Maalämpö
Jo nimestä on selvää, että se edustaa maan sisätilojen lämpöä. Maankuoren alla on kerros magmaa, joka on tulinen nestemäinen silikaattisula. Tutkimustietojen mukaan tämän lämmön energiapotentiaali on paljon suurempi kuin maailman maakaasuvarojen ja öljyn energia. Magma - laava tulee pintaan. Lisäksi suurin aktiivisuus havaitaan niissä maan kerroksissa, joissa tektonisten levyjen rajat sijaitsevat, samoin kuin joissa maankuorelle on ominaista ohuus. Maan geoterminen energia saadaan seuraavalla tavalla: laava ja planeetan vesivarastot joutuvat kosketuksiin, minkä seurauksena vesi alkaa lämmetä voimakkaasti. Tämä johtaa geysirin purkaukseen, ns. Kuumien järvien ja vedenalaisten virtausten muodostumiseen. Eli juuri niihin luonnonilmiöihin, joiden ominaisuuksia käytetään aktiivisesti ehtymättömänä energialähteenä.
Petroterminen energia
Tällä hetkellä maan sisätilojen lämpöä käytetään laajalti maailmassa, ja se on pääasiassa matalien kaivojen energiaa - jopa 1 km. Sähkön, lämmön tai kuuman veden toimittamiseksi asennetaan alareiän lämmönvaihtimia, jotka toimivat matalalla kiehumispisteellä toimivilla nesteillä (esimerkiksi freonilla).
Nykyään porakaivon lämmönvaihtimen käyttö on järkevin tapa tuottaa lämpöä. Se näyttää tältä: jäähdytysneste kiertää suljetussa silmukassa. Lämmitetty nousee pitkin samankeskisesti laskettua putkea, jolloin se antaa lämpöä, minkä jälkeen se jäähdytettynä syötetään koteloon pumpun avulla.
Maan sisäosan energian käyttö perustuu luonnonilmiöön - kun se lähestyy maan ydintä, maankuoren ja vaipan lämpötila nousee. 2-3 km: n päässä planeetan pinnasta se saavuttaa yli 100 ° С, kasvaa keskimäärin 20 ° С jokaisen seuraavan kilometrin kohdalla. 100 km: n syvyydessä lämpötila saavuttaa 1300-1500 ºС.
Keinotekoiset maalämpöjouset
Maan suolistossa oleva energia on käytettävä viisaasti. Esimerkiksi on ajatus luoda maanalaisia kattiloita. Tätä varten sinun on porattava kaksi riittävän syvää kaivoa, jotka liitetään alareunaan. Toisin sanoen käy ilmi, että melkein missä tahansa maan nurkassa on mahdollista saada geotermistä energiaa teollisesti: kylmä vesi pumpataan säiliöön yhden kaivon kautta ja kuuma vesi tai höyry uutetaan toisen läpi. Keinotekoiset lämmönlähteet ovat hyödyllisiä ja järkeviä, jos syntyvä lämpö tuottaa enemmän energiaa. Höyry voidaan ohjata turbiinigeneraattoreihin, jotka tuottavat sähköä.
Valittu lämpö on tietysti vain murto-osa kokonaisvarannoissa käytettävissä olevasta. Mutta on syytä muistaa, että syvä lämpö täydentyy jatkuvasti radioaktiivisen hajoamisen, kivien puristumisen, suoliston kerrostumisen vuoksi. Asiantuntijoiden mukaan maankuori kerää lämpöä, jonka kokonaismäärä on 5000 kertaa suurempi kuin koko maan kaikkien fossiilisten resurssien lämpöarvo. On käynyt ilmi, että tällaisten keinotekoisesti luotujen geotermisten asemien toiminta-aika voi olla rajaton.
Menetelmät maapallon energialähteiden keräämiseksi
Nykyään on kolme päämenetelmää geotermisen energian keräämiseksi: kuiva höyry, kuuma vesi ja binaarinen kierto. Kuiva höyryprosessi pyörittää suoraan generaattoreiden turbiinikäyttöjä. Kuuma vesi tulee alhaalta ylöspäin, sitten ruiskutetaan säiliöön höyryn tuottamiseksi turbiinien käyttämiseksi.Nämä kaksi menetelmää ovat yleisimpiä, ja ne tuottavat satoja megawattia sähköä Yhdysvalloissa, Islannissa, Euroopassa, Venäjällä ja muissa maissa. Mutta sijainti on rajallinen, koska nämä tehtaat toimivat vain tektonisilla alueilla, joissa lämmitettyyn veteen on helpompi päästä.
Binaarisyklitekniikan avulla lämmin (ei välttämättä kuuma) vesi uutetaan pinnalle ja yhdistetään butaaniin tai pentaaniin, jonka kiehumispiste on matala. Tämä neste pumpataan lämmönvaihtimen läpi, jossa se höyrystetään ja lähetetään turbiinin läpi, ennen kuin se kierrätetään takaisin järjestelmään. Binaarisyklitekniikka tuottaa kymmeniä megawattia sähköä Yhdysvalloissa: Kaliforniassa, Nevadassa ja Havaijin saarilla.
Energian saannin periaate
Geotermisen energian saamisen haitat
Hyötyasemalla geotermisiä voimalaitoksia on kallista rakentaa ja käyttää. Sopivan paikan löytäminen vaatii kalliita kaivotutkimuksia ilman takeita tuottavan maanalaisen kuumapisteen osumisesta. Analyytikot odottavat kuitenkin, että tämä kapasiteetti lähes kaksinkertaistuu seuraavien kuuden vuoden aikana.
Lisäksi alueet, joissa maanalaisen lähteen lämpötila on korkea, sijaitsevat alueilla, joilla on aktiivisia geologisia tulivuoria. Nämä "kuumat kohdat" ovat muodostuneet tektonisten levyjen rajalle paikkoihin, joissa kuori on melko ohut. Tyynenmeren aluetta kutsutaan usein tulirenkaaksi monille tulivuorille, joissa on paljon kuormittajia, mukaan lukien Alaska, Kalifornia ja Oregon. Nevadalla on satoja hotspotteja, jotka kattavat suurimman osan Pohjois-Yhdysvalloista.
On myös muita seismisesti aktiivisia alueita. Maanjäristykset ja magman liikkeet antavat veden kiertää. Joissakin paikoissa vesi nousee pinnalle ja esiintyy luonnollisia kuumia lähteitä ja geysirejä, kuten Kamchatkassa. Kamtšatkan geysirien vesi saavuttaa 95 ° C: n lämpötilan.
Yksi avoimien geysirijärjestelmien ongelmista on tiettyjen ilman epäpuhtauksien vapautuminen. Rikkivety on myrkyllinen kaasu, jolla on hyvin tunnistettava "mätäneen munan" haju - pieni määrä arseenia ja mineraaleja, joita vapautuu höyryllä. Suola voi myös aiheuttaa ympäristöongelmia.
Merellä sijaitsevissa geotermisissä voimalaitoksissa putkiin kertyy huomattava määrä häiritsevää suolaa. Suljetuissa järjestelmissä ei ole päästöjä, ja kaikki pinnalle tuotu neste palautetaan.
Energiaresurssin taloudellinen potentiaali
Kuumat kohdat eivät ole ainoita paikkoja, joissa maalämpöä löytyy. Käytettävissä olevaa lämpöä toimitetaan jatkuvasti suoraa lämmitystä varten 4 metristä useisiin kilometreihin käytännössä missä tahansa maan päällä. Jopa omalla takapihallasi tai paikallisessa koulussasi olevalla maalla on taloudelliset mahdollisuudet lämmön muodossa pumpattavaksi kotiisi tai muihin rakennuksiin.
Lisäksi kuivissa kalliomuodostelmissa on valtava määrä lämpöenergiaa hyvin syvällä pinnan alla (4-10 km).
Uuden tekniikan käyttö voisi laajentaa geotermisiä järjestelmiä, joissa ihmiset voivat käyttää tätä lämpöä sähkön tuottamiseen paljon laajemmassa mittakaavassa kuin perinteiset tekniikat. Ensimmäiset tämän sähköntuotannon periaatteen esittelyhankkeet esiteltiin Yhdysvalloissa ja Australiassa jo vuonna 2013.
Jos geotermisten resurssien koko taloudellinen potentiaali voidaan toteuttaa, se on valtava sähkön lähde tuotantolaitoksille. Tutkijoiden mukaan perinteisten geotermisten lähteiden potentiaali on 38 000 MW, mikä voi tuottaa 380 miljoonaa MW sähköä vuodessa.
