Energia geotermală și utilizarea ei, perspective pentru energia geotermală

Există o energie termică enormă în interiorul Pământului. Estimările de aici sunt încă destul de diferite, dar conform celor mai conservatoare estimări, dacă ne limităm la o adâncime de 3 km, atunci 8 x 1017 kJ de energie geotermală. În același timp, amploarea aplicării sale reale în țara noastră și în întreaga lume este nesemnificativă. Care este problema aici și care sunt perspectivele de utilizare a energiei geotermale?

Energia geotermală este energia căldurii Pământului. Energia eliberată din căldura naturală a Pământului se numește energie geotermală. Ca sursă de energie, căldura Pământului, combinată cu tehnologiile existente, poate satisface nevoile umanității pentru mulți, mulți ani. Și asta nici măcar nu atinge căldura care curge prea adânc, în zone până acum inaccesibile.

De milioane de ani, această căldură este eliberată din intestinele planetei noastre, iar viteza de răcire a miezului nu depășește 400 ° C pe miliard de ani! În același timp, temperatura nucleului Pământului, conform diverselor surse, nu este în prezent mai mică de 6650 ° C și scade treptat spre suprafața sa. 42 de trilioane de wați de căldură sunt radiați în mod constant de pe Pământ, dintre care doar 2% se află în crustă.

Energia termică internă a Pământului se manifestă din când în când în mod amenințător sub formă de erupții a mii de vulcani, cutremure, mișcări ale scoarței terestre și alte procese naturale, mai puțin vizibile, dar nu mai puțin globale.

Punctul de vedere științific despre cauzele acestui fenomen este că originea căldurii Pământului este legată de procesul continuu de descompunere radioactivă a uraniului, toriului și potasiului în interiorul planetei, precum și de separarea gravitațională a materiei. în miezul ei.

Stratul de granit al scoarței terestre, la o adâncime de 20.000 de metri, este principala zonă de dezintegrare radioactivă a continentelor, iar pentru oceane, mantaua superioară este stratul cel mai activ. Oamenii de știință cred că pe continente, la o adâncime de aproximativ 10.000 de metri, temperatura de la fundul scoarței este de aproximativ 700 ° C, în timp ce în oceane temperatura atinge doar 200 ° C.

Două procente din energia geotermală din scoarța terestră reprezintă o constantă de 840 de miliarde de wați, iar aceasta este energie accesibilă tehnologic. Cele mai bune locuri pentru a extrage această energie sunt zonele de lângă marginile plăcilor continentale, unde crusta este mult mai subțire, și zonele de activitate seismică și vulcanică — unde căldura pământului se manifestă foarte aproape de suprafață.

Unde și sub ce formă apare energia geotermală?

În prezent, dezvoltarea energiei geotermale este implicată activ în: SUA, Islanda, Noua Zeelandă, Filipine, Italia, El Salvador, Ungaria, Japonia, Rusia, Mexic, Kenya și alte țări, unde căldura din intestinele planetei se ridică la suprafață sub formă de abur și apă fierbinte, ieșind, la temperaturi care ajung la 300 ° C.

Ca exemple vii pot fi citate faimoasele gheizere din Islanda și Kamchatka, precum și faimosul Parc Național Yellowstone, situat în statele americane Wyoming, Montana și Idaho, care acoperă o suprafață de aproape 9.000 de kilometri pătrați.

Când vorbim despre energia geotermală, este foarte important să ne amintim că este în mare parte cu potențial scăzut, adică temperatura apei sau a aburului care iese din fântână nu este ridicată. Și acest lucru afectează semnificativ eficiența utilizării unei astfel de energie.

Faptul este că pentru producția de energie electrică astăzi este convenabil din punct de vedere economic ca temperatura lichidului de răcire să fie de cel puțin 150 ° C. În acest caz, acesta este trimis direct la turbină.

Exista instalatii care folosesc apa la o temperatura mai scazuta. În ele, apa geotermală încălzește lichidul de răcire secundar (de exemplu, Freon), care are un punct de fierbere scăzut. Aburul generat întoarce turbina. Dar capacitatea unor astfel de instalații este mică (10 — 100 kW) și, prin urmare, costul energiei va fi mai mare decât în ​​centralele electrice care utilizează apă la temperatură ridicată.

