Toplina zemlje. Čista i obnovljiva geotermalna energija

23.09.2019

Pročitajte također

Operacija "Blau" (dokumentarni film "Bitka za Staljingrad") Šta je njemački Blau planirao u ljeto 1942.

Događaji za vrijeme vladavine Svyatopolka Izyaslaviča Knez koji je vladao nakon Svyatopolka Izyaslaviča

Dan kada je počeo rat Deset dana za okupljanje vojske

Izraz "geotermalna energija" dolazi od grčkih riječi za zemlju (geo) i toplinu (toplota). Zapravo, geotermalna energija dolazi iz same zemlje. Toplota iz Zemljinog jezgra, koja u proseku iznosi 3.600 stepeni Celzijusa, zrači prema površini planete.

Zagrijavanje izvora i gejzira pod zemljom na dubini od nekoliko kilometara može se vršiti pomoću posebnih bunara kroz koje topla voda (ili para iz nje) teče na površinu, gdje se može koristiti direktno kao toplina ili indirektno za proizvodnju električne energije uključivanjem rotirajućim turbinama.

Budući da se voda ispod zemljine površine stalno obnavlja, a Zemljino jezgro će nastaviti proizvoditi toplinu u odnosu na ljudski život neograničeno, geotermalna energija će na kraju čista i obnovljiva.

Metode prikupljanja energetskih resursa Zemlje

Danas postoje tri glavne metode za prikupljanje geotermalne energije: suha para, topla voda i binarni ciklus. Proces suve pare direktno pokreće turbinske pogone generatora električne energije. Topla voda teče odozdo prema gore, a zatim se raspršuje u rezervoar kako bi se stvorila para za pogon turbina. Ove dvije metode su najčešće, proizvode stotine megavata električne energije u SAD-u, Islandu, Evropi, Rusiji i drugim zemljama. Ali lokacija je ograničena, jer ova postrojenja rade samo u tektonskim područjima gdje je pristup zagrijanoj vodi lakši.

Sa tehnologijom binarnog ciklusa, topla (ne nužno topla) voda se izvlači na površinu i kombinuje sa butanom ili pentanom, koji ima niske temperature ključanje. Ova tečnost se pumpa kroz izmjenjivač topline gdje se isparava i šalje kroz turbinu prije nego što se vrati natrag u sistem. Tehnologije binarnog ciklusa daju desetine megavata električne energije u Sjedinjenim Državama: Kaliforniji, Nevadi i Havajima.

Princip proizvodnje energije

Nedostaci geotermalne energije

Na nivou komunalnih usluga, geotermalne elektrane su skupe za izgradnju i rad. Za pretragu pogodno mjesto zahtijeva skupo ispitivanje bunara bez garancije da će doći do produktivne podzemne vruće tačke. Međutim, analitičari očekuju da će se ovaj kapacitet skoro udvostručiti u narednih šest godina.

Osim toga, područja sa visoke temperature podzemni izvori se nalaze u područjima sa aktivnim geološkim i hemijskim vulkanima. Ove "vruće tačke" se formiraju na granicama tektonskih ploča na mestima gde je kora prilično tanka. Pacifička regija, koja se često naziva vatrenim prstenom za mnoge vulkane, ima mnogo žarišta, uključujući Aljasku, Kaliforniju i Oregon. Nevada ima stotine vrućih tačaka koje pokrivaju veći dio sjevernih Sjedinjenih Država.

Postoje i drugi seizmi aktivna područja. Zemljotresi i kretanje magme omogućavaju kruženje vode. Na nekim mjestima voda izlazi na površinu i javljaju se prirodni topli izvori i gejziri, kao na primjer na Kamčatki. Voda u gejzirima Kamčatke dostiže 95°C.

Jedan od problema otvoreni sistem gejziri je oslobađanje određenih zagađivača zraka. Vodonik sulfid je otrovan plin vrlo prepoznatljivog mirisa" pokvareno jaje» - male količine arsena i minerala koji se oslobađaju parom. Sol takođe može predstavljati ekološki problem.

U priobalnim geotermalnim elektranama, značajne količine ometajuće soli akumuliraju se u cijevima. U zatvorenim sistemima nema emisija i sva tečnost iznesena na površinu se vraća.

Ekonomski potencijal energetskog resursa

Seizmički aktivna mjesta nisu jedina mjesta gdje se može pronaći geotermalna energija. Postoji stalna opskrba korisnom toplinom za potrebe direktnog grijanja na dubinama od 4 metra do nekoliko kilometara ispod površine gotovo bilo gdje na zemlji. Čak i tlo u vašem dvorištu ili lokalnoj školi ima ekonomski potencijal u obliku topline koja se može ispustiti u vaš dom ili druge zgrade.

Osim toga, postoji ogromna količina toplinske energije u suhim stijenama vrlo duboko ispod površine (4 – 10 km).

Upotreba nova tehnologija mogao proširiti geotermalne sisteme, gdje bi ljudi mogli koristiti tu toplinu za proizvodnju električne energije u mnogo većem obimu od konvencionalnih tehnologija. Prvi demonstracijski projekti ovog principa proizvodnje električne energije prikazani su u Sjedinjenim Državama i Australiji još 2013. godine.

Ukoliko se ostvari puni ekonomski potencijal geotermalnih resursa, to će predstavljati ogroman izvor električne energije za proizvodne kapacitete. Naučnici sugerišu da je to obično geotermalnih izvora imaju potencijal od 38.000 MW, što može proizvesti 380 miliona MW električne energije godišnje.

Vruće suhe stijene se javljaju na dubinama od 5 do 8 km svuda pod zemljom i na manjim dubinama na pojedinim mjestima. Pristup ovim resursima uključuje uvođenje hladne vode, cirkulaciju kroz vruće stijene i uklanjanje zagrijane vode. Trenutno ne postoje komercijalne aplikacije za ovu tehnologiju. Postojeće tehnologije još nije dozvoljeno vraćanje toplotnu energiju direktno iz magme, veoma duboka, ali je najmoćniji izvor geotermalne energije.

Kombinacijom energetskih resursa i njegove konzistentnosti, geotermalna energija može igrati nezamjenjivu ulogu kao čistiji, održiviji energetski sistem.

Strukture geotermalnih elektrana

Geotermalna energija je čista, održiva toplota sa Zemlje. Veliki resursi nalaze se u rasponu od nekoliko kilometara ispod površine zemlje, pa čak i dublje, do rastopljene stijene visoke temperature zvane magma. Ali kao što je gore opisano, ljudi još nisu stigli do magme.

Tri projekta geotermalnih elektrana

Tehnologija primjene određena je resursom. Ako voda dolazi iz bunara kao para, može se koristiti direktno. Ako je topla voda na dovoljno visokoj temperaturi, ona mora proći kroz izmjenjivač topline.