Kuumia kuivia kiviä esiintyy 5-8 km: n syvyydessä kaikkialla maan alla ja matalammissa syvyydessä tietyissä paikoissa.Näihin resursseihin sisältyy kylmän veden johtaminen kuumien kivien läpi ja lämmitetyn veden poistaminen. Tällä tekniikalla ei ole tällä hetkellä kaupallista sovellusta. Olemassa olevat tekniikat eivät vielä salli lämpöenergian talteenottamista suoraan magmasta, hyvin syvälle, mutta tämä on geotermisen energian voimakkain resurssi.
Energialähteiden ja sen johdonmukaisuuden yhdistelmällä geotermisellä energialla voi olla korvaamaton tehtävä puhtaampana, kestävämpänä energiajärjestelmänä.
Lähteiden ominaisuudet
Lähteitä, jotka tarjoavat geotermistä energiaa, on melkein mahdotonta käyttää kokonaan. Niitä on yli 60: ssä maailman maassa, ja suurin osa maapallotulivuorista on Tyynenmeren tulivuoren tulirenkaassa. Mutta käytännössä käy ilmi, että geotermiset lähteet eri puolilla maailmaa ovat ominaisuuksiltaan täysin erilaiset, nimittäin keskilämpötila, mineralisaatio, kaasun koostumus, happamuus ja niin edelleen.
Geisrit ovat maapallon energialähteitä, joiden erityispiirre on, että ne sipulevat kiehuvaa vettä säännöllisin väliajoin. Kun purkaus on tapahtunut, uima-allas vapautuu vedestä, ja sen pohjassa näkyy kanava, joka menee syvälle maahan. Geysirejä käytetään energialähteinä esimerkiksi Kamtšatkalla, Islannissa, Uudessa-Seelannissa ja Pohjois-Amerikassa, ja yksinäisiä geysirejä löytyy monilta muilta alueilta.
Teollisuus ja asuminen sekä kunnalliset palvelut
Marraskuussa 2014 tuolloin maailman suurin geoterminen voimalaitos alkoi toimia Keniassa. Toiseksi suurin sijaitsee Islannissa - tämä on Hellisheid, joka ottaa lämpöä lähteistä Hengiedlin tulivuoren lähellä.
Muut maat, jotka käyttävät geotermistä energiaa teollisessa mittakaavassa: Yhdysvallat, Filippiinit, Venäjä, Japani, Costa Rica, Turkki, Uusi-Seelanti jne.
GeoTPP: n energiantuotannossa on neljä pääjärjestelmää:
- suora, kun höyry johdetaan putkien kautta turbiiniin, jotka on kytketty generaattoreihin;
- epäsuora, samanlainen kuin edellinen kaikessa, paitsi että ennen putkiin tuloa höyry puhdistetaan kaasuista;
- binaarinen - käyttölämmönä ei käytetä vettä tai höyryä, vaan toista nestettä, jolla on matala kiehumispiste;
- sekoitettu - samanlainen kuin suora, mutta kondensoitumisen jälkeen liukenemattomat kaasut poistetaan vedestä.
Vuonna 2009 joukko tutkijoita, jotka etsivät käyttökelpoisia geotermisiä resursseja, saavuttivat sulan magman vain 2,1 km syvällä. Tällainen magmaan putoaminen on hyvin harvinaista, tämä on vasta toinen tunnettu tapaus (edellinen tapahtui Havaijilla vuonna 2007).
Vaikka magmaan liitettyä putkea ei ole koskaan liitetty läheiseen Kraflan geotermiseen voimalaitokseen, tutkijat ovat saaneet erittäin lupaavia tuloksia. Tähän asti kaikki käyttöasemat ottivat lämpöä epäsuorasti maapallon kivistä tai maanalaisista vesistä.
Mistä energia tulee?
Jäähtymätön magma sijaitsee hyvin lähellä maan pintaa. Sieltä vapautuu kaasuja ja höyryjä, jotka nousevat ja kulkevat halkeamia pitkin. Sekoittuessaan pohjaveden kanssa ne aiheuttavat lämpenemisen, ne itse muuttuvat kuumaksi vedeksi, johon monet aineet liukenevat. Tällainen vesi vapautuu maan pinnalle erilaisten geotermisten lähteiden muodossa: kuumina lähteinä, mineraalilähteinä, geysireinä ja niin edelleen. Tutkijoiden mukaan maan kuumat suolet ovat luolia tai kammioita, jotka on yhdistetty käytävillä, halkeamilla ja kanavilla. Ne ovat vain täynnä pohjavettä, ja magmakeskukset sijaitsevat hyvin lähellä niitä. Tällä tavalla maan lämpöenergia muodostuu luonnollisella tavalla.
Hydroterminen energia
Suuressa syvyydessä kiertävä vesi lämmitetään merkittäviin arvoihin. Seismisesti aktiivisilla alueilla se nousee pinnalle maankuoren halkeamia pitkin; rauhallisilla alueilla se voidaan poistaa kaivoilla.
Toimintaperiaate on sama: lämmitetty vesi nousee ylös kaivoon, antaa lämpöä ja palaa toista putkea pitkin. Sykli on käytännössä loputon ja uusiutuu niin kauan kuin lämpö pysyy maan sisätiloissa.
Joillakin seismisesti aktiivisilla alueilla kuumat vedet ovat niin lähellä pintaa, että voit nähdä omakohtaisesti kuinka geoterminen energia toimii. Valokuvassa Kraflan tulivuoren (Islanti) läheisyydestä näkyy geysirit, jotka välittävät höyryä siellä toimivalle geotermiselle voimalaitokselle.
Maan sähkökenttä
Luonnossa on toinen vaihtoehtoinen energialähde, joka erottuu uusiutuvuudesta, ympäristöystävällisyydestä ja helppokäyttöisyydestä. Totta, toistaiseksi tätä lähdettä tutkitaan vain eikä sitä käytetä käytännössä. Joten Maan potentiaalinen energia on piilotettu sen sähkökentässä. Energiaa voidaan saada tällä tavalla tutkimalla sähköstaattisuuden peruslakeja ja maapallon sähkökentän ominaisuuksia. Itse asiassa planeettamme sähköisestä näkökulmasta on pallomainen kondensaattori, joka on ladattu 300 000 volttiin. Sen sisäpallolla on negatiivinen varaus, ja ulkoisella, ionosfäärillä, on positiivinen. Maan ilmakehä on eriste. Sen läpi kulkee tasainen ioni- ja konvektiivivirta, joka saavuttaa monien tuhansien ampeerien voiman. Levyjen välinen potentiaaliero ei kuitenkaan vähene tässä tapauksessa.
Tämä viittaa siihen, että luonnossa on generaattori, jonka tehtävänä on jatkuvasti täydentää varausten vuotoa kondensaattorilevyistä. Tällaisen generaattorin roolia on maapallon magneettikenttä, joka pyörii planeettamme mukana aurinkotuulen virtauksessa. Maan magneettikentän energia voidaan saada vain liittämällä energiankuluttaja tähän generaattoriin. Tätä varten sinun on suoritettava luotettava maadoitusasennus.
Maan lämpö
(Lopuksi. Katso alusta Tiede ja elämä, nro 9, 2013)
Keräilijä booriveden keräämiseksi Larderellossa (Italia) 1800-luvun ensimmäisellä puoliskolla.
Moottori ja invertteri, jota käytettiin Larderellossa vuonna 1904 ensimmäisessä kokeessa geotermisen sähkön tuottamiseksi.
Kaaviokuva lämpövoimalaitoksen toiminnasta.
GeoPP: n toimintaperiaate kuivalla höyryllä. Tuotantokaivon geoterminen höyry johdetaan suoraan höyryturbiinin läpi. Yksinkertaisin nykyisistä GeoPP-toimintamalleista
Epäsuoran piirin sisältävän GeoPP: n toimintaperiaate. Tuotantokaivon kuuma maanalainen vesi pumpataan höyrystimeen ja tuloksena oleva höyry johdetaan turbiiniin.
Binaarisen GeoPP: n toimintaperiaate. Kuuma lämpövesi on vuorovaikutuksessa toisen nesteen kanssa, joka toimii työaineena ja jolla on alempi kiehumispiste.
Petrotermisen järjestelmän kaavio. Järjestelmä perustuu lämpötilan gradientin käyttöön maan pinnan ja sen maaperän välillä, missä lämpötila on korkeampi.
Kaaviokuva jääkaapista ja lämpöpumpusta: 1 - lauhdutin; 2 - kaasu (paineensäädin); 3 - höyrystin; 4 - kompressori.
Mutnovskaja GeoPP Kamtšatkassa. Aseman asennuskapasiteetti oli vuoden 2011 lopussa 50 MW, mutta se on tarkoitus lisätä 80 MW: iin. Kuva: Tatiana Korobkova (Lomonosovin Moskovan valtionyliopiston maantieteellisen tiedekunnan uusiutuvien energialähteiden tutkimuslaboratorio.)