GeoPP în Noua Zeelandă

Depozitele geotermale sunt roci poroase umplute cu apă fierbinte. Ele sunt în esență cazane geotermale naturale.

Dar dacă apa cheltuită la suprafața pământului nu este aruncată, ci returnată în cazan? Crearea unui sistem de circulație? În acest caz, nu se va folosi doar căldura apei termale, ci și rocile din jur. Un astfel de sistem își va crește numărul total de 4-5 ori. Problema poluării mediului cu apă sărată este înlăturată, deoarece aceasta revine la orizontul subteran.

Sub formă de apă caldă sau abur, căldura este livrată la suprafață, unde este folosită fie direct pentru încălzirea clădirilor și caselor, fie pentru generarea de energie electrică. De asemenea, utilă este căldura de suprafață a Pământului, la care se ajunge de obicei prin forarea puțurilor, unde gradientul crește cu 1 °C la fiecare 36 de metri.

Pentru a absorbi această căldură, ei folosesc pompe de căldură… Apa caldă și aburul sunt folosite pentru a genera energie electrică și pentru încălzire directă, iar căldura concentrată adânc în absența apei este transformată într-o formă utilă de către pompele de căldură. Energia magmei și căldura care se acumulează sub vulcani sunt extrase în moduri similare.

În general, există o serie de metode standard pentru generarea de energie electrică în centralele geotermale, dar din nou fie direct, fie într-o schemă asemănătoare pompei de căldură.

În cel mai simplu caz, aburul este pur și simplu direcționat printr-o conductă către turbina unui generator electric. Într-o schemă complexă, aburul este prepurificat, astfel încât substanțele dizolvate să nu distrugă țevile. Într-o schemă mixtă, gazele dizolvate în apă sunt eliminate după condensarea aburului în apă.

În cele din urmă, există o schemă binară în care un alt lichid cu un punct de fierbere scăzut (schema schimbătorului de căldură) acționează ca lichid de răcire (pentru a prelua căldura și pentru a întoarce turbina generatorului).

Cele mai promițătoare sunt pompele de căldură cu absorbție în vid cu apă și clorură de litiu. Primele cresc temperatura apei termale din cauza consumului de energie electrică în pompa de vid de apă.

Apa de puț cu o temperatură de 60 - 90 ° C intră în evaporator cu vid. Aburul generat este comprimat de un turbocompresor. Presiunea este selectată în funcție de temperatura necesară a lichidului de răcire.

Dacă apa merge direct la sistemul de încălzire, atunci este de 90 - 95 ° C, dacă la rețelele de încălzire, atunci 120 - 140 ° C. În condensator, aburul condensat își dă căldura apei care circulă în încălzirea orașului. retele, sisteme de incalzire si apa calda .

Ce alte opțiuni există pentru a crește utilizarea energiei geotermale?

Una dintre direcții este legată de utilizarea zăcămintelor de petrol și gaze epuizate în mare măsură.

După cum știți, producția acestei materii prime în câmpurile vechi se realizează prin metoda de inundare a apei, adică apa este pompată în puțuri, ceea ce înlocuiește petrolul și gazul din porii rezervorului.

Pe măsură ce epuizarea progresează, rezervoarele poroase se umplu cu apă, care capătă temperatura rocilor din jur, iar astfel depozitele sunt transformate într-un cazan geotermal, din care se poate extrage simultan ulei și se obține apă pentru încălzire.

Desigur, trebuie forate puțuri suplimentare și creat un sistem de circulație, dar acest lucru va fi mult mai ieftin decât dezvoltarea unui nou câmp geotermal.

O altă opțiune este extragerea căldurii din rocile uscate prin formarea unor zone permeabile artificiale. Esența metodei este de a crea porozitate folosind explozii în roci uscate.