Prva bušotina za proizvodnju energije izbušena je prije 1924. godine. Dublje bušotine su izbušene 1950-ih, ali pravi razvoj se dogodio 1970-ih i 1980-ih.

Direktno korištenje geotermalne topline

Geotermalni izvori se također mogu koristiti direktno za potrebe grijanja. Topla voda se koristi za grijanje zgrada, uzgoj biljaka u staklenicima, sušenje ribe i usjeva, poboljšanje povrata ulja, pomoć u industrijskim procesima kao što su pasterizatori mlijeka i grijanje vode u ribnjacima. U Sjedinjenim Državama, Klamath Falls, Oregon i Boise, Idaho, koriste geotermalnu vodu za grijanje domova i zgrada više od jednog stoljeća. Na istočnoj obali, Warm Springs, Virginia dobiva toplinu direktno iz izvorske vode koristeći izvore topline u jednom od lokalnih ljetovališta.

Na Islandu se gotovo svaka zgrada u zemlji grije toplom izvorskom vodom. Zapravo, Island više od 50 posto svoje primarne energije dobiva iz geotermalnih izvora. U Reykjaviku, na primjer (118 hiljada stanovnika), topla voda se transportira preko 25 kilometara, a stanovnici je koriste za grijanje i prirodne potrebe.

Novi Zeland, dobija dodatnih 10% svoje električne energije. je nerazvijena, uprkos prisustvu termalnih voda.

2. Toplotni režim Zemlje

Zemlja je hladno kosmičko telo. Temperatura površine ovisi uglavnom o toplini koja dolazi izvana. 95% topline Zemljinog gornjeg sloja je vanjski (solarne) toplote, a samo 5% je toplota interni , koji dolazi iz utrobe Zemlje i uključuje nekoliko izvora energije. U unutrašnjosti Zemlje temperatura raste sa dubinom od 1300 o C (u gornjem plaštu) do 3700 o C (u centru jezgra).

Vanjska toplina. Toplota dolazi na površinu Zemlje uglavnom od Sunca. Svaki kvadratni centimetar površine primi oko 2 kalorije topline u roku od jedne minute. Ova količina se zove solarna konstanta i određuje ukupnu količinu toplote koja ulazi u Zemlju sa Sunca. Za godinu dana iznosi 2,26·10 21 kalorija. Dubina prodiranja sunčeve topline u utrobu Zemlje ovisi uglavnom o količini topline koja pada po jedinici površine i o toplinskoj provodljivosti stijena. Maksimalna dubina do koje prodire vanjska toplota je 200 m u okeanima, a oko 40 m na kopnu.

Unutrašnja toplina. Sa dubinom se uočava porast temperature, koji se javlja vrlo neravnomjerno u različitim područjima. Povećanje temperature slijedi adijabatski zakon i ovisi o kompresiji tvari pod pritiskom kada je izmjena topline sa okolinom nemoguća.

Glavni izvori toplote unutar Zemlje:

Toplota koja se oslobađa tokom radioaktivnog raspada elemenata.

Preostala toplota zadržana od formiranja Zemlje.

Gravitaciona toplota koja se oslobađa prilikom kompresije Zemlje i distribucije materije po gustini.

Toplota koja nastaje usled hemijskih reakcija koje se dešavaju u dubinama zemljine kore.

Toplota oslobođena plimnim trenjem Zemlje.

Postoje 3 temperaturne zone:

ja – zona varijabilne temperature . Temperaturne promjene su određene klimom područja. Dnevne fluktuacije praktično izumiru na dubini od oko 1,5 m, a godišnje fluktuacije na dubinama od 20...30 m. Ia - zona smrzavanja.

II – zona konstantne temperature , koji se nalazi na dubinama od 15...40 m u zavisnosti od regiona.

III – zona porasta temperature .

Temperaturni režim stijena u dubinama zemljine kore obično se izražava kao geotermalni gradijent i geotermalni korak.

Količina povećanja temperature za svakih 100 m dubine se naziva geotermalni gradijent. U Africi na polju Witwatersrand iznosi 1,5 °C, u Japanu (Echigo) - 2,9 °C, u Južnoj Australiji - 10,9 °C, u Kazahstanu (Samarinda) - 6,3 °C, na poluostrvu Kola - 0,65 °C.

Rice. 3. Temperaturne zone u zemljinoj kori: I – zona promjenljive temperature, Ia – zona smrzavanja; II – zona konstantnih temperatura; III – zona porasta temperature.

Dubina na kojoj temperatura poraste za 1 stepen naziva se geotermalna faza. Numeričke vrijednosti geotermalne faze nisu konstantne ne samo na različitim geografskim širinama, već i na različitim dubinama iste tačke u regiji. Veličina geotermalne stepenice varira od 1,5 do 250 m. U Arhangelsku je 10 m, u Moskvi - 38,4 m, au Pjatigorsku - 1,5 m. Teoretski, prosječna vrijednost ovog koraka je 33 m.

U bušotini izbušenoj u Moskvi do dubine od 1630 m, temperatura na dnu bila je 41 °C, au rudniku izbušenom u Donbasu do dubine od 1545 m, temperatura je bila 56,3 °C. Najviša temperatura zabilježena u SAD bila je u bušotini dubokoj 7136 m, gdje je iznosila 224 °C. Povećanje temperature sa dubinom treba uzeti u obzir pri projektovanju dubokih konstrukcija.Prema proračunima, na dubini od 400 km temperatura bi trebala dostići 1400...1700 °C. Najviše temperature (oko 5000 °C) postignute su za Zemljino jezgro.

U našoj zemlji, bogatoj ugljovodonicima, geotermalna energija je vrsta egzotičnog resursa, koji, s obzirom na sadašnje stanje, teško da će biti konkurencija naftom i gasom. Međutim ovo alternativni pogled energija se može koristiti skoro svuda i prilično efikasno.

Geotermalna energija je toplota unutrašnjosti Zemlje. Proizvodi se u dubinama i dopire do površine Zemlje različite forme i sa različitim intenzitetom.

Temperatura gornjih slojeva tlo uglavnom ovisi 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 promjene temperature zraka i sa određenim zakašnjenjem koje se povećava sa dubinom. Utjecaj dnevnih kolebanja temperature zraka završava se na dubinama od nekoliko do nekoliko desetina centimetara. Sezonske fluktuacije utiču na dublje slojeve tla - do desetina metara.

Na određenoj dubini - od desetina do stotina metara - temperatura tla ostaje konstantna, jednaka prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka na površini Zemlje. To možete 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). IN Istočni Sibir Debljina, odnosno debljina, cjelogodišnjih smrznutih tla na pojedinim mjestima dostiže 200–300 m.

Sa određene dubine (različite 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 rasti. sa dubinom.

