Geotermalna energija in njena uporaba, perspektive geotermalne energije

V notranjosti Zemlje je ogromna toplotna energija. Ocene pri nas so sicer še precej različne, a po najbolj konservativnih ocenah, če se omejimo na globino 3 km, potem 8 x 1017 kJ geotermalne energije. Hkrati je obseg njegove dejanske uporabe pri nas in po svetu zanemarljiv. Za kaj gre tukaj in kakšni so obeti za izkoriščanje geotermalne energije?

Geotermalna energija je energija Zemljine toplote. Energija, sproščena iz naravne toplote Zemlje, se imenuje geotermalna energija. Kot vir energije lahko toplota Zemlje v kombinaciji z obstoječimi tehnologijami zadovoljuje potrebe človeštva še mnogo let. In to se niti ne dotika toplote, ki teče pregloboko, v območja, ki so bila doslej nedosegljiva.

Milijone let se ta toplota sprošča iz črevesja našega planeta, hitrost ohlajanja jedra pa ne presega 400 ° C na milijardo let! Hkrati temperatura Zemljinega jedra po različnih virih trenutno ni nižja od 6650 ° C in se postopoma zmanjšuje proti njeni površini. 42 trilijonov vatov toplote neprestano oddaja Zemlja, od tega le 2 % v skorji.

Notranja toplotna energija Zemlje se od časa do časa grozeče manifestira v obliki izbruhov na tisoče vulkanov, potresov, premikov zemeljske skorje in drugih, manj opaznih, a nič manj globalnih naravnih procesov.

Znanstveno stališče o vzrokih tega pojava je, da je izvor Zemljine toplote povezan z nenehnim procesom radioaktivnega razpada urana, torija in kalija v notranjosti planeta, pa tudi z gravitacijskim ločevanjem snovi. v svojem jedru.

Granitna plast zemeljske skorje na globini 20.000 metrov je glavno območje radioaktivnega razpada celin, za oceane pa je najaktivnejša plast zgornjega plašča. Znanstveniki verjamejo, da je na celinah, na globini približno 10.000 metrov, temperatura na dnu skorje približno 700 ° C, medtem ko v oceanih temperatura doseže le 200 ° C.

Dva odstotka geotermalne energije v zemeljski skorji je konstantnih 840 milijard vatov in to je tehnološko dostopna energija. Najboljša mesta za pridobivanje te energije so območja blizu robov celinskih plošč, kjer je skorja veliko tanjša, in območja seizmične in vulkanske dejavnosti – kjer se zemeljska toplota kaže zelo blizu površja.

Kje in v kakšni obliki se pojavlja geotermalna energija?

Trenutno se z razvojem geotermalne energije aktivno ukvarjajo: ZDA, Islandija, Nova Zelandija, Filipini, Italija, Salvador, Madžarska, Japonska, Rusija, Mehika, Kenija in druge države, kjer toplota iz črevesja planeta prihaja. dvigne na površje v obliki pare in vroče vode, izstopa pri temperaturah do 300 ° C.

Kot živahni primeri lahko navedemo slavne gejzirje Islandije in Kamčatke, pa tudi znameniti nacionalni park Yellowstone, ki se nahaja v ameriških zveznih državah Wyoming, Montana in Idaho in pokriva površino skoraj 9000 kvadratnih kilometrov.

Ko govorimo o geotermalni energiji, je zelo pomembno vedeti, da je večinoma nizkega potenciala, to pomeni, da temperatura vode ali pare, ki izhaja iz vrtine, ni visoka. In to bistveno vpliva na učinkovitost uporabe takšne energije.

Dejstvo je, da je za proizvodnjo električne energije danes ekonomsko smotrno, da je temperatura hladilne tekočine vsaj 150 ° C. V tem primeru se pošlje neposredno v turbino.

Obstajajo naprave, ki uporabljajo vodo pri nižji temperaturi. V njih geotermalna voda segreva sekundarno hladilno sredstvo (na primer freon), ki ima nizko vrelišče. Ustvarjena para vrti turbino. Toda zmogljivost takšnih naprav je majhna (10-100 kW), zato bodo stroški energije višji kot v elektrarnah, ki uporabljajo vodo pri visoki temperaturi.

