Geothermische Energie
Schon aus dem Namen geht hervor, dass es die Wärme des Erdinneren darstellt. Unter der Erdkruste befindet sich eine Schicht Magma, eine feurige flüssige Silikatschmelze. Forschungsdaten zufolge ist das Energiepotential dieser Wärme viel höher als die Energie der weltweiten Erdgas- und Erdölreserven. Magma - Lava kommt an die Oberfläche. Darüber hinaus wird die größte Aktivität in den Erdschichten beobachtet, auf denen sich die Grenzen der tektonischen Platten befinden und in denen die Erdkruste durch Dünnheit gekennzeichnet ist. Die geothermische Energie der Erde wird folgendermaßen gewonnen: Die Lava und die Wasserressourcen des Planeten kommen in Kontakt, wodurch sich das Wasser stark zu erwärmen beginnt. Dies führt zum Ausbruch eines Geysirs, zur Bildung der sogenannten heißen Seen und Unterwasserströmungen. Das heißt, genau zu jenen Naturphänomenen, deren Eigenschaften aktiv als unerschöpfliche Energiequelle genutzt werden.
Petrothermische Energie
Gegenwärtig wird die Wärme des Erdinneren weltweit häufig genutzt, und dies ist hauptsächlich die Energie flacher Brunnen - bis zu 1 km. Zur Versorgung mit Strom, Wärme oder Warmwasser werden Bohrlochwärmetauscher installiert, die mit Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt (z. B. Freon) betrieben werden.
Heutzutage ist die Verwendung eines Bohrlochwärmetauschers die rationellste Art der Wärmeerzeugung. Es sieht so aus: Das Kühlmittel zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf. Das beheizte Rohr steigt entlang eines konzentrisch abgesenkten Rohrs auf und gibt seine Wärme ab. Anschließend wird es gekühlt mit Hilfe einer Pumpe in das Gehäuse gepumpt.
Die Nutzung der Energie des Erdinneren basiert auf einem natürlichen Phänomen - wenn es sich dem Erdkern nähert, steigt die Temperatur der Erdkruste und des Erdmantels. In einer Höhe von 2-3 km von der Oberfläche des Planeten erreicht er mehr als 100 ° C und nimmt mit jedem weiteren Kilometer im Durchschnitt um 20 ° C zu. In einer Tiefe von 100 km erreicht die Temperatur 1300-1500 ºС.
Künstliche geothermische Quellen
Die in den Eingeweiden der Erde enthaltene Energie muss mit Bedacht eingesetzt werden. Zum Beispiel gibt es eine Idee, unterirdische Kessel zu schaffen. Dazu müssen Sie zwei Bohrlöcher mit ausreichender Tiefe bohren, die unten verbunden werden. Das heißt, es stellt sich heraus, dass in fast jeder Ecke des Landes geothermische Energie industriell gewonnen werden kann: Kaltes Wasser wird durch einen Brunnen in den Stausee gepumpt und heißes Wasser oder Dampf wird durch den zweiten entnommen. Künstliche Wärmequellen sind vorteilhaft und rational, wenn die entstehende Wärme mehr Energie liefert. Dampf kann zu Turbinengeneratoren geleitet werden, die Strom erzeugen.
Natürlich ist die ausgewählte Wärme nur ein Bruchteil dessen, was in den Gesamtreserven verfügbar ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass sich die tiefe Hitze aufgrund der Prozesse des radioaktiven Zerfalls, der Kompression von Gesteinen und der Schichtung des Darms ständig wieder auffüllt. Experten zufolge sammelt die Erdkruste Wärme, deren Gesamtmenge 5.000-mal höher ist als der Heizwert aller fossilen Ressourcen der gesamten Erde. Es stellt sich heraus, dass die Betriebszeit solcher künstlich erzeugter Geothermiestationen unbegrenzt sein kann.
Methoden zum Sammeln von Energieressourcen der Erde
Heute gibt es drei Hauptmethoden zur Ernte von Geothermie: trockener Dampf, heißes Wasser und binärer Kreislauf. Der Trockendampfprozess dreht direkt die Turbinenantriebe der Stromerzeuger. Heißes Wasser tritt von unten nach oben ein und wird dann in den Tank gesprüht, um Dampf zum Antrieb der Turbinen zu erzeugen.Diese beiden Methoden sind die gebräuchlichsten und erzeugen in den USA, Island, Europa, Russland und anderen Ländern Hunderte von Megawatt Strom. Der Standort ist jedoch begrenzt, da diese Fabriken nur in tektonischen Regionen betrieben werden, in denen der Zugang zu erwärmtem Wasser einfacher ist.
Bei der Binärzyklus-Technologie wird warmes (nicht unbedingt heißes) Wasser an die Oberfläche extrahiert und mit Butan oder Pentan kombiniert, das einen niedrigen Siedepunkt aufweist. Diese Flüssigkeit wird durch einen Wärmetauscher gepumpt, wo sie verdampft und durch eine Turbine geleitet wird, bevor sie zum System zurückgeführt wird. Die Binärzyklus-Technologie liefert in den USA mehrere zehn Megawatt Strom: in Kalifornien, Nevada und auf den Hawaii-Inseln.
Das Prinzip der Energiegewinnung
Nachteile der Gewinnung von Geothermie
Geothermische Kraftwerke sind im Versorgungsbereich teuer in Bau und Betrieb. Die Suche nach einem geeigneten Standort erfordert kostspielige Bohrlochuntersuchungen ohne Garantie dafür, dass ein produktiver unterirdischer Hotspot erreicht wird. Analysten gehen jedoch davon aus, dass sich diese Kapazität in den nächsten sechs Jahren nahezu verdoppeln wird.
Darüber hinaus befinden sich Gebiete mit einer hohen Temperatur der unterirdischen Quelle in Gebieten mit aktiven geologischen Vulkanen. Diese "Hot Spots" haben sich an den Grenzen tektonischer Platten an Stellen gebildet, an denen die Kruste ziemlich dünn ist. Die pazifische Region wird oft als Feuerring für viele Vulkane mit vielen Hotspots bezeichnet, darunter Alaska, Kalifornien und Oregon. Nevada hat Hunderte von Hotspots, die den größten Teil des Nordens der Vereinigten Staaten abdecken.
Es gibt auch andere seismisch aktive Regionen. Erdbeben und Magmabewegung lassen Wasser zirkulieren. An einigen Stellen steigt Wasser an die Oberfläche und es kommen natürliche heiße Quellen und Geysire vor, beispielsweise in Kamtschatka. Das Wasser in den Geysiren von Kamtschatka erreicht 95 ° C.
Eines der Probleme bei offenen Geysir-Systemen ist die Freisetzung bestimmter Luftschadstoffe. Schwefelwasserstoff ist ein giftiges Gas mit einem sehr erkennbaren Geruch nach "faulem Ei" - eine kleine Menge Arsen und Mineralien, die mit Dampf freigesetzt werden. Salz kann auch ein Umweltproblem darstellen.
In Offshore-Geothermiekraftwerken sammelt sich in Rohren eine erhebliche Menge störenden Salzes an. In geschlossenen Systemen treten keine Emissionen auf und die gesamte an die Oberfläche gebrachte Flüssigkeit wird zurückgeführt.
Das wirtschaftliche Potenzial der Energieressource
Hot Spots sind nicht die einzigen Orte, an denen Geothermie vorhanden ist. Es gibt eine konstante Versorgung mit nutzbarer Wärme für direkte Heizzwecke zwischen 4 Metern und mehreren Kilometern unter der Oberfläche von praktisch überall auf der Erde. Sogar Land in Ihrem eigenen Garten oder in Ihrer örtlichen Schule hat das wirtschaftliche Potenzial in Form von Wärme, die in Ihr Haus oder andere Gebäude gepumpt werden kann.
Darüber hinaus gibt es in trockenen Gesteinsformationen sehr tief unter der Oberfläche (4-10 km) eine große Menge an Wärmeenergie.
Der Einsatz neuer Technologien könnte geothermische Systeme erweitern, bei denen Menschen diese Wärme nutzen können, um Strom in viel größerem Umfang als herkömmliche Technologien zu erzeugen. Die ersten Demonstrationsprojekte dieses Prinzips der Stromerzeugung wurden bereits 2013 in den USA und in Australien gezeigt.
Wenn das volle wirtschaftliche Potenzial der geothermischen Ressourcen ausgeschöpft werden kann, wird dies eine enorme Stromquelle für Produktionsanlagen darstellen. Wissenschaftler schlagen vor, dass konventionelle geothermische Quellen ein Potenzial von 38.000 MW haben, wodurch 380 Millionen MW Strom pro Jahr erzeugt werden können.
