Geothermische energie
Al uit de naam is duidelijk dat het de warmte van het binnenste van de aarde vertegenwoordigt. Onder de aardkorst bevindt zich een laag magma, een vurige vloeibare silicaatsmelt. Volgens onderzoeksgegevens is het energiepotentieel van deze warmte veel hoger dan de energie van de wereldreserves van aardgas en olie. Magma - lava komt naar de oppervlakte. Bovendien wordt de grootste activiteit waargenomen in die aardlagen waarop de grenzen van tektonische platen liggen, en waar de aardkorst wordt gekenmerkt door dunheid. De aardwarmte van de aarde wordt op de volgende manier verkregen: lava en de watervoorraden van de planeet komen in contact, waardoor het water sterk begint op te warmen. Dit leidt tot de uitbarsting van een geiser, de vorming van de zogenaamde hete meren en onderwaterstromingen. Dat zijn precies die natuurlijke verschijnselen waarvan de eigenschappen actief worden gebruikt als een onuitputtelijke energiebron.
Petrothermische energie
Op dit moment wordt de warmte van het binnenste van de aarde veel gebruikt in de wereld, en dit is voornamelijk de energie van ondiepe putten - tot 1 km. Om elektriciteit, warmte of warm water te leveren, zijn warmtewisselaars in het boorgat geïnstalleerd die werken op vloeistoffen met een laag kookpunt (bijvoorbeeld freon).
Nu is het gebruik van een boorgatwarmtewisselaar de meest rationele manier om warmte te produceren. Het ziet er zo uit: de koelvloeistof circuleert in een gesloten kringloop. De verwarmde stijgt langs een concentrisch neergelaten buis en geeft zijn warmte af, waarna hij, afgekoeld, met behulp van een pomp in de behuizing wordt gevoerd.
Het gebruik van de energie van het binnenste van de aarde is gebaseerd op een natuurlijk fenomeen - naarmate het de kern van de aarde nadert, stijgt de temperatuur van de aardkorst en de aardmantel. Op een niveau van 2-3 km vanaf het oppervlak van de planeet bereikt het meer dan 100 ° С, gemiddeld met 20 ° С met elke volgende kilometer. Op een diepte van 100 km bereikt de temperatuur 1300-1500 ºС.
Kunstmatige geothermische bronnen
De energie in de ingewanden van de aarde moet verstandig worden gebruikt. Zo is er een idee om ondergrondse ketels te maken. Om dit te doen, moet u twee putten van voldoende diepte boren, die onderaan worden verbonden. Dat wil zeggen, het blijkt dat het in bijna elke hoek van het land mogelijk is om geothermische energie industrieel te verkrijgen: koud water wordt door één put in het reservoir gepompt en heet water of stoom wordt door de tweede put gewonnen. Kunstmatige warmtebronnen zullen gunstig en rationeel zijn als de resulterende warmte meer energie levert. Stoom kan naar turbinegeneratoren worden geleid, die elektriciteit zullen opwekken.
De geselecteerde warmte is natuurlijk maar een fractie van wat er in de totale reserves beschikbaar is. Maar er moet aan worden herinnerd dat de diepe hitte constant zal worden aangevuld als gevolg van de processen van radioactief verval, samendrukking van rotsen, stratificatie van de darmen. Volgens experts accumuleert de aardkorst warmte, waarvan de totale hoeveelheid 5000 keer groter is dan de calorische waarde van alle fossiele bronnen van de aarde als geheel. Het blijkt dat de bedrijfstijd van dergelijke kunstmatig gecreëerde geothermische stations onbeperkt kan zijn.
Methoden voor het verzamelen van energiebronnen van de aarde
Tegenwoordig zijn er drie hoofdmethoden voor het oogsten van geothermische energie: droge stoom, heet water en binaire cyclus. Het droge stoomproces laat de turbineaandrijvingen van de stroomgeneratoren direct draaien. Heet water komt van beneden naar binnen en wordt vervolgens in de tank gesproeid om stoom te creëren om de turbines aan te drijven.Deze twee methoden komen het meest voor en genereren honderden megawatt elektriciteit in de Verenigde Staten, IJsland, Europa, Rusland en andere landen. Maar de locatie is beperkt, aangezien deze fabrieken alleen actief zijn in tektonische gebieden waar het gemakkelijker is om toegang te krijgen tot verwarmd water.
Met de binaire cyclustechnologie wordt warm (niet noodzakelijk heet) water naar de oppervlakte gezogen en gecombineerd met butaan of pentaan, dat een laag kookpunt heeft. Deze vloeistof wordt door een warmtewisselaar gepompt, waar het wordt verdampt en door een turbine wordt gestuurd voordat het terug naar het systeem wordt gerecirculeerd. Binaire cyclustechnologie levert tientallen megawatt elektriciteit in de Verenigde Staten: Californië, Nevada en de Hawaiiaanse eilanden.
Het principe van het verkrijgen van energie
Nadelen van het verkrijgen van aardwarmte
Op nutsniveau zijn geothermische energiecentrales duur om te bouwen en te exploiteren. Het vinden van een geschikte locatie vereist kostbare putonderzoeken zonder garantie op het raken van een productieve ondergrondse hotspot. Analisten verwachten echter dat deze capaciteit de komende zes jaar bijna zal verdubbelen.
Bovendien bevinden gebieden met een hoge temperatuur van de ondergrondse bron zich in gebieden met actieve geologische vulkanen. Deze "hete plekken" hebben zich gevormd aan de grenzen van tektonische platen op plaatsen waar de korst vrij dun is. De Pacific-regio wordt vaak de ring van vuur genoemd voor veel vulkanen met veel hotspots, waaronder Alaska, Californië en Oregon. Nevada heeft honderden hotspots die het grootste deel van het noorden van de Verenigde Staten beslaan.
Er zijn ook andere seismisch actieve regio's. Door aardbevingen en magma-beweging kan water circuleren. Op sommige plaatsen stijgt water naar de oppervlakte en komen natuurlijke warmwaterbronnen en geisers voor, zoals in Kamtsjatka. Het water in de geisers van Kamchatka bereikt 95 ° C.
Een van de problemen met open geisersystemen is het vrijkomen van bepaalde luchtverontreinigende stoffen. Waterstofsulfide is een giftig gas met een zeer herkenbare geur van "rotte eieren" - een kleine hoeveelheid arseen en mineralen die vrijkomen bij stoom. Zout kan ook een milieuprobleem opleveren.
In geothermische energiecentrales op zee hoopt zich een aanzienlijke hoeveelheid storend zout op in leidingen. In gesloten systemen zijn er geen emissies en wordt alle naar de oppervlakte gebrachte vloeistof teruggevoerd.
Het economische potentieel van de energiebron
Hotspots zijn niet de enige plekken waar aardwarmte te vinden is. Er is een constante aanvoer van bruikbare warmte voor directe verwarmingsdoeleinden overal van 4 meter tot enkele kilometers onder het oppervlak van vrijwel overal op aarde. Zelfs land in uw eigen achtertuin of plaatselijke school heeft het economische potentieel in de vorm van warmte die naar uw huis of andere gebouwen kan worden gepompt.
Bovendien is er een enorme hoeveelheid thermische energie in droge rotsformaties zeer diep onder het oppervlak (4-10 km).
Het gebruik van nieuwe technologie zou geothermische systemen kunnen uitbreiden, waar mensen deze warmte kunnen gebruiken om op veel grotere schaal elektriciteit op te wekken dan conventionele technologieën. De eerste demonstratieprojecten van dit principe van elektriciteitsopwekking werden in 2013 getoond in de Verenigde Staten en Australië.
Als het volledige economische potentieel van geothermische bronnen kan worden gerealiseerd, zal dit een enorme elektriciteitsbron voor productiefaciliteiten zijn. Wetenschappers suggereren dat conventionele geothermische bronnen een potentieel hebben van 38.000 MW, die 380 miljoen MW elektriciteit per jaar kunnen opwekken.
Hete droge rotsen komen overal onder de grond voor op dieptes van 5 tot 8 km en op bepaalde plaatsen op ondieper.Toegang tot deze bronnen omvat de introductie van koud water dat door de hete rotsen circuleert en het verwijderen van verwarmd water. Er is momenteel geen commerciële toepassing voor deze technologie. Met de bestaande technologieën is het nog niet mogelijk om thermische energie rechtstreeks uit magma terug te winnen, heel diep, maar dit is de krachtigste bron van geothermische energie.