GeoPP na Novi Zelandiji

Geotermalna nahajališča so porozne kamnine, napolnjene z vročo vodo. V bistvu so naravni geotermalni kotli.

Kaj pa, če vode, ki se porabi na površini zemlje, ne zavržemo, ampak vrnemo v kotel? Ustvarjanje cirkulacijskega sistema? V tem primeru ne bo izkoriščena samo toplota termalne vode, temveč tudi okoliške kamnine. Tak sistem bo skupno število povečal za 4-5 krat. Problem onesnaženosti okolja s slano vodo je odpravljen, saj se ta vrača v podzemni horizont.

V obliki vroče vode ali pare se toplota dovaja na površino, kjer se uporablja bodisi neposredno za ogrevanje zgradb in hiš bodisi za proizvodnjo električne energije. Uporabna je tudi površinska toplota Zemlje, ki jo običajno dosežemo z vrtanjem vrtin, kjer se gradient poveča za 1 °C na vsakih 36 metrov.

Za absorpcijo te toplote uporabljajo toplotne črpalke… Vroča voda in para se uporabljata za pridobivanje električne energije in neposredno ogrevanje, toploto, koncentrirano globoko v odsotnosti vode, pa toplotne črpalke pretvorijo v uporabno obliko. Energija magme in toplota, ki se kopiči pod vulkani, se črpata na podobne načine.

Na splošno obstaja več standardnih metod za pridobivanje električne energije v geotermalnih elektrarnah, vendar spet neposredno ali v shemi, podobni toplotni črpalki.

V najpreprostejšem primeru se para preprosto usmeri po cevovodu do turbine električnega generatorja. V kompleksni shemi je para predhodno prečiščena, tako da raztopljene snovi ne uničijo cevi. V mešani shemi se plini, raztopljeni v vodi, izločijo po kondenzaciji pare v vodi.

Končno obstaja še binarna shema, kjer druga tekočina z nizkim vreliščem (shema izmenjevalnika toplote) deluje kot hladilno sredstvo (za odvzem toplote in obračanje turbine generatorja).

Najbolj obetavne so vakuumske absorpcijske toplotne črpalke na vodo in litijev klorid. Prvi povečajo temperaturo termalne vode zaradi porabe električne energije v vakuumski vodni črpalki.

Vodna voda s temperaturo 60-90 ° C vstopi v vakuumski uparjalnik. Ustvarjeno paro stisne turbopolnilnik. Tlak je izbran glede na zahtevano temperaturo hladilne tekočine.

Če gre voda neposredno v ogrevalni sistem, potem je 90-95 ° C, če gre v ogrevalna omrežja, potem 120-140 ° C. V kondenzatorju kondenzirana para daje svojo toploto vodi, ki kroži v mestnem ogrevanju omrežja, ogrevalni sistemi in topla voda .

Katere druge možnosti obstajajo za povečanje uporabe geotermalne energije?

Ena od smeri je povezana z uporabo močno izčrpanih nahajališč nafte in plina.

Kot veste, se proizvodnja te surovine na starih poljih izvaja z metodo poplavljanja vode, to je, da se v vrtine črpa voda, ki izpodriva nafto in plin iz por rezervoarja.

Z napredovanjem izčrpavanja se porozni rezervoarji napolnijo z vodo, ki pridobi temperaturo okoliških kamnin, s čimer se nahajališča spremenijo v geotermalni kotel, iz katerega je mogoče hkrati črpati nafto in pridobivati ​​vodo za ogrevanje.

Seveda je treba izvrtati dodatne vrtine in ustvariti cirkulacijski sistem, vendar bo to veliko ceneje kot razvoj novega geotermalnega polja.

Druga možnost je pridobivanje toplote iz suhih kamnin z oblikovanjem umetnih prepustnih con. Bistvo metode je ustvariti poroznost z uporabo eksplozij v suhih kamninah.

