Geotermálnej energie
Už z názvu je zrejmé, že predstavuje teplo zemského vnútra. Pod zemskou kôrou je vrstva magmy, čo je ohnivá tekutá silikátová tavenina. Podľa výskumných údajov je energetický potenciál tohto tepla oveľa vyšší ako energia svetových zásob zemného plynu a ropy. Magma - láva vychádza na povrch. Okrem toho najväčšiu aktivitu pozorujeme v tých vrstvách Zeme, na ktorých sú hranice tektonických dosiek, ako aj v miestach, kde je zemská kôra charakterizovaná tenkosťou. Geotermálna energia Zeme sa získava nasledujúcim spôsobom: láva a vodné zdroje planéty sa dostanú do kontaktu, v dôsledku čoho sa voda začne prudko zahrievať. To vedie k erupcii gejzíru, vzniku takzvaných horúcich jazier a podvodných prúdov. Teda presne k tým prírodným javom, ktorých vlastnosti sa aktívne využívajú ako nevyčerpateľný zdroj energie.
Petrotermálna energia
V súčasnosti je teplo zemského interiéru vo svete široko využívané, a to je predovšetkým energia plytkých vrtov - do 1 km. Na zabezpečenie dodávok elektriny, tepla alebo teplej vody sú nainštalované výmenníky tepla dolu, ktoré pracujú s kvapalinami s nízkou teplotou varu (napríklad freón).
V dnešnej dobe je použitie výmenníka tepla s vrtom najracionálnejším spôsobom výroby tepla. Vyzerá to takto: chladiaca kvapalina cirkuluje v uzavretej slučke. Vyhrievaný stúpa pozdĺž sústredne spusteného potrubia a vydáva svoje teplo, potom sa ochladený prečerpáva do plášťa pomocou čerpadla.
Využitie energie zemského interiéru je založené na prírodnom jave - keď sa blíži k jadru Zeme, teplota zemskej kôry a plášťa stúpa. Na úrovni 2 - 3 km od povrchu planéty dosahuje viac ako 100 ° С, v priemere sa každým ďalším kilometrom zvyšuje o 20 ° С. V hĺbke 100 km teplota dosiahne 1300-1500 ° C.
Umelé geotermálne pramene
Energia obsiahnutá v útrobách Zeme musí byť využívaná s rozumom. Napríklad existuje nápad vytvoriť podzemné kotly. Aby ste to dosiahli, musíte vyvŕtať dve studne s dostatočnou hĺbkou, ktoré budú spojené dole. To znamená, že sa ukazuje, že takmer v každom kúte krajiny je možné priemyselne získať geotermálnu energiu: jednou studňou sa bude do nádrže čerpať studená voda a druhou sa bude odoberať horúca voda alebo para. Umelé zdroje tepla budú prospešné a racionálne, ak výsledné teplo poskytne viac energie. Para môže smerovať do turbínových generátorov, ktoré budú vyrábať elektrinu.
Zvolené teplo je samozrejme iba zlomkom toho, čo je k dispozícii v celkových rezervách. Malo by sa pamätať na to, že hlboké teplo sa bude neustále doplňovať v dôsledku procesov rádioaktívneho rozpadu, stláčania hornín, stratifikácie vnútorností. Podľa odborníkov sa v zemskej kôre akumuluje teplo, ktorého celkové množstvo je 5 000-krát väčšie ako výhrevnosť všetkých fosílnych zdrojov Zeme ako celku. Ukazuje sa, že prevádzková doba takto umelo vytvorených geotermálnych staníc môže byť neobmedzená.
Metódy zberu energetických zdrojov Zeme
Dnes existujú tri hlavné spôsoby získavania geotermálnej energie: suchá para, horúca voda a binárny cyklus. Proces suchej pary priamo otáča turbíny poháňané generátormi energie. Horúca voda vstupuje zdola nahor, potom sa rozprašuje do nádrže a vytvára paru na pohon turbín.Tieto dve metódy sú najbežnejšie a generujú stovky megawattov elektrickej energie v Spojených štátoch, na Islande, v Európe, Rusku a ďalších krajinách. Poloha je však obmedzená, pretože tieto továrne fungujú iba v tektonických oblastiach, kde je ľahší prístup k ohriatej vode.