Zagrijavanje dubokih slojeva Zemlje povezano je uglavnom s raspadom radioaktivnih elemenata koji se tamo nalaze, iako se i drugi izvori topline nazivaju, na primjer, fizičko-hemijski, tektonski procesi u dubokim slojevima zemljine kore i plašta. Ali bez obzira na razlog, 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 - njegova snaga je u prosjeku 0,03–0,05 W/m2, odnosno otprilike 350 Wh/m2 godišnje. Na pozadini toplotnog toka od Sunca i zraka koji se njime zagrijava, ovo je neprimjetna vrijednost: Sunce daje svakom kvadratnom metru zemljine površine oko 4000 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 unutrašnjosti prema površini u većem dijelu planete povezana je s niskom toplotnom provodljivošću stijena i osobenostima geološke strukture. Ali postoje izuzeci - mjesta gdje je protok topline visok. To su, prije svega, zone tektonskih rasjeda, povećane 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 nekoliko puta, pa čak i redova veličine, jači od "običnog". Vulkanske erupcije i topli izvori donose ogromne količine toplote na površinu u ovim zonama.

To su područja koja su 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 univerzalna pojava, a zadatak je da se „izvuče“ toplota iz dubine, 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 stupanj, toplina Zemljinih dubina se približava površini i ovo područje je perspektivnije za razvoj geotermalne energije.

IN različitim oblastima, u zavisnosti od geološke strukture i drugih regionalnih i lokalnih uslova, brzina porasta temperature sa dubinom može dramatično varirati. Na Zemljinoj skali, fluktuacije u veličini geotermalnih gradijenta i stepenica dostižu 25 puta. Na primjer, u Oregonu (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 otprilike 250-300°C. To je manje-više potvrđeno direktnim zapažanjima u ultra dubokim bušotinama, iako je slika mnogo složenija od linearnog povećanja temperature.

Na primjer, u superdubokoj bušotini Kola, izbušenoj u Baltičkom kristalnom štitu, temperatura do dubine od 3 km se mijenja brzinom od 10°C/1 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 bušotina izbušena u sjevernom Kaspijskom regionu, 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; 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 striktna definicija pojma „termalne vode“. U pravilu se podrazumijevaju tople podzemne vode u tečnom stanju ili u obliku pare, uključujući i one koje na površinu Zemlje izlaze 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 ekstrakcijom topline direktno iz suhih stijena - petrotermalne energije, pogotovo jer prilično visoke temperature, u pravilu, počinju s dubine od nekoliko kilometara.

Na teritoriji Rusije potencijal petrotermalne energije je sto puta veći od potencijala hidrotermalne energije - 3.500 i 35 triliona tona, respektivno. standardno gorivo. To je sasvim prirodno - toplina dubina Zemlje dostupna je posvuda, a termalne vode se nalaze lokalno. Međutim, zbog očiglednih tehničkih poteškoća, termalne vode se trenutno uglavnom koriste za proizvodnju toplinske i električne energije.

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

Generalno, geotermalni resursi u Rusiji, u smislu tona ekvivalentnog goriva ili bilo koje druge mjerne jedinice energije, približno su 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.

Teoretski, samo geotermalna energija bi mogla u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. Gotovo ovog trenutka 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 Eyjafjallajökull ( Eyjafjallajökull) u 2010. godini.

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

Na Islandu preko 60% sve energije koja se trenutno troši dolazi sa Zemlje. Geotermalni izvori obezbjeđuju 90% grijanja i 30% proizvodnje električne energije. Dodajmo da ostatak električne energije u zemlji proizvode hidroelektrane, odnosno također koristeći obnovljivi izvor energije, zbog čega Island izgleda kao svojevrsni globalni ekološki standard.

Pripitomljavanje geotermalne energije u 20. vijeku je uvelike koristilo Islandu ekonomski. Do sredine prošlog veka bila je veoma siromašna zemlja, a sada je na prvom mestu u svetu po instalirani kapacitet i proizvodnje geotermalne energije po glavi stanovnika i nalazi se u prvih deset po pitanju apsolutna vrijednost instalirani kapacitet geotermalnih elektrana. Međutim, njegova populacija je samo 300 tisuća ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potreba za tim je općenito mala.

Pored Islanda visok udio geotermalna energija u ukupnom bilansu proizvodnje električne energije obezbjeđuje se na Novom Zelandu i ostrvskim državama jugoistočne Azije (Filipini i Indonezija), zemljama Centralne Amerike i Istočne Afrike, čiju teritoriju takođe karakteriše visoka seizmička i vulkanska aktivnost. 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 je čak i god. početkom XIX stoljeća, lokalne tople termalne vode, koje su tekle prirodno ili izvađene iz plitkih bunara, korištene su u energetske svrhe.

Za dobijanje se koristila voda iz podzemnih izvora, bogata borom borna kiselina. U početku se ova kiselina dobivala isparavanjem u željeznim kotlovima, a kao gorivo se uzimalo obično drvo 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 - za grejanje lokalnih kuća i plastenika. Tamo, u Larderellu, 1904. godine, termalna vodena para postala je izvor energije za proizvodnju električne energije.

Primjer Italije slijedilo je još nekoliko zemalja krajem 19. i početkom 20. stoljeća. Na primjer, 1892. godine termalne vode su prvi put korištene za lokalno grijanje u SAD-u (Boise, Idaho), 1919. godine u Japanu, a 1928. godine na Islandu.

U SAD-u, prva elektrana na hidrotermalnu energiju pojavila se u Kaliforniji početkom 1930-ih, na Novom Zelandu - 1958., u Meksiku - 1959., u Rusiji (prvi binarni GeoPP) - 1965. godine.

Stari princip na novom izvoru

Za proizvodnju električne energije potrebna je veća temperatura hidroizvora nego za grijanje - više od 150°C. Princip rada geotermalna elektrana(GeoPP) je sličan principu rada konvencionalne termoelektrane (TE). Zapravo, geotermalna elektrana je vrsta termoelektrane.

U termoelektrani u ulozi primarni izvor Energija koja se koristi je obično ugalj, gas ili lož ulje, a radni fluid je vodena para. Gorivo, kada sagorijeva, zagrijava vodu do stanja pare, koja se rotira parna turbina, a 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 se dovodi do lopatica turbine električnog generatora u "spremnom" obliku direktno iz proizvodne bušotine. .

Postoje tri glavne operativne šeme za GeoPP: direktna, koristeći suvu (geotermalnu) paru; 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. Prva geoelektrana na svijetu u Larderellu 1904. godine također je radila na suhu paru.

GeoPP s indirektnom operativnom shemom najčešći su u naše vrijeme. Koriste vruće podzemne vode, koji se pod visokim pritiskom upumpava u isparivač, gdje se dio isparava, a nastala para rotira turbinu. U nekim slučajevima to je potrebno dodatni uređaji i krugovi za pročišćavanje geotermalne vode i pare od agresivnih spojeva.