Heiße trockene Gesteine kommen in Tiefen von 5 bis 8 km überall unter der Erde und in flacheren Tiefen an bestimmten Stellen vor.Der Zugang zu diesen Ressourcen beinhaltet die Einführung von kaltem Wasser, das durch die heißen Felsen zirkuliert, und die Entfernung von erwärmtem Wasser. Derzeit gibt es keine kommerzielle Anwendung für diese Technologie. Bestehende Technologien erlauben es noch nicht, Wärmeenergie direkt aus Magma zu gewinnen, aber dies ist die mächtigste Ressource für Geothermie.
Durch die Kombination von Energieressourcen und deren Beständigkeit kann Geothermie eine unersetzliche Rolle als sauberes und nachhaltigeres Energiesystem spielen.
Merkmale von Quellen
Quellen, die Geothermie liefern, können kaum vollständig genutzt werden. Sie existieren in mehr als 60 Ländern der Welt, wobei sich die meisten Landvulkane im pazifischen Vulkanring des Feuers befinden. In der Praxis stellt sich jedoch heraus, dass geothermische Quellen in verschiedenen Regionen der Welt völlig unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, nämlich Durchschnittstemperatur, Mineralisierung, Gaszusammensetzung, Säuregehalt usw.
Geysire sind Energiequellen auf der Erde, deren Besonderheit darin besteht, dass sie in regelmäßigen Abständen kochendes Wasser ausspucken. Nach dem Ausbruch wird der Pool wasserfrei. Am Boden sehen Sie einen Kanal, der tief in den Boden hineinragt. Geysire werden in Regionen wie Kamtschatka, Island, Neuseeland und Nordamerika als Energiequellen verwendet, und in mehreren anderen Gebieten kommen einzelne Geysire vor.
Industrie und Wohnen sowie kommunale Dienstleistungen
Im November 2014 wurde in Kenia das damals größte Geothermiekraftwerk der Welt in Betrieb genommen. Die zweitgrößte befindet sich in Island - dies ist die Hellisheid, die Wärme aus Quellen in der Nähe des Hengiedl-Vulkans bezieht.
Andere Länder, die Geothermie im industriellen Maßstab nutzen: USA, Philippinen, Russland, Japan, Costa Rica, Türkei, Neuseeland usw.
Bei GeoTPP gibt es vier Hauptprogramme für die Energieerzeugung:
- gerade, wenn Dampf durch Rohre zu Turbinen geleitet wird, die an Stromerzeuger angeschlossen sind;
- indirekt, ähnlich wie bei allem vorherigen, außer dass der Dampf vor dem Eintritt in die Rohre von Gasen gereinigt wird;
- binär - nicht Wasser oder Dampf wird als Arbeitswärme verwendet, sondern eine andere Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt;
- gemischt - ähnlich wie eine gerade Linie, aber nach der Kondensation werden ungelöste Gase aus dem Wasser entfernt.
Im Jahr 2009 erreichte ein Forscherteam, das nach verwertbaren geothermischen Ressourcen suchte, nur 2,1 km tief geschmolzenes Magma. Ein solches Herfallen in Magma ist sehr selten, dies ist nur der zweite bekannte Fall (der vorherige trat 2007 in Hawaii auf).
Obwohl das mit Magma verbundene Rohr noch nie mit dem nahe gelegenen Geothermiekraftwerk Krafla verbunden wurde, haben Wissenschaftler vielversprechende Ergebnisse erzielt. Bisher nahmen alle Betriebsstationen indirekt Wärme von den Gesteinen der Erde oder aus unterirdischen Gewässern auf.
Woher kommt die Energie?
Ungekühltes Magma befindet sich sehr nahe an der Erdoberfläche. Daraus werden Gase und Dämpfe freigesetzt, die aufsteigen und an den Rissen vorbeiziehen. Beim Vermischen mit dem Grundwasser verursachen sie ihre Erwärmung, sie selbst verwandeln sich in heißes Wasser, in dem viele Substanzen gelöst sind. Dieses Wasser wird in Form verschiedener geothermischer Quellen an die Erdoberfläche abgegeben: heiße Quellen, Mineralquellen, Geysire usw. Laut Wissenschaftlern sind die heißen Eingeweide der Erde Höhlen oder Kammern, die durch Passagen, Risse und Kanäle verbunden sind. Sie sind nur mit Grundwasser gefüllt und Magmazentren befinden sich ganz in ihrer Nähe. Auf diese Weise wird die Wärmeenergie der Erde auf natürliche Weise gebildet.
Hydrothermale Energie
In großen Tiefen zirkulierendes Wasser wird auf signifikante Werte erhitzt. In seismisch aktiven Regionen steigt es entlang von Rissen in der Erdkruste an die Oberfläche, in ruhigen Regionen kann es mithilfe von Brunnen entfernt werden.
Das Funktionsprinzip ist dasselbe: Erwärmtes Wasser steigt im Brunnen auf, gibt Wärme ab und fließt über das zweite Rohr zurück. Der Zyklus ist praktisch endlos und wird erneuert, solange die Wärme im Erdinneren verbleibt.
In einigen seismisch aktiven Regionen liegt heißes Wasser so nahe an der Oberfläche, dass Sie aus erster Hand sehen können, wie Geothermie funktioniert. Ein Foto der Umgebung des Krafla-Vulkans (Island) zeigt Geysire, die Dampf für das dort betriebene Geothermiekraftwerk übertragen.
Elektrisches Feld der Erde
Es gibt eine andere alternative Energiequelle in der Natur, die sich durch Erneuerbarkeit, Umweltfreundlichkeit und Benutzerfreundlichkeit auszeichnet. Zwar wird diese Quelle bisher nur untersucht und in der Praxis nicht angewendet. Die potentielle Energie der Erde ist also in ihrem elektrischen Feld verborgen. Energie kann auf diese Weise gewonnen werden, indem die Grundgesetze der Elektrostatik und die Eigenschaften des elektrischen Feldes der Erde untersucht werden. Tatsächlich ist unser Planet aus elektrischer Sicht ein sphärischer Kondensator, der bis zu 300.000 Volt aufgeladen ist. Seine innere Kugel ist negativ geladen und die äußere, die Ionosphäre, ist positiv. Die Erdatmosphäre ist ein Isolator. Durch sie fließt ein konstanter Fluss von Ionen- und Konvektionsströmen, die eine Kraft von vielen tausend Ampere erreichen. Die Potentialdifferenz zwischen den Platten nimmt in diesem Fall jedoch nicht ab.
Dies deutet darauf hin, dass es in der Natur einen Generator gibt, dessen Aufgabe es ist, den Ladungsverlust aus den Kondensatorplatten ständig wieder aufzufüllen. Die Rolle eines solchen Generators spielt das Erdmagnetfeld, das sich mit unserem Planeten im Fluss des Sonnenwinds dreht. Die Energie des Erdmagnetfeldes kann nur durch Anschließen eines Energieverbrauchers an diesen Generator erhalten werden. Dazu müssen Sie eine zuverlässige Erdungsinstallation durchführen.
Hitze der Erde
(Zum Ende. Zum Anfang siehe Wissenschaft und Leben, Nr. 9, 2013)
Sammler zum Sammeln von thermischem Borwasser in Larderello (Italien), erste Hälfte des 19. Jahrhunderts.
Der Motor und Umrichter, die 1904 in Larderello im ersten Experiment zur Erzeugung von geothermischem Strom eingesetzt wurden.
Schematische Darstellung des Betriebs eines Wärmekraftwerks.
Das Funktionsprinzip von GeoPP mit trockenem Dampf. Geothermischer Dampf aus einer Produktionsbohrung wird direkt durch eine Dampfturbine geleitet. Das einfachste der vorhandenen Schemas für den GeoPP-Betrieb.
Das Funktionsprinzip eines GeoPP mit indirekter Schaltung. Heißes Grundwasser aus einer Produktionsbohrung wird in einen Verdampfer gepumpt und der entstehende Dampf einer Turbine zugeführt.
Das Funktionsprinzip eines binären GeoPP. Heißes Thermalwasser interagiert mit einer anderen Flüssigkeit, die als Arbeitsfluid wirkt und einen niedrigeren Siedepunkt hat.
Das Schema des petrothermischen Systems. Das System basiert auf der Verwendung eines Temperaturgradienten zwischen der Erdoberfläche und ihrem Inneren, wo die Temperatur höher ist.
Schematische Darstellung eines Kühlschranks und einer Wärmepumpe: 1 - Kondensator; 2 - Gas (Druckregler); 3 - Verdampfer; 4 - Kompressor.
Mutnovskaya GeoPP in Kamtschatka. Ende 2011 betrug die installierte Leistung der Station 50 MW, es ist jedoch geplant, sie auf 80 MW zu erhöhen. Foto von Tatiana Korobkova (Forschungslabor für erneuerbare Energien der Geografischen Fakultät der Moskauer Staatlichen Universität Lomonossow.)
