U našoj zemlji, bogatoj ugljovodonicima, geotermalna energija je vrsta egzotičnog resursa koji, u sadašnjem stanju, teško da može konkurisati naftom i gasom. Ipak, ovaj alternativni oblik energije može se koristiti gotovo svuda i prilično efikasno.

Geotermalna energija je toplota unutrašnjosti Zemlje. Nastaje u dubinama i dolazi na površinu Zemlje u različitim oblicima i različitim intenzitetom.

Temperatura gornjih slojeva tla ovisi uglavnom o vanjskim (egzogenim) faktorima - sunčevoj svjetlosti i temperaturi zraka. Ljeti i tokom dana tlo se zagrijava do određene dubine, a zimi i noću se hladi prateći promjenu temperature zraka i sa određenim zakašnjenjem, povećavajući se sa dubinom. Utjecaj dnevnih kolebanja temperature zraka završava se na dubinama od nekoliko do nekoliko desetina centimetara. Sezonske fluktuacije zahvaćaju dublje slojeve tla - do desetina metara.

Na određenoj dubini - od desetina do stotina metara - temperatura tla se održava konstantnom, jednakom prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka blizu površine Zemlje. To je lako provjeriti spuštanjem u prilično duboku pećinu.

Kada je srednja godišnja temperatura vazduha u datom području ispod nule, to se manifestuje kao permafrost (tačnije, permafrost). U istočnom Sibiru debljina, odnosno debljina smrznutog tla tokom cijele godine dostiže mjestimično 200-300 m.

Sa određene dubine (svoje za svaku tačku na karti) djelovanje Sunca i atmosfere toliko slabi da su endogeni (unutrašnji) faktori na prvom mjestu i unutrašnjost Zemlje se zagrijava iznutra, tako da temperatura počinje porasti sa dubinom.

Zagrijavanje dubokih slojeva Zemlje povezano je uglavnom s raspadom radioaktivnih elemenata koji se tamo nalaze, iako se nazivaju i drugi izvori topline, na primjer, fizičko-hemijski, tektonski procesi u dubokim slojevima zemljine kore i plašta. No, bez obzira na uzrok, temperatura stijena i povezanih tekućih i plinovitih tvari raste s dubinom. Rudari se suočavaju s ovim fenomenom - u dubokim rudnicima je uvijek vruće. Na dubini od 1 km, temperatura od trideset stepeni je normalna, a dublje temperatura je još viša.

Toplotni tok zemljine unutrašnjosti, koji dopire do površine Zemlje, je mali - u prosjeku, njegova snaga je 0,03–0,05 W / m 2, odnosno približno 350 W h / m 2 godišnje. Na pozadini toplotnog toka sa Sunca i zraka koji se njime zagrijava, ovo je neprimjetna vrijednost: Sunce daje svakom kvadratnom metru zemljine površine oko 4.000 kWh godišnje, odnosno 10.000 puta više (naravno, ovo je u prosjeku, sa ogromnim rasponom između polarnih i ekvatorijalnih širina i ovisno o drugim klimatskim i vremenskim faktorima).

Neznačajnost toplotnog toka iz dubine na površinu u većem dijelu planete povezana je sa niskom toplotnom provodljivošću stijena i osobenostima geološke strukture. Ali postoje izuzeci - mjesta gdje je protok topline visok. To su, prije svega, zone tektonskih rasjeda, pojačane seizmičke aktivnosti i vulkanizma, gdje energija unutrašnjosti zemlje nalazi izlaz. Takve zone karakteriziraju termalne anomalije litosfere, ovdje toplinski tok koji dopire do površine Zemlje može biti višestruko, pa čak i za redove veličine, jači od "uobičajenog". U ovim zonama ogromna količina topline izbacuje se na površinu vulkanskim erupcijama i toplim izvorima vode.

Upravo su ova područja najpovoljnija za razvoj geotermalne energije. Na teritoriji Rusije to su, prije svega, Kamčatka, Kurilska ostrva i Kavkaz.

Istovremeno, razvoj geotermalne energije moguć je skoro svuda, jer je povećanje temperature sa dubinom sveprisutna pojava, a zadatak je da se „izvuče“ toplota iz utrobe, kao što se odatle crpe mineralne sirovine.

U prosjeku, temperatura raste sa dubinom za 2,5–3°C na svakih 100 m. Odnos temperaturne razlike između dvije tačke koje leže na različitim dubinama i razlike u dubini između njih naziva se geotermalni gradijent.

Recipročna vrijednost je geotermalni korak, ili interval dubine na kojem temperatura raste za 1°C.

Što je veći gradijent i, shodno tome, što je niži korak, toplina Zemljinih dubina se više približava površini i ovo područje je perspektivnije za razvoj geotermalne energije.

U različitim područjima, u zavisnosti od geološke strukture i drugih regionalnih i lokalnih uslova, brzina porasta temperature sa dubinom može dramatično varirati. Na skali Zemlje, fluktuacije u vrijednostima geotermalnih gradijenata i stepenica dostižu 25 puta. Na primjer, u državi Oregon (SAD) gradijent je 150°C na 1 km, au Južnoj Africi 6°C na 1 km.

Pitanje je koja je temperatura na velikim dubinama - 5, 10 km ili više? Ako se trend nastavi, temperature na dubini od 10 km bi u prosjeku trebale biti oko 250-300°C. To je manje-više potvrđeno direktnim zapažanjima u ultradubokim bunarima, iako je slika mnogo složenija od linearnog povećanja temperature.

Na primjer, u superdubokoj bušotini Kola izbušenoj u Baltičkom kristalnom štitu, temperatura se mijenja brzinom od 10°C/1 km do dubine od 3 km, a zatim geotermalni gradijent postaje 2-2,5 puta veći. Na dubini od 7 km već je zabilježena temperatura od 120°C, na 10 km - 180°C, a na 12 km - 220°C.

Drugi primjer je bunar postavljen u sjevernom Kaspijskom moru, gdje je na dubini od 500 m zabilježena temperatura od 42°C, na 1,5 km - 70°C, na 2 km - 80°C, na 3 km - 108°C.

Pretpostavlja se da se geotermalni gradijent smanjuje počevši od dubine od 20-30 km: na dubini od 100 km procijenjene temperature su oko 1300-1500°C, na dubini od 400 km - 1600°C, u Zemljinoj jezgro (dubine veće od 6000 km) - 4000–5000°C.

Na dubinama do 10–12 km temperatura se mjeri kroz izbušene bušotine; tamo gdje ih nema, određuje se posrednim znakovima na isti način kao i na većim dubinama. Takvi indirektni znakovi mogu biti priroda prolaska seizmičkih valova ili temperatura lave koja eruptira.

Međutim, za potrebe geotermalne energije podaci o temperaturama na dubinama većim od 10 km još nisu od praktičnog interesa.

Na dubinama od nekoliko kilometara ima mnogo topline, ali kako je podići? Ponekad nam sama priroda rješava ovaj problem uz pomoć prirodnog rashladnog sredstva - zagrijane termalne vode koje izlaze na površinu ili leže na nama dostupnoj dubini. U nekim slučajevima, voda u dubini se zagrijava do stanja pare.

Ne postoji stroga definicija pojma "termalne vode". U pravilu se podrazumijevaju vruće podzemne vode u tekućem stanju ili u obliku pare, uključujući i one koje dolaze na površinu Zemlje s temperaturom iznad 20°C, odnosno u pravilu višom od temperature zraka.

Toplina podzemne vode, pare, mješavine pare i vode je hidrotermalna energija. Shodno tome, energija zasnovana na njenoj upotrebi naziva se hidrotermalna.

Situacija je složenija s proizvodnjom topline direktno iz suhih stijena - petrotermalne energije, pogotovo jer dovoljno visoke temperature, u pravilu, počinju sa dubine od nekoliko kilometara.

Na teritoriji Rusije potencijal petrotermalne energije je sto puta veći od hidrotermalne energije - 3.500 i 35 triliona tona standardnog goriva, respektivno. To je sasvim prirodno - toplina Zemljinih dubina je posvuda, a termalne vode se nalaze lokalno. Međutim, zbog očiglednih tehničkih poteškoća, većina termalnih voda se trenutno koristi za proizvodnju toplinske i električne energije.

Temperature vode od 20-30 do 100°C pogodne su za grijanje, temperature od 150°C i više - i za proizvodnju električne energije u geotermalnim elektranama.

Generalno, geotermalni resursi na teritoriji Rusije, u smislu tona standardnog goriva ili bilo koje druge jedinice mjerenja energije, su oko 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.

Teoretski, jedino bi geotermalnom energijom bilo moguće u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. U praksi, trenutno, na većem dijelu njene teritorije, to nije izvodljivo iz tehničkih i ekonomskih razloga.

U svijetu se korištenje geotermalne energije najčešće povezuje s Islandom - državom koja se nalazi na sjevernom kraju Srednjoatlantskog grebena, u izuzetno aktivnoj tektonskoj i vulkanskoj zoni. Vjerovatno se svi sjećaju snažne erupcije vulkana Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajokull) u 2010. godini.

Upravo zahvaljujući ovoj geološkoj specifičnosti Island ima ogromne rezerve geotermalne energije, uključujući tople izvore koji dolaze na površinu Zemlje i čak šikljaju u obliku gejzira.

Na Islandu se više od 60% sve potrošene energije trenutno uzima sa Zemlje. Uključujući i geotermalne izvore, obezbjeđeno je 90% grijanja i 30% proizvodnje električne energije. Dodajmo da ostatak električne energije u zemlji proizvode hidroelektrane, odnosno također koristeći obnovljivi izvor energije, zahvaljujući čemu Island izgleda kao svojevrsni globalni ekološki standard.

"Ukroćenje" geotermalne energije u 20. veku je značajno pomoglo Islandu ekonomski. Do sredine prošlog veka bila je veoma siromašna država, sada je na prvom mestu u svetu po instaliranom kapacitetu i proizvodnji geotermalne energije po glavi stanovnika, a u prvih deset je po apsolutnom instaliranom kapacitetu geotermalne energije. biljke. Međutim, njegova populacija je samo 300 tisuća ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potreba za tim je općenito mala.

Osim Islanda, visok udio geotermalne energije u ukupnom bilansu proizvodnje električne energije obezbjeđuju i Novi Zeland i ostrvske države jugoistočne Azije (Filipini i Indonezija), zemlje Centralne Amerike i Istočne Afrike, čiji je teritorij takođe karakterističan. visokom seizmičkom i vulkanskom aktivnošću. Za ove zemlje, na njihovom sadašnjem nivou razvoja i potreba, geotermalna energija daje značajan doprinos društveno-ekonomskom razvoju.