Met de combinatie van energiebronnen en de consistentie ervan, kan aardwarmte een onvervangbare rol spelen als een schoner, duurzamer energiesysteem.
Kenmerken van bronnen
Bronnen die aardwarmte leveren, zijn bijna niet volledig te benutten. Ze bestaan in meer dan 60 landen van de wereld, met de meeste op het land gebaseerde vulkanen in de Pacific Volcanic Ring of Fire. Maar in de praktijk blijkt dat geothermische bronnen in verschillende delen van de wereld totaal verschillende eigenschappen hebben, namelijk gemiddelde temperatuur, mineralisatie, gassamenstelling, zuurgraad, enzovoort.
Geisers zijn energiebronnen op aarde, met als bijzonderheid dat ze met regelmatige tussenpozen kokend water uitspuwen. Nadat de uitbarsting heeft plaatsgevonden wordt het zwembad vrij van water, onderaan zie je een kanaaltje dat diep de grond in gaat. Geisers worden gebruikt als energiebronnen in regio's zoals Kamtsjatka, IJsland, Nieuw-Zeeland en Noord-Amerika, en solitaire geisers worden in verschillende andere gebieden aangetroffen.
Industrie en huisvesting en gemeentelijke diensten
In november 2014 ging de destijds grootste geothermische energiecentrale ter wereld in bedrijf in Kenia. De op een na grootste bevindt zich in IJsland - dit is Hellisheid, dat warmte haalt uit bronnen in de buurt van de Hengiedl-vulkaan.
Andere landen die aardwarmte op industriële schaal gebruiken: VS, Filippijnen, Rusland, Japan, Costa Rica, Turkije, Nieuw-Zeeland, enz.
Er zijn vier hoofdschema's voor energieproductie bij GeoTPP:
- rechtdoor, wanneer stoom door leidingen naar turbines wordt geleid die zijn aangesloten op stroomgeneratoren;
- indirect, vergelijkbaar met de vorige in alles, behalve dat stoom wordt gereinigd van gassen voordat het de leidingen binnengaat;
- binair - geen water of stoom wordt gebruikt als werkwarmte, maar een andere vloeistof met een laag kookpunt;
- gemengd - vergelijkbaar met een rechte lijn, maar na condensatie worden onopgeloste gassen uit het water verwijderd.
In 2009 bereikte een team van onderzoekers die op zoek waren naar exploiteerbare geothermische bronnen, gesmolten magma op slechts 2,1 km (5 mijl) diep. Een dergelijk vallen in magma is zeer zeldzaam, dit is pas het tweede bekende geval (het vorige vond plaats in Hawaï in 2007).
Hoewel de pijp die is aangesloten op magma nooit is aangesloten op de nabijgelegen geothermische energiecentrale Krafla, hebben wetenschappers veelbelovende resultaten ontvangen. Tot nu toe namen alle bedieningsstations indirect warmte op, van aarden rotsen of van ondergrondse wateren.
Waar komt de energie vandaan?
Ongekoeld magma bevindt zich zeer dicht bij het aardoppervlak. Hieruit komen gassen en dampen vrij, die opstijgen en langs de scheuren gaan. Vermengd met grondwater veroorzaken ze hun verwarming, ze worden zelf heet water, waarin veel stoffen worden opgelost. Dergelijk water komt naar de oppervlakte van de aarde in de vorm van verschillende geothermische bronnen: warmwaterbronnen, minerale bronnen, geisers, enzovoort. Volgens wetenschappers zijn de hete ingewanden van de aarde grotten of kamers die met elkaar zijn verbonden door doorgangen, scheuren en kanalen. Ze zijn gewoon gevuld met grondwater en de magmacentra bevinden zich heel dicht bij hen. Op deze manier wordt de thermische energie van de aarde op natuurlijke wijze gevormd.
Hydrothermische energie
Water dat op grote diepten circuleert, wordt verwarmd tot significante waarden. In seismisch actieve gebieden stijgt het naar de oppervlakte langs scheuren in de aardkorst, in rustige gebieden kan het worden verwijderd met behulp van putten.
Het werkingsprincipe is hetzelfde: verwarmd water stijgt op in de put, geeft warmte af en keert terug door de tweede buis. De cyclus is praktisch eindeloos en wordt vernieuwd zolang er warmte in het binnenste van de aarde blijft.
In sommige seismisch actieve regio's ligt het hete water zo dicht bij het oppervlak dat je uit de eerste hand kunt zien hoe geothermische energie werkt. Een foto van de omgeving van de Krafla-vulkaan (IJsland) toont geisers die stoom overbrengen voor de daar werkende geothermische energiecentrale.
Elektrisch veld van de aarde
Er is nog een alternatieve energiebron in de natuur, die zich onderscheidt door hernieuwbaarheid, milieuvriendelijkheid en gebruiksgemak. Toegegeven, tot nu toe wordt deze bron alleen bestudeerd en in de praktijk niet toegepast. Dus de potentiële energie van de aarde is verborgen in haar elektrische veld. Op deze manier kan energie worden verkregen door de basiswetten van elektrostatica en de kenmerken van het elektrische veld van de aarde te bestuderen. In feite is onze planeet vanuit elektrisch oogpunt een bolvormige condensator die tot 300.000 volt is opgeladen. De binnenste bol heeft een negatieve lading en de buitenste, de ionosfeer, is positief. De atmosfeer van de aarde is een isolator. Daardoor stroomt er een constante stroom van ionische en convectiestromen, die een kracht bereiken van vele duizenden ampère. Het potentiaalverschil tussen de platen neemt in dit geval echter niet af.
Dit suggereert dat er een generator in de natuur is, waarvan de rol is om de lekkage van ladingen van de condensatorplaten constant aan te vullen. De rol van zo'n generator wordt gespeeld door het magnetische veld van de aarde, dat met onze planeet meedraait in de stroom van de zonnewind. De energie van het aardmagnetische veld kan worden verkregen door gewoon een energieverbruiker op deze generator aan te sluiten. Om dit te doen, moet u een betrouwbare aardingsinstallatie uitvoeren.
Hitte van de aarde
(Voor het einde. Zie voor het begin Science and Life, nr. 9, 2013)
Collector voor het verzamelen van thermaal boorwater in Larderello (Italië), eerste helft 19e eeuw.
De motor en omvormer die in 1904 in Larderello werden gebruikt bij het eerste experiment om geothermische elektriciteit te produceren.
Schematisch diagram van de werking van een thermische energiecentrale.
Het werkingsprincipe van GeoPP op droge stoom. Geothermische stoom uit een productieput wordt rechtstreeks door een stoomturbine geleid. De eenvoudigste van de bestaande schema's van GeoPP-bewerking.
Het werkingsprincipe van een GeoPP met een indirect circuit. Heet ondergronds water uit een productieput wordt in een verdamper gepompt en de resulterende stoom wordt aan een turbine geleverd.
Het werkingsprincipe van een binaire GeoPP. Heet thermaal water staat in wisselwerking met een andere vloeistof die als werkvloeistof fungeert en een lager kookpunt heeft.
Het schema van het petrothermische systeem. Het systeem is gebaseerd op het gebruik van een temperatuurgradiënt tussen het aardoppervlak en de ondergrond, waar de temperatuur hoger is.
Schematisch diagram van een koelkast en een warmtepomp: 1 - condensor; 2 - gashendel (drukregelaar); 3 - verdamper; 4 - compressor.
Mutnovskaya GeoPP in Kamtsjatka. Eind 2011 bedroeg het geïnstalleerde vermogen van het station 50 MW, maar het is de bedoeling dit te verhogen tot 80 MW. Foto door Tatiana Korobkova (onderzoekslaboratorium van RES van de geografische faculteit van de Lomonosov Moscow State University.)
‹
›
Het gebruik van aardwarmte kent een zeer lange geschiedenis. Een van de eerste bekende voorbeelden is Italië, een plaats in de provincie Toscane, nu Larderello genaamd, waar al in het begin van de 19e eeuw het lokale hete thermale water, op natuurlijke wijze uitgestort of uit ondiepe putten werd gewonnen, werd gebruikt voor energiedoeleinden.