‹
›
Maalämpöenergian käytöllä on hyvin pitkä historia. Yksi ensimmäisistä tunnetuista esimerkeistä on Italia, paikka Toscanan maakunnassa, jota nykyään kutsutaan Larderelloksi, jossa jo 1800-luvun alussa käytettiin luonnollisesti kaadettuja tai matalista kaivoista uutettuja paikallisia kuumia lämpövesiä. energiantuotantoon.
Boorihapon saamiseksi käytettiin täällä booripitoista maanalaista vettä. Aluksi tämä happo saatiin haihduttamalla rautakattiloissa, ja polttoaineeksi otettiin tavalliset polttopuut läheisistä metsistä, mutta vuonna 1827 Francesco Larderel loi järjestelmän, joka toimi itse vesien lämmöllä. Samanaikaisesti luonnollisen vesihöyryn energiaa alettiin käyttää porauslauttojen toimintaan ja 1900-luvun alussa paikallisten talojen ja kasvihuoneiden lämmitykseen. Samassa paikassa, Larderellossa, vuonna 1904 lämpövesihöyrystä tuli energianlähde sähkön tuottamiseksi.
Jotkut muut maat seurasivat Italian esimerkkiä 1800-luvun lopulla ja 1900-luvun alussa. Esimerkiksi vuonna 1892 lämpövettä käytettiin ensin paikalliseen lämmitykseen Yhdysvalloissa (Boise, Idaho), vuonna 1919 Japanissa ja vuonna 1928 Islannissa.
Yhdysvalloissa ensimmäinen hydroterminen voimalaitos ilmestyi Kaliforniassa 1930-luvun alussa, Uudessa-Seelannissa vuonna 1958, Meksikossa vuonna 1959, Venäjällä (maailman ensimmäinen binaarinen geoterminen voimala) vuonna 1965 ...
Vanha periaate uudesta lähteestä
Sähköntuotanto vaatii korkeamman vesilähteen lämpötilan kuin lämmityksen - yli 150 ° C. Geotermisen voimalaitoksen (GeoPP) toimintaperiaate on samanlainen kuin perinteisen lämpövoimalan (TPP) toimintaperiaate. Itse asiassa geoterminen voimalaitos on eräänlainen lämpövoimala.
TPP: ssä pääsääntöisesti energiana toimii hiili, kaasu tai polttoöljy, ja vesihöyry toimii työaineena. Palava polttoaine lämmittää veden höyrytilaan, joka pyörittää höyryturbiinia, ja se tuottaa sähköä.
Ero GeoPP: iden välillä on se, että ensisijainen energialähde on maapallon sisäosien lämpö ja työneste syötetään höyryn muodossa sähkögeneraattorin turbiinilapoihin "valmiina" suoraan tuotannosta. hyvin.
GeoPP-toiminnassa on kolme päämenetelmää: suora, kuivaa (geotermistä) höyryä käyttävä; epäsuora, hydrotermiseen veteen perustuva, sekoitettu tai binaarinen.
Tietyn järjestelmän käyttö riippuu aggregaation tilasta ja energian kantajan lämpötilasta.
Yksinkertaisin ja siten ensimmäinen hallituista kaavioista on suora, jossa kaivosta tuleva höyry johdetaan suoraan turbiinin läpi. Maailman ensimmäinen GeoPP Larderellossa toimi myös kuivahöyryllä vuonna 1904.
Epäsuoran työmallin omaavat geoPP: t ovat aikamme aikana yleisimpiä. He käyttävät kuumaa maanalaista vettä, joka pumpataan höyrystimeen korkeassa paineessa, jossa osa siitä haihtuu, ja tuloksena oleva höyry pyörittää turbiinia. Joissakin tapauksissa tarvitaan lisälaitteita ja -piirejä geotermisen veden ja höyryn puhdistamiseksi aggressiivisista yhdisteistä.
Käytetty höyry tulee ruiskutuskaivoon tai sitä käytetään tilan lämmitykseen - tässä tapauksessa periaate on sama kuin CHP: n käytön aikana.
Binaarisissa GeoPP-laitteissa kuuma lämpövesi on vuorovaikutuksessa toisen nesteen kanssa, joka toimii alempana kiehumispisteenä toimivana nesteenä. Molemmat nesteet johdetaan lämmönvaihtimen läpi, jossa lämpövesi höyrystää työaineen, jonka höyry pyörittää turbiinia.
Tämä järjestelmä on suljettu, mikä ratkaisee ilmakehään joutuvien päästöjen ongelman. Lisäksi suhteellisen alhaisen kiehumispisteen omaavat työaineet mahdollistavat ei kovin kuumien lämpövesien käytön ensisijaisena energialähteenä.
Kaikissa kolmessa järjestelmässä käytetään hyväksi hydrotermistä lähdettä, mutta petrotermistä energiaa voidaan käyttää myös sähkön tuottamiseen (hydrotermisen ja petrotermisen energian eroista, ks. Science and Life, nro 9, 2013).
Kaaviokuva tässä tapauksessa on myös melko yksinkertainen. On porattava kaksi toisiinsa liitettyä kaivoa - ruiskutus- ja tuotantokaivot. Vesi pumpataan injektointikaivoon. Syvyydessä se lämpenee, minkä jälkeen voimakkaan kuumennuksen seurauksena muodostunut lämmitetty vesi tai höyry syötetään tuotantokaivon läpi pintaan. Lisäksi kaikki riippuu siitä, miten petrotermistä energiaa käytetään - lämmitykseen tai sähkön tuottamiseen. Suljettu sykli on mahdollista syöttämällä höyryä ja vettä takaisin ruiskutuskaivoon tai muulla tavalla hävittämällä.
Tällaisen järjestelmän haitta on ilmeinen: riittävän korkean työväliaineen lämpötilan saavuttamiseksi kaivot on porattava syvälle.Nämä ovat vakavia kustannuksia ja huomattavan lämpöhäviön riski, kun neste liikkuu ylöspäin. Siksi petrotermiset järjestelmät ovat edelleen vähemmän levinneitä kuin hydrotermiset, vaikka petrotermisen energian potentiaali on suuruusluokkaa.
Tällä hetkellä johtava ns. Petrotermisen kiertojärjestelmän (PCS) luomisessa on Australia. Lisäksi tämä geotermisen energian suunta kehittyy aktiivisesti Yhdysvalloissa, Sveitsissä, Isossa-Britanniassa ja Japanissa.
Herra Kelvinin lahja
Fyysikko William Thompsonin (alias Lord Kelvin) keksimä lämpöpumppu vuonna 1852 tarjosi ihmiskunnalle todellisen mahdollisuuden käyttää maaperän ylemmän kerroksen matalapotentiaalista lämpöä. Lämpöpumppujärjestelmä tai, kuten Thompson kutsui, lämmönkerroin, perustuu fyysiseen prosessiin, jolla lämpö siirretään ympäristöstä kylmäaineeseen. Itse asiassa se käyttää samaa periaatetta kuin petrotermisissä järjestelmissä. Ero on lämmönlähteessä, jonka yhteydessä voi syntyä terminologinen kysymys: missä määrin lämpöpumppua voidaan pitää geotermisenä järjestelmänä? Tosiasia on, että ylemmissä kerroksissa, kymmenien - satojen metrien syvyyteen, kiviä ja niiden sisältämiä nesteitä ei kuumenna maan syvä lämpö, vaan aurinko. Siten tässä tapauksessa aurinko on ensisijainen lämmönlähde, vaikka se otetaan, kuten geotermisissä järjestelmissä, maasta.
Lämpöpumpun työ perustuu maaperän lämmityksen ja jäähdytyksen viiveeseen ilmakehään verrattuna, minkä seurauksena pinnan ja syvempien kerrosten välille muodostuu lämpötilagradientti, joka pitää lämpöä talvella, samanlainen kuin mitä tapahtuu vesimuodoissa. Lämpöpumppujen päätarkoitus on tilan lämmitys. Itse asiassa se on "käänteinen jääkaappi". Sekä lämpöpumppu että jääkaappi ovat vuorovaikutuksessa kolmen komponentin kanssa: sisäinen ympäristö (ensimmäisessä tapauksessa - lämmitetty huone, toisessa - jääkaapin jäähdytetty kammio), ulkoinen ympäristö - energialähde ja kylmäaine (jäähdytysneste) , se on myös lämmönsiirtäjä, joka tarjoaa lämmönsiirron tai kylmän.
Matalalla kiehumispisteellä toimiva aine toimii kylmäaineena, mikä antaa sen ottaa lämmön lähteestä, jonka lämpötila on jopa suhteellisen alhainen.
