I vårt land som er rikt på hydrokarboner, er geotermisk energi en eksotisk ressurs som, med tanke på dagens situasjon, neppe vil konkurrere med olje og gass. Likevel kan denne alternative energiformen brukes nesten overalt og er ganske effektiv.

Geotermisk energi er varmen i jordens indre. Den produseres i dypet og kommer til overflaten av jorden i forskjellige former og med forskjellige intensiteter.

Temperaturen på de øvre jordlagene avhenger hovedsakelig av eksterne (eksogene) faktorer - sollys og lufttemperatur. Om sommeren og i løpet av dagen varmes jorden opp til visse dybder, og om vinteren og om natten avkjøles den etter endring i lufttemperatur og med en viss forsinkelse, og øker med dybden. Påvirkningen av daglige svingninger i lufttemperaturen ender på dybder fra noen få til flere titalls centimeter. Sesongvariasjoner dekker dypere jordlag - opptil titalls meter.

På en viss dybde - fra titalls til hundrevis av meter - holdes jordtemperaturen konstant, lik gjennomsnittlig årlig lufttemperatur på jordoverflaten. Det er lett å bekrefte dette ved å gå ned i en tilstrekkelig dyp hule.

Når den gjennomsnittlige årlige lufttemperaturen i et gitt område er under null, manifesterer dette seg som permafrost (mer presist permafrost). I Øst-Sibir når tykkelsen, det vil si tykkelsen, på frossen jord året rundt noen ganger 200-300 m.

Fra en viss dybde (sin egen for hvert punkt på kartet) svekkes virkningen av Solen og atmosfæren så mye at endogene (indre) faktorer kommer til syne og jordens indre varmes opp fra innsiden, slik at temperaturen begynner å stige med dybden.

Oppvarmingen av de dype lagene på jorden er hovedsakelig forbundet med forfallet av de radioaktive elementene som befinner seg der, selv om andre varmekilder også kalles for eksempel fysisk -kjemiske, tektoniske prosesser i de dype lagene i jordskorpen og mantelen. Men uansett årsak, vokser temperaturen på bergarter og tilhørende væsker og gassformige stoffer med dybden. Gruvearbeidere står overfor dette fenomenet - det er alltid varmt i dype gruver. På en dybde på 1 km er tretti graders varme normal, og dypere er temperaturen enda høyere.

Varmestrømmen i jordens indre, som når overflaten av jorden, er liten - i gjennomsnitt er effekten 0,03–0,05 W / m 2, eller omtrent 350 W · h / m 2 per år. På bakgrunn av varmestrømmen fra solen og luften som varmes opp av den, er dette en umerkelig verdi: Solen gir hver kvadratmeter av jordens overflate omtrent 4000 kWh årlig, det vil si 10.000 ganger mer (selvfølgelig er dette i gjennomsnitt, med en stor spredning mellom polare og ekvatoriale breddegrader og avhengig av andre klima- og værfaktorer).

Ubetydeligheten av varmestrømmen fra dypet til overflaten på det meste av planeten er forbundet med bergens lave varmeledningsevne og særegenheter ved den geologiske strukturen. Men det er unntak - steder der varmestrømmen er høy. Dette er først og fremst soner med tektoniske feil, økt seismisk aktivitet og vulkanisme, der energien i jordens indre finner et utløp. Slike soner er preget av termiske anomalier i litosfæren, her kan varmestrømmen som når jordoverflaten være flere ganger og til og med størrelsesordener kraftigere enn den "vanlige". Vulkanutbrudd og varmtvannskilder fører en enorm mengde varme til overflaten i disse sonene.

Det er disse områdene som er mest gunstige for utvikling av geotermisk energi. På Russlands territorium er dette først og fremst Kamchatka, Kuriløyene og Kaukasus.

Samtidig er utviklingen av geotermisk energi mulig nesten overalt, siden temperaturstigningen med dybde er et allestedsnærværende fenomen, og oppgaven er å "trekke ut" varme fra tarmen, akkurat som mineralske råvarer utvinnes derfra.

I gjennomsnitt stiger temperaturen med dybde med 2,5–3 ° C for hver 100 m. Forholdet mellom temperaturforskjellen mellom to punkter på forskjellige dybder og forskjellen i dybde mellom dem kalles den geotermiske gradienten.

Det gjensidige er det geotermiske trinnet, eller dybdeintervallet, hvor temperaturen stiger med 1 ° C.

Jo høyere gradient og følgelig lavere trinn, jo nærmere varmen fra jordens dyp nærmer seg overflaten og jo mer lovende er dette området for utvikling av geotermisk energi.

I forskjellige områder, avhengig av den geologiske strukturen og andre regionale og lokale forhold, kan temperaturstigningen med dybde variere dramatisk. På jordens skala når svingningene i størrelsen på geotermiske gradienter og trinn 25 ganger. For eksempel, i Oregon (USA) er stigningen 150 ° C per km, og i Sør -Afrika er den 6 ° C per km.

Spørsmålet er, hva er temperaturen på store dybder - 5, 10 km eller mer? Hvis trenden fortsetter, bør temperaturer på 10 km dybde i gjennomsnitt være rundt 250–300 ° C. Dette er mer eller mindre bekreftet av direkte observasjoner i superdype brønner, selv om bildet er mye mer komplisert enn en lineær temperaturøkning.

For eksempel, i Kola superdep brønn boret i det baltiske krystallinske skjoldet, endres temperaturen til en dybde på 3 km med en hastighet på 10 ° C / 1 km, og deretter blir den geotermiske gradienten 2–2,5 ganger høyere. På en dybde på 7 km ble det allerede registrert en temperatur på 120 ° C, på en dybde på 10 km - 180 ° C, og på en dybde på 12 km - 220 ° C.

Et annet eksempel er en brønn boret i den nordlige kaspiske regionen, hvor det ble registrert en temperatur på 42 ° C på en dybde på 500 m, 70 ° C på 1,5 km, 80 ° C ved 2 km og 108 ° C på 3 km.

Det antas at den geotermiske gradienten avtar fra en dybde på 20-30 km: på en dybde på 100 km er de antatte temperaturene omtrent 1300-1500 ° C, på en dybde på 400 km-1600 ° C, i jordens kjerne (dybder over 6000 km) - 4000-5000 ° C.

På opptil 10–12 km dyp måles temperaturen gjennom borede brønner; hvor de er fraværende, bestemmes det av indirekte tegn på samme måte som på større dybder. Slike indirekte tegn kan være arten av passering av seismiske bølger eller temperaturen på utstrømmende lava.

For geotermisk energi er imidlertid data om temperaturer på mer enn 10 km dyp ennå ikke av praktisk interesse.

Det er mye varme på flere kilometers dybde, men hvordan heve den? Noen ganger er dette problemet løst for oss av naturen selv ved hjelp av en naturlig varmebærer - oppvarmet termisk vann som kommer til overflaten eller ligger på en dybde som er tilgjengelig for oss. I noen tilfeller blir vannet i dypet oppvarmet til damptilstand.

Det er ingen streng definisjon av begrepet "termisk vann". Som regel betyr de varmt grunnvann i flytende tilstand eller i form av damp, inkludert de som kommer til overflaten av jorden med en temperatur over 20 ° C, det vil si som regel høyere enn lufttemperaturen.

Varmen til grunnvann, damp, damp-vannblandinger er hydrotermisk energi. Følgelig kalles energien basert på bruken hydrotermisk.

Situasjonen er mer komplisert med produksjon av varme direkte fra tørre bergarter - petrotermisk energi, spesielt siden ganske høye temperaturer som regel starter fra dybder på flere kilometer.

På Russlands territorium er potensialet til petrotermisk energi hundre ganger høyere enn hydrotermisk energi - henholdsvis 3500 og 35 billioner tonn drivstoffekvivalenter. Dette er ganske naturlig - varmen fra jordens dyp er overalt, og termisk vann finnes lokalt. På grunn av åpenbare tekniske vanskeligheter for å generere varme og elektrisitet, brukes termisk vann for tiden for det meste.