Pomocou technológie binárneho cyklu sa na povrch extrahuje teplá (nie nevyhnutne horúca) voda, ktorá sa kombinuje s butánom alebo pentánom, ktoré majú nízky bod varu. Táto kvapalina sa čerpá cez tepelný výmenník, kde sa odparuje a pred recirkuláciou späť do systému odvádza cez turbínu. Technológia binárneho cyklu poskytuje desiatky megawattov elektriny v Spojených štátoch: Kalifornii, Nevade a na Havajských ostrovoch.
Princíp získavania energie
Nevýhody získavania geotermálnej energie
Na úžitkovej úrovni je výstavba a prevádzka geotermálnych elektrární nákladná. Nájdenie vhodného miesta si vyžaduje nákladné prieskumy bez záruky zasiahnutia produktívneho podzemného horúceho miesta. Analytici však očakávajú, že sa táto kapacita v priebehu nasledujúcich šiestich rokov takmer zdvojnásobí.
Okrem toho sa oblasti s vysokou teplotou podzemného zdroja nachádzajú v oblastiach s aktívnymi geologickými sopkami. Tieto „horúce miesta“ sa vytvorili na hraniciach tektonických dosiek na miestach, kde je kôra dosť tenká. Tichomorský región sa často nazýva ohnivý kruh pre mnoho sopiek s mnohými ohniskami, vrátane Aljašky, Kalifornie a Oregonu. Nevada má stovky hotspotov pokrývajúcich väčšinu severu USA.
Existujú aj ďalšie seizmicky aktívne regióny. Zemetrasenia a pohyb magmy umožňujú cirkuláciu vody. Na niektorých miestach stúpa voda na povrch a vyskytujú sa prírodné horúce pramene a gejzíry, napríklad na Kamčatke. Voda v gejzíroch Kamčatky dosahuje 95 ° C.
Jedným z problémov otvorených systémov gejzírov je uvoľňovanie určitých látok znečisťujúcich ovzdušie. Sírovodík je toxický plyn s veľmi dobre rozpoznateľným zápachom po „zhnitom vajci“ - malým množstvom arzénu a minerálov uvoľňovaných parou. Soľ môže tiež predstavovať environmentálny problém.
V pobrežných geotermálnych elektrárňach sa v potrubiach hromadí značné množstvo interferujúcej soli. V uzavretých systémoch nedochádza k žiadnym emisiám a všetka kvapalina vyvedená na povrch sa vracia späť.
Ekonomický potenciál energetického zdroja
Horúce miesta nie sú jedinými miestami, kde možno nájsť geotermálnu energiu. Využiteľné teplo na účely priameho vykurovania je neustále dodávané kdekoľvek od 4 metrov do niekoľkých kilometrov pod povrchom prakticky kdekoľvek na Zemi. Aj pozemok vo vašom vlastnom záhrade alebo miestnej škole má ekonomický potenciál vo forme tepla, ktoré sa odčerpáva do vášho domu alebo iných budov.
Okrem toho existuje obrovské množstvo tepelnej energie v suchých skalných útvaroch veľmi hlboko pod povrchom (4 - 10 km).
Využitie novej technológie by mohlo rozšíriť geotermálne systémy, kde ľudia môžu využiť toto teplo na výrobu elektriny v oveľa väčšom rozsahu ako bežné technológie. Prvé demonštračné projekty tohto princípu výroby elektriny sa v Spojených štátoch a Austrálii predstavili už v roku 2013.
Ak sa podarí zrealizovať celý ekonomický potenciál geotermálnych zdrojov, bude to predstavovať obrovský zdroj elektriny pre výrobné zariadenia. Vedci naznačujú, že konvenčné geotermálne zdroje majú potenciál 38 000 MW, čo môže ročne vyrobiť 380 miliónov MW elektrickej energie.
Horúce suché skaly sa vyskytujú v hĺbkach 5 až 8 km všade pod zemou a na určitých miestach v menších hĺbkach.Prístup k týmto zdrojom zahŕňa zavedenie studenej vody cirkulujúcej cez horúce kamene a odstránenie ohriatej vody. Pre túto technológiu v súčasnosti neexistuje žiadna komerčná aplikácia. Existujúce technológie zatiaľ neumožňujú rekuperáciu tepelnej energie priamo z magmy, a to veľmi hlboko, ale toto je najsilnejší zdroj geotermálnej energie.