Jääkaapissa nestemäinen kylmäaine menee höyrystimeen kuristimen (paineensäädin) kautta, jossa neste haihtuu jyrkän paineen laskun takia. Haihdutus on endoterminen prosessi, joka vaatii ulkoista lämmön imeytymistä. Tämän seurauksena lämpö otetaan höyrystimen sisäseinistä, mikä tarjoaa jäähdytysvaikutuksen jääkaapin kammiossa. Lisäksi höyrystimestä kylmäaine imetään kompressoriin, jossa se palaa aggregaatin nestetilaan. Tämä on käänteinen prosessi, joka johtaa poistetun lämmön vapautumiseen ulkoiseen ympäristöön. Yleensä se heitetään huoneeseen ja jääkaapin takaosa on suhteellisen lämmin.
Lämpöpumppu toimii suunnilleen samalla tavalla, sillä erolla, että lämpö otetaan ulkoisesta ympäristöstä ja höyrystimen kautta tulee sisäympäristöön - huonelämmitysjärjestelmään.
Todellisessa lämpöpumpussa vesi lämmitetään, kulkee pitkin ulkoista piiriä, asetetaan maahan tai säiliöön ja menee sitten höyrystimeen.
Höyrystimessä lämpö siirtyy sisäiseen piiriin, joka on täynnä kylmäainetta, jolla on matala kiehumispiste, joka höyrystimen läpi kulkiessaan muuttuu nestemäisestä kaasumaiseen tilaan ja ottaa lämmön pois.
Lisäksi kaasumainen kylmäaine menee kompressoriin, jossa se puristetaan korkeaan paineeseen ja lämpötilaan, ja tulee lauhduttimeen, jossa lämmönvaihto tapahtuu kuuman kaasun ja lämmitysjärjestelmän jäähdytysnesteen välillä.
Kompressori vaatii sähköä toimiakseen, mutta muunnossuhde (kulutetun ja tuotetun energian suhde) nykyaikaisissa järjestelmissä on riittävän korkea niiden tehokkuuden varmistamiseksi.
Tällä hetkellä lämpöpumppuja käytetään laajasti tilojen lämmitykseen, lähinnä taloudellisesti kehittyneissä maissa.
Ympäristöystävällinen energia
Maalämpöä pidetään ympäristöystävällisenä, mikä on totta. Ensinnäkin se käyttää uusiutuvaa ja käytännössä ehtymätöntä resurssia. Geoterminen energia ei vaadi suuria alueita, toisin kuin suuret vesivoimalaitokset tai tuulipuistot, eikä se saastuta ilmakehää, toisin kuin hiilivetyenergia. GeoPP: n pinta-ala on keskimäärin 400 m2 1 GW: n tuotetun sähkön muodossa. Sama luku esimerkiksi hiilivoimalaitoksella on 3600 m2. GeoPP-laitteiden ekologisiin etuihin kuuluu myös vähäinen vedenkulutus - 20 litraa makeaa vettä / 1 kW, kun taas TPP: t ja ydinvoimalat tarvitsevat noin 1000 litraa. Huomaa, että nämä ovat "keskimääräisen" GeoPP: n ympäristöindikaattoreita.
Mutta on vielä negatiivisia sivuvaikutuksia. Niistä erotellaan useimmiten melu, ilmakehän lämpösaaste ja kemiallinen saastuminen - vesi ja maaperä sekä kiinteän jätteen muodostuminen.
Ympäristön pääasiallinen kemiallisen saastumisen lähde on todellinen lämpövesi (jossa on korkea lämpötila ja mineralisaatio), joka sisältää usein suuria määriä myrkyllisiä yhdisteitä, joiden yhteydessä on ongelma jäteveden ja vaarallisten aineiden hävittämisestä.
Maalämpöenergian negatiiviset vaikutukset voidaan jäljittää useissa vaiheissa, alkaen kaivojen poraamisesta. Tällöin syntyy samat vaarat kuin kaivon porauksessa: maaperän ja kasvillisuuden tuhoutuminen, maaperän ja pohjaveden saastuminen.
GeoPP: n toimintavaiheessa ympäristön pilaantumisen ongelmat jatkuvat. Lämmönesteet - vesi ja höyry - sisältävät yleensä hiilidioksidia (CO2), rikkisulfidia (H2S), ammoniakkia (NH3), metaania (CH4), pöytäsuolaa (NaCl), booria (B), arseenia (As), elohopeaa (Hg) ). Kun ne päästetään ympäristöön, niistä tulee sen pilaantumisen lähteitä. Lisäksi aggressiivinen kemiallinen ympäristö voi aiheuttaa syövyttäviä vaurioita geotermisen voimalaitoksen rakenteille.
Samalla pilaavien aineiden päästöt GeoPP: ssä ovat keskimäärin pienemmät kuin TPP: ssä. Esimerkiksi hiilidioksidipäästöt tuotettua sähköä kohti ovat kilowattituntia kohden enintään 380 g GeoPP: llä, 1042 g - kivihiiltä käyttävillä TPP: llä, 906 g - polttoöljyllä ja 453 g - kaasukäyttöisillä TPP: llä.
Esiin nousee kysymys: mitä tehdä jätevesistä? Alhaisella suolapitoisuudella se voidaan johtaa pintavesiin jäähdytyksen jälkeen. Toinen tapa on injektoida se takaisin pohjakerrokseen injektointikaivon kautta, joka on edullinen ja jota käytetään pääasiassa nykyään.
Lämpöveden uiminen pohjavesistä (samoin kuin tavallisen veden pumppaus) voi aiheuttaa maaperän vajoamista ja liikkumista, muita geologisten kerrosten muodonmuutoksia ja mikro-maanjäristyksiä. Tällaisten ilmiöiden todennäköisyys on yleensä pieni, vaikka yksittäisiä tapauksia onkin kirjattu (esimerkiksi GeoPP: ssä Staufen im Breisgaussa Saksassa).
On korostettava, että suurin osa GeoPP-palveluista sijaitsee suhteellisen harvaan asuttuilla alueilla ja kolmannen maailman maissa, joissa ympäristövaatimukset ovat vähemmän tiukat kuin kehittyneissä maissa. Lisäksi GeoPP: iden määrä ja kapasiteetti ovat tällä hetkellä suhteellisen pieniä. Maalämpöenergian laajemmalla kehityksellä ympäristöriskit voivat kasvaa ja lisääntyä.
Kuinka paljon maapallon energia on?
Maalämpöjärjestelmien rakentamisen investointikustannukset vaihtelevat hyvin laajalla alueella - 200-5000 dollaria / 1 kW asennettua kapasiteettia, ts. Halvimmat vaihtoehdot ovat verrattavissa lämpövoimalaitoksen rakentamiskustannuksiin. Ne riippuvat ensinnäkin lämpövesien esiintymisolosuhteista, niiden koostumuksesta ja järjestelmän rakenteesta. Poraus syvyyteen, luomalla suljettu järjestelmä, jossa on kaksi kaivoa, vedenpuhdistustarve voi moninkertaistaa kustannukset.
Esimerkiksi investointien petrotermisen kiertojärjestelmän (PCS) luomiseen arvioidaan olevan 1,6–4 tuhatta dollaria / 1 kW asennettua kapasiteettia, mikä ylittää ydinvoimalan rakentamisen kustannukset ja on verrattavissa tuulen ja tuulen rakentamisen kustannuksiin. aurinkovoimalat.
GeoTPP: n ilmeinen taloudellinen etu on ilmainen energian kantaja. Vertailun vuoksi voidaan todeta, että käytetyn TPP: n tai ydinvoimalan kustannusrakenteessa polttoaineen osuus on 50-80% tai jopa enemmän, riippuen nykyisistä energian hinnoista. Tästä syystä geotermisen järjestelmän toinen etu: käyttökustannukset ovat vakaampia ja ennakoitavampia, koska ne eivät ole riippuvaisia energian hintojen ulkoisesta konjunktiosta. Yleensä GeoTPP: n käyttökustannuksiksi arvioidaan 2-10 senttiä (60 kopiota - 3 ruplaa) 1 kWh tuotettua kapasiteettia kohti.
Toiseksi suurin (energian kantajan jälkeen) (ja erittäin merkittävä) menoerä on pääsääntöisesti laitoksen henkilöstön palkat, jotka voivat vaihdella radikaalisti maittain ja alueittain.
Keskimäärin 1 kWh: n geotermisen energian kustannukset ovat verrattavissa TPP: n kustannuksiin (Venäjän olosuhteissa - noin 1 rupla / 1 kWh) ja kymmenen kertaa korkeammat kuin sähköntuotantokustannukset vesivoimalaitoksissa (5-10 kopikat / 1 kWh).
Osa syistä korkeisiin kustannuksiin on se, että toisin kuin lämpö- ja hydraulivoimalaitoksissa, GeoTPP: llä on suhteellisen pieni kapasiteetti. Lisäksi on tarpeen verrata järjestelmiä, jotka sijaitsevat samalla alueella ja samoissa olosuhteissa. Esimerkiksi Kamtšatkassa asiantuntijoiden mukaan 1 kWh maalämpöä maksaa 2-3 kertaa halvempaa kuin paikallisissa lämpövoimaloissa tuotettu sähkö.
