Ģeotermālā enerģija un tās izmantošana, ģeotermālās enerģijas perspektīvas
Zemes iekšienē ir milzīga siltumenerģija. Aprēķini šeit joprojām ir diezgan atšķirīgi, taču pēc konservatīvākajām aplēsēm, ja mēs aprobežojamies ar 3 km dziļumu, tad 8 x 1017 kJ ģeotermālās enerģijas. Tajā pašā laikā tā reālā pielietojuma mērogs mūsu valstī un visā pasaulē ir niecīgs. Par ko šeit ir runa un kādas ir ģeotermālās enerģijas izmantošanas perspektīvas?
Ģeotermālā enerģija ir Zemes siltuma enerģija. Enerģiju, kas izdalās no Zemes dabiskā siltuma, sauc par ģeotermālo enerģiju. Kā enerģijas avots Zemes siltums apvienojumā ar esošajām tehnoloģijām var nodrošināt cilvēces vajadzības daudzus, daudzus gadus. Un tas pat neattiecas uz siltumu, kas plūst pārāk dziļi līdz šim neaizsniedzamajās vietās.
Miljoniem gadu šis siltums tiek atbrīvots no mūsu planētas zarnām, un kodola dzesēšanas ātrums nepārsniedz 400 ° C uz miljardu gadu! Tajā pašā laikā Zemes kodola temperatūra saskaņā ar dažādiem avotiem pašlaik nav zemāka par 6650 ° C un pakāpeniski samazinās tās virsmas virzienā. No Zemes pastāvīgi izstaro 42 triljonus vatu siltuma, no kuriem tikai 2% atrodas garozā.
Zemes iekšējā siltumenerģija ik pa laikam draudīgi izpaužas tūkstošiem vulkānu izvirdumu, zemestrīču, zemes garozas kustību un citu, mazāk pamanāmu, bet ne mazāk globālu dabas procesu veidā.
Zinātniskais viedoklis par šīs parādības cēloņiem ir tāds, ka Zemes siltuma izcelsme ir saistīta ar nepārtrauktu urāna, torija un kālija radioaktīvās sabrukšanas procesu planētas iekšienē, kā arī ar vielas gravitācijas atdalīšanu. tās pamatā.
Zemes garozas granīta slānis, kas atrodas 20 000 metru dziļumā, ir galvenā kontinentu radioaktīvās sabrukšanas zona, un okeāniem augšējā mantija ir visaktīvākais slānis. Zinātnieki uzskata, ka kontinentos aptuveni 10 000 metru dziļumā temperatūra garozas apakšā ir aptuveni 700 ° C, savukārt okeānos temperatūra sasniedz tikai 200 ° C.
Divi procenti no ģeotermālās enerģijas zemes garozā ir nemainīgi 840 miljardi vatu, un tā ir tehnoloģiski pieejama enerģija. Labākās vietas šīs enerģijas iegūšanai ir apgabali, kas atrodas netālu no kontinentālo plātņu malām, kur garoza ir daudz plānāka, un seismiskās un vulkāniskās aktivitātes apgabali, kur zemes siltums izpaužas ļoti tuvu virsmai.
Kur un kādā veidā rodas ģeotermālā enerģija?
Šobrīd ģeotermālās enerģijas attīstībā aktīvi nodarbojas: ASV, Islande, Jaunzēlande, Filipīnas, Itālija, Salvadora, Ungārija, Japāna, Krievija, Meksika, Kenija un citas valstis, kur siltums no planētas zarnām. paceļas uz virsmu tvaika un karsta ūdens veidā, izejot, temperatūrā, kas sasniedz 300 ° C.
Kā spilgti piemēri var minēt slavenos Islandes un Kamčatkas geizerus, kā arī slaveno Jeloustonas nacionālo parku, kas atrodas Amerikas Vaiomingas, Montanas un Aidaho štatos un aizņem gandrīz 9000 kvadrātkilometru platību.
Runājot par ģeotermālo enerģiju, ļoti svarīgi atcerēties, ka tai pārsvarā ir zems potenciāls, proti, no akas izplūstošā ūdens vai tvaika temperatūra nav augsta. Un tas būtiski ietekmē šādas enerģijas izmantošanas efektivitāti.
Fakts ir tāds, ka elektroenerģijas ražošanai šodien ir ekonomiski lietderīgi, lai dzesēšanas šķidruma temperatūra būtu vismaz 150 ° C. Šajā gadījumā tas tiek nosūtīts tieši uz turbīnu.
Ir iekārtas, kurās ūdens tiek izmantots zemākā temperatūrā. Tajos ģeotermālais ūdens silda sekundāro dzesēšanas šķidrumu (piemēram, freonu), kam ir zema viršanas temperatūra. Radītais tvaiks griež turbīnu. Taču šādu iekārtu jauda ir maza (10 – 100 kW), tāpēc enerģijas izmaksas būs augstākas nekā elektrostacijās, kurās izmanto augstas temperatūras ūdeni.
