Foto: "NesjavellirPowerPlant edit2" bijdrager Gretar Ívarsson / https://commons.wikimedia.org/wiki/ 25 mei 2015 / Tags:

Over twee jaar wordt in Espoo de eerste geothermische energiecentrale in Finland gelanceerd. Finse ingenieurs zijn van plan de natuurlijke warmte van het binnenste van de aarde te gebruiken om gebouwen te verwarmen. En als het experiment slaagt, kunnen dergelijke verwarmingsinstallaties overal worden neergezet, bijvoorbeeld in de regio Leningrad. De vraag is hoe voordelig het is.

Het benutten van de energie van de aarde is geen nieuw idee. Natuurlijk hebben in de eerste plaats de bewoners van die regio's waar de natuur zelf "stoommachines" heeft gemaakt, de uitvoering ervan overgenomen. In 1904 stak de Italiaanse prins Piero Ginori Conti bijvoorbeeld vier gloeilampen aan en plaatste hij een turbine met een elektrische generator in de buurt van de natuurlijke uitlaat van verwarmde stoom uit de grond, in de regio Larderello (Toscane).

Negen jaar later, in 1913, werd daar het eerste commerciële aardwarmtestation met een vermogen van 250 kilowatt gelanceerd. Het station gebruikte de meest winstgevende, maar helaas zeldzame hulpbron - droge oververhitte stoom, die alleen in de diepten van vulkanische massieven te vinden is. Maar in feite is de hitte van de aarde niet alleen te vinden in de buurt van de vuurspuwende bergen. Het is overal, onder onze voeten.

De ingewanden van de planeet zijn heet tot enkele duizenden graden. Wetenschappers zijn er nog niet achter, als gevolg van welke processen onze planeet gedurende enkele miljarden jaren een gigantische hoeveelheid warmte heeft opgeslagen, en het is onmogelijk om in te schatten hoeveel miljarden jaren het zal duren. Het is betrouwbaar bekend dat wanneer de rotsen voor elke 100 meter diep in de aarde worden ondergedompeld, de temperatuur van de rotsen met gemiddeld 3 graden stijgt. Gemiddeld betekent dit dat er plaatsen op de planeet zijn waar de temperatuur met een halve graad stijgt, en ergens - met 15 graden. En dit zijn geen zones van actief vulkanisme.

De temperatuurgradiënt neemt natuurlijk ongelijkmatig toe. Finse experts verwachten een zone te bereiken op een diepte van 7 km, waar de temperatuur van de rotsen 120 graden Celsius zal zijn, terwijl de temperatuurgradiënt in Espoo ongeveer 1,7 graden per 100 meter is, en dit is zelfs onder het gemiddelde. En toch is dit al voldoende temperatuur om een ​​aardwarmtecentrale te starten.

De essentie van het systeem is in principe eenvoudig. Op een afstand van enkele honderden meters van elkaar worden twee putten geboord. Daartussen, in het onderste deel, wordt water onder druk geïnjecteerd om de lagen te breken en een systeem van doorlatende scheuren ertussen te creëren. De technologie is ontwikkeld: op een vergelijkbare manier worden nu schalieolie en gas gewonnen.

Vervolgens wordt water vanaf het oppervlak in een van de putten gepompt en vanaf de tweede daarentegen wordt het weggepompt. Water stroomt door scheuren in de hete rotsen en stroomt vervolgens door een tweede put naar de oppervlakte, waar het warmte afgeeft aan een gewone stadsverwarmingsinstallatie. Dergelijke systemen zijn al gelanceerd in de Verenigde Staten en worden momenteel ontwikkeld in Australië en de landen van de Europese Unie.

Foto: www.facepla.net (screenshot)

Bovendien zal er voldoende warmte zijn om de opwekking van elektriciteit te starten. De prioriteit bij de ontwikkeling van geothermische energie bij lage temperatuur behoort toe aan Sovjetwetenschappers - zij waren het die meer dan een halve eeuw geleden besloten om dergelijke energie in Kamtsjatka te gebruiken. Wetenschappers hebben voorgesteld om een ​​organische vloeistof - freon12 - als kokend koelmiddel te gebruiken, waarvan het kookpunt bij normale atmosferische druk min 30 graden is. Water uit een put met een temperatuur van 80 graden Celsius gaf zijn warmte af aan freon, dat de turbines liet draaien. De geothermische energiecentrale Pauzhetskaya in Kamtsjatka, gebouwd in 1967, werd 's werelds eerste energiecentrale die werkte met water van deze temperatuur.

De voordelen van een dergelijk schema liggen voor de hand: op elk punt op aarde zal de mensheid zichzelf kunnen voorzien van warmte en elektriciteit, zelfs als de zon uitgaat. Enorme energie wordt opgeslagen in de dikte van de aardkorst, meer dan 10 duizend keer hoger dan het totale brandstofverbruik van de moderne beschaving per jaar. En deze energie wordt voortdurend vernieuwd door de instroom van warmte uit de ingewanden van de planeet. Moderne technologieën maken het mogelijk om dit soort energie te winnen.

Er zijn interessante plaatsen voor de bouw van soortgelijke geothermische energiecentrales in de regio Leningrad. De uitdrukking "Peter staat in een moeras" is alleen van toepassing vanuit het oogpunt van de constructie van laagbouwobjecten, en vanuit het oogpunt van "grote geologie" - de sedimentaire bedekking in de buurt van St. Petersburg is vrij dun, slechts tientallen van meters, en dan, zoals in Finland, ontstaan ​​de stollingsgesteenten op het fundament. ... Dit rotsachtige schild is heterogeen: het is bezaaid met breuken, waarlangs een warmtestroom naar boven stijgt.

Botanici waren de eersten die de aandacht op dit fenomeen vestigden, die hitte-eilanden vonden op de Karelische landengte en op het Izhora-plateau, waar planten groeien met een hoge reproductiesnelheid of die behoren tot de meer zuidelijke botanische subzones. En in de buurt van Gatchina werd een botanische anomalie ontdekt - planten van de Alpine-Karpatische flora. Planten bestaan ​​dankzij warmtestromen die uit de grond komen.

Volgens de resultaten van het boren in het Pulkovo-gebied op een diepte van 1000 meter, was de temperatuur van kristallijn gesteente plus 30 graden, dat wil zeggen dat deze gemiddeld elke 100 meter met 3 graden toenam. Dit is het "gemiddelde" niveau van de temperatuurgradiënt, maar het is bijna het dubbele van dat van de Espoo-regio in Finland. Dit betekent dat het in Pulkovo voldoende is om een ​​put te boren tot een diepte van respectievelijk slechts 3500 meter, een dergelijke verwarmingsinstallatie zal veel goedkoper zijn dan in Espoo.

Het is de moeite waard om te bedenken dat de terugverdientijd van dergelijke stations ook afhankelijk is van de tarieven voor warmtelevering en elektriciteit voor consumenten in dit land of regio. In mei 2015 bedroeg het tarief voor appartementsgebouwen zonder elektrische verwarming van Helsingin Energia 6,19 cent per kWh, met elektrische verwarming respectievelijk 7,12 cent per kWh (overdag). Vergeleken met de tarieven in St. Petersburg is het verschil voor degenen die elektriciteit gebruiken en voor verwarming ongeveer 40%, terwijl ook de wedstrijden van de cursussen in aanmerking moeten worden genomen. Zo'n lage elektriciteitsprijs in Finland hangt onder meer samen met het feit dat het land over eigen nucleaire opwekkingscapaciteiten beschikt.

Maar in Letland, dat voortdurend elektriciteit en brandstof moet kopen, is de verkoopprijs van elektriciteit bijna twee keer zo hoog als in Finland. De Finnen zijn echter vastbesloten om een ​​station te bouwen in Espoo, op een locatie die niet erg gunstig is in termen van de geothermische gradiënt.

Het punt is dat aardwarmte een langetermijninvestering vereist. In die zin staat het dichter bij grootschalige waterkracht en kernenergie. Een aardwarmtecentrale is veel moeilijker te bouwen dan een zonne- of windpark. En je moet er zeker van zijn dat politici niet met prijzen gaan spelen en dat de regels niet zomaar veranderen.

Daarom besluiten de Finnen dit belangrijke industriële experiment te ondernemen. Als het ze lukt om hun plannen uit te voeren, en in ieder geval om te beginnen, hun inwoners te verwarmen met warmte die nooit zal eindigen (zelfs op de schaal van het leven in het algemeen op onze planeet) - dit zal hen in staat stellen na te denken over de toekomst van geothermie energie in de uitgestrekte Russische uitgestrektheid. Nu in Rusland verwarmen de aardes in Kamtsjatka en Dagestan zich met warmte, maar misschien zal de tijd van Pulkovo komen.