Izduvna para ulazi u injekcioni bunar ili se koristi za grijanje prostorija - u ovom slučaju princip je isti kao kod rada termoelektrane.

Na binarnim GeoPP-ovima, topla termalna voda stupa u interakciju s drugom tekućinom koja obavlja funkcije radnog fluida s nižom tačkom ključanja. Oba fluida prolaze kroz izmjenjivač topline, gdje termalna voda isparava radni fluid, 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.

U svemu tri šeme Hidrotermalni izvor se eksploatiše, 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. Onda sve ovisi o tome kako se petrotermalna energija koristi - za grijanje ili za proizvodnju električne energije. Dostupan zatvorena petlja sa pumpanjem otpadne pare i vode nazad u injekcioni bunar 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 su ozbiljni troškovi i rizik od značajnih gubitaka topline kada se tekućina kreće prema gore. Stoga su petrotermalni sistemi još uvijek manje rasprostranjeni u odnosu na hidrotermalne, iako je potencijal petrotermalne energije za redove veličine veći.

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

Poklon od Lorda Kelvina

Pronalazak toplotne pumpe 1852. godine od strane fizičara Williama Thompsona (aka Lord Kelvin) omogućio je čovječanstvu prava prilika koristeći nisku toplotu iz gornjih slojeva tla. Sistem toplotne pumpe, ili kako ga je Thompson nazvao, množitelj toplote, zasniva se na fizičkom procesu prenosa toplote od okruženje na rashladno sredstvo. U suštini, koristi isti princip kao i petrotermalni sistemi. Razlika je u izvoru topline, u vezi s čime se može postaviti terminološko pitanje: u kojoj mjeri se toplotna pumpa može smatrati točno geotermalni sistem? Činjenica je da se u gornjim slojevima, do dubine od desetina do stotina metara, stijene i tekućine koje sadrže ne zagrijavaju dubokom toplinom zemlje, već suncem. Dakle, sunce je u ovom slučaju primarni izvor toplote, iako se uzima, kao u geotermalnim sistemima, iz zemlje.

Rad toplotne pumpe zasniva se na kašnjenju u zagrijavanju i hlađenju tla u odnosu na atmosferu, što rezultira stvaranjem temperaturnog gradijenta između površinskih i dubljih slojeva koji zadržavaju toplinu čak i zimi, baš kao što se to dešava u rezervoarima. . Osnovna namjena toplotnih pumpi je grijanje prostora. U suštini, to je „obrnuti frižider“. I toplotna pumpa i frižider su u interakciji sa tri komponente: unutrašnje okruženje(u prvom slučaju - grijana prostorija, u drugom - hlađeni odjeljak hladnjaka), vanjsko okruženje - izvor energije i rashladno sredstvo (rashladno sredstvo), koje je također rashladno sredstvo koje osigurava prijenos topline 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 frižideru tečno rashladno sredstvo teče kroz prigušnicu (regulator pritiska) u isparivač, gde usled naglog pada pritiska tečnost isparava. Isparavanje je endotermni proces koji zahtijeva apsorpciju topline izvana. Kao rezultat, toplina iz unutrašnji zidovi Uklanja se isparivač, čime se postiže efekat hlađenja u komori frižidera. Zatim se rashladno sredstvo uvlači iz isparivača u kompresor, gdje se vraća u tečnost stanje agregacije. Ovo je obrnuti proces koji vodi do oslobađanja uklonjene topline u spoljašnje okruženje. U pravilu se baca u zatvorenom prostoru, i zadnji zid frižider je relativno topao.

Toplotna pumpa radi na skoro isti način, s tom razlikom što se toplota uzima iz spoljašnje sredine i preko isparivača ulazi u unutrašnje okruženje – sistem grejanja prostorije.

U pravoj toplotnoj pumpi voda se zagreva prolaskom kroz spoljašnji krug postavljen u zemlju ili rezervoar, a zatim ulazi u isparivač.

U isparivaču se toplota prenosi na unutrašnji krug ispunjen rashladnim sredstvom niske tačke ključanja, koje, prolazeći kroz isparivač, prelazi iz tečno stanje u gasoviti oblik, oduzimajući toplotu.

Plinoviti rashladni fluid tada ulazi u kompresor, gdje se komprimira visokog pritiska i temperature, te ulazi u kondenzator, gdje dolazi do razmjene topline između vrućeg plina i rashladnog sredstva iz sistema grijanja.

Za rad kompresora je potrebna električna energija, ali je omjer transformacije (omjer potrošene i proizvedene energije) u modernim sistemima 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 gotovo neiscrpan resurs. Geotermalna energija nije potrebna velike površine, za razliku od velikih hidroelektrana ili vjetroelektrana, i ne zagađuje atmosferu, za razliku od ugljikovodične energije. U prosjeku, GeoPP zauzima 400 m 2 u smislu 1 GW proizvedene električne energije. Ista brojka za termoelektranu na ugalj, na primjer, iznosi 3600 m2. Ekološke prednosti GeoPP-a uključuju i nisku potrošnju vode - 20 litara pitke 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 identifikuju 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 (visoke temperature i mineralizacije), često sadrži velike količine toksičnih jedinjenja, pa stoga postoji problem odlaganja otpadnih voda i opasnih materija.

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

U fazi rada GeoPP-a ostaju 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), kuhinjska so(NaCl), bor (B), arsen (As), živa (Hg). Kada se ispuste u spoljašnju sredinu, postaju izvori zagađenja. Osim toga, agresivno kemijsko okruženje može uzrokovati korozivno uništavanje struktura geotermalnih elektrana.

Istovremeno, emisije zagađujućih materija iz GeoPP su u prosjeku niže nego iz termoelektrana. Na primjer, emisije ugljen-dioksid za svaki kilovat-sat proizvedene električne energije iznosi do 380 g u GeoPP, 1042 g u termoelektranama na ugalj, 906 g u elektranama na lož ulje i 453 g u termoelektranama na plin.

Postavlja se pitanje: šta učiniti sa otpadnim vodama? Ako je mineralizacija niska, može se nakon hlađenja ispustiti u površinske vode. Drugi način je da se pumpa natrag u vodonosni sloj kroz injekcionu bušotinu, koja se trenutno prvenstveno koristi.

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 po pravilu mala, iako su zabilježeni izolovani slučajevi (npr. na GeoPP-u u Staufen im Breisgau u Njemačkoj).

Treba naglasiti da se većina GeoPP 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 instalisanog kapaciteta, tj. jeftine opcije uporedivi 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 i potreba za prečišćavanjem vode mogu višestruko povećati troškove.

Na primjer, ulaganja u stvaranje petrotermalne energije cirkulacioni sistem(PCS) se procjenjuju na 1,6-4 hiljade dolara po 1 kW instalirane snage, što premašuje troškove izgradnje nuklearna elektrana i uporedivi sa troškovima izgradnje vjetroelektrana i solarnih elektrana.

