Toplina Zemlje. geotermalna energija
Ova energija pripada alternativnim izvorima. Danas se sve češće spominju mogućnosti pribavljanja resursa koje nam planeta pruža. Možemo reći da živimo u eri mode za obnovljivu energiju. Stvara se puno tehničkih rješenja, planova, teorija u ovoj oblasti.
Duboko je u utrobi zemlje i ima svojstva obnavljanja, drugim riječima, beskrajan je. Klasični resursi, prema naučnicima, počinju da nestaju, nestaće nafta, ugalj, gas.
Geotermalna elektrana Nesjavellir, Island
Stoga se može postepeno pripremati za usvajanje novih alternativnih metoda proizvodnje energije. Ispod zemljine kore nalazi se moćno jezgro. Temperatura mu se kreće od 3000 do 6000 stepeni. Kretanje litosferskih ploča pokazuje njegovu ogromnu snagu. Manifestira se u obliku vulkanskog prskanja magme. U dubinama dolazi do radioaktivnog raspadanja, što ponekad izaziva takve prirodne katastrofe.
Obično magma zagrijava površinu, a da ne ide dalje od nje. Tako se dobijaju gejziri ili topli bazeni vode. Na ovaj način se fizički procesi mogu koristiti u prave svrhe za čovječanstvo.
Vrste geotermalnih izvora energije
Obično se dijeli na dvije vrste: hidrotermalnu i petrotermalnu energiju. Prvi nastaje zbog toplih izvora, a drugi tip je temperaturna razlika na površini iu dubini zemlje. Svojim riječima, hidrotermalni izvor se sastoji od pare i tople vode, dok je petrotermalni izvor skriven duboko pod zemljom.
Karta razvojnog potencijala geotermalne energije u svijetu
Za petrotermalnu energiju potrebno je izbušiti dvije bušotine, jednu napuniti vodom, nakon čega će doći do procesa uzletanja koji će izaći na površinu. Postoje tri klase geotermalnih područja:
- Geotermalna - nalazi se u blizini kontinentalnih ploča. Temperaturni gradijent preko 80C/km. Na primjer, italijanska komuna Larderello. Postoji elektrana
- Polutermalno - temperatura 40 - 80 C/km. To su prirodni vodonosnici, koji se sastoje od zdrobljenih stijena. U nekim mjestima u Francuskoj zgrade se griju na ovaj način.
- Normalno - gradijent manji od 40 C/km. Zastupljenost takvih područja je najčešća
Odličan su izvor za konzumaciju. Oni su u stijeni, na određenoj dubini. Pogledajmo pobliže klasifikaciju:
- Epitermalna - temperatura od 50 do 90 s
- Mezotermno - 100 - 120 s
- Hipotermno - više od 200 s
Ove vrste se sastoje od različitog hemijskog sastava. Ovisno o tome, voda se može koristiti u različite svrhe. Na primjer, u proizvodnji električne energije, snabdijevanju toplinom (termalnim putem), sirovinskoj bazi.
Video: Geotermalna energija
Proces opskrbe toplinom
Temperatura vode je 50-60 stepeni, što je optimalno za grijanje i toplovod stambenog prostora. Potreba za sistemima grijanja ovisi o geografskom položaju i klimatskim uvjetima. A ljudima su stalno potrebne potrebe za opskrbom toplom vodom. Za ovaj proces se grade GTS (geotermalne termalne stanice).
Ako se za klasičnu proizvodnju toplinske energije koristi kotlovnica koja troši kruto ili plinsko gorivo, tada se u ovoj proizvodnji koristi izvor gejzira. Tehnički proces je vrlo jednostavan, iste komunikacije, termalne rute i oprema. Dovoljno je izbušiti bunar, očistiti ga od plinova, zatim ga poslati u kotlarnicu s pumpama, gdje će se održavati temperaturni raspored, a zatim će ući u toplovod.
Glavna razlika je u tome što nema potrebe za korištenjem kotla na gorivo. Ovo značajno smanjuje troškove toplotne energije. Zimi, pretplatnici dobijaju toplinu i toplu vodu, a ljeti samo toplu vodu.
Proizvodnja energije
Vrući izvori, gejziri su glavne komponente u proizvodnji električne energije. Za to se koristi nekoliko shema, grade se posebne elektrane. GTS uređaj:
- Spremnik PTV-a
- Pumpa
- Gasni separator
- Parni separator
- generirajuća turbina
- Kondenzator
- buster pump
- Rezervoar - hladnjak
Kao što vidite, glavni element kruga je parni pretvarač. To omogućava dobijanje pročišćene pare, jer sadrži kiseline koje uništavaju turbinsku opremu. U tehnološkom ciklusu moguće je koristiti mješovitu shemu, odnosno u proces su uključeni voda i para. Tečnost prolazi kroz čitavu fazu prečišćavanja od gasova, kao i od pare.
