אנרגיה גיאותרמית
כבר מהשם ברור שהוא מייצג את החום הפנימי של כדור הארץ. מתחת לקרום כדור הארץ נמצאת שכבת מגמה, שהיא נמס סיליקט נוזלי לוהט. על פי נתוני המחקר, פוטנציאל האנרגיה של חום זה גבוה בהרבה מהאנרגיה של עתודות הגז הטבעי בעולם, כמו גם מנפט. מגמה - לבה עולה לפני השטח. יתר על כן, הפעילות הגדולה ביותר נצפתה באותן שכבות כדור הארץ שעליהן ממוקמים גבולות הלוחות הטקטוניים, כמו גם במקום בו קרום כדור הארץ מאופיין ברזון. האנרגיה הגיאותרמית של כדור הארץ מתקבלת באופן הבא: הלבה ומשאבי המים של הפלנטה באים במגע, וכתוצאה מכך המים מתחילים להתחמם בצורה חדה. זה מוביל להתפרצות של גייזר, להיווצרות מה שנקרא אגמים חמים וזרמים תת-מימיים. כלומר, בדיוק לאותן תופעות טבע, שתכונותיהן משמשות באופן פעיל כמקור אנרגיה בלתי נדלה.
אנרגיה פטרותרמית
כרגע נעשה שימוש נרחב בחום פנים האדמה בעולם, וזו בעיקר האנרגיה של בארות רדודות - עד 1 ק"מ. על מנת לספק אספקת חשמל, חום או מים חמים, מותקנים מחליפי חום במורד החור הפועלים על נוזלים עם נקודת רתיחה נמוכה (למשל פריאון).
כיום, השימוש במחליף חום קידוח הוא הדרך הרציונלית ביותר לייצר חום. זה נראה כך: נוזל הקירור מסתובב בלולאה סגורה. המחומם עולה לאורך צינור שהונמך בריכוז, נותן את חוםו, ואחריו, מקורר, הוא מוזר לתוך המעטפת בעזרת משאבה.
השימוש באנרגיה הפנימית של כדור הארץ מבוסס על תופעה טבעית - כשהוא מתקרב לליבת כדור הארץ, הטמפרטורה של קרום כדור הארץ ועליו עולה. ברמה של 2-3 ק"מ מעל פני כדור הארץ, הוא מגיע ליותר מ -100 מעלות צלזיוס, בממוצע גדל ב -20 מעלות צלזיוס בכל קילומטר אחר כך. בעומק של 100 ק"מ הטמפרטורה מגיעה ל 1300-1500 מעלות צלזיוס.
מעיינות גיאותרמיים מלאכותיים
יש להשתמש בתבונה באנרגיה הכלולה במעיים של האדמה. למשל, יש רעיון ליצור דוודים תת קרקעיים. לשם כך עליך לקדוח שתי בארות בעלות עומק מספיק, אשר יחוברו בתחתית. כלומר, מתברר שכמעט בכל פינה בארץ ניתן להשיג אנרגיה גיאותרמית באופן תעשייתי: מים קרים יוזרמו למאגר דרך באר אחת, ומים חמים או אדים יופקו דרך השנייה. מקורות חום מלאכותיים יהיו מועילים ורציונליים אם החום המתקבל מספק יותר אנרגיה. ניתן להפנות קיטור לגנרטורים של טורבינות, שייצרו חשמל.
כמובן שהחום שנבחר הוא רק חלק קטן ממה שיש ברזרבות הכוללות. אבל צריך לזכור שהחום העמוק יתמלא כל הזמן בגלל תהליכי ריקבון רדיואקטיבי, דחיסת סלעים, ריבוד המעיים. לדברי מומחים, קרום כדור הארץ צובר חום שכמותו הכוללת גדולה פי 5,000 מהערך הקלורי של כל מקורות המאובנים של כדור הארץ בכללותו. מתברר שזמן הפעולה של תחנות גיאותרמיות כאלה שנוצרו באופן מלאכותי יכול להיות בלתי מוגבל.
שיטות לאיסוף משאבי אנרגיה של כדור הארץ
כיום ישנן שלוש שיטות עיקריות לקצירת אנרגיה גיאותרמית: קיטור יבש, מים חמים ומחזור בינארי. תהליך הקיטור היבש מסובב ישירות את כונני הטורבינה של מחוללי הכוח. מים חמים נכנסים מלמטה למעלה, ואז רוססו למיכל כדי ליצור קיטור להנעת הטורבינות.שתי שיטות אלה הן הנפוצות ביותר, והן מייצרות מאות מגה וואט חשמל בארצות הברית, באיסלנד, באירופה, ברוסיה ובמדינות אחרות. אך המיקום מוגבל, מכיוון שמפעלים אלה פועלים רק באזורים טקטוניים שבהם קל יותר לגשת למים מחוממים.
בעזרת טכנולוגיית המחזור הבינארי, מים חמים (לאו דווקא חמים) מופקים אל פני השטח ומשולבים עם בוטאן או פנטן, בעלי נקודת רתיחה נמוכה. נוזל זה נשאב דרך מחליף חום בו הוא מתאדה ונשלח דרך טורבינה לפני שמוחזר למערכת. טכנולוגיית מחזור בינארי מספקת עשרות מגה וואט חשמל בארצות הברית: קליפורניה, נבאדה ואיי הוואי.
העיקרון של השגת אנרגיה
חסרונות בקבלת אנרגיה גיאותרמית
ברמת השירות, תחנות כוח גיאותרמיות יקרות לבנייה ולהפעלה. מציאת מיקום מתאים מצריכה סקרי בארות יקרים ללא אחריות לפגיעה בנקודה חמה תת-קרקעית יצרנית. עם זאת, האנליסטים צופים כי יכולת זו תכפיל כמעט את עצמה במהלך שש השנים הבאות.
בנוסף, אזורים עם טמפרטורה גבוהה של המקור התת קרקעי ממוקמים באזורים עם הרי געש גיאולוגיים פעילים. "נקודות חמות" אלה נוצרו בגבולות הלוחות הטקטוניים במקומות שבהם הקרום דק למדי. אזור האוקיאנוס השקט מכונה לעתים קרובות טבעת האש עבור הרי געש רבים עם נקודות חמות רבות, כולל אלסקה, קליפורניה ואורגון. בנבאדה יש מאות מוקדים המכסים את מרבית צפון ארצות הברית.
ישנם גם אזורים אחרים הפעילים בסייסמיות. רעידות אדמה ותנועת מאגמה מאפשרות למים להסתובב. במקומות מסוימים, מים עולים אל פני השטח ומתרחשים מעיינות חמים וגייזרים טבעיים, כמו למשל בקמצ'טקה. המים בגייזרים של קמצ'טקה מגיעים ל -95 מעלות צלזיוס.
אחת הבעיות במערכות גייזר פתוחות היא שחרור מזהמי אוויר מסוימים. מימן גופרתי הוא גז רעיל בעל ריח "ביצה רקובה" המוכר מאוד - כמות קטנה של ארסן ומינרלים המשתחררים עם קיטור. מלח יכול גם להוות בעיה סביבתית.
בתחנות כוח גיאותרמיות מהחוף מצטברת צינורות כמות משמעותית של מלח מפריע. במערכות סגורות אין פליטות וכל הנוזלים המובאים לפני השטח מוחזרים.
הפוטנציאל הכלכלי של משאב האנרגיה
נקודות חמות אינן המקומות היחידים בהם ניתן למצוא אנרגיה גיאותרמית. יש אספקה מתמדת של חום שמיש למטרות חימום ישיר בין 4 מטרים לכמה קילומטרים מתחת לפני השטח כמעט בכל מקום על פני כדור הארץ. אפילו אדמה בחצר האחורית שלך או בבית הספר המקומי כוללת פוטנציאל כלכלי בצורה של חום שיוזרם לביתך או למבנים אחרים.
בנוסף ישנה כמות עצומה של אנרגיה תרמית בתצורות סלע יבשות עמוק מאוד מתחת לפני השטח (4-10 ק"מ).
השימוש בטכנולוגיה חדשה יכול להרחיב מערכות גיאותרמיות, שם בני אדם יכולים להשתמש בחום זה כדי לייצר חשמל בקנה מידה גדול בהרבה מטכנולוגיות קונבנציונליות. פרויקטי ההפגנה הראשונים של עיקרון זה של ייצור חשמל הוצגו בארצות הברית ובאוסטרליה עוד בשנת 2013.
אם ניתן לממש את הפוטנציאל הכלכלי המלא של משאבים גיאותרמיים, זה יהווה מקור חשמל עצום למתקני הייצור. מדענים מציעים כי מקורות גיאותרמיים קונבנציונליים הם בעלי פוטנציאל של 38,000 מגה-וואט, אשר יכולים לייצר 380 מיליון מגה-וואט חשמל בשנה.