Očigledna ekonomska prednost GeoTES-a je besplatna energija. 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 spoljnih uslova cena energije. Općenito, operativni troškovi geotermalnih elektrana procjenjuju se na 2-10 centi (60 kopejki-3 rublje) po 1 kWh proizvedene energije.

Druga najveća rashodna stavka nakon energije (i veoma značajna) je, po pravilu, nadnica osoblje fabrike, koje se može dramatično razlikovati u različitim zemljama i regionima.

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

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

Indikatori ekonomske efikasnosti geotermalnog sistema zavise, na primjer, od toga da li je potrebno otpadne vode zbrinuti i na koji način se to radi, te 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 kemijska proizvodnja bila primarna, a korištenje geotermalne energije u početku je bilo pomoćne prirode.

Geotermalna energija naprijed

Geotermalna energija se razvija nešto drugačije od vjetra i sunca. Trenutno, to u mnogo većoj mjeri ovisi o prirodi samog resursa, koji naglo varira po regijama, a najveće koncentracije su povezane s uskim zonama geotermalnih anomalija, obično povezanih s područjima tektonskih rasjeda i vulkanizma.

Osim toga, geotermalna energija je tehnološki manje intenzivna u odnosu na energiju vjetra i, posebno, solarnu energiju: sistemi geotermalnih stanica su prilično jednostavni.

U ukupnoj strukturi globalne proizvodnje električne energije geotermalna komponenta čini manje od 1%, ali u nekim regijama i zemljama njen udio dostiže 25-30%. Zbog povezanosti sa geološkim prilikama, značajan dio kapaciteta geotermalne energije koncentrisan je u zemljama trećeg svijeta, gdje se izdvajaju tri klastera najvećeg razvoja industrije - ostrva jugoistočne Azije, Centralne Amerike i Istočna Afrika. Prve dvije regije su uključene u pacifički „vatreni pojas Zemlje“, treći je vezan za istočnoafrički rascjep. Najvjerovatnije je da će geotermalna energija nastaviti da se razvija u ovim pojasevima. Daleka perspektiva je razvoj petrotermalne energije, koristeći toplinu slojeva zemlje koji leže na dubini od nekoliko kilometara. To je gotovo sveprisutan resurs, ali je potrebno njegovo vađenje visoki troškovi Stoga se petrotermalna energija razvija prvenstveno u ekonomski i tehnološki najmoćnijim zemljama.

Općenito, imajući u vidu široku distribuciju 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 istih.

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 ogromne zemlje još uvijek zanemarljiv.

Dva regiona su postala pioniri i centri za razvoj geotermalne energije u Rusiji - Kamčatka i Severni Kavkaz, i ako je u prvom slučaju prije svega riječ o električnoj energiji, onda u drugom - o korištenju toplinske energije termalne vode.

Na Sjevernom Kavkazu - u Krasnodar region, Čečenija, Dagestan - toplina termalnih voda korištena je u energetske svrhe još prije Velikog Otadžbinski rat. Tokom 1980-1990-ih, razvoj geotermalne energije u regionu je, iz očiglednih razloga, zastao i još nije izašao iz stanja stagnacije. Ipak, snabdijevanje geotermalnom vodom 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, pre svega, sa izgradnjom GeoPP. Prve od njih, još uvek aktivne stanice Paužetskaja i Paratunka, izgrađene su 1965-1967, dok je Paratunka GeoPP kapaciteta 600 kW postala prva stanica na svetu sa binarnim ciklusom. To je bio razvoj sovjetskih naučnika S.S. Kutateladzea i A.M. Rosenfelda sa Instituta za termofiziku SB RAS, koji su 1965. godine dobili autorski certifikat za ekstrakciju električne energije iz vode temperature 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 se na stanici gradi binarna jedinica koja 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 sa ukupnim kapacitetom energetskih jedinica od 12 MW, puštena u rad 1999. godine, i Mutnovskaya GeoPP sa kapacitetom od 50 MW (2002).

GeoPP Mutnovskaya i Verkhne-Mutnovskaya 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, gdje je zima 9-10 mjeseci u godini. 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%. Postoje planovi za povećanje kapaciteta u narednim godinama.

Posebno treba spomenuti ruske petrotermalne razvoje. Još nemamo velike PCB-e, ali imamo Hi-tech bušenje do velikih dubina (oko 10 km), koje također nemaju analoga u svijetu. Njihov dalji razvoj će radikalno smanjiti troškove 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 nacionalno ekonomsko predviđanje Ruske akademije nauka) i stručnjaci iz Kaluške turbinske fabrike. Trenutno je projekat petrotermalnog cirkulacijskog sistema u Rusiji u eksperimentalnoj fazi.

Geotermalna energija ima perspektive u Rusiji, iako su relativno udaljene: potencijal je u ovom trenutku prilično velik, a pozicija tradicionalne energije je jaka. Istovremeno, u nizu udaljenih područja zemlje korištenje geotermalne energije je ekonomski isplativo i već je traženo. To su teritorije sa visokim geoenergetskim potencijalom (Čukotka, Kamčatka, Kurilska ostrva - ruski deo Pacifički „vatreni pojas Zemlje“, planine Južnog Sibira i Kavkaza) i istovremeno udaljeni i odsječeni od centraliziranog snabdijevanja energijom.

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

U našoj zemlji, bogatoj ugljovodonicima, geotermalna energija je vrsta egzotičnog resursa, koji, s obzirom na sadašnje stanje, teško da će biti konkurencija naftom i gasom. Međutim, ova alternativna vrsta energije može se koristiti gotovo svuda i prilično efikasno.

Geotermalna energija je toplota unutrašnjosti Zemlje. Proizvodi se u dubinama i dopire do površine 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 promjene temperature zraka i sa određenim zakašnjenjem koje se povećava sa dubinom. Utjecaj dnevnih kolebanja temperature zraka završava se na dubinama od nekoliko do nekoliko desetina centimetara. Sezonske fluktuacije utiču na dublje slojeve tla - do desetina metara.

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 na nekim mjestima dostiže 200-300 m.

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

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 stupanj, toplina Zemljinih dubina se 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 Zemljinoj skali, fluktuacije u veličini geotermalnih gradijenta i stepenica dostižu 25 puta. Na primjer, u Oregonu (SAD) gradijent je 150°C na 1 km, au Južnoj Africi - 6°C na 1 km.

Drugi primjer je bušotina izbušena u sjevernom Kaspijskom regionu, 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 .

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

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 ekstrakcijom topline direktno iz suhih stijena - petrotermalne energije, pogotovo jer prilično visoke temperature, u pravilu, počinju s dubine od nekoliko kilometara.

