelui dintr-un disc protoplanetar de gaz-praf care se rotește în jurul lui și se condensează. Într-un stadiu incipient al formării sale, substanța pământului a fost încălzită din cauza comprimării gravitaționale relativ lente. Un rol important în echilibrul termic al Pământului l-a jucat și energia eliberată în timpul căderii micilor corpuri cosmice pe acesta. Prin urmare, tânărul Pământ a fost topit. Răcindu-se, a ajuns treptat la starea actuală cu o suprafață solidă, o parte semnificativă din care este acoperită cu oceane și apele marii. Acest strat exterior dur se numește scoarta terestra iar în medie pe terenuri grosimea sa este de aproximativ 40 km, și sub apele oceanice- 5-10 km. Stratul mai profund al pământului, numit manta constă de asemenea dintr-un solid. Se extinde până la o adâncime de aproape 3000 km și conține cea mai mare parte a materiei Pământului. În cele din urmă, partea cea mai interioară a Pământului este ea miez. Este format din două straturi - extern și intern. învelișul exterior acesta este un strat de fier topit și nichel la o temperatură de 4500-6500 K cu o grosime de 2000-2500 km. miez interior cu o rază de 1000-1500 km este un aliaj solid fier-nichel încălzit la o temperatură de 4000-5000 K cu o densitate de aproximativ 14 g / cm 3, care a apărut la o presiune uriașă (aproape 4 milioane de bari).
Pe lângă căldura internă a Pământului, moștenită de la prima etapă fierbinte a formării sale, și a cărei cantitate ar trebui să scadă în timp, există o altă, pe termen lung, asociată cu dezintegrarea radioactivă a nucleelor cu o jumătate lungă. viața - în primul rând, 232 Th, 235 U , 238 U și 40 K. Energia eliberată în aceste dezintegrare - ele reprezintă aproape 99% din energia radioactivă a Pământului - completează constant rezervele termice ale Pământului. Nucleele de mai sus sunt conținute în crustă și manta. Degradarea lor duce la încălzirea atât a straturilor exterioare, cât și a celor interioare ale Pământului.
O parte din căldura imensă conținută în interiorul Pământului iese constant la suprafața sa, adesea în procese vulcanice la scară foarte mare. Fluxul de căldură care curge din adâncurile Pământului prin suprafața sa este cunoscut. Este (47±2)·10 12 wați, ceea ce este echivalent cu căldura care poate fi generată de 50 de mii de centrale nucleare (puterea medie a unei centrale nucleare este de aproximativ 10 9 wați). Se pune întrebarea dacă energia radioactivă joacă vreun rol semnificativ în bugetul termic total al Pământului și, dacă da, ce rol? Răspunsul la aceste întrebări perioadă lungă de timp rămas necunoscut. Acum există oportunități de a răspunde la aceste întrebări. Rolul cheie aici revine neutrinilor (antineutrini), care se nasc în procesele de dezintegrare radioactivă a nucleelor care alcătuiesc materia Pământului și care se numesc geo-neutrini.
Geo-neutrini
Geo-neutrini este denumirea combinată pentru neutrini sau antineutrini, care sunt emiși ca urmare a dezintegrarii beta a nucleelor situate sub suprafața pământului. Evident, datorită capacității de penetrare fără precedent, înregistrarea acestora (și numai a acestora) de către detectoare de neutrini de la sol poate oferi informații obiective despre procesele de dezintegrare radioactivă care au loc adânc în interiorul Pământului. Un exemplu de astfel de dezintegrare este dezintegrarea β a nucleului de 228 Ra, care este produsul dezintegrarii α a nucleului de 232 Th cu viață lungă (vezi tabelul):
Timpul de înjumătățire (T 1/2) al nucleului de 228 Ra este de 5,75 ani, iar energia eliberată este de aproximativ 46 keV. Spectrul energetic al antineutrinilor este continuu cu o limită superioară apropiată de energia eliberată.