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Die Nutzung von Geothermie hat eine sehr lange Geschichte. Eines der ersten bekannten Beispiele ist Italien, ein Ort in der Provinz Toskana, der heute Larderello heißt, wo bereits zu Beginn des 19. Jahrhunderts das lokale heiße Thermalwasser verwendet wurde, das auf natürliche Weise ausgegossen oder aus flachen Brunnen gewonnen wurde Energiezwecke.
Hier wurde borreiches Grundwasser verwendet, um Borsäure zu erhalten. Ursprünglich wurde diese Säure durch Verdampfung in Eisenkesseln gewonnen, und gewöhnliches Brennholz aus den nahe gelegenen Wäldern wurde als Brennstoff verwendet. 1827 schuf Francesco Larderel ein System, das auf der Hitze des Wassers selbst arbeitete. Gleichzeitig wurde die Energie des natürlichen Wasserdampfs für den Betrieb von Bohrinseln und zu Beginn des 20. Jahrhunderts für die Beheizung lokaler Häuser und Gewächshäuser verwendet. An derselben Stelle in Larderello wurde 1904 thermischer Wasserdampf zu einer Energiequelle für die Stromerzeugung.
Einige andere Länder folgten im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert dem Beispiel Italiens. Beispielsweise wurde 1892 in den Vereinigten Staaten (Boise, Idaho), 1919 in Japan und 1928 in Island erstmals Thermalwasser für die lokale Heizung verwendet.
In den Vereinigten Staaten erschien das erste Wasserkraftwerk in den frühen 1930er Jahren in Kalifornien, 1958 in Neuseeland, 1959 in Mexiko, 1965 in Russland (dem weltweit ersten binären Geothermiekraftwerk) ...
Altes Prinzip auf einer neuen Quelle
Die Stromerzeugung erfordert eine höhere Temperatur der Wasserkraftquelle als zum Heizen - mehr als 150 ° C. Das Funktionsprinzip eines Geothermiekraftwerks (GeoPP) ähnelt dem Funktionsprinzip eines konventionellen Wärmekraftwerks (TPP). Tatsächlich ist ein Geothermiekraftwerk eine Art Wärmekraftwerk.
Bei TPPs fungieren in der Regel Kohle, Gas oder Heizöl als primäre Energiequelle, und Wasserdampf dient als Arbeitsmedium. Brennstoff, der brennt, erwärmt Wasser auf den Dampfzustand, der die Dampfturbine dreht, und erzeugt Strom.
Der Unterschied zwischen GeoPPs besteht darin, dass die primäre Energiequelle hier die Wärme des Erdinneren ist und das Arbeitsmedium in Form von Dampf den Turbinenschaufeln eines elektrischen Generators in "fertiger" Form direkt aus der Produktion zugeführt wird Gut.
Es gibt drei Hauptschemata für den GeoPP-Betrieb: direkt mit trockenem (geothermischem) Dampf; indirekt, basierend auf hydrothermalem Wasser und gemischt oder binär.
Die Anwendung dieses oder jenes Schemas hängt vom Aggregatzustand und der Temperatur des Energieträgers ab.
Das einfachste und daher erste der beherrschten Schemata ist die gerade Linie, in der der aus dem Bohrloch kommende Dampf direkt durch die Turbine geleitet wird. Das weltweit erste GeoPP in Larderello wurde 1904 ebenfalls mit trockenem Dampf betrieben.
GeoPPs mit einem indirekten Arbeitsschema sind in unserer Zeit am häufigsten. Sie verwenden heißes Grundwasser, das unter hohem Druck in einen Verdampfer gepumpt wird, wo ein Teil davon verdampft wird und der entstehende Dampf eine Turbine dreht. In einigen Fällen sind zusätzliche Geräte und Schaltkreise erforderlich, um geothermisches Wasser und Dampf von aggressiven Verbindungen zu reinigen.
Der verbrauchte Dampf tritt in die Einspritzbohrung ein oder wird zur Raumheizung verwendet - in diesem Fall ist das Prinzip dasselbe wie beim Betrieb eines BHKW.
Bei binären GeoPPs interagiert heißes Thermalwasser mit einer anderen Flüssigkeit, die als Arbeitsfluid mit einem niedrigeren Siedepunkt wirkt. Beide Flüssigkeiten werden durch einen Wärmetauscher geleitet, in dem Thermalwasser das Arbeitsmedium verdampft, dessen Dampf die Turbine dreht.
Dieses System ist geschlossen, wodurch das Problem der Emissionen in die Atmosphäre gelöst wird. Darüber hinaus ermöglichen Arbeitsflüssigkeiten mit einem relativ niedrigen Siedepunkt die Verwendung von nicht sehr heißem Thermalwasser als primäre Energiequelle.
In allen drei Schemata wird eine hydrothermale Quelle genutzt, aber petrothermische Energie kann auch zur Stromerzeugung verwendet werden (zu den Unterschieden zwischen hydrothermaler und petrothermischer Energie siehe Science and Life, Nr. 9, 2013).
Das schematische Diagramm ist auch in diesem Fall recht einfach. Es ist notwendig, zwei miteinander verbundene Bohrlöcher zu bohren - Injektion und Produktion. Wasser wird in den Injektionsschacht gepumpt. In der Tiefe erwärmt es sich, dann wird erwärmtes Wasser oder Dampf, der infolge starker Erwärmung entsteht, durch die Produktionsbohrung an die Oberfläche geleitet. Darüber hinaus hängt alles davon ab, wie petrothermische Energie genutzt wird - zum Heizen oder zur Stromerzeugung. Ein geschlossener Kreislauf ist möglich, wenn Abgasdampf und Wasser in den Injektionsschacht oder auf eine andere Weise entsorgt werden.
Der Nachteil eines solchen Systems liegt auf der Hand: Um eine ausreichend hohe Temperatur des Arbeitsmediums zu erreichen, müssen Bohrlöcher bis zu einer großen Tiefe gebohrt werden.Dies sind schwerwiegende Kosten und das Risiko eines erheblichen Wärmeverlusts, wenn sich die Flüssigkeit nach oben bewegt. Daher sind petrothermische Systeme immer noch weniger verbreitet als hydrothermale, obwohl das Potenzial der petrothermischen Energie um Größenordnungen höher ist.
Derzeit ist Australien führend bei der Entwicklung der sogenannten petrothermischen Zirkulationssysteme (PCS). Darüber hinaus entwickelt sich diese Richtung der Geothermie in den USA, der Schweiz, Großbritannien und Japan aktiv.
Lord Kelvins Geschenk
Die Erfindung einer Wärmepumpe durch den Physiker William Thompson (alias Lord Kelvin) im Jahr 1852 bot der Menschheit eine echte Gelegenheit, die Wärme der oberen Bodenschichten mit geringem Potential zu nutzen. Das Wärmepumpensystem oder, wie Thompson es nannte, der Wärmemultiplikator basiert auf dem physikalischen Prozess der Wärmeübertragung von der Umgebung auf das Kältemittel. Tatsächlich verwendet es das gleiche Prinzip wie in petrothermischen Systemen. Der Unterschied liegt in der Wärmequelle, in deren Zusammenhang sich eine terminologische Frage stellen kann: Inwieweit kann eine Wärmepumpe als geothermisches System betrachtet werden? Tatsache ist, dass in den oberen Schichten bis zu Tiefen von zehn bis hundert Metern die Gesteine und die darin enthaltenen Flüssigkeiten nicht durch die tiefe Hitze der Erde, sondern durch die Sonne erwärmt werden. Somit ist in diesem Fall die Sonne die Hauptwärmequelle, obwohl sie wie in geothermischen Systemen der Erde entnommen wird.
Die Arbeit einer Wärmepumpe basiert auf einer Verzögerung beim Erhitzen und Abkühlen des Bodens im Vergleich zur Atmosphäre, wodurch sich ein Temperaturgradient zwischen der Oberfläche und tieferen Schichten bildet, die auch im Winter Wärme speichern, ähnlich wie bei Was passiert in Gewässern? Der Hauptzweck von Wärmepumpen ist die Raumheizung. In der Tat ist es ein "umgekehrter Kühlschrank". Sowohl die Wärmepumpe als auch der Kühlschrank interagieren mit drei Komponenten: der inneren Umgebung (im ersten Fall - dem beheizten Raum, im zweiten - der Kühlkammer des Kühlschranks), der äußeren Umgebung - der Energiequelle und dem Kältemittel (Kühlmittel) Es ist auch der Wärmeträger, der für Wärmeübertragung oder Kälte sorgt.
Eine Substanz mit niedrigem Siedepunkt wirkt als Kältemittel, das es ihr ermöglicht, Wärme von einer Quelle zu entnehmen, die selbst eine relativ niedrige Temperatur aufweist.