GeoPP Jaunzēlandē
Ģeotermālās nogulsnes ir poraini ieži, kas piepildīti ar karstu ūdeni. Tie būtībā ir dabiski ģeotermālie katli.
Bet ko darīt, ja ūdens, kas iztērēts uz zemes virsmas, netiek izmests, bet gan atgriezts katlā? Cirkulācijas sistēmas izveidošana? Šajā gadījumā tiks izmantots ne tikai termālā ūdens siltums, bet arī apkārtējie ieži. Šāda sistēma palielinās tā kopējo skaitu 4-5 reizes. Jautājums par vides piesārņojumu ar sālsūdeni tiek noņemts, jo tas atgriežas pazemes horizontā.
Karstā ūdens vai tvaika veidā siltums tiek nogādāts virspusē, kur to izmanto vai nu tieši ēku un māju apkurei, vai arī elektroenerģijas ražošanai. Noderīgs ir arī Zemes virsmas siltums, ko parasti sasniedz, urbjot akas, kur gradients palielinās par 1 °C ik pēc 36 metriem.
Lai absorbētu šo siltumu, viņi izmanto siltumsūkņi… Karstu ūdeni un tvaiku izmanto elektrības ražošanai un tiešai apkurei, un dziļi koncentrēto siltumu, ja ūdens nav, siltumsūkņi pārvērš lietderīgā formā. Magmas enerģija un siltums, kas uzkrājas zem vulkāniem, tiek iegūti līdzīgi.
Kopumā ir vairākas standarta metodes elektroenerģijas ražošanai ģeotermālajās elektrostacijās, bet atkal vai nu tieši, vai siltumsūkni līdzīgā shēmā.
Vienkāršākajā gadījumā tvaiks tiek vienkārši novirzīts pa cauruļvadu uz elektriskā ģeneratora turbīnu. Sarežģītā shēmā tvaiks tiek iepriekš attīrīts, lai izšķīdušās vielas neiznīcinātu caurules. Jauktā shēmā ūdenī izšķīdušās gāzes tiek izvadītas pēc tvaika kondensācijas ūdenī.
Visbeidzot, ir bināra shēma, kurā cits šķidrums ar zemu viršanas temperatūru (siltummaiņa shēma) darbojas kā dzesēšanas šķidrums (siltuma uzņemšanai un ģeneratora turbīnas pagriešanai).
Perspektīvākie ir vakuuma absorbcijas siltumsūkņi ar ūdeni un litija hlorīdu. Pirmie paaugstina termālā ūdens temperatūru, pateicoties elektrības patēriņam vakuuma ūdens sūknī.
Vakuuma iztvaicētājā ieplūst akas ūdens ar temperatūru 60 - 90 ° C. Radītais tvaiks tiek saspiests ar turbokompresoru. Spiediens tiek izvēlēts atkarībā no nepieciešamās dzesēšanas šķidruma temperatūras.
Ja ūdens nonāk tieši apkures sistēmā, tad tas ir 90 — 95 ° C, ja siltumtīklos, tad 120 — 140 ° C. Kondensatorā kondensētais tvaiks atdod savu siltumu ūdenim, kas cirkulē pilsētas apkurē. tīkli, apkures sistēmas un karstais ūdens .
Kādas vēl ir iespējas palielināt ģeotermālās enerģijas izmantošanu?
Viens no virzieniem ir saistīts ar lielā mērā noplicinātu naftas un gāzes atradņu izmantošanu.
Kā zināms, šīs izejvielas ražošana vecos laukos tiek veikta ar ūdens applūšanas metodi, tas ir, urbumos tiek iesūknēts ūdens, kas izspiež naftu un gāzi no rezervuāra porām.
Turpinoties izsīkumam, porainās ūdenskrātuves tiek piepildītas ar ūdeni, kas iegūst apkārtējo iežu temperatūru, un tādējādi nogulsnes tiek pārveidotas par ģeotermālo katlu, no kura vienlaikus iespējams iegūt naftu un iegūt ūdeni apkurei.
Protams, ir jāizurbj papildu akas un jāizveido cirkulācijas sistēma, taču tas būs daudz lētāk nekā jauna ģeotermālā lauka izveide.
Vēl viena iespēja ir iegūt siltumu no sausiem akmeņiem, veidojot mākslīgas caurlaidīgas zonas. Metodes būtība ir radīt porainību, izmantojot sprādzienus sausos iežos.