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

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

Generalno, geotermalni resursi u Rusiji, u smislu tona ekvivalentnog goriva ili bilo koje druge mjerne jedinice energije, približno su 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.

Teoretski, samo geotermalna energija bi mogla u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. U praksi, trenutno na većem dijelu njene teritorije to nije izvodljivo iz tehničkih i ekonomskih razloga.

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

Pripitomljavanje geotermalne energije u 20. vijeku je uvelike koristilo Islandu ekonomski. Do sredine prošlog stoljeća bila je vrlo siromašna država, sada je prva u svijetu po instaliranom kapacitetu i proizvodnji geotermalne energije po glavi stanovnika i u prvih deset po apsolutnoj instaliranoj snazi geotermalnih elektrana . 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 zemlje jugoistočne Azije (Filipini i Indonezija), zemlje Centralne Amerike i Istočne Afrike, čija je teritorija takođe karakterizira visoka seizmička i vulkanska aktivnost. 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 početkom 19. stoljeća lokalne tople termalne vode, koje su tekle prirodno ili vađene iz plitkih bunara, koristile u energetske svrhe.

Voda iz podzemnih izvora, bogata borom, korišćena je ovde za dobijanje borne kiseline. U početku se ova kiselina dobivala isparavanjem u željeznim kotlovima, a kao gorivo se uzimalo obično drvo 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 - za grejanje lokalnih kuća i plastenika. Tamo, u Larderellu, 1904. godine, termalna vodena para postala je izvor energije za proizvodnju električne energije.

U SAD-u, prva elektrana na hidrotermalnu energiju pojavila se u Kaliforniji početkom 1930-ih, na Novom Zelandu - 1958., u Meksiku - 1959., u Rusiji (prvi binarni GeoPP) - 1965. godine.

Stari princip na novom izvoru

Za proizvodnju električne energije potrebna je veća temperatura hidroizvora nego za grijanje - više od 150°C. Princip rada geotermalne elektrane (GeoPP) sličan je principu rada konvencionalne termoelektrane (CHP). Zapravo, geotermalna elektrana je vrsta termoelektrane.

U termoelektranama je primarni izvor energije najčešće ugalj, plin ili lož ulje, a radni fluid je vodena para. Gorivo, kada sagorijeva, zagrijava vodu u paru, koja rotira parnu turbinu, koja proizvodi električnu energiju.

Postoje tri glavne operativne šeme za GeoPP: direktna, koristeći suvu (geotermalnu) paru; indirektni, bazirani na hidrotermalnoj vodi, i mješoviti, ili binarni.

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

GeoPP s indirektnom operativnom shemom 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 injekcioni bunar ili se koristi za grijanje prostorija - u ovom slučaju princip je isti kao kod rada termoelektrane.

Princip rada binarnog GeoPP-a. Topla termalna voda stupa u interakciju s drugom tekućinom koja obavlja funkciju radnog fluida i ima nižu tačku ključanja. Oba fluida prolaze kroz izmjenjivač topline, gdje termalna voda isparava radni fluid, čije pare, zauzvrat, rotiraju turbinu

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. Onda sve ovisi o tome kako se petrotermalna energija koristi - za grijanje ili za proizvodnju električne energije. Zatvoreni ciklus je moguć sa pumpanjem otpadne pare i vode nazad u injekcionu bušotinu ili na drugi način odlaganja.

Šema rada petrotermalnog sistema. Sistem se zasniva na korišćenju temperaturnog gradijenta između površine zemlje i njene unutrašnjosti, gde je temperatura viša. Voda sa površine se pumpa u injekcionu bušotinu i zagrijava na dubini, a zatim se zagrijana voda ili para nastala kao rezultat zagrijavanja dovodi na površinu kroz proizvodnu bušotinu.

Poklon od Lorda Kelvina

Pronalazak toplotne pumpe 1852. godine od strane fizičara Williama Thompsona (poznatog kao Lord Kelvin) pružio je čovječanstvu stvarnu priliku da iskoristi nisku toplotu 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 suštini, koristi isti princip kao i petrotermalni sistemi. Razlika je u izvoru toplote, što može postaviti terminološko pitanje: u kojoj meri se toplotna pumpa može smatrati geotermalnim sistemom? Činjenica je da se u gornjim slojevima, do dubine od desetina do stotina metara, stijene i tekućine koje sadrže ne zagrijavaju dubokom toplinom zemlje, već suncem. Dakle, sunce je u ovom slučaju primarni izvor toplote, iako se uzima, kao u geotermalnim sistemima, iz zemlje.

Rad toplotne pumpe zasniva se na kašnjenju u zagrijavanju i hlađenju tla u odnosu na atmosferu, što rezultira stvaranjem temperaturnog gradijenta između površinskih i dubljih slojeva koji zadržavaju toplinu čak i zimi, baš kao što se to dešava u rezervoarima. . Osnovna namjena toplotnih pumpi je grijanje prostora. U suštini, to je „obrnuti frižider“. I toplotna pumpa i frižider su u interakciji sa tri komponente: unutrašnjim okruženjem (u prvom slučaju - zagrejana prostorija, u drugom - hlađenom komorom frižidera), spoljašnjim okruženjem - izvorom energije i rashladnim sredstvom (rashladnim sredstvom) , koji je ujedno i rashladno sredstvo koje osigurava prijenos topline 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 frižideru tečno rashladno sredstvo teče kroz prigušnicu (regulator pritiska) u isparivač, gde usled naglog pada pritiska tečnost isparava. Isparavanje je endotermni proces koji zahtijeva apsorpciju topline izvana. Kao rezultat, toplina se uklanja sa unutrašnjih zidova isparivača, što osigurava rashladni efekat u komori hladnjaka. Zatim se rashladno sredstvo uvlači iz isparivača u kompresor, gdje se vraća u tečno stanje. Ovo je obrnuti proces koji dovodi do oslobađanja uklonjene topline u vanjsko okruženje. U pravilu se baca u zatvorenom prostoru, 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 preko isparivača ulazi u unutrašnje okruženje – sistem grejanja prostorije.

U pravoj toplotnoj pumpi voda se zagreva prolaskom kroz spoljašnji krug postavljen u zemlju ili rezervoar, a zatim ulazi u isparivač.

U isparivaču se toplina prenosi na unutrašnji krug ispunjen rashladnim sredstvom niske točke ključanja, koje, prolazeći kroz isparivač, prelazi iz tekućeg u plinovito stanje, oduzimajući toplinu.

Zatim, plinoviti rashladni fluid ulazi u kompresor, gdje se komprimira do visokog tlaka i temperature, te ulazi u kondenzator, gdje dolazi do izmjene topline između vrućeg plina i rashladnog sredstva iz sistema grijanja.