סלעים יבשים חמים מתרחשים בעומק של 5 עד 8 ק"מ בכל מקום מתחת לאדמה ובעומקים רדודים יותר במקומות מסוימים.הגישה למשאבים אלה כוללת הכנסת מים קרים שמסתובבים דרך הסלעים החמים והוצאת מים מחוממים. כרגע אין יישום מסחרי לטכנולוגיה זו. הטכנולוגיות הקיימות עדיין אינן מאפשרות השבת אנרגיה תרמית ישירות ממאגמה, באופן עמוק מאוד, אך זהו המשאב החזק ביותר של אנרגיה גיאותרמית.
עם השילוב של משאבי אנרגיה ועקביותו, אנרגיה גיאותרמית יכולה למלא תפקיד שאין לו תחליף כמערכת אנרגיה נקייה וקיימת יותר.
תכונות של מקורות
כמעט ולא ניתן להשתמש במקורות המספקים אנרגיה גיאותרמית במלואה. הם קיימים ביותר מ -60 מדינות העולם, כאשר רוב הרי הגעש היבשתיים נמצאים בטבעת האש הוולקנית של האוקיאנוס השקט. אך בפועל, מתברר שמקורות גיאותרמיים באזורים שונים בעולם שונים בתכונותיהם, כלומר, טמפרטורה ממוצעת, מינרליזציה, הרכב גז, חומציות וכו '.
גייזרים הם מקורות אנרגיה על פני כדור הארץ, שהמיוחד בהם הוא שהם משליכים מים רותחים במרווחי זמן קבועים. לאחר שההתפרצות התרחשה הבריכה הופכת נקייה ממים, בתחתיתה תוכלו לראות תעלה הנכנסת עמוק לאדמה. גייזרים משמשים כמקורות אנרגיה באזורים כמו קמצ'טקה, איסלנד, ניו זילנד וצפון אמריקה, וגייזרים בודדים נמצאים בכמה אזורים אחרים.
תעשייה ודיור ושירותים קהילתיים
בנובמבר 2014 החלה לפעול בקניה תחנת הכוח הגיאותרמית הגדולה ביותר בעולם באותה עת. השנייה בגודלה נמצאת באיסלנד - זו הלישייד, הלוקחת חום ממקורות ליד הר הגעיד הנגידל.
מדינות אחרות המשתמשות באנרגיה גיאותרמית בקנה מידה תעשייתי: ארה"ב, פיליפינים, רוסיה, יפן, קוסטה ריקה, טורקיה, ניו זילנד וכו '.
קיימות ארבע תוכניות עיקריות לייצור אנרגיה ב- GeoTPP:
- ישר, כאשר קיטור מופנה דרך צינורות לטורבינות המחוברות לגנרטורים;
- עקיף, בדומה לקודם בכל דבר, אלא שלפני שנכנסים לצינורות מנקים אדים מגזים;
- בינארי - לא מים או קיטור משמשים כחום העבודה, אלא נוזל אחר עם נקודת רתיחה נמוכה;
- מעורב - דומה לקו ישר, אך לאחר עיבוי, גזים לא מומסים מוסרים מהמים.
בשנת 2009, צוות חוקרים שחיפש משאבים גיאותרמיים שמישים הגיע למאגמה מותכת בעומק של 2.1 ק"מ בלבד. נפילה כזו למגמה היא נדירה מאוד, זה רק המקרה השני הידוע (הקודם התרחש בהוואי בשנת 2007).
למרות שהצינור המחובר למגמה מעולם לא היה מחובר לתחנת הכוח הגיאותרמית הקרפלה הסמוכה, מדענים קיבלו תוצאות מבטיחות מאוד. עד כה כל תחנות ההפעלה לקחו חום בעקיפין, מסלעי כדור הארץ או ממים תת קרקעיים.
מאיפה האנרגיה?
מאגמה לא מקוררת ממוקמת קרוב מאוד לפני האדמה. משתחררים ממנו גזים ואדים, שעולים ועוברים לאורך הסדקים. ערבוב עם מי תהום, הם גורמים לחימום שלהם, הם עצמם הופכים למים חמים, בהם מומסים חומרים רבים. מים כאלה משוחררים אל פני האדמה בצורת מעיינות גיאותרמיים שונים: מעיינות חמים, מעיינות מינרליים, גייזרים וכו '. לדברי מדענים, המעי החם של כדור הארץ הוא מערות או תאים המחוברים באמצעות מעברים, סדקים ותעלות. הם פשוט מלאים במי תהום, ומרכזי מגמה ממוקמים קרוב מאוד אליהם. באופן זה האנרגיה התרמית של כדור הארץ נוצרת בצורה טבעית.
אנרגיה הידרותרמית
מים שמסתובבים בעומק רב מחוממים לערכים משמעותיים. באזורים פעילים סייסמית, הוא עולה אל פני השטח לאורך סדקים בקרום כדור הארץ; באזורים רגועים ניתן להסירו באמצעות בארות.
עקרון הפעולה זהה: מים מחוממים עולים במעלה הבאר, נותנים חום וחוזרים במורד הצינור השני. המחזור הוא אינסופי כמעט ומתחדש כל עוד נשאר חום בפנים האדמה.
בחלק מהאזורים הפעילים בסייסמה, מים חמים שוכבים כל כך קרוב לפני השטח, עד שניתן לראות ממקור ראשון כיצד פועלת אנרגיה גיאותרמית. תצלום של סביבתו של הר הגעש קראפלה (איסלנד) מציג גייזרים המעבירים אדים לתחנת הכוח הגיאותרמית הפועלת שם.
שדה חשמלי של כדור הארץ
יש מקור אנרגיה חלופי נוסף בטבע, המובחן על ידי התחדשות, ידידותיות סביבתית וקלות שימוש. נכון, עד עכשיו מקור זה נלמד ואינו מיושם בפועל. אז, האנרגיה הפוטנציאלית של כדור הארץ מוסתרת בשדה החשמלי שלה. ניתן להשיג אנרגיה בדרך זו על ידי לימוד החוקים הבסיסיים של אלקטרוסטטיקה ומאפייני השדה החשמלי של כדור הארץ. למעשה, הפלנטה שלנו מנקודת מבט חשמלית היא קבלים כדוריים הטעונים עד 300,000 וולט. לכדור הפנימי שלו יש מטען שלילי, והחיצוני, היונוספרה, חיובי. האטמוספירה של כדור הארץ היא בידוד. דרכו יש זרימה מתמדת של זרמים יוניים ומסתובבים, המגיעים לכוח של אלפי אמפר רבים. עם זאת, ההבדל הפוטנציאלי בין הלוחות אינו פוחת במקרה זה.
זה מצביע על כך שיש טבע בגנרטור שתפקידו לחדש כל הזמן את דליפת המטענים מלוחות הקבלים. את תפקידו של גנרטור כזה ממלא השדה המגנטי של כדור הארץ, המסתובב עם כוכב הלכת שלנו בזרימת רוח השמש. את האנרגיה של השדה המגנטי של כדור הארץ ניתן להשיג רק על ידי חיבור צרכן אנרגיה לגנרטור זה. לשם כך, עליך לבצע התקנת הארקה אמינה.
חום כדור הארץ
(לסוף. לראשונה ראו מדע וחיים, מס '9, 2013)
אספן לאיסוף מי בורון תרמיים בלרדרלו (איטליה), במחצית הראשונה של המאה ה -19.
המנוע והמהפך ששימשו ב- Larderello בשנת 1904 בניסוי הראשון לייצור חשמל גיאותרמי.
תרשים סכמטי של הפעלת תחנת כוח תרמית.
עקרון הפעולה של GeoPP על קיטור יבש. קיטור גיאותרמי מבאר ייצור מועבר ישירות דרך טורבינת קיטור. הפשוטה ביותר מבין התוכניות הקיימות של פעולת GeoPP
עקרון הפעולה של GeoPP עם מעגל עקיף. מים תת קרקעיים חמים מבאר ייצור מוזרמים למאייד, והאדים המתקבלים מועברים לטורבינה.
עקרון הפעולה של GeoPP בינארי. מים חמים חמים מתקשרים עם נוזל אחר הפועל כנוזל עבודה ובעל נקודת רתיחה נמוכה יותר.
התוכנית של המערכת הפטרותרמית. המערכת מבוססת על שימוש בשיפוע טמפרטורה בין פני האדמה לתחתיתו, שם הטמפרטורה גבוהה יותר.
תרשים סכמטי של מקרר ומשאבת חום: 1 - מעבה; 2 - מצערת (ויסות לחץ); 3 - מאייד; 4 - מדחס.