Dezintegrarile nucleelor 232 Th, 235 U, 238 U sunt lanțuri de dezintegrari succesive care formează așa-numitele serie radioactive. În astfel de lanțuri, dezintegrarile α sunt intercalate cu dezintegrari β -, deoarece în dezintegrarile α nucleii finali se dovedesc a fi mutați de la linia de stabilitate β în regiunea nucleelor supraîncărcate cu neutroni. După un lanț de dezintegrari succesive la sfârșitul fiecărui rând, se formează nuclee stabile cu numărul de protoni și neutroni apropiat sau egal cu numerele magice (Z
=
82,N= 126). Astfel de nuclee finali sunt izotopi stabili de plumb sau bismut. Astfel, dezintegrarea lui T 1/2 se termină cu formarea nucleului dublu magic 208 Pb, iar pe calea 232 Th → 208 Pb se produc șase dezintegrari α, alternând cu patru dezintegrari β (în lanțul 238 U → 206 Pb, opt α- și șase β - - dezintegra; există șapte α- și patru β - dezintegrari în lanțul 235 U → 207 Pb). Astfel, spectrul energetic al antineutrinilor din fiecare serie radioactivă este o suprapunere a spectrelor parțiale din dezintegrari individuale β - care alcătuiesc această serie. Spectrele de antineutrini produși în dezintegrari de 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K sunt prezentate în Fig. 1. Dezintegrarea de 40 K este o singură dezintegrare β − (vezi tabelul). Antineutrinii ating cea mai mare energie (până la 3,26 MeV) în dezintegrare
214 Bi → 214 Po, care este o legătură în seria radioactivă 238 U. Energia totală eliberată în timpul trecerii tuturor legăturilor de dezintegrare din seria 232 Th → 208 Pb este de 42,65 MeV. Pentru seriile radioactive 235 U și 238 U, aceste energii sunt de 46,39 și, respectiv, 51,69 MeV. Energia eliberată în dezintegrare
40 K → 40 Ca este 1,31 MeV.
Caracteristicile nucleelor 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K
| Miez | Cota în % într-un amestec izotopi |
Numărul de nuclee relatează. Si nuclei |
T 1/2 miliarde de ani |
Primele linkuri descompunere |
|---|---|---|---|---|
| 232th | 100 | 0.0335 | 14.0 | |
| 235 U | 0.7204 | 6,48 10 -5 | 0.704 | |
| 238 U | 99.2742 | 0.00893 | 4.47 | |
| 40K | 0.0117 | 0.440 | 1.25 |
 |
Estimarea fluxului de geo-neutrini, realizată pe baza dezintegrarii nucleelor de 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K cuprinse în compoziția materiei Pământului, conduce la o valoare de ordinul a 10 6 cm. -2 sec -1. Prin înregistrarea acestor geo-neutrini se pot obține informații despre rolul căldurii radioactive în bilanțul total de căldură al Pământului și se pot testa ideile noastre despre conținutul de radioizotopi cu viață lungă în compoziția materiei terestre.
Orez. 1. Spectrele energetice ale antineutrinilor din dezintegrarea nucleară
232 Th, 235 U, 238 U, 40 K normalizat la o dezintegrare a nucleului părinte
Reacția este utilizată pentru a înregistra antineutrinii electronici
P → e + + n, (1)
în care această particulă a fost de fapt descoperită. Pragul pentru această reacție este de 1,8 MeV. Prin urmare, în reacția de mai sus pot fi înregistrați numai geo-neutrini formați în lanțuri de dezintegrare începând de la nucleele 232 Th și 238 U. Secțiunea transversală efectivă a reacției în discuție este extrem de mică: σ ≈ 10 -43 cm 2. De aici rezultă că un detector de neutrini cu un volum sensibil de 1 m 3 nu va înregistra mai mult de câteva evenimente pe an. Evident, pentru fixarea fiabilă a fluxurilor de geo-neutrini, sunt necesare detectoare de neutrini de mare volum, amplasate în laboratoare subterane pentru o protecție maximă de fundal. Ideea de a folosi detectoare concepute pentru a studia neutrinii solari și de reactoare pentru înregistrarea geoneutrinilor a apărut în 1998. În prezent, există două detectoare de neutrini cu volum mare care folosesc un scintilator lichid și potrivite pentru rezolvarea problemei. Aceștia sunt detectorii de neutrini ai experimentelor KamLAND (Japonia, ) și Borexino (Italia, ). Mai jos luăm în considerare dispozitivul detectorului Borexino și rezultatele obținute pe acest detector privind înregistrarea geo-neutrinilor.
Detector Borexino și înregistrarea geo-neutrinilor
Detectorul de neutrini Borexino este situat în centrul Italiei într-un laborator subteran de sub lanțul muntos Gran Sasso, ale cărui vârfuri muntoase ating 2,9 km (Fig. 2).
Orez. Fig. 2. Diagrama de amplasare a laboratorului de neutrini sub lanțul muntos Gran Sasso (centrul Italiei)
Borexino este un detector masiv nesegmentat al cărui mediu activ este
280 de tone de scintilator lichid organic. A umplut un vas sferic de nailon cu un diametru de 8,5 m (Fig. 3). Scintilatorul a fost pseudocumen (C9H12) cu un aditiv PPO de schimbare a spectrului (1,5 g/L). Lumina de la scintilator este colectată de 2212 fotomultiplicatori (PMT) de opt inci plasați pe o sferă de oțel inoxidabil (SSS).