Kolo sa binarnim izvorom
Radna komponenta je tečnost sa niskom tačkom ključanja. Termalna voda je također uključena u proizvodnju električne energije i služi kao sekundarna sirovina.
Uz njegovu pomoć nastaje izvorna para niskog ključanja. GTS sa takvim ciklusom rada može biti potpuno automatizovan i ne zahteva prisustvo osoblja za održavanje. Jače stanice koriste shemu s dva kruga. Ova vrsta elektrane omogućava postizanje snage od 10 MW. Dvostruka struktura kola:
- generator pare
- Turbina
- Kondenzator
- Ejektor
- Pumpa za napajanje
- Economizer
- Isparivač
Praktična upotreba
Ogromne rezerve izvora višestruko su veće od godišnje potrošnje energije. Ali samo mali dio koristi čovječanstvo. Izgradnja stanica datira iz 1916. godine. U Italiji je stvorena prva GeoTPP kapaciteta 7,5 MW. Industrija se aktivno razvija u zemljama kao što su: SAD, Island, Japan, Filipini, Italija.
U toku su aktivno istraživanje potencijalnih lokacija i pogodnije metode vađenja. Kapacitet proizvodnje raste iz godine u godinu. Ako uzmemo u obzir ekonomski pokazatelj, onda je trošak takve industrije jednak termoelektranama na ugalj. Island gotovo u potpunosti pokriva komunalni i stambeni fond sa GT izvorom. 80% domova koristi toplu vodu iz bunara za grijanje. Stručnjaci iz SAD tvrde da, uz pravilan razvoj, GeoTPP mogu proizvesti 30 puta više od godišnje potrošnje. Ako govorimo o potencijalu, onda će 39 zemalja svijeta moći u potpunosti da se osigura električnom energijom ako do 100 posto iskoriste utrobu zemlje.
geotermalna energija- to je energija toplote koja se oslobađa iz unutrašnjih zona Zemlje tokom stotina miliona godina. Prema geološkim i geofizičkim istraživanjima, temperatura u Zemljinom jezgru dostiže 3.000-6.000 °C, postepeno opadajući u pravcu od centra planete do njene površine. Erupcija hiljada vulkana, kretanje blokova zemljine kore, potresi svjedoče o djelovanju moćne unutrašnje energije Zemlje. Naučnici vjeruju da je termalno polje naše planete posljedica radioaktivnog raspada u njenim dubinama, kao i gravitacijskog odvajanja materije jezgra.
Glavni izvori zagrevanja creva planete su uranijum, torijum i radioaktivni kalijum. Procesi radioaktivnog raspada na kontinentima odvijaju se uglavnom u granitnom sloju zemljine kore na dubini od 20-30 km ili više, u okeanima - u gornjem plaštu. Pretpostavlja se da je na dnu zemljine kore na dubini od 10-15 km vjerovatna vrijednost temperature na kontinentima 600-800 ° C, au okeanima - 150-200 ° C.
Čovjek može koristiti geotermalnu energiju samo tamo gdje se ona manifestuje blizu površine Zemlje, tj. u područjima vulkanske i seizmičke aktivnosti. Sada geotermalnu energiju efikasno koriste zemlje kao što su SAD, Italija, Island, Meksiko, Japan, Novi Zeland, Rusija, Filipini, Mađarska, Salvador. Ovdje se unutrašnja toplina zemlje diže do same površine u obliku tople vode i pare s temperaturom do 300°C i često izbija kao toplina šikljajućih izvora (gejzira), na primjer, poznatih gejzira. Jelouston parka u SAD, gejziri Kamčatke, Island.
Geotermalni izvori energije podijeljena na suhu toplu paru, mokru toplu paru i toplu vodu. Bunar, koji je važan izvor energije za električnu željeznicu u Italiji (blizu Larderella), pogoni se suhom toplom parom od 1904. godine. Druga dva poznata mjesta u svijetu sa vrućom suhom parom su polje Matsukawa u Japanu i polje gejzira u blizini San Francisca, gdje se geotermalna energija također efikasno koristi već duže vrijeme. Najviše od svega u svijetu vlažne vruće pare nalazi se na Novom Zelandu (Wairakei), geotermalnim poljima nešto manje snage - u Meksiku, Japanu, El Salvadoru, Nikaragvi, Rusiji.
Dakle, mogu se razlikovati četiri glavne vrste geotermalnih energetskih resursa:
površinska toplina zemlje koju koriste toplotne pumpe;
energetski resursi pare, tople i tople vode na površini zemlje, koji se danas koriste u proizvodnji električne energije;
toplota koncentrisana duboko ispod površine zemlje (možda u nedostatku vode);
energija magme i toplota koja se akumulira ispod vulkana.