GeoPP של מוטנובסקאיה בקמצ'טקה. בסוף שנת 2011 הקיבולת המותקנת של התחנה הייתה 50 מגה-וואט, אך מתוכננת להגדיל אותה ל -80 מגוואט. צילום: טטיאנה קורובקובה (מעבדת המחקר של RES של הפקולטה הגיאוגרפית של אוניברסיטת לומונוסוב במוסקבה.)
‹
›
לשימוש באנרגיה גיאותרמית יש היסטוריה ארוכה מאוד. אחת הדוגמאות הידועות הראשונות היא איטליה, מקום במחוז טוסקנה, המכונה כיום לארדרלו, שם כבר בתחילת המאה ה -19 שימשו המים התרמיים החמים המקומיים, שנשפכו באופן טבעי או מופקו מבארות רדודות. מטרות אנרגיה.
השתמשו כאן במים תת קרקעיים עתירי בורון להשגת חומצת בור. בתחילה, חומצה זו הושגה באמצעות אידוי בדודי ברזל, ועצי הסקה רגילים מהיערות הסמוכים נלקחו כדלק, אך בשנת 1827 פרנצ'סקו לארדרל יצר מערכת שעבדה על חום המים עצמם. במקביל החלה להשתמש באנרגיית אדי מים טבעיים להפעלת אסדות קידוח, ובתחילת המאה ה -20 - לחימום בתים וחממות מקומיים. באותו מקום, ב- Larderello, בשנת 1904, אדי מים תרמיים הפכו למקור אנרגיה לייצור חשמל.
כמה מדינות אחרות עקבו אחר הדוגמה של איטליה בסוף המאה ה -19 ובתחילת המאה ה -20. לדוגמה, בשנת 1892 שימשו מים תרמיים לראשונה לחימום מקומי בארצות הברית (בויס, איידהו), בשנת 1919 ביפן וב- 1928 באיסלנד.
בארצות הברית הופיעה תחנת הכוח ההידרותרמית הראשונה בקליפורניה בתחילת שנות השלושים, בניו זילנד בשנת 1958, במקסיקו בשנת 1959, ברוסיה (תחנת הכוח הגיאותרמית הבינארית הראשונה בעולם) בשנת 1965 ...
עקרון ישן על מקור חדש
ייצור חשמל דורש טמפרטורה גבוהה יותר של מקור ההידרו מאשר לחימום - יותר מ -150 מעלות צלזיוס. עקרון הפעולה של תחנת כוח גיאותרמית (GeoPP) דומה לעקרון הפעולה של תחנת כוח תרמית קונבנציונאלית (TPP). למעשה, תחנת כוח גיאותרמית היא סוג של תחנת כוח תרמית.
ב- TPP, בדרך כלל, פחם, גז או מזוט משמשים כמקור האנרגיה העיקרי, ואדי מים משמשים כנוזל העבודה. דלק, שריפה, מחמם מים למצב של קיטור, שמסובב טורבינת קיטור, והוא מייצר חשמל.
ההבדל בין GeoPPs הוא שמקור האנרגיה העיקרי כאן הוא החום הפנימי של כדור הארץ ונוזל העבודה בצורת קיטור מועבר להבי הטורבינה של גנרטור חשמלי בצורה "מוכנה" ישירות מהייצור. נו.
ישנן שלוש תוכניות עיקריות להפעלת GeoPP: ישיר, באמצעות קיטור יבש (גיאותרמי); עקיף, על בסיס מים הידרותרמיים, ומעורב, או בינארי.
השימוש בתכנית מסוימת תלוי במצב הצבירה ובטמפרטורה של נושא האנרגיה.
התוכניות הפשוטות ביותר והראשונות לפיכך הן קו ישר, בו האדים המגיעים מהבאר עוברים ישירות דרך הטורבינה. GeoPP הראשון בעולם בלרדרלו פעל גם הוא על קיטור יבש בשנת 1904.
GeoPP עם תכנית עבודה עקיפה הם הנפוצים ביותר בתקופתנו. הם משתמשים במים תת קרקעיים חמים, הנשאבים למאייד בלחץ גבוה, שם חלקם מתאדה, והאדים המתקבלים מסובבים טורבינה. בחלק מהמקרים נדרשים מכשירים ומעגלים נוספים לטיהור מים גיאותרמיים ואדים מתרכובות אגרסיביות.
הקיטור המושקע נכנס היטב להזרקה או משמש לחימום חלל - במקרה זה, העיקרון זהה לזו שבמהלך הפעלת CHP.
ב- GeoPPs בינאריים, מים תרמיים חמים מתקשרים עם נוזל אחר הפועל כנוזל עבודה עם נקודת רתיחה נמוכה יותר. שני הנוזלים מועברים דרך מחליף חום, בו מים תרמיים מאיידים את נוזל העבודה, שאדו מסובב את הטורבינה.
מערכת זו סגורה, הפותרת את בעיית הפליטות לאטמוספירה. בנוסף, נוזלי עבודה עם נקודת רתיחה נמוכה יחסית מאפשרים להשתמש במים תרמיים לא חמים במיוחד כמקור אנרגיה ראשוני.
בכל שלוש התוכניות מנוצל מקור הידרותרמי, אך ניתן להשתמש באנרגיה פטרותרמית גם לייצור חשמל (להבדלים בין אנרגיה הידרותרמית לאנרגיה פטרותרמית, ראה מדע וחיים, מס '9, 2013).
התרשים הסכימטי במקרה זה הוא גם די פשוט. יש צורך לקדוח שתי בארות מקושרות זו לזו - בארות הזרקה וייצור. מים נשאבים לבאר ההזרקה. בעומק הוא מתחמם ואז מים או אדים מחוממים שנוצרו כתוצאה מחימום חזק מוזרמים דרך הייצור היטב אל פני השטח. יתר על כן, הכל תלוי באופן השימוש באנרגיה פטרותרמית - לחימום או לייצור חשמל. מחזור סגור אפשרי עם הזרקת אדי פסולת ומים בחזרה לבאר ההזרקה או דרך פינוי אחרת.
החיסרון של מערכת כזו ברור: כדי להשיג טמפרטורה גבוהה מספיק של נוזל העבודה, יש לקדוח בארות לעומק רב.ואלה עלויות חמורות והסיכון לאובדן חום משמעותי כאשר הנוזל נע כלפי מעלה. לכן, מערכות פטרותרמיות עדיין רחבות פחות מאשר הידרותרמיות, אם כי הפוטנציאל של אנרגיה פטרותרמית גבוה יותר בסדרי גודל.
נכון לעכשיו, אוסטרליה היא המובילה ביצירת מערכות המחזור הפטרותרמיות (PCS) כביכול. בנוסף, כיוון זה של אנרגיה גיאותרמית מתפתח באופן פעיל בארה"ב, שוויץ, בריטניה ויפן.
המתנה של לורד קלווין
ההמצאה בשנת 1852 של משאבת חום על ידי הפיזיקאי ויליאם תומפסון (הלא הוא לורד קלווין) סיפקה לאנושות הזדמנות אמיתית להשתמש בחום בעל פוטנציאל נמוך של שכבות הקרקע העליונות. מערכת משאבות החום, או, כפי שכינה אותה תומפסון, מכפיל החום, מבוססת על התהליך הפיזי של העברת חום מהסביבה לקירור. למעשה, הוא משתמש באותו עיקרון כמו במערכות פטרותרמיות. ההבדל הוא במקור החום, בקשר אליו עשויה להתעורר שאלה טרמינולוגית: עד כמה משאבת חום יכולה להיחשב כמערכת גיאותרמית? העובדה היא שבשכבות העליונות, לעומק של עשרות - מאות מטרים, הסלעים והנוזלים הכלולים בהם מחוממים לא על ידי החום העמוק של כדור הארץ, אלא על ידי השמש. לפיכך, השמש במקרה זה היא מקור החום העיקרי, למרות שהיא נלקחת, כמו במערכות גיאותרמיות, מהאדמה.
עבודת משאבת חום מבוססת על עיכוב בחימום וקירור האדמה בהשוואה לאטמוספירה, וכתוצאה מכך נוצר שיפוע טמפרטורה בין פני השטח לשכבות העמוקות יותר, השומרות על חום גם בחורף, בדומה ל מה קורה בגופי מים. המטרה העיקרית של משאבות חום היא חימום חלל. למעשה, זהו "מקרר הפוך". גם משאבת החום וגם המקרר מקיימים אינטראקציה עם שלושה מרכיבים: הסביבה הפנימית (במקרה הראשון - החדר המחומם, בשני - החדר בקירור של המקרר), הסביבה החיצונית - מקור האנרגיה וקירור (נוזל קירור) , זה גם נושא החום שמספק העברת חום או קור.
חומר בעל נקודת רתיחה נמוכה משמש כקירור, המאפשר לו לקחת חום ממקור שיש לו אפילו טמפרטורה נמוכה יחסית.