Hier werd boorrijk ondergronds water gebruikt om boorzuur te verkrijgen. Aanvankelijk werd dit zuur verkregen door verdamping in ijzeren ketels en werd gewoon brandhout uit de nabijgelegen bossen als brandstof gebruikt, maar in 1827 creëerde Francesco Larderel een systeem dat werkte op de warmte van het water zelf. Tegelijkertijd begon de energie van natuurlijke waterdamp te worden gebruikt voor de werking van boorplatforms en aan het begin van de 20e eeuw voor het verwarmen van lokale huizen en kassen. Op dezelfde plaats, in Larderello, werd in 1904 thermische waterdamp een energiebron voor het opwekken van elektriciteit.
Enkele andere landen volgden het voorbeeld van Italië aan het einde van de 19e en het begin van de 20e eeuw. In 1892 werd thermaal water bijvoorbeeld voor het eerst gebruikt voor lokale verwarming in de Verenigde Staten (Boise, Idaho), in 1919 in Japan en in 1928 in IJsland.
In de Verenigde Staten verscheen de eerste hydrothermische energiecentrale in Californië in het begin van de jaren dertig, in Nieuw-Zeeland in 1958, in Mexico in 1959, in Rusland ('s werelds eerste binaire geothermische energiecentrale) in 1965 ...
Oud principe op een nieuwe bron
Elektriciteitsopwekking vereist een hogere temperatuur van de waterkrachtbron dan voor verwarming - meer dan 150 ° C. Het werkingsprincipe van een geothermische energiecentrale (GeoPP) is vergelijkbaar met het werkingsprincipe van een conventionele thermische energiecentrale (TPP). In feite is een geothermische energiecentrale een soort thermische energiecentrale.
Bij TPP's fungeren in de regel kolen, gas of stookolie als de primaire energiebron en dient waterdamp als werkfluïdum. Brandstof, verbrandt, verwarmt water tot de staat van stoom, die de stoomturbine laat draaien en het wekt elektriciteit op.
Het verschil tussen GeoPP's is dat de primaire energiebron hier de warmte van het binnenste van de aarde is en dat de werkvloeistof in de vorm van stoom direct uit de productie in een 'kant-en-klare' vorm aan de turbinebladen van een elektrische generator wordt geleverd. goed.
Er zijn drie hoofdschema's voor de werking van GeoPP: direct, gebruikmakend van droge (geothermische) stoom; indirect, op basis van hydrothermisch water, en gemengd of binair.
Het gebruik van een bepaald schema is afhankelijk van de aggregatietoestand en de temperatuur van de energiedrager.
Het eenvoudigste en daarom het eerste van de meest beheerde schema's is de rechte lijn, waarin de stoom die uit de put komt, rechtstreeks door de turbine wordt geleid. 'S Werelds eerste GeoPP in Larderello werkte in 1904 ook op droge stoom.
GeoPP's met een indirect werkschema zijn de meest voorkomende in onze tijd. Ze gebruiken heet ondergronds water dat onder hoge druk in een verdamper wordt gepompt, waar een deel ervan wordt verdampt en de resulterende stoom een turbine laat draaien. In sommige gevallen zijn extra apparaten en circuits nodig om geothermisch water en stoom te zuiveren van agressieve verbindingen.
De afgewerkte stoom komt de injectieput binnen of wordt gebruikt voor ruimteverwarming - in dit geval is het principe hetzelfde als tijdens de werking van een WKK.
Bij binaire GeoPP's interageert heet thermaal water met een andere vloeistof die fungeert als werkvloeistof met een lager kookpunt. Beide vloeistoffen worden door een warmtewisselaar geleid, waar thermisch water de werkvloeistof verdampt, waarvan de damp de turbine laat draaien.
Dit systeem is gesloten, wat het probleem van emissies naar de atmosfeer oplost. Bovendien maken werkvloeistoffen met een relatief laag kookpunt het mogelijk om niet erg heet thermaal water als primaire energiebron te gebruiken.
In alle drie de schema's wordt een hydrothermische bron geëxploiteerd, maar petrothermische energie kan ook worden gebruikt om elektriciteit op te wekken (voor de verschillen tussen hydrothermische en petrothermische energie, zie Science and Life, nr. 9, 2013).
Het schematische diagram is in dit geval ook vrij eenvoudig. Het is noodzakelijk om twee onderling verbonden putten te boren - injectie- en productieputten. Water wordt in de injectieput gepompt. Op diepte warmt het op, vervolgens wordt verwarmd water of stoom gevormd als gevolg van sterke verwarming door de productieput naar het oppervlak geleid. Verder hangt het allemaal af van hoe petrothermische energie wordt gebruikt - voor verwarming of voor het opwekken van elektriciteit. Een gesloten kringloop is mogelijk met de injectie van afvalstoom en water terug in de injectieput of een andere manier van afvoeren.
Het nadeel van een dergelijk systeem is duidelijk: om een voldoende hoge temperatuur van het arbeidsfluïdum te verkrijgen, is het noodzakelijk putten tot grote diepte te boren.En dit zijn serieuze kosten en het risico van aanzienlijk warmteverlies wanneer de vloeistof omhoog beweegt. Daarom zijn petrothermische systemen nog steeds minder wijdverspreid dan hydrothermische systemen, hoewel het potentieel van petrothermische energie ordes van grootte hoger is.
Momenteel is Australië koploper in het opzetten van de zogenaamde petrothermische circulatiesystemen (PCS). Bovendien ontwikkelt deze richting van geothermische energie zich actief in de VS, Zwitserland, Groot-Brittannië en Japan.
Het geschenk van Lord Kelvin
De uitvinding in 1852 van een warmtepomp door natuurkundige William Thompson (ook bekend als Lord Kelvin) bood de mensheid een reële kans om de laag-potentiële warmte van de bovenste bodemlagen te gebruiken. Het warmtepompsysteem, of, zoals Thompson het noemde, de warmtevermenigvuldiger, is gebaseerd op het fysieke proces waarbij warmte van de omgeving naar het koelmiddel wordt overgedragen. In feite gebruikt het hetzelfde principe als in petrothermische systemen. Het verschil zit in de warmtebron, waarbij een terminologische vraag kan rijzen: in hoeverre kan een warmtepomp als een geothermisch systeem worden aangemerkt? Feit is dat in de bovenste lagen, tot een diepte van tientallen - honderden meters, de rotsen en de vloeistoffen die ze bevatten, niet worden verwarmd door de diepe warmte van de aarde, maar door de zon. In dit geval is het dus de zon die de belangrijkste warmtebron is, hoewel deze, zoals in geothermische systemen, van de aarde wordt gehaald.
Het werk van een warmtepomp is gebaseerd op een vertraging in het verwarmen en afkoelen van de bodem ten opzichte van de atmosfeer, waardoor er een temperatuurgradiënt ontstaat tussen het oppervlak en diepere lagen, die ook in de winter warmte vasthouden, vergelijkbaar met wat gebeurt er in waterlichamen. Het belangrijkste doel van warmtepompen is ruimteverwarming. In feite is het een "omgekeerde koelkast". Zowel de warmtepomp als de koelkast werken samen met drie componenten: de interne omgeving (in het eerste geval - de verwarmde kamer, in het tweede - de gekoelde kamer van de koelkast), de externe omgeving - de energiebron en het koelmiddel (koelmiddel) , het is ook de warmtedrager die zorgt voor warmteoverdracht of kou.
Een stof met een laag kookpunt fungeert als koelmiddel, waardoor het warmte kan opnemen van een bron die zelfs een relatief lage temperatuur heeft.
In de koelkast komt het vloeibare koudemiddel via een smoorklep (drukregelaar) de verdamper binnen, waar door een sterke drukverlaging de vloeistof verdampt. Verdamping is een endotherm proces dat externe warmteabsorptie vereist. Hierdoor wordt warmte onttrokken aan de binnenwanden van de verdamper, wat zorgt voor een verkoelend effect in de koelkamer. Verder wordt het koelmiddel vanuit de verdamper in de compressor gezogen, waar het terugkeert naar de vloeibare toestand van aggregatie. Dit is een omgekeerd proces dat leidt tot het vrijkomen van de afgevoerde warmte in de externe omgeving. In de regel wordt het de kamer in gegooid en is de achterkant van de koelkast relatief warm.