Maalämpöjärjestelmän taloudellisen tehokkuuden indikaattorit riippuvat esimerkiksi siitä, onko jätevesi tarpeen hävittää ja millä tavoin se tehdään, onko resurssin yhdistetty käyttö mahdollista. Lämpövedestä uutetut kemialliset alkuaineet ja yhdisteet voivat siten tuottaa lisätuloja. Muistakaamme Larderellon esimerkki: kemiallinen tuotanto oli siellä ensisijaista, ja geotermisen energian käyttö oli alun perin aputoimintaa.
Maalämpöenergia eteenpäin
Maalämpöenergia kehittyy hieman eri tavalla kuin tuuli ja aurinko. Tällä hetkellä se riippuu paljon suuremmassa määrin itse luonnonvaran luonteesta, joka eroaa voimakkaasti alueittain, ja suurimmat pitoisuudet ovat sidoksissa kapeisiin geotermisten poikkeavuuksien vyöhykkeisiin, jotka yleensä liittyvät tektonisten vikojen kehittymisalueisiin. ja tulivuori (katso "Tiede ja elämä" nro 9, 2013).
Lisäksi geoterminen energia on teknisesti vähemmän kapasiteettia verrattuna tuuleen ja vielä enemmän aurinkoenergiaan: geotermisten asemien järjestelmät ovat melko yksinkertaisia.
Maailman sähköntuotannon kokonaisrakenteessa geotermisen komponentin osuus on alle 1%, mutta joillakin alueilla ja maissa sen osuus on 25-30%. Koska yhteys geologisiin olosuhteisiin on merkittävä osa geotermisestä energiakapasiteetista, on keskittynyt kolmannen maailman maihin, joissa erotetaan kolme alan suurimman kehityksen klusteria - Kaakkois-Aasian, Keski-Amerikan ja Itä-Afrikan saaret. Kaksi ensimmäistä aluetta kuuluvat Tyynenmeren "maapallon tulivyöhön", kolmas on sidottu Itä-Afrikan halkeamiin. Todennäköisesti geoterminen energia kehittyy edelleen näissä vyöissä. Etäisempi mahdollisuus on petrotermisen energian kehittäminen käyttämällä usean kilometrin syvyydessä sijaitsevien maakerrosten lämpöä. Tämä on melkein kaikkialla läsnä oleva resurssi, mutta sen louhinta vaatii korkeita kustannuksia; siksi petroterminen energia kehittyy ensisijaisesti taloudellisesti ja teknologisesti tehokkaimmissa maissa.
Yleisesti ottaen, kun otetaan huomioon geotermisten resurssien yleinen jakautuminen ja hyväksyttävä ympäristöturvallisuuden taso, on syytä uskoa, että geotermisellä energialla on hyvät kehitysnäkymät. Varsinkin kun perinteisten energialähteiden puute kasvaa ja niiden hinnat nousevat.
Kamtšatkasta Kaukasiaan
Venäjällä geotermisen energian kehityksellä on melko pitkä historia, ja useissa tehtävissä olemme maailman johtajien joukossa, vaikka geotermisen energian osuus valtavan maan kokonaisenergiataseesta on edelleen vähäinen.
Kahdesta alueesta - Kamtšatkasta ja Pohjois-Kaukasiasta - on tullut edelläkävijöitä ja keskuksia geotermisen energian kehittämiselle Venäjällä, ja jos ensimmäisessä tapauksessa puhumme ensisijaisesti sähköteollisuudesta, sitten toisessa - lämpöenergian käytöstä lämpövettä.
Pohjois-Kaukasiassa - Krasnodarin alueella, Tšetšeniassa ja Dagestanissa - lämpövesien lämpöä käytettiin energiakäyttöön jo ennen suurta isänmaallista sotaa. 1980- ja 1990-luvulla geotermisen energian kehitys alueella ilmeisistä syistä pysähtyi eikä ole vielä alkanut pysähtyä. Kuitenkin geoterminen vesihuolto Pohjois-Kaukasuksella tuottaa lämpöä noin 500 tuhannelle ihmiselle, ja esimerkiksi Krasnodarin alueella sijaitsevan Labinskin kaupunki, jonka asukasluku on 60 tuhatta ihmistä, lämpenee kokonaan geotermisillä vesillä.
Kamtšatkassa geotermisen energian historia liittyy ensisijaisesti geotermisten voimalaitosten rakentamiseen. Ensimmäinen niistä, edelleen toiminnassa olevat Pauzhetskaya- ja Paratunskaya-asemat, rakennettiin vuosina 1965-1967, kun taas Paratunskaya GeoPP: stä, jonka kapasiteetti oli 600 kW, tuli maailman ensimmäinen binäärisyklin asema. Se oli Neuvostoliiton tutkijoiden S.S. Kutateladzen ja A. M. Rosenfeldin kehitys Venäjän tiedeakatemian Siperian osaston lämpöfysiikan instituutista, jotka saivat vuonna 1965 kirjoittajan todistuksen sähkön uuttamiseksi vedestä, jonka lämpötila oli 70 ° C. Tästä tekniikasta tuli myöhemmin prototyyppi yli 400 binääriselle GeoPP: lle maailmassa.
Vuonna 1966 käyttöönotetun Pauzhetskaya GeoPP: n kapasiteetti oli alun perin 5 MW ja sen jälkeen se kasvoi 12 MW: iin. Tällä hetkellä asemalle on rakenteilla binäärilohko, joka lisää sen kapasiteettia vielä 2,5 MW.
Geotermisen energian kehitystä Neuvostoliitossa ja Venäjällä haittasi perinteisten energialähteiden - öljyn, kaasun, hiilen - saatavuus, mutta se ei koskaan pysähtynyt. Suurimmat geotermiset energialaitokset ovat tällä hetkellä Verkhne-Mutnovskaya GeoPP, jonka kokonaiskapasiteetti on 12 MW voimayksikköä, otettu käyttöön vuonna 1999, ja Mutnovskaya GeoPP, jonka kapasiteetti on 50 MW (2002).
Mutnovskaja ja Verkhne-Mutnovskaja GeoPP: t ovat ainutlaatuisia esineitä paitsi Venäjälle myös maailmanlaajuisesti. Asemat sijaitsevat Mutnovsky-tulivuoren juurella, 800 metrin korkeudessa merenpinnasta, ja ne toimivat äärimmäisissä ilmasto-olosuhteissa, joissa talvi on 9-10 kuukautta vuodessa. Tällä hetkellä maailman nykyaikaisimpien Mutnovsky GeoPP -laitteiden laitteet luodaan kokonaan kotitalouksissa energiateollisuudessa.
Tällä hetkellä Mutnovskien laitosten osuus Keski-Kamtšatkan energiakeskuksen energiankulutuksen kokonaisrakenteesta on 40%. Kapasiteettia on tarkoitus lisätä lähivuosina.
Erikseen on sanottava Venäjän petrotermisestä kehityksestä. Meillä ei ole vielä suuria DSP-laitteita, mutta on olemassa edistyneitä tekniikoita poraamiseen syvyyteen (noin 10 km), joilla ei myöskään ole analogeja maailmassa. Niiden jatkokehitys mahdollistaa petrotermisten järjestelmien luomisen kustannusten huomattavan alentamisen. Näiden tekniikoiden ja projektien kehittäjiä ovat N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geologinen instituutti, RAS), A. S. Nekrasov (Institute of Economic Forecasting, RAS) ja Kalugan turbiinitehtaan asiantuntijat. Venäjän petrotermisen kiertojärjestelmän projekti on tällä hetkellä kokeiluvaiheessa.
Maalämpöenergialla on Venäjällä näkymiä, vaikkakin suhteellisen kaukana: potentiaali on tällä hetkellä melko suuri ja perinteisen energian asema vahva. Samaan aikaan useilla maan syrjäisillä alueilla geotermisen energian käyttö on taloudellisesti kannattavaa ja kysyntää jo nyt. Nämä ovat alueita, joilla on suuri geoenerginen potentiaali (Tšukotka, Kamtšatka, Kuriles - Tyynenmeren "maapallon palovyön" Venäjän osa, Etelä-Siperian ja Kaukasuksen vuoret) ja samalla syrjäinen ja keskeytetty keskitetystä energiansaannista.
Luultavasti tulevina vuosikymmeninä maamme geoterminen energia kehittyy juuri tällaisilla alueilla.
Uusiutuvat lähteet
Kun planeettamme väestö kasvaa tasaisesti, tarvitsemme yhä enemmän energiaa väestön tukemiseksi. Maan suolistossa oleva energia voi olla hyvin erilainen. Esimerkiksi uusiutuvia energialähteitä on: tuuli-, aurinko- ja vesienergia. Ne ovat ympäristöystävällisiä, ja siksi voit käyttää niitä pelkäämättä vahingoittaa ympäristöä.