במקרר, הקירור הנוזלי נכנס למאייד דרך מצערת (מווסת לחץ), שם, בגלל ירידה חדה בלחץ, הנוזל מתאדה. אידוי הוא תהליך אנדותרמי הדורש ספיגת חום חיצונית. כתוצאה מכך נלקח חום מהקירות הפנימיים של המאייד, המספק אפקט קירור בתא המקרר. יתר על כן, מהמאייד, נשאב קירור אל המדחס, שם הוא חוזר למצב הצבירה הנוזלי. זהו תהליך הפוך המוביל לשחרור החום שהוסר לסביבה החיצונית. ככלל, הוא נזרק לחדר וגב המקרר חם יחסית.
משאבת חום עובדת באותה צורה, עם ההבדל שחום נלקח מהסביבה החיצונית ודרך המאייד נכנס לסביבה הפנימית - מערכת חימום החדר.
במשאבת חום אמיתית, המים מתחממים, עוברים לאורך מעגל חיצוני, מונחים בקרקע או במאגר, ואז נכנסים למאייד.
במאייד, החום מועבר למעגל פנימי מלא בקירור עם נקודת רתיחה נמוכה, אשר עובר דרך המאייד, עובר מנוזל למצב גזי, ומסלק את החום.
יתר על כן, קירור הגז נכנס למדחס, שם הוא דחוס ללחץ וטמפרטורה גבוהים, ונכנס למעבה, שם מתרחש החלפת חום בין הגז החם לקירור ממערכת החימום.
המדחס דורש חשמל להפעלה, אולם יחס הטרנספורמציה (יחס האנרגיה הנצרכת והנוצרת) במערכות מודרניות הוא גבוה מספיק בכדי להבטיח את יעילותן.
נכון לעכשיו, משאבות חום נמצאים בשימוש נרחב לחימום חלל, בעיקר במדינות מפותחות כלכלית.
אנרגיה נכונה לסביבה
אנרגיה גיאותרמית נחשבת ידידותית לסביבה, וזה בדרך כלל נכון. קודם כל, הוא משתמש במשאב מתחדש ובלתי נדלה כמעט. אנרגיה גיאותרמית אינה דורשת שטחים גדולים, בניגוד לתחנות כוח הידרואלקטריות גדולות או חוות רוח, ואינה מזהמת את האטמוספרה, בניגוד לאנרגיית פחמימנים. בממוצע, GeoPP תופס 400 מ"ר במונחים של 1 GW חשמל שנוצר. אותו נתון עבור תחנת כוח פחמית, למשל, הוא 3600 מ"ר. היתרונות האקולוגיים של GeoPPs כוללים גם צריכת מים נמוכה - 20 ליטר מים מתוקים לכל קילוואט 1, ואילו TPP ו- NPP דורשים כ -1000 ליטר. שים לב שמדובר באינדיקטורים סביבתיים של GeoPP "הממוצע".
אך עדיין ישנן תופעות לוואי שליליות. ביניהם לרוב מובחנים רעש, זיהום תרמי של האטמוספירה וזיהום כימי - מים ואדמה, כמו גם יצירת פסולת מוצקה.
המקור העיקרי לזיהום כימי של הסביבה הם המים התרמיים בפועל (בעלי טמפרטורה גבוהה ומינרליזציה), המכילים לעיתים קרובות כמויות גדולות של תרכובות רעילות, שבקשר אליהן קיימת בעיה של סילוק מי שפכים וחומרים מסוכנים.
ניתן לעקוב אחר ההשפעות השליליות של אנרגיה גיאותרמית בכמה שלבים, החל בקידוח בארות. כאן מתעוררות אותן סכנות כמו בקידוח באר כלשהי: הרס הקרקע וכיסוי הצמחייה, זיהום אדמה ומי תהום.
בשלב הפעולה של GeoPP הבעיות של זיהום סביבתי נמשכות. נוזלים תרמיים - מים וקיטור - מכילים בדרך כלל פחמן דו חמצני (CO2), גופרית גופרית (H2S), אמוניה (NH3), מתאן (CH4), מלח שולחן (NaCl), בורון (B), ארסן (As), כספית (Hg ). כאשר הם משוחררים לסביבה החיצונית הם הופכים למקורות לזיהום. בנוסף, סביבה כימית אגרסיבית עלולה לגרום להרס מאכל של מבני ה- GeoTPP.
יחד עם זאת, פליטת המזהמים ב- GeoPPs נמוכה בממוצע בהשוואה ל- TPP. לדוגמא, פליטת הפחמן הדו-חמצני לכל קילוואט שעה של חשמל שנוצר היא עד 380 גרם ב- GeoPPs, 1,042 גרם - ב- TPPs המופעל על ידי פחם, 906 גרם - במזוט ו 453 גרם - ב- TPPs המופעלים בגז.
נשאלת השאלה: מה לעשות עם מי הפסולת? עם מליחות נמוכה, לאחר קירור, זה יכול להיות מוזרם למים עיליים. דרך נוספת היא לשאוב אותו חזרה לאקוויפר דרך באר הזרקה, המועדפת ומשמשת בעיקר כיום.
הפקת מים תרמיים מאקוויפרים (כמו גם שאיבת מים רגילים) עלולה לגרום לשקיעה ותנועת הקרקע, לעיוותים אחרים של שכבות גיאולוגיות, לרעידות מיקרו-אדמה. הסבירות לתופעות כאלה, ככלל, קטנה, אם כי תועדו מקרים בודדים (למשל ב- GeoPP בסטאופן אים ברייסגאו בגרמניה).
יש להדגיש כי מרבית GeoPPs ממוקמים באזורים מאוכלסים יחסית בדלילות ובמדינות עולם שלישי, שם דרישות הסביבה מחמירות פחות מאשר במדינות מפותחות. בנוסף, כרגע מספר GeoPPs ויכולותיהם קטנים יחסית. עם פיתוח נרחב יותר של אנרגיה גיאותרמית, הסיכונים הסביבתיים יכולים להגדיל ולהתרבות.
כמה עולה האנרגיה של כדור הארץ?
עלויות השקעה לבניית מערכות גיאותרמיות משתנות בטווח רחב מאוד - בין 200 $ ל -5,000 $ לכל 1 קילוואט של קיבולת מותקנת, כלומר האפשרויות הזולות ביותר ניתנות להשוואה לעלות הקמת תחנת כוח תרמית. הם תלויים קודם כל בתנאי התרחשותם של מים תרמיים, בהרכבם ובעיצוב המערכת. קידוח לעומק רב, יצירת מערכת סגורה עם שתי בארות, הצורך בטיהור מים יכול להכפיל את העלות.
לדוגמא, ההשקעות ביצירת מערכת זרימה פטרותרמית (PCS) נאמדות בכ- 1.6-4 אלף דולר לכל 1 קילוואט קיבולת מותקנת, העולה על עלות הקמת תחנת כוח גרעינית ומשווה לעלות בניית רוח ו תחנות כוח סולאריות.
היתרון הכלכלי הברור של GeoTPP הוא נושא אנרגיה בחינם. לשם השוואה, במבנה העלויות של TPP או NPP תפעולי, הדלק מהווה 50-80% ואף יותר, תלוי במחירי האנרגיה הנוכחיים. מכאן יתרון נוסף של המערכת הגיאותרמית: עלויות התפעול יציבות וצפויות יותר, מכיוון שהן אינן תלויות בצירוף החיצוני של מחירי האנרגיה. באופן כללי, עלויות התפעול של תחנת הכוח הגיאותרמית נאמדות ב2-10 סנט (60 קופיקות - 3 רובל) לכל 1 קילוואט של קיבולת מיוצרת.
סעיף ההוצאה השני בגודלו (אחרי האנרגיה) (והמשמעותי מאוד) הוא, ככלל, שכרם של אנשי המפעל, אשר יכול להיות שונה בתכלית בין מדינות ואזורים.
בממוצע, העלות של 1 קוט"ש אנרגיה גיאותרמית דומה לזו של תחנת כוח תרמית (בתנאי רוסיה - בערך 1 רובל / 1 קוט"ש) וגבוהה פי עשרה מעלות ייצור החשמל בתחנת כוח הידרואלקטרית (5- 10 קופיקות / 1 קוט"ש).
חלק מהסיבות לעלות הגבוהה היא שבניגוד לתחנות כוח תרמיות והידראוליות, ל- GeoTPP יכולת קטנה יחסית. בנוסף, יש צורך להשוות בין מערכות הממוקמות באותו אזור ובתנאים דומים. לדוגמא, בקמצ'טקה, על פי מומחים, 1 קוט"ש חשמל גיאותרמי עולה פי 2-3 מהחשמל המיוצר בתחנות כוח תרמיות מקומיות.