Geotermalne rezerve toplote (~ 8 * 1030J) su 35 milijardi puta veće od godišnje globalne potrošnje energije. Samo 1% geotermalne energije zemljine kore (dubina od 10 km) može da obezbedi količinu energije koja je 500 puta veća od svih svetskih rezervi nafte i gasa. Međutim, danas se samo mali dio ovih resursa može iskoristiti, i to prvenstveno zbog ekonomskih razloga. Početak industrijskog razvoja geotermalnih resursa (energija tople duboke vode i pare) položen je 1916. godine, kada je u Italiji puštena u rad prva geotermalna elektrana snage 7,5 MW. Tokom proteklog vremena akumulirano je značajno iskustvo u oblasti praktičnog razvoja geotermalnih energetskih resursa. Ukupni instalirani kapacitet operativnih geotermalnih elektrana (GeoTPP) bio je: 1975. - 1.278 MW, 1990. godine - 7.300 MW. Sjedinjene Države, Filipini, Meksiko, Italija i Japan postigli su najveći napredak u ovom pitanju.
Tehnički i ekonomski parametri GeoTPP variraju u prilično širokom rasponu i zavise od geoloških karakteristika područja (dubina pojave, parametri radnog fluida, njegov sastav itd.). Za većinu puštenih u rad GeoTE, cijena električne energije je slična cijeni električne energije proizvedene u TE na ugalj i iznosi 1200...2000 američkih dolara/MW.
Na Islandu se 80% stambenih zgrada grije toplom vodom iz geotermalnih bunara ispod grada Reykjavika. U zapadnim Sjedinjenim Državama, oko 180 domova i farmi grije se geotermalnom toplom vodom. Prema procjenama stručnjaka, između 1993. i 2000. globalna proizvodnja električne energije iz geotermalne energije se više nego udvostručila. U Sjedinjenim Državama ima toliko rezervi geotermalne topline da bi ona teoretski mogla osigurati 30 puta više energije nego što država trenutno troši.
U budućnosti je moguće koristiti toplinu magme u onim područjima gdje se nalazi blizu površine Zemlje, kao i suhu toplinu zagrijanih kristalnih stijena. U potonjem slučaju, bunari se buše nekoliko kilometara, hladna voda se ispumpava, a topla se vraća nazad.
Glavni izvori toplotne energije Zemlje su [ , ]:
Do danas su kvantificirana samo prva četiri izvora. Kod nas glavna zasluga u tome pripada O.G. Sorokhtin i S.A. Ushakov. Podaci koji slijede uglavnom su zasnovani na proračunima ovih naučnika.
Toplina Zemljine gravitacione diferencijacije
Jedna od najvažnijih zakonitosti u razvoju Zemlje je diferencijaciju svoju suštinu, koja traje i sada. Ova diferencijacija rezultirala je formiranjem jezgro i koru, promjena u sastavu primarne haljine, dok je razdvajanje prvobitno homogene supstance na frakcije različite gustine praćeno oslobađanjem toplotnu energiju, a maksimalno oslobađanje topline nastaje kada se zemaljska materija podijeli na gusto i teško jezgro i rezidualni upaljač silikatna školjka zemaljski plašt. Trenutno se većina ove toplote proizvodi na granici plašt - jezgro.
Energije gravitacione diferencijacije Zemlje za cijelo vrijeme svog postojanja izdvajao se - 1,46 * 10 38 erg (1,46 * 10 31 J). Data energija uglavnom prvo ide u kinetička energija konvektivne struje materije plašta, a zatim u toplo; drugi dio se troši na dodatne kompresija zemljine unutrašnjosti, koji nastaje zbog koncentracije gustih faza u središnjem dijelu Zemlje. Od 1,46*10 38 erg energija Zemljine gravitacione diferencijacije otišla je na njenu dodatnu kompresiju 0,23*10 38 erg (0,23*10 31 J), te u obliku oslobođene topline 1,23*10 38 erg (1,23*10 31 J). Veličina ove termalne komponente značajno premašuje ukupno oslobađanje svih ostalih vrsta energije u Zemlji. Vremenska raspodjela ukupne vrijednosti i brzine oslobađanja toplinske komponente gravitacijske energije prikazana je na Sl. 3.6 .
Rice. 3.6.