Veden energia
Tätä menetelmää on käytetty vuosisatojen ajan. Nykyään on rakennettu valtava määrä patoja, säiliöitä, joissa vettä käytetään sähkön tuottamiseen. Tämän mekanismin ydin on yksinkertainen: joen virtauksen vaikutuksesta turbiinien pyörät pyörivät vastaavasti, veden energia muuttuu sähköenergiaksi.
Nykyään on olemassa suuri määrä vesivoimalaitoksia, jotka muuttavat vesivirran energian sähköksi. Tämän menetelmän erityispiirre on se, että vesivoimavarat uudistuvat, vastaavasti tällaisilla rakenteilla on alhaiset kustannukset. Siksi huolimatta siitä, että vesivoimalaitosten rakentaminen on jatkunut jo pitkään ja prosessi itsessään on erittäin kallista, nämä rakenteet ovat kuitenkin huomattavasti tehokkaampia kuin energiaintensiiviset teollisuudenalat.
Aurinkoenergia: moderni ja tulevaisuuden kestävä
Aurinkoenergiaa saadaan aurinkopaneeleilla, mutta nykyaikainen tekniikka sallii uusien menetelmien käyttämisen tähän. Maailman suurin aurinkovoimala on Kalifornian autiomaassa rakennettu järjestelmä. Se käyttää täysin 2000 taloa. Suunnittelu toimii seuraavasti: auringon säteet heijastuvat peileistä, jotka lähetetään keskuskattilaan vedellä. Se kiehuu ja muuttuu höyryksi, joka ajaa turbiinia. Hän puolestaan on kytketty sähkögeneraattoriin. Tuulta voidaan käyttää myös energiana, jonka maapallo antaa meille. Tuuli puhaltaa purjeet, kääntää myllyjä. Ja nyt sitä voidaan käyttää laitteiden luomiseen, jotka tuottavat sähköenergiaa. Kääntämällä tuulimyllyn siipiä se ajaa turbiinin akselia, joka puolestaan on kytketty sähkögeneraattoriin.
Sovellukset
Maalämpöenergian hyödyntäminen on peräisin 1800-luvulta. Ensimmäinen oli kokemus Toscanan maakunnassa asuvista italialaisista, jotka käyttivät lämmityslähteistä peräisin olevaa lämmintä vettä. Hänen avustaan uudet kaivojen porauslautat toimivat.
Toscanan vedessä on runsaasti booria, ja kun höyrystyminen muuttuu boorihapoksi, kattilat työskentelivät omien vesiensä lämmöllä. 1900-luvun alussa (1904) toscanalaiset menivät pidemmälle ja käynnistivät höyryvoimalan. Italialaisten esimerkistä tuli tärkeä kokemus USA: lle, Japanille, Islannille.
Maatalous ja puutarhanhoito
Geotermistä energiaa käytetään maataloudessa, terveydenhuollossa ja kotitalouksissa 80 maassa ympäri maailmaa.
Ensimmäinen asia, johon lämpövettä on käytetty ja käytetään, on kasvihuoneiden ja kasvihuoneiden lämmitys, mikä mahdollistaa vihannesten, hedelmien ja kukkien sadonkorjuun jopa talvella. Lämmin vesi oli myös hyödyllistä kasteluun.
Viljelykasvien viljelyä vesiviljelyssä pidetään lupaavana suuntauksena maataloustuottajille.Jotkut kalanviljelylaitokset käyttävät lämmitettyä vettä keinosäiliöissä poikasen ja kalojen kasvatukseen.
Suosittelemme lukemaan: Menettely laboratorion kemiallisten reagenssien hävittämiseksi
Nämä tekniikat ovat yleisiä Israelissa, Keniassa, Kreikassa, Meksikossa.
Teollisuus ja asuminen sekä kunnalliset palvelut
Yli sata vuotta sitten kuuma lämpöhöyry oli jo sähköntuotannon perusta. Siitä lähtien se on palvellut teollisuutta ja apuohjelmia.
Islannissa 80% asunnoista lämmitetään lämpövedellä.
Kolme sähköntuotantojärjestelmää on kehitetty:
- Suora viiva käyttäen vesihöyryä. Yksinkertaisin: sitä käytetään paikassa, josta on suora pääsy geotermisiin höyryihin.
- Epäsuora, ei käytä höyryä, vaan vettä. Se syötetään höyrystimeen, muunnetaan höyryksi teknisellä menetelmällä ja lähetetään turbiinigeneraattoriin.
Vesi vaatii lisäpuhdistusta, koska se sisältää aggressiivisia yhdisteitä, jotka voivat tuhota toimintamekanismit. Jätteet, mutta vielä jäähtymättömät höyryt sopivat lämmitystarpeisiin.
- Sekoitettu (binaarinen). Vesi korvaa polttoaineen, joka lämmittää toisen nesteen, jolla on suurempi lämmönsiirto. Se ajaa turbiinia.
Binaarijärjestelmässä käytetään turbiinia, joka aktivoituu lämmitetyn veden energialla.
Hydrotermistä energiaa käyttävät Yhdysvallat, Venäjä, Japani, Uusi-Seelanti, Turkki ja muut maat.
Maalämpöjärjestelmät kotiin
+50 - 600C: seen lämmitetty lämmönsiirtoaine soveltuu kotelon lämmitykseen, maalämpö täyttää tämän vaatimuksen. Kaupungit, joissa asuu useita kymmeniä tuhansia ihmisiä, voidaan lämmittää maapallon sisätilojen lämmöllä. Esimerkkinä: Labinskin kaupungin lämmitys Krasnodarin alueella toimii luonnollisella maanpäällisellä polttoaineella.
Kaavio talon lämmitysmaalämpöjärjestelmästä
Ei tarvitse tuhlata aikaa ja energiaa veden lämmittämiseen ja kattilahuoneen rakentamiseen. Jäähdytysneste otetaan suoraan geysirilähteestä. Sama vesi soveltuu myös kuumavesihuoltoon. Ensimmäisessä ja toisessa tapauksessa sille tehdään tarvittava alustava tekninen ja kemiallinen puhdistus.
Tuloksena oleva energia maksaa kaksi tai kolme kertaa halvempaa. Asuntoja yksityisiin taloihin ilmestyi. Ne ovat kalliimpia kuin perinteiset polttoainekattilat, mutta käytön aikana ne perustelevat kustannukset.
Geotermisen energian käytön edut ja haitat kodin lämmittämiseen.
Maan sisäinen energia
Se ilmestyi useiden prosessien seurauksena, joista tärkeimmät ovat kertyminen ja radioaktiivisuus. Tutkijoiden mukaan maapallon ja sen massan muodostuminen tapahtui useiden miljoonien vuosien ajan, ja tämä tapahtui planetesimaalien muodostumisen vuoksi. Ne tarttuivat toisiinsa, ja Maan massa kasvoi yhä enemmän. Sen jälkeen kun planeetallamme oli alkanut olla moderni massa, mutta ilman ilmakehää, meteoriitti- ja asteroidirungot putosivat sille esteetön. Tätä prosessia kutsutaan akkressioksi, ja se johti merkittävän painovoiman vapauttamiseen. Ja mitä suuremmat kappaleet putosivat planeetalle, sitä suurempi energian määrä maapallon suolistossa vapautui.
Tämä painovoimainen erottelu johti siihen, että aineet alkoivat kerrostua: raskaat aineet yksinkertaisesti hukkuivat ja kevyet ja haihtuvat aineet kelluivat. Eriyttäminen vaikutti myös painovoiman energian vapautumiseen.
Lähes kaikki maapallon aineelliset fyysiset perusominaisuudet riippuvat lämpötilasta. Lämpötilasta riippuen paineen muutokset, joissa aine siirtyy kiinteästä aineesta sulaan tilaan. Kun lämpötila muuttuu, maapallon muodostavien kivien viskositeetti, sähkönjohtavuus ja magneettiset ominaisuudet muuttuvat. Kuvitellaksemme, mitä tapahtuu Maan sisällä, meidän on ehdottomasti tiedettävä sen lämpö tila. Meillä ei ole vielä mahdollisuutta mitata lämpötiloja suoraan missään maan syvyydessä. Vain ensimmäiset kilometrit maankuoresta ovat käytettävissä mittauksillemme.Mutta voimme määrittää maapallon sisäisen lämpötilan epäsuorasti maapallon lämpövirtaustietojen perusteella.
Suoran todentamisen mahdottomuus on tietysti erittäin suuri vaikeus monissa maatieteissä. Kuitenkin havaintojen ja teorioiden onnistunut kehittäminen tuo tietomme vähitellen lähemmäksi totuutta.