Kombináciou energetických zdrojov a ich konzistencie môže geotermálna energia hrať nezastupiteľnú úlohu ako čistejší a udržateľnejší energetický systém.
Vlastnosti zdrojov
Zdroje, ktoré poskytujú geotermálnu energiu, sú takmer nemožné využiť v plnom rozsahu. Existujú vo viac ako 60 krajinách sveta, pričom väčšina suchozemských sopiek je v tichomorskom sopečnom kruhu. V praxi sa však ukazuje, že geotermálne zdroje v rôznych regiónoch sveta sa svojimi vlastnosťami úplne líšia, a to priemernou teplotou, mineralizáciou, zložením plynu, kyslosťou atď.
Gejzíry sú zdroje energie na Zemi, ktorých zvláštnosťou je, že chrlia vriacu vodu v pravidelných intervaloch. Po výbuchu je bazén zbavený vody, na jeho dne vidíte kanál, ktorý vedie hlboko do zeme. Gejzíry sa používajú ako zdroje energie v regiónoch ako Kamčatka, Island, Nový Zéland a Severná Amerika a jednotlivé gejzíry sa nachádzajú v niekoľkých ďalších oblastiach.
Priemysel a bývanie a komunálne služby
V novembri 2014 začala v Keni fungovať najväčšia vtedajšia geotermálna elektráreň na svete. Druhá najväčšia sa nachádza na Islande - to je Hellisheidi, ktorá odoberá teplo zo zdrojov v blízkosti sopky Hengiedl.
Ďalšie krajiny, ktoré využívajú geotermálnu energiu v priemyselnom meradle: USA, Filipíny, Rusko, Japonsko, Kostarika, Turecko, Nový Zéland atď.
Existujú štyri hlavné schémy na výrobu energie v GeoTPP:
- priame, keď je para vedená potrubím do turbín pripojených k generátorom energie;
- nepriamy, podobný predchádzajúcemu vo všetkom, okrem toho, že pred vstupom do potrubí je para očistená od plynov;
- binárne - ako pracovné teplo sa nepoužíva voda ani para, ale iná kvapalina s nízkym bodom varu;
- zmiešané - podobné ako pri priamke, ale po kondenzácii sa z vody odstránia nerozpustené plyny.
V roku 2009 dosiahol tím výskumníkov hľadajúcich využiteľné geotermálne zdroje roztavenú magmu hlbokú iba 2,1 km. Takéto spadnutie do magmy je veľmi zriedkavé, jedná sa iba o druhý známy prípad (predchádzajúci sa vyskytol na Havaji v roku 2007).
Aj keď potrubie spojené s magmou nikdy nebolo spojené s neďalekou geotermálnou elektrárňou Krafla, vedci dosiahli veľmi sľubné výsledky. Doteraz všetky prevádzkové stanice odoberali teplo nepriamo, zo zemských hornín alebo z podzemných vôd.
Odkiaľ pochádza energia?
Nechladená magma sa nachádza veľmi blízko zemského povrchu. Uvoľňujú sa z neho plyny a pary, ktoré stúpajú a prechádzajú pozdĺž trhlín. Pri zmiešaní s podzemnou vodou spôsobujú ich ohrev, samy sa menia na horúcu vodu, v ktorej je rozpustených veľa látok. Takáto voda sa uvoľňuje na povrch Zeme vo forme rôznych geotermálnych prameňov: horúce pramene, minerálne pramene, gejzíry atď. Podľa vedcov sú horúcimi útrobami Zeme jaskyne alebo komory spojené priechodmi, trhlinami a kanálmi. Sú len naplnené podzemnou vodou a veľmi blízko nich sú komory magmy. Takto sa prirodzene vytvára tepelná energia zeme.
Hydrotermálna energia
Voda cirkulujúca vo veľkých hĺbkach sa ohrieva na významné hodnoty. V seizmicky aktívnych oblastiach stúpa na povrch pozdĺž trhlín v zemskej kôre, v pokojných oblastiach sa dá odstrániť pomocou studní.