Upotreba geotermalne energije ima veoma dugu istoriju. Jedan od prvih poznatih primjera je Italija, mjesto u provinciji Toskana, koje se danas zove Larderello, gdje su se još početkom 19. stoljeća za energiju koristile lokalne tople termalne vode, koje su tekle prirodno ili izvađene iz plitkih bunara. svrhe.

Voda iz podzemnih izvora, bogata borom, korištena je ovdje za dobijanje borne kiseline. U početku se ova kiselina dobivala isparavanjem u željeznim kotlovima, a obična drva za ogrjev uzimana su kao gorivo iz obližnjih šuma, ali je 1827. godine Francesco Larderel stvorio sistem koji je radio na toplini same vode. Istovremeno je energija prirodne vodene pare počela da se koristi za rad bušaćih uređaja, a početkom 20. veka i za grejanje lokalnih kuća i plastenika. Na istom mjestu, u Larderellu, 1904. godine termalna vodena para postala je izvor energije za proizvodnju električne energije.

Primjer Italije krajem 19. i početkom 20. stoljeća slijedile su i neke druge zemlje. Na primjer, 1892. godine termalna voda je prvi put korištena za lokalno grijanje u Sjedinjenim Državama (Boise, Idaho), 1919. - u Japanu, 1928. - na Islandu.

U Sjedinjenim Državama prva hidrotermalna elektrana pojavila se u Kaliforniji ranih 1930-ih, na Novom Zelandu - 1958., u Meksiku - 1959., u Rusiji (prvi binarni GeoPP) - 1965. godine.

Stari princip na novom izvoru

Proizvodnja električne energije zahtijeva višu temperaturu izvora vode od grijanja, preko 150°C. Princip rada geotermalne elektrane (GeoES) sličan je principu rada konvencionalne termoelektrane (TE). Zapravo, geotermalna elektrana je vrsta termoelektrane.

U termoelektranama, u pravilu, ugalj, plin ili lož ulje djeluju kao primarni izvor energije, a vodena para služi kao radni fluid. Gorivo, sagorevajući, zagrijava vodu do stanja pare, koja rotira parnu turbinu, a ona proizvodi električnu energiju.

Razlika između GeoPP-a je u tome što je primarni izvor energije ovdje toplina unutrašnjosti zemlje i radni fluid u obliku pare ulazi u lopatice turbine elektrogeneratora u "spremnom" obliku direktno iz proizvodne bušotine.

Postoje tri glavne sheme rada GeoPP-a: direktan, korištenjem suhe (geotermalne) pare; indirektni, bazirani na hidrotermalnoj vodi, i mješoviti, ili binarni.

Upotreba jedne ili druge sheme ovisi o stanju agregacije i temperaturi energetskog nosača.

Najjednostavnija i stoga prva od savladanih shema je direktna, u kojoj se para koja dolazi iz bunara prolazi direktno kroz turbinu. Prvi GeoPP na svijetu u Larderellu 1904. godine također je radio na suhoj pari.

GeoPP s indirektnom shemom rada najčešći su u naše vrijeme. Koriste toplu podzemnu vodu koja se pod visokim pritiskom upumpava u isparivač, gdje se dio isparava, a nastala para okreće turbinu. U nekim slučajevima potrebni su dodatni uređaji i krugovi za pročišćavanje geotermalne vode i pare od agresivnih spojeva.

Izduvna para ulazi u injektorsku bušotinu ili se koristi za grijanje prostora - u ovom slučaju princip je isti kao kod rada CHP-a.

Na binarnim GeoPP-ovima, vruća termalna voda stupa u interakciju s drugom tekućinom koja djeluje kao radni fluid s nižom tačkom ključanja. Obje tečnosti prolaze kroz izmjenjivač topline, gdje termalna voda isparava radnu tečnost, čije pare rotiraju turbinu.

Ovaj sistem je zatvoren, čime se rješava problem emisija u atmosferu. Osim toga, radni fluidi s relativno niskom tačkom ključanja omogućavaju korištenje ne baš vruće termalne vode kao primarnog izvora energije.

Sve tri sheme koriste hidrotermalni izvor, ali petrotermalna energija se također može koristiti za proizvodnju električne energije.

Dijagram strujnog kola u ovom slučaju je također prilično jednostavan. Potrebno je izbušiti dvije međusobno povezane bušotine – injekcionu i proizvodnu. Voda se pumpa u injekcioni bunar. Na dubini se zagrijava, a zatim se zagrijana voda ili para nastala kao rezultat jakog zagrijavanja dovodi na površinu kroz proizvodni bunar. Nadalje, sve ovisi o tome kako se petrotermalna energija koristi - za grijanje ili za proizvodnju električne energije. Zatvoreni ciklus je moguć uz pumpanje ispušne pare i vode nazad u injekcionu bušotinu ili na drugi način odlaganja.

Nedostatak takvog sistema je očigledan: da bi se postigla dovoljno visoka temperatura radnog fluida, potrebno je bušiti bunare do velike dubine. A to je ozbiljan trošak i rizik od značajnog gubitka topline kada se tekućina pomakne prema gore. Stoga su petrotermalni sistemi još uvijek rjeđi od hidrotermalnih, iako je potencijal petrotermalne energije za redove veličine veći.

Trenutno, lider u stvaranju takozvanih petrotermalnih cirkulacionih sistema (PCS) je Australija. Osim toga, ovaj smjer geotermalne energije se aktivno razvija u SAD-u, Švicarskoj, Velikoj Britaniji i Japanu.

Poklon od Lorda Kelvina

Pronalazak toplotne pumpe 1852. godine od strane fizičara Williama Thompsona (poznatog kao Lord Kelvin) pružio je čovječanstvu stvarnu priliku da koristi nisku toplinu gornjih slojeva tla. Sistem toplotne pumpe, ili toplotni multiplikator kako ga je nazvao Thompson, zasniva se na fizičkom procesu prenošenja toplote iz okoline na rashladno sredstvo. U stvari, koristi isti princip kao u petrotermalnim sistemima. Razlika je u izvoru topline, u vezi s čime se može postaviti terminološko pitanje: u kojoj mjeri se toplotna pumpa može smatrati geotermalnim sistemom? Činjenica je da se u gornjim slojevima, do dubine od desetine ili stotine metara, stijene i tekućine sadržane u njima zagrijavaju ne dubokom toplinom zemlje, već suncem. Dakle, sunce je u ovom slučaju primarni izvor toplote, iako se uzima, kao iu geotermalnim sistemima, iz zemlje.

Rad toplotne pumpe zasniva se na kašnjenju u zagrevanju i hlađenju tla u odnosu na atmosferu, usled čega se formira temperaturni gradijent između površinskih i dubljih slojeva, koji zadržavaju toplotu čak i zimi, slično šta se dešava u rezervoarima. Osnovna namjena toplotnih pumpi je grijanje prostora. U stvari, to je „frižider unatrag“. I toplotna pumpa i frižider su u interakciji sa tri komponente: unutrašnjim okruženjem (u prvom slučaju - zagrejana prostorija, u drugom - hlađenom rashladnom komorom), spoljašnjim okruženjem - izvorom energije i rashladnim sredstvom (rashladnim sredstvom), koje je takođe rashladna tečnost koja obezbeđuje prenos toplote ili hladnoće.

Supstanca sa niskom tačkom ključanja deluje kao rashladno sredstvo, što joj omogućava da uzima toplotu iz izvora koji ima čak i relativno nisku temperaturu.

U hladnjaku tečno rashladno sredstvo ulazi u isparivač kroz prigušnicu (regulator tlaka), gdje, uslijed naglog smanjenja tlaka, tekućina isparava. Isparavanje je endotermni proces koji zahtijeva da se toplina apsorbira izvana. Kao rezultat, toplina se uzima iz unutrašnjih zidova isparivača, što osigurava rashladni efekat u komori hladnjaka. Dalje od isparivača, rashladno sredstvo se usisava u kompresor, gdje se vraća u tečno agregacijsko stanje. To je obrnut proces, koji dovodi do oslobađanja preuzete topline u vanjsko okruženje. U pravilu se baca u prostoriju, a stražnji zid frižidera je relativno topao.

Toplotna pumpa radi na skoro isti način, s tom razlikom što se toplota uzima iz spoljašnje sredine i ulazi u unutrašnju sredinu kroz isparivač – sistem grejanja prostorije.

U pravoj toplotnoj pumpi voda se zagrijava, prolazeći kroz vanjski krug položen u zemlju ili rezervoar, a zatim ulazi u isparivač.

U isparivaču se toplina prenosi na unutrašnji krug ispunjen rashladnim sredstvom s niskom tačkom ključanja, koje, prolazeći kroz isparivač, prelazi iz tekućeg u plinovito stanje, uzimajući toplinu.

Nadalje, rashladno sredstvo u plinu ulazi u kompresor, gdje se komprimira do visokog tlaka i temperature, te ulazi u kondenzator, gdje se odvija izmjena topline između vrućeg plina i nosača topline iz sistema grijanja.

Za rad kompresora je potrebna električna energija, međutim, omjer transformacije (omjer potrošene i proizvedene energije) u modernim sistemima je dovoljno visok da osigura njihovu efikasnost.

Trenutno se toplotne pumpe dosta koriste za grijanje prostora, uglavnom u ekonomski razvijenim zemljama.

Eko-ispravna energija

Geotermalna energija se smatra ekološki prihvatljivom, što je općenito istina. Prije svega, koristi obnovljiv i praktično neiscrpan resurs. Geotermalna energija ne zahtijeva velike površine, za razliku od velikih hidroelektrana ili vjetroelektrana, i ne zagađuje atmosferu, za razliku od ugljikovodične energije. GeoPP u prosjeku zauzima 400 m 2 u smislu 1 GW proizvedene električne energije. Ista brojka za termoelektranu na ugalj, na primjer, iznosi 3600 m 2. Ekološke prednosti GeoPP-a uključuju i nisku potrošnju vode - 20 litara svježe vode na 1 kW, dok termoelektrane i nuklearne elektrane zahtijevaju oko 1000 litara. Imajte na umu da su ovo ekološki indikatori "prosječnog" GeoPP-a.

Ali i dalje postoje negativne nuspojave. Među njima se najčešće izdvajaju buka, toplotno zagađenje atmosfere i hemijsko zagađenje vode i tla, kao i stvaranje čvrstog otpada.

Glavni izvor hemijskog zagađenja životne sredine je sama termalna voda (sa visokom temperaturom i mineralizacijom), koja često sadrži velike količine toksičnih jedinjenja, pa se javlja problem odlaganja otpadnih voda i opasnih materija.

Negativni efekti geotermalne energije mogu se pratiti u nekoliko faza, počevši od bušenja bušotina. Ovdje nastaju iste opasnosti kao i kod bušenja bilo kojeg bunara: uništavanje tla i vegetacije, zagađenje tla i podzemnih voda.