Im Kühlschrank gelangt das flüssige Kältemittel über eine Drosselklappe (Druckregler) in den Verdampfer, wo die Flüssigkeit aufgrund eines starken Druckabfalls verdampft. Verdampfung ist ein endothermer Prozess, der eine externe Wärmeabsorption erfordert. Infolgedessen wird den Innenwänden des Verdampfers Wärme entzogen, was einen Kühleffekt in der Kühlkammer bewirkt. Ferner wird vom Verdampfer das Kältemittel in den Kompressor gesaugt, wo es in den flüssigen Aggregatzustand zurückkehrt. Dies ist ein umgekehrter Prozess, der zur Abgabe der abgeführtem Wärme an die äußere Umgebung führt. In der Regel wird es in den Raum geworfen und die Rückseite des Kühlschranks ist relativ warm.
Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich, mit dem Unterschied, dass die Wärme aus der äußeren Umgebung und über den Verdampfer in die innere Umgebung gelangt - das Raumheizungssystem.
In einer realen Wärmepumpe wird Wasser erwärmt, durch einen externen Kreislauf geleitet, in den Boden oder in ein Reservoir gelegt und tritt dann in den Verdampfer ein.
Im Verdampfer wird Wärme an einen internen Kreislauf übertragen, der mit einem Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt gefüllt ist, das beim Durchlaufen des Verdampfers von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand übergeht und Wärme abführt.
Ferner tritt das gasförmige Kältemittel in den Kompressor ein, wo es auf hohen Druck und hohe Temperatur komprimiert wird, und tritt in den Kondensator ein, wo ein Wärmeaustausch zwischen dem heißen Gas und dem Kühlmittel aus dem Heizsystem stattfindet.
Der Kompressor benötigt zum Betrieb Strom. Das Umwandlungsverhältnis (das Verhältnis von verbrauchter und erzeugter Energie) in modernen Systemen ist jedoch hoch genug, um deren Effizienz sicherzustellen.
Derzeit werden Wärmepumpen hauptsächlich in wirtschaftlich entwickelten Ländern häufig zur Raumheizung eingesetzt.
Öko-korrekte Energie
Geothermie gilt als umweltfreundlich, was im Allgemeinen zutrifft. Erstens nutzt es eine erneuerbare und praktisch unerschöpfliche Ressource. Geothermie benötigt im Gegensatz zu großen Wasserkraftwerken oder Windparks keine großen Flächen und verschmutzt im Gegensatz zu Kohlenwasserstoff-Energie nicht die Atmosphäre. Ein GeoPP nimmt im Durchschnitt 400 m2 in Bezug auf 1 GW erzeugten Strom ein. Die gleiche Zahl für ein Kohlekraftwerk beträgt beispielsweise 3600 m2. Zu den ökologischen Vorteilen von GeoPPs gehört auch ein geringer Wasserverbrauch - 20 Liter Frischwasser pro 1 kW, während TPPs und NPPs etwa 1000 Liter benötigen. Beachten Sie, dass dies die Umweltindikatoren des "durchschnittlichen" GeoPP sind.
Es gibt aber immer noch negative Nebenwirkungen. Unter ihnen werden am häufigsten Lärm, thermische Verschmutzung der Atmosphäre und chemische Verschmutzung - Wasser und Boden sowie die Bildung fester Abfälle - unterschieden.
Die Hauptquelle für die chemische Verschmutzung der Umwelt ist das Thermalwasser selbst (mit hoher Temperatur und Mineralisierung), das häufig große Mengen toxischer Verbindungen enthält. Daher besteht das Problem der Entsorgung von Abwasser und gefährlichen Substanzen.
Die negativen Auswirkungen der Geothermie können in mehreren Phasen verfolgt werden, beginnend mit dem Bohren von Bohrlöchern. Hier entstehen die gleichen Gefahren wie beim Bohren eines Brunnens: Zerstörung des Bodens und der Vegetationsbedeckung, Kontamination von Boden und Grundwasser.
In der Betriebsphase des GeoPP bestehen weiterhin die Probleme der Umweltverschmutzung. Thermische Flüssigkeiten - Wasser und Dampf - enthalten normalerweise Kohlendioxid (CO2), Schwefelsulfid (H2S), Ammoniak (NH3), Methan (CH4), Tafelsalz (NaCl), Bor (B), Arsen (As), Quecksilber (Hg ). Wenn sie in die Umwelt freigesetzt werden, werden sie zu Quellen ihrer Verschmutzung. Darüber hinaus kann eine aggressive chemische Umgebung die Strukturen des GeoTPP durch Korrosion beschädigen.
Gleichzeitig sind die Schadstoffemissionen bei GeoPPs im Durchschnitt niedriger als bei TPPs. Beispielsweise betragen die Kohlendioxidemissionen pro Kilowattstunde erzeugten Stroms bei GeoPPs bis zu 380 g, bei kohlebefeuerten TPPs 1.042 g, bei Heizöl 906 g und bei gasbetriebenen TPPs 453 g.
Es stellt sich die Frage: Was tun mit dem Abwasser? Bei geringem Salzgehalt kann es nach dem Abkühlen in Oberflächengewässer eingeleitet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, es durch eine Injektionsbohrung, die heute bevorzugt und überwiegend verwendet wird, wieder in den Grundwasserleiter zu injizieren.
Die Entnahme von Thermalwasser aus Grundwasserleitern (sowie das Abpumpen von normalem Wasser) kann zu Absenkungen und Bewegungen des Bodens, anderen Verformungen geologischer Schichten und Mikroerdbeben führen. Die Wahrscheinlichkeit solcher Phänomene ist in der Regel gering, obwohl Einzelfälle erfasst wurden (z. B. beim GeoPP in Staufen im Breisgau in Deutschland).
Es sollte betont werden, dass sich die meisten GeoPPs in relativ dünn besiedelten Gebieten und in Ländern der Dritten Welt befinden, in denen die Umweltanforderungen weniger streng sind als in Industrieländern. Darüber hinaus sind die Anzahl der GeoPPs und ihre Kapazitäten derzeit relativ gering. Mit einer umfassenderen Entwicklung der Geothermie können sich die Umweltrisiken erhöhen und vermehren.
Wie viel ist die Energie der Erde?
Die Investitionskosten für den Bau von Geothermiesystemen variieren in einem sehr großen Bereich - von 200 bis 5.000 USD pro 1 kW installierter Leistung, dh die billigsten Optionen sind vergleichbar mit den Kosten für den Bau eines Wärmekraftwerks. Sie hängen in erster Linie von den Bedingungen des Auftretens von Thermalwasser, ihrer Zusammensetzung und dem Aufbau des Systems ab. Durch Bohren in große Tiefen und Schaffung eines geschlossenen Systems mit zwei Bohrlöchern kann die Notwendigkeit einer Wasserreinigung die Kostenvielfalt erhöhen.
Beispielsweise werden die Investitionen in die Schaffung eines petrothermischen Zirkulationssystems (PCS) auf 1,6 bis 4.000 US-Dollar pro 1 kW installierter Leistung geschätzt, was die Kosten für den Bau eines Kernkraftwerks übersteigt und mit den Kosten für den Bau von Windkraftanlagen vergleichbar ist Solarkraftwerke.
Der offensichtliche wirtschaftliche Vorteil von GeoTPP ist ein freier Energieträger. Zum Vergleich: In der Kostenstruktur eines TPP oder KKW macht Kraftstoff je nach den aktuellen Energiepreisen 50-80% oder sogar mehr aus. Ein weiterer Vorteil des geothermischen Systems: Die Betriebskosten sind stabiler und vorhersehbarer, da sie nicht von der externen Konjunktur der Energiepreise abhängen. Im Allgemeinen werden die Betriebskosten des Geothermiekraftwerks auf 2 bis 10 Cent (60 Kopeken - 3 Rubel) pro 1 kWh produzierter Leistung geschätzt.
Der zweitgrößte (nach Energie) (und sehr bedeutende) Ausgabenposten sind in der Regel die Gehälter des Anlagenpersonals, die sich je nach Land und Region radikal unterscheiden können.
Im Durchschnitt sind die Kosten für 1 kWh Geothermie vergleichbar mit denen für TPP (unter russischen Bedingungen - etwa 1 Rubel / 1 kWh) und zehnmal höher als die Kosten für die Stromerzeugung in Wasserkraftwerken (5-10 Kopeken / 1) kWh).
Ein Grund für die hohen Kosten liegt darin, dass das GeoTPP im Gegensatz zu thermischen und hydraulischen Kraftwerken eine relativ geringe Kapazität hat. Darüber hinaus müssen Systeme verglichen werden, die sich in derselben Region und unter ähnlichen Bedingungen befinden. In Kamtschatka beispielsweise kostet laut Experten 1 kWh Geothermie 2-3 mal billiger als Strom, der in lokalen Wärmekraftwerken erzeugt wird.