Een warmtepomp werkt op vrijwel dezelfde manier, met het verschil dat warmte wordt onttrokken aan de externe omgeving en via de verdamper de interne omgeving binnenkomt - het ruimteverwarmingssysteem.
In een echte warmtepomp warmt het water op, gaat langs een extern circuit, wordt in de grond of in een reservoir gelegd en komt dan in de verdamper.
In de verdamper wordt warmte overgedragen naar een intern circuit gevuld met een koudemiddel met een laag kookpunt, dat door de verdamper overgaat van een vloeibare naar een gasvormige toestand, waarbij de warmte wordt afgevoerd.
Verder komt het gasvormige koelmiddel de compressor binnen, waar het wordt gecomprimeerd tot hoge druk en temperatuur, en gaat het de condensor binnen, waar warmte-uitwisseling plaatsvindt tussen het hete gas en het koelmiddel uit het verwarmingssysteem.
De compressor heeft elektriciteit nodig om te werken, maar de transformatieverhouding (de verhouding tussen verbruikte en opgewekte energie) in moderne systemen is hoog genoeg om hun efficiëntie te garanderen.
Momenteel worden warmtepompen veel gebruikt voor ruimteverwarming, voornamelijk in economisch ontwikkelde landen.
Eco-correcte energie
Geothermische energie wordt als milieuvriendelijk beschouwd, wat over het algemeen waar is. Allereerst maakt het gebruik van een hernieuwbare en praktisch onuitputtelijke hulpbron. Geothermische energie vereist geen grote gebieden, in tegenstelling tot grote waterkrachtcentrales of windmolenparken, en vervuilt de atmosfeer niet, in tegenstelling tot koolwaterstofenergie. Gemiddeld beslaat een GeoPP 400 m2 in termen van 1 GW opgewekte elektriciteit. Hetzelfde cijfer voor een kolencentrale is bijvoorbeeld 3600 m2. De ecologische voordelen van GeoPP's zijn ook een laag waterverbruik - 20 liter zoet water per 1 kW, terwijl TPP's en NPP's ongeveer 1000 liter nodig hebben. Merk op dat dit milieu-indicatoren zijn van de "gemiddelde" GeoPP.
Maar er zijn nog steeds negatieve bijwerkingen. Onder hen wordt meestal onderscheid gemaakt tussen lawaai, thermische vervuiling van de atmosfeer en chemische vervuiling - water en bodem, evenals de vorming van vast afval.
De belangrijkste bron van chemische vervuiling van het milieu is het eigenlijke thermale water (met hoge temperatuur en mineralisatie), dat vaak grote hoeveelheden giftige verbindingen bevat, waardoor er een probleem is met de afvoer van afvalwater en gevaarlijke stoffen.
De negatieve effecten van aardwarmte zijn in verschillende stadia te traceren, te beginnen met het boren van putten. Hier doen zich dezelfde gevaren voor als bij het boren van een put: vernietiging van de bodem en vegetatiebedekking, verontreiniging van bodem en grondwater.
In de fase van de GeoPP-operatie blijven de problemen van milieuverontreiniging bestaan. Thermische vloeistoffen - water en stoom - bevatten meestal kooldioxide (CO2), zwavelsulfide (H2S), ammoniak (NH3), methaan (CH4), keukenzout (NaCl), boor (B), arseen (As), kwik (Hg ). Wanneer ze in de externe omgeving terechtkomen, worden ze bronnen van vervuiling. Bovendien kan een agressieve chemische omgeving corrosieve vernietiging van de structuren van de GeoTPP veroorzaken.
Tegelijkertijd is de uitstoot van verontreinigende stoffen bij GeoPP's gemiddeld lager dan bij TPP's. Zo bedraagt de uitstoot van kooldioxide per kilowattuur opgewekte elektriciteit tot 380 g bij GeoPP's, 1042 g - bij kolengestookte TPP's, 906 g - bij stookolie en 453 g - bij gasgestookte TPP's.
De vraag rijst: wat te doen met het afvalwater? Bij een laag zoutgehalte kan het na afkoeling worden geloosd op het oppervlaktewater. Een andere manier is om het terug in de watervoerende laag te pompen via een injectieput, die de voorkeur heeft en tegenwoordig voornamelijk wordt gebruikt.
Extractie van thermaal water uit watervoerende lagen (evenals het wegpompen van gewoon water) kan verzakking en beweging van de bodem, andere vervormingen van geologische lagen en micro-aardbevingen veroorzaken. De kans op dergelijke verschijnselen is in de regel klein, hoewel er individuele gevallen zijn geregistreerd (bijvoorbeeld bij de GeoPP in Staufen im Breisgau in Duitsland).
Benadrukt moet worden dat de meeste GeoPP's zich in relatief dunbevolkte gebieden en in derdewereldlanden bevinden, waar milieueisen minder streng zijn dan in ontwikkelde landen. Daarnaast is het aantal GeoPP's en hun capaciteiten momenteel relatief klein. Met een verdergaande ontwikkeling van aardwarmte kunnen milieurisico's toenemen en vermenigvuldigen.
Hoeveel is de energie van de aarde?
Investeringskosten voor de bouw van geothermische systemen variëren in een zeer breed bereik - van $ 200 tot $ 5.000 per 1 kW geïnstalleerd vermogen, dat wil zeggen dat de goedkoopste opties vergelijkbaar zijn met de kosten van het bouwen van een thermische energiecentrale. Ze zijn allereerst afhankelijk van de omstandigheden waarin thermaal water voorkomt, hun samenstelling en het ontwerp van het systeem. Boren tot grote diepten, waardoor een gesloten systeem met twee putten ontstaat, de behoefte aan waterzuivering kan de kosten vermenigvuldigen.
Investeringen in de aanleg van een petrothermisch circulatiesysteem (PCS) worden bijvoorbeeld geschat op 1,6-4 duizend dollar per 1 kW geïnstalleerd vermogen, wat hoger is dan de kosten van het bouwen van een kerncentrale en vergelijkbaar is met de kosten voor het bouwen van wind en wind. zonne-energiecentrales.
Het voor de hand liggende economische voordeel van GeoTPP is een gratis energiedrager. Ter vergelijking: in de kostenstructuur van een operationele TPP of NPP is brandstof goed voor 50-80% of zelfs meer, afhankelijk van de huidige energieprijzen. Vandaar nog een ander voordeel van het geothermische systeem: de bedrijfskosten zijn stabieler en voorspelbaarder, omdat ze niet afhankelijk zijn van de externe conjunctuur van energieprijzen. Over het algemeen worden de bedrijfskosten van de geothermische energiecentrale geschat op 2-10 cent (60 kopeken - 3 roebel) per 1 kWh geproduceerde capaciteit.
De op een na grootste (na energie) (en zeer significante) uitgavenpost zijn in de regel de salarissen van fabriekspersoneel, die radicaal kunnen verschillen tussen landen en regio's.
Gemiddeld zijn de kosten van 1 kWh geothermische energie vergelijkbaar met die voor een thermische energiecentrale (in Russische omstandigheden - ongeveer 1 roebel / 1 kWh) en tien keer hoger dan de kosten voor het opwekken van elektriciteit in een waterkrachtcentrale (5- 10 kopeken / 1 kWh).
Een deel van de reden voor de hoge kosten is dat de GeoTPP, in tegenstelling tot thermische en hydraulische centrales, een relatief kleine capaciteit heeft. Bovendien is het noodzakelijk om systemen te vergelijken die zich in dezelfde regio en in vergelijkbare omstandigheden bevinden. In Kamtsjatka bijvoorbeeld, kost 1 kWh geothermische elektriciteit 2-3 keer goedkoper dan elektriciteit die wordt geproduceerd in lokale thermische centrales.
