Geotermine energija
Jau iš pavadinimo aišku, kad jis atspindi žemės vidaus šilumą. Po žemės pluta yra magmos sluoksnis, kuris yra ugningas skystas silikatinis lydinys. Remiantis tyrimų duomenimis, šios šilumos energijos potencialas yra daug didesnis nei pasaulio gamtinių dujų, taip pat naftos atsargų energija. Magma - lava išlenda į paviršių. Be to, didžiausias aktyvumas pastebimas tuose žemės sluoksniuose, kuriuose yra tektoninių plokščių ribos, taip pat ten, kur žemės plutai būdingas plonumas. Žemės geoterminė energija gaunama tokiu būdu: lava ir planetos vandens ištekliai liečiasi, dėl to vanduo pradeda smarkiai kaisti. Tai veda prie geizerio išsiveržimo, susidaro vadinamieji karšti ežerai ir povandeninės srovės. Tai yra būtent tiems gamtos reiškiniams, kurių savybės yra aktyviai naudojamos kaip neišsenkantis energijos šaltinis.
Petroterminė energija
Šiuo metu žemės vidaus šiluma yra plačiai naudojama pasaulyje, ir tai daugiausia seklių šulinių energija - iki 1 km. Siekiant tiekti elektros energiją, šilumą ar karštą vandenį, įrengiami skylių šilumokaičiai, veikiantys skysčius, kurių virimo temperatūra yra maža (pavyzdžiui, freoną).
Šiais laikais gręžtinio šilumokaičio naudojimas yra racionaliausias šilumos gamybos būdas. Tai atrodo taip: aušinimo skystis cirkuliuoja uždara kilpa. Šildomas pakyla palei koncentriškai nuleistą vamzdį, atiduodamas šilumą, o po to, atvėsęs, siurblio pagalba jis tiekiamas į korpusą.
Žemės vidaus energijos panaudojimas yra pagrįstas gamtos reiškiniu - artėjant prie Žemės šerdies, žemės plutos ir mantijos temperatūra pakyla. 2-3 km lygyje nuo planetos paviršiaus jis pasiekia daugiau nei 100 ° С, vidutiniškai padidėja 20 ° С su kiekvienu kitu kilometru. 100 km gylyje temperatūra siekia 1300-1500 ºС.
Dirbtiniai geoterminiai šaltiniai
Žemės žarnose esanti energija turi būti naudojama protingai. Pavyzdžiui, yra idėja sukurti požeminius katilus. Norėdami tai padaryti, turite išgręžti du pakankamo gylio šulinius, kurie bus sujungti apačioje. Tai yra, pasirodo, kad beveik bet kuriame žemės kampelyje galima gauti geoterminę energiją pramoniniu būdu: per vieną šulinį į rezervuarą bus pumpuojamas šaltas vanduo, o per antrąjį - karštas vanduo arba garai. Dirbtiniai šilumos šaltiniai bus naudingi ir racionalūs, jei gaunama šiluma suteiks daugiau energijos. Garas gali būti nukreiptas į turbinų generatorius, kurie gamins elektrą.
Žinoma, pasirinkta šiluma yra tik dalis to, kas yra bendrose atsargose. Tačiau reikia atsiminti, kad gilus karštis nuolat papildys dėl radioaktyvaus skilimo, uolienų suspaudimo, žarnų stratifikacijos procesų. Ekspertų teigimu, žemės plutoje kaupiasi šiluma, kurios bendras kiekis yra 5000 kartų didesnis už visų iškastinių visos žemės kaloringumą. Pasirodo, kad tokių dirbtinai sukurtų geoterminių stočių veikimo laikas gali būti neribotas.
Žemės energijos išteklių rinkimo metodai
Šiandien yra trys pagrindiniai geoterminės energijos rinkimo metodai: sausas garas, karštas vanduo ir dvejetainis ciklas. Sausojo garo procesas tiesiogiai pasuka elektros generatorių turbinos pavaras. Karštas vanduo patenka iš apačios į viršų, tada purškiamas į rezervuarą, kad sukurtų garą turbinoms varyti.Šie du būdai yra labiausiai paplitę, generuojantys šimtus megavatų elektros energijos JAV, Islandijoje, Europoje, Rusijoje ir kitose šalyse. Tačiau vieta yra ribota, nes šios gamyklos veikia tik tektoniniuose regionuose, kur lengviau pasiekti šildomą vandenį.
Taikant dvejetainio ciklo technologiją, šiltas (nebūtinai karštas) vanduo išgaunamas į paviršių ir sujungiamas su žemu virimo tašku turinčiu butanu arba pentanu. Šis skystis pumpuojamas per šilumokaitį, kur jis išgarinamas ir išsiunčiamas per turbiną, prieš tai grąžinamas atgal į sistemą. Dvejetainio ciklo technologija suteikia dešimtis megavatų elektros energijos JAV: Kalifornijoje, Nevadoje ir Havajų salose.
Energijos gavimo principas
Geoterminės energijos gavimo trūkumai
Komunalinio lygio geotermines jėgaines statyti ir eksploatuoti yra brangu. Norint rasti tinkamą vietą, reikia atlikti brangiai kainuojančius šulinių tyrimus be jokių garantijų, kad pateksite į produktyvią požeminę karštą vietą. Tačiau analitikai tikisi, kad šis pajėgumas per ateinančius šešerius metus beveik padvigubės.
Be to, vietovės, kuriose yra aukšta požeminio šaltinio temperatūra, yra vietovėse, kuriose yra aktyvių geologinių ugnikalnių. Šie „karštieji taškai“ susidarė ties tektoninių plokščių ribomis tose vietose, kur pluta yra gana plona. Ramiojo vandenyno regionas dažnai vadinamas daugelio ugnikalnių, kuriuose yra daug karštų vietų, ugnies žiedu, įskaitant Aliaską, Kaliforniją ir Oregoną. Nevadoje yra šimtai karštųjų vietų, apimančių didžiąją JAV šiaurę.
Yra ir kitų seismiškai aktyvių regionų. Žemės drebėjimai ir magmos judėjimas leidžia vandeniui cirkuliuoti. Kai kuriose vietose vanduo kyla į paviršių ir atsiranda natūralių karštųjų versmių bei geizerių, pavyzdžiui, Kamčiatkoje. Kamčiatkos geizeriuose vanduo siekia 95 ° C.
Viena iš atvirų geizerių sistemų problemų yra tam tikrų oro teršalų išsiskyrimas. Vandenilio sulfidas yra toksiškos dujos, turinčios labai atpažįstamą „supuvusio kiaušinio“ kvapą - nedidelį arseno ir mineralų kiekį, išsiskiriantį garais. Druska taip pat gali kelti aplinkos problemą.
Atviroje jūroje esančiose geoterminėse jėgainėse vamzdžiuose susikaupia nemažas kiekis trukdančios druskos. Uždarose sistemose nėra teršalų, o visas į paviršių išneštas skystis grąžinamas.
Ekonominis energijos išteklių potencialas
Karštosios vietos nėra vienintelės vietos, kur galima rasti geoterminę energiją. Nuolat tiekiama tiesioginio šildymo reikmėms naudojama šiluma nuo 4 metrų iki kelių kilometrų žemiau praktiškai bet kurios žemės paviršiaus. Net žemė jūsų pačių kieme ar vietos mokykloje turi ekonominį potencialą šilumos pavidalu, kuris bus išpumpuotas į jūsų namus ar kitus pastatus.
Be to, labai giliai po paviršiumi (4–10 km) sausose uolienose yra didžiulis šilumos energijos kiekis.
Naujų technologijų naudojimas galėtų išplėsti geotermines sistemas, kuriose žmonės gali naudoti šią šilumą kurdami daug didesnį elektros kiekį nei įprastos technologijos. Pirmieji šio elektros energijos gamybos principo demonstravimo projektai buvo parodyti JAV ir Australijoje dar 2013 m.
Jei pavyks išnaudoti visą geoterminių išteklių ekonominį potencialą, tai bus didžiulis gamybos įrenginių elektros energijos šaltinis. Mokslininkai teigia, kad įprastų geoterminių šaltinių potencialas yra 38 000 MW, o tai gali pagaminti 380 milijonų MW elektros energijos per metus.