אינדיקטורים ליעילות הכלכלית של מערכת גיאותרמית תלויים, למשל, האם יש צורך להיפטר ממי שפכים ובאילו דרכים היא נעשית, האם יתכן שימוש משולב במשאב. לפיכך, יסודות כימיים ותרכובות המופקים ממים תרמיים יכולים לספק הכנסה נוספת. בואו נזכור את הדוגמה של לארדרלו: הייצור הכימי היה זה שהיה ראשוני שם, והשימוש באנרגיה גיאותרמית היה בתחילה עזר.
אנרגיה גיאותרמית קדימה
אנרגיה גיאותרמית מתפתחת בצורה שונה במקצת מרוח ושמש. נכון לעכשיו, זה תלוי במידה רבה הרבה יותר באופי המשאב עצמו, אשר שונה מאוד לפי האזור, והריכוזים הגבוהים ביותר קשורים לאזורים צרים של חריגות גיאותרמיות, הקשורים, ככלל, לאזורי התפתחות של תקלות טקטוניות. וולקניזם (ראה "מדע וחיים" מס '9, 2013).
בנוסף, אנרגיה גיאותרמית היא פחות קיבולת טכנולוגית בהשוואה לרוח, ועוד יותר באנרגיה סולארית: מערכות התחנות הגיאותרמיות פשוטות למדי.
במבנה הכולל של ייצור החשמל העולמי, הרכיב הגיאותרמי מהווה פחות מ -1%, אך באזורים ובמדינות מסוימות חלקו מגיע ל-25-30%. בשל הקשר לתנאים גיאולוגיים, חלק ניכר מיכולות האנרגיה הגיאותרמית מתרכז במדינות העולם השלישי, שם נבדלים שלושה אשכולות מההתפתחות הגדולה ביותר של התעשייה - האיים של דרום מזרח אסיה, מרכז אמריקה ומזרח אפריקה. שני האזורים הראשונים נכללים ב"חגורת האש "של האוקיאנוס השקט, והשלישי קשור לשבר המזרח אפריקאי. סביר להניח כי אנרגיה גיאותרמית תמשיך להתפתח בחגורות אלה. סיכוי רחוק יותר הוא התפתחות אנרגיה פטרותרמית, תוך שימוש בחום שכבות האדמה, השוכנת בעומק של מספר קילומטרים. זהו משאב שכמעט נמצא בכל מקום, אך מיצויו דורש עלויות גבוהות; לכן האנרגיה הפטרותרמית מתפתחת בעיקר במדינות החזקות כלכלית וטכנולוגית ביותר.
באופן כללי, לאור ההפצה בכל מקום של משאבים גיאותרמיים ורמת בטיחות סביבתית מקובלת, יש סיבה להאמין שלאנרגיה גיאותרמית יש סיכויי פיתוח טובים. במיוחד עם האיום ההולך וגובר של מחסור במקורות אנרגיה מסורתיים ועליית מחירים עבורם.
מקמצ'טקה לקווקז
ברוסיה, לפיתוח האנרגיה הגיאותרמית יש היסטוריה ארוכה למדי, ובמספר עמדות אנו בין המובילים בעולם, אם כי חלקם של האנרגיה הגיאותרמית במאזן האנרגיה הכולל של מדינה ענקית עדיין זניח.
שני אזורים - קמצ'טקה וצפון הקווקז - הפכו לחלוצים ומרכזים לפיתוח אנרגיה גיאותרמית ברוסיה, ואם במקרה הראשון אנו מדברים בעיקר על תעשיית החשמל, הרי שבשני - על השימוש באנרגיה תרמית של מים תרמיים.
בצפון הקווקז - בשטח קרסנודר, צ'צ'ניה, דגסטן - נעשה שימוש בחום המים התרמיים למטרות אנרגיה עוד לפני המלחמה הפטריוטית הגדולה. בשנות השמונים והתשעים התפתחות האנרגיה הגיאותרמית באזור מסיבות ברורות נתקעה וטרם הגיעה ממצב של סטגנציה. אף על פי כן, אספקת מים גיאותרמיים בצפון הקווקז מספקת חום לכ -500 אלף בני אדם, ולדוגמה, העיר לבינסק שבטריטוריה של קרסנודר עם אוכלוסייה של 60 אלף איש מחוממת לחלוטין על ידי מים גיאותרמיים.
בקמצ'טקה ההיסטוריה של האנרגיה הגיאותרמית קשורה בעיקר להקמת תחנות כוח גיאותרמיות. הראשונה שבהן, שעדיין פועלת בתחנות Pauzhetskaya ו- Paratunskaya, נבנתה בשנים 1965-1967, בעוד GeoPP של Paratunskaya בנפח 600 קילוואט הפך לתחנה הראשונה בעולם עם מחזור בינארי. הייתה זו התפתחותם של המדענים הסובייטים ס.ס. קוטטלדזה וא.מ. רוזנפלד מהמכון לתרמופיזיקה של הסניף הסיבירי של האקדמיה הרוסית למדעים, שקיבלו בשנת 1965 תעודת מחבר להפקת חשמל ממים בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס. מאוחר יותר טכנולוגיה זו הפכה לאב-טיפוס ליותר מ -400 GeoPP בינאריים בעולם.
קיבולת ה- GeoPP של Pauzhetskaya, שהוזמנה בשנת 1966, הייתה בתחילה 5 מגה-וואט והוגדלה לאחר מכן ל -12 מגה-ווט. נכון לעכשיו, בתחנה נבנה גוש בינארי, שיגדיל את קיבולתו בעוד 2.5 מגה-ווט.
התפתחות האנרגיה הגיאותרמית בברית המועצות וברוסיה הופגעה בזמינותם של מקורות אנרגיה מסורתיים - נפט, גז, פחם, אך מעולם לא נעצרה. מתקני האנרגיה הגיאותרמית הגדולים ביותר כרגע הם GeoPP Verkhne-Mutnovskaya בהספק כולל של 12 יחידות כוח MW, שהוזמנו בשנת 1999, ו- GeoPP של Mutnovskaya בהספק של 50 MW (2002).
GeoPPs של Mutnovskaya ו- Verkhne-Mutnovskaya הם אובייקטים ייחודיים לא רק עבור רוסיה, אלא גם בקנה מידה עולמי. התחנות ממוקמות למרגלות הר הגעש מוטנובסקי, בגובה 800 מטר מעל פני הים, ופועלות בתנאי אקלים קיצוניים, שם חורף 9-10 חודשים בשנה. הציוד של GeoPPs של מוטנובסקי, כיום אחד המודרניים בעולם, נוצר לחלוטין במפעלים מקומיים של הנדסת חשמל.
נכון להיום, חלקם של מפעלי מוטנובסקי במבנה הכולל של צריכת האנרגיה של מרכז האנרגיה המרכזי בקמצ'טקה הוא 40%. גידול ביכולת מתוכנן בשנים הקרובות.
בנפרד, יש לומר על ההתפתחויות הפטרותרמיות הרוסיות. עדיין אין לנו DSP גדולים, אך ישנן טכנולוגיות מתקדמות לקידוח לעומקים גדולים (כ -10 ק"מ), שגם אין להם אנלוגים בעולם. המשך פיתוחם יאפשר להפחית באופן דרסטי את עלויות יצירת מערכות פטרותרמיות. מפתחי הטכנולוגיות והפרויקטים הללו הם N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (המכון הגיאולוגי, RAS), A. S. Nekrasov (המכון לחיזוי כלכלי, RAS) ומומחים ממפעלי הטורבינה של Kaluga. הפרויקט למערכת זרימה פטרותרמית ברוסיה נמצא כעת בשלב ניסיוני.
ישנם סיכויים לאנרגיה גיאותרמית ברוסיה, אם כי רחוקים יחסית: כרגע הפוטנציאל גדול למדי ומיקומי האנרגיה המסורתית חזקים. יחד עם זאת, במספר אזורים נידחים במדינה השימוש באנרגיה גיאותרמית רווחי מבחינה כלכלית ומבוקש גם כעת. מדובר בשטחים בעלי פוטנציאל גיאואנרגטי גבוה (צ'וקוטקה, קמצ'טקה, קורילס - החלק הרוסי של "חגורת האש" של האוקיאנוס השקט, הרי דרום סיביר וקווקז) ובמקביל מרוחק ומנותק מאספקת האנרגיה המרכזית.
ככל הנראה, בעשורים הקרובים האנרגיה הגיאותרמית במדינתנו תתפתח דווקא באזורים כאלה.
משאבים מתחדשים
ככל שאוכלוסיית כדור הארץ שלנו גדלה בהתמדה, אנו זקוקים ליותר ויותר אנרגיה כדי לתמוך באוכלוסייה. האנרגיה הכלולה במעיים של האדמה יכולה להיות שונה מאוד. לדוגמא, ישנם מקורות מתחדשים: רוח, אנרגיה סולארית ומים. הם ידידותיים לסביבה, ולכן אתה יכול להשתמש בהם ללא חשש לפגיעה בסביבה.