Vann med temperaturer mellom 20-30 ° C og 100 ° C er egnet for oppvarming, temperaturer mellom 150 ° C og over - og for å generere elektrisitet i geotermiske kraftverk.

Generelt er geotermiske ressurser på Russlands territorium når det gjelder tonn tilsvarende drivstoff eller annen enhet for energimåling omtrent 10 ganger høyere enn reservene til fossilt brensel.

Teoretisk sett var det bare geotermisk energi som fullt ut kunne tilfredsstille landets energibehov. I praksis er dette for øyeblikket, på det meste av territoriet, ikke mulig av tekniske og økonomiske årsaker.

I verden er bruk av geotermisk energi oftest assosiert med Island - et land som ligger i den nordlige enden av Mid -Atlantic Ridge, i en ekstremt aktiv tektonisk og vulkansk sone. Sannsynligvis husker alle det kraftige utbruddet i vulkanen Eyjafjallajokull ( Eyjafjallajökull) i 2010 år.

Det er takket være denne geologiske spesifisiteten at Island har enorme reserver av geotermisk energi, inkludert varme kilder som kommer ut til overflaten av jorden og til og med strømmer ut i form av geysirer.

På Island er mer enn 60% av all energiforbruket hentet fra jorden. Inkludert geotermiske kilder gir 90% av oppvarmingen og 30% av elektrisitetsproduksjonen. Vi legger til at resten av landets elektrisitet produseres ved vannkraftverk, det vil si også ved bruk av en fornybar energikilde, takket være at Island ser ut som en slags global miljøstandard.

Domestiseringen av geotermisk energi på 1900 -tallet hjalp Island merkbart økonomisk. Fram til midten av forrige århundre var det et veldig fattig land, nå rangerer det først i verden når det gjelder installert kapasitet og produksjon av geotermisk energi per innbygger og er blant de ti beste når det gjelder absolutt verdi av installert geotermisk kapasitet kraftverk. Imidlertid er befolkningen bare 300 tusen mennesker, noe som forenkler oppgaven med å bytte til miljøvennlige energikilder: behovene for det er generelt små.

I tillegg til Island tilbys en høy andel geotermisk energi i den totale balansen i elektrisitetsproduksjonen i New Zealand og øystatene i Sørøst -Asia (Filippinene og Indonesia), land i Mellom -Amerika og Øst -Afrika, hvis territorium også er preget av høy seismisk og vulkansk aktivitet. For disse landene, gitt sitt nåværende utviklingsnivå og behov, gir geotermisk energi et betydelig bidrag til samfunnsøkonomisk utvikling.

Bruken av geotermisk energi har en veldig lang historie. Et av de første kjente eksemplene er Italia, et sted i provinsen Toscana, nå kalt Larderello, hvor det lokale varme termiske vannet, som ble helt naturlig eller utvunnet fra grunne brønner, ble brukt til begynnelsen av 1800 -tallet energiformål.

Borrikt underjordisk vann ble brukt her for å skaffe borsyre. I utgangspunktet ble denne syren oppnådd ved fordampning i jernkjeler, og vanlig ved fra de nærliggende skogene ble tatt som drivstoff, men i 1827 opprettet Francesco Larderel et system som arbeidet med varmen i vannet selv. På samme tid begynte energien fra naturlig vanndamp å bli brukt til drift av borerigger, og på begynnelsen av 1900 -tallet - til oppvarming av lokale hus og drivhus. På samme sted, i Larderello, i 1904, ble termisk vanndamp en energikilde for å generere elektrisitet.

Noen andre land fulgte Italias eksempel på slutten av 1800- og begynnelsen av 1900 -tallet. For eksempel, i 1892, ble termisk vann først brukt til lokal oppvarming i USA (Boise, Idaho), i 1919 i Japan og i 1928 på Island.

I USA dukket det første hydrotermiske kraftverket opp i California på begynnelsen av 1930 -tallet, på New Zealand i 1958, i Mexico i 1959, i Russland (verdens første binære geotermiske kraftverk) i 1965 ...

Gammelt prinsipp om en ny kilde

Elektrisitetsproduksjon krever en høyere temperatur på vannkilden enn ved oppvarming - mer enn 150 ° C. Driftsprinsippet til et geotermisk kraftverk (GeoPP) ligner på prinsippet om drift av et konvensjonelt termisk kraftverk (TPP). Faktisk er et geotermisk kraftverk en slags termisk kraftverk.

På TPP fungerer kull, gass eller fyringsolje som hovedkilde for energi, og vanndamp fungerer som arbeidsvæske. Drivstoff, brennende, varmer opp vann til damptilstand, som roterer dampturbinen, og det genererer elektrisitet.

Forskjellen mellom GeoPP er at den primære energikilden her er varmen i jordens indre og arbeidsvæsken i form av damp tilføres turbinbladene til en elektrisk generator i en "ferdig" form direkte fra produksjonen vi vil.

Det er tre hovedordninger for GeoPP -drift: direkte, ved bruk av tørr (geotermisk) damp; indirekte, basert på hydrotermisk vann, og blandet eller binært.

Bruken av en bestemt ordning avhenger av aggregasjonstilstanden og temperaturen på energibæreren.

Den enkleste og derfor den første av de mestrede ordningene er den rette linjen, der dampen som kommer fra brønnen føres direkte gjennom turbinen. Verdens første GeoPP i Larderello opererte også på tørr damp i 1904.

GeoPPer med et indirekte arbeidsopplegg er de vanligste i vår tid. De bruker varmt underjordisk vann, som pumpes inn i en fordamper under høyt trykk, hvor en del av det fordampes, og den resulterende dampen roterer en turbin. I noen tilfeller er det nødvendig med ekstra enheter og kretser for å rense geotermisk vann og damp fra aggressive forbindelser.

Den brukte dampen kommer inn i injeksjonsbrønnen eller brukes til oppvarming av rom - i dette tilfellet er prinsippet det samme som under drift av en kraftvarme.

Ved binære GeoPPer samhandler varmt termisk vann med en annen væske som fungerer som arbeidsfluid med lavere kokepunkt. Begge væskene ledes gjennom en varmeveksler, hvor termisk vann fordamper arbeidsfluidet, hvis damp roterer turbinen.

Dette systemet er lukket, noe som løser problemet med utslipp til atmosfæren. I tillegg gjør arbeidsvæsker med et relativt lavt kokepunkt det mulig å bruke ikke veldig varmt termisk vann som en primær energikilde.

Alle tre ordningene bruker en hydrotermisk kilde, men petrotermisk energi kan også brukes til å generere elektrisitet.

Det skjematiske diagrammet i dette tilfellet er også ganske enkelt. Det er nødvendig å bore to sammenkoblede brønner - injeksjons- og produksjonsbrønner. Vann pumpes inn i injeksjonsbrønnen. På dybden varmes det opp, deretter blir oppvarmet vann eller damp dannet som et resultat av sterk oppvarming ført gjennom produksjonsbrønnen til overflaten. Videre avhenger alt av hvordan petrotermisk energi brukes - til oppvarming eller for å generere elektrisitet. En lukket syklus er mulig med injeksjon av avfallsdamp og vann tilbake i injeksjonsbrønnen eller på annen måte.

Ulempen med et slikt system er åpenbart: for å oppnå tilstrekkelig høy temperatur på arbeidsfluidet må brønner bores til stor dybde. Og dette er alvorlige kostnader og risikoen for betydelig varmetap når væsken beveger seg oppover. Derfor er petrotermiske systemer fortsatt mindre utbredt enn hydrotermiske, selv om potensialet til petrotermisk energi er størrelsesordener høyere.

For tiden er Australia ledende i etableringen av de såkalte petrothermal sirkulasjonssystemene (PCS). I tillegg utvikler denne retningen av geotermisk energi seg aktivt i USA, Sveits, Storbritannia og Japan.