Trenutni nivo proizvodnje toplote tokom gravitacione diferencijacije Zemlje - 3*10 20 erg/s (3*10 13W), što zavisi od vrednosti savremenog toplotnog fluksa koji prolazi kroz površinu planete u ( 4.2-4.3) * 10 20 erg/s ((4.2-4.3)*10 13W), je ~ 70%
.
radiogena toplota
Prouzrokovano radioaktivnim raspadom nestabilnog izotopi. Energetski najintenzivniji i dugovječniji ( sa vremenom poluraspada srazmjerno starosti Zemlje) su izotopi 238 U, 235 U, 232Th i 40K. Većina ih je koncentrisana u kontinentalne kore. Savremeni nivo generacije radiogena toplota:
- od strane američkog geofizičara V.Vakye - 1,14*10 20 erg/s (1,14*10 13W) ,
- prema ruskim geofizičarima O.G. Sorokhtin i S.A. Ushakov - 1,26*10 20 erg/s(1,26*10 13W) .
Od vrijednosti savremenog toplotnog toka, to je ~ 27-30%.
Od ukupne toplote radioaktivnog raspada u 1,26*10 20 erg/s (1,26*10 13W) u zemljinoj kori se ističe - 0,91*10 20 erg/s, a u mantiji - 0,35*10 20 erg/s. Iz ovoga proizilazi da udio radiogene topline plašta ne prelazi 10% ukupnih modernih toplotnih gubitaka Zemlje i ne može biti glavni izvor energije za aktivne tektono-magmatske procese čija dubina može doseći 2900 km. ; a radiogena toplota koja se oslobađa u kori relativno se brzo gubi kroz površinu zemlje i praktično ne učestvuje u zagrevanju duboke unutrašnjosti planete.
U prošlim geološkim epohama količina radiogene toplote koja se oslobađa u plaštu mora da je bila veća. Njegove procjene u vrijeme formiranja Zemlje ( prije 4,6 milijardi godina) dati - 6,95*10 20 erg/s. Od tog vremena dolazi do stalnog smanjenja brzine oslobađanja radiogene energije (Sl. 3.7 ).
Za sva vremena na Zemlji se isticao ~4,27*10 37 erg(4,27*10 30 J) toplotnu energiju radioaktivnog raspada, koja je skoro tri puta manja od ukupne vrijednosti toplote gravitacione diferencijacije.
Toplota plimnog trenja
Ističe se tokom gravitacione interakcije Zemlje, prvenstveno sa Mesecom, kao najbližim velikim kosmičkim telom. Zbog međusobne gravitacijske privlačnosti, u njihovim tijelima nastaju plimne deformacije - otok ili humps. Plimne grbe planeta svojom dodatnom privlačnošću utiču na njihovo kretanje. Dakle, privlačenje obje plimne grbe Zemlje stvara par sila koje djeluju i na samu Zemlju i na Mjesec. Međutim, utjecaj bliskog otoka okrenutog prema Mjesecu je nešto jači od uticaja udaljenog. Zbog činjenice da je ugaona brzina rotacije moderne Zemlje ( 7,27*10 -5 s -1) premašuje orbitalnu brzinu Mjeseca ( 2,66*10 -6 s -1), a tvar planeta nije idealno elastična, tada su plimne grbe Zemlje, takoreći, odnesene njenom rotacijom naprijed i primjetno su ispred kretanja Mjeseca. To dovodi do činjenice da se maksimalne plime Zemlje uvijek javljaju na njenoj površini nešto kasnije od trenutka vrhunac Mjesec, a na Zemlju i Mjesec djeluje dodatni moment sila (sl. 3.8 ) .
Apsolutne vrijednosti sila interakcije plime i oseke u sistemu Zemlja-Mjesec sada su relativno male i plimne deformacije litosfere uzrokovane njima mogu doseći samo nekoliko desetina centimetara, ali dovode do postepenog usporavanja Zemljinog kretanja. rotacije i, obrnuto, do ubrzanja orbitalnog kretanja Mjeseca i njegovog udaljavanja od Zemlje. Kinetička energija kretanja zemljinih plimnih grba pretvara se u toplotnu energiju zbog unutrašnjeg trenja materije u plimnim izbočinama.
Trenutno je stopa oslobađanja energije plime i oseke po G. McDonald je ~0,25*10 20 erg/s (0,25*10 13W), dok je njegov glavni dio (oko 2/3) vjerovatno raspršuje se(rasuti) u hidrosferi. Posljedično, dio energije plime i oseke uzrokovan interakcijom Zemlje sa Mjesecom i raspršen u čvrstoj Zemlji (prvenstveno u astenosferi) ne prelazi 2 %
ukupna toplotna energija proizvedena u njegovim dubinama; a udio solarne plime ne prelazi 20 %
od uticaja lunarnih plime. Stoga čvrste plime i oseke sada praktički ne igraju nikakvu ulogu u hranjenju tektonskih procesa energijom, ali u nekim slučajevima mogu djelovati kao "okidači", na primjer, potresi.