Indikatoren für die Wirtschaftlichkeit eines geothermischen Systems hängen beispielsweise davon ab, ob Abwasser entsorgt werden muss und wie es erfolgt, ob eine kombinierte Nutzung der Ressource möglich ist. Somit können chemische Elemente und Verbindungen, die aus Thermalwasser extrahiert werden, zusätzliche Einnahmen bringen. Erinnern wir uns an das Beispiel von Larderello: Es war die chemische Produktion, die dort im Vordergrund stand, und die Nutzung von Geothermie war anfangs eine Hilfsenergie.
Geothermie vorwärts
Geothermie entwickelt sich etwas anders als Wind und Sonne. Gegenwärtig hängt es in viel größerem Maße von der Art der Ressource selbst ab, die sich je nach Region stark unterscheidet, und die höchsten Konzentrationen sind an enge Zonen geothermischer Anomalien gebunden, die in der Regel mit Entwicklungsgebieten tektonischer Verwerfungen verbunden sind und Vulkanismus (siehe "Wissenschaft und Leben" Nr. 9, 2013).
Darüber hinaus ist Geothermie im Vergleich zu Wind und vor allem zu Solarenergie technologisch weniger leistungsfähig: Die Systeme von Geothermiestationen sind recht einfach.
In der Gesamtstruktur der weltweiten Stromerzeugung macht die geothermische Komponente weniger als 1% aus, in einigen Regionen und Ländern erreicht ihr Anteil jedoch 25 bis 30%. Aufgrund der Verknüpfung mit den geologischen Bedingungen konzentriert sich ein erheblicher Teil der geothermischen Energiekapazitäten auf die Länder der Dritten Welt, in denen drei Cluster der größten Entwicklung der Branche unterschieden werden - die Inseln Südostasien, Mittelamerika und Ostafrika. Die ersten beiden Regionen gehören zum pazifischen "Feuergürtel der Erde", die dritte ist mit dem ostafrikanischen Riss verbunden. In diesen Gürteln wird sich höchstwahrscheinlich weiterhin Geothermie entwickeln. Eine weiter entfernte Perspektive ist die Entwicklung der petrothermischen Energie unter Verwendung der Wärme der Erdschichten, die in einer Tiefe von mehreren Kilometern liegen. Dies ist eine fast allgegenwärtige Ressource, deren Gewinnung jedoch hohe Kosten erfordert. Daher entwickelt sich die petrothermische Energie hauptsächlich in den wirtschaftlich und technologisch leistungsstärksten Ländern.
Angesichts der allgegenwärtigen Verteilung der geothermischen Ressourcen und eines akzeptablen Maßes an Umweltsicherheit besteht im Allgemeinen Grund zu der Annahme, dass die Geothermie gute Entwicklungsaussichten hat. Besonders angesichts der wachsenden Gefahr eines Mangels an traditionellen Energiequellen und steigender Preise für diese.
Von Kamtschatka in den Kaukasus
In Russland hat die Entwicklung der Geothermie eine ziemlich lange Geschichte, und in einer Reihe von Positionen gehören wir zu den Weltmarktführern, obwohl der Anteil der Geothermie an der Gesamtenergiebilanz eines riesigen Landes immer noch vernachlässigbar ist.
Zwei Regionen - Kamtschatka und der Nordkaukasus - sind zu Pionieren und Zentren für die Entwicklung der Geothermie in Russland geworden, und wenn wir im ersten Fall hauptsächlich über die Elektrizitätswirtschaft sprechen, dann im zweiten Fall über die Nutzung von Wärmeenergie von Thermalwasser.
Im Nordkaukasus - im Krasnodar-Territorium, Tschetschenien, Dagestan - wurde die Wärme des Thermalwassers bereits vor dem Großen Vaterländischen Krieg für Energiezwecke genutzt. In den 1980er und 1990er Jahren kam die Entwicklung der Geothermie in der Region aus offensichtlichen Gründen zum Stillstand und ist noch nicht aus einem Zustand der Stagnation hervorgegangen. Dennoch versorgt die geothermische Wasserversorgung im Nordkaukasus etwa 500.000 Menschen mit Wärme, und beispielsweise wird die Stadt Labinsk im Krasnodar-Territorium mit 60.000 Einwohnern vollständig durch geothermisches Wasser erwärmt.
In Kamtschatka ist die Geschichte der Geothermie vor allem mit dem Bau von Geothermiekraftwerken verbunden. Die ersten von ihnen, die noch die Stationen Pauzhetskaya und Paratunskaya betreiben, wurden zwischen 1965 und 1967 gebaut, während die Paratunskaya GeoPP mit einer Leistung von 600 kW die erste Station der Welt mit einem Binärzyklus wurde. Es war die Entwicklung der sowjetischen Wissenschaftler S. S. Kutateladze und A. M. Rosenfeld vom Institut für Thermophysik der Sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften, die 1965 ein Autorenzertifikat für die Gewinnung von Elektrizität aus Wasser mit einer Temperatur von 70 ° C erhielten. Diese Technologie wurde später zum Prototyp für mehr als 400 binäre GeoPPs weltweit.
Die Kapazität des 1966 in Betrieb genommenen Pauzhetskaya GeoPP betrug zunächst 5 MW und wurde anschließend auf 12 MW erhöht. Derzeit befindet sich an der Station ein Binärblock im Bau, der seine Kapazität um weitere 2,5 MW erhöhen wird.
Die Entwicklung der Geothermie in der UdSSR und in Russland wurde durch die Verfügbarkeit traditioneller Energiequellen - Öl, Gas, Kohle - behindert, aber nie gestoppt. Die derzeit größten Geothermie-Anlagen sind das 1999 in Betrieb genommene GeoPP Verkhne-Mutnovskaya mit einer Gesamtkapazität von 12 MW und das GeoPP Mutnovskaya mit einer Leistung von 50 MW (2002).
Die GeoPPs Mutnovskaya und Verkhne-Mutnovskaya sind nicht nur für Russland, sondern auch weltweit einzigartige Objekte. Die Stationen befinden sich am Fuße des Mutnovsky-Vulkans auf einer Höhe von 800 Metern über dem Meeresspiegel und arbeiten unter extremen klimatischen Bedingungen, wo es 9 bis 10 Monate im Jahr Winter ist. Die Ausrüstung der Mutnovsky GeoPPs, die derzeit zu den modernsten der Welt gehören, wird vollständig in inländischen Unternehmen der Energietechnik hergestellt.
Derzeit beträgt der Anteil der Mutnovskie-Anlagen an der Gesamtstruktur des Energieverbrauchs des zentralen Energiezentrums Kamtschatka 40%. Eine Kapazitätserweiterung ist in den kommenden Jahren geplant.
Unabhängig davon sollte über die petrothermischen Entwicklungen in Russland gesprochen werden. Wir haben noch keine großen DSPs, aber es gibt fortschrittliche Technologien zum Bohren in große Tiefen (ca. 10 km), die auch weltweit keine Analoga haben. Ihre Weiterentwicklung wird es ermöglichen, die Kosten für die Schaffung petrothermischer Systeme drastisch zu senken. Die Entwickler dieser Technologien und Projekte sind N.A. Gnatus, M.D. Khutorskoy (Geologisches Institut, RAS), A.S. Nekrasov (Institut für Wirtschaftsprognose, RAS) und Spezialisten der Kaluga Turbine Works. Das Projekt für ein petrothermisches Kreislaufsystem in Russland befindet sich derzeit in einem experimentellen Stadium.
In Russland gibt es Aussichten für Geothermie, wenn auch relativ weit entfernt: Derzeit ist das Potenzial recht groß und die Positionen der traditionellen Energie sind stark. Gleichzeitig ist in einigen abgelegenen Regionen des Landes die Nutzung von Geothermie wirtschaftlich rentabel und bereits jetzt gefragt. Dies sind Gebiete mit hohem geoenergetischen Potenzial (Tschukotka, Kamtschatka, Kurilen - der russische Teil des pazifischen "Erdfeuergürtels", die Berge Südsibiriens und des Kaukasus), die gleichzeitig von der zentralisierten Energieversorgung entfernt und abgeschnitten sind.
Wahrscheinlich wird sich in den kommenden Jahrzehnten die Geothermie in unserem Land genau in solchen Regionen entwickeln.
Erneuerbare Ressourcen
Da die Bevölkerung unseres Planeten stetig wächst, brauchen wir immer mehr Energie, um die Bevölkerung zu unterstützen. Die in den Eingeweiden der Erde enthaltene Energie kann sehr unterschiedlich sein. Zum Beispiel gibt es erneuerbare Quellen: Wind-, Solar- und Wasserenergie. Sie sind umweltfreundlich und können daher ohne Angst vor Umweltschäden verwendet werden.