Lord Kelvins gave

Oppfinnelsen i 1852 av en varmepumpe av fysiker William Thompson (alias Lord Kelvin) ga menneskeheten en reell mulighet til å bruke lavpotensialvarmen til de øvre jordlagene. Varmepumpesystemet, eller, som Thompson kalte det, varmemultiplikatoren, er basert på den fysiske prosessen med å overføre varme fra miljøet til kjølemediet. Faktisk bruker den det samme prinsippet som i petrotermiske systemer. Forskjellen er i varmekilden, i hvilken et terminologisk spørsmål kan oppstå: i hvilken grad kan en varmepumpe betraktes som et geotermisk system? Faktum er at i de øvre lagene, ned til ti til hundrevis av meters dybde, blir steinene og væskene i dem ikke varmet opp av jordens dype varme, men av solen. Dermed er det solen i dette tilfellet som er den viktigste varmekilden, selv om den blir tatt, som i geotermiske systemer, fra jorden.

Arbeidet til en varmepumpe er basert på en forsinkelse i oppvarming og avkjøling av jorda sammenlignet med atmosfæren, som en følge av at det dannes en temperaturgradient mellom overflaten og dypere lag, som beholder varmen selv om vinteren, i likhet med hva som skjer i vannforekomster. Hovedformålet med varmepumper er romoppvarming. Faktisk er det et "omvendt kjøleskap". Både varmepumpen og kjøleskapet samhandler med tre komponenter: det indre miljøet (i det første tilfellet - det oppvarmede rommet, i det andre - kjøleskapets kjøleskap), det ytre miljøet - energikilden og kjølemediet (kjølevæske) , det er også varmebærer som gir varmeoverføring eller kulde.

Et stoff med lavt kokepunkt fungerer som et kjølemedium, som gjør at det kan ta varme fra en kilde som har til og med en relativt lav temperatur.

I kjøleskapet kommer det flytende kjølemediet inn i fordamperen gjennom en gass (trykkregulator), der væsken fordamper på grunn av en kraftig trykkfall. Fordampning er en endoterm prosess som krever ekstern varmeabsorbering. Som et resultat hentes varme fra fordamperens indre vegger, noe som gir en kjøleeffekt i kjøleskapskammeret. Videre suges kjølemediet fra fordamperen inn i kompressoren, hvor det går tilbake til den flytende aggregeringstilstanden. Dette er en omvendt prosess som fører til frigjøring av fjernet varme til det ytre miljøet. Som regel kastes det inn i rommet og baksiden av kjøleskapet er relativt varmt.

En varmepumpe fungerer omtrent på samme måte, med den forskjellen at varmen tas fra det ytre miljøet og gjennom fordamperen kommer inn i det indre miljøet - romoppvarmingssystemet.

I en ekte varmepumpe varmes vann opp, passerer langs en ekstern krets, lagt i bakken eller i et reservoar, og kommer deretter inn i fordamperen.

I fordamperen overføres varme til en indre krets fylt med et kjølemiddel med et lavt kokepunkt, som, som passerer gjennom fordamperen, endres fra en væske til en gassform, og tar varme bort.

Videre kommer det gassformige kjølemediet inn i kompressoren, hvor det komprimeres til høyt trykk og temperatur, og kommer inn i kondensatoren, hvor varmeutveksling finner sted mellom den varme gassen og kjølevæsken fra varmesystemet.

Kompressoren krever elektrisitet for å fungere, men transformasjonsforholdet (forholdet mellom forbrukt og generert energi) i moderne systemer er høyt nok til å sikre effektiviteten.

For tiden er varmepumper mye brukt til romoppvarming, hovedsakelig i økonomisk utviklede land.

Miljøkorrekt energi

Geotermisk energi regnes som miljøvennlig, noe som generelt er sant. Først og fremst bruker den en fornybar og praktisk talt uuttømmelig ressurs. Geotermisk energi krever ikke store områder, i motsetning til store vannkraftverk eller vindparker, og forurenser ikke atmosfæren, i motsetning til hydrokarbon energi. I gjennomsnitt opptar en GeoPP 400 m 2 når det gjelder 1 GW generert elektrisitet. Det samme tallet for et kullkraftverk er for eksempel 3600 m 2. De økologiske fordelene med GeoPP inkluderer også lavt vannforbruk - 20 liter ferskvann per 1 kW, mens TPP og NPP krever omtrent 1000 liter. Vær oppmerksom på at dette er miljøindikatorer for "gjennomsnittlig" GeoPP.

Men det er fortsatt negative bivirkninger. Blant dem er det oftest støy, termisk forurensning av atmosfæren og kjemisk forurensning - vann og jord, samt dannelse av fast avfall.

Den viktigste kilden til kjemisk forurensning av miljøet er det faktiske termiske vannet (med høy temperatur og mineralisering), som ofte inneholder store mengder giftige forbindelser, i forbindelse med hvilke det er et problem med deponering av avløpsvann og farlige stoffer.

De negative effektene av geotermisk energi kan spores på flere stadier, og starter med boring av brønner. Her oppstår de samme farene som ved boring av en brønn: ødeleggelse av jord og vegetasjonsdekke, forurensning av jord og grunnvann.

På driftsfasen av GeoPP vedvarer problemene med miljøforurensning. Termiske væsker - vann og damp - inneholder vanligvis karbondioksid (CO 2), svovelsulfid (H 2 S), ammoniakk (NH 3), metan (CH 4), bordsalt (NaCl), bor (B), arsen (som ), kvikksølv (Hg). Når de slippes ut i det ytre miljøet, blir de kilder til forurensning. I tillegg kan et aggressivt kjemisk miljø forårsake korrosjonsskader på strukturene i GeoTPP.

Samtidig er utslippene av forurensende stoffer ved GeoPP i gjennomsnitt lavere enn ved TPP. For eksempel er karbondioksidutslipp for hver kilowattime generert elektrisitet opptil 380 g ved GeoPP, 1042 g - ved kullfyrte TPP, 906 g - ved fyringsolje og 453 g - ved gassfyrte TPP.

Spørsmålet oppstår: hva skal jeg gjøre med avløpsvannet? Med lav saltholdighet kan den slippes ut i overflatevann etter avkjøling. En annen måte er å pumpe den tilbake i akviferen gjennom en injeksjonsbrønn, som er foretrukket og hovedsakelig brukt i dag.

Utvinning av termisk vann fra akviferer (samt pumping av vanlig vann) kan forårsake nedsynkning og bevegelse av jorda, andre deformasjoner av geologiske lag, mikro-jordskjelv. Sannsynligheten for slike fenomener er som regel liten, selv om individuelle tilfeller er registrert (for eksempel ved GeoPP i Staufen im Breisgau i Tyskland).

Det bør understrekes at de fleste GeoPP -er er lokalisert i relativt tynt befolkede områder og i tredje verden -land, der miljøkravene er mindre strenge enn i utviklede land. I tillegg er antallet GeoPPer og deres kapasitet for øyeblikket relativt lite. Med en mer omfattende utvikling av geotermisk energi kan miljørisiko øke og formere seg.

Hvor mye er jordens energi?

Investeringskostnadene for bygging av geotermiske systemer varierer i et veldig stort område - fra $ 200 til $ 5000 per 1 kW installert kapasitet, det vil si at de billigste alternativene er sammenlignbare med kostnadene ved å bygge et termisk kraftverk. De er først og fremst avhengige av betingelsene for forekomst av termisk vann, deres sammensetning og utformingen av systemet. Boring til store dyp, opprettelse av et lukket system med to brønner, behovet for vannrensing kan multiplisere kostnaden.

For eksempel er investeringer i opprettelsen av et petrotermisk sirkulasjonssystem (PCS) anslått til 1,6–4 tusen dollar per 1 kW installert kapasitet, som overstiger kostnadene for å bygge et atomkraftverk og er sammenlignbare med kostnadene ved å bygge vind og solenergianlegg.

Den åpenbare økonomiske fordelen med GeoTPP er en gratis energibærer. Til sammenligning utgjør drivstoffet 50–80% eller enda mer, i kostnadsstrukturen til en operasjonell TPP eller NPP, avhengig av dagens energipriser. Derav en annen fordel med det geotermiske systemet: driftskostnadene er mer stabile og forutsigbare, siden de ikke er avhengige av den eksterne konjunkturen av energipriser. Generelt er driftskostnadene for GeoTPP estimert til 2–10 cent (60 kopek - 3 rubler) per 1 kWh produsert kapasitet.