U fazi rada GeoPP-a i dalje postoje problemi zagađenja životne sredine. Termalni fluidi - voda i para - obično sadrže ugljen dioksid (CO 2), sumpor sulfid (H 2 S), amonijak (NH 3), metan (CH 4), so (NaCl), bor (B), arsen (As ), živa (Hg). Kada se ispuste u životnu sredinu, postaju izvori zagađenja. Osim toga, agresivno kemijsko okruženje može uzrokovati koroziono oštećenje GeoTPP struktura.

Istovremeno, emisije zagađujućih materija na GeoPP su u prosjeku niže nego na TE. Na primjer, emisija ugljičnog dioksida po kilovat-satu proizvedene električne energije iznosi do 380 g u GeoPP, 1042 g u termoelektranama na ugalj, 906 g u lož-ulju i 453 g u termoelektranama na plin.

Postavlja se pitanje: šta učiniti sa otpadnim vodama? Sa niskim salinitetom, nakon hlađenja, može se ispuštati u površinske vode. Drugi način je da se pumpa nazad u vodonosnik kroz injekcionu bušotinu, što je trenutno poželjna i preovlađujuća praksa.

Ekstrakcija termalne vode iz akvifera (kao i ispumpavanje obične vode) može uzrokovati slijeganje i pomjeranje tla, druge deformacije geoloških slojeva i mikro-potrese. Vjerovatnoća takvih pojava je obično mala, iako su zabilježeni pojedinačni slučajevi (na primjer, na GeoPP-u u Staufen im Breisgau u Njemačkoj).

Treba naglasiti da se većina GeoPP-ova nalazi u relativno slabo naseljenim područjima iu zemljama trećeg svijeta, gdje su ekološki zahtjevi manje strogi nego u razvijenim zemljama. Osim toga, u ovom trenutku broj GeoPP-ova i njihovi kapaciteti su relativno mali. Sa većim razvojem geotermalne energije, ekološki rizici se mogu povećati i umnožiti.

Kolika je energija Zemlje?

Investicioni troškovi izgradnje geotermalnih sistema variraju u veoma širokom rasponu - od 200 do 5000 dolara po 1 kW instalirane snage, odnosno najjeftinije opcije su uporedive sa troškovima izgradnje termoelektrane. One zavise, prije svega, od uslova nastanka termalnih voda, njihovog sastava i dizajna sistema. Bušenje na velike dubine, stvaranje zatvorenog sistema sa dva bunara, potreba za tretmanom vode može višestruko povećati troškove.

Na primjer, ulaganja u stvaranje petrotermalnog cirkulacijskog sistema (PTS) procjenjuju se na 1,6-4 hiljade dolara po 1 kW instalirane snage, što premašuje troškove izgradnje nuklearne elektrane i uporedivo je sa troškovima izgradnje vjetroelektrane i solarne elektrane.

Očigledna ekonomska prednost GeoTPP-a je besplatan nosilac energije. Poređenja radi, u strukturi troškova tekuće termoelektrane ili nuklearne elektrane gorivo čini 50-80% ili čak više, ovisno o trenutnim cijenama energije. Otuda još jedna prednost geotermalnog sistema: operativni troškovi su stabilniji i predvidljiviji, jer ne zavise od eksterne konjunkture cijena energije. Općenito, operativni troškovi GeoTPP-a procjenjuju se na 2–10 centi (60 kopejki–3 rublje) po 1 kWh proizvedenog kapaciteta.

Druga najveća (i veoma značajna) stavka rashoda nakon energenta su, po pravilu, plate osoblja stanice, koje mogu drastično da variraju u zavisnosti od zemlje i regiona.

U prosjeku, cijena 1 kWh geotermalne energije uporediva je s onim za termoelektrane (u ruskim uvjetima - oko 1 rublja / 1 kWh) i deset puta veća od cijene proizvodnje električne energije u hidroelektranama (5-10 kopejki). / 1 kWh).

Dio razloga za visoku cijenu je taj što, za razliku od termo i hidrauličnih elektrana, GeoTPP ima relativno mali kapacitet. Pored toga, potrebno je uporediti sisteme koji se nalaze u istom regionu iu sličnim uslovima. Tako, na primjer, na Kamčatki, prema stručnjacima, 1 kWh geotermalne električne energije košta 2-3 puta jeftinije od struje proizvedene u lokalnim termoelektranama.

Pokazatelji ekonomske efikasnosti geotermalnog sistema zavise, na primjer, od toga da li je potrebno odlagati otpadne vode i na koji način se to radi, da li je moguće kombinirano korištenje resursa. Dakle, hemijski elementi i jedinjenja ekstrahovani iz termalne vode mogu pružiti dodatni prihod. Prisjetimo se primjera Larderella: tamo je primarna bila kemijska proizvodnja, a korištenje geotermalne energije u početku je bilo pomoćne prirode.

Geotermalna energija Forwards

Geotermalna energija se razvija nešto drugačije od vjetra i sunca. Trenutno, to u velikoj mjeri ovisi o prirodi samog resursa, koji se oštro razlikuje po regijama, a najveće koncentracije vezane su za uske zone geotermalnih anomalija, obično povezane s područjima tektonskih rasjeda i vulkanizma.

Osim toga, geotermalna energija je tehnološki manje kapaciteta u odnosu na vjetar, a još više u odnosu na solarnu energiju: sistemi geotermalnih stanica su prilično jednostavni.

U ukupnoj strukturi svjetske proizvodnje električne energije geotermalna komponenta čini manje od 1%, ali u nekim regijama i zemljama njen udio dostiže 25-30%. Zbog povezanosti sa geološkim uslovima, značajan dio geotermalnih energetskih kapaciteta koncentrisan je u zemljama trećeg svijeta, gdje postoje tri najrazvijenija klastera industrije - ostrva Jugoistočne Azije, Centralne Amerike i Istočne Afrike. Prve dvije regije dio su pacifičkog "vatrenog pojasa Zemlje", a treća je vezana za istočnoafrički rascjep. Sa najvećom vjerovatnoćom, geotermalna energija će se nastaviti razvijati u ovim pojasevima. Daleka perspektiva je razvoj petrotermalne energije, koristeći toplinu zemljinih slojeva koji leže na dubini od nekoliko kilometara. Ovo je gotovo sveprisutan resurs, ali njegovo vađenje zahtijeva visoke troškove, pa se petrotermalna energija razvija prvenstveno u ekonomski i tehnološki najmoćnijim zemljama.

Generalno, s obzirom na sveprisutnost geotermalnih resursa i prihvatljiv nivo ekološke sigurnosti, postoji razlog za vjerovanje da geotermalna energija ima dobre izglede za razvoj. Pogotovo sa sve većom prijetnjom nestašice tradicionalnih energenata i porastom cijena za njih.

Od Kamčatke do Kavkaza

U Rusiji razvoj geotermalne energije ima prilično dugu istoriju, a po brojnim pozicijama smo među svjetskim liderima, iako je udio geotermalne energije u ukupnom energetskom bilansu jedne ogromne zemlje još uvijek zanemarljiv.

Pioniri i centri za razvoj geotermalne energije u Rusiji bili su dva regiona - Kamčatka i Severni Kavkaz, i ako je u prvom slučaju reč pre svega o elektroenergetici, onda u drugom - o korišćenju toplotne energije termalnu vodu.

Na Sjevernom Kavkazu - u Krasnodarskoj teritoriji, Čečeniji, Dagestanu - toplina termalnih voda korištena je u energetske svrhe još prije Velikog domovinskog rata. Tokom 1980-1990-ih, razvoj geotermalne energije u regionu je, iz očiglednih razloga, zastao i još se nije oporavio od stanja stagnacije. Ipak, geotermalna voda na Sjevernom Kavkazu osigurava toplinu za oko 500 hiljada ljudi, a, na primjer, grad Labinsk na Krasnodarskom teritoriju sa populacijom od 60 hiljada ljudi u potpunosti se zagrijava geotermalnim vodama.

Na Kamčatki je istorija geotermalne energije povezana prvenstveno sa izgradnjom GeoPP. Prve od njih, koje još uvijek rade stanice Pauzhetskaya i Paratunskaya, izgrađene su još 1965–1967, dok je Paratunska GeoPP kapaciteta 600 kW postala prva stanica na svijetu sa binarnim ciklusom. Bio je to razvoj sovjetskih naučnika S. S. Kutateladzea i A. M. Rosenfelda sa Instituta za termičku fiziku Sibirskog ogranka Ruske akademije nauka, koji su 1965. godine dobili potvrdu o autorskim pravima za vađenje električne energije iz vode s temperaturom od 70 ° C. Ova tehnologija je kasnije postala prototip za više od 400 binarnih GeoPP-a u svijetu.

Kapacitet Paužetske GeoPP, puštene u rad 1966. godine, u početku je bio 5 MW, a zatim je povećan na 12 MW. Trenutno je stanica u izgradnji binarnog bloka, koji će povećati njen kapacitet za još 2,5 MW.

Razvoj geotermalne energije u SSSR-u i Rusiji bio je sputan dostupnošću tradicionalnih izvora energije - nafte, gasa, uglja, ali nikada nije prestao. Najveći geotermalni energetski objekti u ovom trenutku su Verkhne-Mutnovskaya GeoPP ukupne snage 12 MW elektrane, puštene u rad 1999. godine, i Mutnovskaya GeoPP snage 50 MW (2002).

Mutnovskaya i Verkhne-Mutnovskaya GeoPP jedinstveni su objekti ne samo za Rusiju, već i na globalnom nivou. Stanice se nalaze u podnožju vulkana Mutnovsky, na nadmorskoj visini od 800 metara i rade u ekstremnim klimatskim uslovima, gde je zima 9-10 meseci godišnje. Oprema Mutnovsky GeoPP, trenutno jedne od najmodernijih u svijetu, u potpunosti je kreirana u domaćim elektroenergetskim preduzećima.

Trenutno, udio stanica Mutnovsky u ukupnoj strukturi potrošnje energije energetskog čvorišta Centralne Kamčatke iznosi 40%. U narednim godinama planirano je povećanje kapaciteta.

Odvojeno, treba reći o ruskom petrotermalnom razvoju. Još nemamo veliki PDS, međutim, postoje napredne tehnologije za bušenje na velike dubine (oko 10 km), koje takođe nemaju analoga u svijetu. Njihov dalji razvoj će omogućiti drastično smanjenje troškova stvaranja petrotermalnih sistema. Programeri ovih tehnologija i projekata su N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geološki institut Ruske akademije nauka), A. S. Nekrasov (Institut za ekonomsko predviđanje Ruske akademije nauka) i stručnjaci iz Kaluške turbinske fabrike. Trenutno je projekat petrotermalnog cirkulacijskog sistema u Rusiji u pilot fazi.