Konstantin-rangen

Temperatuurverandering met diepte. Door de ongelijke toevoer van zonnewarmte warmt het aardoppervlak op en koelt het vervolgens af. Deze temperatuurschommelingen dringen zeer ondiep door in de dikte van de aarde. Dus dagelijkse fluctuaties op een diepte van 1 m meestal bijna niet meer gevoeld. Wat betreft de jaarlijkse schommelingen, ze dringen door tot verschillende diepten: in warme landen met 10-15 m, en in landen met koude winters en hete zomers tot 25-30 en zelfs 40 m. Dieper dan 30-40 m al overal op aarde wordt de temperatuur constant gehouden. Een thermometer die bijvoorbeeld in de kelder van het Observatorium van Parijs is geïnstalleerd, geeft al meer dan 100 jaar constant 11 °, 85 ° C aan.

Een laag met een constante temperatuur wordt over de hele wereld waargenomen en wordt een gordel van constante of neutrale temperatuur genoemd. De diepte van deze gordel is, afhankelijk van de klimatologische omstandigheden, anders en de temperatuur is ongeveer gelijk aan de gemiddelde jaartemperatuur van deze plaats.

Wanneer je dieper de aarde ingaat onder een laag met constante temperatuur, wordt meestal een geleidelijke temperatuurstijging opgemerkt. Dit werd voor het eerst opgemerkt door arbeiders in diepe mijnen. Dit werd ook opgemerkt bij het leggen van tunnels. Dus bijvoorbeeld bij het leggen van de Simplon-tunnel (in de Alpen) steeg de temperatuur tot 60 °, wat aanzienlijke werkproblemen veroorzaakte. In diepe boorgaten worden nog hogere temperaturen waargenomen. Een voorbeeld is de Chukhovskaya-put (Opper-Silezië), waarin op een diepte van 2220 m de temperatuur was meer dan 80 ° (83 °, 1), enzovoort. m de temperatuur stijgt met 1°C.

Het aantal meters dat je dieper de aarde in moet om de temperatuur met 1°C te laten stijgen heet geothermische stap. De geothermische fase is in verschillende gevallen niet hetzelfde en varieert meestal van 30 tot 35 m. In sommige gevallen kunnen deze schommelingen zelfs nog groter zijn. Bijvoorbeeld in de staat Michigan (VS), in een van de putten bij het meer. Michigan, geothermische stap bleek geen 33 te zijn, maar 70 meter. Integendeel, er werd een zeer kleine geothermische stap waargenomen in een van de putten in Mexico, daar op een diepte van 670 m water met een temperatuur van 70 ° verscheen. Zo bleek de geothermische fase slechts ongeveer 12 . te zijn m. Kleine geothermische stappen worden ook waargenomen in vulkanische gebieden, waar zich op ondiepe diepten nog ongekoelde lagen van stollingsgesteenten kunnen bevinden. Maar al deze gevallen zijn niet zozeer regels als wel uitzonderingen.

Er zijn veel redenen voor de geothermische fase. (Naast het bovenstaande kunt u wijzen op de verschillende thermische geleidbaarheid van rotsen, de aard van de bedding, enz.

Terreinverlichting is van groot belang bij de temperatuurverdeling. Dit laatste is duidelijk te zien in de bijgevoegde tekening (Fig. 23), die een deel van de Alpen weergeeft langs de lijn van de Simplon-tunnel, met geo-isothermen uitgezet door een stippellijn (d.w.z. lijnen met gelijke temperaturen in de aarde). Geo-isothermen herhalen hier als het ware het reliëf, maar met de diepte neemt de invloed van het reliëf geleidelijk af. (De sterke neerwaartse buiging van geo-isothermen bij Balle is te wijten aan de sterke watercirculatie die hier wordt waargenomen.)

Aardtemperatuur op grote diepte. Waarnemingen van temperaturen in boorgaten, waarvan de diepte zelden groter is dan 2-3 kilometer, ze kunnen natuurlijk geen idee geven van de temperaturen van de diepere lagen van de aarde. Maar hier komen enkele verschijnselen uit het leven van de aardkorst ons te hulp. Vulkanisme is een van deze verschijnselen. Vulkanen, wijdverbreid op het aardoppervlak, dragen gesmolten lava naar het aardoppervlak, waarvan de temperatuur meer dan 1000 ° is. Daarom hebben we op grote diepte temperaturen van meer dan 1000 °.

Er was een tijd dat wetenschappers op basis van de geothermische stap probeerden te berekenen op welke diepte temperaturen tot 1000-2000 ° konden zijn. Dergelijke berekeningen kunnen echter niet voldoende onderbouwd worden geacht. Waarnemingen gedaan over de temperatuur van de afkoelende basaltbal en theoretische berekeningen suggereren dat de omvang van de geothermische stap toeneemt met de diepte. Maar in welke mate en in welke diepte een dergelijke toename plaatsvindt, kunnen we ook nog niet zeggen.

Als we aannemen dat de temperatuur continu toeneemt met de diepte, dan moet deze in het centrum van de aarde in tienduizenden graden worden gemeten. Bij dergelijke temperaturen zouden alle ons bekende gesteenten in een vloeibare toestand moeten veranderen. Het is waar dat er een enorme druk in de aarde is, en we weten niets over de toestand van lichamen bij dergelijke druk. Niettemin hebben we geen gegevens om te beweren dat de temperatuur continu toeneemt met de diepte. Nu komen de meeste geofysici tot de conclusie dat de temperatuur in de aarde nauwelijks meer dan 2000 ° kan zijn.

Warmte bronnen. Wat betreft de warmtebronnen die de interne temperatuur van de aarde bepalen, deze kunnen verschillen. Op basis van hypothesen die aannemen dat de aarde gevormd is uit een gloeiend hete en gesmolten massa, moet de interne warmte worden beschouwd als de restwarmte van een lichaam dat afkoelt vanaf het oppervlak. Er is echter reden om aan te nemen dat de reden voor de interne hoge temperatuur van de aarde het radioactieve verval van uranium, thorium, actinouranium, kalium en andere elementen in gesteente kan zijn. Radioactieve elementen worden meestal verspreid in zure rotsen van het aardoppervlak, minder worden gevonden in diepgewortelde basisgesteenten. Tegelijkertijd zijn de basisgesteenten rijker dan ijzermeteorieten, die worden beschouwd als fragmenten van de binnenste delen van kosmische lichamen.

Ondanks de kleine hoeveelheid radioactieve stoffen in gesteenten en hun langzame verval, is de totale hoeveelheid warmte die wordt gegenereerd door radioactief verval groot. Sovjet-geoloog V.G. Khlopin berekende dat de radioactieve elementen in de bovenste 90 kilometer lange schil van de aarde voldoende zijn om het warmteverlies van de planeet door straling te dekken. Samen met radioactief verval komt thermische energie vrij tijdens de compressie van de aardse substantie, tijdens chemische reacties, enz.

In ons koolwaterstofrijk land is aardwarmte een exotische hulpbron die, gezien de huidige stand van zaken, waarschijnlijk niet kan concurreren met olie en gas. Toch is deze alternatieve vorm van energie bijna overal toepasbaar en vrij efficiënt.

Geothermische energie is de warmte van het binnenste van de aarde. Het wordt in de diepte geproduceerd en komt in verschillende vormen en met verschillende intensiteiten naar de oppervlakte van de aarde.

De temperatuur van de bovenste lagen van de bodem hangt voornamelijk af van externe (exogene) factoren - zonlicht en luchttemperatuur. In de zomer en overdag warmt de grond op tot bepaalde diepten, en in de winter en 's nachts koelt hij af door een verandering van de luchttemperatuur en met enige vertraging, toenemend met de diepte. De invloed van dagelijkse schommelingen in de luchttemperatuur eindigt op diepten van enkele tot enkele tientallen centimeters. Seizoensfluctuaties bedekken diepere grondlagen - tot tientallen meters.

Op een bepaalde diepte - van tientallen tot honderden meters - wordt de bodemtemperatuur constant gehouden, gelijk aan de gemiddelde jaarlijkse luchttemperatuur aan het aardoppervlak. Het is gemakkelijk om hiervan overtuigd te raken door in een voldoende diepe grot af te dalen.

Wanneer de gemiddelde jaarlijkse luchttemperatuur in een bepaald gebied onder nul is, manifesteert dit zich als permafrost (meer precies, permafrost). In Oost-Siberië bereikt de dikte, dat wil zeggen de dikte, van het hele jaar door bevroren bodems op sommige plaatsen 200-300 m.