אנרגיה של מים
שיטה זו נהוגה כבר מאות שנים. כיום הוקמו מספר עצום של סכרים, מאגרים, בהם משתמשים מים לייצור חשמל. מהותו של מנגנון זה היא פשוטה: בהשפעת זרימת הנהר, גלגלי הטורבינות מסתובבים, בהתאמה, אנרגיית המים מומרת לאנרגיה חשמלית.
כיום ישנם מספר רב של תחנות כוח הידרואלקטריות הממירות את אנרגיית זרם המים לחשמל. המוזרות של שיטה זו היא שמשאבי אנרגיה מימית מתחדשים, בהתאמה, מבנים כאלה הם בעלי עלות נמוכה. זו הסיבה, למרות העובדה שבניית תחנות כוח הידרואלקטריות נמשכת די הרבה זמן, והתהליך עצמו יקר מאוד, עם זאת, מבנים אלה עולים בצורה משמעותית על תעשיות עתירות כוח.
אנרגיית השמש: מודרנית ועמידה בפני העתיד
אנרגיה סולארית מתקבלת באמצעות פאנלים סולאריים, אך טכנולוגיות מודרניות מאפשרות להשתמש בשיטות חדשות לכך. תחנת הכוח הסולארית הגדולה בעולם היא מערכת שנבנתה במדבר קליפורניה. זה מניע באופן מלא 2,000 בתים. העיצוב פועל באופן הבא: קרני השמש משתקפות מהמראות הנשלחות לדוד המרכזי עם מים. הוא רותח והופך לאדים שמניעים את הטורבינה. היא מצידה מחוברת לגנרטור חשמלי. רוח יכולה לשמש גם כאנרגיה שנותנת לנו כדור הארץ. הרוח נושבת במפרשים, מסובבת את הטחנות. ועכשיו ניתן להשתמש בו ליצירת מכשירים שייצרו אנרגיה חשמלית. על ידי סיבוב להבי טחנת הרוח הוא מניע את פיר הטורבינה, אשר, בתורו, מחובר לגנרטור חשמלי.
יישומים
ניצול האנרגיה הגיאותרמית מתוארך למאה ה -19. הראשונה הייתה חוויית האיטלקים החיים במחוז טוסקנה, שהשתמשו במים חמים לחימום. בעזרתה עבדו קידוחי קידוח בארות חדשים.
מים טוסקניים עשירים בבורון ובעת התאדותם הופכים לחומצה בורית, דודים פעלו על חום מימיהם. בתחילת המאה ה -20 (1904), הטוסקנים הרחיקו לכת והשיקו תחנת כוח קיטור. הדוגמה של האיטלקים הפכה לחוויה חשובה עבור ארה"ב, יפן, איסלנד.
חקלאות וגננות
אנרגיה גיאותרמית משמשת בחקלאות, בבריאות ובמשקי בית ב 80 מדינות ברחבי העולם.
הדבר הראשון ששימשו בו מים תרמיים הוא חימום חממות וחממות, מה שמאפשר לקצור ירקות, פירות ופרחים גם בחורף. מים חמים גם הועילו להשקיה.
גידול יבולים בהידרופוניקה נחשב כיוון מבטיח עבור היצרנים החקלאיים.יש חוות דגים המשתמשות במים מחוממים במאגרים מלאכותיים לצורך גידול מטגנים ודגים.
אנו ממליצים לך לקרוא: נוהל לסילוק ריאגנטים כימיים במעבדה
טכנולוגיות אלה נפוצות בישראל, קניה, יוון, מקסיקו.
תעשייה ודיור ושירותים קהילתיים
לפני יותר ממאה שנה אדים תרמיים חמים כבר היו הבסיס לייצור חשמל. מאז, היא משרתת תעשייה ושירותים.
באיסלנד, 80% מהדיור מחומם על ידי מים תרמיים.
שלוש תוכניות לייצור חשמל פותחו:
- קו ישר באמצעות אדי מים. הפשוטה ביותר: משתמשים בו במקום שיש גישה ישירה לאדים גיאותרמיים.
- עקיף, אינו משתמש בקיטור, אלא במים. הוא מוזר למאייד, מומר לאדים בשיטה טכנית ונשלח לגנרטור הטורבינה.
מים דורשים טיהור נוסף, מכיוון שהם מכילים תרכובות אגרסיביות העלולות להשמיד את מנגנוני העבודה. פסולת, אך טרם מקוררת אדים מתאימה לצרכי חימום.
- מעורב (בינארי). מים מחליפים דלק המחמם נוזל אחר עם העברת חום גבוהה יותר. זה מניע את הטורבינה.
המערכת הבינארית מפעילה טורבינה המופעלת על ידי אנרגיית מים מחוממים.
אנרגיה הידרותרמית משמשת את ארה"ב, רוסיה, יפן, ניו זילנד, טורקיה ומדינות אחרות.
מערכות חימום גיאותרמיות לבית
נושא חום המחומם ל- +50 - 600C מתאים לחימום דיור, אנרגיה גיאותרמית עונה על דרישה זו. ניתן לחמם ערים עם אוכלוסייה המונה כמה עשרות אלפי אנשים על ידי החום הפנימי של כדור הארץ. כדוגמה: חימום העיר לבינסק, שטח קרסנודר, פועל על דלק יבשתי טבעי.
תרשים מערכת גיאותרמית לחימום בית
אין צורך לבזבז זמן ואנרגיה על חימום מים ובניית חדר דוודים. נוזל הקירור נלקח ישירות ממקור הגייזר. אותם מים מתאימים גם לאספקת מים חמים. במקרים הראשונים והשניים הוא עובר את הניקוי הטכני והכימי המקדים הנדרש.
האנרגיה המתקבלת עולה פי שניים עד שלוש פעמים בזול יותר. הופיעו מתקנים לבתים פרטיים. הם יקרים יותר מדודי דלק מסורתיים, אך בתהליך הפעלה הם מצדיקים את העלויות.
היתרונות והחסרונות של שימוש באנרגיה גיאותרמית לחימום הבית.
אנרגיה פנימית של כדור הארץ
זה הופיע כתוצאה מכמה תהליכים, שעיקרם הצטברות ורדיואקטיביות. לדברי מדענים, היווצרות כדור הארץ ומסתו התרחשה במשך כמה מיליוני שנים, וזה קרה בגלל היווצרותם של כוכבי לכת. הם נתקעו יחד, בהתאמה, המסה של כדור הארץ הפכה ליותר ויותר. לאחר שכוכב הלכת שלנו החל להיות בעל מסה מודרנית, אך עדיין היה נטול אטמוספירה, גופי מטאורים ואסטרואידים נפלו עליו ללא הפרעה. תהליך זה נקרא במדויק צבירה, והוא הוביל לשחרור אנרגיית כבידה משמעותית. וככל שהגופים נפלו גדולים יותר על הפלנטה, כך גדלה כמות האנרגיה המשוחררת, הכלולה במעיים של כדור הארץ.
הבידול הכבידתי הזה הוביל לכך שחומרים החלו לרובד: חומרים כבדים פשוט טבעו, וחומרים קלים ונדיפים צפו למעלה. בידול השפיע גם על שחרור נוסף של אנרגיית הכבידה.
כמעט כל התכונות הפיזיקליות הבסיסיות של חומר כדור הארץ תלויות בטמפרטורה. בהתאם לטמפרטורה, הלחץ משתנה בו החומר עובר ממצב מוצק למותך. כאשר הטמפרטורה משתנה, הצמיגות, המוליכות החשמלית והתכונות המגנטיות של הסלעים המרכיבים את כדור הארץ משתנים. כדי לדמיין מה קורה בתוך כדור הארץ, עלינו בהחלט לדעת את מצבו התרמי. אין לנו עדיין אפשרות למדוד ישירות טמפרטורות בכל עומק כדור הארץ. רק הקילומטרים הראשונים של קרום כדור הארץ זמינים למדידותינו.אך אנו יכולים לקבוע את הטמפרטורה הפנימית של כדור הארץ בעקיפין, בהתבסס על נתונים על זרימת החום של כדור הארץ.
חוסר האפשרות לאימות ישיר הוא, כמובן, קושי גדול מאוד במדעי כדור הארץ רבים. אף על פי כן, התפתחות מוצלחת של תצפיות ותיאוריות מקרבת בהדרגה את הידע שלנו לאמת.