Karštos, sausos uolienos atsiranda 5–8 km gylyje visur po žeme ir mažesniame gylyje tam tikrose vietose.Prieiga prie šių išteklių reiškia šalto vandens, cirkuliuojančio per karštas uolienas, įleidimą ir pašildyto vandens pašalinimą. Šiuo metu ši technologija nėra komerciškai pritaikyta. Esamos technologijos dar neleidžia atkurti šilumos energijos tiesiogiai iš magmos, labai giliai, tačiau tai yra galingiausias geoterminės energijos šaltinis.
Derinant energijos išteklius ir jų nuoseklumą, geoterminė energija gali atlikti nepakeičiamą švaresnės, tvaresnės energetikos sistemos vaidmenį.
Šaltinių ypatybės
Šaltinių, kurie teikia geoterminę energiją, beveik neįmanoma visiškai panaudoti. Jie egzistuoja daugiau nei 60 pasaulio šalių, o dauguma sausumos ugnikalnių yra Ramiojo vandenyno ugnikalnio ugnies žiede. Tačiau praktikoje paaiškėja, kad geoterminiai šaltiniai skirtinguose pasaulio regionuose yra visiškai skirtingi savo savybėmis, būtent vidutine temperatūra, mineralizacija, dujų sudėtimi, rūgštingumu ir kt.
Geizeriai yra energijos šaltiniai Žemėje, kurio ypatumas yra tas, kad jie reguliariais laiko tarpais veržia verdantį vandenį. Įvykus išsiveržimui, baseine nebelieka vandens, jo dugne matosi kanalas, einantis giliai į žemę. Geizeriai naudojami kaip energijos šaltiniai tokiuose regionuose kaip Kamčiatka, Islandija, Naujoji Zelandija ir Šiaurės Amerika, o pavieniai geizeriai yra dar keliose vietovėse.
Pramonė ir būstas bei komunalinės paslaugos
2014 m. Lapkričio mėn. Kenijoje pradėjo veikti didžiausia tuo metu pasaulyje geoterminė jėgainė. Antras pagal dydį yra Islandijoje - tai „Hellisheid“, kuris ima šilumą iš šaltinių, esančių netoli Hengiedlio ugnikalnio.
Kitos šalys, naudojančios geoterminę energiją pramoniniu mastu: JAV, Filipinai, Rusija, Japonija, Kosta Rika, Turkija, Naujoji Zelandija ir kt.
Yra keturios pagrindinės „GeoTPP“ energijos gamybos schemos:
- tiesiai, kai garai vamzdžiais nukreipiami į turbinas, prijungtas prie elektros generatorių;
- netiesioginis, viskuo panašus į ankstesnį, išskyrus tai, kad prieš įeinant į vamzdžius garai valomi nuo dujų;
- dvejetainis - kaip darbinė šiluma naudojamas ne vanduo ar garai, o kitas skystis su žema virimo temperatūra;
- mišrus - panašus į tiesią liniją, tačiau po kondensacijos iš vandens pašalinamos neištirpusios dujos.
2009 m. Tyrinėtojų grupė, ieškojusi tinkamų geoterminių išteklių, išlydytą magmą pasiekė vos 2,1 km gylyje. Toks kritimas į magmą yra labai retas, tai yra tik antras žinomas atvejis (ankstesnis įvyko Havajuose 2007 m.).
Nors su magma sujungtas vamzdis niekada nebuvo prijungtas prie netoliese esančios Kraflos geoterminės jėgainės, mokslininkai sulaukė labai daug žadančių rezultatų. Iki šiol visos veikiančios stotys šilumą imdavo netiesiogiai - iš žemės uolų ar iš požeminių vandenų.
Iš kur energija?
Neatvėsusi magma yra labai arti žemės paviršiaus. Iš jo išsiskiria dujos ir garai, kurie kyla ir praeina išilgai plyšių. Maišydamiesi su požeminiu vandeniu, jie sukelia jų pašildymą, jie patys virsta karštu vandeniu, kuriame ištirpsta daugybė medžiagų. Toks vanduo išleidžiamas į žemės paviršių įvairių geoterminių šaltinių pavidalu: karštosios, mineralinės, geizerių ir kt. Mokslininkų teigimu, karštieji žemės viduriai yra olos ar kameros, sujungtos praėjimais, įtrūkimais ir kanalais. Jie tiesiog užpildyti požeminiu vandeniu, o magmos centrai yra labai arti jų. Tokiu būdu natūraliu būdu susidaro žemės šiluminė energija.
Hidroterminė energija
Dideliame gylyje cirkuliuojantis vanduo pašildomas iki reikšmingų verčių. Seismiškai aktyviuose regionuose jis iškyla į paviršių išilgai žemės plutos įtrūkimų, ramiuose regionuose jį galima pašalinti naudojant šulinius.
Veikimo principas yra tas pats: pašildytas vanduo pakyla į šulinį, atiduoda šilumą ir grįžta antruoju vamzdžiu. Ciklas praktiškai nesibaigia ir yra atnaujinamas tol, kol šiluma lieka žemės interjere.
Kai kuriuose seismiškai aktyviuose regionuose karšti vandenys guli taip arti paviršiaus, kad iš pirmų lūpų galite pamatyti, kaip veikia geoterminė energija. Krafla ugnikalnio (Islandija) apylinkių nuotraukoje matyti geizeriai, kurie perduoda garą ten veikiančiai geoterminei elektrinei.
Elektrinis Žemės laukas
Gamtoje yra dar vienas alternatyvus energijos šaltinis, kurį išskiria atsinaujinimas, ekologiškumas ir naudojimo paprastumas. Tiesa, iki šiol šis šaltinis yra tik tiriamas ir praktiškai netaikomas. Taigi potenciali Žemės energija yra paslėpta jos elektriniame lauke. Tokiu būdu energiją galima gauti tyrinėjant pagrindinius elektrostatikos dėsnius ir Žemės elektrinio lauko charakteristikas. Tiesą sakant, mūsų planeta elektriniu požiūriu yra sferinis kondensatorius, įkrautas iki 300 000 voltų. Jo vidinė sfera turi neigiamą krūvį, o išorinė - jonosfera - teigiamą. Žemės atmosfera yra izoliatorius. Per jį vyksta nuolatinis joninių ir konvekcinių srovių srautas, pasiekiantis daugelio tūkstančių amperų jėgą. Tačiau potencialus skirtumas tarp plokščių šiuo atveju nemažėja.
Tai rodo, kad gamtoje yra generatorius, kurio vaidmuo yra nuolat papildyti krūvio nutekėjimą iš kondensatoriaus plokščių. Tokio generatoriaus vaidmenį atlieka Žemės magnetinis laukas, kuris kartu su mūsų planeta sukasi saulės vėjo sraute. Žemės magnetinio lauko energiją galima gauti tiesiog prijungus energijos vartotoją prie šio generatoriaus. Norėdami tai padaryti, turite atlikti patikimą įžeminimo įrengimą.
Žemės šiluma
(Pabaigai. Pradžioje žr. „Mokslas ir gyvenimas“, 2013 m. Nr. 9)
Kolektorius terminiam boro vandeniui rinkti Larderello (Italija), XIX a. Pirmoje pusėje.
Variklis ir keitiklis, naudojami Larderello mieste 1904 m., Atliekant pirmąjį eksperimentą geoterminei elektrai gaminti.
Šiluminės elektrinės darbo schema.
„GeoPP“ veikimo principas sausuose garuose. Geoterminiai garai iš gamybos gręžinio yra tiesiogiai perduodami per garo turbiną. Paprasčiausias iš esamų „GeoPP“ veikimo schemų
„GeoPP“ su netiesiogine grandine veikimo principas. Karštas požeminis vanduo iš gamybos gręžinio pumpuojamas į garintuvą, o gautas garas tiekiamas į turbiną.
Dvejetainio GeoPP veikimo principas. Karštas terminis vanduo sąveikauja su kitu skysčiu, kuris veikia kaip darbinis skystis ir kurio virimo temperatūra yra žemesnė.
Petroterminės sistemos schema. Sistema pagrįsta temperatūros gradiento naudojimu tarp žemės paviršiaus ir jo podirvio, kur temperatūra aukštesnė.
Šaldytuvo ir šilumos siurblio schema: 1 - kondensatorius; 2 - droselis (slėgio reguliatorius); 3 - garintuvas; 4 - kompresorius.
„Mutnovskaya GeoPP“ Kamčiatkoje. 2011 m. Pabaigoje įrengta stoties galia buvo 50 MW, tačiau planuojama ją padidinti iki 80 MW. Tatiana Korobkova (Maskvos valstybinio universiteto Lomonosovo geografinio fakulteto RES laboratorija) nuotr.