Siltuma ieguve no šādām sistēmām tiek veikta šādi: tiek urbti divi urbumi noteiktā attālumā viens no otra. Vienā tiek iesūknēts ūdens, kas, pa izveidojušajām porām un plaisām virzoties uz otro, no akmeņiem noņem siltumu, uzsilst un tad paceļas virspusē.
Šādas eksperimentālās sistēmas jau darbojas ASV un Anglijā. Losalamosā (ASV) divas akas — viena ar dziļumu 2700 m, bet otra — 2300 m, ir savienotas ar hidraulisko sašķelšanu un piepildītas ar cirkulējošo ūdeni, kas uzsildīts līdz 185 °C temperatūrai. Anglijā, Rozmeniusā. karjers, ūdens tiek uzsildīts līdz 80 °C.
Ģeotermālā elektrostacija
Planētas siltums kā enerģijas resurss
Netālu no Itālijas pilsētas Larederello kursē elektriskais dzelzceļš, ko darbina sausais tvaiks no akas. Sistēma darbojas kopš 1904. gada.
Geizeru lauki Japānā un Sanfrancisko ir divas citas slavenas vietas pasaulē, kas arī izmanto sausu karstu tvaiku elektroenerģijas ražošanai. Kas attiecas uz mitro tvaiku, tā plašāki lauki ir Jaunzēlandē, bet mazāki - Japānā, Krievijā, Salvadorā, Meksikā, Nikaragvā.
Ja par energoresursu uzskatām ģeotermālo siltumu, tad tā rezerves ir desmitiem miljardu reižu lielākas nekā cilvēces ikgadējais enerģijas patēriņš visā pasaulē.
Tikai 1% no Zemes garozas siltumenerģijas, kas iegūta no 10 000 metru dziļuma, būtu pietiekami, lai simtiem reižu pārklātu fosilā kurināmā, piemēram, naftas un gāzes, krājumus, ko nepārtraukti ražo cilvēce, un tas novedīs pie neatgriezeniska izsīkuma. zemes dzīlēm un vides piesārņojumu.
Tas ir ekonomisku iemeslu dēļ. Bet ģeotermālajām elektrostacijām ir ļoti mērenas oglekļa dioksīda emisijas, aptuveni 122 kg uz saražotās elektroenerģijas megavatstundu, kas ir ievērojami mazāk nekā emisijas no fosilā kurināmā enerģijas ražošanas.
Industrial GeoPE un ģeotermālās enerģijas perspektīvas
Pirmā industriālā ģeoPE ar jaudu 7,5 MW tika uzbūvēta 1916. gadā Itālijā. Kopš tā laika ir uzkrāta nenovērtējama pieredze.
Uz 1975. gadu GeoPP kopējā uzstādītā jauda pasaulē bija 1278 MW, bet 1990. gadā tā bija jau 7300 MW. Lielākie ģeotermālās enerģijas attīstības apjomi ir ASV, Meksikā, Japānā, Filipīnās un Itālijā.
Pirmais ģeoPE PSRS teritorijā tika uzbūvēts Kamčatkā 1966. gadā, tā jauda ir 12 MW.
Kopš 2003. gada Krievijā darbojas Mutnovskajas ģeogrāfiskā elektrostacija, kuras jauda šobrīd ir 50 MW — tā ir šobrīd jaudīgākā ģeoelektrostacija Krievijā.
Pasaulē lielākā GeoPP ir Olkaria IV Kenijā ar 140 MW jaudu.
Ļoti iespējams, ka nākotnē magmas siltumenerģija tiks izmantota tajos planētas reģionos, kur tā neatrodas pārāk dziļi zem Zemes virsmas, kā arī sakarsētu kristālisko iežu siltumenerģiju, kad auksts ūdens tiek iesūknēti vairāku kilometru dziļumā izurbtā bedrē un karstais ūdens tiek atgriezts virspusē vai tvaikā, pēc tam tie iegūst apkuri vai ģenerē elektrību.
Rodas jautājums – kāpēc šobrīd ir tik maz pabeigtu projektu, kuros izmanto ģeotermālo enerģiju? Pirmkārt, tāpēc, ka tās atrodas labvēlīgās vietās, kur ūdens vai nu lien uz zemes virsmas, vai arī atrodas ļoti sekli. Šādos gadījumos nav nepieciešams urbt dziļurbumus, kas ir visdārgākā ģeotermālās enerģijas attīstības sastāvdaļa.
Termālo ūdeņu izmantošana siltumapgādei ir daudz lielāka nekā elektroenerģijas ražošanai, taču tie joprojām ir mazi un enerģētikas sektorā tiem nav būtiskas nozīmes.
GTermenerģija sper tikai pirmos soļus un pašreizējiem pētījumiem, eksperimentāli rūpnieciskiem darbiem jādod atbilde uz tās tālākās attīstības mērogiem.