מדע מודרני על המצב התרמי וההיסטוריה של כדור הארץ - גיאותרפיה הוא מדע צעיר. המחקר הראשון בנושא גיאותרמיה הופיע רק באמצע המאה שעברה. ויליאם תומסון (לורד קלווין), אז עדיין מדען, פיזיקאי צעיר מאוד, הקדיש את עבודת הדוקטורט שלו לקביעת גילו של כדור הארץ בהתבסס על מחקר התפלגות ותנועת החום בתוך כדור הארץ. קלווין האמין שהטמפרטורה הפנימית של כדור הארץ צריכה לרדת עם הזמן בגלל היווצרות והתמצקות כדור הארץ מחומר מותך.
על ידי הגדרה שיפוע תרמי - קצב עליית הטמפרטורה עם העומק - במכרות וקידוחים בעומקים שונים, קלווין הגיע למסקנה כי מנתונים אלה ניתן להניח כמה זמן כדור הארץ צריך להתקרר, ולכן, לקבוע את גיל כדור הארץ . על פי הערכת קלווין, הטמפרטורה בעומק הקרוב ביותר מתחת לפני השטח עולה ב 20-40 מעלות צלזיוס על כל אלף מטר עומק. התברר שכדור הארץ התקרר למצבו הנוכחי תוך כמה עשרות מיליוני שנים בלבד. אבל זה לא תואם בשום צורה עם נתונים אחרים, למשל, עם נתונים על משך תקופות גאולוגיות ידועות רבות. הוויכוח בנושא זה נמשך חצי מאה והעמיד את קלווין באופוזיציה לאבולוציה בולטת כמו צ'רלס דרווין ותומאס האקסלי.
קלווין ביסס את מסקנותיו על הרעיון שכדור הארץ היה במקור במצב מותך והתקרר בהדרגה. השערה זו שלטה כבר עשרות שנים. עם זאת, בתחילת המאה העשרים התגלו שינויים מהותיים ששינו את הבנת אופי זרימת החום העמוקה של כדור הארץ ואת ההיסטוריה התרמית שלו. התגלתה רדיואקטיביות, החלו מחקרים על תהליכי שחרור החום במהלך הריקבון הרדיואקטיבי של איזוטופים מסוימים, הוסקו מסקנות כי הסלעים המרכיבים את קרום כדור הארץ מכילים כמות משמעותית של איזוטופים רדיואקטיביים.
מדידות ישירות של זרימת החום של כדור הארץ החלו יחסית לאחרונה: תחילה ביבשות - בשנת 1939 בבארות עמוקות בדרום אפריקה, בקרקעית האוקיאנוסים מאוחר יותר - מאז 1954, באוקיינוס האטלנטי. בארצנו לראשונה נמדדה זרימת החום בבארות עמוקות בסוצ'י ובמצסטה. בשנים האחרונות הצטברות הנתונים שהושגו בניסוי על שטף החום מתנהלת די מהר.
מדוע זה נעשה? והאם עדיין יש צורך במימדים חדשים וחדשים? כן, מאוד נחוץ. השוואה בין מדידות שטף החום העמוק שבוצעו בנקודות שונות על פני כדור הארץ מראה כי אובדן האנרגיה דרך חלקים שונים על פני כדור הארץ שונה. זה מצביע על ההטרוגניות של הקרום והמעטפת, מאפשר לשפוט את טיבם של תהליכים רבים המתרחשים בעומקים שונים שאינם נגישים לעינינו מתחת לפני האדמה, ומספק מפתח לחקר מנגנון ההתפתחות של כדור הארץ והאנרגיה הפנימית שלו.
כמה חום מאבד כדור הארץ בגלל זרימת החום מהמעיים? מתברר כי בממוצע ערך זה הוא קטן - כ -0.06 וואט למטר רבוע של שטח, או כ -30 טריליון וואט על פני כדור הארץ כולו. כדור הארץ מקבל אנרגיה מהשמש פי 4 אלף יותר. וכמובן שחום השמש הוא זה שממלא תפקיד מרכזי בקביעת הטמפרטורה על פני כדור הארץ.
החום שמשחרר כוכב לכת על פני משטח בגודל של מגרש כדורגל שווה בערך לחום שניתן לייצר על ידי שלוש מאות וואט נורות. זרימת אנרגיה כזו נראית חסרת משמעות, אך היא מגיעה מכל שטח כדור הארץ ובאופן מתמיד! כוחו של כל זרימת החום המגיע מבטן הפלנטה גדול פי 30 מכוחם של כל תחנות הכוח המודרניות בעולם.
מדידת עומק זרימת החום של כדור הארץ התהליך אינו קל ודורש זמן רב. דרך קרום האדמה הקשה מוליך החום אל פני השטח מוליך, כלומר באמצעות התפשטות של רעידות תרמיות. לכן, כמות החום העוברת שווה למוצר שיפוע טמפרטורה (קצב עליית הטמפרטורה עם העומק) על מוליכות תרמית. כדי לקבוע את שטף החום, הכרחי לדעת על שתי הכמויות הללו. שיפוע הטמפרטורה נמדד במכשירים רגישים - חיישנים (תרמיסטורים) במכרות או בארות שנקדחו במיוחד, בעומק של כמה עשרות עד כמה מאות מטרים. מוליכות תרמית של סלעים נקבעת על ידי בחינת דגימות במעבדות.
מדידה חום זורם בתחתית האוקיאנוסים קשורה לקשיים ניכרים: יש לבצע עבודה מתחת למים בעומקים משמעותיים. עם זאת, יש לו גם יתרונות: אין צורך לקדוח בארות בתחתית האוקיאנוסים, מכיוון שהמשקעים בדרך כלל רכים למדי והחללית הגלילית הארוכה המשמשת למדידת הטמפרטורה שוקעת בקלות בכמה מטרים לתוך משקעים רכים.
מי שעוסק בגיאותרפיה באמת זקוק לו מפת זרימת חום לכל שטח כדור הארץ. הנקודות בהן כבר בוצעו מדידות זרימת החום מופצות בצורה לא אחידה ביותר על פני כדור הארץ. בים ובאוקיאנוסים בוצעו מדידות כפליים מאשר ביבשה. צפון אמריקה, אירופה ואוסטרליה, האוקיינוסים בקווי הרוחב האמצעיים נחקרו באופן די מלא. ובחלקים אחרים של פני האדמה, המדידות עדיין מעטות או בכלל לא. עם זאת, נפח הנתונים הנוכחי על זרימת החום של כדור הארץ כבר מאפשר לבנות מפות כלליות, אך אמינות למדי.
שחרור החום מקרבי כדור הארץ אל פני השטח אינו אחיד. באזורים מסוימים כדור הארץ פולט יותר חום מהממוצע העולמי, באחרים תפוקת החום הרבה פחות. "נקודות קר" מתרחשות במזרח אירופה (פלטפורמת מזרח אירופה), קנדה (מגן קנדי), צפון אפריקה, אוסטרליה, דרום אמריקה, באגני מים עמוקים של האוקיאנוס השקט, ההודי והאוקיינוס האטלנטי. כתמים "חמים" ו"חמים "- אזורים עם זרימת חום מוגברת - מתרחשים באזורים של קליפורניה, אירופה האלפית, איסלנד, הים האדום, עליית מזרח האוקיאנוס השקט, ורכסי האמצע התת-ימי באוקיאנוס האטלנטי וההודי.
אנרגיה אטומית
השימוש באנרגיה של כדור הארץ יכול לקרות בדרכים שונות. לדוגמא, עם הקמת תחנות כוח גרעיניות, כאשר אנרגיה תרמית משתחררת עקב התפרקות החלקיקים הקטנים ביותר של חומר האטומים. הדלק העיקרי הוא אורניום, הכלול בקרום כדור הארץ. רבים מאמינים כי השיטה המסוימת הזו להשגת אנרגיה היא המבטיחה ביותר, אך היישום שלה כרוך במספר בעיות. ראשית, אורניום פולט קרינה ההורגת את כל האורגניזמים החיים. בנוסף, אם חומר זה יכנס לאדמה או לאטמוספירה, אז יתעורר אסון מעשה ידי אדם. אנו עדיין חווים את ההשלכות העצובות של התאונה בתחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל. הסכנה נעוצה בעובדה שפסולת רדיואקטיבית יכולה לאיים על כל היצורים החיים במשך זמן רב מאוד מאוד, אלפי שנים שלמות.
תחנת כוח גיאותרמית ראשונה
כולנו רגילים לעובדה שלפני שנים רבות הופקה אנרגיה ממשאבי הטבע. וכך היה, אך עוד לפני כן, אחת מתחנות הכוח הראשונות הייתה גיאותרמית. באופן כללי, זה מאוד הגיוני, מכיוון שהטכניקה עבדה על מתיחת קיטור, והשימוש באדים היה ההחלטה הנכונה יותר. ולמעשה היחיד לאותה תקופה, ללא ספירת שריפת עץ ופחם.