Princíp činnosti je rovnaký: ohriata voda stúpa hore studňou, vydáva teplo a vracia sa dolu druhým potrubím. Cyklus je prakticky nekonečný a obnovuje sa, pokiaľ vo vnútri Zeme zostáva teplo.
V niektorých seizmicky aktívnych oblastiach ležia horúce vody tak blízko povrchu, že je možné na vlastnej koži pozorovať, ako funguje geotermálna energia. Fotografia okolia sopky Krafla (Island) ukazuje gejzíry, ktoré prenášajú paru pre tam pôsobiacu geotermálnu elektráreň.
Elektrické pole Zeme
V prírode existuje ďalší alternatívny zdroj energie, ktorý sa vyznačuje obnoviteľnosťou, ohľaduplnosťou k životnému prostrediu a ľahkým používaním. Je pravda, že tento zdroj sa doteraz iba študuje a v praxi sa neuplatňuje. Takže potenciálna energia Zeme je skrytá v jej elektrickom poli. Energiu je možné získať týmto spôsobom štúdiom základných zákonov elektrostatiky a charakteristík elektrického poľa Zeme. V skutočnosti je naša planéta z elektrického hľadiska sférický kondenzátor nabitý až 300 000 voltov. Jeho vnútorná sféra má záporný náboj a vonkajšia, ionosféra, je kladná. Zemská atmosféra je izolátor. Cez ňu prúdi konštantný tok iónových a konvekčných prúdov, ktoré dosahujú silu niekoľko tisíc ampérov. Potenciálny rozdiel medzi doskami sa však v tomto prípade neznižuje.
To naznačuje, že v prírode existuje generátor, ktorého úlohou je neustále doplňovať únik nábojov z kondenzátorových dosiek. Úlohu takého generátora zohráva magnetické pole Zeme, rotujúce s našou planétou v toku slnečného vetra. Energiu magnetického poľa Zeme je možné získať iba pripojením spotrebiča energie k tomuto generátoru. Aby ste to dosiahli, musíte vykonať spoľahlivú uzemňovaciu inštaláciu.
Teplo Zeme
(Na koniec. Na začiatok pozri Science and Life, č. 9, 2013)
Zberač na zber termálnej bórovej vody v Larderello (Taliansko), prvá polovica 19. storočia.
Motor a invertor použité v Larderello v roku 1904 v prvom experimente na výrobu geotermálnej elektriny.
Schematický diagram prevádzky tepelnej elektrárne.
Princíp činnosti GeoPP na suchej pare. Geotermálna para z ťažobného vrtu sa vedie priamo cez parnú turbínu. Najjednoduchšia z existujúcich schém fungovania GeoPP.
Princíp činnosti GeoPP s nepriamym obvodom. Horúca podzemná voda z ťažobného vrtu sa čerpá do výparníka a výsledná para sa dodáva do turbíny.
Princíp činnosti binárneho GeoPP. Horúca termálna voda interaguje s inou kvapalinou, ktorá funguje ako pracovná tekutina a má nižšiu teplotu varu.
Schéma práce petrotermálneho systému. Systém je založený na použití teplotného gradientu medzi povrchom Zeme a jej podložím, kde je teplota vyššia.
Schéma chladničky a tepelného čerpadla: 1 - kondenzátor; 2 - škrtiaca klapka (regulátor tlaku); 3 - výparník; 4 - kompresor.
Mutnovskaya GeoPP na Kamčatke. Na konci roka 2011 bol inštalovaný výkon stanice 50 MW, plánuje sa ju však zvýšiť na 80 MW. Foto Tatiana Korobková (Výskumné laboratórium OZE Geografickej fakulty Moskovskej štátnej univerzity v Lomonosove.)
‹
›
Využívanie geotermálnej energie má veľmi dlhú históriu. Jedným z prvých známych príkladov je Taliansko, miesto v provincii Toskánsko, ktoré sa dnes nazýva Larderello, kde sa už začiatkom 19. storočia využívali miestne horúce termálne vody, ktoré sa vylievali prirodzene alebo sa extrahovali z plytkých studní. energetické účely.