Izgledi za geotermalnu energiju u Rusiji postoje, iako su relativno udaljeni: u ovom trenutku potencijal je prilično velik, a pozicije tradicionalne energije su jake. Istovremeno, u brojnim udaljenim regijama zemlje korištenje geotermalne energije je ekonomski isplativo i traženo je i sada. To su teritorije sa visokim geoenergetskim potencijalom (Čukotka, Kamčatka, Kurili - ruski deo pacifičkog "vatrenog pojasa Zemlje", planine Južnog Sibira i Kavkaza) i istovremeno udaljene i odsečene od centralizovane energije snabdevanje.

Vjerovatno će se u narednim decenijama geotermalna energija u našoj zemlji razvijati upravo u takvim regijama.

"Upotreba niskopotencijalne toplotne energije zemlje u sistemima toplotnih pumpi"

Vasiliev G.P., naučni nadzornik OJSC INSOLAR-INVEST, doktor tehničkih nauka, predsednik Upravnog odbora OJSC INSOLAR-INVEST
N. V. Shilkin, inženjer, NISF (Moskva)

Racionalno korišćenje goriva i energetskih resursa danas je jedan od globalnih svjetskih problema, čije će uspješno rješavanje, po svemu sudeći, biti od presudne važnosti ne samo za dalji razvoj svjetske zajednice, već i za očuvanje njenog staništa. Jedan od obećavajućih načina za rješavanje ovog problema je primjena novih tehnologija za uštedu energije korištenje netradicionalnih obnovljivih izvora energije (NRES) Iscrpljivanje tradicionalnih fosilnih goriva i ekološke posljedice njihovog sagorijevanja doveli su do značajnog porasta interesa za ove tehnologije posljednjih decenija u gotovo svim razvijenim zemljama svijeta.

Prednosti tehnologija opskrbe toplinom koje se koriste u odnosu na njihove tradicionalne kolege povezane su ne samo sa značajnim smanjenjem troškova energije u sistemima za održavanje života zgrada i objekata, već i s njihovom ekološkom prihvatljivošću, kao i novim mogućnostima u oblasti povećanje stepena autonomije sistema za održavanje života. Očigledno će u bliskoj budućnosti upravo ove kvalitete biti od presudne važnosti u oblikovanju konkurentske situacije na tržištu opreme za proizvodnju topline.

Analiza mogućih područja primjene u ruskoj ekonomiji korištenja tehnologija za uštedu energije netradicionalni izvori energije, pokazuje da su u Rusiji najperspektivnije područje za njihovu implementaciju sistemi za održavanje života zgrada. U isto vrijeme, široka upotreba sistemi za snabdevanje toplotnom pumpom (TST), koristeći tlo površinskih slojeva Zemlje kao sveprisutno dostupan niskopotencijalni izvor topline.

Koristeći Zemljina toplota Postoje dvije vrste toplotne energije - visokopotencijalna i niskopotencijalna. Izvor toplotne energije visokog potencijala su hidrotermalni resursi - termalne vode zagrijane na visoku temperaturu kao rezultat geoloških procesa, što im omogućava da se koriste za grijanje zgrada. Međutim, korištenje visokopotencijalne topline Zemlje ograničeno je na područja s određenim geološkim parametrima. U Rusiji je to, na primjer, Kamčatka, regija kavkaskih mineralnih voda; u Evropi postoje izvori toplote visokog potencijala u Mađarskoj, Islandu i Francuskoj.

Za razliku od "direktne" upotrebe toplote visokog potencijala (hidrotermalni resursi), korišćenje niske toplote Zemlje kroz toplotne pumpe moguće je skoro svuda. Trenutno je jedno od najbrže rastućih područja upotrebe netradicionalni obnovljivi izvori energije.

Niskopotencijalna toplota Zemlje može se koristiti u raznim vrstama zgrada i objekata na više načina: za grijanje, opskrbu toplom vodom, klimatizaciju (hlađenje), grijanje staza u zimskoj sezoni, za sprječavanje zaleđivanja, grijna polja na otvorenim stadionima, itd. tehničkoj literaturi, takvi sistemi su označeni kao "GHP" - "geotermalne toplotne pumpe", geotermalne toplotne pumpe.

Klimatske karakteristike zemalja srednje i sjeverne Evrope, koje su, zajedno sa Sjedinjenim Državama i Kanadom, glavna područja za korištenje niskogradne topline Zemlje, određuju uglavnom potrebu za grijanjem; hlađenje zraka, čak i ljeti, je relativno rijetko potrebno. Stoga, za razliku od Sjedinjenih Država, toplotne pumpe u evropskim zemljama rade uglavnom u režimu grijanja. U SAD toplotne pumpečešće se koriste u sistemima zračnog grijanja u kombinaciji sa ventilacijom, što omogućava i grijanje i hlađenje vanjskog zraka. U evropskim zemljama toplotne pumpe najčešće se koristi u sistemima za grijanje vode. Zbog efikasnost toplotne pumpe povećava se sa smanjenjem temperaturne razlike između isparivača i kondenzatora, sistemi podnog grijanja se često koriste za grijanje zgrada, u kojima cirkuliše rashladno sredstvo relativno niske temperature (35-40 °C).

Većina toplotne pumpe u Evropi, dizajnirani da iskoriste nisku toplotu Zemlje, opremljeni su kompresorima na električni pogon.

Tokom proteklih deset godina, broj sistema koji koriste niskogradnu toplotu Zemlje za toplotno i hladno snabdevanje zgrada kroz toplotne pumpe, značajno porasla. Najveći broj ovakvih sistema se koristi u SAD. Veliki broj ovakvih sistema funkcioniše u Kanadi i zemljama centralne i severne Evrope: Austriji, Nemačkoj, Švedskoj i Švajcarskoj. Švicarska prednjači po korišćenju niske toplotne energije Zemlje po glavi stanovnika. U Rusiji su u proteklih deset godina uz pomoć tehnologije i uz učešće INSOLAR-INVEST OJSC, specijalizovanog za ovu oblast, izgrađeni samo pojedinačni objekti od kojih su najzanimljiviji predstavljeni u.

U Moskvi, u mikrookrug Nikulino-2, zapravo, po prvi put, a sistem toplotne pumpe za toplu vodu višespratna stambena zgrada. Ovaj projekat je 1998-2002 implementiralo Ministarstvo odbrane Ruske Federacije zajedno sa Vladom Moskve, Ministarstvom industrije i nauke Rusije, Udruženjem NP ABOK iu okviru "Dugoročni program uštede energije u Moskvi".

Kao niskopotencijalni izvor toplotne energije za isparivače toplotnih pumpi koristi se toplota tla površinskih slojeva Zemlje, kao i toplota uklonjenog ventilacionog vazduha. Postrojenje za pripremu tople vode nalazi se u suterenu zgrade. Uključuje sljedeće glavne elemente:

• Parne kompresijske toplinske pumpe (HPU);
• Spremnici tople vode;
• sistemi za prikupljanje niskokvalitetne toplotne energije tla i niske toplote uklonjenog ventilacionog vazduha;
• cirkulacijske pumpe, instrumentacija

Glavni element za izmjenu toplote sistema za prikupljanje niskopotencijalne toplote tla su vertikalni zemljom izmjenjivači topline koaksijalnog tipa, smješteni izvana duž perimetra zgrade. Ovi izmjenjivači topline su 8 bunara dubine od 32 do 35 m svaki, raspoređenih u blizini kuće. Budući da način rada toplotnih pumpi koristi toplina zemlje a toplina uklonjenog zraka je konstantna, dok je potrošnja tople vode promjenjiva, sistem za opskrbu toplom vodom je opremljen akumulacijskim spremnicima.

Podaci koji procjenjuju svjetski nivo korištenja niskopotencijalne toplinske energije Zemlje pomoću toplotnih pumpi dati su u tabeli.

Tabela 1. Svjetski nivo korištenja niskopotencijalne toplinske energije Zemlje putem toplotnih pumpi

Tlo kao izvor toplotne energije niskog potencijala

Kao izvor toplotne energije niskog potencijala mogu se koristiti podzemne vode sa relativno niskom temperaturom ili tlo površinskih (do 400 m dubine) slojeva Zemlje.. Sadržaj topline u zemljišnoj masi je općenito veći. Toplotni režim tla površinskih slojeva Zemlje nastaje pod uticajem dva glavna faktora - sunčevog zračenja koje pada na površinu i toka radiogene toplote iz unutrašnjosti Zemlje.. Sezonske i dnevne promjene intenziteta sunčevog zračenja i vanjske temperature uzrokuju fluktuacije temperature gornjih slojeva tla. Dubina prodiranja dnevnih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja, ovisno o specifičnim zemljišnim i klimatskim uvjetima, kreće se od nekoliko desetina centimetara do jednog i po metra. Dubina prodora sezonskih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja u pravilu ne prelazi 15-20 m.

Temperaturni režim slojeva tla koji se nalaze ispod ove dubine („neutralna zona“) formira se pod utjecajem toplinske energije koja dolazi iz utrobe Zemlje i praktički ne ovisi o sezonskim, a još više dnevnim promjenama parametara spoljna klima (slika 1).

Rice. 1. Grafikon promjena temperature tla u zavisnosti od dubine

Sa povećanjem dubine, temperatura tla raste u skladu sa geotermalnim gradijentom (otprilike 3 stepena C na svakih 100 m). Veličina protoka radiogene topline koja dolazi iz utrobe zemlje varira za različite lokalitete. Za srednju Evropu ova vrijednost je 0,05–0,12 W/m2.

U toku eksploatacionog perioda, masa tla koja se nalazi u zoni toplotnog uticaja registra cevi zemljišnog izmenjivača toplote sistema za prikupljanje niskokvalitetne toplote tla (sistem za prikupljanje toplote), usled sezonskih promena parametara elektrane. vanjska klima, kao i pod utjecajem operativnih opterećenja na sustav prikupljanja topline, u pravilu je podvrgnuta ponovljenom zamrzavanju i odleđivanju. U ovom slučaju, prirodno, dolazi do promjene agregacijskog stanja vlage sadržane u porama tla i, općenito, iu tečnoj iu čvrstoj i plinovitoj fazi istovremeno. Drugim riječima, masa tla sistema za prikupljanje topline, bez obzira u kakvom se stanju nalazi (smrznuta ili odmrznuta), je složen trofazni polidisperzni heterogeni sistem, čiji kostur čini ogroman broj čvrstih čestica različitih oblika i veličina i mogu biti i kruti i pokretni, ovisno o tome da li su čestice čvrsto povezane jedna od druge ili su odvojene jedna od druge tvari u mobilnoj fazi. Međuprostori između čvrstih čestica mogu biti ispunjeni mineraliziranom vlagom, plinom, parom i ledom, ili oboje. Modeliranje procesa prenosa toplote i mase koji formiraju toplotni režim ovakvog višekomponentnog sistema izuzetno je težak zadatak, jer zahteva uzimanje u obzir i matematički opis različitih mehanizama za njihovu realizaciju: provođenje toplote u pojedinačnoj čestici, prenos toplote od jedna čestica na drugu pri njihovom kontaktu, molekularno provođenje topline u mediju koji ispunjava praznine između čestica, konvekcija pare i vlage sadržane u pornom prostoru i mnoge druge.