Energie des Wassers
Diese Methode wird seit vielen Jahrhunderten angewendet. Heute wurde eine große Anzahl von Dämmen und Stauseen gebaut, in denen Wasser zur Stromerzeugung verwendet wird. Das Wesen dieses Mechanismus ist einfach: Unter dem Einfluss der Strömung des Flusses drehen sich die Räder der Turbinen bzw. die Energie des Wassers wird in elektrische Energie umgewandelt.
Heute gibt es eine Vielzahl von Wasserkraftwerken, die die Energie des Wasserflusses in Elektrizität umwandeln. Die Besonderheit dieses Verfahrens besteht darin, dass die Wasserkraftressourcen jeweils erneuert werden und solche Strukturen geringe Kosten verursachen. Trotz der Tatsache, dass der Bau von Wasserkraftwerken schon seit geraumer Zeit andauert und der Prozess selbst sehr kostspielig ist, übertreffen diese Strukturen die energieintensiven Industrien erheblich.
Energie der Sonne: modern und zukunftssicher
Solarenergie wird mithilfe von Sonnenkollektoren gewonnen, moderne Technologien ermöglichen jedoch die Verwendung neuer Methoden. Das größte Solarkraftwerk der Welt ist ein System, das in der kalifornischen Wüste gebaut wurde. Es versorgt 2.000 Häuser vollständig mit Strom. Das Design funktioniert wie folgt: Die Sonnenstrahlen werden von den Spiegeln reflektiert, die mit Wasser zum Zentralkessel geschickt werden. Es kocht und verwandelt sich in Dampf, der die Turbine antreibt. Sie ist wiederum an einen elektrischen Generator angeschlossen. Wind kann auch als die Energie verwendet werden, die uns die Erde gibt. Der Wind bläst die Segel, dreht die Mühlen. Und jetzt können damit Geräte erstellt werden, die elektrische Energie erzeugen. Durch Drehen der Blätter der Windmühle wird die Turbinenwelle angetrieben, die wiederum mit einem elektrischen Generator verbunden ist.
Anwendungen
Die Nutzung der Geothermie geht auf das 19. Jahrhundert zurück. Das erste war die Erfahrung von Italienern, die in der Provinz Toskana lebten und warmes Wasser aus Heizquellen zum Heizen verwendeten. Mit ihrer Hilfe arbeiteten neue Bohrinseln.
Das toskanische Wasser ist reich an Bor, und wenn es verdampft und in Borsäure umgewandelt wird, arbeiten die Kessel an der Hitze ihres eigenen Wassers. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts (1904) gingen die Toskaner weiter und starteten ein Dampfkraftwerk. Das Beispiel der Italiener wurde zu einer wichtigen Erfahrung für die USA, Japan und Island.
Landwirtschaft und Gartenbau
Geothermie wird in der Landwirtschaft, im Gesundheitswesen und in Haushalten in 80 Ländern weltweit eingesetzt.
Das erste, wofür Thermalwasser verwendet wurde und wird, ist das Heizen von Gewächshäusern und Gewächshäusern, wodurch Gemüse, Obst und Blumen auch im Winter geerntet werden können. Warmes Wasser war auch zum Gießen nützlich.
Der Anbau von Pflanzen in der Hydrokultur gilt als vielversprechende Richtung für landwirtschaftliche Erzeuger.Einige Fischfarmen verwenden erhitztes Wasser in künstlichen Stauseen, um Brut und Fisch zu züchten.
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Diese Technologien sind in Israel, Kenia, Griechenland und Mexiko verbreitet.
Industrie und Wohnen sowie kommunale Dienstleistungen
Bereits vor mehr als einem Jahrhundert war heißer thermischer Dampf die Basis für die Stromerzeugung. Seitdem dient es der Industrie und den Versorgungsunternehmen.
In Island werden 80% der Wohnungen mit Thermalwasser beheizt.
Es wurden drei Systeme zur Stromerzeugung entwickelt:
- Gerade mit Wasserdampf. Das einfachste: Es wird dort eingesetzt, wo direkter Zugang zu geothermischen Dämpfen besteht.
- Indirekt, verwendet keinen Dampf, sondern Wasser. Es wird dem Verdampfer zugeführt, durch ein technisches Verfahren in Dampf umgewandelt und dem Turbinengenerator zugeführt.
Wasser erfordert eine zusätzliche Reinigung, da es aggressive Verbindungen enthält, die die Arbeitsmechanismen zerstören können. Abfall, aber noch nicht abgekühlter Dampf ist für Heizzwecke geeignet.
- Gemischt (binär). Wasser ersetzt Kraftstoff, der eine andere Flüssigkeit mit höherer Wärmeübertragung erwärmt. Es treibt die Turbine an.
Das binäre System verwendet eine Turbine, die durch die Energie von erwärmtem Wasser aktiviert wird.
Hydrothermale Energie wird von den USA, Russland, Japan, Neuseeland, der Türkei und anderen Ländern genutzt.
Geothermische Heizsysteme für zu Hause
Ein auf +50 - 600C beheizter Wärmeträger eignet sich zum Heizen von Gehäusen, Geothermie erfüllt diese Anforderung. Städte mit mehreren Zehntausenden Einwohnern können durch die Wärme des Erdinneren erwärmt werden. Als Beispiel: Die Heizung der Stadt Labinsk im Gebiet Krasnodar wird mit natürlichem Erdbrennstoff betrieben.
Diagramm eines geothermischen Systems zum Heizen eines Hauses
Sie müssen keine Zeit und Energie für das Erhitzen von Wasser und den Bau eines Heizraums verschwenden. Das Kühlmittel wird direkt aus der Geysirquelle entnommen. Das gleiche Wasser ist auch für die Warmwasserversorgung geeignet. Im ersten und zweiten Fall wird die notwendige technische und chemische Vorreinigung durchgeführt.
Die daraus resultierende Energie kostet zwei- bis dreimal günstiger. Installationen für Privathäuser erschienen. Sie sind teurer als herkömmliche Brennstoffkessel, rechtfertigen aber im Betrieb die Kosten.
Die Vor- und Nachteile der Nutzung von Geothermie zur Beheizung eines Hauses.
Innere Energie der Erde
Es trat als Ergebnis mehrerer Prozesse auf, von denen die Hauptakkretion und Radioaktivität sind. Laut Wissenschaftlern fand die Bildung der Erde und ihrer Masse über mehrere Millionen Jahre statt, und dies geschah aufgrund der Bildung von Planetesimalen. Sie klebten zusammen, die Masse der Erde wurde immer mehr. Nachdem unser Planet eine moderne Masse hatte, aber immer noch keine Atmosphäre hatte, fielen Meteoriten- und Asteroidenkörper ungehindert darauf. Dieser Prozess wird als Akkretion bezeichnet und führte zur Freisetzung signifikanter Gravitationsenergie. Und je größer die Körper auf den Planeten fielen, desto mehr Energie wurde in den Eingeweiden der Erde freigesetzt.
Diese Gravitationsdifferenzierung führte dazu, dass sich Substanzen zu schichten begannen: Schwere Substanzen ertranken einfach und leichte und flüchtige schwebten auf. Die Differenzierung wirkte sich auch auf die zusätzliche Freisetzung von Gravitationsenergie aus.
Fast alle grundlegenden physikalischen Eigenschaften der Erdmaterie hängen von der Temperatur ab. Je nach Temperatur ändert sich der Druck, bei dem die Substanz von einem festen in einen geschmolzenen Zustand übergeht. Wenn sich die Temperatur ändert, ändern sich die Viskosität, die elektrische Leitfähigkeit und die magnetischen Eigenschaften der Gesteine, aus denen die Erde besteht. Um uns vorzustellen, was in der Erde geschieht, müssen wir ihren thermischen Zustand unbedingt kennen. Wir haben noch keine Möglichkeit, Temperaturen in Tiefen der Erde direkt zu messen. Für unsere Messungen stehen nur die ersten Kilometer der Erdkruste zur Verfügung.Wir können die Innentemperatur der Erde jedoch indirekt anhand von Daten zum Wärmefluss der Erde bestimmen.
Die Unmöglichkeit einer direkten Überprüfung ist natürlich in vielen Geowissenschaften eine sehr große Schwierigkeit. Dennoch bringt die erfolgreiche Entwicklung von Beobachtungen und Theorien unser Wissen allmählich der Wahrheit näher.
Moderne Wissenschaft über den thermischen Zustand und die Geschichte der Erde - Geothermie Ist eine junge Wissenschaft. Die erste Studie zur Geothermie erschien erst Mitte des letzten Jahrhunderts. William Thomson (Lord Kelvin), damals noch ein sehr junger Wissenschaftler, Physiker, widmete seine Dissertation der Bestimmung des Alters der Erde auf der Grundlage der Untersuchung der Verteilung und Bewegung von Wärme innerhalb des Planeten. Kelvin glaubte, dass die Innentemperatur der Erde im Laufe der Zeit aufgrund der Bildung und Verfestigung des Planeten aus geschmolzener Materie abnehmen sollte.