Vanaf een bepaalde diepte (zijn eigen voor elk punt op de kaart) verzwakt het effect van de zon en de atmosfeer zo sterk dat endogene (interne) factoren naar voren komen en het binnenste van de aarde van binnenuit opwarmt, zodat de temperatuur begint met diepte te stijgen.

De verwarming van de diepe lagen van de aarde wordt voornamelijk in verband gebracht met het verval van radioactieve elementen die zich daar bevinden, hoewel ook andere warmtebronnen worden genoemd, bijvoorbeeld fysisch-chemische, tektonische processen in de diepe lagen van de aardkorst en mantel. Maar wat de reden ook is, de temperatuur van gesteenten en bijbehorende vloeibare en gasvormige stoffen neemt toe met de diepte. Mijnwerkers worden met dit fenomeen geconfronteerd - het is altijd warm in diepe mijnen. Op een diepte van 1 km is warmte van dertig graden normaal, en dieper is de temperatuur nog hoger.

De warmtestroom van het binnenste van de aarde, die het aardoppervlak bereikt, is klein - gemiddeld is het vermogen 0,03-0,05 W / m 2 of ongeveer 350 W · h / m 2 per jaar. Tegen de achtergrond van de warmtestroom van de zon en de daardoor verwarmde lucht is dit een onmerkbare waarde: de zon geeft elke vierkante meter van het aardoppervlak ongeveer 4000 kWh per jaar, dat is 10.000 keer meer (dit is natuurlijk gemiddeld, met een enorme spreiding tussen polaire en equatoriale breedtegraden en afhankelijk van andere klimatologische en weersfactoren).

De onbeduidende warmtestroom van de ingewanden naar het oppervlak op het grootste deel van de planeet wordt geassocieerd met de lage thermische geleidbaarheid van rotsen en de eigenaardigheden van de geologische structuur. Maar er zijn uitzonderingen - plaatsen waar de warmtestroom hoog is. Dit zijn in de eerste plaats zones met tektonische breuken, verhoogde seismische activiteit en vulkanisme, waar de energie van het binnenste van de aarde een uitlaatklep vindt. Dergelijke zones worden gekenmerkt door thermische anomalieën van de lithosfeer, hier kan de warmtestroom die het aardoppervlak bereikt meerdere malen en zelfs orden van grootte krachtiger zijn dan de "gewone". Vulkaanuitbarstingen en warmwaterbronnen dragen in deze zones een enorme hoeveelheid warmte naar de oppervlakte.

Juist deze gebieden zijn het meest gunstig voor de ontwikkeling van aardwarmte. Op het grondgebied van Rusland zijn dit in de eerste plaats Kamtsjatka, de Koerilen-eilanden en de Kaukasus.

Tegelijkertijd is de ontwikkeling van aardwarmte bijna overal mogelijk, omdat temperatuurstijging met de diepte een alomtegenwoordig fenomeen is en het de taak is om warmte uit de darmen te "onttrekken", net zoals daar minerale grondstoffen worden gewonnen.

Gemiddeld neemt de temperatuur met de diepte toe met 2,5-3 ° C voor elke 100 m. De verhouding van het temperatuurverschil tussen twee punten op verschillende diepten en het verschil in diepte daartussen wordt de geothermische gradiënt genoemd.

Het omgekeerde is de geothermische stap, of diepte-interval, waarbij de temperatuur met 1 ° C stijgt.

Hoe hoger de gradiënt en dus hoe lager de trede, hoe dichter de warmte van de diepten van de aarde naar de oppervlakte komt en hoe veelbelovender dit gebied is voor de ontwikkeling van geothermische energie.

In verschillende gebieden, afhankelijk van de geologische structuur en andere regionale en lokale omstandigheden, kan de snelheid van temperatuurstijging met de diepte dramatisch variëren. Op de schaal van de aarde bereiken fluctuaties in de grootte van geothermische gradiënten en stappen 25 keer. In Oregon (VS) is de helling bijvoorbeeld 150 ° C per km, en in Zuid-Afrika is dit 6 ° C per km.

De vraag is, wat is de temperatuur op grote diepte - 5, 10 km of meer? Als de trend zich voortzet, zouden de temperaturen op 10 km diepte gemiddeld rond de 250-300 ° C moeten liggen. Dit wordt min of meer bevestigd door directe waarnemingen in superdiepe putten, hoewel het beeld veel gecompliceerder is dan een lineaire temperatuurstijging.

Bijvoorbeeld, in de Kola superdiepe put geboord in het Baltische kristallijne schild, verandert de temperatuur tot een diepte van 3 km met een snelheid van 10 ° C / 1 km, en dan wordt de geothermische gradiënt 2-2,5 keer groter. Op een diepte van 7 km werd al een temperatuur van 120 ° C geregistreerd, op een diepte van 10 km - 180 ° C en op een diepte van 12 km - 220 ° C.

Een ander voorbeeld is een put geboord in de noordelijke Kaspische regio, waar een temperatuur van 42 ° C werd geregistreerd op een diepte van 500 m, 70 ° C op 1,5 km, 80 ° C op 2 km en 108 ° C op 3 km.

Aangenomen wordt dat de geothermische gradiënt afneemt vanaf een diepte van 20-30 km: op een diepte van 100 km zijn de veronderstelde temperaturen ongeveer 1300-1500 ° C, op een diepte van 400 km - 1600 ° C, in de kern (dieptes meer dan 6000 km) - 4000-5000 ° C.

Op diepten tot 10-12 km wordt de temperatuur gemeten door geboorde putten; waar ze afwezig zijn, wordt het bepaald door indirecte tekens op dezelfde manier als op grotere diepte. Dergelijke indirecte tekenen kunnen de aard zijn van de passage van seismische golven of de temperatuur van de uitstromende lava.

Voor geothermische energie zijn gegevens over temperaturen op een diepte van meer dan 10 km echter nog niet praktisch interessant.

Er is veel hitte op diepten van enkele kilometers, maar hoe krijg je die omhoog? Soms wordt dit probleem voor ons door de natuur zelf opgelost met behulp van een natuurlijke warmtedrager - verwarmd thermaal water dat aan de oppervlakte komt of op een voor ons bereikbare diepte ligt. In sommige gevallen wordt het water in de diepte verwarmd tot stoom.

Er is geen strikte definitie van de term "thermale wateren". In de regel bedoelen ze heet grondwater in vloeibare toestand of in de vorm van stoom, inclusief water dat naar het aardoppervlak komt met een temperatuur hoger dan 20 ° C, dat wil zeggen in de regel hoger dan de luchttemperatuur.

De warmte van grondwater, stoom, stoom-watermengsels is hydrothermische energie. Dienovereenkomstig wordt de energie op basis van het gebruik ervan hydrothermisch genoemd.

De situatie is gecompliceerder met de productie van warmte rechtstreeks uit droge rotsen - petrothermische energie, vooral omdat vrij hoge temperaturen in de regel beginnen vanaf een diepte van enkele kilometers.

Op het grondgebied van Rusland is het potentieel van petrothermische energie honderd keer groter dan dat van hydrothermische energie - respectievelijk 3500 en 35 biljoen ton brandstofequivalent. Dit is heel natuurlijk - de warmte van de diepten van de aarde is overal en thermaal water wordt lokaal gevonden. Vanwege duidelijke technische problemen bij het opwekken van warmte en elektriciteit wordt momenteel echter het meeste gebruik gemaakt van thermaal water.

Wateren met temperaturen tussen 20-30 ° C en 100 ° C zijn geschikt voor verwarming, temperaturen tussen 150 ° C en hoger - en voor het opwekken van elektriciteit in geothermische centrales.

Over het algemeen zijn de geothermische hulpbronnen op het grondgebied van Rusland in termen van tonnen equivalente brandstof of een andere eenheid van energiemeting ongeveer 10 keer groter dan de reserves aan fossiele brandstof.

Theoretisch zou alleen aardwarmte volledig in de energiebehoefte van het land kunnen voorzien. In de praktijk is dit momenteel op het grootste deel van zijn grondgebied om technische en economische redenen niet haalbaar.

In de wereld wordt het gebruik van geothermische energie meestal geassocieerd met IJsland - een land gelegen aan het noordelijke uiteinde van de Mid-Atlantische Rug, in een extreem actieve tektonische en vulkanische zone. Waarschijnlijk herinnert iedereen zich de krachtige uitbarsting van de Eyjafjallajokull-vulkaan ( Eyjafjallajökull) in 2010 jaar.