Posebnu pažnju treba posvetiti uticaju vlage mase tla i migracije vlage u njegovom pornom prostoru na termičke procese koji određuju karakteristike tla kao izvora niskopotencijalne toplotne energije.

U kapilarno-poroznim sistemima, što je zemljana masa sistema za prikupljanje toplote, prisustvo vlage u pornom prostoru ima značajan uticaj na proces distribucije toplote. Ispravno obračunavanje ovog uticaja danas je povezano sa značajnim poteškoćama, koje su prvenstveno povezane sa nedostatkom jasnih ideja o prirodi distribucije čvrste, tečne i gasovite faze vlage u određenoj strukturi sistema. Priroda sila vezivanja vlage sa skeletnim česticama, zavisnost oblika vezivanja vlage sa materijalom u različitim fazama vlaženja i mehanizam kretanja vlage u pornom prostoru još uvek nisu razjašnjeni.

Ako postoji temperaturni gradijent u debljini zemljišne mase, molekuli pare se pomiču na mjesta sa smanjenim temperaturnim potencijalom, ali se istovremeno pod djelovanjem gravitacijskih sila javlja suprotno usmjeren tok vlage u tečnoj fazi. . Osim toga, na temperaturni režim gornjih slojeva tla utječe vlaga atmosferskih padavina, kao i podzemne vode.

Na sl. 2.

Rice. 2. Faktori pod čijim se uticajem formira temperaturni režim tla

Vrste sistema za korišćenje niskopotencijalne toplotne energije Zemlje

Spajaju se izmjenjivači topline zemlje oprema toplotne pumpe sa masom tla. Osim "izvlačenja" topline Zemlje, zemni izmjenjivači topline mogu se koristiti i za akumulaciju topline (ili hladnoće) u zemnom masivu.

U opštem slučaju, mogu se razlikovati dva tipa sistema za korišćenje niskopotencijalne toplotne energije Zemlje:

• otvoreni sistemi: kao izvor toplotne energije niskog potencijala koristi se podzemna voda koja se dovodi direktno u toplotne pumpe;
• zatvoreni sistemi: izmjenjivači topline se nalaze u masivu tla; kada rashladna tečnost cirkuliše kroz njih sa sniženom temperaturom u odnosu na tlo, toplotna energija se "odabira" sa tla i prenosi na isparivač Toplinska pumpa(ili, kada se koristi rashladna tečnost sa povišenom temperaturom u odnosu na tlo, njeno hlađenje).

Glavni dio otvorenih sistema su bunari, koji omogućavaju izvlačenje podzemnih voda iz akvifera tla i vraćanje vode nazad u iste vodonosnike. Za to su obično uređeni upareni bunari. Dijagram takvog sistema je prikazan na sl. 3.

Rice. 3. Šema otvorenog sistema za korišćenje niskopotencijalne toplotne energije podzemnih voda

Prednost otvorenih sistema je mogućnost dobijanja velike količine toplotne energije uz relativno niske troškove. Međutim, bunari zahtijevaju održavanje. Osim toga, upotreba ovakvih sistema nije moguća u svim oblastima. Glavni zahtjevi za tlo i podzemne vode su sljedeći:

• dovoljna propusnost tla, što omogućava nadopunjavanje rezervi vode;
• dobra hemija podzemnih voda (npr. nizak sadržaj gvožđa) kako bi se izbjegao kamenac u cijevima i problemi s korozijom.

Otvoreni sistemi se češće koriste za grijanje ili hlađenje velikih zgrada. Najveći sistem geotermalne toplotne pumpe na svetu koristi podzemne vode kao izvor toplotne energije niskog potencijala. Ovaj sistem se nalazi u SAD-u u Louisvilleu, Kentucky. Sistem se koristi za toplotno i hladno snabdevanje hotelsko-kancelarijskog kompleksa; njegova snaga je oko 10 MW.

Ponekad sistemi koji koriste toplinu Zemlje uključuju sisteme za korištenje niskogradne topline iz otvorenih vodnih tijela, prirodnih i umjetnih. Ovaj pristup je posebno usvojen u Sjedinjenim Državama. Sistemi koji koriste toplotu niskog stepena iz rezervoara klasifikovani su kao otvoreni, kao i sistemi koji koriste nisku toplotu iz podzemnih voda.

Zatvoreni sistemi se, pak, dijele na horizontalne i vertikalne.

Horizontalni izmjenjivač topline tla(u engleskoj literaturi koriste se i termini „zemlja toplotni kolektor” i „horizontalna petlja”) obično se postavlja u blizini kuće na maloj dubini (ali ispod nivoa smrzavanja tla zimi). Upotreba horizontalnih izmjenjivača topline za tlo ograničena je veličinom raspoložive lokacije.

U zemljama zapadne i srednje Evrope, horizontalni razmenjivači toplote su obično odvojene cevi položene relativno čvrsto i međusobno povezane u nizu ili paralelno (sl. 4a, 4b). Da bi se uštedjelo područje gradilišta, razvijeni su poboljšani tipovi izmjenjivača topline, na primjer, izmjenjivači topline u obliku spirale, smješteni vodoravno ili okomito (sl. 4e, 4f). Ovaj oblik izmjenjivača topline je uobičajen u SAD-u.

Rice. 4. Vrste horizontalnih zemljanih izmjenjivača topline
a - izmjenjivač topline serijski spojenih cijevi;
b - izmjenjivač topline iz paralelnih cijevi;
c - horizontalni kolektor položen u rov;
d - izmjenjivač topline u obliku petlje;
e - izmjenjivač topline u obliku spirale smješten vodoravno (tzv. "slinky" kolektor;
e - izmjenjivač topline u obliku spirale koji se nalazi okomito

Ako se sistem sa horizontalnim izmenjivačem toplote koristi samo za proizvodnju toplote, njegov normalan rad je moguć samo ako postoji dovoljan unos toplote sa površine zemlje usled sunčevog zračenja. Iz tog razloga, površina iznad izmjenjivača topline mora biti izložena sunčevoj svjetlosti.

Vertikalni izmjenjivači topline za tlo(u engleskoj literaturi prihvaćena je oznaka "BHE" - "izmjenjivač topline bušotine") omogućavaju korištenje niskopotencijalne toplinske energije mase tla koja leži ispod "neutralne zone" (10–20 m od nivoa tla). Sistemi sa vertikalnim razmenjivačima toplote u zemlji ne zahtevaju velike površine i ne zavise od intenziteta sunčevog zračenja koje pada na površinu. Vertikalni izmjenjivači topline za tlo funkcionišu efikasno u gotovo svim vrstama geoloških okruženja, sa izuzetkom tla sa niskom toplotnom provodljivošću, kao što su suvi pesak ili suvi šljunak. Veoma su rasprostranjeni sistemi sa vertikalnim razmenjivačima toplote u zemlji.

Šema grijanja i opskrbe toplom vodom jednostambene stambene zgrade pomoću jedinice toplinske pumpe sa vertikalnim izmjenjivačem topline zemlje prikazana je na sl. 5.

Rice. 5. Šema grijanja i opskrbe toplom vodom jednostambene stambene zgrade pomoću agregata toplotne pumpe sa vertikalnim izmjenjivačem topline zemlje

Rashladna tečnost cirkuliše kroz cevi (najčešće polietilenske ili polipropilenske) položene u vertikalne bunare dubine od 50 do 200 m. Obično se koriste dve vrste vertikalnih izmjenjivača toplote za tlo (slika 6):

• Izmjenjivač topline u obliku slova U, koji su dvije paralelne cijevi spojene na dnu. Jedan ili dva (rijetko tri) para takvih cijevi nalaze se u jednoj bušotini. Prednost takve sheme je relativno niska cijena proizvodnje. Dvostruki izmjenjivači topline u obliku slova U najrasprostranjeniji su tip vertikalnih izmjenjivača topline za tlo u Europi.
• Koaksijalni (koncentrični) izmjenjivač topline. Najjednostavniji koaksijalni izmjenjivač topline sastoji se od dvije cijevi različitih promjera. Cijev manjeg promjera se postavlja unutar druge cijevi. Koaksijalni izmjenjivači topline mogu biti složenije konfiguracije.

Rice. 6. Poprečni presjek različitih tipova vertikalnih tlačnih izmjenjivača topline

Da bi se povećala efikasnost izmjenjivača topline, prostor između zidova bunara i cijevi ispunjen je posebnim materijalima koji provode toplinu.

Sistemi sa vertikalnim izmjenjivačima topline za tlo mogu se koristiti za grijanje i hlađenje zgrada različitih veličina. Za malu zgradu dovoljan je jedan izmjenjivač topline; za velike zgrade može biti potrebna cijela grupa bunara s vertikalnim izmjenjivačima topline. Najveći broj bunara na svijetu koristi se u sistemu grijanja i hlađenja Richard Stockton College u američkoj državi New Jersey. Vertikalni zemaljski izmjenjivači toplote ovog koledža smješteni su u 400 bunara dubine 130 m. U Evropi se najveći broj bunara (154 bunara dubine 70 m) koristi u sistemu grijanja i hlađenja centralne kancelarije Njemačke kontrole letenja Usluga (“Deutsche Flug-sicherung”).

Poseban slučaj vertikalnih zatvorenih sistema je upotreba građevinskih konstrukcija kao izmjenjivača topline tla, na primjer, temeljnih šipova s ​​ugrađenim cjevovodima. Presjek takve gomile sa tri konture izmjenjivača topline tla prikazan je na sl. 7.

Rice. 7. Šema zemljanih izmjenjivača topline ugrađenih u temeljne šipove zgrade i poprečni presjek takvog šipa

Prizemna masa (u slučaju vertikalnih izmjenjivača topline tla) i građevinske konstrukcije sa izmjenjivačima topline tla mogu se koristiti ne samo kao izvor, već i kao prirodni akumulator toplinske energije ili "hladnoće", na primjer topline sunčevog zračenja.