Moderni tiede maapallon lämpötilasta ja historiasta - geotermia Onko nuori tiede. Ensimmäinen geotermistä koskeva tutkimus ilmestyi vasta viime vuosisadan puolivälissä. William Thomson (Lord Kelvin), sitten vielä hyvin nuori tiedemies, fyysikko, omisti väitöskirjansa maapallon iän määrittämiseen perustuen tutkimukseen lämmön jakautumisesta ja liikkumisesta planeetan sisällä. Kelvin uskoi, että maapallon sisäisen lämpötilan pitäisi laskea ajan myötä planeetan muodostumisen ja jähmettymisen vuoksi sulasta aineesta.
Määrittelemällä lämpögradientti - lämpötilan nousun nopeus syvyyden kanssa - kaivoksissa ja porausreikissä eri syvyyksissä, Kelvin päätyi siihen tulokseen, että näistä tiedoista voidaan olettaa, kuinka kauan maapallon tulisi jäähtyä, ja siten määrittää maan ikä . Kelvinin arvion mukaan lämpötila lähimmissä pinnan alapuolisissa syvyydessä nousee 20-40 ° C tuhatta syvyysmetriä kohden. Kävi ilmi, että maapallo jäähtyi nykyiseen tilaansa vain muutamassa kymmenessä miljoonassa vuodessa. Mutta tämä ei ole millään tavalla sopusoinnussa muiden tietojen kanssa, esimerkiksi monien tunnettujen geologisten aikakausien kestoa koskevien tietojen kanssa. Keskustelu tästä aiheesta jatkui puoli vuosisataa ja asetti Kelvinin vastustamaan sellaisia merkittäviä evoluution edustajia kuin Charles Darwin ja Thomas Huxley.
Kelvin perusti johtopäätöksensä ajatukseen siitä, että maapallo oli alun perin sula tilassa ja vähitellen jäähtyi. Tämä hypoteesi on dominoinut vuosikymmenien ajan. 1900-luvun vaihteessa tehtiin kuitenkin löytöjä, jotka muuttivat pohjimmiltaan käsitystä maapallon syvän lämpövirran luonteesta ja sen lämpöhistoriasta. Radioaktiivisuus löydettiin, tutkittiin lämmön vapautumisprosesseja joidenkin isotooppien radioaktiivisen hajoamisen aikana, tehtiin johtopäätökset, että maankuoren muodostavat kivet sisältävät merkittävän määrän radioaktiivisia isotooppeja.
Maan lämpövirtauksen suorat mittaukset alkoivat suhteellisen äskettäin: ensin mantereilla - vuonna 1939 Etelä-Afrikan syvissä kaivoissa, myöhemmin valtameren pohjassa - vuodesta 1954 lähtien Atlantilla. Maassamme lämpövirta mitattiin ensimmäistä kertaa Sotšin ja Matsestan syvissä kaivoissa. Viime vuosina kokeellisesti saatujen tietojen kerääminen lämpövirroista etenee melko nopeasti.
Miksi tämä tehdään? Ja tarvitaanko uusia ja uusia ulottuvuuksia? Kyllä, todella tarvitaan. Planeetan eri pisteissä tehtyjen syvän lämpövirran mittausten vertailu osoittaa, että energian menetys planeetan pinnan eri osien kautta tapahtuu eri tavoin. Tämä puhuu kuoren ja vaipan heterogeenisyydestä, antaa mahdollisuuden arvioida monien eri syvyydessä tapahtuvien prosessien luonnetta, joihin maapallon silmät eivät pääse, ja tarjoaa avaimen planeetan kehityksen mekanismin ja sen sisäisen energian tutkimiseen .
Kuinka paljon lämpöä maa menettää suoliston lämpövirtauksen vuoksi? On käynyt ilmi, että tämä arvo on keskimäärin pieni - noin 0,06 wattia neliömetriä kohti tai noin 30 biljoonaa wattia koko planeetalla. Maa vastaanottaa aurinkoa energiaa noin 4 tuhatta kertaa enemmän. Ja tietenkin aurinkolämmöllä on tärkeä rooli lämpötilan määrittämisessä maan pinnalla.
Planeetan lähettämä lämpö jalkapallokentän kokoisen pinnan kautta on suunnilleen sama kuin lämpö, jota kolmesataa watin lamput voivat tuottaa. Tällainen energian virtaus näyttää merkityksettömältä, mutta se tulee koko maan pinnalta ja jatkuvasti! Planeetan suolesta tulevan koko lämpövirran voima on noin 30 kertaa suurempi kuin kaikkien maailman nykyaikaisten voimalaitosten teho.
Syvyyden mittaus maapallon lämpövirta prosessi ei ole helppoa ja aikaa vievää. Kovan maankuoren läpi lämpö johdetaan pintaan johtavasti eli lämpövärähtelyjen leviämisen kautta. Siksi ohimenevän lämmön määrä on yhtä suuri kuin tuote lämpötilagradientti (lämpötilan nousun nopeus syvyyden kanssa) lämmönjohtavuudelle. Lämpövirran määrittämiseksi on välttämätöntä tietää nämä kaksi määrää. Lämpötilagradientti mitataan herkillä laitteilla - antureilla (termistoreilla) kaivoksissa tai erityisesti poratuissa kaivoissa, useiden kymmenien - useiden satojen metrin syvyydessä. Kivien lämmönjohtavuus määritetään tutkimalla näytteitä laboratorioissa.
Mittaus lämpö virtaa valtamerien pohjaan liittyy huomattaviin vaikeuksiin: työtä on tehtävä veden alla huomattavassa syvyydessä. Sillä on kuitenkin myös etunsa: Kaivoja ei tarvitse porata valtamerien pohjaan, koska sedimentit ovat yleensä melko pehmeitä ja lämpötilan mittaamiseen käytetty pitkä sylinterimäinen mittapää vajoaa helposti useita metrejä pehmeiksi sedimenteiksi.
Ne, jotka harjoittavat geotermiaa, todella tarvitsevat lämpövirtakartta koko planeetan pinnalle. Pisteet, joissa lämpövirtamittaukset on jo suoritettu, jakautuvat erittäin epätasaisesti maapallon pintaan. Merillä ja valtamerillä mittauksia on tehty kaksi kertaa niin paljon kuin maalla. Pohjois-Amerikka, Eurooppa ja Australia, keskileveysasteiden valtameret, on tutkittu melko perusteellisesti. Ja muualla maan pinnalla mittauksia on edelleen vähän tai ei ollenkaan. Kuitenkin nykyinen tietomäärä maapallon lämpövirtauksesta mahdollistaa jo yleisten, mutta melko luotettavien karttojen rakentamisen.
Lämmön vapautuminen maan suolistosta pinnalle on epätasaista. Joillakin alueilla maapallo antaa enemmän lämpöä kuin globaali keskiarvo, toisilla lämpöteho on paljon pienempi. "Kylmäkohtia" esiintyy Itä-Euroopassa (East European Platform), Kanadassa (Canadian Shield), Pohjois-Afrikassa, Australiassa, Etelä-Amerikassa, Tyynenmeren, Intian ja Atlantin valtameren syvänmeren altaissa. "Lämpimiä" ja "kuumia" pisteitä - alueita, joissa lämpövirta on lisääntynyt - esiintyy Kalifornian, Alppien Euroopan, Islannin, Punaisenmeren, itäisen Tyynenmeren nousun alueilla sekä Atlantin ja Intian valtameren vedenalaisissa keskialueen harjuissa.
Atomienergia
Maan energian käyttö voi tapahtua eri tavoin. Esimerkiksi ydinvoimaloiden rakentamisen yhteydessä, kun lämpöenergiaa vapautuu pienimpien atomihiukkasten hajoamisen vuoksi. Tärkein polttoaine on uraani, joka on maankuoressa. Monet uskovat, että tämä menetelmä energian saamiseksi on lupaavin, mutta sen soveltaminen on täynnä monia ongelmia. Ensinnäkin uraani lähettää säteilyä, joka tappaa kaikki elävät organismit. Lisäksi, jos tämä aine pääsee maaperään tai ilmakehään, syntyy todellinen ihmisen aiheuttama katastrofi. Olemme edelleen kokeneet Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden surulliset seuraukset. Vaara on siinä, että radioaktiivinen jäte voi uhata kaikkea elävää hyvin, hyvin pitkään, kokonaisia vuosituhansia.
Ensimmäinen geoterminen voimala
Olemme kaikki tottuneet siihen, että monta vuotta sitten energia otettiin luonnonvaroista. Ja niin se oli, mutta jo sitä ennen yksi ensimmäisistä voimalaitoksista oli maalämpö. Yleensä tämä on hyvin loogista, koska tekniikka toimi höyryn vetämisessä, ja höyryn käyttö oli oikeampi päätös. Ja oikeastaan ainoa tuolloin, lukuun ottamatta puun ja hiilen polttamista.