Na získanie kyseliny boritej sa tu využívala podzemná voda bohatá na bór. Spočiatku sa táto kyselina získavala odparovaním v železných kotloch a ako palivo sa bralo obyčajné palivové drevo z blízkych lesov, ale v roku 1827 vytvoril Francesco Larderel systém, ktorý pracoval na teple samotných vôd. Súčasne sa energia prírodnej vodnej pary začala využívať na prevádzku vrtných súprav a na začiatku 20. storočia - na vykurovanie miestnych domov a skleníkov. Na rovnakom mieste sa v Larderello v roku 1904 stala termálna vodná para zdrojom energie na výrobu elektriny.
Niektoré ďalšie krajiny nasledovali príklad Talianska na konci 19. a na začiatku 20. storočia. Napríklad v roku 1892 sa termálne vody prvýkrát používali na lokálne vykurovanie v USA (Boise, Idaho), v roku 1919 v Japonsku a v roku 1928 na Islande.
V Spojených štátoch sa prvá hydrotermálna elektráreň objavila v Kalifornii na začiatku 30. rokov, na Novom Zélande v roku 1958, v Mexiku v roku 1959, v Rusku (prvá binárna geotermálna elektráreň na svete) v roku 1965 ...
Starý princíp na novom zdroji
Výroba elektriny vyžaduje vyššiu teplotu vodného zdroja ako na vykurovanie - viac ako 150 ° C. Princíp činnosti geotermálnej elektrárne (GeoPP) je podobný ako princíp činnosti konvenčnej tepelnej elektrárne (TPP). Geotermálna elektráreň je v skutočnosti druh tepelnej elektrárne.
U TPP spravidla platí ako primárny zdroj energie uhlie, plyn alebo vykurovací olej a ako pracovná tekutina slúži vodná para. Palivo spaľujúce ohrieva vodu na stav pary, ktorá otáča parnú turbínu a tá vyrába elektrickú energiu.
Rozdiel medzi GeoPP je v tom, že primárnym zdrojom energie je tu teplo zemského interiéru a pracovná tekutina vo forme pary sa dodáva na lopatky turbíny elektrického generátora v „hotovej“ forme priamo z výroby dobre.
Existujú tri hlavné schémy fungovania GeoPP: priame, použitie suchej (geotermálnej) pary; nepriame, založené na hydrotermálnej vode, a zmiešané alebo binárne.
Použitie konkrétnej schémy závisí od stavu agregácie a teploty nosiča energie.
Najjednoduchšou, a preto prvou zo zvládnutých schém je priamka, v ktorej para vychádzajúca zo studne prechádza priamo cez turbínu. Prvý GeoPP na svete v Larderello tiež pracoval v roku 1904 na suchú paru.
GeoPP s nepriamou schémou práce sú v našej dobe najbežnejšie. Používajú horúcu podzemnú vodu, ktorá sa prečerpáva do výparníka pod vysokým tlakom, kde sa jej časť odparí a výsledná para otáča turbínou. V niektorých prípadoch sú potrebné ďalšie zariadenia a okruhy na čistenie geotermálnej vody a pary od agresívnych zlúčenín.
Využitá para vstupuje do injektážnej studne alebo sa používa na vykurovanie priestorov - v tomto prípade je princíp rovnaký ako pri prevádzke kogenerácie.
Pri binárnych GeoPP horúca termálna voda interaguje s inou kvapalinou, ktorá funguje ako pracovná tekutina s nižším bodom varu. Obe kvapaliny prechádzajú cez tepelný výmenník, kde termálna voda odparuje pracovnú tekutinu, ktorej para otáča turbínou.
Tento systém je uzavretý, čo rieši problém emisií do atmosféry. Okrem toho pracovné kvapaliny s relatívne nízkym bodom varu umožňujú používať ako primárny zdroj energie nie veľmi horúce termálne vody.
Vo všetkých troch schémach sa využíva hydrotermálny zdroj, ale petrotermálna energia sa môže použiť aj na výrobu elektriny (rozdiely medzi hydrotermálnou a petrotermálnou energiou nájdete v Science and Life, č. 9, 2013).