Veličina energije plime i oseke direktno je povezana s udaljenosti između svemirskih objekata. A ako udaljenost između Zemlje i Sunca ne pretpostavlja nikakve značajne promjene u geološkoj vremenskoj skali, onda je u sistemu Zemlja-Mjesec ovaj parametar varijabilan. Bez obzira na ideje o tome, gotovo svi istraživači priznaju da je u ranim fazama razvoja Zemlje udaljenost do Mjeseca bila znatno manja od moderne, dok se u procesu razvoja planeta, prema većini naučnika, postepeno povećava. , i prema Yu.N. Avsyuku ova udaljenost doživljava dugoročne promjene u obliku ciklusa "dolazak - odlazak" mjeseca. To implicira da je u prošlim geološkim epohama uloga plime i oseke u ukupnom toplotnom bilansu Zemlje bila značajnija. Općenito, za cijelo vrijeme razvoja Zemlje, istakla se ~3,3*10 37 erg (3,3*10 30 J) toplotna energija plime i oseke (ovo je podložno sukcesivnom uklanjanju Mjeseca sa Zemlje). Promjena u vremenu brzine oslobađanja ove topline prikazana je na Sl. 3.10 .
Više od polovine ukupne energije plime i oseke je oslobođeno katarchee (hellea)) - Prije 4,6-4,0 milijardi godina, a u to vrijeme, samo zahvaljujući ovoj energiji, Zemlja se mogla dodatno zagrijati za ~500 0 S. energetski intenzivni endogeni procesi .
akrecijska toplota
Ovo je toplina koju je Zemlja pohranila od svog nastanka. Tokom akrecije, koji je zbog sudara trajao nekoliko desetina miliona godina planetesimali Zemlja je doživjela značajno zagrijavanje. Istovremeno, ne postoji konsenzus o veličini ovog grijanja. Trenutno, istraživači su skloni vjerovati da je u procesu akrecije Zemlja doživjela, ako ne potpuno, onda značajno djelomično topljenje, što je dovelo do početne diferencijacije Proto-Zemlje u teško željezno jezgro i lagani silikatni omotač, a do formacije "okean magme" na njegovoj površini ili na malim dubinama. Iako se i prije 1990-ih smatrao praktički univerzalno priznatim model relativno hladne primarne Zemlje, koja se zbog navedenih procesa postepeno zagrijavala, praćena oslobađanjem značajne količine toplinske energije.
Tačna procjena primarne akrecione topline i njenog udjela koji je preživio do sada je povezana sa značajnim poteškoćama. By O.G. Sorokhtin i S.A. Ushakov, koji su pristalice relativno hladne primarne Zemlje, vrijednost akrecione energije pretvorene u toplinu je - 20,13*10 38 erg (20,13*10 31 J). Ova energija bi u odsustvu gubitka toplote bila dovoljna za potpuno isparavanje zemaljska materija, jer temperatura bi mogla porasti do 30 000 0 S. Ali proces akrecije bio je relativno dug, a energija planetezimalnih udara oslobađala se samo u pripovršinskim slojevima rastuće Zemlje i brzo se gubila toplinskim zračenjem, tako da početno zagrijavanje planete nije bilo veliko. Veličinu ovog toplotnog zračenja, koje ide paralelno sa formiranjem (akrecijom) Zemlje, navedeni autori procenjuju kao 19,4*10 38 erg (19,4*10 31 J)
.
U savremenom energetskom bilansu Zemlje, akrecijska toplota najvjerovatnije igra beznačajnu ulogu.
Doktor tehničkih nauka NA. Kunem se profesore,
Akademik Ruske akademije tehnoloških nauka, Moskva
Posljednjih decenija svijet razmišlja o pravcu efikasnijeg korištenja energije duboke topline Zemlje kako bi se djelimično zamijenili prirodni plin, nafta i ugalj. To će postati moguće ne samo u područjima s visokim geotermalnim parametrima, već iu bilo kojem dijelu svijeta kada se buše injekcione i proizvodne bušotine i stvaraju cirkulacijski sistemi između njih.
Povećano interesovanje za alternativne izvore energije u svijetu posljednjih decenija uzrokovano je iscrpljivanjem rezervi ugljikovodičnih goriva i potrebom rješavanja niza ekoloških problema. Objektivni faktori (zalihe fosilnih goriva i uranijuma, kao i promjene u okolišu uzrokovane tradicionalnim požarom i nuklearnom energijom) nam omogućavaju da tvrdimo da je prelazak na nove metode i oblike proizvodnje energije neizbježan.
Svjetska ekonomija trenutno ide ka prelasku na racionalnu kombinaciju tradicionalnih i novih izvora energije. Toplina Zemlje zauzima jedno od prvih mjesta među njima.
Geotermalni energetski resursi se dijele na hidrogeološke i petrogeotermalne. Prvi od njih predstavljaju nosioci toplote (koji čine samo 1% ukupnih geotermalnih energetskih resursa) - podzemne vode, para i mešavine pare i vode. Drugi su geotermalna energija sadržana u vrućim stijenama.