Pridobivanje toplote iz takšnih sistemov poteka na naslednji način: dve vrtini se izvrtata na določeni razdalji drug od drugega. V eno se črpa voda, ki se skozi oblikovane pore in razpoke premika v drugo, odvzame toploto kamninam, se segreje in nato dvigne na površje.

Takšni poskusni sistemi že delujejo v ZDA in Angliji. V Los Alamosu (ZDA) sta dve vrtini - ena z globino 2.700 m in druga - 2.300 m, povezana s hidravličnim lomljenjem in napolnjena s krožečo vodo, segreto na temperaturo 185 ° C. V Angliji, v Rosemenius kamnolomu, vodo segrejemo na 80 °C.

Geotermalna elektrarna

Toplota planeta kot vir energije

V bližini italijanskega mesta Larederello vozi električna železnica, ki jo poganja suha para iz vodnjaka. Sistem deluje že od leta 1904.

Gejzirska polja na Japonskem in v San Franciscu sta drugi znani mesti na svetu, ki prav tako uporabljata suho vročo paro za proizvodnjo električne energije. Kar zadeva vlažno paro, so njena obsežnejša polja na Novi Zelandiji, manjša pa na Japonskem, v Rusiji, Salvadorju, Mehiki, Nikaragvi.

Če geotermalno toploto obravnavamo kot energetski vir, potem so njene zaloge več deset milijard krat večje od letne porabe energije človeštva po vsem svetu.

Samo 1 % toplotne energije zemeljske skorje, vzete iz globine 10.000 metrov, bi zadoščal, da bi stokrat prekril zaloge fosilnih goriv, ​​kot sta nafta in plin, ki jih nenehno proizvaja človeštvo, kar bi povzročilo nepopravljivo izčrpavanje podtalja in onesnaževanja okolja.

To je posledica ekonomskih razlogov. Toda geotermalne elektrarne imajo zelo zmerne emisije ogljikovega dioksida, približno 122 kg na megavatno uro proizvedene električne energije, kar je bistveno manj od emisij pri proizvodnji električne energije na fosilna goriva.

Obeti za industrijsko GeoPE in geotermalno energijo

Prva industrijska geoPE z močjo 7,5 MW je bila zgrajena leta 1916 v Italiji. Od takrat so se nabrale neprecenljive izkušnje.

Leta 1975 je bila skupna inštalirana moč GeoPP v svetu 1278 MW, leta 1990 pa že 7300 MW. Največji obseg razvoja geotermalne energije je v ZDA, Mehiki, na Japonskem, na Filipinih in v Italiji.

Prva geoPE na ozemlju ZSSR je bila zgrajena na Kamčatki leta 1966, njena zmogljivost je 12 MW.

Od leta 2003 v Rusiji deluje geografska elektrarna Mutnovskaya, katere moč je zdaj 50 MW - to je trenutno najmočnejša geoelektrarna v Rusiji.

Največja GeoPP na svetu je Olkaria IV v Keniji z zmogljivostjo 140 MW.

V prihodnosti je zelo verjetno, da se bo toplotna energija magme uporabljala v tistih regijah planeta, kjer ni pregloboko pod površjem Zemlje, kot tudi toplotna energija segretih kristalnih kamnin, ko hladna voda prečrpajo v izvrtano luknjo na globini nekaj kilometrov in vročo vodo vrnejo na površje ali paro, po kateri se ogrevajo ali proizvajajo elektriko.

Postavlja se vprašanje - zakaj je trenutno tako malo izvedenih projektov z uporabo geotermalne energije? Najprej zato, ker se nahajajo na ugodnih mestih, kjer se voda izliva na površino zemlje ali pa se nahaja zelo plitvo. V takih primerih ni treba vrtati globokih vrtin, ki so najdražji del razvoja geotermalne energije.

Poraba termalnih voda za oskrbo s toploto je veliko večja kot za proizvodnjo električne energije, vendar je še vedno majhna in nima pomembne vloge v energetiki.

Toplotna energetika dela šele prve korake in trenutne raziskave, eksperimentalno-industrijsko delo naj dajo odgovor za obseg njenega nadaljnjega razvoja.