Extragerea căldurii din astfel de sisteme se realizează după cum urmează: două puțuri sunt forate la o anumită distanță una de cealaltă. Apa este pompată într-una, care, deplasându-se la a doua prin porii formați și prin crăpături, elimină căldura din roci, se încălzește și apoi se ridică la suprafață.

Astfel de sisteme experimentale funcționează deja în Statele Unite și Anglia. În Los Alamos (SUA), două puțuri — una cu adâncimea de 2.700 m, iar cealaltă — 2.300 m, sunt conectate prin fracturare hidraulică și umplute cu apă circulantă încălzită la o temperatură de 185 ° C. În Anglia, în Rosemenius. cariera, apa este incalzita la 80 °C.

Centrală geotermală

Căldura planetei ca resursă energetică

În apropierea orașului italian Larederello circulă o cale ferată electrică alimentată cu abur uscat dintr-o fântână. Sistemul este în funcțiune din 1904.

Câmpurile de gheizere din Japonia și San Francisco sunt alte două locuri celebre din lume care folosesc și abur uscat și fierbinte pentru a genera electricitate. În ceea ce privește aburul umed, câmpurile sale mai extinse sunt în Noua Zeelandă și mai mici ca suprafață - în Japonia, Rusia, El Salvador, Mexic, Nicaragua.

Dacă luăm în considerare căldura geotermală ca o resursă energetică, atunci rezervele sale sunt de zeci de miliarde de ori mai mari decât consumul anual de energie al omenirii din întreaga lume.

Doar 1% din energia termică a scoarței terestre, luată de la o adâncime de 10.000 de metri, ar fi suficientă pentru a suprapune de sute de ori rezervele de combustibili fosili, precum petrolul și gazele, produse continuu de omenire, ducând la epuizarea ireversibilă a subsolului şi a poluării mediului.

Acest lucru se datorează unor motive economice. Dar centralele geotermale au emisii foarte moderate de dioxid de carbon, aproximativ 122 kg per megawat oră de energie electrică generată, ceea ce este semnificativ mai mic decât emisiile de la generarea de energie pe bază de combustibili fosili.

GeoPE industrial și perspectivele energiei geotermale

Primul geoPE industrial cu o capacitate de 7,5 MW a fost construit în 1916 în Italia. De atunci, s-a acumulat o experiență neprețuită.

În 1975, capacitatea totală instalată a GeoPP în lume era de 1278 MW, iar în 1990 era deja de 7300 MW. Cele mai mari volume de dezvoltare a energiei geotermale sunt în Statele Unite, Mexic, Japonia, Filipine și Italia.

Primul geoPE de pe teritoriul URSS a fost construit în Kamchatka în 1966, capacitatea sa este de 12 MW.

Din 2003, centrala geografică Mutnovskaya funcționează în Rusia, a cărei putere este acum de 50 MW - este cea mai puternică centrală geoelectrică din Rusia în acest moment.

Cel mai mare GeoPP din lume este Olkaria IV din Kenya, cu o capacitate de 140 MW.

În viitor, este foarte probabil ca energia termică a magmei să fie folosită în acele regiuni ale planetei unde nu este prea adânc sub suprafața Pământului, precum și energia termică a rocilor cristaline încălzite, atunci când apă rece. este pompat într-o gaură forată la o adâncime de câțiva kilometri și apa caldă este returnată la suprafață sau abur, după care se încălzește sau generează energie electrică.

Se pune întrebarea - de ce există în prezent atât de puține proiecte finalizate care utilizează energia geotermală? În primul rând, pentru că sunt situate în locuri favorabile, unde apa fie se revarsă pe suprafața pământului, fie este situată foarte puțin adânc. În astfel de cazuri, nu este necesar să forați puțuri adânci, care reprezintă cea mai scumpă parte a dezvoltării energiei geotermale.

Utilizarea apelor termale pentru furnizarea de căldură este mult mai mare decât pentru producerea de energie electrică, dar acestea sunt încă mici și nu joacă un rol semnificativ în sectorul energetic.

Energia termică face doar primii pași, iar cercetările actuale, lucrările experimentale-industriale ar trebui să dea un răspuns pentru amploarea dezvoltării sale ulterioare.