Геотермална енергия и нейното използване, перспективи за геотермална енергия

Вътре в Земята има огромна топлинна енергия. Оценките тук все още са доста различни, но според най -консервативните оценки, ако се ограничим до дълбочина 3 км, тогава 8 х 1017 kJ геотермална енергия. В същото време мащабът на реалното му приложение у нас и по света е незначителен. Какъв е въпросът тук и какви са перспективите за използване на геотермална енергия?

Геотермалната енергия е енергията на топлината на Земята. Енергията, отделена от естествената топлина на Земята, се нарича геотермална енергия. Като източник на енергия, топлината на Земята, в комбинация със съществуващите технологии, може да осигури нуждите на човечеството в продължение на много, много години. И това дори не е докосване на топлината, която е твърде дълбока, в области, недостижими досега.

В продължение на милиони години тази топлина се освобождава от недрата на нашата планета, а скоростта на охлаждане на ядрото не надвишава 400 ° C на милиард години! В същото време температурата на ядрото на Земята, според различни източници, в момента е не по -ниска от 6650 ° C и постепенно намалява към нейната повърхност. 42 трилиона вата топлина се излъчва постоянно от Земята, само 2% от които са в кората.

Вътрешната топлинна енергия на Земята от време на време се проявява заплашително под формата на изригвания на хиляди вулкани, земетресения, движения на земната кора и други, по -малко забележими, но не по -малко глобални, естествени процеси.

Научната гледна точка за причините за това явление е, че произходът на топлината на Земята е свързан с непрекъснато протичащия процес на радиоактивно разпадане на уран, торий и калий във вътрешността на планетата, както и с гравитационното разделяне на материя в основата си.

Гранитният слой на земната кора, на дълбочина 20 000 метра, е основната зона на радиоактивно разпадане на континентите, а за океаните горната мантия е най -активният слой. Учените смятат, че на континентите, на дълбочина около 10 000 метра, температурата на дъното на кората е около 700 ° C, докато в океаните температурата достига само 200 ° C.

Два процента от геотермалната енергия в земната кора са постоянни 840 милиарда вата и това е технологично достъпна енергия. Най -добрите места за извличане на тази енергия са области близо до ръбовете на континенталните плочи, където кората е много по -тънка, и области със сеизмична и вулканична активност — където топлината на земята се проявява много близо до повърхността.

Къде и под каква форма се появява геотермалната енергия?

В момента развитието на геотермалната енергия се занимава активно в: САЩ, Исландия, Нова Зеландия, Филипините, Италия, Ел Салвадор, Унгария, Япония, Русия, Мексико, Кения и други страни, където топлината от недрата на планетата се издига на повърхността под формата на пара и гореща вода, излизайки навън, при температури, достигащи 300 ° C.

Известните гейзери на Исландия и Камчатка, както и известният национален парк Йелоустоун, разположен в американските щати Уайоминг, Монтана и Айдахо, обхващащ площ от почти 9000 квадратни километра, могат да бъдат посочени като ярки примери.

Когато говорим за геотермална енергия, е много важно да запомним, че тя е предимно с нисък потенциал, тоест температурата на водата или парата, напускаща кладенеца, не е висока. И това значително влияе върху ефективността на използване на такава енергия.

Факт е, че за производството на електроенергия днес е икономически целесъобразно температурата на охлаждащата течност да е най -малко 150 ° C. В този случай той се изпраща директно към турбината.

Има инсталации, които използват вода при по -ниска температура. В тях геотермалната вода загрява вторичната охлаждаща течност (например фреон), която има ниска точка на кипене. Генерираната пара върти турбината. Но капацитетът на такива инсталации е малък (10 — 100 kW) и следователно цената на енергията ще бъде по -висока, отколкото в електроцентралите, използващи вода с висока температура.

GeoPP в Нова Зеландия 

Геотермалните находища са порести скали, пълни с гореща вода. По същество те са естествени геотермални котли.

Но какво ще стане, ако водата, изразходвана на повърхността на земята, не се изхвърли, а се върне в котела? Създаване на система за циркулация? В този случай ще се използва не само топлината на термалната вода, но и околните скали. Такава система ще увеличи общия си брой с 4-5 пъти. Въпросът за замърсяването на околната среда със солени води се отстранява, тъй като те се връщат към подземния хоризонт.

Под формата на топла вода или пара, топлината се доставя на повърхността, където се използва или директно за отопление на сгради и къщи, или за генериране на електричество. Освен това е полезна и повърхностната топлина на Земята, която обикновено се достига чрез пробиване на кладенци, където градиентът се увеличава с 1 ° C на всеки 36 метра.

За да усвоят тази топлина, те използват термопомпи… Топлата вода и парата се използват за генериране на електричество и за директно отопление, а топлината, концентрирана дълбоко в отсъствието на вода, се превръща в полезна форма чрез термопомпи. Енергията на магмата и топлината, която се натрупва под вулканите, се извличат по сходни начини.

Като цяло съществуват редица стандартни методи за генериране на електроенергия в геотермални електроцентрали, но отново — или директно, или по схема, подобна на термопомпа.

В най -простия случай парата просто се насочва през тръбопровод към турбината на електрически генератор. В сложна схема, парата се пречиства предварително, така че разтворените вещества да не разрушават тръбите. При смесена схема газовете, разтворени във вода, се елиминират след кондензация на пара във вода.

И накрая, има бинарна схема, при която друга течност с ниска точка на кипене (схема с топлообменник) действа като охлаждаща течност (за вземане на топлина и за въртене на турбината на генератора).