Postoje sistemi koji se ne mogu jasno klasifikovati kao otvoreni ili zatvoreni. Na primjer, isti dubok (od 100 do 450 m dubine) bunar ispunjen vodom može biti i proizvodni i ubrizgavajući. Prečnik bunara je obično 15 cm.U donjem delu bunara se postavlja pumpa preko koje se voda iz bunara dovodi do isparivača toplotne pumpe. Povratna voda se vraća na vrh vodenog stuba u isti bunar. Postoji stalno punjenje bunara podzemnim vodama, a otvoreni sistem radi kao zatvoreni. Sistemi ovog tipa u engleskoj literaturi se nazivaju „sistem stajaćih stubova bunara“ (Sl. 8).

Rice. 8. Šema tipa bunara "stojeći stubni bunar"

Tipično, bunari ovog tipa se koriste i za snabdijevanje zgrade pitkom vodom.. Međutim, takav sistem može djelotvorno funkcionirati samo u zemljištima koja osiguravaju stalan dotok vode u bunar, što sprječava njegovo smrzavanje. Ako je vodonosnik previše dubok, bit će potrebna snažna pumpa za normalno funkcioniranje sustava, što zahtijeva povećane troškove energije. Velika dubina bunara uzrokuje prilično visoku cijenu takvih sistema, tako da se ne koriste za opskrbu toplinom i hladnoćom malih zgrada. Sada u svijetu postoji nekoliko takvih sistema u SAD-u, Njemačkoj i Evropi.

Jedna od perspektivnih oblasti je korišćenje vode iz rudnika i tunela kao izvora toplotne energije niskog kvaliteta. Temperatura ove vode je konstantna tokom cijele godine. Voda iz rudnika i tunela je lako dostupna.

„Održivost“ sistema za korišćenje niskogradne toplote Zemlje

Tokom rada izmjenjivača topline tla može nastati situacija kada se tokom sezone grijanja temperatura tla u blizini izmjenjivača topline tla smanjuje, a ljeti tlo nema vremena da se zagrije do početne temperature - njegove temperature potencijal se smanjuje. Potrošnja energije u narednoj sezoni grijanja uzrokuje još veće smanjenje temperature tla, a njegov temperaturni potencijal se dodatno smanjuje. Ovo forsira dizajn sistema korišćenje niske toplote Zemlje razmotriti problem "stabilnosti" (održivosti) takvih sistema. Često se energetski resursi koriste vrlo intenzivno kako bi se smanjio period povrata opreme, što može dovesti do njihovog brzog iscrpljivanja. Stoga je potrebno održavati takav nivo proizvodnje energije koji bi omogućio da izvor energenata radi duže vrijeme. Ova sposobnost sistema da održe potreban nivo proizvodnje toplote dugo vremena naziva se „održivost“. Za sisteme sa niskim potencijalom Zemljina toplota data je sljedeća definicija održivosti: „Za svaki sistem korištenja niskopotencijalne topline Zemlje i za svaki način rada ovog sistema postoji određeni maksimalni nivo proizvodnje energije; proizvodnja energije ispod ovog nivoa može se održavati dugo vremena (100-300 godina).

Zadržano OJSC INSOLAR-INVEST studije su pokazale da potrošnja toplotne energije iz zemljišne mase do kraja grejne sezone izaziva smanjenje temperature tla u blizini registra cevi sistema za prikupljanje toplote, što u zemljišno-klimatskim uslovima većeg dela teritorije Rusije, nema vremena za kompenzaciju u ljetnoj sezoni, a do početka sljedeće sezone grijanja tlo izlazi sa niskim temperaturnim potencijalom. Potrošnja toplotne energije u narednoj grejnoj sezoni izaziva dalje smanjenje temperature tla, a do početka treće grejne sezone njen temperaturni potencijal se još više razlikuje od prirodnog. I tako dalje. Međutim, omotači toplotnog uticaja dugotrajnog rada sistema za prikupljanje toplote na prirodni temperaturni režim tla imaju izražen eksponencijalni karakter, a do pete godine rada zemljište ulazi u novi režim blizak periodičnom. odnosno, počevši od pete godine rada, dugotrajna potrošnja toplotne energije iz zemljišne mase sistema za prikupljanje toplote je praćena periodičnim promenama njegove temperature. Dakle, prilikom projektovanja sistemi grijanja sa toplotnom pumpomčini se da je potrebno uzeti u obzir pad temperatura zemljišne mase uzrokovane dugotrajnim radom sistema za prikupljanje topline, a kao projektne parametre koristiti temperature zemljišne mase koje se očekuju za 5. godinu rada TST-a.

U kombinovanim sistemima, koji se koristi i za opskrbu toplinom i hladnoćom, ravnoteža topline se postavlja „automatski“: zimi (potrebno je snabdijevanje toplinom), masa tla se hladi, ljeti (potrebno je dovod hladnoće), masa tla se zagrijava. U sistemima koji koriste nisku toplotu podzemne vode, dolazi do stalnog popunjavanja rezervi vode zbog vode koja curi sa površine i vode koja dolazi iz dubljih slojeva tla. Dakle, sadržaj topline podzemne vode raste i „od gore“ (zbog topline atmosferskog zraka) i „odozdo“ (zbog topline Zemlje); vrijednost toplotnog dobitka "odozgo" i "odozdo" zavisi od debljine i dubine vodonosnika. Zbog ovih prijenosa topline, temperatura podzemne vode ostaje konstantna tijekom cijele sezone i malo se mijenja tokom rada.

U sistemima sa vertikalnim izmjenjivačima topline za tlo situacija je drugačija. Kada se toplina ukloni, temperatura tla oko izmjenjivača topline tla se smanjuje. Na smanjenje temperature utječu i karakteristike dizajna izmjenjivača topline i način njegovog rada. Na primjer, u sistemima sa visokim vrijednostima rasipanje topline (nekoliko desetina vati po metru dužine izmjenjivača topline) ili u sistemima sa podzemnim izmjenjivačem topline smještenim u tlu niske toplinske provodljivosti (na primjer, u suhom pijesku ili suhom šljunku) , pad temperature će biti posebno uočljiv i može dovesti do smrzavanja zemljišne mase oko izmjenjivača topline tla.

Njemački stručnjaci izmjerili su temperaturu masiva tla u kojem je postavljen vertikalni izmjenjivač topline tla dubine 50 m, koji se nalazi u blizini Frankfurta na Majni. Za to je izbušeno 9 bušotina iste dubine oko glavne bušotine na udaljenosti od 2,5, 5 i 10 m. U svih deset bunara postavljeni su temperaturni senzori na svaka 2 m - ukupno 240 senzora. Na sl. Na slici 9 prikazani su dijagrami raspodjele temperature u masi tla oko vertikalnog izmjenjivača topline tla na početku i na kraju prve grijne sezone. Na kraju sezone grijanja jasno je vidljivo smanjenje temperature mase tla oko izmjenjivača topline. Iz okolne zemljišne mase u izmjenjivač topline se usmjerava toplinski tok, koji djelomično nadoknađuje smanjenje temperature tla uzrokovano „selekcijom“ topline. Veličina ovog fluksa u poređenju sa veličinom toplotnog toka iz unutrašnjosti Zemlje u datom području (80–100 mW/m2) procjenjuje se prilično visoko (nekoliko vati po kvadratnom metru).

Rice. 9. Šeme raspodjele temperature u zemljišnoj masi oko vertikalnog izmjenjivača topline tla na početku i na kraju prve grijne sezone

Budući da su vertikalni izmjenjivači topline počeli biti relativno rašireni prije otprilike 15-20 godina, u cijelom svijetu nedostaje eksperimentalnih podataka dobijenih tokom dugotrajnih (nekoliko desetina godina) perioda rada sistema sa izmjenjivačima topline ovog tipa. Postavlja se pitanje stabilnosti ovih sistema, njihove pouzdanosti za duge periode rada. Da li je niskopotencijalna toplota Zemlje obnovljivi izvor energije? Koji je period "obnove" ovog izvora?

Kada radi seoska škola u Jaroslavskoj regiji, opremljena sistem toplotne pumpe, uz pomoć vertikalnog tlačnog izmjenjivača topline, prosječne vrijednosti specifičnog odvođenja topline bile su na nivou od 120–190 W/rm. m dužine izmjenjivača topline.

Od 1986. godine u Švicarskoj u blizini Ciriha provode se istraživanja na sistemu sa vertikalnim izmjenjivačima topline zemlje. U masiv tla ugrađen je vertikalni koaksijalni izmjenjivač topline za tlo dubine 105 m. Ovaj izmjenjivač topline je korišten kao izvor toplotne energije niskog kvaliteta za sistem toplotne pumpe instaliran u jednostambenoj stambenoj zgradi. Vertikalni izmjenjivač topline tla je davao vršnu snagu od približno 70 vati po metru dužine, što je stvorilo značajno toplinsko opterećenje na okolnoj zemljinoj masi. Godišnja proizvodnja toplotne energije je oko 13 MWh

Na udaljenosti od 0,5 i 1 m od glavne bušotine izbušene su dvije dodatne bušotine u koje su ugrađeni temperaturni senzori na dubini od 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 i 105 m, nakon čega su bunari ispunjeni glineno-cementnom smjesom. Temperatura je mjerena svakih trideset minuta. Osim temperature tla, snimani su i drugi parametri: brzina rashladnog sredstva, potrošnja energije pogona kompresora toplinske pumpe, temperatura zraka itd.

Prvi period posmatranja trajao je od 1986. do 1991. godine. Mjerenja su pokazala da se utjecaj topline vanjskog zraka i sunčevog zračenja primjećuje u površinskom sloju tla na dubini do 15 m. Ispod ovog nivoa se formira termički režim tla uglavnom zbog toplote unutrašnjosti zemlje. Tokom prve 2-3 godine rada temperatura mase tla okolni vertikalni izmjenjivač topline je naglo opao, ali svake godine pad temperature se smanjivao, a nakon nekoliko godina sistem je dostigao režim blizu konstantnog, kada je temperatura mase tla oko izmjenjivača topline postala niža od početne za 1 –2 °C.

U jesen 1996. godine, deset godina nakon početka rada sistema, mjerenja su nastavljena. Ova mjerenja su pokazala da se temperatura tla nije značajno promijenila. U narednim godinama zabilježene su male fluktuacije temperature tla unutar 0,5 stepeni C, u zavisnosti od godišnjeg opterećenja grijanja. Tako je sistem nakon prvih nekoliko godina rada ušao u kvazistacionarni režim.

Na osnovu eksperimentalnih podataka izgrađeni su matematički modeli procesa koji se odvijaju u masivu tla, što je omogućilo dugoročnu prognozu promjena temperature zemljišnog masiva.