Za rad kompresora je potrebna električna energija, ali je omjer transformacije (omjer potrošene i proizvedene energije) u modernim sistemima 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 gotovo neiscrpan resurs. Geotermalna energija ne zahtijeva velike površine, za razliku od velikih hidroelektrana ili vjetroelektrana, i ne zagađuje atmosferu, za razliku od ugljikovodične energije. U prosjeku, GeoPP zauzima 400 m 2 u smislu 1 GW proizvedene električne energije. Ista brojka za termoelektranu na ugalj, na primjer, iznosi 3600 m2. Ekološke prednosti GeoPP-a uključuju i nisku potrošnju vode - 20 litara pitke 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 identifikuju buka, toplotno zagađenje atmosfere i hemijsko zagađenje vode i tla, kao i stvaranje čvrstog otpada.

Glavni izvor hemijskog zagađivanja životne sredine je sama termalna voda (visoke temperature i mineralizacije), koja često sadrži velike količine toksičnih jedinjenja, pa se javlja problem odlaganja otpadnih voda i opasnih materija.

U fazi rada GeoPP-a ostaju 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), kuhinjsku so (NaCl), bor (B), arsen (As ), živa (Hg). Kada se ispuste u spoljašnju sredinu, postaju izvori zagađenja. Osim toga, agresivno kemijsko okruženje može uzrokovati korozivno uništavanje struktura geotermalnih elektrana.

Istovremeno, emisije zagađujućih materija iz GeoPP su u prosjeku niže nego iz termoelektrana. Na primjer, emisije ugljičnog dioksida za svaki kilovat-sat proizvedene električne energije iznose do 380 g u GeoPP, 1042 g u termoelektranama na ugalj, 906 g u elektranama na naftu i 453 g u termoelektranama na plin. .

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 i potreba za prečišćavanjem vode mogu višestruko povećati troškove.

Na primjer, ulaganja u stvaranje petrotermalnog cirkulacijskog sistema (PCS) 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.

Druga najveća stavka rashoda nakon energije (i veoma značajna) su, po pravilu, plate osoblja u fabrici, koje mogu dramatično da variraju u različitim zemljama i regionima.

Geotermalna energija naprijed

Osim toga, geotermalna energija je tehnološki manje intenzivna u odnosu na energiju vjetra i, posebno, solarnu energiju: sistemi geotermalnih stanica su prilično jednostavni.

U ukupnoj strukturi globalne 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 su uključene u pacifički „vatreni pojas Zemlje“, treći je vezan za istočnoafrički rascjep. Najvjerovatnije je da će geotermalna energija nastaviti da se razvija u ovim pojasevima. Daleka perspektiva je razvoj petrotermalne energije, koristeći toplinu slojeva zemlje 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.

Od Kamčatke do Kavkaza

Dva regiona su postala pioniri i centri za razvoj geotermalne energije u Rusiji - Kamčatka i Severni Kavkaz, i ako je u prvom slučaju reč pre svega o elektroenergetskoj industriji, onda u drugom - o korišćenju toplotne energije iz 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 nije izašao iz stanja stagnacije. Ipak, snabdijevanje geotermalnom vodom 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.

GeoPP Mutnovskaya i Verkhne-Mutnovskaya 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 u godini. 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%. Postoje planovi za povećanje kapaciteta u narednim godinama.

Posebno treba spomenuti ruske petrotermalne razvoje. Još nemamo velike centre za bušenje, ali imamo napredne tehnologije za bušenje na velikim dubinama (oko 10 km), koje takođe nemaju analoga u svijetu. Njihov dalji razvoj će radikalno smanjiti troškove 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 nacionalno ekonomsko predviđanje Ruske akademije nauka) i stručnjaci iz Kaluške turbinske fabrike. Trenutno je projekat petrotermalnog cirkulacijskog sistema u Rusiji u eksperimentalnoj fazi.

Geotermalna energija ima perspektive u Rusiji, iako su relativno udaljene: potencijal je u ovom trenutku prilično velik, a pozicija tradicionalne energije je jaka. Istovremeno, u nizu udaljenih područja zemlje korištenje geotermalne energije je ekonomski isplativo i već je traženo. To su teritorije sa visokim geoenergetskim potencijalom (Čukotka, Kamčatka, Kurilska ostrva - ruski deo pacifičkog „vatrenog pojasa Zemlje“, planine Južnog Sibira i Kavkaza) i istovremeno udaljene i odsečene od centralizovanih zalihe energije.

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

Kiril Degtjarev,
Istraživač, Moskovski državni univerzitet M. V. Lomonosova
“Nauka i život” br. 9, br. 10 2013

Ljudi odavno znaju za spontane manifestacije gigantske energije skrivene u dubinama globus. Sećanje čovječanstva sadrži legende o katastrofalnim vulkanskim erupcijama koje su odnijele milione ljudskih života i promijenile izgled mnogih mjesta na Zemlji do neprepoznatljivosti. Snaga erupcije čak i relativno malog vulkana je kolosalna, višestruko je veća od snage najvećeg elektrane stvoreno ljudskom rukom. Istina, nema potrebe govoriti o direktnom korištenju energije vulkanskih erupcija: ljudi još nemaju sposobnost obuzdati ovaj buntovni element, a, na sreću, ove erupcije su prilično rijetki događaji. Ali to su manifestacije energije skrivene u utrobi zemlje, kada se samo mali dio ove neiscrpne energije oslobađa kroz otvore vulkana koji dišu vatru.

Mala evropska država Island („zemlja leda“ u doslovnom prijevodu) potpuno je samodovoljna paradajzom, jabukama, pa čak i bananama! Brojni islandski staklenici dobivaju energiju iz topline zemlje, na Islandu praktički nema drugih lokalnih izvora energije. Ali ova zemlja je veoma bogata topli izvori i poznati gejziri - fontane vruća voda, sa preciznošću hronometra koji izbija iz zemlje. I iako Islanđani nemaju prioritet u korišćenju toplote podzemnih izvora (čak su i stari Rimljani donosili vodu iz podzemlja u čuvene terme - terme Karakale), stanovnici ove male severne zemlje podzemna kotlarnica radi vrlo intenzivno. Glavni grad Reykjavik, u kojem živi polovina stanovništva zemlje, grije se samo podzemnim izvorima. Reykjavik je idealno polazište za istraživanje Islanda: odavde možete ići na najzanimljivije i najraznovrsnije izlete u bilo koji kutak ove jedinstvene zemlje: gejziri, vulkani, vodopadi, planine riolit, fjordovi... Svuda u Reykjaviku ćete se osjećati ČISTOM ENERGIJA - toplotna energija gejzira koji šiklja iz podzemlja, energija čistoće i prostora savršeno zelenog grada, energija veselog i zapaljivog noćni život Reykjavik tokom cijele godine.