עוד בשנת 1817 פיתח הרוזן פרנסואה דה לארדל טכנולוגיה לאיסוף אדים טבעיים, שהייתה שימושית במאה העשרים, כשהביקוש לתחנות כוח גיאותרמיות נעשה גבוה מאוד.
תחנת העבודה הראשונה שנבנתה בפועל נבנתה בעיר האיטלקית לרדרלו בשנת 1904. נכון, זה היה יותר אב טיפוס, מכיוון שהוא יכול היה להניע רק 4 נורות, אבל זה עבד. שש שנים אחר כך, בשנת 1910, הוקמה באותה עיר תחנה עובדת באמת שיכולה לייצר אנרגיה המספיקה לשימוש תעשייתי.
גם במקומות ציוריים כאלה יכולות להיות תחנות כוח גיאותרמיות.
גנרטורים ניסיוניים נבנו במקומות רבים, אך איטליה היא שהחזיקה את ההובלה עד שנת 1958 והייתה היצרנית התעשייתית היחידה של אנרגיה גיאותרמית בעולם.
היה צריך להיכנע למנהיגות לאחר שהוזמן תחנת הכוח וואיראקי בניו זילנד. זו הייתה תחנת הכוח הגיאותרמית העקיפה הראשונה. כעבור כמה שנים נפתחו מתקנים דומים במדינות אחרות, כולל בארצות הברית עם מקורותיה בקליפורניה.
תחנת הכוח הגיאותרמית הראשונה מסוג עקיף נבנתה בברית המועצות בשנת 1967. בשלב זה, שיטה זו להשגת אנרגיה החלה להתפתח באופן פעיל בכל רחבי העולם. במיוחד במקומות כמו אלסקה, הפיליפינים ואינדונזיה, שעדיין הם בין המובילים באנרגיה המופקת בדרך זו.
זמן חדש - רעיונות חדשים
כמובן שאנשים לא עוצרים שם, ובכל שנה נעשים יותר ויותר ניסיונות למצוא דרכים חדשות להשיג אנרגיה. אם אנרגיית חום האדמה מתקבלת בפשטות, אז כמה שיטות אינן פשוטות כל כך. לדוגמא, כמקור אנרגיה, אפשר בהחלט להשתמש בגז ביולוגי, שמתקבל מפסולת נרקבת. ניתן להשתמש בו לחימום ביתי ולחימום מים.
יותר ויותר, נבנות תחנות כוח גאות, כאשר מותקנים סכרים וטורבינות על פיות מאגרים, המונעים על ידי גאות וזרימה, בהתאמה, מתקבל חשמל.
שריפת אשפה, אנו מקבלים אנרגיה
שיטה נוספת, שכבר משתמשים בה ביפן, היא יצירת משרפות. כיום הם נבנים באנגליה, איטליה, דנמרק, גרמניה, צרפת, הולנד וארצות הברית, אך רק ביפן החלו להשתמש במפעלים אלה לא רק למטרתם המיועדת, אלא גם לייצור חשמל. מפעלים מקומיים שורפים 2/3 מכל הפסולת ואילו המפעלים מצוידים בטורבינות קיטור. בהתאם לכך הם מספקים חום וחשמל לאזור שמסביב. יחד עם זאת, מבחינת עלויות, הרבה יותר משתלם לבנות מפעל כזה מאשר לבנות CHP.
הסיכוי להשתמש בחום כדור הארץ שבו הרי געש מרוכזים נראה מפתה יותר. במקרה זה, לא תצטרך לקדוח את כדור הארץ עמוק מדי, מכיוון שכבר בעומק של 300-500 מטר הטמפרטורה תהיה לפחות פי שניים מנקודת הרתיחה של המים.
יש גם שיטה כזו לייצור חשמל כמו אנרגיית מימן. מימן - היסוד הכימי הפשוט והקל ביותר - יכול להיחשב כדלק אידיאלי, מכיוון שהוא נמצא במקום שיש מים. אם אתה שורף מימן, אתה יכול לקבל מים, שמתפרקים לחמצן ומימן. להבת המימן עצמה אינה מזיקה, כלומר לא תהיה פגיעה בסביבה. המוזרות של יסוד זה היא שיש לו ערך קלורי גבוה.
מה יהיה בעתיד?
כמובן, האנרגיה של השדה המגנטי של כדור הארץ או זו שמתקבלת בתחנות כוח גרעיניות אינה יכולה לספק באופן מלא את כל צרכי האנושות, הגדלים מדי שנה. עם זאת, מומחים אומרים כי אין שום סיבה לדאגות, מכיוון שמשאבי הדלק של כדור הארץ עדיין מספיקים. יתר על כן, יותר ויותר מקורות חדשים, ידידותיים לסביבה ומתחדשים, נמצאים בשימוש.
בעיית הזיהום הסביבתי נותרה והיא הולכת וגדלה בצורה הרסנית. כמות הפליטות המזיקות יורדת מההיקף בהתאמה, האוויר שאנו נושמים מזיק, למים יש זיהומים מסוכנים והאדמה הולכת ומתרוקנת. לכן חשוב כל כך לעסוק בזמן במחקר של תופעה כזו כמו אנרגיה במעיים של כדור הארץ, כדי לחפש דרכים להפחית את הביקוש לדלק מאובנים ולהשתמש באופן פעיל יותר במקורות אנרגיה לא שגרתיים.
משאבים מוגבלים של חומרי גלם מאנרגיה מאובנים
הביקוש לחומרי גלם אנרגטיים אורגניים גדול במדינות מפותחות ומתפתחות בתעשייה (ארה"ב, יפן, מדינות אירופה המאוחדת, סין, הודו וכו '). יחד עם זאת, משאבי הפחמימנים שלהם במדינות אלה אינם מספיקים או שמורים, ומדינה, למשל, ארצות הברית, קונה חומרי גלם אנרגיה בחו"ל או מפתחת פיקדונות במדינות אחרות.
ברוסיה, אחת המדינות העשירות ביותר מבחינת משאבי אנרגיה, הצרכים הכלכליים באנרגיה עדיין מסופקים על ידי האפשרויות לשימוש במשאבי טבע. עם זאת, מיצוי הפחמימנים המאובנים מהתת-קרקעי מתנהל בקצב מהיר מאוד. אם בשנות 1940-1960. האזורים העיקריים המייצרים נפט היו "באקו השני" באזורי וולגה ואורל, אז החל משנות ה -70 ועד ימינו, אזור כזה הוא מערב סיביר. אך גם כאן חלה ירידה משמעותית בייצור הפחמימנים המאובנים. עידן הגז הסנומני "היבש" חולף. השלב הקודם של פיתוח נרחב של ייצור הגז הטבעי הגיע לסיומו. מיצויו מפקדונות ענק כמו מדבז'יה, אורנגויסקוי וימבורגסקויה הסתכם ב -84, 65 ו -50% בהתאמה. חלקן של עתודות הנפט הנוחות לפיתוח פוחת גם עם הזמן.
עקב הצריכה הפעילה של דלקים פחמימנים, מאגרי הנפט היבשתיים והגז הטבעי פחתו משמעותית. כעת העתודות העיקריות שלהם מרוכזות במדף היבשת. ולמרות שבסיס חומרי הגלם של תעשיית הנפט והגז עדיין מספיק לייצור נפט וגז ברוסיה בכמויות הנדרשות, בעתיד הקרוב הוא יסופק במידה רבה יותר ויותר באמצעות פיתוח שדות עם כרייה קשה. ותנאים גיאולוגיים. עלות ייצור חומרי הגלם של הפחמימנים תמשיך לגדול.
מרבית המשאבים הלא-מתחדשים המופקים מהקרקע משמשים דלק לתחנות כוח. ראשית, מדובר בגז טבעי שחלקו במבנה הדלק הוא 64%.
ברוסיה 70% מהחשמל מופק בתחנות כוח תרמיות. מפעלי אנרגיה במדינה שורפים כ -500 מיליון טון שווי ערך לדלק מדי שנה. כדי לייצר חשמל וחום, ואילו לייצור חום נצרך דלק פחמימני פי 3-4 מאשר לייצור חשמל.
כמות החום המתקבלת בעירה של כמויות אלה של חומרי גלם פחמימנים שקולה לשימוש במאות טונות של דלק גרעיני - ההבדל הוא עצום. עם זאת, כוח גרעיני דורש בטיחות סביבתית (למעט את הישנות צ'רנוביל) והגנתו מפני פיגועים אפשריים, כמו גם יישום של הפסקת בטוחה ויקרה של יחידות כוח NPP מיושנות ומיושנות. מאגרי האורניום הניתנים להחזרה מוכחים בעולם הם כ -3 מיליון 400 אלף טון. במשך כל התקופה הקודמת (עד 2007) כורים כ -2 מיליון טון.