Matematičko modeliranje pokazalo je da će godišnji pad temperature postepeno opadati, a da će se zapremina zemljišne mase oko izmjenjivača topline, podložna sniženju temperature, povećavati svake godine. Na kraju radnog perioda počinje proces regeneracije: temperatura tla počinje rasti. Priroda procesa regeneracije slična je prirodi procesa "odabira" topline: u prvim godinama rada dolazi do naglog povećanja temperature tla, au narednim godinama stopa povećanja temperature opada. Dužina perioda „regeneracije“ zavisi od dužine radnog perioda. Ova dva perioda su otprilike ista. U ovom slučaju, period rada zemljanog izmjenjivača topline bio je trideset godina, a period "regeneracije" je također procijenjen na trideset godina.

Dakle, sistemi grijanja i hlađenja zgrada, koji koriste niskogradnu toplinu Zemlje, predstavljaju pouzdan izvor energije koji se može koristiti svuda. Ovaj izvor se može koristiti dosta dugo, a može se obnoviti na kraju radnog perioda.

Književnost

1. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih toplotnih pumpi (GHP) u Evropi i svetu; aspekti održivosti GHP. Međunarodni kurs geotermalnih toplotnih pumpi, 2002

2. Vasiljev G.P., Krundišev N.S. Energetski efikasna seoska škola u regionu Jaroslavlja. ABOK №5, 2002

3. Sanner B. Izvori toplote tla za toplotne pumpe (klasifikacija, karakteristike, prednosti). 2002

4. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih toplotnih pumpi (GHP) u Evropi i svetu; aspekti održivosti GHP. Međunarodni kurs geotermalnih toplotnih pumpi, 2002

5. ORKUSTOFNUN Radna grupa, Island (2001): Održiva proizvodnja geotermalne energije – predložena definicija. IGA News br. 43, januar-mart 2001, 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Sistemi toplotnih pumpi iz zemlje – evropsko iskustvo. GeoHeat Center Bull. 21/1, 2000

7. Ušteda energije sa toplotnim pumpama za stanovanje u hladnim klimama. Maxi brošura 08. KADET, 1997

8. Atkinson Schaefer L. Analiza toplinske pumpe apsorpcije sa jednim pritiskom. Predstavljena disertacija Akademskom fakultetu. Tehnološki institut Gruzije, 2000

9. Morley T. Obrnuti toplotni motor kao sredstvo za grijanje zgrada, The Engineer 133: 1922.

10. Fearon J. Istorijat i razvoj toplotne pumpe, hlađenja i klimatizacije. 1978

11. Vasiliev G.P. Energetski efikasne zgrade sa sistemima za snabdevanje toplotnom pumpom. ZhKH Magazin, br. 12, 2002

12. Smjernice za korištenje toplotnih pumpi koje koriste sekundarne izvore energije i netradicionalne obnovljive izvore energije. Moskomarchitectura. Državno jedinstveno preduzeće "NIAC", 2001

13. Energetski efikasna stambena zgrada u Moskvi. ABOK №4, 1999

14. Vasiliev G.P. Energetski efikasna eksperimentalna stambena zgrada u mikrookrug Nikulino-2. ABOK №4, 2002

Pa, ko ne želi da grije svoj dom besplatno, pogotovo u vrijeme krize, kada je svaka kuna bitna.

Već smo se dotakli teme kako, došao je red na kontroverzno tehnologije za grijanje kuće energijom zemlje (geotermalno grijanje).

Na dubini od oko 15 metara, temperatura zemlje je oko 10 stepeni Celzijusa. Svaka 33 metra temperatura raste za jedan stepen. Kao rezultat toga, da biste besplatno zagrijali kuću od oko 100 m2, dovoljno je izbušiti bunar od oko 600 metara i dobiti 22 stepena toplote tokom života!

Teoretski, sistem besplatnog grijanja iz energije zemlje je prilično jednostavan. U bunar se upumpava hladna voda koja se zagreva do 22 stepena i, po zakonima fizike, uz malu pomoć pumpe (400-600 vati), uzdiže se kroz izolovane cevi u kuću.

Nedostaci korištenja kopnene energije za grijanje privatne kuće:

- Pogledajmo pobliže finansijske troškove stvaranja ovakvog sistema grijanja. Prosječna cijena 1 m bušenja bunara je oko 3.000 rubalja. Ukupna dubina od 600 metara koštat će 1.800.000 rubalja. A to je samo bušenje! Bez ugradnje opreme za pumpanje i podizanje rashladne tečnosti.

- Različiti regioni Rusije imaju svoje karakteristike tla. Na nekim mjestima bušenje bunara od 50 metara nije lak zadatak. Potrebne su ojačane cijevi za kućište, ojačanje osovine itd.

— Izolacija rudničkog okna do takve dubine je gotovo nemoguća. Iz toga proizilazi da voda neće porasti sa temperaturom od 22 stepena.

– Za bušenje bunara od 600 metara potrebna je dozvola;

- Recimo da voda zagrijana na 22 stepena ulazi u kuću. Postavlja se pitanje kako potpuno "ukloniti" svu energiju zemlje sa nosača? Maksimalno, pri prolasku kroz cijevi u toploj kući, padne na 15 stepeni. Dakle, potrebna je moćna pumpa, koja će vodu sa dubine od 600 metara tjerati deset puta više da bi se postigao barem neki učinak. Ovdje postavljamo potrošnju energije neuporedivu sa uštedama.

Na dubini od oko 15 metara, temperatura zemlje je otprilike 10 stepeni Celzijusa

Slijedi logičan zaključak da grijanje kuće energijom zemlje daleko je od besplatnog, to može priuštiti samo osoba koja je daleko od siromaštva, kojoj nije posebno potrebna ušteda na grijanju. Naravno, može se reći da će takva tehnologija služiti i djeci i unucima stotinama godina, ali sve je to fantazija.

Idealista će reći da gradi kuću vekovima, a realista će se uvek oslanjati na investicionu komponentu - ja je pravim za sebe, ali ću je svakog trenutka prodati. Nije činjenica da će djeca biti vezana za ovu kuću i da je neće htjeti prodati.

Energija zemlje za grejanje doma je efikasna u sledećim regionima:

Na Kavkazu postoje primeri rada bunara sa mineralnom vodom koja izlazi sama, sa temperaturom od 45 stepeni, uzimajući u obzir temperaturu dubine od oko 90 stepeni.

Na Kamčatki je korištenje geotermalnih izvora s izlaznom temperaturom od oko 100 stepeni najbolja opcija za korištenje energije zemlje za grijanje kuće.

Tehnologija se razvija velikom brzinom. Efikasnost klasičnih sistema grijanja raste pred našim očima. Nesumnjivo, grijanje kuće energijom zemlje postat će jeftinije.

Video: Geotermalno grijanje. Energija Zemlje.

Promjena temperature sa dubinom. Zemljina površina se, zbog neravnomjernog snabdijevanja sunčevom toplinom, ili zagrijava ili hladi. Ove temperaturne fluktuacije prodiru vrlo plitko u debljinu Zemlje. Dakle, dnevne fluktuacije na dubini od 1 m obično se više ne oseća. Što se tiče godišnjih fluktuacija, one prodiru na različite dubine: u toplim zemljama za 10-15 m, au zemljama sa hladnim zimama i toplim ljetima do 25-30, pa čak i 40 m. Dublje od 30-40 m već svuda na Zemlji temperatura se održava konstantnom. Na primjer, termometar postavljen u podrumu Pariske opservatorije pokazuje 11°.85C cijelo vrijeme više od 100 godina.

Sloj sa konstantnom temperaturom posmatra se širom planete i naziva se pojasom konstantne ili neutralne temperature. Dubina ovog pojasa varira u zavisnosti od klimatskih uslova, a temperatura je približno jednaka srednjoj godišnjoj temperaturi ovog mesta.

Prilikom produbljivanja u Zemlju ispod sloja konstantne temperature obično se primjećuje postepeno povećanje temperature. To su prvi primijetili radnici u dubokim rudnicima. To je uočeno i pri postavljanju tunela. Tako je, na primjer, prilikom postavljanja tunela Simplon (u Alpama), temperatura porasla na 60 °, što je stvorilo znatne poteškoće u radu. U dubokim bušotinama primećuju se čak i više temperature. Primjer je Chukhovskaya bunar (Gornja Šlezija), u kojoj se na dubini od 2220 g. m temperatura je bila preko 80° (83°, 1) i tako dalje. m temperatura poraste za 1°C.

Naziva se broj metara koji je potrebno da uđete duboko u Zemlju da bi temperatura porasla za 1 °C geotermalni korak. Geotermalni korak u različitim slučajevima nije isti i najčešće se kreće od 30 do 35 m. U nekim slučajevima ove fluktuacije mogu biti i veće. Na primjer, u državi Michigan (SAD), u jednoj od bušotina koja se nalazi u blizini jezera. Michigan, pokazalo se da geotermalna faza nije bila 33, nego 70 m Naprotiv, vrlo mali geotermalni korak uočen je u jednoj od bušotina u Meksiku, tamo na dubini od 670 m bila je voda temperature 70°. Tako se pokazalo da je geotermalna faza tek oko 12 m. Mali geotermalni stepenici se takođe primećuju u vulkanskim regionima, gde na malim dubinama još uvek mogu biti neohlađeni slojevi magmatskih stena. Ali svi takvi slučajevi nisu toliko pravila koliko izuzeci.

Postoji mnogo razloga koji utiču na geotermalni stadijum. (Pored navedenog, može se ukazati na različitu toplotnu provodljivost stijena, prirodu pojave slojeva itd.

Teren je od velike važnosti u raspodjeli temperatura. Potonje se jasno može vidjeti na priloženom crtežu (slika 23), koji prikazuje dio Alpa duž linije tunela Simplon, sa geoizotermama iscrtanim isprekidanom linijom (tj. linije jednakih temperatura unutar Zemlje). Geoizoterme ovdje kao da ponavljaju reljef, ali s dubinom utjecaj reljefa postepeno opada. (Snažno savijanje geoizoterme u Balleu naniže je posljedica snažne cirkulacije vode koja je ovdje uočena.)

Temperatura Zemlje na velikim dubinama. Zapažanja o temperaturama u bušotinama, čija dubina rijetko prelazi 2-3 km, Naravno, oni ne mogu dati predstavu o temperaturama dubljih slojeva Zemlje. Ali tu nam u pomoć dolaze neke pojave iz života zemljine kore. Vulkanizam je jedan od takvih fenomena. Vulkani, rasprostranjeni na površini zemlje, donose rastopljenu lavu na površinu zemlje, čija je temperatura preko 1000°. Stoga na velikim dubinama imamo temperature koje prelaze 1000°.