‹
›
Geoterminės energijos naudojimas turi labai ilgą istoriją. Vienas pirmųjų žinomų pavyzdžių yra Italija, Toskanos provincijos vieta, dabar vadinama Larderello, kur dar XIX amžiaus pradžioje buvo naudojami natūralūs arba iš seklių šulinių išgauti vietiniai karšti terminiai vandenys. energijos tikslais.
Boro rūgščiai gauti čia buvo naudojamas požeminis vanduo, kuriame gausu boro. Iš pradžių ši rūgštis buvo gaunama garinant geležies katiluose, o kurui imta paprastų malkų iš netoliese esančių miškų, tačiau 1827 m. Francesco Larderelis sukūrė sistemą, kuri veikė pačių vandenų šilumą. Tuo pačiu metu natūralių vandens garų energija pradėta naudoti gręžimo platformoms eksploatuoti, o 20 amžiaus pradžioje - vietiniams namams ir šiltnamiams šildyti. Toje pačioje vietoje, Larderello mieste, 1904 m. Terminiai vandens garai tapo energijos šaltiniu elektros energijai gaminti.
Kai kurios kitos šalys 19-ojo amžiaus pabaigoje ir 20-ojo amžiaus pradžioje pasekė Italijos pavyzdžiu. Pavyzdžiui, 1892 m. Terminiai vandenys pirmą kartą buvo naudojami vietiniam šildymui JAV (Boise, Aidahas), 1919 m. - Japonijoje ir 1928 m. - Islandijoje.
Jungtinėse Valstijose pirmoji hidroterminė jėgainė atsirado Kalifornijoje 1930-ųjų pradžioje, Naujojoje Zelandijoje - 1958 m., Meksikoje - 1959 m., Rusijoje (pirmoji pasaulyje dvejetainė geoterminė jėgainė) 1965 m. ...
Senas principas iš naujo šaltinio
Elektrai gaminti reikalinga aukštesnė hidro šaltinio temperatūra nei šildymui - daugiau nei 150 ° C. Geoterminės elektrinės (GeoPP) veikimo principas yra panašus į įprastos šiluminės elektrinės (TPP) veikimo principą. Iš tikrųjų geoterminė elektrinė yra savotiška šiluminė elektrinė.
TPP paprastai anglis, dujos arba mazutas veikia kaip pagrindinis energijos šaltinis, o vandens garai yra darbinis skystis. Degantys degalai vandenį įkaitina iki garo būsenos, sukančios garo turbiną, ir ji generuoja elektrą.
„GeoPP“ skirtumas yra tas, kad pagrindinis energijos šaltinis čia yra žemės vidaus šiluma, o darbinis skystis garo pavidalu į elektrinio generatoriaus turbinos mentes tiekiamas „paruoštos“ formos tiesiai iš gamybos. gerai.
Yra trys pagrindinės „GeoPP“ veikimo schemos: tiesioginis, naudojant sausą (geoterminį) garą; netiesioginis, pagrįstas hidroterminiu vandeniu, ir mišrus, arba dvejetainis.
Tam tikros schemos naudojimas priklauso nuo agregacijos būsenos ir energijos nešiklio temperatūros.
Paprasčiausia ir todėl pirmoji iš įvaldytų schemų yra tiesi linija, kai garas, gaunamas iš šulinio, praleidžiamas tiesiai per turbiną. Pirmoji pasaulyje „GeoPP“ Larderello mieste taip pat veikė sausu garu 1904 m.
GeoPP su netiesiogine darbo schema yra labiausiai paplitę mūsų laikais. Jie naudoja karštą požeminį vandenį, kuris, esant dideliam slėgiui, pumpuojamas į garintuvą, kuriame išgarinama dalis jo, o susidarę garai sukasi turbiną. Kai kuriais atvejais geoterminiam vandeniui ir garams iš agresyvių junginių išvalyti reikia papildomų įtaisų ir grandinių.
Panaudotas garas patenka į įpurškimo šulinį arba naudojamas patalpų šildymui - šiuo atveju principas yra toks pat, kaip ir naudojant CHP.
Dvejetainiuose „GeoPP“ karštas terminis vanduo sąveikauja su kitu skysčiu, kuris veikia kaip darbinis skystis, kurio virimo temperatūra žemesnė. Abu skysčiai praeina per šilumokaitį, kur terminis vanduo išgarina darbinį skystį, kurio garai sukasi turbiną.
Ši sistema yra uždara, o tai išsprendžia išmetamų į atmosferą problemą. Be to, darbiniai skysčiai, kurių virimo temperatūra yra gana žema, leidžia naudoti ne itin karštus terminius vandenis kaip pirminį energijos šaltinį.
Visose trijose schemose naudojamas hidroterminis šaltinis, tačiau elektros energijai gaminti taip pat gali būti naudojama petroterminė energija (apie hidroterminės ir petroterminės energijos skirtumus žr. „Science and Life“, Nr. 9, 2013).
Šiuo atveju scheminė schema taip pat yra gana paprasta. Būtina išgręžti du tarpusavyje sujungtus šulinius - įpurškimo ir gamybos šulinius. Vanduo pumpuojamas į įpurškimo šulinį. Gilumoje jis sušyla, tada įkaitęs vanduo ar garai, susidarę dėl stipraus kaitinimo, per gamybos šulinį tiekiami į paviršių. Toliau viskas priklauso nuo to, kaip naudojama petroterminė energija - šildymui ar elektrai gaminti. Uždaras ciklas yra galimas atliekų garų ir vandens įpurškimu atgal į įpurškimo šulinį arba kitu šalinimo būdu.
Tokios sistemos trūkumas yra akivaizdus: norint gauti pakankamai aukštą darbinio skysčio temperatūrą, reikia gerai išgręžti šulinius.Tai yra rimtos išlaidos ir didelių šilumos nuostolių rizika, kai skystis juda aukštyn. Todėl petroterminės sistemos vis dar yra mažiau paplitusios nei hidroterminės, nors petroterminės energijos potencialas yra dydžiais didesnė.
Šiuo metu vadinamųjų petroterminės cirkuliacijos sistemų (PCS) kūrimo lyderė yra Australija. Be to, ši geoterminės energijos kryptis aktyviai vystosi JAV, Šveicarijoje, Didžiojoje Britanijoje ir Japonijoje.
Lordo Kelvino dovana
1852 m. Fiziko Williamo Thompsono (dar žinomo kaip Lordas Kelvinas) išradimas šilumos siurbliui suteikė žmonijai realią galimybę panaudoti žemo potencialo viršutinių dirvožemio sluoksnių šilumą. Šilumos siurblio sistema arba, kaip Thompsonas pavadino, šilumos daugiklis, yra paremtas fiziniu šilumos perdavimo iš aplinkos į šaltnešį procesu. Tiesą sakant, jis naudoja tą patį principą kaip ir petroterminėse sistemose. Skirtumas yra šilumos šaltinyje, dėl kurio gali kilti terminologinis klausimas: kiek šilumos siurblys gali būti laikomas geotermine sistema? Faktas yra tas, kad viršutiniuose sluoksniuose iki dešimčių - šimtų metrų gylio uolos ir juose esantys skysčiai yra šildomi ne giliu žemės karščiu, o saule. Taigi šiuo atveju saulė yra pagrindinis šilumos šaltinis, nors ji, kaip ir geoterminėse sistemose, yra paimama iš žemės.
Šilumos siurblio darbas yra pagrįstas dirvožemio šildymo ir aušinimo vėlavimu, palyginti su atmosfera, dėl kurio tarp paviršiaus ir gilesnių sluoksnių susidaro temperatūros gradientas, kuris sulaiko šilumą net žiemą, panašiai kaip kas vyksta vandens telkiniuose. Pagrindinis šilumos siurblių tikslas yra patalpų šildymas. Tiesą sakant, tai yra „atvirkštinis šaldytuvas“. Tiek šilumos siurblys, tiek šaldytuvas sąveikauja su trimis komponentais: vidine aplinka (pirmuoju atveju - šildoma patalpa, antruoju - šaldytuvo šaldymo kamera), išorine aplinka - energijos šaltiniu ir šaltnešiu (aušinimo skysčiu). , tai taip pat šilumos nešiklis, užtikrinantis šilumos perdavimą arba šaltį.
Medžiaga, kurios virimo temperatūra yra žema, veikia kaip šaltnešis, leidžiantis paimti šilumą iš šaltinio, kurio temperatūra yra net palyginti žema.