Schematický diagram je v tomto prípade tiež dosť jednoduchý. Je potrebné vyvŕtať dve vzájomne prepojené studne - injekčnú a ťažobnú. Voda sa načerpáva do injektážnej studne. V hĺbke sa zahreje, potom sa cez výrobnú studňu na povrch privádza ohriata voda alebo para tvorená v dôsledku silného zahriatia. Ďalej všetko závisí od toho, ako sa petrotermálna energia využíva - na vykurovanie alebo na výrobu elektriny. Uzavretý cyklus je možný so vstreknutím odpadovej pary a vody späť do vstrekovacieho vrtu alebo iným spôsobom zneškodnenia.
Nevýhoda takéhoto systému je zrejmá: na získanie dostatočne vysokej teploty pracovnej tekutiny je potrebné vyvŕtať studne do veľkej hĺbky.Jedná sa o vážne náklady a riziko značných strát tepla, keď sa kvapalina pohybuje nahor. Preto sú petrotermálne systémy stále menej rozšírené ako hydrotermálne systémy, aj keď potenciál petrotermálnej energie je rádovo vyšší.
Austrália je v súčasnosti lídrom vo vytváraní takzvaných petrotermálnych cirkulačných systémov (PCS). Tento smer geotermálnej energie sa navyše aktívne rozvíja v USA, Švajčiarsku, Veľkej Británii a Japonsku.
Dar lorda Kelvina
Vynález tepelného čerpadla v roku 1852, ktorý uskutočnil fyzik William Thompson (alias Lord Kelvin), poskytol ľudstvu skutočnú príležitosť využiť nízkopotenciálne teplo horných vrstiev pôdy. Systém tepelného čerpadla alebo, ako to nazval Thompson, multiplikátor tepla, je založený na fyzikálnom procese prenosu tepla z prostredia do chladiva. V skutočnosti používa rovnaký princíp ako v petrotermálnych systémoch. Rozdiel je v zdroji tepla, v súvislosti s ktorým môže vzniknúť terminologická otázka: do akej miery možno tepelné čerpadlo považovať za geotermálny systém? Faktom je, že v horných vrstvách, do hĺbok desiatok - stoviek metrov, sa skaly a tekutiny v nich obsiahnuté neohrievajú pomocou hlbokého tepla Zeme, ale od slnka. Takže slnko je v tomto prípade primárnym zdrojom tepla, hoci je rovnako ako v geotermálnych systémoch odoberané zo Zeme.
Práca tepelného čerpadla je založená na oneskorení ohrevu a ochladenia pôdy v porovnaní s atmosférou, v dôsledku čoho sa vytvorí teplotný gradient medzi povrchom a hlbšími vrstvami, ktoré udržujú teplo aj v zime, podobne ako čo sa deje vo vodných útvaroch. Hlavným účelom tepelných čerpadiel je vykurovanie miestností. V skutočnosti ide o „reverznú chladničku“. Tepelné čerpadlo aj chladnička interagujú s tromi zložkami: vnútorným prostredím (v prvom prípade - vykurovanou miestnosťou, v druhom - chladiacou komorou chladničky), vonkajším prostredím - zdrojom energie a chladivom (chladivom) , je to tiež nosič tepla, ktorý zabezpečuje prenos tepla alebo chladu.
Látka s nízkym bodom varu funguje ako chladivo, čo jej umožňuje odoberať teplo zo zdroja, ktorý má dokonca relatívne nízku teplotu.
V chladničke vstupuje kvapalné chladivo do výparníka cez škrtiacu klapku (regulátor tlaku), kde sa v dôsledku prudkého poklesu tlaku kvapalina odparuje. Odparovanie je endotermický proces, ktorý si vyžaduje vonkajšiu absorpciu tepla. Vďaka tomu sa teplo odoberá z vnútorných stien výparníka, čo poskytuje chladiaci efekt v komore chladničky. Ďalej sa z výparníka chladivo nasáva do kompresora, kde sa vracia do tekutého stavu agregácie. Toto je opačný proces vedúci k uvoľneniu odvedeného tepla do vonkajšieho prostredia. Spravidla sa hodí do miestnosti a zadná časť chladničky je pomerne teplá.
Tepelné čerpadlo pracuje takmer rovnakým spôsobom, s tým rozdielom, že teplo sa odoberá z vonkajšieho prostredia a cez výparník vstupuje do vnútorného prostredia - systému vykurovania miestnosti.