Het is dankzij deze geologische specificiteit dat IJsland enorme reserves aan geothermische energie heeft, waaronder warmwaterbronnen die naar de oppervlakte van de aarde komen en zelfs uitstromen in de vorm van geisers.

In IJsland wordt momenteel meer dan 60% van alle verbruikte energie van de aarde gehaald. Inclusief geothermische bronnen zorgen voor 90% van de verwarming en 30% van de elektriciteitsopwekking. We voegen eraan toe dat de rest van de elektriciteit van het land wordt geproduceerd in waterkrachtcentrales, dat wil zeggen ook met behulp van een hernieuwbare energiebron, waardoor IJsland eruitziet als een soort wereldwijde milieustandaard.

De domesticatie van geothermische energie in de 20e eeuw hielp IJsland merkbaar economisch. Tot het midden van de vorige eeuw was het een zeer arm land, nu staat het op de eerste plaats in de wereld wat betreft geïnstalleerd vermogen en productie van geothermische energie per hoofd van de bevolking en staat het in de top tien in termen van absolute waarde van geïnstalleerd vermogen van geothermie energiecentrales. De bevolking telt echter slechts 300 duizend mensen, wat de taak vereenvoudigt om over te schakelen op milieuvriendelijke energiebronnen: de behoeften eraan zijn over het algemeen klein.

Naast IJsland wordt in Nieuw-Zeeland en de eilandstaten van Zuidoost-Azië (Filipijnen en Indonesië), landen in Midden-Amerika en Oost-Afrika, waarvan het grondgebied ook gekenmerkt door hoge seismische en vulkanische activiteit. Voor deze landen levert aardwarmte, gezien hun huidige ontwikkelingsniveau en behoeften, een belangrijke bijdrage aan de sociaal-economische ontwikkeling.

Het gebruik van aardwarmte kent een zeer lange geschiedenis. Een van de eerste bekende voorbeelden is Italië, een plaats in de provincie Toscane, nu Larderello genoemd, waar al in het begin van de 19e eeuw het lokale warme thermale water, dat op natuurlijke wijze werd uitgegoten of uit ondiepe bronnen werd gewonnen, werd gebruikt voor energie doeleinden.

Hier werd boorrijk grondwater gebruikt om boorzuur te verkrijgen. Aanvankelijk werd dit zuur verkregen door verdamping in ijzeren ketels, en gewoon brandhout uit de nabijgelegen bossen werd als brandstof genomen, maar in 1827 creëerde Francesco Larderel een systeem dat werkte op de hitte van het water zelf. Tegelijkertijd begon de energie van natuurlijke waterdamp te worden gebruikt voor de werking van booreilanden en aan het begin van de 20e eeuw - voor het verwarmen van lokale huizen en kassen. Op dezelfde plaats, in Larderello, werd in 1904 thermaal waterdamp een energiebron voor het opwekken van elektriciteit.

Enkele andere landen volgden het voorbeeld van Italië aan het einde van de 19e en het begin van de 20e eeuw. In 1892 werd bijvoorbeeld thermaal water voor het eerst gebruikt voor lokale verwarming in de Verenigde Staten (Boise, Idaho), in 1919 in Japan en in 1928 in IJsland.

In de Verenigde Staten verscheen de eerste hydrothermische centrale in Californië in de vroege jaren 1930, in Nieuw-Zeeland in 1958, in Mexico in 1959, in Rusland ('s werelds eerste binaire geothermische energiecentrale) in 1965 ...

Oud principe op een nieuwe bron

Elektriciteitsopwekking vereist een hogere temperatuur van de waterkrachtbron dan voor verwarming - meer dan 150 ° C. Het werkingsprincipe van een geothermische centrale (GeoPP) is vergelijkbaar met het werkingsprincipe van een conventionele thermische centrale (TPP). In feite is een geothermische energiecentrale een soort thermische centrale.

Bij TPP's fungeren in de regel kolen, gas of stookolie als primaire energiebron en waterdamp als werkvloeistof. Brandstof, brandend, verwarmt water tot de staat van stoom, die de stoomturbine laat draaien, en het genereert elektriciteit.

Het verschil tussen GeoPP's is dat de primaire energiebron hier de warmte van het binnenste van de aarde is en de werkvloeistof in de vorm van stoom in een "kant-en-klare" vorm rechtstreeks vanuit de productie aan de turbinebladen van een elektrische generator wordt geleverd goed.

Er zijn drie hoofdschema's voor GeoPP-operatie: direct, met behulp van droge (geothermische) stoom; indirect, op basis van hydrothermisch water, en gemengd of binair.

De toepassing van dit of dat schema is afhankelijk van de aggregatietoestand en de temperatuur van de energiedrager.

De eenvoudigste en daarom de eerste van de beheerste schema's is de rechte lijn, waarbij de stoom die uit de put komt direct door de turbine wordt geleid. 'S Werelds eerste GeoPP in Larderello werkte in 1904 ook op droge stoom.

GeoPP's met een indirect werkschema zijn de meest voorkomende in onze tijd. Ze gebruiken heet ondergronds water, dat onder hoge druk in een verdamper wordt gepompt, waar een deel ervan verdampt en de resulterende stoom een ​​turbine laat draaien. In sommige gevallen zijn extra apparaten en circuits nodig om aardwarmte en stoom te zuiveren van agressieve verbindingen.

Afvalstoom komt in de injectieput of wordt gebruikt voor ruimteverwarming - in dit geval is het principe hetzelfde als bij de werking van een WKK.

Bij binaire GeoPP's interageert heet thermaal water met een andere vloeistof die fungeert als een werkvloeistof met een lager kookpunt. Beide vloeistoffen worden door een warmtewisselaar geleid, waar thermaal water de werkvloeistof verdampt, waarvan de damp de turbine laat draaien.

Dit systeem is gesloten, wat het probleem van emissies naar de atmosfeer oplost. Bovendien maken werkvloeistoffen met een relatief laag kookpunt het mogelijk om niet erg heet thermaal water als primaire energiebron te gebruiken.

Alle drie de schema's maken gebruik van een hydrothermische bron, maar petrothermische energie kan ook worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Het schematische diagram is in dit geval ook vrij eenvoudig. Het is noodzakelijk om twee onderling verbonden putten te boren - injectie- en productieputten. In de injectieput wordt water gepompt. Op diepte warmt het op, vervolgens wordt verwarmd water of stoom gevormd als gevolg van sterke verwarming via de productieput aan het oppervlak toegevoerd. Verder hangt het allemaal af van hoe petrothermische energie wordt gebruikt - voor verwarming of voor het opwekken van elektriciteit. Een gesloten kringloop is mogelijk met het terug injecteren van afvalstoom en water in de injectieput of een andere manier van afvoeren.

Het nadeel van een dergelijk systeem ligt voor de hand: om een ​​voldoende hoge temperatuur van de werkvloeistof te verkrijgen, moeten putten tot grote diepte worden geboord. En dit zijn serieuze kosten en het risico van aanzienlijk warmteverlies wanneer de vloeistof omhoog beweegt. Daarom zijn petrothermische systemen nog steeds minder wijdverbreid dan hydrothermische, hoewel het potentieel van petrothermische energie ordes van grootte groter is.

Momenteel is Australië de leider in het creëren van de zogenaamde petrothermische circulatiesystemen (PCS). Bovendien ontwikkelt deze richting van geothermische energie zich actief in de VS, Zwitserland, Groot-Brittannië en Japan.

Het geschenk van Lord Kelvin

De uitvinding van een warmtepomp door natuurkundige William Thompson (ook bekend als Lord Kelvin) in 1852 bood de mensheid een reële kans om de laag-potentiële warmte van de bovenste bodemlagen te gebruiken. Het warmtepompsysteem, of, zoals Thompson het noemde, de warmtevermenigvuldiger, is gebaseerd op het fysieke proces van warmteoverdracht van de omgeving naar het koelmiddel. In feite gebruikt het hetzelfde principe als in petrothermische systemen. Het verschil zit hem in de warmtebron, waarbij een terminologische vraag kan rijzen: in hoeverre kan een warmtepomp worden beschouwd als een aardwarmtesysteem? Het is een feit dat in de bovenste lagen, tot diepten van tientallen tot honderden meters, de rotsen en de vloeistoffen daarin niet worden verwarmd door de diepe hitte van de aarde, maar door de zon. In dit geval is het dus de zon die de primaire warmtebron is, hoewel deze, zoals in geothermische systemen, van de aarde wordt gehaald.