Tehnologija fontane (samoizlivanje) koja se koristi u našoj zemlji i inostranstvu za vađenje prirodne pare i geotermalnih voda je jednostavna, ali neefikasna. Uz mali protok samoprotočnih bunara, njihova proizvodnja topline može nadoknaditi troškove bušenja samo na maloj dubini geotermalnih rezervoara s visokim temperaturama u područjima termičkih anomalija. Vijek trajanja takvih bunara u mnogim zemljama ne doseže ni 10 godina.
Istovremeno, iskustvo potvrđuje da je u prisustvu plitkih kolektora prirodne pare izgradnja geotermalne elektrane najisplativija opcija za korištenje geotermalne energije. Rad ovakvih GeoTE je pokazao njihovu konkurentnost u odnosu na druge tipove elektrana. Stoga je korištenje rezervi geotermalnih voda i parnih hidrotermi u našoj zemlji na poluostrvu Kamčatka i na ostrvima Kurilskog lanca, u regionima Sjevernog Kavkaza, a moguće i u drugim područjima, svrsishodno i pravovremeno. Ali nalazišta pare su rijetkost, njene poznate i predviđene rezerve su male. Mnogo češći depoziti toplotne i električne vode nisu uvek locirani dovoljno blizu potrošača – objekta za snabdevanje toplotom. To isključuje mogućnost njihove efikasne upotrebe u velikim razmjerima.
Često se pitanja borbe protiv skaliranja razvijaju u složen problem. Korištenje geotermalnih, u pravilu, mineraliziranih izvora kao nosača topline dovodi do zarastanja zona bušotina sa formacijama željeznog oksida, kalcijevog karbonata i silikata. Osim toga, problemi erozije-korozije i skaliranja negativno utječu na rad opreme. Problem je, također, ispuštanje mineraliziranih i otpadnih voda koje sadrže toksične nečistoće. Stoga najjednostavnija tehnologija fontana ne može poslužiti kao osnova za široki razvoj geotermalnih resursa.
Prema preliminarnim procjenama na teritoriji Ruske Federacije, predviđene rezerve termalnih voda sa temperaturom od 40-250 °C, salinitetom od 35-200 g/l i dubinom do 3000 m iznose 21-22 miliona m3 /dan, što je ekvivalentno sagorevanju 30-40 miliona tona .t. u godini.
Predviđene rezerve parno-vazdušne mešavine sa temperaturom od 150-250 °C na poluostrvu Kamčatka i Kurilskim ostrvima iznose 500 hiljada m3/dan. i rezerve termalne vode sa temperaturom od 40-100°C - 150 hiljada m3 / dan.
Zalihe termalnih voda sa protokom od oko 8 miliona m3/dan, sa salinitetom do 10 g/l i temperaturom iznad 50 °C smatraju se glavnim prioritetom za razvoj.
Od mnogo većeg značaja za energetiku budućnosti je vađenje toplotne energije, praktično neiscrpnih petrogeotermalnih resursa. Ova geotermalna energija, zatvorena u čvrste vruće stijene, čini 99% ukupnih resursa podzemne toplinske energije. Na dubini do 4-6 km, masivi s temperaturom od 300-400 °C mogu se naći samo u blizini međuodora nekih vulkana, ali su vruće stijene s temperaturom od 100-150 °C rasprostranjene gotovo posvuda na ove dubine, i sa temperaturom od 180-200 °C na prilično značajnom dijelu teritorije Rusije.
Milijardama godina nuklearni, gravitacijski i drugi procesi unutar Zemlje stvarali su i nastavljaju stvarati toplinsku energiju. Deo toga se zrači u svemir, a toplota se akumulira u dubinama, tj. toplotni sadržaj čvrste, tečne i gasovite faze zemaljske materije naziva se geotermalna energija.
Kontinuirano stvaranje unutarzemaljske topline kompenzira njene vanjske gubitke, služi kao izvor akumulacije geotermalne energije i određuje obnovljivi dio njenih resursa. Ukupno odvođenje toplote iz unutrašnjosti na površinu zemlje je tri puta veće od trenutnog kapaciteta elektrana u svijetu i procjenjuje se na 30 TW.
Međutim, jasno je da je obnovljivost bitna samo za ograničene prirodne resurse, a ukupan potencijal geotermalne energije je praktično neiscrpan, jer ga treba definirati kao ukupnu količinu topline koja je dostupna Zemlji.
Nije slučajno što se posljednjih decenija u svijetu razmišlja o pravcu efikasnijeg korištenja energije duboke topline Zemlje kako bi se djelimično zamijenili prirodni plin, nafta i ugalj. To će postati moguće ne samo u područjima s visokim geotermalnim parametrima, već iu bilo kojem dijelu svijeta kada se buše injekcione i proizvodne bušotine i stvaraju cirkulacijski sistemi između njih.