Най -обещаващи са вакуумните абсорбиращи термопомпи с вода и литиев хлорид. Първите повишават температурата на термалната вода поради консумацията на електроенергия във вакуум-водната помпа.

Водата от кладенеца с температура 60 — 90 ° C влиза във вакуумния изпарител. Генерираната пара се компресира от турбокомпресор. Налягането се избира в зависимост от необходимата температура на охлаждащата течност.

Ако водата отива директно към отоплителната система, тогава тя е 90 — 95 ° С, ако към топлофикационните мрежи, тогава 120 — 140 ° С. В кондензатора сгъстената пара отдава топлината си на водата, циркулираща в градските отоплителни мрежи, отоплителните системи и топлата вода.

Какви други възможности има за увеличаване на използването на геотермална енергия?

Едно от направленията е свързано с използването на до голяма степен изчерпани находища на нефт и газ.

Както знаете, производството на тази суровина в стари находища се извършва по метода на заливане на вода, тоест водата се изпомпва в кладенците, което измества нефт и газ от порите на резервоара.

С напредването на изчерпването порестите резервоари се пълнят с вода, която придобива температурата на околните скали и по този начин отлаганията се трансформират в геотермален котел, от който е възможно едновременно извличане на масло и получаване на вода за отопление.

Разбира се, трябва да се пробият допълнителни кладенци и да се създаде циркулационна система, но това ще бъде много по -евтино от разработването на ново геотермално поле.

Друг вариант е извличането на топлина от сухи скали чрез образуване на изкуствени пропускливи зони. Същността на метода е да се създаде порьозност с помощта на експлозии в сухи скали.

Извличането на топлина от такива системи се извършва, както следва: две кладенци се пробиват на определено разстояние един от друг. Водата се изпомпва в една, която, придвижвайки се към втората през образуваните пори и пукнатини, премахва топлината от скалите, загрява се и след това се издига на повърхността.

Такива експериментални системи вече работят в САЩ и Англия. В Лос Аламос (САЩ) два кладенеца — единият с дълбочина 2700 м, а другият — 2300 м, са свързани чрез хидравлично разбиване и напълнено с циркулационна вода, загрята до температура от 185 ° C. В Англия в кариерата Rosemenius водата се нагрява до 80 ° C.

Геотермална електроцентрала

Топлината на планетата като енергиен ресурс

В близост до италианския град Ларедерело минава електрическа железница, захранвана със суха пара от кладенец. Системата работи от 1904 г.

Гейзерните полета в Япония и Сан Франциско са две други известни места в света, които също използват суха гореща пара за генериране на електричество. Що се отнася до влажната пара, нейните по -обширни полета са в Нова Зеландия, а по -малки по площ — в Япония, Русия, Ел Салвадор, Мексико, Никарагуа.

Ако разглеждаме геотермалната топлина като енергиен ресурс, тогава нейните запаси са десетки милиарди пъти по -високи от годишното потребление на енергия на човечеството по света.

Само 1% от топлинната енергия на земната кора, взета от дълбочина 10 000 метра, би била достатъчна, за да се припокрият стотици пъти запасите от изкопаеми горива, като нефт и газ, непрекъснато произвеждани от човечеството, което води до необратимо изчерпване на недрата и на замърсяването на околната среда.

Това се дължи на икономически причини. Но геотермалните електроцентрали имат много умерени емисии на въглероден диоксид, около 122 кг на мегаватчас генерирана електроенергия, което е значително по-малко от емисиите от производството на електроенергия от изкопаеми горива.

Индустриални геоПЕ и перспективи за геотермална енергия

Първата индустриална геоПЕ с мощност 7,5 MW е построена през 1916 г. в Италия. Оттогава се натрупва безценен опит.

Към 1975 г. общата инсталирана мощност на GeoPP в света е 1278 MW, а през 1990 г. вече е 7300 MW. Най -големите обеми на развитие на геотермалната енергия са в САЩ, Мексико, Япония, Филипините и Италия.

Първата геоПЕ на територията на СССР е построена в Камчатка през 1966 г., нейната мощност е 12 MW.

От 2003 г. насам в Русия работи географската централа Mutnovskaya, чиято мощност сега е 50 MW — това е най -мощната геоПЕЦ в Русия в момента.

Най -големият GeoPP в света е Olkaria IV в Кения, с мощност 140 MW.

В бъдеще е много вероятно топлинната енергия на магмата да се използва в онези региони на планетата, където тя не е твърде дълбоко под повърхността на Земята, както и топлинната енергия на нагрятите кристални скали, когато студена вода се изпомпва в пробит отвор на дълбочина няколко километра и горещата вода се връща на повърхността или пара, след което те получават отопление или генериране на електричество.

Възниква въпросът — защо в момента има толкова малко изпълнени проекти за използване на геотермална енергия? На първо място, защото те се намират на благоприятни места, където водата или се излива върху повърхността на земята, или е разположена много плитко. В такива случаи не е необходимо да се пробиват дълбоки кладенци, а те са най -скъпата част от развитието на геотермалната енергия.

Използването на термални води за топлоснабдяване е много по -голямо, отколкото за производството на електроенергия, но те все още са малки и не играят значителна роля в енергийния сектор.

GТоплинната енергия прави само първите стъпки и текущите изследвания, експериментално-индустриалната работа трябва да дадат отговор за мащаба на по-нататъшното й развитие.