Het werk van een warmtepomp is gebaseerd op een vertraging in het opwarmen en afkoelen van de bodem ten opzichte van de atmosfeer, waardoor een temperatuurgradiënt ontstaat tussen het oppervlak en diepere lagen, die ook in de winter warmte vasthoudt, vergelijkbaar met wat er gebeurt in waterlichamen. Het belangrijkste doel van warmtepompen is ruimteverwarming. In feite is het een "omgekeerde koelkast". Zowel de warmtepomp als de koelkast werken samen met drie componenten: de interne omgeving (in het eerste geval - de verwarmde kamer, in de tweede - de gekoelde koelkastkamer), de externe omgeving - de energiebron en het koelmiddel (koelmiddel), het is ook de warmtedrager die zorgt voor warmteoverdracht of koude.

Een stof met een laag kookpunt werkt als koelmiddel, waardoor het warmte kan opnemen van een bron die zelfs een relatief lage temperatuur heeft.

In de koelkast komt het vloeibare koudemiddel via een smoorklep (drukregelaar) de verdamper binnen, waar door een sterke drukdaling de vloeistof verdampt. Verdamping is een endotherm proces dat externe warmteabsorptie vereist. Hierdoor wordt warmte onttrokken aan de binnenwanden van de verdamper, wat zorgt voor een verkoelend effect in de koelkamer. Verder wordt het koelmiddel vanuit de verdamper in de compressor gezogen, waar het terugkeert naar de vloeibare toestand van aggregatie. Dit is een omgekeerd proces dat leidt tot het vrijkomen van de afgevoerde warmte in de externe omgeving. In de regel wordt het de kamer in gegooid en is de achterkant van de koelkast relatief warm.

Een warmtepomp werkt op vrijwel dezelfde manier, met het verschil dat warmte wordt onttrokken aan de externe omgeving en via de verdamper de interne omgeving binnenkomt - het kamerverwarmingssysteem.

In een echte warmtepomp wordt water verwarmd, langs een extern circuit geleid, in de grond of in een reservoir gelegd en vervolgens de verdamper ingegaan.

In de verdamper wordt warmte overgedragen naar een intern circuit gevuld met een koelmiddel met een laag kookpunt, dat, door de verdamper, overgaat van een vloeibare naar een gasvormige toestand, waarbij warmte wordt weggenomen.

Verder komt het gasvormige koelmiddel de compressor binnen, waar het wordt gecomprimeerd tot hoge druk en temperatuur, en komt het de condensor binnen, waar warmte-uitwisseling plaatsvindt tussen het hete gas en het koelmiddel van het verwarmingssysteem.

De compressor heeft elektriciteit nodig om te werken, maar de transformatieverhouding (de verhouding tussen verbruikte en opgewekte energie) in moderne systemen is hoog genoeg om hun efficiëntie te garanderen.

Momenteel worden warmtepompen veel gebruikt voor ruimteverwarming, vooral in economisch ontwikkelde landen.

Eco-correcte energie

Geothermische energie wordt als milieuvriendelijk beschouwd, wat over het algemeen waar is. Allereerst gebruikt het een hernieuwbare en praktisch onuitputtelijke hulpbron. Geothermische energie vereist geen grote gebieden, in tegenstelling tot grote waterkrachtcentrales of windmolenparken, en vervuilt de atmosfeer niet, in tegenstelling tot koolwaterstofenergie. Gemiddeld beslaat een GeoPP 400 m 2 aan 1 GW opgewekte elektriciteit. Dezelfde indicator voor bijvoorbeeld een kolencentrale is 3600 m2. De ecologische voordelen van GeoPP's omvatten ook een laag waterverbruik - 20 liter vers water per 1 kW, terwijl TPP's en NPP's ongeveer 1000 liter nodig hebben. Merk op dat dit milieu-indicatoren zijn van de "gemiddelde" GeoPP.

Maar er zijn nog steeds negatieve bijwerkingen. Onder hen worden geluid, thermische vervuiling van de atmosfeer en chemische vervuiling - water en bodem, evenals de vorming van vast afval het vaakst onderscheiden.

De belangrijkste bron van chemische vervuiling van het milieu is het eigenlijke thermale water (met hoge temperatuur en mineralisatie), dat vaak grote hoeveelheden giftige verbindingen bevat, waardoor er een probleem is met de afvoer van afvalwater en gevaarlijke stoffen.

De negatieve effecten van aardwarmte kunnen in verschillende stadia worden opgespoord, te beginnen bij het boren van putten. Hier doen zich dezelfde gevaren voor als bij het boren van een put: vernietiging van bodem en vegetatiebedekking, bodem- en grondwaterverontreiniging.

In de operationele fase van het GeoPP blijven de problemen van milieuvervuiling bestaan. Thermische vloeistoffen - water en stoom - bevatten meestal kooldioxide (CO 2), zwavelsulfide (H 2 S), ammoniak (NH 3), methaan (CH 4), keukenzout (NaCl), boor (B), arseen (As ), kwik (Hg). Wanneer ze in het milieu terechtkomen, worden ze bronnen van vervuiling. Daarnaast kan een agressieve chemische omgeving corrosieschade veroorzaken aan de constructies van de GeoTPP.

Tegelijkertijd is de uitstoot van vervuilende stoffen bij GeoPP's gemiddeld lager dan bij TPP's. Zo bedraagt ​​de uitstoot van kooldioxide per kilowattuur opgewekte elektriciteit tot 380 g bij GeoPP's, 1.042 g - bij kolengestookte TPP's, 906 g - bij stookolie en 453 g - bij gasgestookte TPP's.

De vraag rijst: wat te doen met het afvalwater? Met een laag zoutgehalte kan het na afkoeling worden geloosd op het oppervlaktewater. Een andere manier is om het via een injectieput terug in de aquifer te pompen, wat tegenwoordig de voorkeur heeft en voornamelijk wordt gebruikt.

Winning van thermaal water uit watervoerende lagen (evenals het wegpompen van gewoon water) kan bodemdaling en beweging van de bodem, andere vervormingen van geologische lagen en micro-aardbevingen veroorzaken. De kans op dergelijke verschijnselen is in de regel klein, hoewel individuele gevallen zijn geregistreerd (bijvoorbeeld bij de GeoPP in Staufen im Breisgau in Duitsland).

Benadrukt moet worden dat de meeste GeoPP's zich bevinden in relatief dunbevolkte gebieden en in derdewereldlanden, waar de milieueisen minder streng zijn dan in ontwikkelde landen. Bovendien is het aantal GeoPP's en hun capaciteiten momenteel relatief klein. Bij een verdergaande ontwikkeling van aardwarmte kunnen de milieurisico's toenemen en vermenigvuldigen.

Hoeveel is de energie van de aarde?

Investeringskosten voor de bouw van geothermische systemen variëren in een zeer breed bereik - van $ 200 tot $ 5.000 per 1 kW geïnstalleerd vermogen, dat wil zeggen dat de goedkoopste opties vergelijkbaar zijn met de kosten van het bouwen van een thermische energiecentrale. Ze zijn in de eerste plaats afhankelijk van de omstandigheden waarin het thermale water zich voordoet, hun samenstelling en het ontwerp van het systeem. Boren tot grote diepten, het creëren van een gesloten systeem met twee putten, de noodzaak van waterzuivering kan de kosten vermenigvuldigen.

Zo worden investeringen in de aanleg van een petrothermisch circulatiesysteem (PCS) geschat op 1,6–4 duizend dollar per 1 kW geïnstalleerd vermogen, wat hoger is dan de bouwkosten van een kerncentrale en vergelijkbaar is met de bouwkosten voor wind- en zonne-energiecentrales.

Het voor de hand liggende economische voordeel van GeoTPP is een gratis energiedrager. Ter vergelijking: in de kostenstructuur van een operationele TPP of NPP maakt brandstof 50-80% of zelfs meer uit, afhankelijk van de huidige energieprijzen. Vandaar nog een voordeel van het geothermische systeem: de bedrijfskosten zijn stabieler en voorspelbaarder, aangezien ze niet afhankelijk zijn van de externe conjunctuur van energieprijzen. Over het algemeen worden de bedrijfskosten van de GeoTPP geschat op 2-10 cent (60 kopeken – 3 roebel) per 1 kWh geproduceerde capaciteit.

De op een na grootste (na energiedrager) (en zeer belangrijke) uitgavenpost zijn in de regel de salarissen van fabriekspersoneel, die radicaal kunnen verschillen tussen landen en regio's.

Gemiddeld zijn de kosten van 1 kWh geothermische energie vergelijkbaar met die voor thermische centrales (in Russische omstandigheden - ongeveer 1 roebel / 1 kWh) en tien keer hoger dan de kosten voor het opwekken van elektriciteit bij waterkrachtcentrales (5-10 kopeken / 1 kWh).