Orez. 3. Schema dispozitivului detectorului Borexino
Un vas de nailon cu pseudocumen este un detector intern a cărui sarcină este să înregistreze neutrini (antineutrini). Detectorul interior este înconjurat de două zone tampon concentrice care îl protejează de razele gamma externe și neutroni. Zona interioară este umplută cu un mediu nescintilant format din 900 de tone de pseudocumen cu aditivi de ftalat de dimetil pentru a stinge scintilațiile. Zona exterioară este situată deasupra SNS și este un detector de apă Cherenkov care conține 2000 de tone de apă ultrapură și întrerupe semnalele de la muonii care intră în instalație din exterior. Pentru fiecare interacțiune care are loc în detectorul intern, se determină energia și timpul. Calibrarea detectorului folosind diverse surse radioactive a făcut posibilă determinarea foarte precisă a scalei sale de energie și a gradului de reproductibilitate a semnalului luminos.
Borexino este un detector cu puritate foarte mare a radiațiilor. Toate materialele au fost riguros selectate, iar scintilatorul a fost curățat pentru a minimiza fundalul intern. Datorită purității ridicate a radiațiilor, Borexino este un detector excelent pentru detectarea antineutrinilor.
În reacția (1), pozitronul dă un semnal instantaneu, care după un timp este urmat de captarea unui neutron de către un nucleu de hidrogen, ceea ce duce la apariția unui cuantum γ cu o energie de 2,22 MeV, care creează un semnal întârziat față de primul. În Borexino, timpul de captare a neutronilor este de aproximativ 260 μs. Semnalele instantanee și întârziate sunt corelate în spațiu și timp, oferind recunoașterea exactă a evenimentului cauzat de e .
Pragul de reacție (1) este de 1,806 MeV și, după cum se poate observa din Fig. 1, toți geo-neutrinii din dezintegrarea de 40 K și 235 U sunt sub acest prag și doar o parte din geo-neutrinii care au provenit din dezintegrarea de 232 Th și 238 U poate fi detectată.
Detectorul Borexino a detectat pentru prima dată semnale de la geo-neutrini în 2010 și a publicat recent rezultate noi bazate pe observații pe parcursul a 2056 de zile din decembrie 2007 până în martie 2015. Mai jos vă prezentăm datele obținute și rezultatele discuției lor, pe baza articolului.
În urma analizei datelor experimentale, au fost identificați 77 de candidați pentru antineutrini electronici care au trecut toate criteriile de selecție. Contextul de la evenimentele care simulează e a fost estimat prin . Astfel, raportul semnal/fond a fost ≈100.
Principala sursă de fond a fost reactorul antineutrini. Pentru Borexino, situația a fost destul de favorabilă, deoarece în apropierea laboratorului Gran Sasso nu există reactoare nucleare. În plus, antineutrinii reactorului sunt mai energici decât geoneutrinii, ceea ce a făcut posibilă separarea acestor antineutrini de pozitroni prin puterea semnalului. Rezultatele analizei contribuțiilor geo-neutrinilor și antineutrinilor reactorului la numărul total de evenimente înregistrate din e sunt prezentate în Fig. 4. Numărul de geoneutrini înregistrați dat de această analiză (zona umbrită le corespunde din Fig. 4) este egal cu 
. În spectrul de geo-neutrini extrași în urma analizei sunt vizibile două grupe - mai puțin energetice, mai intense și mai energice, mai puțin intense. Autorii studiului descris asociază aceste grupuri cu descompunerea toriu-ului și, respectiv, a uraniului.
În analiza în discuție, am folosit raportul dintre masele de toriu și uraniu din materia Pământului
m(Th)/m(U) = 3,9 (în tabel această valoare este ≈3,8). Această cifră reflectă conținutul relativ al acestor elemente chimice în condrite - cel mai comun grup de meteoriți (mai mult de 90% dintre meteoriții care au căzut pe Pământ aparțin acestui grup). Se crede că compoziția condritelor, cu excepția gazelor ușoare (hidrogen și heliu), repetă compoziția sistemului solar și a discului protoplanetar din care s-a format Pământul.
Orez. Fig. 4. Spectrul de ieșire a luminii de la pozitroni în unități ale numărului de fotoelectroni pentru evenimentele candidate antineutrini (puncte experimentale). Zona umbrită este contribuția geo-neutrinilor. Linia continuă este contribuția antineutrinilor din reactor.