Durch die Definition Wärmegradient - die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs mit der Tiefe - in Minen und Bohrlöchern in verschiedenen Tiefen kam Kelvin zu dem Schluss, dass aus diesen Daten angenommen werden kann, wie lange sich die Erde abkühlen sollte, und daher das Alter der Erde bestimmen kann . Nach Kelvins Schätzung steigt die Temperatur in den nächstgelegenen Tiefen unter der Oberfläche pro tausend Meter Tiefe um 20-40 ° C. Es stellte sich heraus, dass sich die Erde in nur wenigen zehn Millionen Jahren auf ihren gegenwärtigen Zustand abgekühlt hatte. Dies stimmt jedoch in keiner Weise mit anderen Daten überein, beispielsweise mit Daten über die Dauer vieler bekannter geologischer Epochen. Die Debatte zu diesem Thema dauerte ein halbes Jahrhundert und stellte Kelvin gegen so prominente Evolutionisten wie Charles Darwin und Thomas Huxley.
Kelvin stützte seine Schlussfolgerungen auf die Idee, dass sich die Erde ursprünglich in einem geschmolzenen Zustand befand und sich allmählich abkühlte. Diese Hypothese dominiert seit Jahrzehnten. Um die Wende des 20. Jahrhunderts wurden jedoch Entdeckungen gemacht, die das Verständnis der Natur des tiefen Wärmeflusses der Erde und ihrer thermischen Geschichte grundlegend veränderten. Radioaktivität wurde entdeckt, Studien über die Prozesse der Wärmefreisetzung während des radioaktiven Zerfalls einiger Isotope begannen, und es wurden Schlussfolgerungen gezogen, dass die Gesteine, aus denen die Erdkruste besteht, eine signifikante Menge radioaktiver Isotope enthalten.
Direkte Messungen des Wärmeflusses der Erde begannen vor relativ kurzer Zeit: zuerst auf den Kontinenten - 1939 in tiefen Brunnen in Südafrika, später am Meeresboden - seit 1954 im Atlantik. In unserem Land wurde zum ersten Mal der Wärmefluss in Tiefbrunnen in Sotschi und Matsesta gemessen. In den letzten Jahren schreitet die Akkumulation experimentell gewonnener Daten zu Wärmeflüssen ziemlich schnell voran.
Warum wird das gemacht? Und werden noch neue und neue Dimensionen benötigt? Ja, sehr gebraucht. Ein Vergleich der Messungen des tiefen Wärmeflusses an verschiedenen Punkten des Planeten zeigt, dass der Energieverlust durch verschiedene Teile der Planetenoberfläche auf unterschiedliche Weise auftritt. Dies spricht für die Heterogenität von Kruste und Mantel, ermöglicht die Beurteilung der Natur vieler Prozesse in verschiedenen Tiefen, die für unsere Augen unter der Erdoberfläche unzugänglich sind, und liefert einen Schlüssel zur Untersuchung des Mechanismus der Entwicklung des Planeten und seiner inneren Energie .
Wie viel Wärme verliert die Erde durch den Wärmefluss aus dem Darm? Es stellt sich heraus, dass dieser Wert im Durchschnitt gering ist - etwa 0,06 Watt pro Quadratmeter Oberfläche oder etwa 30 Billionen Watt auf dem gesamten Planeten. Die Erde erhält etwa viertausendmal mehr Energie von der Sonne. Und natürlich spielt die Sonnenwärme eine wichtige Rolle bei der Ermittlung der Temperatur auf der Erdoberfläche.
Die Wärme, die ein Planet über eine Oberfläche von der Größe eines Fußballfeldes abgibt, entspricht ungefähr der Wärme, die dreihundert-Watt-Glühbirnen erzeugen können. Ein solcher Energiefluss scheint unbedeutend, aber er kommt von der gesamten Erdoberfläche und ständig! Die Leistung des gesamten Wärmeflusses aus dem Darm des Planeten ist etwa 30-mal höher als die Leistung aller modernen Kraftwerke der Welt.
Tiefenmessung Wärmefluss der Erde Der Prozess ist nicht einfach und zeitaufwändig. Durch die Erdkruste wird Wärme leitend an die Oberfläche geleitet, dh durch die Ausbreitung thermischer Schwingungen. Daher ist die Menge der durchlaufenden Wärme gleich dem Produkt Temperaturgefälle (die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs mit der Tiefe) auf die Wärmeleitfähigkeit. Um den Wärmefluss zu bestimmen, müssen diese beiden Größen unbedingt bekannt sein. Der Temperaturgradient wird mit empfindlichen Geräten gemessen - Sensoren (Thermistoren) in Minen oder speziell gebohrten Brunnen in einer Tiefe von mehreren zehn bis mehreren hundert Metern. Die Wärmeleitfähigkeit von Gesteinen wird durch Untersuchung von Proben in Laboratorien bestimmt.
Messung Wärme fließt am Boden der Ozeane mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden: Arbeiten müssen in beträchtlichen Tiefen unter Wasser durchgeführt werden. Es hat jedoch auch seine Vorteile: Es ist nicht erforderlich, Brunnen am Boden der Ozeane zu bohren, da die Sedimente normalerweise ziemlich weich sind und die lange zylindrische Sonde, mit der die Temperatur gemessen wird, leicht mehrere Meter in weiche Sedimente absinkt.
Wer sich mit Geothermie beschäftigt, braucht das wirklich Wärmestromkarte für die gesamte Oberfläche des Planeten. Die Punkte, an denen die Wärmestrommessungen bereits durchgeführt wurden, sind extrem ungleichmäßig über die Erdoberfläche verteilt. Auf den Meeren und Ozeanen wurden doppelt so viele Messungen durchgeführt wie an Land. In Nordamerika, Europa und Australien wurden die Ozeane in den mittleren Breiten ziemlich vollständig untersucht. Und in anderen Teilen der Erdoberfläche gibt es nur wenige oder gar keine Messungen. Das derzeitige Datenvolumen zum Wärmefluss der Erde ermöglicht es jedoch bereits, verallgemeinerte, aber ziemlich zuverlässige Karten zu erstellen.
Die Wärmeabgabe aus den Eingeweiden der Erde an die Oberfläche ist ungleichmäßig. In einigen Gebieten gibt die Erde mehr Wärme ab als der globale Durchschnitt, in anderen ist die Wärmeabgabe viel geringer. "Kalte Stellen" treten in Osteuropa (Osteuropäische Plattform), Kanada (Canadian Shield), Nordafrika, Australien, Südamerika sowie in Tiefwasserbecken des pazifischen, indischen und atlantischen Ozeans auf. "Warme" und "heiße" Stellen - Gebiete mit erhöhtem Wärmefluss - treten in den Regionen Kalifornien, Alpeneuropa, Island, dem Roten Meer, dem ostpazifischen Aufstieg und den mittelgroßen Unterwasserkämmen des Atlantiks und des Indischen Ozeans auf.
Atomenergie
Die Nutzung der Energie der Erde kann auf verschiedene Arten erfolgen. Zum Beispiel beim Bau von Kernkraftwerken, wenn Wärmeenergie aufgrund des Zerfalls der kleinsten Materieteilchen von Atomen freigesetzt wird. Der Hauptbrennstoff ist Uran, das in der Erdkruste enthalten ist. Viele glauben, dass diese spezielle Methode zur Energiegewinnung die vielversprechendste ist, aber ihre Anwendung ist mit einer Reihe von Problemen behaftet. Erstens emittiert Uran Strahlung, die alle lebenden Organismen abtötet. Wenn diese Substanz in den Boden oder in die Atmosphäre gelangt, entsteht außerdem eine echte vom Menschen verursachte Katastrophe. Wir erleben immer noch die traurigen Folgen des Unfalls im Kernkraftwerk Tschernobyl. Die Gefahr liegt in der Tatsache, dass radioaktive Abfälle alle Lebewesen für sehr, sehr lange, ganze Jahrtausende bedrohen können.
Erstes Geothermiekraftwerk
Wir alle sind daran gewöhnt, dass vor vielen Jahren Energie aus natürlichen Ressourcen gewonnen wurde. Und so war es, aber schon vorher war eines der ersten Kraftwerke geothermisch. Im Allgemeinen ist dies sehr logisch, da die Technik bei der Dampftraktion arbeitete und die Verwendung von Dampf die richtigere Entscheidung war. Und eigentlich der einzige für diese Zeit, ohne die Verbrennung von Holz und Kohle.
Bereits 1817 entwickelte Graf François de Larderel eine Technologie zum Sammeln von natürlichem Dampf, die sich im 20. Jahrhundert als nützlich erwies, als die Nachfrage nach Geothermiekraftwerken sehr hoch wurde.