Den nest største (etter energibæreren) (og svært betydelige) utgiftsposten er som regel lønnene til anleggspersonell, som kan radikalt variere fra land til land og regioner.

I gjennomsnitt er kostnaden for 1 kWh geotermisk energi sammenlignbar med den for TPP (under russiske forhold - omtrent 1 rubel / 1 kWh) og ti ganger høyere enn kostnadene ved å generere elektrisitet ved vannkraftverk (5-10 kopek / 1 kWh).

En del av årsaken til de høye kostnadene ligger i det faktum at GeoTPP, i motsetning til termiske og hydrauliske kraftverk, har en relativt liten kapasitet. I tillegg er det nødvendig å sammenligne systemer som ligger i samme region og under lignende forhold. For eksempel, i Kamchatka, ifølge eksperter, koster 1 kWh geotermisk elektrisitet 2-3 ganger billigere enn strøm produsert på lokale termiske kraftverk.

Indikatorene for den økonomiske effektiviteten til et geotermisk system er for eksempel avhengig av om det er nødvendig å avhende avløpsvann og på hvilke måter det gjøres, om en kombinert bruk av ressursen er mulig. Således kan kjemiske elementer og forbindelser ekstrahert fra termisk vann gi ekstra inntekt. La oss huske eksemplet på Larderello: det var kjemisk produksjon som var primær der, og bruken av geotermisk energi var opprinnelig hjelpekarakter.

Geotermisk energi fremover

Geotermisk energi utvikler seg noe annerledes enn vind og sol. For tiden er det i stor grad avhengig av selve ressursen, som skiller seg sterkt fra region til region, og de høyeste konsentrasjonene er knyttet til trange soner av geotermiske anomalier, som regel forbundet med områder med tektoniske feil og vulkanisme.

I tillegg er geotermisk energi mindre teknologisk kapasitiv i forhold til vind, og enda mer med solenergi: systemene til geotermiske stasjoner er ganske enkle.

I den totale strukturen for verdens elektrisitetsproduksjon utgjør den geotermiske komponenten mindre enn 1%, men i noen regioner og land når andelen 25-30%. På grunn av koblingen til geologiske forhold er en betydelig del av den geotermiske energikapasiteten konsentrert i landene i tredje verden, hvor tre klynger av industriens største utvikling skiller seg ut - øyene Sørøst -Asia, Mellom -Amerika og Øst -Afrika. De to første regionene er inkludert i Stillehavets "Jordens brannbelt", den tredje er knyttet til det østafrikanske riften. Mest sannsynlig vil geotermisk energi fortsette å utvikle seg i disse beltene. Et mer fjernt perspektiv er utviklingen av petrotermisk energi ved å bruke varmen fra jordlagene, som ligger på flere kilometers dybde. Dette er en nesten allestedsnærværende ressurs, men utvinning krever høye kostnader; derfor utvikler petrotermisk energi seg først og fremst i de mest økonomisk og teknologisk kraftige landene.

Gitt den allestedsnærværende fordelingen av geotermiske ressurser og et akseptabelt miljøsikkerhetsnivå, er det generelt grunn til å tro at geotermisk energi har gode utviklingsutsikter. Spesielt med den økende trusselen om mangel på tradisjonelle energiressurser og stigende priser på dem.

Fra Kamchatka til Kaukasus

I Russland har utviklingen av geotermisk energi en ganske lang historie, og på en rekke posisjoner er vi blant verdens ledere, selv om andelen av geotermisk energi i den totale energibalansen i et enormt land fortsatt er ubetydelig.

To regioner - Kamchatka og Nord -Kaukasus - har blitt pionerer og sentre for utvikling av geotermisk energi i Russland, og hvis vi i det første tilfellet først og fremst snakker om elektrisk kraftindustri, så i det andre - om bruk av termisk energi av termisk vann.

I Nord -Kaukasus - i Krasnodar -territoriet, Tsjetsjenia, Dagestan - ble varmen fra termisk vann brukt til energiformål allerede før den store patriotiske krigen. På 1980- og 1990 -tallet stoppet utviklingen av geotermisk energi i regionen av åpenbare årsaker og har ennå ikke kommet ut av en stillstand. Likevel gir geotermisk vannforsyning i Nord -Kaukasus varme til omtrent 500 tusen mennesker, og for eksempel byen Labinsk i Krasnodar -territoriet med en befolkning på 60 tusen mennesker blir fullstendig oppvarmet av geotermisk vann.

I Kamchatka er historien til geotermisk energi først og fremst forbundet med bygging av GeoPP. Den første av dem, som fortsatt opererer Pauzhetskaya og Paratunskaya stasjoner, ble bygget i 1965-1967, mens Paratunskaya GeoPP med en kapasitet på 600 kW ble den første stasjonen i verden med en binær syklus. Dette var utviklingen av sovjetiske forskere S.S.Kutateladze og AM Rosenfeld fra Institute of Thermophysics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, som i 1965 mottok et forfatterbevis for utvinning av elektrisitet fra vann med en temperatur på 70 ° C. Denne teknologien ble senere en prototype for mer enn 400 binære GeoPP -er i verden.

Kapasiteten til Pauzhetskaya GeoPP, som ble tatt i bruk i 1966, var opprinnelig 5 MW og deretter økt til 12 MW. For tiden er en binær blokk under bygging på stasjonen, som vil øke kapasiteten med ytterligere 2,5 MW.

Utviklingen av geotermisk energi i Sovjetunionen og Russland ble hemmet av tilgjengeligheten av tradisjonelle energibærere - olje, gass, kull, men stoppet aldri. De største geotermiske anleggene for øyeblikket er Verkhne-Mutnovskaya GeoPP med en total kapasitet på 12 MW kraftenheter, tatt i bruk i 1999, og Mutnovskaya GeoPP med en kapasitet på 50 MW (2002).

Mutnovskaya og Verkhne-Mutnovskaya GeoPP er unike objekter ikke bare for Russland, men også på global skala. Stasjonene ligger ved foten av Mutnovsky-vulkanen, i en høyde av 800 meter over havet, og opererer under ekstreme klimatiske forhold, hvor det er vinter 9-10 måneder i året. Utstyret til Mutnovsky GeoPP -er, for tiden et av de mest moderne i verden, er fullstendig opprettet hos innenlandske kraftverkstekniske virksomheter.

For tiden er andelen av Mutnovskie -anlegg i den totale strukturen av energiforbruk i Central Kamchatka energiknutepunkt 40%. Det er planlagt en kapasitetsøkning i årene som kommer.

Hver for seg skal det sies om russisk petrotermisk utvikling. Vi har ikke store DSP -er ennå, men det er avansert teknologi for boring til store dybder (ca. 10 km), som heller ikke har noen analoger i verden. Deres videre utvikling vil gjøre det mulig å drastisk redusere kostnadene ved å lage petrotermiske systemer. Utviklerne av disse teknologiene og prosjektene er N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geological Institute, RAS), A. S. Nekrasov (Institute of Economic Forecasting, RAS) og spesialister fra Kaluga Turbine Works. Prosjektet for et petrotermisk sirkulasjonssystem i Russland er for tiden på et eksperimentelt stadium.

Det er utsikter for geotermisk energi i Russland, om enn relativt fjernt: for øyeblikket er potensialet ganske stort og posisjonene til tradisjonell energi er sterke. Samtidig, i en rekke avsidesliggende regioner i landet, er bruk av geotermisk økonomisk lønnsomt og er etterspurt nå. Dette er territorier med høyt geoenergetisk potensial (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - den russiske delen av Stillehavet "Jordens brannbelt", fjellene i Sør -Sibir og Kaukasus) og samtidig fjerntliggende og avskåret fra den sentraliserte energiforsyningen.

Sannsynligvis vil geotermisk energi i landet vårt i de kommende tiårene utvikle seg nettopp i slike regioner.