Bilo je vremena kada su naučnici, na osnovu geotermalne faze, pokušavali da izračunaju dubinu na kojoj temperature mogu biti i do 1000-2000°. Međutim, takvi proračuni se ne mogu smatrati dovoljno potkrijepljenim. Zapažanja o temperaturi rashladne bazaltne kugle i teorijski proračuni daju razlog da se kaže da vrijednost geotermalnog koraka raste sa dubinom. Ali u kojoj mjeri i u kojoj dubini ide takvo povećanje, također još ne možemo reći.

Ako pretpostavimo da temperatura kontinuirano raste sa dubinom, onda bi je u centru Zemlje trebalo mjeriti u desetinama hiljada stepeni. Na takvim temperaturama sve nam poznate stijene trebale bi prijeći u tečno stanje. Istina, unutar Zemlje postoji ogroman pritisak, a o stanju tijela pri takvim pritiscima ne znamo ništa. Međutim, nemamo podataka koji bi tvrdili da temperatura kontinuirano raste sa dubinom. Sada većina geofizičara dolazi do zaključka da temperatura unutar Zemlje teško može biti veća od 2000°.

Izvori toplote. Što se tiče izvora toplote koji određuju unutrašnju temperaturu Zemlje, oni mogu biti različiti. Na osnovu hipoteza koje smatraju da je Zemlja nastala od usijane i rastopljene mase, unutrašnja toplota se mora smatrati zaostalom toplotom tela koje se topi sa površine. Međutim, postoji razlog za vjerovanje da bi uzrok unutrašnje visoke temperature Zemlje mogao biti radioaktivni raspad uranijuma, torija, aktinouranija, kalija i drugih elemenata sadržanih u stijenama. Radioaktivni elementi su uglavnom raspoređeni u kiselim stijenama površinske ljuske Zemlje, rjeđe su u dubokim bazičnim stijenama. Istovremeno, osnovne stijene su njima bogatije od željeznih meteorita, koji se smatraju fragmentima unutrašnjih dijelova kosmičkih tijela.

Unatoč maloj količini radioaktivnih tvari u stijenama i njihovom sporom raspadu, ukupna količina topline koja nastaje radioaktivnim raspadom je velika. Sovjetski geolog V. G. Khlopin izračunali su da su radioaktivni elementi sadržani u gornjoj 90-kilometarskoj ljusci Zemlje dovoljni da pokriju gubitak topline planete zračenjem. Zajedno sa radioaktivnim raspadom, toplotna energija se oslobađa prilikom kompresije Zemljine materije, tokom hemijskih reakcija itd.

temperatura unutar zemlje. Određivanje temperature u Zemljinim školjkama zasniva se na različitim, često indirektnim, podacima. Najpouzdaniji podaci o temperaturi odnose se na najgornji dio zemljine kore, koji je eksponiran rudnicima i bušotinama do maksimalne dubine od 12 km (Kola bunar).

Povećanje temperature u stepenima Celzijusa po jedinici dubine naziva se geotermalni gradijent, i dubina u metrima, tokom koje se temperatura povećava za 1 0 C - geotermalni korak. Geotermalni gradijent i, shodno tome, geotermalni korak variraju od mesta do mesta u zavisnosti od geoloških uslova, endogene aktivnosti u različitim oblastima, kao i heterogene toplotne provodljivosti stena. Istovremeno, prema B. Gutenbergu, granice fluktuacija se razlikuju više od 25 puta. Primjer za to su dva oštro različita gradijenta: 1) 150 o na 1 km u Oregonu (SAD), 2) 6 o na 1 km registrovan u Južnoj Africi. Prema ovim geotermalnim gradijentima, geotermalni korak se također mijenja od 6,67 m u prvom slučaju na 167 m u drugom. Najčešća kolebanja u gradijentu su u granicama od 20-50 o, a geotermalni korak je 15-45 m. Prosječni geotermalni gradijent odavno se uzima na 30 o C po 1 km.

Prema VN Žarkovu, geotermalni gradijent u blizini površine Zemlje procjenjuje se na 20 o C po 1 km. Na osnovu ove dvije vrijednosti geotermalnog gradijenta i njegove nepromjenjivosti duboko u Zemlju, tada je na dubini od 100 km trebala biti temperatura od 3000 ili 2000 o C. Međutim, to je u suprotnosti sa stvarnim podacima. Upravo na tim dubinama povremeno nastaju komore magme, iz kojih lava teče na površinu, čija je maksimalna temperatura 1200-1250 o. Razmatrajući ovu vrstu "termometra", brojni autori (V. A. Lyubimov, V. A. Magnitsky) smatraju da na dubini od 100 km temperatura ne može preći 1300-1500 o C.

Na višim temperaturama, stijene plašta bi se potpuno otopile, što je u suprotnosti sa slobodnim prolazom transverzalnih seizmičkih valova. Dakle, prosječni geotermalni gradijent može se pratiti samo do neke relativno male dubine od površine (20-30 km), a zatim bi se trebao smanjiti. Ali čak iu ovom slučaju, na istom mjestu, promjena temperature sa dubinom nije ujednačena. To se može vidjeti na primjeru promjene temperature sa dubinom duž bunara Kola koji se nalazi unutar stabilnog kristalnog štita platforme. Prilikom polaganja ove bušotine očekivao se geotermalni gradijent od 10 o na 1 km, pa se na projektnoj dubini (15 km) očekivala temperatura reda veličine 150 o C. Međutim, takav gradijent je bio samo do dubine od 3 km, a zatim se počeo povećavati za 1,5 -2,0 puta. Na dubini od 7 km temperatura je bila 120 o C, na 10 km -180 o C, na 12 km -220 o C. Pretpostavlja se da će na projektovanoj dubini temperatura biti blizu 280 o C. Kaspijski region, u području aktivnijeg endogenog režima. U njemu se na dubini od 500 m ispostavilo da je temperatura 42,2 o C, na 1500 m - 69,9 o C, na 2000 m - 80,4 o C, na 3000 m - 108,3 o C.

Kolika je temperatura u dubljim zonama plašta i jezgra Zemlje? Dobiveni su manje-više pouzdani podaci o temperaturi baze B sloja u gornjem plaštu (vidi sliku 1.6). Prema V. N. Žarkovu, "detaljne studije faznog dijagrama Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 omogućile su određivanje referentne temperature na dubini koja odgovara prvoj zoni faznih prelaza (400 km)" (tj. tranzicija olivina u spinel). Temperatura ovdje kao rezultat ovih istraživanja je oko 1600 50 o C.

Pitanje raspodjele temperatura u omotaču ispod sloja B i u Zemljinom jezgru još nije riješeno, pa se stoga iznose različiti stavovi. Može se samo pretpostaviti da temperatura raste sa dubinom sa značajnim smanjenjem geotermalnog gradijenta i povećanjem geotermalnog koraka. Pretpostavlja se da je temperatura u jezgru Zemlje u rasponu od 4000-5000 o C.

Prosječan hemijski sastav Zemlje. Za procjenu hemijskog sastava Zemlje koriste se podaci o meteoritima, koji su najvjerovatniji uzorci protoplanetarnog materijala od kojeg su nastale zemaljske planete i asteroidi. Do danas su mnogi meteoriti koji su pali na Zemlju u različito vrijeme i na različitim mjestima dobro proučeni. Prema sastavu razlikuju se tri vrste meteorita: 1) željezo, sastoji se uglavnom od gvožđa nikla (90-91% Fe), sa malom primesom fosfora i kobalta; 2) gvožđe-kamen(sideroliti), koji se sastoje od minerala željeza i silikata; 3) kamen, ili aeroliti, koji se uglavnom sastoje od ferrugino-magnezijskih silikata i inkluzija nikl željeza.

Najčešći su kameni meteoriti - oko 92,7% svih nalaza, kameno željezo 1,3% i željezo 5,6%. Kameni meteoriti se dijele u dvije grupe: a) hondriti sa malim zaobljenim zrnima - hondrule (90%); b) ahondriti koji ne sadrže hondrule. Sastav kamenih meteorita je blizak ultramafičnim magmatskim stijenama. Prema M. Bottu, oni sadrže oko 12% gvožđe-nikl faze.

Na osnovu analize sastava različitih meteorita, kao i dobijenih eksperimentalnih geohemijskih i geofizičkih podataka, jedan broj istraživača daje savremenu procenu bruto elementarnog sastava Zemlje, prikazanu u tabeli. 1.3.

Kao što se vidi iz podataka u tabeli, povećana distribucija se odnosi na četiri najvažnija elementa - O, Fe, Si, Mg, koji čine preko 91%. Grupa manje uobičajenih elemenata uključuje Ni, S, Ca, A1. Preostali elementi Mendeljejevljevog periodičnog sistema na globalnom nivou u smislu opšte distribucije su od sekundarnog značaja. Ako uporedimo date podatke sa sastavom zemljine kore, jasno se može uočiti značajna razlika koja se sastoji u naglom smanjenju O, Al, Si i značajnom porastu Fe, Mg i pojavi S i Ni u primjetnim količinama. .

Oblik Zemlje naziva se geoid. Dubinska struktura Zemlje se prosuđuje po uzdužnim i poprečnim seizmičkim talasima, koji, šireći se unutar Zemlje, doživljavaju prelamanje, refleksiju i slabljenje, što ukazuje na slojevitost Zemlje. Postoje tri glavna područja:

Zemljina kora;

plašt: gornji do dubine od 900 km, donji do dubine od 2900 km;

jezgro Zemlje je spoljašnje do dubine od 5120 km, unutrašnje do dubine od 6371 km.

Unutrašnja toplota Zemlje povezana je sa raspadom radioaktivnih elemenata - uranijuma, torijuma, kalijuma, rubidijuma itd. Prosečna vrednost toplotnog fluksa je 1,4-1,5 μkal/cm 2.s.

1. Kakav je oblik i veličina Zemlje?

2. Koje su metode za proučavanje unutrašnje strukture Zemlje?

3. Kakva je unutrašnja struktura Zemlje?

4. Koje seizmičke sekcije prvog reda se jasno razlikuju pri analizi strukture Zemlje?

5. Koje su granice dionica Mohorovića i Gutenberga?

6. Kolika je prosječna gustina Zemlje i kako se mijenja na granici između plašta i jezgra?

7. Kako se mijenja protok topline u različitim zonama? Kako se razumije promjena geotermalnog gradijenta i geotermalnog koraka?

8. Koji se podaci koriste za određivanje prosječnog hemijskog sastava Zemlje?

Književnost

• Voytkevich G.V. Osnove teorije o nastanku Zemlje. M., 1988.

• Zharkov V.N. Unutrašnja struktura Zemlje i planeta. M., 1978.

• Magnitsky V.A. Unutrašnja struktura i fizika Zemlje. M., 1965.

• Eseji komparativna planetologija. M., 1981.

• Ringwood A.E. Sastav i porijeklo Zemlje. M., 1981.