Indicatoren van de economische efficiëntie van een geothermisch systeem hangen bijvoorbeeld af van de vraag of het nodig is om afvalwater af te voeren en op welke manier dat gebeurt, of een gecombineerd gebruik van de hulpbron mogelijk is. Zo kunnen chemische elementen en verbindingen die uit thermaal water worden gewonnen, voor extra inkomsten zorgen. Laten we het voorbeeld van Larderello in herinnering brengen: de chemische productie was daar primair en het gebruik van geothermische energie was aanvankelijk een hulpmiddel.
Geothermische energie vooruit
Aardwarmte ontwikkelt zich iets anders dan wind en zon. Momenteel hangt het in veel grotere mate af van de aard van de hulpbron zelf, die sterk verschilt per regio, en de hoogste concentraties zijn gebonden aan smalle zones met geothermische anomalieën, in de regel geassocieerd met gebieden met ontwikkeling van tektonische breuken. en vulkanisme (zie "Science and Life" nr. 9, 2013).
Bovendien is aardwarmte technologisch minder ruim in vergelijking met wind, en nog meer met zonne-energie: de systemen van aardwarmtestations zijn vrij eenvoudig.
In de totale structuur van de wereldwijde elektriciteitsproductie is de geothermische component goed voor minder dan 1%, maar in sommige regio's en landen bereikt het aandeel 25-30%. Vanwege het verband met geologische omstandigheden is een aanzienlijk deel van de geothermische energiecapaciteit geconcentreerd in de derdewereldlanden, waar drie clusters van de grootste ontwikkeling van de industrie worden onderscheiden: de eilanden Zuidoost-Azië, Midden-Amerika en Oost-Afrika. De eerste twee regio's zijn opgenomen in de "Vuurgordel van de Aarde" in de Stille Oceaan, de derde is verbonden met de Oost-Afrikaanse Rift. Hoogstwaarschijnlijk zal zich in deze banden aardwarmte blijven ontwikkelen. Een verder vooruitzicht is de ontwikkeling van petrothermische energie, gebruikmakend van de warmte van de aardlagen, gelegen op een diepte van enkele kilometers. Dit is een bijna alomtegenwoordige hulpbron, maar de winning ervan vereist hoge kosten; daarom ontwikkelt petrothermische energie zich voornamelijk in de economisch en technologisch krachtigste landen.
In het algemeen is er, gezien de alomtegenwoordige verspreiding van geothermische bronnen en een aanvaardbaar niveau van milieuveiligheid, reden om aan te nemen dat geothermische energie goede ontwikkelingsvooruitzichten biedt. Zeker met de groeiende dreiging van een tekort aan traditionele energiebronnen en stijgende prijzen daarvoor.
Van Kamtsjatka tot de Kaukasus
In Rusland heeft de ontwikkeling van aardwarmte een vrij lange geschiedenis en op een aantal posities behoren we tot de wereldleiders, al is het aandeel van aardwarmte in de totale energiebalans van een enorm land nog te verwaarlozen.
Twee regio's - Kamtsjatka en de Noord-Kaukasus - zijn pioniers en centra geworden voor de ontwikkeling van geothermische energie in Rusland, en als we het in het eerste geval voornamelijk hebben over de elektriciteitsindustrie, dan in het tweede - over het gebruik van thermische energie van thermaal water.
In de noordelijke Kaukasus - in het Krasnodar-gebied, Tsjetsjenië, Dagestan - werd de warmte van thermaal water voor energiedoeleinden al vóór de Grote Patriottische Oorlog gebruikt. In de jaren tachtig en negentig is de ontwikkeling van aardwarmte in de regio om voor de hand liggende redenen tot stilstand gekomen en nog niet uit een toestand van stagnatie gekomen. Desalniettemin levert de geothermische watervoorziening in de Noord-Kaukasus warmte aan ongeveer 500 duizend mensen, en bijvoorbeeld de stad Labinsk in het Krasnodar-gebied met een bevolking van 60 duizend mensen wordt volledig verwarmd door geothermisch water.
In Kamchatka wordt de geschiedenis van geothermische energie voornamelijk geassocieerd met de bouw van geothermische energiecentrales. De eerste, die nog steeds de stations Pauzhetskaya en Paratunskaya exploiteren, werden gebouwd in 1965-1967, terwijl de Paratunskaya GeoPP met een capaciteit van 600 kW het eerste station ter wereld werd met een binaire cyclus. Het was de ontwikkeling van de Sovjetwetenschappers S.S. Kutateladze en A.M. Rosenfeld van het Instituut voor Thermofysica van de Siberische afdeling van de Russische Academie van Wetenschappen, die in 1965 een auteurscertificaat ontvingen voor de winning van elektriciteit uit water met een temperatuur van 70 ° C. Deze technologie werd later een prototype voor meer dan 400 binaire GeoPP's in de wereld.
De capaciteit van de Pauzhetskaya GeoPP, die in 1966 in gebruik werd genomen, was aanvankelijk 5 MW en werd vervolgens verhoogd tot 12 MW. Momenteel is op het station een binair blok in aanbouw, dat de capaciteit met nog eens 2,5 MW zal vergroten.
De ontwikkeling van geothermische energie in de USSR en Rusland werd belemmerd door de beschikbaarheid van traditionele energiebronnen - olie, gas, steenkool, maar is nooit gestopt. De grootste aardwarmtefaciliteiten op dit moment zijn de Verchne-Mutnovskaya GeoPP met een totale capaciteit van 12 MW-centrales, die in 1999 in gebruik zijn genomen, en de Mutnovskaya GeoPP met een capaciteit van 50 MW (2002).
Mutnovskaya en Verkhne-Mutnovskaya GeoPP's zijn unieke objecten, niet alleen voor Rusland, maar ook op wereldschaal. De stations bevinden zich aan de voet van de Mutnovsky-vulkaan, op een hoogte van 800 meter boven zeeniveau, en werken onder extreme klimatologische omstandigheden, waar het 9-10 maanden per jaar winter is. De uitrusting van de Mutnovsky GeoPP's, momenteel een van de modernste ter wereld, is volledig gemaakt bij binnenlandse ondernemingen in de energietechniek.
Momenteel is het aandeel van Mutnovskie-fabrieken in de totale structuur van het energieverbruik van de centrale energiehub van Kamtsjatka 40%. De komende jaren is een capaciteitsverhoging voorzien.
Afzonderlijk moet het worden gezegd over Russische petrothermische ontwikkelingen. We hebben nog geen grote DSP's, maar er zijn geavanceerde technologieën om tot grote diepten (ongeveer 10 km) te boren, die ook geen analogen in de wereld hebben. Door hun verdere ontwikkeling kunnen de kosten voor het maken van petrothermische systemen drastisch worden verlaagd. De ontwikkelaars van deze technologieën en projecten zijn N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geologisch Instituut, RAS), A. S. Nekrasov (Instituut voor Economische Voorspelling, RAS) en specialisten van de Kaluga Turbine Works. Het project voor een petrothermisch circulatiesysteem in Rusland bevindt zich momenteel in een experimenteel stadium.
Er zijn vooruitzichten voor aardwarmte in Rusland, zij het relatief ver weg: op dit moment is het potentieel vrij groot en zijn de posities van traditionele energie sterk. Tegelijkertijd is het gebruik van aardwarmte in een aantal afgelegen regio's van het land economisch rendabel en is er zelfs nu vraag naar. Dit zijn gebieden met een hoog geo-energetisch potentieel (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - het Russische deel van de "Vuurgordel van de Aarde" in de Stille Oceaan, de bergen van Zuid-Siberië en de Kaukasus) en tegelijkertijd afgelegen en afgesneden van de gecentraliseerde energievoorziening.
Waarschijnlijk zal de komende decennia aardwarmte in ons land zich juist in dergelijke regio's ontwikkelen.
Hernieuwbare bronnen
Omdat de bevolking van onze planeet gestaag groeit, hebben we steeds meer energie nodig om de bevolking te onderhouden. De energie in de ingewanden van de aarde kan heel verschillend zijn. Zo zijn er hernieuwbare bronnen: wind-, zonne- en waterkracht. Ze zijn milieuvriendelijk en daarom kunt u ze gebruiken zonder bang te hoeven zijn het milieu te schaden.
Energie van water
Deze methode wordt al eeuwenlang gebruikt. Tegenwoordig zijn er een groot aantal dammen, reservoirs gebouwd, waarin water wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken. De essentie van dit mechanisme is simpel: onder invloed van de stroming van de rivier draaien de wielen van de turbines respectievelijk wordt de energie van het water omgezet in elektrische energie.