Šaldytuve skystas šaltnešis per droselį (slėgio reguliatorius) patenka į garintuvą, kur dėl staigaus slėgio sumažėjimo skystis išgaruoja. Garavimas yra endoterminis procesas, reikalaujantis išorinės šilumos absorbcijos. Dėl to iš vidinių garintuvo sienų imama šiluma, kuri šaldymo kameroje suteikia aušinimo efektą. Toliau iš garintuvo šaltnešis įsiurbiamas į kompresorių, kur jis grįžta į skystą agregacijos būseną. Tai yra atvirkštinis procesas, dėl kurio pašalinta šiluma išsiskiria į išorinę aplinką. Paprastai jis išmetamas į kambarį, o šaldytuvo galas yra palyginti šiltas.
Šilumos siurblys veikia panašiai, tuo skirtumu, kad šiluma paimama iš išorinės aplinkos ir per garintuvą patenka į vidinę aplinką - kambario šildymo sistemą.
Tikrame šilumos siurblyje vanduo kaitinamas, eidamas palei išorinę grandinę, paklojamas žemėje ar rezervuare, o tada patenka į garintuvą.
Garintuve šiluma perduodama į vidinę grandinę, pripildytą žemos virimo temperatūros šaltnešio, kuris, eidamas per garintuvą, iš skysčio pereina į dujinę būseną, atimdamas šilumą.
Be to, dujinis šaltnešis patenka į kompresorių, kur suspaudžiamas iki aukšto slėgio ir temperatūros, ir patenka į kondensatorių, kur vyksta šilumos mainai tarp karštų dujų ir aušinimo skysčio iš šildymo sistemos.
Kompresoriui veikti reikia elektros energijos, tačiau transformacijos koeficientas (suvartotos ir pagamintos energijos santykis) šiuolaikinėse sistemose yra pakankamai didelis, kad būtų užtikrintas jų efektyvumas.
Šiuo metu šilumos siurbliai plačiai naudojami patalpų šildymui, daugiausia ekonomiškai išsivysčiusiose šalyse.
Ekologiškai teisinga energija
Geoterminė energija laikoma nekenksminga aplinkai, kas paprastai yra tiesa. Visų pirma, jis naudoja atsinaujinančius ir praktiškai neišsenkančius išteklius. Geoterminei energijai nereikia didelių plotų, skirtingai nei didelėms hidroelektrinėms ar vėjo jėgainėms, ir neteršia atmosferos, skirtingai nei angliavandenilių energija. Vidutiniškai „GeoPP“ užima 400 m2, skaičiuojant 1 GW pagamintos elektros energijos. Pavyzdžiui, anglimi kūrenamos elektrinės skaičius yra 3600 m2. Ekologiniai „GeoPP“ pranašumai taip pat yra nedidelis vandens suvartojimas - 20 litrų gėlo vandens 1 kW, tuo tarpu TPP ir AE reikia apie 1000 litrų. Atkreipkite dėmesį, kad tai yra „vidutinio“ „GeoPP“ aplinkos rodikliai.
Tačiau vis tiek yra neigiamų šalutinių poveikių. Tarp jų dažniausiai išskiriamas triukšmas, šiluminė atmosferos tarša ir cheminė tarša - vanduo ir dirvožemis, taip pat kietųjų atliekų susidarymas.
Pagrindinis cheminės aplinkos taršos šaltinis yra tikrasis terminis vanduo (turintis aukštą temperatūrą ir mineralizaciją), kuriame dažnai yra daug nuodingų junginių, dėl kurių kyla nuotekų ir pavojingų medžiagų šalinimo problema.
Neigiamą geoterminės energijos poveikį galima atsekti keliais etapais, pradedant gręžinių gręžiniais. Čia kyla tie patys pavojai, kaip ir gręžiant bet kokį šulinį: dirvožemio ir augalijos dangos sunaikinimas, dirvožemio ir požeminio vandens užteršimas.
GeoPP veikimo etape išlieka aplinkos taršos problemos. Terminiuose skysčiuose - vandenyje ir garuose - paprastai yra anglies dioksido (CO2), sieros sulfido (H2S), amoniako (NH3), metano (CH4), valgomosios druskos (NaCl), boro (B), arseno (As), gyvsidabrio (Hg). ). Patekę į aplinką, jie tampa jos taršos šaltiniais. Be to, agresyvi cheminė aplinka gali sukelti ėsdinamąją žalą geoterminės elektrinės konstrukcijoms.
Tuo pačiu metu teršalų emisija GeoPP yra vidutiniškai mažesnė nei TPP. Pavyzdžiui, anglies dvideginio emisija kiekvienai pagamintos elektros energijos kilovatvalandei yra iki 380 g GeoPP, 1042 g - anglimis kūrenamų TPP, 906 g - mazuto ir 453 g - dujomis kūrenamų TPP.
Kyla klausimas: ką daryti su nuotekomis? Esant mažam druskingumui, jį atvėsus galima išleisti į paviršinius vandenis. Kitas būdas yra įšvirkšti jį atgal į vandeningąjį sluoksnį per įpurškimo šulinį, kuris yra pageidautinas ir dažniausiai naudojamas šiandien.
Terminio vandens gavyba iš vandeningųjų sluoksnių (taip pat ir paprasto vandens išpumpavimas) gali sukelti grunto nusėdimą ir judėjimą, kitas geologinių sluoksnių deformacijas ir mikrodrebėjimus. Tokių reiškinių tikimybė paprastai yra maža, nors užfiksuoti pavieniai atvejai (pavyzdžiui, GeufP, Staufen im Breisgau, Vokietijoje).
Reikėtų pabrėžti, kad dauguma GeoPP yra gana retai apgyvendintose vietovėse ir Trečiojo pasaulio šalyse, kur aplinkosaugos reikalavimai yra ne tokie griežti nei išsivysčiusiose šalyse. Be to, šiuo metu „GeoPP“ skaičius ir jų pajėgumai yra palyginti nedideli. Plėtojant geoterminę energiją, rizika aplinkai gali didėti ir daugėti.
Kiek kainuoja Žemės energija?
Investicijos į geoterminių sistemų statybą skiriasi labai plačiai - nuo 200 USD iki 5000 USD už 1 kW instaliuotos galios, tai yra, pigiausi variantai yra palyginami su šiluminės elektrinės statybos sąnaudomis. Jie visų pirma priklauso nuo terminių vandenų susidarymo sąlygų, jų sudėties ir sistemos konstrukcijos. Gręžiant į didelį gylį, sukuriant uždarą sistemą su dviem šuliniais, vandens valymo poreikis gali padidinti išlaidas.
Pvz., Investicijos į petroterminės cirkuliacijos sistemos (PKS) sukūrimą vertinamos 1,6–4 tūkstančiais dolerių už 1 kW instaliuoto galingumo, o tai viršija atominės elektrinės statybų kainą ir yra palyginama su vėjo statybos sąnaudomis. saulės elektrinės.
Akivaizdus „GeoTPP“ ekonominis pranašumas yra nemokamas energijos nešėjas. Palyginimui, veikiančios TPP ar AE sąnaudų struktūroje degalai sudaro 50–80% ar net daugiau, atsižvelgiant į dabartines energijos kainas. Taigi dar vienas geoterminės sistemos pranašumas: eksploatavimo išlaidos yra stabilesnės ir nuspėjamos, nes jos nepriklauso nuo išorinės energijos kainų konjunktūros. Apskaičiuota, kad „GeoTPP“ eksploatavimo išlaidos yra 2–10 centų (60 kapeikų - 3 rubliai) už 1 kWh pagamintos galios.
Antras pagal dydį (po energijos nešiklio) (ir labai reikšmingas) išlaidų punktas paprastai yra gamyklos personalo atlyginimai, kurie gali radikaliai skirtis skirtingose šalyse ir regionuose.
Vidutiniškai 1 kWh geoterminės energijos kaina yra panaši į TPP (Rusijos sąlygomis - apie 1 rublis / 1 kWh) ir dešimt kartų didesnė nei elektros energijos gamybos hidroelektrinėse kaina (5–10 kapeikų / 1). kWh).