DEM. Kapitonov

Kjernefysisk varme fra jorden

Jordisk varme

Jorden er en ganske varm kropp og er en kilde til varme. Det varmes opp først og fremst på grunn av absorbert solstråling. Men Jorden har også sin egen varmekilde som kan sammenlignes med varmen som mottas fra solen. Det antas at denne selvenergien til jorden har følgende opprinnelse. Jorden dukket opp for rundt 4,5 milliarder år siden etter solens dannelse fra en protoplanetarisk gassstøvskive som roterte rundt den og kondenserte. På det tidlige stadiet av dannelsen ble det terrestriske stoffet oppvarmet på grunn av den relativt langsomme gravitasjonskomprimeringen. En viktig rolle i jordens termiske balanse ble også spilt av energien som ble frigitt da små kosmiske kropper falt på den. Derfor var den unge jorden smeltet. Avkjølingen kom gradvis til sin nåværende tilstand med en solid overflate, hvorav en betydelig del er dekket av hav og sjøvann. Dette harde ytre laget kalles skorpe og i gjennomsnitt, på landområder, er dens tykkelse omtrent 40 km, og under havvann - 5-10 km. Det dypere laget av jorden, kalt mantel, består også av et solid. Den strekker seg til en dybde på nesten 3000 km og inneholder hoveddelen av jordens materiale. Til slutt er den innerste delen av Jorden henne kjerne... Den består av to lag - eksternt og internt. Ytre kjerne det er et lag av smeltet jern og nikkel ved en temperatur på 4500-6500 K og en tykkelse på 2000-2500 km. Indre kjerne med en radius på 1000-1500 km er en hard jern-nikkel legering oppvarmet til en temperatur på 4000-5000 K med en tetthet på ca 14 g / cm 3, som oppsto ved et stort (nesten 4 millioner bar) trykk.
I tillegg til jordens indre varme, arvet fra det tidligste varme stadiet av dannelsen, og mengden som bør avta over tid, er det en annen, langsiktig, assosiert med radioaktivt forfall av kjerner med lang halveringstid - først og fremst 232 Th, 235 U, 238 U og 40 K. Energien som frigjøres i disse forfallene - de står for nesten 99% av jordens radioaktive energi - fyller stadig opp jordens termiske reserver. De nevnte kjernene finnes i skorpen og mantelen. Forfallet deres fører til oppvarming av både de ytre og indre lagene på jorden.
En del av den enorme varmen som finnes på jorden kommer stadig ut til overflaten, ofte i vulkaniske prosesser i stor skala. Varmestrømmen som strømmer fra jordens dyp gjennom overflaten er kjent. Det er (47 ± 2) · 10 12 watt, som tilsvarer varmen som 50 tusen atomkraftverk kan generere (gjennomsnittlig effekt på ett atomkraftverk er omtrent 10 9 watt). Spørsmålet oppstår om radioaktiv energi spiller noen vesentlig rolle i det totale termiske budsjettet til jorden, og hvis det gjør det, hvilken rolle? Svaret på disse spørsmålene forble ukjent i lang tid. Det har nå dukket opp muligheter for å svare på disse spørsmålene. Nøkkelrollen her tilhører nøytrinoer (antineutrinoer), som er født i prosessene med radioaktivt forfall av kjerner som utgjør jordens stoff og som kalles geo-nøytrino.

Geo-nøytrino

Geo-nøytrino- Dette er samlingsnavnet for nøytrinoer eller antineutrinoer, som slippes ut som følge av beta -forfall av kjerner som ligger under jordoverflaten. På grunn av deres enestående penetreringsevne kan registrering av dem (og bare dem) av bakkebaserte nøytrindetektorer gi objektiv informasjon om prosessene for radioaktivt forfall som foregår dypt inne i jorden. Et eksempel på et slikt forfall er β --forfallet i 228 Ra -kjernen, som er et produkt av α -forfallet til den langlivede 232 Th -kjernen (se tabell):

Halveringstiden (T 1/2) for 228 Ra-kjernen er 5,75 år, frigjort energi er omtrent 46 keV. Energispektret til antineutrino er kontinuerlig med den øvre grensen nær frigjort energi.
Forfall av 232 Th, 235 U, 238 U kjerner er kjeder av påfølgende forfall som danner de såkalte radioaktive rekker... I slike kjeder blir α-henfall ispedd β--fall, siden under α-forfall de siste kjernene forskyves fra β-stabilitetslinjen til regionen av kjerner overbelastet med nøytroner. Etter en kjede med påfølgende forfall på slutten av hver rad, dannes stabile kjerner med et tett eller like magisk antall protoner og nøytroner (Z = 82,N= 126). Slike endelige kjerner er stabile isotoper av bly eller vismut. Således ender forfallet av T 1/2 med dannelsen av en dobbelt magisk 208 Pb -kjerne, og på banen 232 Th → 208 Pb forekommer seks α -henfall, vekslende med fire β --fall (i kjeden 238 U → 206 Pb, åtte α- og seks β - - forfall; i 235 U → 207 Pb -kjeden er det syv α og fire β - forfall). Dermed er energispekteret til antineutrinoer fra hver radioaktive serie en superposisjon av delvis spektra fra individuelle β - forfall som utgjør denne serien. Spektrene til antineutrinoer dannet i forfallene 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K er vist på fig. 1. Forfallet på 40 K er et enkelt β - forfall (se tabell). Antineutrinos når den høyeste energien (opptil 3,26 MeV) i forfallet
214 Bi → 214 Po, som er en lenke i 238 U radioaktive serier. Den totale energien som frigjøres under passasjen av alle forfallskoblinger i 232 Th → 208 Pb -serien er 42,65 MeV. For den radioaktive serien 235 U og 238 U er disse energiene henholdsvis 46,39 og 51,69 MeV. Energi frigjøres i forfall
40 K → 40 Ca, er 1,31 MeV.

Kjennetegn ved 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K kjerner

Kjerne	Andel i% i miksen isotoper	Antall kjerner forteller. kjerner Si	T 1/2, milliarder år	Første lenker forfall
232 Th	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6,48 · 10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40 K	0.0117	0.440	1.25

Et estimat av geo -nøytrino -fluksen på grunnlag av forfallet til 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K kjerner som finnes i jordens materie, fører til en verdi i størrelsesorden 10 6 cm -2 sec -1. Ved å registrere disse geo-nøytrinoene kan man få informasjon om radioaktiv varms rolle i jordens totale varmebalanse og sjekke våre ideer om innholdet i langlivede radioisotoper i sammensetningen av jordens materie.

Ris. 1. Energispektre til antineutrinoer fra kjernefysisk forfall

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, normalisert til ett forfall av overordnet kjerne

For å registrere elektroniske antineutrinos brukes reaksjonen

P → e + + n, (1)

der denne partikkelen faktisk ble oppdaget. Terskelen for denne reaksjonen er 1,8 MeV. Derfor kan bare geo-nøytrinoer dannet i forfallskjeder som starter fra 232 Th og 238 U kjerner registreres i reaksjonen ovenfor. Det effektive tverrsnittet av den diskuterte reaksjonen er ekstremt lite: σ ≈ 10-43 cm 2. Derfor følger det at en nøytrindetektor med et følsomt volum på 1 m 3 ikke vil registrere mer enn noen få hendelser per år. Det er åpenbart nødvendig for pålitelig fiksering av geo-nøytrino-strømninger, store nøytrindetektorer i store volumer som er plassert i underjordiske laboratorier for maksimal beskyttelse mot bakgrunnen. Ideen om å bruke detektorer designet for å studere sol- og reaktornøytrinoer for registrering av geo-nøytrinoer oppsto i 1998. For tiden er det to nøytrino-detektorer med stort volum som bruker en væskescintillator og egnet for å løse dette problemet. Dette er nøytrino -detektorer fra KamLAND (Japan) og Borexino (Italia) eksperimentene. Nedenfor ser vi på enheten til Borexino-detektoren og resultatene som ble oppnådd på denne detektoren for registrering av geo-nøytrinoer.

Borexino detektor og geo-nøytrino registrering

Borexino -neutrino -detektoren ligger i sentrale Italia i et underjordisk laboratorium under Gran Sasso -fjellkjeden, hvis fjelltopper når 2,9 km (fig. 2).