Een deel van de reden voor de hoge kosten ligt in het feit dat GeoTPP, in tegenstelling tot thermische en hydraulische centrales, een relatief kleine capaciteit heeft. Bovendien is het noodzakelijk om systemen in dezelfde regio en in vergelijkbare omstandigheden te vergelijken. In Kamtsjatka kost bijvoorbeeld volgens experts 1 kWh geothermische elektriciteit 2-3 keer minder dan elektriciteit die wordt geproduceerd in lokale thermische centrales.

De indicatoren van de economische efficiëntie van een geothermisch systeem zijn bijvoorbeeld afhankelijk van de noodzaak om afvalwater af te voeren en op welke manieren dit wordt gedaan, of een gecombineerd gebruik van de hulpbron mogelijk is. Zo kunnen chemische elementen en verbindingen gewonnen uit thermaal water voor extra inkomsten zorgen. Laten we ons het voorbeeld van Larderello herinneren: het was de chemische productie die daar primair was, en het gebruik van geothermische energie was aanvankelijk een hulpmiddel.

Geothermische energie vooruit

Geothermie ontwikkelt zich iets anders dan wind en zon. Momenteel hangt het grotendeels af van de aard van de hulpbron zelf, die sterk verschilt per regio, en de hoogste concentraties zijn gebonden aan smalle zones van geothermische anomalieën, in de regel geassocieerd met gebieden met tektonische fouten en vulkanisme.

Bovendien is aardwarmte technologisch minder groot in vergelijking met wind, en nog meer met zonne-energie: de systemen van aardwarmtecentrales zijn vrij eenvoudig.

In de totale structuur van de wereldwijde elektriciteitsproductie is de geothermische component goed voor minder dan 1%, maar in sommige regio's en landen bereikt het aandeel 25-30%. Vanwege de koppeling aan geologische omstandigheden is een aanzienlijk deel van de capaciteit voor geothermische energie geconcentreerd in de derdewereldlanden, waar drie clusters van de grootste ontwikkeling van de industrie zijn: de eilanden Zuidoost-Azië, Midden-Amerika en Oost-Afrika. De eerste twee regio's zijn opgenomen in de "Earth's fire belt" in de Stille Oceaan, de derde is verbonden met de Oost-Afrikaanse Rift. Hoogstwaarschijnlijk zal aardwarmte zich in deze gordels blijven ontwikkelen. Een verder perspectief is de ontwikkeling van petrothermische energie, gebruikmakend van de warmte van de aardlagen, die op een diepte van enkele kilometers liggen. Dit is een bijna alomtegenwoordige hulpbron, maar de winning ervan vereist hoge kosten; daarom ontwikkelt petrothermische energie zich voornamelijk in de economisch en technologisch meest machtige landen.

In het algemeen is er, gezien de wijdverbreide verspreiding van aardwarmte en een acceptabel niveau van milieuveiligheid, reden om aan te nemen dat aardwarmte goede ontwikkelingsperspectieven heeft. Zeker met de groeiende dreiging van een tekort aan traditionele energiebronnen en stijgende prijzen daarvoor.

Van Kamtsjatka tot de Kaukasus

In Rusland kent de ontwikkeling van aardwarmte een vrij lange geschiedenis en in een aantal posities behoren we tot de wereldtop, al is het aandeel van aardwarmte in de totale energiebalans van een enorm land nog verwaarloosbaar.

Twee regio's - Kamtsjatka en de Noord-Kaukasus - zijn pioniers en centra geworden voor de ontwikkeling van geothermische energie in Rusland, en als we het in het eerste geval vooral hebben over de elektriciteitsindustrie, dan in het tweede - over het gebruik van thermische energie van thermaal water.

In de Noord-Kaukasus - in het Krasnodar-gebied, Tsjetsjenië, Dagestan - werd de hitte van thermaal water voor energiedoeleinden zelfs vóór de Grote Patriottische Oorlog gebruikt. In de jaren '80 en '90 is de ontwikkeling van aardwarmte in de regio om voor de hand liggende redenen tot stilstand gekomen en is nog niet uit een staat van stilstand gekomen. Desalniettemin levert de geothermische watervoorziening in de Noord-Kaukasus warmte aan ongeveer 500 duizend mensen, en bijvoorbeeld de stad Labinsk in het Krasnodar-gebied met een bevolking van 60 duizend mensen wordt volledig verwarmd door geothermische wateren.

In Kamtsjatka wordt de geschiedenis van geothermische energie voornamelijk geassocieerd met de constructie van GeoPP's. De eerste, nog steeds in gebruik zijnde Pauzhetskaya- en Paratunskaya-stations, werd gebouwd in 1965-1967, terwijl de Paratunskaya GeoPP met een capaciteit van 600 kW het eerste station ter wereld werd met een binaire cyclus. Het was de ontwikkeling van Sovjetwetenschappers S.S.Kutateladze en A.M. Rosenfeld van het Instituut voor Thermofysica van de Siberische afdeling van de Russische Academie van Wetenschappen, die in 1965 een auteurscertificaat ontvingen voor de winning van elektriciteit uit water met een temperatuur van 70 ° C. Deze technologie werd later een prototype voor meer dan 400 binaire GeoPP's in de wereld.

De capaciteit van de Pauzhetskaya GeoPP, die in 1966 in gebruik werd genomen, bedroeg aanvankelijk 5 MW en werd vervolgens verhoogd tot 12 MW. Op het station wordt momenteel een binair blok gebouwd, dat de capaciteit met nog eens 2,5 MW zal vergroten.

De ontwikkeling van geothermische energie in de USSR en Rusland werd belemmerd door de beschikbaarheid van traditionele energiebronnen - olie, gas, steenkool, maar is nooit gestopt. De grootste geothermische energie-installaties op dit moment zijn de Verkhne-Mutnovskaya GeoPP met een totale capaciteit van 12 MW power units, in gebruik genomen in 1999, en de Mutnovskaya GeoPP met een capaciteit van 50 MW (2002).

Mutnovskaya en Verkhne-Mutnovskaya GeoPP's zijn unieke objecten, niet alleen voor Rusland, maar ook op wereldschaal. De stations bevinden zich aan de voet van de Mutnovsky-vulkaan, op een hoogte van 800 meter boven de zeespiegel, en werken in extreme klimatologische omstandigheden, waar het 9-10 maanden per jaar winter is. De uitrusting van de Mutnovsky GeoPP's, momenteel een van de modernste ter wereld, is volledig gemaakt bij binnenlandse bedrijven in de energietechniek.

Op dit moment is het aandeel van Mutnovskie-fabrieken in de totale structuur van het energieverbruik van de centrale Kamchatka-energiehub 40%. Voor de komende jaren is een capaciteitsuitbreiding gepland.

Afzonderlijk moet worden gezegd over Russische petrothermische ontwikkelingen. We hebben nog geen grote DSP's, maar er zijn geavanceerde technologieën om tot grote diepte (ongeveer 10 km) te boren, die ook geen analogen in de wereld hebben. Hun verdere ontwikkeling zal het mogelijk maken om de kosten voor het maken van petrothermische systemen drastisch te verlagen. De ontwikkelaars van deze technologieën en projecten zijn N.A. Gnatus, M.D. Khutorskoy (Geologisch Instituut, RAS), A.S. Nekrasov (Institute of Economic Forecasting, RAS) en specialisten van de Kaluga Turbine Works. Het project voor een petrothermisch circulatiesysteem in Rusland bevindt zich momenteel in een experimentele fase.

Er zijn vooruitzichten voor geothermische energie in Rusland, zij het relatief ver weg: momenteel is het potentieel vrij groot en zijn de posities van traditionele energie sterk. Tegelijkertijd is het gebruik van aardwarmte in een aantal afgelegen regio's van het land economisch rendabel en is er nu veel vraag naar. Dit zijn gebieden met een hoog geo-energetisch potentieel (Chukotka, Kamtsjatka, Kuriles - het Russische deel van de "Earth's fire belt", de bergen van Zuid-Siberië en de Kaukasus) en tegelijkertijd afgelegen en afgesneden van de gecentraliseerde energievoorziening.

Waarschijnlijk zal de aardwarmte in ons land zich de komende decennia juist in dergelijke regio's ontwikkelen.