V skutočnom tepelnom čerpadle sa voda ohrieva, prechádza vonkajším okruhom položeným v zemi alebo v zásobníku a potom vstupuje do výparníka.
Vo výparníku sa teplo prenáša do vnútorného okruhu naplneného chladivom s nízkym bodom varu, ktoré pri prechode výparníkom prechádza z kvapalného do plynného skupenstva a teplo odoberá.
Ďalej plynné chladivo vstupuje do kompresora, kde je stlačené na vysoký tlak a teplotu, a vstupuje do kondenzátora, kde prebieha výmena tepla medzi horúcim plynom a chladiacou látkou z vykurovacieho systému.
Kompresor vyžaduje na svoju prevádzku elektrinu, avšak transformačný pomer (pomer spotrebovanej a vyrobenej energie) v moderných systémoch je dostatočne vysoký na zabezpečenie ich účinnosti.
V súčasnosti sa tepelné čerpadlá na vykurovanie miestností široko používajú, hlavne v ekonomicky rozvinutých krajinách.
Ekologicky správna energia
Geotermálna energia sa považuje za ekologickú, čo je všeobecne pravda. V prvom rade využíva obnoviteľný a prakticky nevyčerpateľný zdroj. Geotermálna energia nevyžaduje veľké plochy, na rozdiel od veľkých vodných elektrární alebo veterných elektrární, a neznečisťuje atmosféru, na rozdiel od uhľovodíkovej energie. V priemere GeoPP zaberá 400 m2 v prepočte na 1 GW vyrobenej elektriny. Rovnaká hodnota napríklad pre uhoľnú elektráreň je 3 600 m2. Medzi ekologické výhody GeoPP patrí aj nízka spotreba vody - 20 litrov čerstvej vody na 1 kW, zatiaľ čo TPP a JE vyžadujú asi 1 000 litrov. Upozorňujeme, že ide o environmentálne ukazovatele „priemerného“ GeoPP.
Stále však existujú negatívne vedľajšie účinky. Medzi nimi sa najčastejšie rozlišuje hluk, tepelné znečistenie atmosféry a chemické znečistenie - voda a pôda, ako aj tvorba tuhého odpadu.
Hlavným zdrojom chemického znečistenia životného prostredia je skutočná termálna voda (s vysokou teplotou a mineralizáciou), ktorá často obsahuje veľké množstvo toxických zlúčenín, v súvislosti s ktorou je problém s likvidáciou odpadových vôd a nebezpečných látok.
Negatívne účinky geotermálnej energie možno vysledovať v niekoľkých fázach, počnúc vŕtaním studní. Tu vznikajú rovnaké nebezpečenstvá ako pri vŕtaní akejkoľvek studne: zničenie pôdy a vegetačného krytu, kontaminácia pôdy a podzemných vôd.
V štádiu prevádzky GeoPP pretrvávajú problémy so znečisťovaním životného prostredia. Tepelné kvapaliny - voda a para - zvyčajne obsahujú oxid uhličitý (CO2), sírovodík (H2S), amoniak (NH3), metán (CH4), kuchynskú soľ (NaCl), bór (B), arzén (As), ortuť (Hg) ). Po uvoľnení do životného prostredia sa stávajú zdrojmi jeho znečistenia. Agresívne chemické prostredie môže navyše spôsobiť korozívne poškodenie štruktúr geotermálnej elektrárne.
Zároveň sú emisie znečisťujúcich látok na GeoPP priemerne nižšie ako na TPP. Napríklad emisie oxidu uhličitého pre každú kilowatthodinu vyrobenej elektriny sú až 380 g pri GeoPP, 1042 g - pri uhoľných TPP, 906 g - pri vykurovacom oleji a 453 g - pri plynových TPP.
Vyvstáva otázka: čo robiť s odpadovou vodou? Pri nízkej slanosti sa môže po ochladení vypúšťať do povrchových vôd. Ďalším spôsobom je injektovať ho späť do zvodnenej vrstvy pomocou injekčného vrtu, ktorý je dnes preferovaný a prevažne používaný.