Ris. 2. Oppsett av nøytrino -laboratoriet under Gran Sasso -fjellkjeden (sentrale Italia)

Borexino er en usegmentert massiv detektor, hvis aktive medium er
280 tonn organisk væskescintillator. Den fylte et sfærisk nylonkar 8,5 m i diameter (fig. 3). Scintillatoren er pseudokumen (C9H12) med et spektrumskiftende PPO-tilsetningsstoff (1,5 g / L). Lyset fra scintillatoren samles opp av 2212 åtte-tommers fotomultiplikatorrør (PMT) montert på en sfære av rustfritt stål (SNS).

Ris. 3. Diagram over Borexino -detektorenheten

Et nylonkar med pseudokumen er en intern detektor hvis oppgave er å registrere nøytrinoer (antineutrinoer). Den interne detektoren er omgitt av to konsentriske buffersoner som beskytter den mot ytre gammastråler og nøytroner. Den indre sonen er fylt med et ikke-scintillasjonsmedium bestående av 900 tonn pseudokumen med scintillasjon som slokker dimetylftalatadditiver. Den ytre sonen ligger på toppen av SNS og er en vannet Cherenkov -detektor som inneholder 2000 tonn ultrarent vann og kutter av signaler fra muoner som kommer inn i installasjonen utenfra. For hver interaksjon som finner sted i den interne detektoren, bestemmes energi og tid. Kalibrering av detektoren ved hjelp av forskjellige radioaktive kilder gjorde det mulig å nøyaktig bestemme dens energiskala og graden av reproduserbarhet av lyssignalet.
Borexino er en detektor med meget høy strålerens. Alle materialer er valgt grundig og scintillatoren er renset for å minimere intern bakgrunn. På grunn av sin høye strålingsrenhet er Borexino en utmerket detektor for å oppdage antineutrinoer.
I reaksjon (1) gir positronet et øyeblikkelig signal, som etter en stund blir fulgt av fangst av et nøytron med en hydrogenkjerne, noe som fører til utseendet av en γ-kvante med en energi på 2,22 MeV, som skaper en signal forsinket i forhold til det første. På Borexino er nøytronfangstiden omtrent 260 μs. Øyeblikkelige og forsinkede signaler er korrelert i rom og tid, noe som gir nøyaktig gjenkjenning av hendelsen forårsaket av e.
Terskelen for reaksjon (1) er 1,806 MeV, og som det fremgår av fig. 1 viser alle geo-nøytrinoer fra forfall på 40 K og 235 U seg å være under denne terskelen, og bare en del av geo-nøytrinoer produsert ved forfall på 232 Th og 238 U kan detekteres.
Borexino-detektoren oppdaget først signaler fra geo-nøytrinoer i 2010, og nye resultater har nylig blitt publisert basert på observasjoner over 2056 dager fra desember 2007 til mars 2015. Nedenfor presenterer vi innhentede data og resultatene av deres diskusjon, basert på artikkel.
Som et resultat av analysen av eksperimentelle data ble 77 kandidater for elektronantineutrinoer identifisert som passerte alle utvalgskriteriene. Bakgrunnen fra hendelser som etterligner e ble estimert av verdien. Dermed var signal-til-bakgrunnsforholdet ≈100.
Reaktorantineutrinoer var hovedkilden til bakgrunnen. For Borexino var situasjonen ganske gunstig, siden det ikke er atomreaktorer i nærheten av Gran Sasso -laboratoriet. I tillegg er reaktorantineutrinoer mer energiske enn geo-nøytrinoer, noe som gjorde det mulig å skille disse antineutrinoene fra positronet i signalstørrelse. Resultatene av analysen av bidragene til geo-nøytrinoer og reaktorantineutrinoer til det totale antallet registrerte hendelser fra e er vist på fig. 4. Antall påviste geo-nøytrinoer gitt av denne analysen (i figur 4 tilsvarer de det mørkede området) er lik ... I geo -nøytrinospekteret som ble ekstrahert som et resultat av analysen, er to grupper synlige - mindre energisk, mer intens og mer energisk, mindre intens. Forfatterne av den beskrevne studien knytter disse gruppene til henfall av henholdsvis thorium og uran.
Den diskuterte analysen brukte forholdet mellom massene av thorium og uran i jordens materiale
m (Th) / m (U) = 3,9 (i tabellen er denne verdien ≈3,8). Denne figuren gjenspeiler det relative innholdet i disse kjemiske elementene i kondritter - den vanligste meteorittgruppen (mer enn 90% av meteorittene som har falt til jorden tilhører denne gruppen). Det antas at sammensetningen av kondritter, med unntak av lette gasser (hydrogen og helium), gjentar sammensetningen av solsystemet og den protoplanetære skiven som jorden ble dannet fra.

Ris. 4. Lysspektrum fra positroner i enheter av antall fotoelektroner for kandidatantineutrinohendelser (eksperimentelle punkter). Det skyggelagte området er bidraget fra geo-nøytrinoer. Den faste linjen er bidraget fra reaktorantineutrinoer.

2. Jordens termiske regime

Jorden er et kaldt rom. Overflatetemperaturen avhenger hovedsakelig av ekstern varme. 95% av varmen i jordens øvre lag er utvendig (sol) varm, og bare 5% varm innvendig , som kommer fra jordens tarm og inkluderer flere energikilder. I jordens indre øker temperaturen med dybden fra 1300 o C (i den øvre mantelen) til 3700 o C (i midten av kjernen).

Ekstern varme... Varme kommer til overflaten av jorden hovedsakelig fra solen. Hver kvadratcentimeter overflate mottar ca 2 kalorier varme på ett minutt. Denne mengden kalles solkonstant og bestemmer den totale mengden varme som tilføres jorden fra solen. For et år utgjør det 2,26 · 10 21 kalorier. Dybden av inntrengning av solvarme til jordens tarm avhenger hovedsakelig av mengden varme som faller på en enhet av overflateareal og av bergets varmeledningsevne. Den maksimale dybden som ekstern varme trenger inn til er 200 m i havene, og omtrent 40 m på land.

Innvendig varme... Med dybden er det en økning i temperaturen, som skjer veldig ujevnt i forskjellige territorier. En temperaturøkning følger en adiabatisk lov og avhenger av komprimering av et stoff under trykk når varmeutveksling med miljøet er umulig.

De viktigste varmekildene inne i jorden:

Varmen som frigjøres under det radioaktive forfallet av grunnstoffene.

Restvarme, bevart fra tidspunktet for dannelsen av jorden.

Gravitasjonsvarme som frigjøres under komprimering av jorden og fordelingen av materie etter tetthet.

Varme generert av kjemiske reaksjoner i dypet av jordskorpen.

Varme som frigjøres ved tidevannsfriksjon av jorden.

Det er 3 temperatursoner:

JEG - variabel temperatursone ... Endringen i temperatur bestemmes av det lokale klimaet. Daglige svingninger demper praktisk talt på en dybde på omtrent 1,5 m, og årlige svingninger på 20 ... 30 m dyp Ia - frysesone.

II - konstant temperatursone ligger på 15 ... 40 m dyp, avhengig av regionen.

III - temperaturstigningssone .

Temperaturregimet til bergarter i jordskorpenes tarmer uttrykkes vanligvis med en geotermisk gradient og et geotermisk trinn.

Mengden temperaturstigning for hver 100 m dybde kalles geotermisk gradient... I Afrika, ved Witwatersrand -feltet, er det 1,5 ° C, i Japan (Echigo) - 2,9 ° C, i Sør -Australia - 10,9 ° C, i Kasakhstan (Samarinda) - 6,3 ° C, på Kolahalvøya - 0,65 ° C .

Ris. 3. Temperaturzoner i jordskorpen: I - sone med variable temperaturer, Iа - frysesone; II - sone med konstante temperaturer; III - sone med temperaturstigning.