De dynamiek van veranderingen in de winter (2012-13) temperaturen van de aarde op een diepte van 130 centimeter onder het huis (onder de binnenrand van de fundering), evenals op grondniveau en de temperatuur van het water dat uit de put komt worden hier gepubliceerd. Dit alles is op de stijgbuis die uit de put komt.
De grafiek staat onderaan het artikel.
Dacha (op de grens van Nieuw Moskou en de regio Kaluga) is winter, periodiek bezocht (2-4 keer per maand gedurende een paar dagen).
De dode hoek en de kelder van het huis zijn niet geïsoleerd, sinds het najaar zijn ze afgesloten met warmte-isolerende pluggen (10 cm schuim). Het warmteverlies van de veranda, waar de stijgbuis uitkomt, veranderde in januari. Zie opmerking 10.
Metingen op een diepte van 130 cm worden gedaan door het Xital GSM ()-systeem, discreet - 0,5 * C, add. de fout is ongeveer 0,3 * C.
De sensor wordt geïnstalleerd in een 20 mm HDPE-buis die van onderaf is gelast in de buurt van de stijgleiding (aan de buitenkant van de stijgleidingisolatie, maar in de 110 mm-buis).
De abscis is de datum, de ordinaat is de temperatuur.
Notitie 1:
De temperatuur van het water in de put, maar ook op grondniveau onder het huis, direct op de stijgleiding zonder water, wordt ook gecontroleerd, maar alleen bij aankomst. De fout is ongeveer + -0,6 * C.
Opmerking 2:
Temperatuur op grondniveau onder het huis, bij de stijgbuis van het watertoevoersysteem, bij afwezigheid van mensen en water, daalde het tot min 5 * C. Dit suggereert dat ik het systeem met een reden heb gemaakt - Trouwens, de thermostaat die -5 * C aangaf, is gewoon van dit systeem (RT-12-16).
Notitie 3:
De watertemperatuur "in de put" wordt gemeten door dezelfde sensor (het staat ook in opmerking 2) als op het "grondniveau" - het staat direct op de stijgleiding onder de thermische isolatie, dicht bij de stijgleiding op grondniveau. Deze twee metingen worden op verschillende tijdstippen uitgevoerd. "Op grondniveau" - voordat water in de stijgbuis en "in de put" wordt gepompt - na een half uur met onderbrekingen ongeveer 50 liter te hebben gepompt.
Opmerking 4:
De watertemperatuur in de put kan enigszins worden onderschat, omdat Ik kan niet zoeken naar deze verdomde asymptoot, eindeloos water pompen (de mijne) ... Zoals ik kan - dus speel ik.
Noot 5: Niet relevant, verwijderd.
Opmerking 6:
De fout bij het vaststellen van de buitentemperatuur is ongeveer + - (3-7) * С.
Opmerking 7:
De koelsnelheid van water op grondniveau (zonder de pomp aan te zetten) is zeer ongeveer 1-2 * C per uur (dit is bij min 5 * C op grondniveau).
Opmerking 8:
Ik ben vergeten te beschrijven hoe mijn ondergrondse stijgleiding is opgesteld en geïsoleerd. De PND-32 is uitgerust met in totaal twee isolatiekousen - 2 cm. dikte (blijkbaar geschuimd polyethyleen), dit alles wordt in een rioolbuis van 110 mm gestoken en daar tot een diepte van 130 cm opgeschuimd. Toegegeven, aangezien PND-32 niet in het midden van de 110e pijp liep, en ook het feit dat in het midden een massa gewoon schuim misschien niet lang stolt, wat betekent dat het niet in isolatie verandert, betwijfel ik sterk de kwaliteit van zo'n extra isolatie.. Het was waarschijnlijk beter geweest om een ​​tweecomponentenschuim te gebruiken, waar ik pas later achter kwam...
Opmerking 9:
Ik wil de aandacht van de lezers vestigen op de temperatuurmeting "Op grondniveau" van 01/12/2013. en vanaf 18/01/2013. Hier is naar mijn mening de waarde van + 0.3 * C veel hoger dan verwacht. Ik denk dat dit een gevolg is van de operatie "Sneeuwvulling van de kelder bij de stijgleiding", uitgevoerd op 31.12.2012.
Opmerking 10:
Van 12 januari tot 3 februari maakte hij extra isolatie van de veranda, waar de ondergrondse stijgbuis gaat.
Hierdoor is volgens ruwe schattingen het warmteverlies van de veranda teruggebracht van 100 W/m2. verdieping tot ongeveer 50 (dit is bij min 20*C op straat).
Dit was ook terug te zien in de grafieken. Zie de temperatuur op grondniveau op 9 februari: + 1,4 * C en 16 februari: +1,1 - zo hoge temperaturen zijn er sinds het begin van de echte winter niet meer geweest.
En nog een ding: van 4 tot 16 februari, voor het eerst in twee winters van zondag tot vrijdag, ging de ketel niet aan om de ingestelde minimumtemperatuur te behouden, omdat deze dit minimum niet bereikte ...
Opmerking 11:
Zoals beloofd (voor "bestelling" en voor de afronding van de jaarcyclus) zal ik in de zomer periodiek temperaturen publiceren. Maar - niet in het schema, om de winter niet te "schaduwen", maar hier, in Note-11.
11 mei 2013
Na 3 weken luchten werd de lucht gesloten tot de herfst om condensatie te voorkomen.
13 mei 2013(week op straat + 25-30 * С):
- onder de woning op begane grond + 10,5 * С,
- onder de woning op een diepte van 130cm. + 6 * C,

12 juni 2013:
- onder de woning op begane grond + 14,5 * С,
- onder de woning op een diepte van 130cm. + 10 * C.
- water in een put vanaf een diepte van 25 m niet hoger dan + 8 * С.
26 juni 2013:
- onder de woning op begane grond + 16 * C,
- onder de woning op een diepte van 130cm. + 11 * C.
- water in de put vanaf een diepte van 25 m niet hoger dan + 9,3 * С.
19 augustus 2013:
- onder de woning op begane grond + 15,5 * C,
- onder de woning op een diepte van 130cm. + 13,5 * C.
- water in een put vanaf een diepte van 25 m niet hoger dan + 9,0 * С.
28-09-2013:
- onder het huis op de begane grond + 10,3 * С,
- onder de woning op een diepte van 130cm. + 12 * C.
- water in de put vanaf een diepte van 25m = + 8,0 * C.
26 oktober 2013:
- onder de woning op begane grond +8,5 * C,
- onder de woning op een diepte van 130cm. + 9,5 * C.
- water in een put vanaf een diepte van 25 m niet hoger dan + 7,5 * С.
16 november 2013:
- onder de woning op begane grond + 7,5 * С,
- onder de woning op een diepte van 130cm. + 9,0 * C.
- water in de put vanaf een diepte van 25m + 7,5 * С.
20 februari 2014:
Dit is waarschijnlijk het laatste item in dit artikel.
De hele winter wonen we constant in huis, het punt bij het herhalen van de metingen van vorig jaar is klein, daarom slechts twee significante cijfers:
- de minimumtemperatuur onder het huis op grondniveau bij de koudste vorst (-20 - -30 * C) een week na hun start herhaaldelijk gedaald tot onder + 0,5 * C. Op deze momenten werkte het voor mij

Stelt u zich een woning voor die altijd een aangename temperatuur heeft en waar geen verwarmings- en koelsystemen zichtbaar zijn. Dit systeem werkt efficiënt, maar vereist geen ingewikkeld onderhoud of speciale kennis van de eigenaren.

Frisse lucht, je hoort het fluiten van vogels en de wind die lui speelt met bladeren in de bomen. Het huis krijgt energie uit de grond, zoals bladeren, die energie uit de wortels halen. Mooi plaatje, niet?

Geothermische verwarmings- en koelsystemen maken dit beeld werkelijkheid. Het geothermische HVAC-systeem (verwarming, ventilatie en airconditioning) gebruikt de grondtemperatuur om in de winter te verwarmen en in de zomer te koelen.

Hoe geothermische verwarming en koeling werkt

De omgevingstemperatuur verandert met de wisseling van seizoenen, maar de ondergrondse temperatuur verandert niet zo veel vanwege de isolerende eigenschappen van de aarde. Op een diepte van 1,5-2 meter blijft de temperatuur het hele jaar door relatief constant. Een geothermisch systeem bestaat doorgaans uit interne behandelingsapparatuur, een ondergronds leidingsysteem dat een ondergrondse lus wordt genoemd, en/of een pomp om water te laten circuleren. Het systeem gebruikt een constante grondtemperatuur om "schone en gratis" energie te leveren.

(Verwar het concept van een geothermisch NVC-systeem niet met 'geothermische energie', een proces waarbij elektriciteit direct wordt opgewekt uit de warmte in de aarde. In het laatste geval worden verschillende soorten apparatuur en andere processen gebruikt, met als doel wat meestal is om water tot het kookpunt te verwarmen.)