Naravno, uz nisku toplotnu provodljivost stena, za efikasan rad cirkulacionih sistema potrebno je imati ili stvoriti dovoljno razvijenu površinu razmene toplote u zoni odvođenja toplote. Takva površina se često nalazi u poroznim formacijama i zonama prirodnog otpora loma, koje se često nalaze na gore navedenim dubinama, čija propusnost omogućava organiziranje prisilne filtracije rashladne tekućine uz efikasno izvlačenje energije stijena, kao i umjetno stvaranje ekstenzivne površine za izmjenu topline u niskopropusnim poroznim masivima hidrauličkim lomljenjem (vidi sliku).
Trenutno se hidrauličko frakturiranje koristi u industriji nafte i plina kao način povećanja propusnosti ležišta kako bi se poboljšao oporavak nafte u razvoju naftnih polja. Moderna tehnologija omogućava stvaranje uske, ali dugačke pukotine, ili kratke, ali široke. Poznati su primjeri hidrauličnih lomova sa lomovima dužine do 2-3 km.
Domaću ideju o vađenju glavnih geotermalnih resursa sadržanih u čvrstim stijenama izrazio je još 1914. godine K.E. Obruchev.
Godine 1963. u Parizu je stvoren prvi GCC za izvlačenje toplote iz poroznih stijena za grijanje i klimatizaciju u prostorijama kompleksa Broadcasting Chaos. Godine 1985. u Francuskoj su već radila 64 GCC-a sa ukupnim toplotnim kapacitetom od 450 MW, uz godišnju uštedu od približno 150.000 tona nafte. Iste godine stvoren je prvi takav GCC u SSSR-u u dolini Khankala u blizini grada Groznog.
Godine 1977., u okviru projekta Los Alamos National Laboratory of USA, počela su ispitivanja eksperimentalnog GCC-a sa hidrauličkim lomljenjem gotovo nepropusnog masiva na lokaciji Fenton Hill u državi Novi Meksiko. Hladna slatka voda ubrizgana kroz bušotinu (injektiranje) zagrijavana je zbog izmjene topline sa stijenskom masom (185 OC) u vertikalnoj pukotini površine 8000 m2, nastaloj hidrauličkim lomljenjem na dubini od 2,7 km. U drugoj bušotini (proizvodnoj), takođe prelazeći ovu pukotinu, pregrijana voda je izašla na površinu u obliku parnog mlaza. Pri kruženju u zatvorenom krugu pod pritiskom temperatura pregrijane vode na površini dostizala je 160-180 °C, a toplinska snaga sistema - 4-5 MW. Propuštanje rashladne tečnosti u okolni masiv iznosilo je oko 1% ukupnog protoka. Koncentracija mehaničkih i hemijskih nečistoća (do 0,2 g/l) odgovarala je uslovima sveže vode za piće. Hidraulični lom nije zahtijevao fiksiranje i držan je otvoren hidrostatskim pritiskom fluida. Slobodna konvekcija koja se razvijala u njemu je osigurala efektivno učešće u razmjeni toplote gotovo cijele površine izdanaka vruće stijenske mase.
Ekstrakcija podzemne toplotne energije iz vrućih nepropusnih stijena, zasnovana na metodama kosog bušenja i hidrauličkog frakturiranja koje su dugo ovladane i praktikovane u industriji nafte i plina, nije izazvalo seizmičku aktivnost niti bilo koje druge štetne efekte na okruženje.
Britanski naučnici su 1983. ponovili američko iskustvo stvarajući eksperimentalni GCC sa hidrauličkim lomljenjem granita u Carnwellu. Sličan posao je obavljen u Njemačkoj, Švedskoj. U SAD je implementirano više od 224 projekta geotermalnog grijanja. Pretpostavlja se, međutim, da geotermalni resursi mogu obezbijediti najveći dio budućih potreba SAD-a za neelektričnom toplinskom energijom. U Japanu je kapacitet GeoTPP 2000. godine dostigao približno 50 GW.
Trenutno se istraživanja i istraživanja geotermalnih resursa sprovode u 65 zemalja. U svijetu su na bazi geotermalne energije stvorene stanice ukupnog kapaciteta oko 10 GW. Ujedinjeni narodi aktivno podržavaju razvoj geotermalne energije.
Iskustvo akumulirano u mnogim zemljama svijeta u korištenju geotermalnih rashladnih tekućina pokazuje da su pod povoljnim uvjetima 2-5 puta isplativije od termo i nuklearnih elektrana. Proračuni pokazuju da jedna geotermalna bušotina može zamijeniti 158 hiljada tona uglja godišnje.