Dybden som temperaturen stiger med 1 grad kalles geotermisk trinn. De numeriske verdiene til det geotermiske trinnet er ikke konstant, ikke bare på forskjellige breddegrader, men også på forskjellige dybder av det samme punktet i regionen. Størrelsen på det geotermiske trinnet varierer fra 1,5 til 250 m. I Arkhangelsk er det 10 m, i Moskva - 38,4 m, og i Pyatigorsk - 1,5 m. Den teoretisk gjennomsnittlige verdien av dette trinnet er 33 m.

I en brønn boret i Moskva til en dybde på 1630 m var bunnhullstemperaturen 41 ° C, og i en gruve boret i Donbass til en dybde på 1545 m var temperaturen 56,3 ° C. Den høyeste temperaturen ble registrert i USA i et borehull med en dybde på 7136 m, der den er lik 224 ° C. Økningen i temperatur med dybde bør tas i betraktning ved utforming av dype konstruksjoner. Ifølge beregninger bør temperaturen på 400 km nå 1400 ... 1700 ° C. De høyeste temperaturene (ca. 5000 ° C) ble oppnådd for jordens kjerne.

Denne energien tilhører alternative kilder. I dag snakker flere og flere mennesker om mulighetene for å skaffe ressurser som planeten gir oss. Vi kan si at vi lever i en epoke med fornybar energi. Mange tekniske løsninger, planer, teorier blir til på dette området.

Den ligger dypt inne i jordens tarm og har egenskapene til fornyelse, med andre ord, den er uendelig. Klassiske ressurser, ifølge forskere, begynner å gå tom, olje, kull og gass vil tørke opp.

Nesiavellir geotermiske kraftverk, Island

Derfor kan man gradvis forberede seg på å ta i bruk nye alternative metoder for energiproduksjon. Det er en kraftig kjerne under jordskorpen. Temperaturen varierer fra 3000 til 6000 grader. Bevegelsen av litosfæriske plater viser dens enorme kraft. Det manifesterer seg i form av vulkansk utbrudd av magma. I dypet oppstår radioaktivt forfall, noen ganger forårsaker slike naturkatastrofer.

Vanligvis varmer magma overflaten uten å forlate den. Slik lages geysirer eller varme vannbasseng. Dermed er det mulig å bruke fysiske prosesser til de nødvendige formålene for menneskeheten.

Typer kilder til geotermisk energi

Det er vanligvis delt inn i to typer: hydrotermisk og petrotermisk energi. Den første dannes på grunn av varme kilder, og den andre typen er temperaturforskjellen på overflaten og i jordens dyp. Forklar med dine egne ord, den hydrotermiske kilden består av damp og varmt vann, mens den petrotermiske er gjemt dypt under bakken.

Kart over potensialet for utvikling av geotermisk energi i verden

For petrotermisk energi er det nødvendig å bore to brønner, fylle en med vann, hvoretter en svevende prosess vil finne sted, som kommer til overflaten. Det er tre klasser av geotermiske områder:

• Geotermisk - ligger nær de kontinentale platene. Temperaturgradient over 80C / km. Som et eksempel, den italienske kommunen Larderello. Kraftverket ligger der
• Semitermisk - temperatur 40 - 80 C / km. Dette er naturlige akviferer som består av brudd i bergarter. Noen steder i Frankrike blir bygninger oppvarmet på denne måten.
• Normal - stigning mindre enn 40 C / km. Representasjon av slike områder er mest vanlig

De er en utmerket kilde til forbruk. De finnes i berget på en viss dybde. La oss se nærmere på klassifiseringen:

• Epitermal - temperatur fra 50 til 90 s
• Mesotermisk - 100 - 120 s
• Hypotermisk - mer enn 200 sekunder

Disse artene har forskjellige kjemiske sammensetninger. Avhengig av det, kan du bruke vannet til forskjellige formål. For eksempel i produksjon av elektrisitet, varmeforsyning (oppvarmingsveier), råvarebase.

Video: Geotermisk energi

Varmeforsyningsprosess

Vanntemperaturen er 50 -60 grader, noe som er optimalt for oppvarming og varmforsyning av et boligområde. Behovet for varmesystemer avhenger av den geografiske plasseringen og klimatiske forhold. Og folk trenger stadig varmtvannsforsyning. For denne prosessen bygges GTS (geotermiske termiske kraftverk).

Hvis det brukes en kjelehus for den klassiske produksjonen av termisk energi som bruker fast eller gassdrivstoff, så brukes en geyserkilde i denne produksjonen. Den tekniske prosessen er veldig enkel, samme kommunikasjon, oppvarmingsveier og utstyr. Det er nok å bore en brønn, rense den for gasser, deretter pumpe den til fyrrommet, der temperaturplanen vil opprettholdes, og deretter vil den gå inn i varmeanlegget.

Hovedforskjellen er at det ikke er behov for å bruke drivstoffkjel. Dette reduserer kostnadene for varmeenergi betydelig. Om vinteren mottar abonnenter varme- og varmtvannsforsyning, og om sommeren bare varmtvannsforsyning.

Kraftproduksjon

Varme kilder, geysirer er hovedkomponentene i produksjon av elektrisitet. For dette brukes flere ordninger, spesielle kraftverk bygges. GTS -enhet:

• Varmtvannstank
• Pumpe
• Gassutskiller
• Dampskiller
• Genererer turbin
• Kondensator
• Forsterkerpumpe
• Tank - kjøligere

Som du kan se, er hovedelementet i kretsen en dampomformer. Dette gjør det mulig å skaffe renset damp, siden den inneholder syrer som ødelegger turbinutstyret. Det er en mulighet for å bruke et blandet opplegg i den teknologiske syklusen, det vil si at vann og damp er involvert i prosessen. Væsken går gjennom hele rensetrinnet fra gasser, så vel som damp.

Binær kildekrets

Arbeidskomponenten er en væske med lavt kokepunkt. Termisk vann er også involvert i produksjon av elektrisitet og fungerer som et sekundært råmateriale.

Med sin hjelp dannes damp fra en lavkokende kilde. GTS med en slik driftssyklus kan være fullt automatisert og krever ikke vedlikeholdspersonell. Kraftigere stasjoner bruker et tokretsopplegg. Denne typen kraftverk tillater å nå en kapasitet på 10 MW. Dobbelkretsstruktur:

• Damp-generator
• Turbin
• Kondensator
• Ejektor
• Fôrpumpe
• Economizer
• Fordamper

Praktisk bruk

De enorme kildereservene er mange ganger større enn det årlige energiforbruket. Men bare en liten brøkdel brukes av menneskeheten. Byggingen av stasjonene er datert 1916. Det første geotermiske kraftverket med en kapasitet på 7,5 MW ble opprettet i Italia. Industrien utvikler seg aktivt i land som: USA, Island, Japan, Filippinene, Italia.

Aktiv leting etter potensielle steder og mer praktiske gruvemetoder er i gang. Produksjonskapasiteten vokser fra år til år. Hvis vi tar hensyn til den økonomiske indikatoren, er kostnaden for en slik industri lik kullkraftverkene. Island dekker nesten helt verktøyene og boligmassen til GT -kilden. 80% av husene bruker varmt vann fra brønner til oppvarming. Eksperter fra USA hevder at med riktig utvikling kan geotermiske kraftverk produsere 30 ganger mer årlig forbruk. Hvis vi snakker om potensialet, vil 39 land i verden helt kunne forsyne seg med elektrisitet hvis de bruker 100 prosent av jordens tarm.

For Russland kan energien fra jordens varme bli en permanent, pålitelig kilde for å tilby billig og rimelig elektrisitet og varme ved hjelp av nye høye, miljøvennlige teknologier for utvinning og levering til forbrukeren. Dette gjelder spesielt i dag.

Begrensede ressurser av fossile energiråvarer

Etterspørselen etter organiske energiråvarer er stor i industrielt utviklede og utviklingsland (USA, Japan, delstatene i det forente Europa, Kina, India, etc.). Samtidig er deres egne hydrokarbonressurser i disse landene enten utilstrekkelige eller reserverte, og et land, for eksempel USA, kjøper energiråvarer i utlandet eller utvikler forekomster i andre land.