Dalis brangių priežasčių yra ta, kad, skirtingai nuo šiluminių ir hidraulinių jėgainių, „GeoTPP“ turi palyginti nedidelį pajėgumą. Be to, būtina palyginti sistemas, esančias tame pačiame regione ir panašiomis sąlygomis. Pavyzdžiui, Kamčiatkoje, pasak ekspertų, 1 kWh geoterminės elektros energijos kainuoja 2–3 kartus pigiau nei vietinėse šiluminėse elektrinėse pagaminta elektra.
Geoterminės sistemos ekonominio efektyvumo rodikliai, pavyzdžiui, priklauso nuo to, ar būtina šalinti nuotekas ir kokiais būdais tai daroma, ar įmanoma kartu naudoti išteklius. Taigi cheminiai elementai ir junginiai, išgaunami iš terminio vandens, gali suteikti papildomų pajamų. Prisiminkime Larderello pavyzdį: ten pirminė buvo chemijos gamyba, o geoterminės energijos naudojimas iš pradžių buvo pagalbinis.
Geoterminė energija į priekį
Geoterminė energija vystosi kiek kitaip nei vėjas ir saulė. Šiuo metu tai daug labiau priklauso nuo paties ištekliaus pobūdžio, kuris smarkiai skiriasi pagal regionus, o didžiausios koncentracijos yra susietos su siauromis geoterminių anomalijų zonomis, kurios paprastai siejamos su tektoninių trūkumų išsivystymo sritimis. ir vulkanizmas (žr. „Mokslas ir gyvenimas“, 2013 m. Nr. 9).
Be to, geoterminė energija yra mažiau technologiškai talpi, palyginti su vėju, o juo labiau su saulės energija: geoterminių stočių sistemos yra gana paprastos.
Pagal bendrą pasaulio elektros gamybos struktūrą geoterminis komponentas sudaro mažiau nei 1%, tačiau kai kuriuose regionuose ir šalyse jo dalis siekia 25-30%. Dėl ryšio su geologinėmis sąlygomis nemaža dalis geoterminės energijos pajėgumų yra sutelkta trečiojo pasaulio šalyse, kur išskiriami trys didžiausio pramonės vystymosi klasteriai - Pietryčių Azijos, Centrinės Amerikos ir Rytų Afrikos salos. Pirmieji du regionai yra įtraukti į Ramiojo vandenyno „Žemės ugnies diržą“, trečiasis yra susietas su Rytų Afrikos plyšiu. Greičiausiai šiuose diržuose ir toliau vystysis geoterminė energija. Tolimesnė perspektyva yra petroterminės energijos plėtra, naudojant kelių kilometrų gylyje esančių žemės sluoksnių šilumą. Tai yra beveik visur esantis išteklius, tačiau jo gavyba reikalauja didelių išlaidų, todėl petroterminė energija vystosi pirmiausia ekonomiškai ir technologiškai galingiausiose šalyse.
Apskritai, atsižvelgiant į visur esantį geoterminių išteklių pasiskirstymą ir priimtiną aplinkos saugos lygį, yra pagrindo manyti, kad geoterminė energija turi geras plėtros perspektyvas. Ypač didėjant tradicinių energijos išteklių trūkumo grėsmei ir kylant jų kainoms.
Nuo Kamčiatkos iki Kaukazo
Rusijoje geoterminės energijos plėtra turi gana ilgą istoriją, o daugelyje pozicijų esame tarp pasaulio lyderių, nors geoterminės energijos dalis visoje didžiulės šalies energijos balanse vis dar yra nereikšminga.
Du regionai - Kamčatka ir Šiaurės Kaukazas - tapo geoterminės energijos plėtros pradininkais ir centrais Rusijoje, o jei pirmuoju atveju pirmiausia kalbame apie elektros energijos pramonę, tai antruoju - apie šiluminės energijos naudojimą. terminio vandens.
Šiaurės Kaukaze - Krasnodaro teritorijoje, Čečėnijoje, Dagestane - šiluminių vandenų šiluma energijos tikslais buvo naudojama dar prieš Didįjį Tėvynės karą. Aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose geoterminės energijos plėtra šiame regione dėl akivaizdžių priežasčių sustojo ir dar neatsirado iš sąstingio būsenos. Nepaisant to, geoterminis vandens tiekimas Šiaurės Kaukaze tiekia šilumą maždaug 500 tūkstančių žmonių, o, pavyzdžiui, Krasnodaro teritorijoje esantį Labinsko miestą, kuriame gyvena 60 tūkstančių žmonių, visiškai šildo geoterminiai vandenys.
Kamčiatkoje geoterminės energijos istorija pirmiausia siejama su geoterminių jėgainių statyba. Pirmoji iš jų, vis dar veikiančios „Pauzhetskaya“ ir „Paratunskaya“ stotys, buvo pastatytos dar 1965–1967 m., O „Paratunskaya GeoPP“, kurios galia 600 kW, tapo pirmąja stotimi pasaulyje su dvejetainiu ciklu. Tai buvo sovietų mokslininkų S. S. Kutateladze ir A. M. Rosenfeldo iš Rusijos mokslų akademijos Sibiro filialo termofizikos instituto plėtra, kurie 1965 m. Vėliau ši technologija tapo daugiau nei 400 dvejetainių „GeoPP“ pasaulyje prototipu.
1966 m. Užsakyto „Pauzhetskaya GeoPP“ galia iš pradžių buvo 5 MW, o vėliau padidėjo iki 12 MW. Šiuo metu stotyje statomas dvejetainis blokas, kuris padidins jo galingumą dar 2,5 MW.
Geoterminės energijos plėtrai SSRS ir Rusijoje kliudė tradicinių energijos šaltinių - naftos, dujų, anglies - prieinamumas, tačiau niekada nesustojo. Didžiausi geoterminės energijos įrenginiai šiuo metu yra Verkhne-Mutnovskaya GeoPP, kurio bendra galia yra 12 MW galios blokai, pradėti eksploatuoti 1999 m., Ir „Mutnovskaya GeoPP“, kurių galia yra 50 MW (2002).
„Mutnovskaya“ ir „Verkhne-Mutnovskaya GeoPP“ yra unikalūs objektai ne tik Rusijai, bet ir pasauliniu mastu. Stotys yra Mutnovsky ugnikalnio papėdėje, 800 metrų aukštyje virš jūros lygio, ir veikia ekstremaliomis klimato sąlygomis, kur žiema yra 9–10 mėnesių per metus. Šiuo metu vienos moderniausių pasaulyje „Mutnovsky GeoPP“ įranga yra visiškai sukurta vietinėse energetikos įmonėse.
Šiuo metu „Mutnovskie“ elektrinių dalis visoje Centrinės Kamčiatkos energijos mazgo energijos struktūroje yra 40%. Ateinančiais metais planuojama padidinti pajėgumus.
Atskirai reikėtų pasakyti apie Rusijos petroterminius pokyčius. Mes dar neturime didelių DSP, tačiau yra pažangių gręžimo iki didelio gylio (apie 10 km) technologijų, kurios taip pat neturi analogų pasaulyje. Tolesnė jų plėtra leis drastiškai sumažinti petroterminių sistemų kūrimo išlaidas. Šių technologijų ir projektų kūrėjai yra N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geologijos institutas, RAS), A. S. Nekrasovas (Ekonominių prognozių institutas, RAS) ir „Kaluga“ turbinų gamyklos specialistai. Petroterminės cirkuliacijos sistemos Rusijoje projektas šiuo metu yra eksperimentinis.
Geoterminės energijos perspektyvos Rusijoje yra, nors ir gana tolimos: šiuo metu potencialas yra gana didelis, o tradicinės energijos pozicijos yra stiprios. Tuo pačiu metu daugelyje atokių šalies regionų geoterminės energijos naudojimas yra ekonomiškai naudingas ir paklausus ir dabar. Tai yra teritorijos, turinčios didelį geoenergijos potencialą (Čiukotka, Kamčatka, Kurilės - rusiškoji Ramiojo vandenyno dalis „Žemės ugnies juosta“, Pietų Sibiro ir Kaukazo kalnai) ir tuo pačiu nutolusios bei nutrauktos nuo centralizuoto energijos tiekimo.
Tikriausiai per ateinančius dešimtmečius geoterminė energija mūsų šalyje vystysis būtent tokiuose regionuose.
Atsinaujinantys šaltiniai
Kadangi mūsų planetos gyventojų skaičius nuolat auga, mums reikia vis daugiau energijos, kad palaikytume gyventojus. Žemės žarnyne esanti energija gali būti labai skirtinga. Pavyzdžiui, yra atsinaujinančių šaltinių: vėjo, saulės ir vandens energijos. Jie yra ekologiški, todėl juos galite naudoti nebijodami pakenkti aplinkai.