Tegenwoordig zijn er een groot aantal waterkrachtcentrales die de energie van de waterstroom omzetten in elektriciteit. De eigenaardigheid van deze methode is dat waterkrachtbronnen respectievelijk worden vernieuwd, en dergelijke structuren hebben lage kosten. Dat is de reden waarom, ondanks het feit dat de bouw van waterkrachtcentrales al geruime tijd gaande is en het proces zelf erg duur is, deze constructies niettemin aanzienlijk beter presteren dan energie-intensieve industrieën.
Energie van de zon: modern en toekomstbestendig
Zonne-energie wordt gewonnen met behulp van zonnepanelen, maar met moderne technieken kunnen hiervoor nieuwe methoden worden ingezet. De grootste zonne-energiecentrale ter wereld is een systeem dat is gebouwd in de woestijn van Californië. Het voedt 2.000 huizen volledig. Het ontwerp werkt als volgt: de zonnestralen worden gereflecteerd door de spiegels, die met water naar de centrale ketel worden gestuurd. Het kookt en verandert in stoom die de turbine aandrijft. Zij is op haar beurt verbonden met een elektrische generator. Wind kan ook worden gebruikt als de energie die de aarde ons geeft. De wind blaast de zeilen, draait de molens. En nu kan het worden gebruikt om apparaten te maken die elektrische energie opwekken. Door de wieken van de windmolen te laten draaien, drijft hij de turbineas aan, die op zijn beurt weer is verbonden met een elektrische generator.
Toepassingen
De exploitatie van aardwarmte dateert uit de 19e eeuw. De eerste was de ervaring van Italianen die in de provincie Toscane woonden en warm water gebruikten voor verwarming. Met haar hulp werkten nieuwe booreilanden.
Toscaans water is rijk aan boor en, wanneer het verdampt en omgezet wordt in boorzuur, werkten ketels op de warmte van hun eigen water. Aan het begin van de 20e eeuw (1904) gingen de Toscanen verder en lanceerden ze een stoomkrachtcentrale. Het voorbeeld van de Italianen werd een belangrijke ervaring voor de VS, Japan en IJsland.
Land- en tuinbouw
Aardwarmte wordt gebruikt in landbouw, gezondheidszorg en huishoudens in 80 landen over de hele wereld.
Het eerste waar thermaal water voor is en wordt gebruikt, is het verwarmen van kassen en kassen, waardoor het mogelijk is om zelfs in de winter groenten, fruit en bloemen te oogsten. Warm water kwam ook goed van pas om water te geven.
Het telen van gewassen in hydrocultuur wordt beschouwd als een veelbelovende richting voor landbouwproducenten.Sommige viskwekerijen gebruiken verwarmd water in kunstmatige reservoirs voor het kweken van jongen en vis.
We raden u aan om te lezen: Procedure voor het verwijderen van chemische laboratoriumreagentia
Deze technologieën zijn gebruikelijk in Israël, Kenia, Griekenland, Mexico.
Industrie en huisvesting en gemeentelijke diensten
Meer dan een eeuw geleden was hete thermische stoom al de basis voor het opwekken van elektriciteit. Sindsdien heeft het de industrie en nutsbedrijven gediend.
In IJsland wordt 80% van de woningen verwarmd door thermaal water.
Er zijn drie schema's voor elektriciteitsproductie ontwikkeld:
- Rechte lijn met waterdamp. De eenvoudigste: het wordt gebruikt waar er directe toegang is tot geothermische dampen.
- Indirect, gebruikt geen stoom, maar water. Het wordt naar de verdamper gevoerd, door een technische methode in stoom omgezet en naar de turbinegenerator gestuurd.
Water vereist extra zuivering, omdat het agressieve verbindingen bevat die de werkingsmechanismen kunnen vernietigen. Afval, maar nog niet afgekoelde stoom is geschikt voor verwarmingsbehoeften.
- Gemengd (binair). Water vervangt brandstof, die een andere vloeistof verwarmt met een hogere warmteoverdracht. Het drijft de turbine aan.
Het binaire systeem maakt gebruik van een turbine, die wordt geactiveerd door de energie van verwarmd water.
Hydrothermische energie wordt gebruikt door de VS, Rusland, Japan, Nieuw-Zeeland, Turkije en andere landen.
Geothermische verwarmingssystemen voor thuis
Een warmtedrager verwarmd tot +50 - 600C is geschikt voor het verwarmen van woningen, aardwarmte voldoet aan deze eis. Steden met een bevolking van enkele tienduizenden mensen kunnen worden verwarmd door de warmte van het binnenste van de aarde. Als voorbeeld: verwarming van de stad Labinsk, Krasnodar Territory, werkt op natuurlijke landbrandstof.
Diagram van een geothermisch systeem voor het verwarmen van een huis
Het is niet nodig om tijd en energie te verspillen aan het verwarmen van water en het bouwen van een stookruimte. De koelvloeistof wordt rechtstreeks uit de geiserbron gehaald. Hetzelfde water is ook geschikt voor warmwatervoorziening. In het eerste en tweede geval ondergaat het de nodige voorafgaande technische en chemische reiniging.
De resulterende energie kost twee tot drie keer goedkoper. Installaties voor privéwoningen verschenen. Ze zijn duurder dan traditionele brandstofketels, maar tijdens het gebruik rechtvaardigen ze de kosten.
De voor- en nadelen van het gebruik van aardwarmte om een woning te verwarmen.
Innerlijke energie van de aarde
Het verscheen als resultaat van verschillende processen, waarvan de belangrijkste zijn aangroei en radioactiviteit. Volgens wetenschappers vond de vorming van de aarde en zijn massa plaats gedurende enkele miljoenen jaren, en dit gebeurde door de vorming van planetesimalen. Ze bleven aan elkaar plakken, de massa van de aarde werd meer en meer. Nadat onze planeet moderne massa begon te krijgen, maar nog steeds verstoken was van de atmosfeer, vielen meteoor- en asteroïde lichamen er ongehinderd op. Dit proces wordt precies aangroei genoemd en het leidde tot het vrijkomen van aanzienlijke zwaartekrachtenergie. En hoe groter de lichamen op de planeet vielen, hoe meer energie er vrijkwam in de ingewanden van de aarde.
Deze differentiatie door zwaartekracht leidde ertoe dat stoffen begonnen te stratificeren: zware stoffen verdronken eenvoudigweg en lichte en vluchtige zweefden omhoog. Differentiatie had ook invloed op het extra vrijkomen van gravitatie-energie.
Bijna alle fysische basiseigenschappen van de materie van de aarde zijn afhankelijk van de temperatuur. Afhankelijk van de temperatuur verandert de druk waarbij de stof overgaat van een vaste naar een gesmolten toestand. Wanneer de temperatuur verandert, veranderen de viscositeit, elektrische geleidbaarheid en magnetische eigenschappen van de rotsen waaruit de aarde bestaat. Om ons voor te stellen wat er in de aarde gebeurt, moeten we beslist de thermische toestand ervan kennen. We hebben nog niet de mogelijkheid om de temperatuur op elke diepte van de aarde rechtstreeks te meten. Alleen de eerste kilometers van de aardkorst zijn beschikbaar voor onze metingen.Maar we kunnen de interne temperatuur van de aarde indirect bepalen, op basis van gegevens over de warmtestroom van de aarde.
De onmogelijkheid van directe verificatie is natuurlijk een zeer grote moeilijkheid in veel aardwetenschappen. Niettemin brengt de succesvolle ontwikkeling van observaties en theorieën onze kennis geleidelijk dichter bij de waarheid.
Moderne wetenschap over de thermische toestand en geschiedenis van de aarde - geothermie Is een jonge wetenschap. De eerste studie over geothermie verscheen pas in het midden van de vorige eeuw. William Thomson (Lord Kelvin), toen nog een zeer jonge wetenschapper, natuurkundige, wijdde zijn proefschrift aan het bepalen van de leeftijd van de aarde op basis van de studie van de verdeling en beweging van warmte binnen de planeet. Kelvin geloofde dat de interne temperatuur van de aarde in de loop van de tijd zou afnemen als gevolg van de vorming en stolling van de planeet uit gesmolten materie.