Vuonna 1817 kreivi François de Larderel kehitti tekniikan luonnollisen höyryn keräämiseksi, mikä oli hyödyllistä 1900-luvulla, kun geotermisten voimalaitosten kysyntä nousi erittäin korkeaksi.
Ensimmäinen todella toimiva asema rakennettiin Italian kaupunkiin Larderello vuonna 1904. Totta, se oli enemmän prototyyppi, koska se pystyi käyttämään vain 4 polttimoa, mutta se toimi. Kuusi vuotta myöhemmin, vuonna 1910, samaan kaupunkiin rakennettiin todella toimiva asema, joka pystyi tuottamaan riittävästi energiaa teolliseen käyttöön.
Jopa sellaisissa viehättävissä paikoissa voi olla geotermisiä voimalaitoksia.
Kokeellisia generaattoreita rakennettiin moniin paikkoihin, mutta Italia johti johtoasemaa vuoteen 1958 saakka ja oli ainoa geotermisen energian tuottaja maailmassa.
Johtajuudesta oli luovuttava, kun Wairakein voimalaitos otettiin käyttöön Uudessa-Seelannissa. Se oli ensimmäinen epäsuora geoterminen voimala. Muutama vuosi myöhemmin vastaavat tilat avattiin muissa maissa, mukaan lukien Yhdysvallat ja lähteet Kaliforniassa.
Ensimmäinen epäsuoran tyyppinen geoterminen voimalaitos rakennettiin Neuvostoliitossa vuonna 1967. Tuolloin tämä energian hankintamenetelmä alkoi kehittyä aktiivisesti kaikkialla maailmassa. Varsinkin Alaskassa, Filippiineillä ja Indonesiassa, jotka ovat edelleen tällä tavoin tuotetun energian johtajia.
Uusi aika - uusia ideoita
Ihmiset eivät tietenkään pysähdy siihen, ja joka vuosi yritetään löytää uusia tapoja saada energiaa. Jos maan lämmön energia saadaan melko yksinkertaisesti, jotkut menetelmät eivät ole niin yksinkertaisia. Esimerkiksi energialähteenä on täysin mahdollista käyttää biologista kaasua, joka saadaan mätänneestä jätteestä. Sitä voidaan käyttää kodin lämmitykseen ja veden lämmitykseen.
Vuorovesivoimalaitoksia rakennetaan yhä enemmän, kun padot ja turbiinit asennetaan säiliöiden suuttimien yli, joita ohjaa laskuvesi ja virtaus, vastaavasti sähköä.
Polttava roskakori saa energiaa
Toinen menetelmä, jota käytetään jo Japanissa, on polttouunien luominen. Nykyään niitä rakennetaan Englannissa, Italiassa, Tanskassa, Saksassa, Ranskassa, Alankomaissa ja Yhdysvalloissa, mutta vain Japanissa näitä yrityksiä alettiin käyttää paitsi käyttötarkoitukseensa myös sähkön tuottamiseen. Paikalliset tehtaat polttavat 2/3 kaikesta jätteestä, kun taas tehtaat on varustettu höyryturbiinilla. Vastaavasti ne toimittavat lämpöä ja sähköä ympäröivälle alueelle. Lisäksi kustannusten kannalta on paljon kannattavampaa rakentaa tällainen yritys kuin rakentaa CHP.
Mahdollisuus käyttää maapallon lämpöä tulivuorien keskittyessä näyttää houkuttelevammalta. Tässä tapauksessa sinun ei tarvitse porata maata liian syvälle, koska jo 300-500 metrin syvyydessä lämpötila on vähintään kaksinkertainen veden kiehumispisteeseen.
On olemassa myös sellainen menetelmä sähkön tuottamiseksi kuin vetyenergia. Vetyä - yksinkertaisin ja kevyin kemiallinen alkuaine - voidaan pitää ihanteellisena polttoaineena, koska siellä on vettä. Jos poltat vetyä, saat vettä, joka hajoaa hapeksi ja vedyksi. Vety liekki itsessään on vaaraton, eli ympäristölle ei ole haittaa. Tämän elementin erikoisuus on, että sillä on korkea lämpöarvo.
Mitä tulevaisuudessa?
Maapallon magneettikentän energia tai ydinvoimalaitoksilla saatu energia ei tietenkään voi täysin tyydyttää kaikkia ihmiskunnan tarpeita, jotka kasvavat joka vuosi. Asiantuntijoiden mukaan huoleen ei kuitenkaan ole syytä, koska maapallon polttoainevarat ovat edelleen riittävät. Lisäksi käytetään yhä enemmän uusia ympäristöystävällisiä ja uusiutuvia lähteitä.
Ympäristön pilaantumisen ongelma on edelleen olemassa, ja se kasvaa katastrofaalisesti. Haitallisten päästöjen määrä laskee vastaavasti, hengitettävä ilma on haitallista, vedessä on vaarallisia epäpuhtauksia ja maaperä loppuu vähitellen. Siksi on niin tärkeää ryhtyä ajoissa tutkimaan sellaista ilmiötä kuin energia maapallon suolistossa, jotta voidaan etsiä tapoja vähentää fossiilisten polttoaineiden kysyntää ja käyttää aktiivisemmin epätavanomaisia energialähteitä.
Fossiilisen energian raaka-aineiden rajalliset resurssit
Orgaanisen energian raaka-aineiden kysyntä on suuri teollisesti kehittyneissä ja kehitysmaissa (USA, Japani, yhdistyneen Euroopan osavaltiot, Kiina, Intia jne.). Samaan aikaan niiden omat hiilivetyvarat näissä maissa ovat joko riittämättömiä tai varattuja, ja esimerkiksi maa, Yhdysvallat, ostaa energiaraaka-aineita ulkomailta tai kehittää varastoja muissa maissa.
Venäjällä, joka on yksi energiavarojen rikkaimmista maista, luonnonvarojen käytön mahdollisuudet tyydyttävät edelleen energian taloudelliset tarpeet. Fossiilisten hiilivetyjen uuttaminen maaperästä etenee kuitenkin hyvin nopeasti. Jos 1940-1960-luvulla. Tärkeimmät öljyntuotantoalueet olivat "toinen Baku" Volgan ja Uralin alueilla, sitten 1970-luvulta lähtien ja nykyään tällainen alue on Länsi-Siperia. Mutta myös tässä fossiilisten hiilivetyjen tuotanto vähenee merkittävästi. "Kuivan" kenomanialaisen kaasun aikakausi on ohi. Maakaasun tuotannon laajan kehityksen edellinen vaihe on päättynyt. Sen louhinta sellaisista jättimäisistä talletuksista kuin Medvezhye, Urengoyskoye ja Yamburgskoye oli vastaavasti 84, 65 ja 50%. Kehitykselle suotuisien öljyvarojen osuus myös vähenee ajan myötä.
Aktiivisen hiilivetypolttoaineiden kulutuksen seurauksena öljy- ja maakaasuvarannot ovat vähentyneet merkittävästi. Nyt niiden päävarannot ovat keskittyneet mannerjalustalle. Ja vaikka öljy- ja kaasuteollisuuden resurssipohja on edelleen riittävä öljyn ja kaasun tuotantoon Venäjällä vaadituissa määrissä, lähitulevaisuudessa se tarjotaan yhä suuremmassa määrin kehittämällä vaikeita kaivos- ja geologiset olosuhteet. Hiilivetyraaka-aineiden tuotantokustannukset kasvavat edelleen.
Suurin osa maaperästä otetuista uusiutumattomista luonnonvaroista käytetään voimalaitosten polttoaineena. Ensinnäkin se on maakaasu, jonka osuus polttoainerakenteessa on 64%.
Venäjällä 70% sähköstä tuotetaan lämpövoimaloissa. Maan energiayritykset polttavat vuosittain noin 500 miljoonaa tonnia polttoainetta. t. sähkön ja lämmön tuottamiseksi, kun taas lämmöntuotantoon hiilivetypolttoainetta kulutetaan 3-4 kertaa enemmän kuin sähköntuotantoon.
Näiden hiilivetyraaka-aineiden palamisesta saatu lämmön määrä vastaa satojen tonnien ydinpolttoaineen käyttöä - ero on valtava. Ydinvoima vaatii kuitenkin ympäristöturvallisuutta (Tšernobylin toistumisen estämiseksi) ja sen suojaamista mahdollisilta terrori-iskuilta sekä vanhentuneiden ja vanhentuneiden ydinvoimaloiden turvallisen ja kalliiden käytöstäpoiston toteuttamista. Todistettavasti käytettävissä olevat uraanivarannot maailmassa ovat noin 3 miljoonaa 400 tuhatta tonnia, ja koko edellisen ajanjakson (vuoteen 2007 asti) louhittiin noin 2 miljoonaa tonnia.