Vandens energija
Šis metodas buvo naudojamas daugelį amžių. Šiandien pastatyta labai daug užtvankų, rezervuarų, kuriuose vanduo naudojamas elektrai gaminti. Šio mechanizmo esmė yra paprasta: veikiant upės srautui, turbinų ratai sukasi, atitinkamai, vandens energija paverčiama elektros energija.
Šiandien yra daugybė hidroelektrinių, kurios vandens srauto energiją paverčia elektra. Šio metodo ypatumas yra tai, kad hidroenergijos ištekliai yra atnaujinami, atitinkamai, tokios struktūros turi mažą kainą. Štai kodėl, nepaisant to, kad hidroelektrinių statyba vyko gana ilgą laiką, o pats procesas yra labai brangus, vis dėlto šios struktūros žymiai lenkia daug energijos reikalaujančias pramonės šakas.
Saulės energija: moderni ir atspari ateičiai
Saulės energija gaunama naudojant saulės baterijas, tačiau šiuolaikinės technologijos tam leidžia naudoti naujus metodus. Didžiausia pasaulyje saulės elektrinė yra sistema, pastatyta Kalifornijos dykumoje. Jis visiškai valdo 2000 namų. Dizainas veikia taip: saulės spinduliai atsispindi nuo veidrodžių, kurie su vandeniu siunčiami į centrinį katilą. Jis verda ir virsta garais, varančiais turbiną. Ji, savo ruožtu, yra prijungta prie elektros generatoriaus. Vėjas taip pat gali būti naudojamas kaip energija, kurią mums duoda Žemė. Vėjas pučia bures, verčia malūnus. Ir dabar jis gali būti naudojamas kurti prietaisus, kurie generuos elektros energiją. Sukdamas vėjo malūno mentes, jis varo turbinos veleną, kuris savo ruožtu yra sujungtas su elektros generatoriumi.
Programos
Geoterminės energijos naudojimas datuojamas XIX a. Pirmasis buvo Toskanos provincijoje gyvenančių italų, kurie šildymui naudojo šiltą šaltinių vandenį, patirtis. Su jos pagalba dirbo nauji gręžinių gręžiniai.
Toskanos vandenyje yra daug boro, o garuodamas virsta boro rūgštimi, katilai dirbo savo vandens šilumą. 20 amžiaus pradžioje (1904 m.) Toskanos gyventojai nuėjo toliau ir pradėjo garo jėgainę. Italų pavyzdys tapo svarbia patirtimi JAV, Japonijoje, Islandijoje.
Žemės ūkis ir sodininkystė
Geoterminė energija naudojama žemės ūkyje, sveikatos priežiūros ir namų ūkiuose 80-yje pasaulio šalių.
Pirmas dalykas, kuriam buvo naudojamas ir naudojamas terminis vanduo, yra šiltnamių ir šiltnamių šildymas, o tai leidžia daržoves, vaisius ir gėles rinkti net žiemą. Laistyti pravertė ir šiltas vanduo.
Pasėlių auginimas hidroponikoje laikomas perspektyvia žemės ūkio gamintojų kryptimi.Kai kuriose žuvų fermose mailiams ir žuvims veisti dirbtiniuose rezervuaruose naudojamas pašildytas vanduo.
Patariame perskaityti: Laboratorinių cheminių reagentų šalinimo tvarka
Šios technologijos yra paplitusios Izraelyje, Kenijoje, Graikijoje, Meksikoje.
Pramonė ir būstas bei komunalinės paslaugos
Daugiau nei prieš šimtmetį karšti šiluminiai garai jau buvo pagrindas gaminti elektrą. Nuo to laiko jis tarnavo pramonei ir komunalinėms paslaugoms.
Islandijoje 80% būstų šildo terminis vanduo.
Sukurtos trys elektros gamybos schemos:
- Tiesi linija naudojant vandens garus. Paprasčiausias: jis naudojamas ten, kur yra tiesioginė prieiga prie geoterminių garų.
- Netiesioginis, naudoja ne garą, o vandenį. Jis tiekiamas į garintuvą, techniniu metodu paverčiamas garais ir siunčiamas į turbinos generatorių.
Vandenį reikia papildomai išvalyti, nes jame yra agresyvių junginių, kurie gali sunaikinti darbo mechanizmus. Šildymo reikmėms tinka atliekos, bet dar neatvėsę garai.
- Mišrus (dvejetainis). Vanduo pakeičia kurą, kuris sušildo kitą skystį su didesniu šilumos perdavimu. Jis varo turbiną.
Dvejetainėje sistemoje naudojama turbina, kurią įjungia įkaitinto vandens energija.
Hidroterminę energiją naudoja JAV, Rusija, Japonija, Naujoji Zelandija, Turkija ir kitos šalys.
Geoterminio namo šildymo sistemos
Būsto šildymui tinka šilumos nešiklis, įkaitintas iki +50 - 600C, geoterminė energija atitinka šį reikalavimą. Miestus, kuriuose gyvena kelios dešimtys tūkstančių žmonių, gali šildyti žemės vidaus šiluma. Kaip pavyzdys: Labinsko miestas, Krasnodaro teritorija, šildomas natūraliu antžeminiu kuru.
Geoterminės sistemos, skirtos namui šildyti, schema
Nereikia gaišti laiko ir energijos vandens šildymui ir katilinės statybai. Aušinimo skystis paimamas tiesiai iš geizerio šaltinio. Tas pats vanduo taip pat tinka tiekti karštą vandenį. Pirmuoju ir antruoju atveju atliekamas būtinas išankstinis techninis ir cheminis valymas.
Gauta energija kainuoja du ar tris kartus pigiau. Pasirodė privačių namų įrenginiai. Jie yra brangesni nei tradiciniai kuro katilai, tačiau veikimo procese jie pateisina išlaidas.
Geoterminės energijos namų šildymui privalumai ir trūkumai.
Vidinė Žemės energija
Jis atsirado dėl kelių procesų, kurių pagrindinis yra akrecija ir radioaktyvumas. Mokslininkų teigimu, Žemė ir jos masė formavosi keletą milijonų metų, ir tai įvyko dėl planetosgimčių susidarymo. Jie sulipo, atitinkamai, Žemės masė darėsi vis didesnė. Po to, kai mūsų planetoje prasidėjo moderni masė, tačiau vis dar nebuvo atmosferos, meteoriniai ir asteroidiniai kūnai ant jos netrukdė. Šis procesas yra tiksliai vadinamas akrecija, ir tai leido išlaisvinti didelę gravitacinę energiją. Kuo didesni kūnai nukrito ant planetos, tuo daugiau išleidžiamos energijos kiekis yra Žemės žarnose.
Ši gravitacinė diferenciacija paskatino tai, kad medžiagos pradėjo stratifikuotis: sunkiosios medžiagos tiesiog nuskendo, o lengvos ir nepastovios - plaukė aukštyn. Diferenciacija taip pat paveikė papildomą gravitacinės energijos išsiskyrimą.
Beveik visos pagrindinės fizinės Žemės materijos savybės priklauso nuo temperatūros. Priklausomai nuo temperatūros, keičiasi slėgis, kai medžiaga pereina iš kietos į išlydytą būseną. Keičiantis temperatūrai, keičiasi Žemę sudarančių uolienų klampa, elektrinis laidumas ir magnetinės savybės. Norėdami įsivaizduoti, kas vyksta Žemės viduje, būtinai turime žinoti jos šiluminę būseną. Mes dar neturime galimybės tiesiogiai matuoti temperatūros bet kuriame Žemės gylyje. Tik keli pirmieji žemės plutos kilometrai yra matuojami.Bet mes galime nustatyti netiesioginę Žemės vidaus temperatūrą, remdamiesi duomenimis apie Žemės šilumos srautą.
Tiesioginio patikrinimo neįmanoma, be abejo, daugelyje žemės mokslų yra labai didelis sunkumas. Nepaisant to, sėkmingai plėtojant stebėjimus ir teorijas, mūsų žinios palaipsniui priartėja prie tiesos.
Šiuolaikinis mokslas apie šiluminę Žemės būklę ir istoriją - geotermika Ar jaunas mokslas. Pirmasis geotermijos tyrimas pasirodė tik praėjusio amžiaus viduryje. Williamas Thomsonas (lordas Kelvinas), tada dar labai jaunas mokslininkas, fizikas, savo disertaciją skyrė Žemės amžiui nustatyti, remdamasis šilumos pasiskirstymo ir judėjimo planetos viduje tyrimais. Kelvinas manė, kad laikui bėgant Žemės vidaus temperatūra turėtų mažėti dėl planetos susidarymo ir sustingimo iš išlydytos medžiagos.