De buizen die de ondergrondse lus vormen, zijn meestal gemaakt van polyethyleen en kunnen, afhankelijk van het terrein, horizontaal of verticaal ondergronds worden geplaatst. Als er een watervoerende laag beschikbaar is, kunnen ingenieurs een "open lus"-systeem ontwerpen door een put in het grondwater te boren. Het water wordt weggepompt, door een warmtewisselaar geleid en vervolgens via "herinjectie" in dezelfde watervoerende laag geïnjecteerd.

In de winter absorbeert water, dat door een ondergrondse lus loopt, de warmte van de aarde. Binnenapparatuur verhoogt de temperatuur verder en verdeelt deze door het hele gebouw. Het is als een airconditioning die andersom werkt. In de zomer trekt het geothermische NWC-systeem water met hoge temperatuur uit het gebouw en voert het door een ondergrondse lus / pomp naar een herinjectiebron, van waaruit het water de koelere grond / aquifer binnenkomt.

In tegenstelling tot conventionele verwarmings- en koelsystemen, gebruiken geothermische HVAC-systemen geen fossiele brandstoffen om warmte op te wekken. Ze halen gewoon warmte uit de grond. Doorgaans wordt elektriciteit alleen gebruikt om de ventilator, compressor en pomp te laten werken.

Een geothermisch koel- en verwarmingssysteem bestaat uit drie hoofdcomponenten: een warmtepomp, een warmtegeleidende vloeistof (open of gesloten systeem) en een luchttoevoersysteem (leidingsysteem).

Voor aardwarmtepompen, evenals voor alle andere typen warmtepompen, werd de verhouding tussen hun efficiëntie en de energie die voor deze actie werd gebruikt (efficiëntie) gemeten. De meeste geothermische warmtepompsystemen hebben een rendement tussen 3,0 en 5,0. Dit betekent dat het systeem één eenheid energie omzet in 3-5 eenheden warmte.

Geothermische systemen zijn gemakkelijk te onderhouden. Correct geïnstalleerd, wat erg belangrijk is, kan de ondergrondse lus meerdere generaties goed functioneren. De ventilator, compressor en pomp zijn ondergebracht in een afgesloten ruimte en beschermd tegen wisselende weersomstandigheden, zodat hun levensduur vele jaren, vaak tientallen jaren kan duren. Routinematige periodieke controles, tijdige filtervervanging en jaarlijkse reiniging van de batterij zijn het enige onderhoud dat nodig is.

Ervaring met het gebruik van geothermische NVK-systemen

Geothermische NVC-systemen worden al meer dan 60 jaar over de hele wereld gebruikt. Ze werken met de natuur mee, niet ertegen, en ze stoten geen broeikasgassen uit (zoals eerder opgemerkt verbruiken ze minder elektriciteit omdat ze een constante aardtemperatuur gebruiken).

Geothermische HVAC-systemen worden steeds meer kenmerken van duurzame woningen als onderdeel van de groeiende beweging voor groen bouwen. Groene projecten waren goed voor 20 procent van alle huizen in de VS die in het afgelopen jaar zijn gebouwd. Een artikel in de Wall Street Journal zegt dat het budget voor groen bouwen zal groeien van 36 miljard dollar per jaar tot 114 miljard dollar in 2016. Dit zal 30-40 procent van de totale vastgoedmarkt uitmaken.

Maar veel van de informatie over aardwarmte en -koeling is gebaseerd op verouderde gegevens of ongegronde fabels.

Mythes over geothermische NVC-systemen doorbreken

1. Geothermische NVC-systemen zijn geen hernieuwbare technologie omdat ze elektriciteit gebruiken.

Feit: geothermische HVAC-systemen gebruiken slechts één eenheid elektriciteit om maximaal vijf eenheden koeling of verwarming op te wekken.

2. Zonne- en windenergie zijn gunstigere hernieuwbare technologieën dan geothermische NVC-systemen.

Feit: geothermische HVAC-systemen recyclen vier keer meer kilowattuur voor één dollar dan zonne- of windenergie voor dezelfde dollar. Deze technologieën kunnen natuurlijk een belangrijke rol spelen voor het milieu, maar een geothermisch NVC-systeem is vaak de meest efficiënte en kosteneffectieve manier om de milieu-impact te verminderen.

3. Het geothermische NVC-systeem vereist veel ruimte om de polyethyleen leidingen van de ondergrondse lus op te nemen.

Weetje: Afhankelijk van het terrein kan de ondergrondse lus verticaal worden geplaatst, waardoor een klein oppervlak nodig is. Als er een toegankelijke watervoerende laag is, is er maar een paar vierkante meter aan de oppervlakte nodig. Merk op dat het water terugkeert naar dezelfde watervoerende laag waaruit het werd gehaald nadat het door de warmtewisselaar was gestroomd. Het water is dus geen afvalwater en vervuilt de watervoerende laag niet.

4. HBK-aardwarmtepompen maken veel lawaai.

Feit: De systemen zijn erg stil en er is geen apparatuur buiten om de buren niet te storen.

5. Geothermische systemen zullen op den duur verdwijnen.

Feit: ondergrondse lussen kunnen generaties lang meegaan. Apparatuur voor warmteoverdracht gaat doorgaans tientallen jaren mee omdat het binnenshuis wordt beschermd. Wanneer het tijd is voor de noodzakelijke vervanging van apparatuur, zijn de kosten van een dergelijke vervanging veel lager dan die van een nieuw geothermisch systeem, aangezien de ondergrondse lus en het boorgat de duurste onderdelen zijn. Nieuwe technische oplossingen elimineren het probleem van het vasthouden van warmte in de grond, zodat het systeem onbeperkt temperaturen kan uitwisselen. In het verleden zijn er gevallen geweest van verkeerd berekende systemen die de grond inderdaad zodanig oververhitten of afkoelden dat er niet langer het temperatuurverschil was dat nodig was om het systeem te laten functioneren.

6. Geothermische HVAC-systemen werken alleen voor verwarming.

Feit: ze werken net zo efficiënt voor koeling en kunnen zo worden ontworpen dat er geen extra back-up warmtebron nodig is. Hoewel sommige klanten besluiten dat het voordeliger is om een ​​klein back-upsysteem te hebben voor de koudste tijden. Dit betekent dat hun ondergrondse lus kleiner en dus goedkoper wordt.

7. Geothermische HVAC-systemen kunnen niet tegelijkertijd het huishoudwater verwarmen, het zwembadwater verwarmen en een huis verwarmen.

Feit: Systemen kunnen worden ontworpen om veel functies tegelijkertijd uit te voeren.

8. Geothermische NVC-systemen vervuilen de grond met koudemiddelen.

Feit: De meeste systemen gebruiken alleen water in de scharnieren.

9. Geothermische NWC-systemen gebruiken veel water.

Feit: Geothermische systemen verbruiken eigenlijk geen water. Als grondwater wordt gebruikt om temperatuur uit te wisselen, wordt al het water teruggevoerd naar dezelfde aquifer. In het verleden waren er inderdaad enkele systemen die water verspilden nadat het door een warmtewisselaar was gegaan, maar dergelijke systemen worden tegenwoordig nauwelijks gebruikt. Commercieel gezien besparen geothermische NVC-systemen in feite miljoenen liters water dat in traditionele systemen zou zijn verdampt.

10. Geothermische NVK-technologie is financieel niet haalbaar zonder fiscale stimuleringsmaatregelen van de overheid en de regio.

Feit: Overheids- en regionale stimuleringsmaatregelen variëren doorgaans van 30 tot 60 procent van de totale kosten van een geothermisch systeem, waardoor de initiële prijs vaak kan dalen tot in de buurt van het niveau van conventionele apparatuur. Standaard HVAC-luchtsystemen kosten ongeveer $ 3.000 per ton warmte of koude (huizen gebruiken doorgaans één tot vijf ton). De prijs van geothermische NVK-systemen varieert van circa $ 5.000 per ton tot $ 8.000-9.000. Nieuwe installatiemethoden verlagen echter de kosten aanzienlijk, tot de prijs van conventionele systemen.

U kunt de kosten ook verlagen door kortingen op apparatuur voor openbaar of commercieel gebruik, of zelfs voor grote bestellingen van huishoudelijke aard (vooral van grote merken zoals Bosch, Carrier en Trane). Open lussen, waarbij gebruik wordt gemaakt van pomp- en herinjectieputten, zijn goedkoper te installeren dan gesloten systemen.

Gebaseerd op materiaal: energyblog.nationalgeographic.com