Door te definiëren thermische gradiënt - de snelheid van temperatuurstijging met de diepte - in mijnen en boorgaten op verschillende diepten kwam Kelvin tot de conclusie dat uit deze gegevens kan worden aangenomen hoe lang de aarde moet afkoelen, en daarom de leeftijd van de aarde kan worden bepaald . Volgens Kelvin's schatting stijgt de temperatuur op de dichtstbijzijnde diepten onder het oppervlak met 20-40 ° C voor elke duizend meter diepte. Het bleek dat de aarde in slechts enkele tientallen miljoenen jaren was afgekoeld tot zijn huidige staat. Maar dit komt op geen enkele manier overeen met andere gegevens, bijvoorbeeld met gegevens over de duur van veel bekende geologische tijdperken. Het debat over deze kwestie duurde een halve eeuw en zette Kelvin tegenover prominente evolutionisten als Charles Darwin en Thomas Huxley.
Kelvin baseerde zijn conclusies op het idee dat de aarde oorspronkelijk in een gesmolten toestand verkeerde en geleidelijk afkoelde. Deze hypothese domineert al decennia. Aan het begin van de 20e eeuw werden echter ontdekkingen gedaan die het begrip van de aard van de diepe warmtestroom van de aarde en haar thermische geschiedenis fundamenteel veranderden. Radioactiviteit werd ontdekt, studies van de processen van warmteafgifte tijdens het radioactieve verval van sommige isotopen begonnen, en er werden conclusies getrokken dat de rotsen die de aardkorst vormen een aanzienlijke hoeveelheid radioactieve isotopen bevatten.
Directe metingen van de warmtestroom van de aarde begonnen relatief recent: eerst op de continenten - in 1939 in diepe putten in Zuid-Afrika, later op de bodem van de oceanen - sinds 1954, in de Atlantische Oceaan. In ons land werd voor het eerst de warmtestroom gemeten in diepe putten in Sochi en Matsesta. In de afgelopen jaren is de accumulatie van experimenteel verkregen gegevens over warmtefluxen vrij snel gegaan.
Waarom is dit gedaan? En zijn er nog nieuwe en nieuwe dimensies nodig? Ja, heel hard nodig. Vergelijking van metingen van de diepe warmteflux die op verschillende punten van de planeet zijn uitgevoerd, laat zien dat het energieverlies door verschillende delen van het aardoppervlak op verschillende manieren plaatsvindt. Dit spreekt van de heterogeniteit van de korst en mantel, maakt het mogelijk om de aard te beoordelen van vele processen die plaatsvinden op verschillende diepten die ontoegankelijk zijn voor onze ogen onder het aardoppervlak, en biedt een sleutel tot het bestuderen van het mechanisme van de ontwikkeling van de planeet en zijn interne energie. .
Hoeveel warmte verliest de aarde door de warmtestroom uit de darmen? Het blijkt dat deze waarde gemiddeld klein is - ongeveer 0,06 watt per vierkante meter oppervlak, of ongeveer 30 biljoen watt over de hele planeet. De aarde ontvangt ongeveer 4 duizend keer meer energie van de zon. En het is natuurlijk zonnewarmte die een grote rol speelt bij het bepalen van de temperatuur op het aardoppervlak.
De warmte die een planeet afgeeft via een oppervlak ter grootte van een voetbalveld is ongeveer gelijk aan de warmte die driehonderd watt gloeilampen kunnen produceren. Zo'n stroom van energie lijkt onbeduidend, maar het straalt tenslotte uit van het hele aardoppervlak en constant! De kracht van de volledige warmtestroom die uit de ingewanden van de planeet komt, is ongeveer 30 keer groter dan de kracht van alle moderne energiecentrales in de wereld.
Dieptemeting warmtestroom van de aarde het proces is niet gemakkelijk en tijdrovend. Door de harde aardkorst wordt warmte geleidend naar het oppervlak geleid, dat wil zeggen door de voortplanting van thermische trillingen. Daarom is de hoeveelheid passerende warmte gelijk aan het product temperatuurgradiënt (de snelheid van temperatuurstijging met de diepte) op thermische geleidbaarheid. Om de warmteflux te bepalen, is het noodzakelijk om deze twee grootheden te kennen. De temperatuurgradiënt wordt gemeten met gevoelige apparaten - sensoren (thermistors) in mijnen of speciaal geboorde putten, op een diepte van enkele tientallen tot honderden meters. De thermische geleidbaarheid van gesteenten wordt bepaald door monsters in laboratoria te onderzoeken.
Meting warmtestromen op de bodem van de oceanen gaat gepaard met aanzienlijke moeilijkheden: er moet op aanzienlijke diepten onder water worden gewerkt. Het heeft echter ook zijn voordelen: het is niet nodig om putten te boren op de bodem van de oceanen, omdat de sedimenten meestal vrij zacht zijn en de lange cilindrische sonde die wordt gebruikt om de temperatuur te meten, gemakkelijk enkele meters in zachte sedimenten zakt.
Degenen die zich bezighouden met geothermie hebben het echt nodig warmtestroomkaart voor het hele oppervlak van de planeet. De punten waarop de warmtestroommetingen al zijn uitgevoerd, zijn uiterst ongelijk verdeeld over het aardoppervlak. Op zee en oceanen zijn er twee keer zoveel metingen gedaan als op het land. Noord-Amerika, Europa en Australië, de oceanen op de middelste breedtegraden zijn tamelijk volledig bestudeerd. En in andere delen van het aardoppervlak zijn de metingen nog steeds weinig of helemaal niet. Niettemin maakt het huidige volume aan gegevens over de warmtestroom van de aarde het al mogelijk om gegeneraliseerde, maar redelijk betrouwbare kaarten te maken.
De warmteafgifte van de ingewanden van de aarde naar de oppervlakte is ongelijk. In sommige gebieden geeft de aarde meer warmte af dan het wereldgemiddelde, in andere is de warmteafgifte veel minder. "Koude plekken" komen voor in Oost-Europa (Oost-Europees platform), Canada (Canadees schild), Noord-Afrika, Australië, Zuid-Amerika, diepwaterbekkens van de Stille, Indische en Atlantische oceaan. ‘Warme’ en ‘hete’ plekken - gebieden met een verhoogde warmtestroom - komen voor in de regio's Californië, Alpen-Europa, IJsland, de Rode Zee, de East Pacific Rise en de middellange ruggen onder water van de Atlantische en Indische Oceaan.
Atoom Energie
Het gebruik van de energie van de aarde kan op verschillende manieren gebeuren. Bijvoorbeeld bij de bouw van kerncentrales, waarbij thermische energie vrijkomt door het uiteenvallen van de kleinste materiedeeltjes van atomen. De belangrijkste brandstof is uranium, dat zich in de aardkorst bevindt. Velen geloven dat deze specifieke methode om energie te verkrijgen de meest veelbelovende is, maar de toepassing ervan brengt een aantal problemen met zich mee. Ten eerste zendt uranium straling uit die alle levende organismen doodt. Als deze stof bovendien de bodem of de atmosfeer binnendringt, ontstaat er een echte door de mens veroorzaakte ramp. We ondervinden nog steeds de trieste gevolgen van het ongeval bij de kerncentrale van Tsjernobyl. Het gevaar schuilt in het feit dat radioactief afval alle levende wezens voor heel, heel lange tijd, hele millennia kan bedreigen.
Eerste geothermische energiecentrale
We zijn er allemaal aan gewend dat vele jaren geleden energie werd gewonnen uit natuurlijke hulpbronnen. En zo was het, maar zelfs daarvoor was een van de eerste energiecentrales geothermisch. Over het algemeen is dit heel logisch, aangezien de techniek werkte op stoomtractie en het gebruik van stoom de correctere beslissing was. En eigenlijk de enige voor die tijd, de verbranding van hout en kolen niet meegerekend.
In 1817 ontwikkelde graaf François de Larderel een technologie voor het verzamelen van natuurlijke stoom, wat goed van pas kwam in de twintigste eeuw, toen de vraag naar geothermische energiecentrales erg hoog werd.