Die erste tatsächlich funktionierende Station wurde 1904 in der italienischen Stadt Larderello gebaut. Es war zwar eher ein Prototyp, da es nur 4 Glühbirnen antreiben konnte, aber es funktionierte. Sechs Jahre später, im Jahr 1910, wurde in derselben Stadt eine wirklich funktionierende Station gebaut, die Energie produzieren konnte, die für die industrielle Nutzung ausreicht.
Auch an solch malerischen Orten kann es Geothermiekraftwerke geben.
Experimentelle Generatoren wurden an vielen Orten gebaut, aber es war Italien, das bis 1958 die Führung innehatte und der einzige industrielle Produzent von Geothermie auf der Welt war.
Die Führung musste aufgegeben werden, nachdem das Wairakei-Kraftwerk in Neuseeland in Betrieb genommen worden war. Es war das erste indirekte Geothermiekraftwerk. Einige Jahre später wurden ähnliche Einrichtungen in anderen Ländern eröffnet, einschließlich den Vereinigten Staaten mit ihren Quellen in Kalifornien.
Das erste indirekte Geothermiekraftwerk wurde 1967 in der UdSSR gebaut. Zu dieser Zeit begann sich diese Methode zur Energiegewinnung weltweit aktiv zu entwickeln. Besonders in Orten wie Alaska, den Philippinen und Indonesien, die bei der auf diese Weise erzeugten Energie immer noch führend sind.
Neue Zeit - neue Ideen
Natürlich hören die Menschen hier nicht auf, und jedes Jahr werden mehr und mehr Versuche unternommen, neue Wege zu finden, um Energie zu gewinnen. Wenn die Energie der Erdwärme ganz einfach gewonnen wird, sind einige Methoden nicht so einfach. Beispielsweise ist es als Energiequelle durchaus möglich, biologisches Gas zu verwenden, das aus verrottenden Abfällen gewonnen wird. Es kann für die Heizung zu Hause und die Warmwasserbereitung verwendet werden.
Zunehmend werden Gezeitenkraftwerke gebaut, wenn Dämme und Turbinen über den Mündungen von Stauseen installiert werden, die durch Ebbe bzw. Flut angetrieben werden.
Wenn wir Müll verbrennen, bekommen wir Energie
Eine andere Methode, die bereits in Japan angewendet wird, ist die Schaffung von Verbrennungsanlagen. Heute werden sie in England, Italien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, den Niederlanden und den Vereinigten Staaten gebaut, aber nur in Japan wurden diese Unternehmen nicht nur für den beabsichtigten Zweck, sondern auch zur Stromerzeugung eingesetzt. Lokale Fabriken verbrennen 2/3 aller Abfälle, während die Fabriken mit Dampfturbinen ausgestattet sind. Dementsprechend versorgen sie die Umgebung mit Wärme und Strom. Darüber hinaus ist es in Bezug auf die Kosten viel rentabler, ein solches Unternehmen aufzubauen, als ein BHKW aufzubauen.
Die Aussicht, die Erdwärme dort zu nutzen, wo sich Vulkane konzentrieren, ist verlockender. In diesem Fall müssen Sie die Erde nicht zu tief bohren, da die Temperatur bereits in einer Tiefe von 300 bis 500 Metern mindestens doppelt so hoch ist wie der Siedepunkt von Wasser.
Es gibt auch ein solches Verfahren zur Stromerzeugung wie Wasserstoff. Wasserstoff - das einfachste und leichteste chemische Element - kann als idealer Kraftstoff angesehen werden, da dort Wasser vorhanden ist. Wenn Sie Wasserstoff verbrennen, können Sie Wasser erhalten, das sich in Sauerstoff und Wasserstoff zersetzt. Die Wasserstoffflamme selbst ist harmlos, dh die Umwelt wird nicht geschädigt. Die Besonderheit dieses Elements ist, dass es einen hohen Heizwert hat.
Was ist in der Zukunft?
Natürlich kann die Energie des Erdmagnetfeldes oder die Energie, die in Kernkraftwerken gewonnen wird, nicht alle Bedürfnisse der Menschheit befriedigen, die jedes Jahr wachsen. Experten sagen jedoch, dass es keinen Grund zur Sorge gibt, da die Treibstoffressourcen des Planeten immer noch ausreichen. Darüber hinaus werden immer mehr neue Quellen verwendet, die umweltfreundlich und erneuerbar sind.
Das Problem der Umweltverschmutzung bleibt bestehen und wächst katastrophal. Die Menge der schädlichen Emissionen nimmt ab, die Luft, die wir atmen, ist schädlich, das Wasser enthält gefährliche Verunreinigungen und der Boden wird allmählich erschöpft. Aus diesem Grund ist es so wichtig, ein Phänomen wie Energie im Darm der Erde rechtzeitig zu untersuchen, um nach Wegen zu suchen, um die Nachfrage nach fossilen Brennstoffen zu verringern und unkonventionelle Energiequellen aktiver zu nutzen.
Begrenzte Ressourcen fossiler Rohstoffe
Die Nachfrage nach Rohstoffen für organische Energie ist in Industrie- und Entwicklungsländern (USA, Japan, den Staaten des vereinten Europas, China, Indien usw.) groß. Gleichzeitig sind die eigenen Kohlenwasserstoffressourcen in diesen Ländern entweder unzureichend oder reserviert, und ein Land, beispielsweise die Vereinigten Staaten, kauft Energierohstoffe im Ausland oder entwickelt Lagerstätten in anderen Ländern.
In Russland, einem der energiereichsten Länder, wird der wirtschaftliche Energiebedarf nach wie vor durch die Möglichkeiten der Nutzung natürlicher Ressourcen gedeckt. Die Gewinnung fossiler Kohlenwasserstoffe aus dem Untergrund schreitet jedoch sehr schnell voran. Wenn in den 1940-1960er Jahren. Die wichtigsten Ölförderregionen waren "Second Baku" in den Regionen Wolga und Ural. Ab den 1970er Jahren war ein solches Gebiet bis heute Westsibirien. Aber auch hier ist ein deutlicher Rückgang der Produktion fossiler Kohlenwasserstoffe zu verzeichnen. Die Ära des "trockenen" cenomanischen Gases vergeht. Die bisherige Phase der umfassenden Entwicklung der Erdgasproduktion ist beendet. Die Gewinnung aus riesigen Lagerstätten wie Medvezhye, Urengoyskoye und Yamburgskoye betrug 84, 65 bzw. 50%. Der Anteil der für die Entwicklung günstigen Ölreserven nimmt mit der Zeit ebenfalls ab.
Aufgrund des aktiven Verbrauchs von Kohlenwasserstoffbrennstoffen sind die Öl- und Erdgasreserven an Land erheblich zurückgegangen. Jetzt konzentrieren sich ihre Hauptreserven auf den Festlandsockel. Und obwohl die Ressourcenbasis der Öl- und Gasindustrie für die Förderung von Öl und Gas in Russland in den erforderlichen Mengen immer noch ausreicht, wird sie in naher Zukunft durch die Entwicklung von Feldern mit schwierigem Bergbau und in immer größerem Umfang bereitgestellt geologische Bedingungen. Die Kosten für die Herstellung von Kohlenwasserstoffrohstoffen werden weiter steigen.
Die meisten nicht erneuerbaren Ressourcen, die aus dem Untergrund gewonnen werden, werden als Brennstoff für Kraftwerke verwendet. Zunächst ist es Erdgas, dessen Anteil an der Brennstoffstruktur 64% beträgt.
In Russland werden 70% des Stroms in Wärmekraftwerken erzeugt. Energieunternehmen des Landes verbrennen jährlich etwa 500 Millionen Tonnen Kraftstoffäquivalent. t. Um Strom und Wärme zu erzeugen, wird für die Wärmeerzeugung Kohlenwasserstoffbrennstoff 3-4 mal mehr verbraucht als für die Stromerzeugung.
Die Wärmemenge, die bei der Verbrennung dieser Mengen an Kohlenwasserstoffrohstoffen anfällt, entspricht der Verwendung von Hunderten Tonnen Kernbrennstoff - der Unterschied ist enorm. Die Kernenergie erfordert jedoch Umweltsicherheit (um das Wiederauftreten von Tschernobyl auszuschließen) und ihren Schutz vor möglichen Terroranschlägen sowie die Umsetzung einer sicheren und kostspieligen Stilllegung veralteter und veralteter KKW-Kraftwerke. Die nachgewiesenen rückgewinnbaren Uranreserven in der Welt betragen ungefähr 3 Millionen 400 Tausend Tonnen. Für den gesamten vorherigen Zeitraum (bis 2007) wurden ungefähr 2 Millionen Tonnen abgebaut.