Dakle, toplina Zemlje je, možda, jedini veliki obnovljivi izvor energije, čiji racionalni razvoj obećava smanjenje cijene energije u odnosu na modernu energiju goriva. Uz jednako neiscrpan energetski potencijal, solarne i termonuklearne instalacije, nažalost, bit će skuplje od postojećih goriva.
Uprkos veoma dugoj istoriji razvoja Zemljine toplote, geotermalna tehnologija danas još nije dostigla svoj visoki razvoj. Razvoj toplotne energije Zemlje doživljava velike poteškoće u izgradnji dubokih bunara, koji su kanal za izvođenje rashladnog sredstva na površinu. Zbog visoke temperature na dnu rupe (200-250°C), tradicionalni alati za rezanje kamena nisu pogodni za rad u ovakvim uslovima, postoje posebni zahtevi za izbor bušaćih i obložnih cevi, cementne suspenzije, tehnologije bušenja, omotača i završetka. bunara. Domaća mjerna oprema, serijski operativni pribor i oprema proizvode se u izvedbi koja dozvoljava temperature ne veće od 150-200°C. Tradicionalno duboko mehaničko bušenje bunara ponekad se odlaže godinama i zahtijeva značajne finansijske troškove. U glavnim proizvodnim sredstvima trošak bunara je od 70 do 90%. Ovaj problem se može i treba riješiti samo stvaranjem progresivne tehnologije za razvoj glavnog dijela geotermalnih resursa, tj. vađenje energije iz vrućih stijena.
Naša grupa ruskih naučnika i specijalista se više od godinu dana bavi problemom vađenja i korišćenja neiscrpne, obnovljive duboke toplotne energije vrelih stena Zemlje na teritoriji Ruske Federacije. Svrha rada je stvaranje, na bazi domaćih, visokih tehnologija, tehničkih sredstava za duboko prodiranje u utrobu zemljine kore. Trenutno je razvijeno nekoliko varijanti alata za bušenje (BS) koji nemaju analoga u svjetskoj praksi.
Rad prve verzije BS-a povezan je sa trenutnom konvencionalnom tehnologijom bušenja bunara. Brzina bušenja tvrdog kamena (prosječna gustina 2500-3300 kg/m3) do 30 m/h, prečnik rupe 200-500 mm. Druga varijanta BS-a izvodi bušenje bušotina u autonomnom i automatskom režimu. Lansiranje se vrši sa posebne platforme za lansiranje i prihvatanje, sa koje se kontroliše njegovo kretanje. Hiljadu metara BS u tvrdim stenama moći će da prođe za nekoliko sati. Prečnik bunara od 500 do 1000 mm. Višekratne varijante BS imaju veliku ekonomsku efikasnost i ogromnu potencijalnu vrijednost. Uvođenjem BS u proizvodnju otvoriće se nova faza u izgradnji bunara i omogućiti pristup neiscrpnim izvorima toplotne energije Zemlje.
Za potrebe snabdijevanja toplotom potrebna je dubina bunara u cijeloj zemlji u rasponu od 3-4,5 hiljada metara i ne prelazi 5-6 hiljada metara. Temperatura nosača toplote za stambeno-komunalno snabdijevanje toplinom ne prelazi ne prelazi 150 °C. Za industrijske objekte temperatura u pravilu ne prelazi 180-200 °C.
Svrha stvaranja GCC-a je osigurati stalnu, pristupačnu, jeftinu toplinu u udaljenim, teško dostupnim i nerazvijenim regijama Ruske Federacije. Trajanje rada GCS-a je 25-30 godina ili više. Period povrata stanica (uzimajući u obzir najnovije tehnologije bušenja) je 3-4 godine.
Stvaranje u Ruskoj Federaciji u narednim godinama odgovarajućih kapaciteta za korištenje geotermalne energije za neelektrične potrebe zamijenit će oko 600 miliona tona ekvivalentnog goriva. Uštede mogu biti do 2 triliona rubalja.
Do 2030. godine postaje moguće stvoriti energetske kapacitete za zamjenu energije požara do 30%, a do 2040. godine gotovo potpuno eliminirati organske sirovine kao gorivo iz energetskog bilansa Ruske Federacije.
Književnost
1. Goncharov S.A. Termodinamika. Moskva: MGTUim. N.E. Bauman, 2002. 440 str.
2. Dyadkin Yu.D. itd. Geotermalna termalna fizika. Sankt Peterburg: Nauka, 1993. 255 str.
3. Mineralna sirovinska baza gorivnog i energetskog kompleksa Rusije. Status i prognoza / V.K. Branchhugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinjenko i dr. Ed. V.Z. Garipova, E.A. Kozlovsky. M. 2004. 548 str.
4. Novikov G. P. i dr. Bušenje bunara za termalne vode. M.: Nedra, 1986. 229 str.