Het eerste echt werkende station werd in 1904 in de Italiaanse stad Larderello gebouwd. Toegegeven, het was meer een prototype, omdat het maar 4 lampen van stroom kon voorzien, maar het werkte. Zes jaar later, in 1910, werd in dezelfde stad een echt werkstation gebouwd dat voldoende energie kon produceren voor industrieel gebruik.
Zelfs op zulke pittoreske plaatsen kunnen er geothermische energiecentrales zijn.
Op veel plaatsen werden experimentele generatoren gebouwd, maar het was Italië dat tot 1958 de leiding had en de enige industriële producent van aardwarmte ter wereld was.
Het leiderschap moest worden opgegeven nadat de Wairakei-energiecentrale in Nieuw-Zeeland in gebruik was genomen. Het was de eerste indirecte geothermische energiecentrale. Een paar jaar later werden soortgelijke faciliteiten geopend in andere landen, waaronder de Verenigde Staten met hun bronnen in Californië.
De eerste geothermische energiecentrale van een indirect type werd in 1967 in de USSR gebouwd. Op dit moment begon deze methode om energie te verkrijgen zich actief over de hele wereld te ontwikkelen. Vooral in plaatsen als Alaska, de Filippijnen en Indonesië, die nog steeds tot de koplopers behoren in de energie die op deze manier wordt geproduceerd.
Nieuwe tijd - nieuwe ideeën
Natuurlijk stoppen mensen daar niet, en elk jaar worden er steeds meer pogingen ondernomen om nieuwe manieren te vinden om aan energie te komen. Als de energie van de warmte van de aarde heel eenvoudig wordt verkregen, zijn sommige methoden niet zo eenvoudig. Als energiebron is het bijvoorbeeld heel goed mogelijk om biologisch gas te gebruiken, dat wordt gewonnen uit rottend afval. Het kan worden gebruikt om huizen te verwarmen en water te verwarmen.
In toenemende mate worden er getijdencentrales gebouwd, waarbij dammen en turbines worden geïnstalleerd over de mondingen van reservoirs, die worden aangedreven door respectievelijk eb en vloed, elektriciteit wordt verkregen.
Afval verbranden, we krijgen energie
Een andere methode, die in Japan al wordt toegepast, is het creëren van verbrandingsovens. Tegenwoordig worden ze gebouwd in Engeland, Italië, Denemarken, Duitsland, Frankrijk, Nederland en de Verenigde Staten, maar alleen in Japan werden deze bedrijven niet alleen gebruikt voor het beoogde doel, maar ook voor het opwekken van elektriciteit. Lokale fabrieken verbranden 2/3 van al het afval, terwijl de fabrieken zijn uitgerust met stoomturbines. Zo leveren ze warmte en elektriciteit aan de omliggende gebieden. Tegelijkertijd is het in termen van kosten veel winstgevender om zo'n onderneming op te bouwen dan om een WKK te bouwen.
Het vooruitzicht om de hitte van de aarde te gebruiken waar vulkanen geconcentreerd zijn, lijkt verleidelijker. In dit geval hoeft u niet te diep in de aarde te boren, aangezien de temperatuur al op een diepte van 300-500 meter minstens tweemaal het kookpunt van water zal zijn.
Er is ook zo'n methode om elektriciteit op te wekken als waterstofenergie. Waterstof - het eenvoudigste en lichtste chemische element - kan als een ideale brandstof worden beschouwd, omdat het wordt aangetroffen waar water is. Als je waterstof verbrandt, kun je water krijgen, dat uiteenvalt in zuurstof en waterstof. De waterstofvlam zelf is onschadelijk, dat wil zeggen dat er geen schade toebrengt aan het milieu. Het bijzondere van dit element is dat het een hoge calorische waarde heeft.
Wat zit er in de toekomst?
Natuurlijk kan de energie van het magnetisch veld van de aarde of die welke wordt verkregen in kerncentrales niet volledig voldoen aan alle behoeften van de mensheid, die elk jaar toenemen. Deskundigen zeggen echter dat er geen reden is voor bezorgdheid, aangezien de brandstofbronnen van de planeet nog steeds voldoende zijn. Bovendien worden er steeds meer nieuwe bronnen, milieuvriendelijk en hernieuwbaar, gebruikt.
Het probleem van milieuverontreiniging blijft bestaan en neemt catastrofaal toe. De hoeveelheid schadelijke emissies gaat van schaal af, de lucht die we inademen is schadelijk, het water bevat gevaarlijke onzuiverheden en de bodem raakt geleidelijk uitgeput. Daarom is het zo belangrijk om tijdig deel te nemen aan de studie van een fenomeen als energie in de ingewanden van de aarde, om te zoeken naar manieren om de vraag naar fossiele brandstof te verminderen en actiever gebruik te maken van niet-traditionele energiebronnen.
Beperkte bronnen van fossiele energie-grondstoffen
De vraag naar organische energiegrondstoffen is groot in industrieel ontwikkelde en ontwikkelingslanden (VS, Japan, de staten van het verenigde Europa, China, India, enz.). Tegelijkertijd zijn hun eigen koolwaterstofvoorraden in deze landen ofwel onvoldoende of gereserveerd, en een land, bijvoorbeeld de Verenigde Staten, koopt energiegrondstoffen in het buitenland of legt deposito's aan in andere landen.
In Rusland, een van de rijkste landen op het gebied van energiebronnen, wordt in de economische behoefte aan energie nog steeds voorzien door de mogelijkheden om natuurlijke hulpbronnen te gebruiken. De winning van fossiele koolwaterstoffen uit de ondergrond verloopt echter razendsnel. Als in de jaren 1940-1960. De belangrijkste olieproducerende regio's waren "Tweede Bakoe" in de Wolga- en Oeral, en vanaf de jaren zeventig tot op heden is zo'n gebied West-Siberië. Maar ook hier is er een aanzienlijke afname van de productie van fossiele koolwaterstoffen. Het tijdperk van "droog" Cenomaniaans gas gaat voorbij. De vorige fase van verregaande ontwikkeling van de aardgasproductie is ten einde. De winning uit gigantische afzettingen als Medvezhye, Urengoyskoye en Yamburgskoye bedroeg respectievelijk 84, 65 en 50%. Ook het voor ontwikkeling gunstige aandeel van oliereserves neemt in de loop van de tijd af.
Door het actieve verbruik van koolwaterstofbrandstoffen zijn de onshore olie- en aardgasreserves aanzienlijk afgenomen. Nu zijn hun belangrijkste reserves geconcentreerd op het continentaal plat. En hoewel de grondstofbasis van de olie- en gasindustrie nog steeds voldoende is voor de productie van olie en gas in Rusland in de vereiste volumes, zal deze in de nabije toekomst in steeds grotere mate worden geleverd door de ontwikkeling van velden met moeilijke mijnbouw en geologische omstandigheden. Tegelijkertijd zullen de primaire kosten van de productie van koolwaterstoffen stijgen.
De meeste niet-hernieuwbare bronnen die uit de ondergrond worden gehaald, worden gebruikt als brandstof voor energiecentrales. Allereerst is het aardgas, waarvan het aandeel in de brandstofstructuur 64% is.
In Rusland wordt 70% van de elektriciteit opgewekt in thermische centrales. De energiebedrijven van het land verbranden jaarlijks ongeveer 500 miljoen ton brandstofequivalent. t. om elektriciteit en warmte op te wekken, terwijl voor warmteproductie koolwaterstofbrandstof 3-4 keer meer wordt verbruikt dan voor het opwekken van elektriciteit.
De hoeveelheid warmte die wordt verkregen door de verbranding van deze hoeveelheden koolwaterstofgrondstoffen komt overeen met het gebruik van honderden tonnen nucleaire brandstof - het verschil is enorm. Kernenergie vereist echter milieuveiligheid (om herhaling van Tsjernobyl uit te sluiten) en bescherming tegen mogelijke terroristische aanslagen, evenals de implementatie van een veilige en kostbare ontmanteling van verouderde en verouderde kerncentrales. De bewezen winbare reserves van uranium in de wereld bedragen ongeveer 3 miljoen 400 duizend ton Voor de hele voorgaande periode (tot 2007) werd ongeveer 2 miljoen ton gewonnen.