Ali ljudi crpe energiju iz dubina zemlje ne samo za grijanje. Elektrane koje koriste tople podzemne izvore rade već duže vrijeme. Prva takva elektrana, još uvijek vrlo male snage, izgrađena je 1904. godine u malom italijanskom gradiću Larderello, nazvanom po francuskom inženjeru Larderelliju, koji je davne 1827. godine izradio projekat korištenja brojnih toplih izvora na tom području. Postepeno je snaga elektrane rasla, sve više novih blokova je pušteno u rad, korišteni su novi izvori tople vode, a danas je snaga stanice već dostigla impresivnu vrijednost - 360 hiljada kilovata. Na Novom Zelandu postoji takva elektrana u oblasti Wairakei, njen kapacitet je 160 hiljada kilovata. 120 km od San Francisca u SAD-u, geotermalna stanica kapaciteta 500 hiljada kilovata proizvodi električnu energiju.

Geotermalna energija

Ljudi odavno znaju za spontane manifestacije gigantske energije skrivene u dubinama zemaljske kugle. Sećanje čovječanstva sadrži legende o katastrofalnim vulkanskim erupcijama koje su odnijele milione ljudskih života i promijenile izgled mnogih mjesta na Zemlji do neprepoznatljivosti. Snaga erupcije čak i relativno malog vulkana je kolosalna; višestruko je veća od snage najvećih elektrana stvorenih ljudskom rukom. Istina, ne treba govoriti o direktnom korištenju energije vulkanskih erupcija - ljudi još nemaju sposobnost obuzdavanja ovog buntovnog elementa, a, na sreću, ove erupcije su prilično rijetki događaji. Ali to su manifestacije energije skrivene u utrobi zemlje, kada se samo mali dio ove neiscrpne energije oslobađa kroz otvore vulkana koji dišu vatru.

Gejzir je vrelo, koji svoju vodu izbacuje na pravilnu ili nepravilnu visinu, poput fontane. Ime dolazi od islandske riječi za "sipati". Za pojavu gejzira potrebno je određeno povoljno okruženje, koje se stvara samo na nekoliko mjesta na zemlji, što ih čini prilično rijetkim. Gotovo 50% gejzira se nalazi u nacionalni park Yellowstone (SAD). Aktivnost gejzira može prestati zbog promjena u podzemlju, zemljotresa i drugih faktora. Djelovanje gejzira uzrokovano je kontaktom vode s magmom, nakon čega se voda brzo zagrijava i pod utjecajem geotermalne energije silom izbacuje uvis. Nakon erupcije, voda u gejziru se postepeno hladi, ulazi u magmu i ponovo izbija. Učestalost erupcija različitih gejzira varira od nekoliko minuta do nekoliko sati. Potreba za visokom energijom za rad gejzira – glavni razlog njihova retkost. Vulkanska područja mogu imati tople izvore, blatne vulkane, fumarole, ali vrlo je malo mjesta gdje se nalaze gejziri. Činjenica je da čak i ako je gejzir nastao na mjestu vulkanske aktivnosti, naknadne erupcije će uništiti površinu zemlje i promijeniti njeno stanje, što će dovesti do nestanka gejzira.

Energija Zemlje (geotermalna energija) se zasniva na upotrebi prirodna toplina Zemlja. Utrobe Zemlje kriju skoro kolosalno nepresušni izvor energije. Godišnje zračenje unutrašnja toplota na našoj planeti iznosi 2,8 * 1014 milijardi kW * sat. Stalno se nadoknađuje radioaktivnim raspadom određenih izotopa u zemljinoj kori.

Geotermalni izvori energije mogu biti dvije vrste. Prvi tip su podzemni bazeni prirodne rashladne tečnosti– topla voda (hidrotermalni izvori), ili para (parni termalni izvori), ili mešavina pare i vode. U suštini, ovo su spremni za upotrebu "podzemni kotlovi" iz kojih se voda ili para mogu izvlačiti pomoću konvencionalnih bušotina. Drugi tip je toplota vrućih stijena. Pumpanjem vode u takve horizonte možete dobiti i paru ili pregrijana voda za dalju upotrebu u energetske svrhe.

Ali u oba slučaja upotrebe glavni nedostatak leži, možda, u vrlo slaboj koncentraciji geotermalne energije. Međutim, na mjestima gdje se formiraju neobične geotermalne anomalije, gdje topli izvori ili stijene dolaze relativno blizu površini i gdje se, kada se zarone dublje na svakih 100 m, temperatura povećava za 30-40 °C, koncentracije geotermalne energije mogu stvoriti uslove za njegovu ekonomsku upotrebu. U zavisnosti od temperature vode, pare ili mešavine pare i vode, geotermalni izvori se dele na nisko- i srednjetemperaturne (sa temperaturama do 130 - 150°C) i visokotemperaturne (preko 150°). Priroda njihove upotrebe u velikoj mjeri ovisi o temperaturi.

Može se tvrditi da geotermalna energija ima četiri korisne karakteristike.

Prvo, njegove rezerve su praktično neiscrpne. Prema procjenama iz kasnih 70-ih godina, do dubine od 10 km iznose vrijednost koja je 3,5 hiljada puta veća od rezervi tradicionalnih vrsta mineralnog goriva.

Drugo, geotermalna energija je prilično rasprostranjena. Njegova koncentracija je uglavnom povezana s pojasevima aktivne seizmičke i vulkanske aktivnosti, koji zauzimaju 1/10 Zemljine površine. Unutar ovih pojaseva možemo identificirati neka od najperspektivnijih „geotermalnih područja“, primjeri kojih su Kalifornija u SAD-u, Novi Zeland, Japan, Island, Kamčatka i Sjeverni Kavkaz u Rusiji. Samo unutra bivši SSSR Do početka 90-ih otvoreno je oko 50 podzemnih bazena za toplu vodu i paru.

Treće, korištenje geotermalne energije ne zahtijeva velike troškove, jer u ovom slučaju mi pričamo o tome o “spremnim” izvorima energije koje je stvorila sama priroda.

Konačno, četvrto, geotermalna energija je potpuno bezopasna sa ekološke tačke gledišta i ne zagađuje okolinu.

Čovjek dugo koristi energiju unutrašnje topline Zemlje (sjetite se, na primjer, čuvenih rimskih termi), ali je njena komercijalna upotreba počela tek 20-ih godina našeg stoljeća izgradnjom prvih geoelektrana u Italiji, a zatim i u drugim zemljama. Do početka 80-ih godina u svijetu je postojalo oko 20 takvih stanica ukupnog kapaciteta 1,5 miliona kW. Najveća od njih je stanica Gejziri u SAD-u (500 hiljada kW).

Geotermalna energija se koristi za proizvodnju električne energije, grijanje domova, staklenika itd. Kao rashladno sredstvo se koristi suha para, pregrijana voda ili bilo koje rashladno sredstvo sa niskom tačkom ključanja (amonijak, freon itd.).