Apibrėždamas terminis gradientas - temperatūros padidėjimo greitis su gyliu - kasyklose ir gręžiniuose skirtinguose gyliuose, Kelvinas padarė išvadą, kad iš šių duomenų galima daryti prielaidą, kiek laiko Žemė turi atvėsti, ir todėl nustatyti Žemės amžių . Remiantis Kelvino vertinimu, temperatūra artimiausiuose gyliuose po paviršiumi padidėja 20–40 ° C kiekvienam tūkstančiui gylio metrų. Paaiškėjo, kad Žemė atšoko iki dabartinės būsenos vos per kelias dešimtis milijonų metų. Bet tai jokiu būdu nesutampa su kitais duomenimis, pavyzdžiui, su daugelio žinomų geologinių epochų trukmės duomenimis. Diskusijos šiuo klausimu tęsėsi pusę amžiaus ir sukėlė Kelvino opoziciją tokiems žymiems evoliucionistams kaip Charlesas Darwinas ir Thomasas Huxley.
Kelvinas savo išvadas grindė mintimi, kad Žemė iš pradžių buvo išlydyta ir palaipsniui vėsta. Ši hipotezė dominavo dešimtmečius. Tačiau XX a. Sandūroje buvo padaryta atradimų, kurie iš esmės pakeitė supratimą apie gilų Žemės šilumos srauto pobūdį ir jo šiluminę istoriją. Atrastas radioaktyvumas, pradėti tirti šilumos išsiskyrimo procesai kai kurių izotopų radioaktyvaus irimo metu, padarytos išvados, kad uolose, sudarančiose žemės plutą, yra nemažas kiekis radioaktyviųjų izotopų.
Tiesioginiai Žemės šilumos srauto matavimai pradėti palyginti neseniai: pirmiausia žemynuose - 1939 m. Giliuose šuliniuose Pietų Afrikoje, vandenynų dugne vėliau - nuo 1954 m., Atlante. Mūsų šalyje šilumos srautas pirmą kartą buvo matuojamas Sočio ir Matsestos giliuose šuliniuose. Pastaraisiais metais eksperimentiškai gautų duomenų apie šilumos srautus kaupimas vyksta gana greitai.
Kodėl tai daroma? Ar vis dar reikalingi nauji ir nauji matmenys? Taip, labai reikia. Skirtinguose planetos taškuose atliktų giluminio šilumos srauto matavimų palyginimas rodo, kad energijos nuostoliai per skirtingas planetos paviršiaus dalis yra skirtingi. Tai byloja apie plutos ir mantijos nevienalytiškumą, leidžia spręsti apie daugelio procesų, vykstančių įvairiuose gyliuose, kurie mūsų akims nepasiekiami, po žemės paviršiumi, pobūdį ir suteikia raktą planetos vystymosi mechanizmui ir jos vidinei energijai tirti. .
Kiek šilumos praranda Žemė dėl šilumos srauto iš vidurių? Pasirodo, kad vidutiniškai ši vertė yra maža - apie 0,06 vato vienam kvadratiniam metrui paviršiaus, arba apie 30 trilijonų vatų per visą planetą. Žemė energijos iš Saulės gauna maždaug 4 tūkstančius kartų daugiau. Be abejo, būtent saulės šiluma vaidina svarbų vaidmenį nustatant temperatūrą žemės paviršiuje.
Planetos skleidžiama šiluma, esanti futbolo aikštės dydžio paviršiuje, yra maždaug lygi šilumai, kurią gali generuoti trys šimtų vatų elektros lemputės. Toks energijos srautas atrodo nereikšmingas, tačiau jis kyla iš viso Žemės paviršiaus ir nuolat! Viso šilumos srauto, ateinančio iš planetos žarnų, galia yra maždaug 30 kartų didesnė už visų šiuolaikinių jėgainių galią pasaulyje.
Gylio matavimas šilumos srautas Žemėje procesas yra sunkus ir užima daug laiko. Per kietą žemės plutą šiluma į paviršių nukreipiama laidžiai, tai yra, plintant šiluminėms vibracijoms. Todėl praeinančios šilumos kiekis yra lygus produktui temperatūros gradientas (temperatūros padidėjimo su gyliu greitis) šilumos laidumui. Norint nustatyti šilumos srautą, būtina žinoti šiuos du dydžius. Temperatūros gradientas matuojamas jautriais įtaisais - jutikliais (termistorais) kasyklose ar specialiai išgręžtuose šuliniuose, nuo kelių dešimčių iki kelių šimtų metrų gylyje. Uolienų šilumos laidumas nustatomas tiriant mėginius laboratorijose.
Matavimas šiluma teka vandenynų dugne susijęs su dideliais sunkumais: darbus reikia atlikti po vandeniu dideliame gylyje. Tačiau jis turi ir savų privalumų: nereikia gręžti vandenynų dugno šulinių, nes nuosėdos paprastai būna gana minkštos, o ilgas cilindrinis zondas, naudojamas temperatūrai matuoti, lengvai nuskęsta kelis metrus į minkštas nuosėdas.
Tiems, kurie užsiima geotermija, to tikrai reikia šilumos srauto žemėlapis visam planetos paviršiui. Taškai, kuriuose jau buvo atlikti šilumos srauto matavimai, yra labai netolygiai pasiskirstę po Žemės paviršių. Jūrose ir vandenynuose matavimų atlikta dvigubai daugiau nei sausumoje. Šiaurės Amerika, Europa ir Australija, vidurinių platumų vandenynai buvo ištirti gana išsamiai. O kitose žemės paviršiaus vietose matavimų vis dar nedaug arba jų visai nėra. Nepaisant to, dabartinis duomenų apie Žemės šilumos srautą kiekis jau leidžia sukurti apibendrintus, tačiau gana patikimus žemėlapius.
Šilumos išsiskyrimas iš Žemės vidurių į paviršių yra nevienodas. Kai kuriose vietovėse Žemė atiduoda daugiau šilumos nei vidutiniškai pasaulyje, kitose šilumos išmetama daug mažiau. „Šaltos dėmės“ atsiranda Rytų Europoje (Rytų Europos platforma), Kanadoje (Kanados skydas), Šiaurės Afrikoje, Australijoje, Pietų Amerikoje, Ramiojo vandenyno, Indijos ir Atlanto vandenynų giliavandeniuose baseinuose. „Šiltos“ ir „karštosios“ vietos - padidėjusio šilumos srauto sritys - yra Kalifornijos, Alpių Europos, Islandijos, Raudonosios jūros, Ramiojo vandenyno rytinės dalies pakilimo regionuose ir Atlanto ir Indijos vandenynų povandeninėse vidutinio lygio kalvose.
Atominė energija
Žemės energija gali būti naudojama įvairiai. Pavyzdžiui, statant atomines elektrines, kai dėl mažiausių atomų materijos dalelių suirimo išsiskiria šiluminė energija. Pagrindinis kuras yra uranas, kurio yra žemės plutoje. Daugelis mano, kad šis konkretus energijos gavimo būdas yra perspektyviausias, tačiau jo taikymas kelia daugybę problemų. Pirma, uranas skleidžia radiaciją, kuri sunaikina visus gyvus organizmus. Be to, jei ši medžiaga pateks į dirvožemį ar atmosferą, kils tikra žmogaus sukelta nelaimė. Mes vis dar išgyvename liūdnas avarijos Černobylio atominėje elektrinėje pasekmes. Pavojus slypi tame, kad radioaktyviosios atliekos gali kelti grėsmę visoms gyvoms medžiagoms labai, labai ilgai, ištisus tūkstantmečius.
Pirmoji geoterminė elektrinė
Visi esame įpratę, kad prieš daugelį metų energija buvo išgaunama iš gamtos išteklių. Taip ir buvo, bet dar prieš tai viena pirmųjų jėgainių buvo geoterminė. Apskritai, tai yra labai logiška, nes technika veikė traukiant garą, o naudoti garą buvo teisingesnis sprendimas. Ir iš tikrųjų vienintelis tuo metu, neskaitant medienos ir anglies deginimo.