I Russland, et av de rikeste landene når det gjelder energiressurser, er de økonomiske behovene for energi fortsatt tilfredsstilt av mulighetene for å bruke naturressurser. Utvinningen av fossile hydrokarboner fra undergrunnen foregår imidlertid i et veldig raskt tempo. Hvis i 1940-1960-årene. De viktigste oljeproduserende regionene var "Second Baku" i Volga og Ural-regionene, og fra 1970-tallet og frem til i dag er et slikt område Vest-Sibir. Men også her er det en betydelig nedgang i produksjonen av fossile hydrokarboner. Tiden med "tørr" cenomansk gass går bort. Den forrige fasen av omfattende utvikling av naturgassproduksjon har kommet til en slutt. Utvinningen fra slike gigantiske forekomster som Medvezhye, Urengoyskoye og Yamburgskoye utgjorde henholdsvis 84, 65 og 50%. Andelen oljereserver som er gunstige for utvikling, synker også over tid.

På grunn av det aktive forbruket av hydrokarbonbrensel har olje- og naturgassreserver på land redusert betydelig. Nå er hovedreservene konsentrert om kontinentalsokkelen. Og selv om ressursgrunnlaget for olje- og gassindustrien fortsatt er tilstrekkelig for produksjon av olje og gass i Russland i de nødvendige volumene, vil det i nær fremtid bli gitt i stadig større grad gjennom utvikling av felt med vanskelig gruvedrift og geologiske forhold. Kostnaden for produksjon av hydrokarbonråvarer vil fortsette å vokse.

De fleste av de ikke-fornybare ressursene som utvinnes fra undergrunnen, brukes som drivstoff for kraftverk. Først av alt er det andelen i drivstoffstrukturen som er 64%.

I Russland genereres 70% av elektrisiteten ved termiske kraftverk. Energibedrifter i landet brenner omtrent 500 millioner tonn drivstoffekvivalenter årlig. t. for å generere elektrisitet og varme, mens for varmeproduksjon forbrukes hydrokarbondrivstoff 3-4 ganger mer enn for å generere elektrisitet.

Mengden varme som oppnås ved forbrenning av disse volumene av hydrokarbonråvarer tilsvarer bruk av hundrevis av tonn kjernebrensel - forskjellen er enorm. Atomkraft krever imidlertid miljøsikkerhet (for å utelukke tilbakefall av Tsjernobyl) og dens beskyttelse mot mulige terrorangrep, samt implementering av sikker og kostbar avvikling av utdaterte og utdaterte NPP -kraftenheter. De påviste utvinnbare uranreservene i verden er omtrent 3 millioner 400 tusen tonn. For hele forrige periode (frem til 2007) ble det utvunnet om lag 2 millioner tonn.

RES som fremtiden for verdens energi

Interessen for alternative fornybare energikilder (RES) som har vokst de siste tiårene i verden, skyldes ikke bare tømmingen av hydrokarbonbrenselreserver, men også behovet for å løse miljøproblemer. Objektive faktorer (reserver av fossilt brensel og uran, samt miljøendringer knyttet til bruk av tradisjonell brann og kjernekraft) og trender i utviklingen av energi lar oss slå fast at overgangen til nye metoder og former for energiproduksjon er uunngåelig . Allerede i første halvdel av XXI århundre. det vil være en fullstendig eller nesten fullstendig overgang til ukonvensjonelle energikilder.

Jo før et gjennombrudd blir gjort i denne retningen, jo mindre smertefullt vil det være for hele samfunnet og desto mer fordelaktig for landet der avgjørende skritt vil bli tatt i denne retningen.

Verdensøkonomien har nå tatt et kurs mot en overgang til en rasjonell kombinasjon av tradisjonelle og nye energikilder. I 2000 utgjorde energiforbruket i verden mer enn 18 milliarder tonn drivstoffekvivalenter. tonn, og energiforbruket innen 2025 kan øke til 30–38 milliarder tonn drivstoffekvivalenter. t., ifølge prognosedata, innen 2050 er forbruk på 60 milliarder tonn mulig. m. En karakteristisk tendens i utviklingen av verdensøkonomien i rapporteringsperioden er en systematisk nedgang i forbruket av fossilt brensel og en tilsvarende økning i bruken av ikke-tradisjonelle energiressurser. Jordens varmeenergi tar en av de første plassene blant dem.

For tiden har energidepartementet i Den russiske føderasjon vedtatt et program for utvikling av ikke-tradisjonell energi, inkludert 30 store prosjekter for bruk av varmepumpeenheter (HPU), hvis prinsipp er basert på forbruket av lav -gradere termisk energi på jorden.

Jordvarmeenergi og varmepumper av lav kvalitet

Kilder til lavpotensiell energi fra jordens varme er solstråling og termisk stråling fra de oppvarmede tarmene på planeten vår. For tiden er bruk av slik energi et av de mest dynamisk utviklende energiområdene basert på fornybare energikilder.

Jordens varme kan brukes i forskjellige typer bygninger og strukturer for oppvarming, varmtvannsforsyning, klimaanlegg (kjøling), samt til oppvarmingsbaner i vintersesongen, forhindring av ising, varmefelt på åpne stadioner, etc. utnytte jordens varme i varmeforsyning og klimaanlegg er betegnet som GHP - "geotermiske varmepumper" (geotermiske varmepumper). De klimatiske egenskapene til landene i Sentral- og Nord-Europa, som sammen med USA og Canada er hovedregionene for bruk av jordens lavpotensialvarme, bestemmer dette hovedsakelig for oppvarmingsformål; kjøling av luften selv om sommeren er relativt sjelden. Derfor, i motsetning til USA, fungerer varmepumper i europeiske land hovedsakelig i varmemodus. I USA brukes de oftere i luftvarmeanlegg kombinert med ventilasjon, som tillater både oppvarming og avkjøling av uteluften. I europeiske land brukes varmepumper ofte i varmtvannssystemer. Siden effektiviteten øker med en reduksjon i temperaturforskjellen mellom fordamperen og kondensatoren, brukes gulvvarmesystemer ofte til å varme bygninger, der et kjølevæske sirkulerer ved en relativt lav temperatur (35–40 ° C).

Typer systemer for bruk av lavpotensialenergi fra jordens varme

Generelt kan to typer systemer for bruk av lavpotensialenergi fra jordens varme skilles:

- åpne systemer: grunnvann levert direkte til varmepumper brukes som kilde til lavkvalitets termisk energi;

- lukkede systemer: varmevekslere er plassert i jordmassen; når et kjølevæske med en senket temperatur i forhold til bakken sirkulerer gjennom dem, blir termisk energi "tatt" fra bakken og overført til varmepumpens fordamper (eller, når du bruker et kjølevæske med en forhøyet temperatur i forhold til bakken, blir den avkjølt ).

Ulempene med åpne systemer er at brønner krever vedlikehold. I tillegg er bruk av slike systemer ikke mulig på alle områder. Hovedkravene til jord og grunnvann er som følger:

- tilstrekkelig vanngjennomtrengelighet av jorda, slik at påfylling av vannforsyninger kan tillates;

- god kjemisk sammensetning av grunnvann (f.eks. lavt jerninnhold) for å unngå problemer knyttet til dannelse av avleiringer på rørveggene og korrosjon.

Lukkede systemer for bruk av lavpotensialenergi fra jordens varme

Lukkede systemer er horisontale og vertikale (figur 1).

Ris. 1. Diagram over en geotermisk varmepumpeanlegg med: a - horisontal

og b - vertikale jordvarmevekslere.

Horisontal grunnvarmeveksler

I landene i Vest- og Sentral -Europa er horisontale jordvarmevekslere vanligvis separate rør, lagt relativt tett og seriekoblede eller parallelle (fig. 2).

Ris. 2. Horisontale jordvarmevekslere med: a - seriell og

b - parallell tilkobling.

Forbedrede typer varmevekslere er utviklet for å spare området i området hvor varmen fjernes, for eksempel varmevekslere i form av en spiral (fig. 3), plassert horisontalt eller vertikalt. Denne formen for varmeveksler er vanlig i USA.