Dar 1817 m. Grafas François de Larderel sukūrė natūralaus garo surinkimo technologiją, kuri buvo naudinga XX amžiuje, kai geoterminių jėgainių paklausa tapo labai didelė.
Pirmoji faktiškai dirbanti stotis buvo pastatyta Italijos mieste Larderello 1904 m. Tiesa, tai buvo daugiau prototipas, nes jis galėjo maitinti tik 4 lemputes, tačiau jis veikė. Praėjus šešeriems metams, 1910 m., Tame pačiame mieste buvo pastatyta tikrai veikianti stotis, galinti pagaminti pakankamai energijos pramoniniam naudojimui.
Net tokiose vaizdingose vietose gali būti geoterminės jėgainės.
Eksperimentiniai generatoriai buvo pastatyti daugelyje vietų, tačiau būtent Italija laikėsi lyderio pozicijos iki 1958 m. Ir buvo vienintelė pramoninė geoterminės energijos gamintoja pasaulyje.
Vadovaujant reikėjo atsisakyti, kai Naujojoje Zelandijoje buvo paleista Wairakei elektrinė. Tai buvo pirmoji netiesioginė geoterminė jėgainė. Po kelerių metų panašios patalpos atsidarė ir kitose šalyse, įskaitant JAV su šaltiniais Kalifornijoje.
Pirmoji netiesioginio tipo geoterminė jėgainė buvo pastatyta SSRS 1967 m. Tuo metu šis energijos gavimo būdas pradėjo aktyviai vystytis visame pasaulyje. Ypač tokiose vietose kaip Aliaska, Filipinai ir Indonezija, kurios vis dar yra lyderės tokiu būdu pagamintos energijos srityje.
Naujas laikas - naujos idėjos
Žinoma, žmonės tuo nesustoja ir kiekvienais metais vis daugiau bandoma ieškoti naujų būdų energijai gauti. Jei žemės šilumos energija gaunama gana paprastai, tai kai kurie metodai nėra tokie paprasti. Pavyzdžiui, kaip energijos šaltinį visiškai įmanoma naudoti biologines dujas, kurios gaunamos iš pūvančių atliekų. Juo galima šildyti namus ir šildyti vandenį.
Vis labiau statomos potvynio jėgainės, kai per rezervuarų žiotis įrengiamos užtvankos ir turbinos, kurias varo atitinkamai atoslūgis ir srautas, gaunama elektra.
Degindami šiukšles, mes gauname energijos
Kitas Japonijoje jau naudojamas metodas yra deginimo įrenginių sukūrimas. Šiandien jie statomi Anglijoje, Italijoje, Danijoje, Vokietijoje, Prancūzijoje, Nyderlanduose ir JAV, tačiau tik Japonijoje šios įmonės buvo pradėtos naudoti ne tik pagal paskirtį, bet ir elektros energijai gaminti. Vietinėse gamyklose sudeginama 2/3 visų atliekų, o gamyklose įrengtos garo turbinos. Atitinkamai jie tiekia šilumą ir elektrą aplinkinei vietovei. Tuo pačiu metu, kalbant apie išlaidas, kur kas pelningiau statyti tokią įmonę nei statyti kogeneracinę jėgainę.
Galimybė naudoti Žemės šilumą ten, kur sutelkti ugnikalniai, atrodo viliojanti. Tokiu atveju nebūtina gręžti Žemės per giliai, nes jau 300–500 metrų gylyje temperatūra bus bent dvigubai didesnė už vandens virimo temperatūrą.
Taip pat yra toks elektros energijos gamybos būdas kaip vandenilio energija. Vandenilis - paprasčiausias ir lengviausias cheminis elementas - gali būti laikomas idealiu kuru, nes jo yra ten, kur yra vandens. Jei deginate vandenilį, galite gauti vandens, kuris skyla į deguonį ir vandenilį. Pati vandenilio liepsna yra nekenksminga, tai yra, nebus padaryta žala aplinkai. Šio elemento ypatumas yra tas, kad jis turi aukštą kaloringumą.
Kas bus ateityje?
Žinoma, Žemės magnetinio lauko energija arba ta, kuri gaunama atominėse elektrinėse, negali visiškai patenkinti visų žmonijos poreikių, kurie kasmet auga. Tačiau ekspertai teigia, kad nerimauti nėra priežasčių, nes planetos kuro išteklių vis tiek pakanka. Be to, naudojama vis daugiau naujų ekologiškų ir atsinaujinančių šaltinių.
Aplinkos taršos problema išlieka ir ji katastrofiškai auga. Kenksmingų teršalų kiekis neviršija atitinkamai, oras, kuriuo kvėpuojame, yra kenksmingas, vanduo turi pavojingų priemaišų, o dirvožemis palaipsniui nyksta. Štai kodėl taip svarbu laiku įsitraukti į tokio reiškinio kaip energija Žemės viduriuose tyrimą, siekiant ieškoti būdų sumažinti iškastinio kuro paklausą ir aktyviau naudoti netradicinius energijos šaltinius.
Riboti iškastinės energijos žaliavų ištekliai
Organinės energijos žaliavų paklausa yra didelė pramonėje išsivysčiusiose ir besivystančiose šalyse (JAV, Japonijoje, suvienytos Europos valstybėse, Kinijoje, Indijoje ir kt.). Tuo pačiu metu jų pačių angliavandenilių ištekliai šiose šalyse yra nepakankami arba rezervuoti, o šalis, pavyzdžiui, JAV, perka energijos žaliavas užsienyje arba kuria nuosėdas kitose šalyse.
Rusijoje, vienoje turtingiausių valstybių pagal energijos išteklius, ekonominius energijos poreikius vis dar tenkina gamtos išteklių naudojimo galimybės. Tačiau iškastinių angliavandenilių gavyba iš podirvio vyksta labai sparčiai. Jei 1940–1960 m. Pagrindiniai naftos gavybos regionai buvo „Antrasis Baku“ Volgos ir Uralo regionuose, tada, pradedant nuo aštuntojo dešimtmečio, iki šiol toks rajonas yra Vakarų Sibiras. Bet ir čia žymiai sumažėja iškastinių angliavandenilių gamyba. „Sausų“ Kenomanijos dujų era praeina. Ankstesnis ekstensyvios gamtinių dujų gamybos plėtros etapas baigėsi. Jos gavyba iš tokių milžiniškų telkinių kaip „Medvezhye“, „Urengoyskoye“ ir „Yamburgskoye“ sudarė atitinkamai 84, 65 ir 50%. Laikui bėgant, plėtrai palankių naftos atsargų dalis taip pat mažėja.
Dėl aktyvaus angliavandenilių kuro vartojimo sausumos naftos ir gamtinių dujų atsargos gerokai sumažėjo. Dabar jų pagrindiniai rezervai sutelkti žemyniniame šelfe. Nors naftos ir dujų pramonės išteklių bazės vis dar pakanka naftos ir dujų gamybai Rusijoje reikiamu kiekiu, netolimoje ateityje ji bus teikiama vis didesniu mastu plėtojant laukus, kuriuose sunku išgauti ir išgauti žemę. geologinės sąlygos. Angliavandenilių žaliavų gamybos sąnaudos ir toliau augs.
Didžioji dalis neatsinaujinančių išteklių, išgautų iš podirvio, naudojama kaip kuras elektrinėms. Visų pirma, tai yra gamtinės dujos, kurių dalis kuro struktūroje sudaro 64 proc.
Rusijoje 70% elektros energijos pagaminama šiluminėse elektrinėse. Šalies energetikos įmonės per metus sudegina apie 500 milijonų tonų kuro ekvivalento. t. norint gaminti elektrą ir šilumą, tuo tarpu šilumos gamybai angliavandenilių kuro suvartojama 3–4 kartus daugiau nei elektros gamybai.
Šilumos kiekis, gaunamas deginant šiuos angliavandenilių žaliavų kiekius, yra lygus šimtų tonų branduolinio kuro naudojimui - skirtumas yra didžiulis. Tačiau branduolinei energijai reikalinga aplinkos sauga (kad būtų išvengta Černobylio pasikartojimo) ir jos apsauga nuo galimų teroristinių išpuolių, taip pat įgyvendinti saugų ir brangų pasenusių ir pasenusių AE jėgainių eksploatavimo nutraukimą. Įrodyta, kad pasaulyje urano atsargos yra apie 3 milijonai 400 tūkstančių tonų. Per visą ankstesnį laikotarpį (iki 2007 m.) Buvo išgauta apie 2 milijonai tonų.