Extrakcia termálnej vody z vodonosných vrstiev (rovnako ako odčerpávanie obyčajnej vody) môže spôsobiť pokles a pohyb pôdy, ďalšie deformácie geologických vrstiev a mikrozemetrasenia. Pravdepodobnosť takýchto javov je spravidla nízka, aj keď boli zaznamenané jednotlivé prípady (napríklad na GeoPP v Staufen im Breisgau v Nemecku).
Je potrebné zdôrazniť, že väčšina GeoPP sa nachádza v relatívne riedko osídlených oblastiach a v krajinách tretieho sveta, kde sú environmentálne požiadavky menej prísne ako v rozvinutých krajinách. Okrem toho je v súčasnosti počet GeoPP a ich kapacita relatívne malá. S rozsiahlejším rozvojom geotermálnej energie sa môžu environmentálne riziká zvyšovať a množiť.
Koľko stojí energia Zeme?
Investičné náklady na výstavbu geotermálnych systémov sa líšia vo veľmi širokom rozmedzí - od 200 do 5 000 dolárov za 1 kW inštalovaného výkonu, to znamená, že najlacnejšie možnosti sú porovnateľné s nákladmi na výstavbu tepelnej elektrárne. Závisia predovšetkým od podmienok výskytu termálnych vôd, ich zloženia a koncepcie systému. Vŕtanie do veľkých hĺbok, vytvorenie uzavretého systému s dvoma studňami, potreba čistenia vody môže zvýšiť početné náklady.
Napríklad investície do vytvorenia petrotermálneho cirkulačného systému (PCS) sa odhadujú na 1,6 - 4 tisíc dolárov za 1 kW inštalovaného výkonu, čo presahuje náklady na výstavbu jadrovej elektrárne a je porovnateľné s nákladmi na výstavbu vetra a solárne elektrárne.
Zjavnou ekonomickou výhodou GeoTPP je bezplatný nosič energie. Pre porovnanie, v nákladovej štruktúre prevádzkovaného TPP alebo JE predstavuje palivo 50 - 80% alebo dokonca viac, v závislosti od aktuálnych cien energie. Z toho vyplýva ďalšia výhoda geotermálneho systému: prevádzkové náklady sú stabilnejšie a predvídateľnejšie, pretože nezávisia od vonkajšej konjunktúry cien energie. Všeobecne sa prevádzkové náklady geotermálnej elektrárne odhadujú na 2 - 10 centov (60 kopejok - 3 ruble) za 1 kWh vyrobenej kapacity.
Druhou najväčšou (po energii) (a veľmi významnou) položkou výdavkov sú spravidla platy zamestnancov závodov, ktoré sa môžu v jednotlivých krajinách a regiónoch radikálne líšiť.
V priemere sú náklady na 1 kWh geotermálnej energie porovnateľné s nákladmi na TPP (v ruských podmienkach - asi 1 rubľ / 1 kWh) a desaťkrát vyššie ako náklady na výrobu elektriny vo vodných elektrárňach (5 - 10 kopejok / 1 kWh).
Jedným z dôvodov vysokých nákladov je skutočnosť, že na rozdiel od tepelných a hydraulických elektrární má GeoTPP relatívne malú kapacitu. Okrem toho je potrebné porovnať systémy umiestnené v rovnakom regióne a za podobných podmienok. Napríklad na Kamčatke stojí podľa odborníkov 1 kWh geotermálnej elektriny 2 - 3 krát lacnejšie ako elektrina vyrobená v miestnych tepelných elektrárňach.
Ukazovatele ekonomickej efektívnosti geotermálneho systému závisia napríklad od toho, či je potrebné zneškodňovať odpadovú vodu a akým spôsobom sa to robí, či je možné kombinované využitie zdroja. Chemické prvky a zlúčeniny extrahované z termálnej vody môžu teda poskytovať ďalší príjem. Pripomeňme si príklad Larderella: primárna bola tam chemická výroba a využitie geotermálnej energie malo spočiatku pomocnú povahu.
Geotermálna energia vpred
Geotermálna energia sa vyvíja trochu inak ako vietor a slnečná energia. V súčasnosti to v oveľa väčšej miere závisí od povahy samotného zdroja, ktorý sa výrazne líši podľa regiónu a najvyššie koncentrácie sa viažu na úzke zóny geotermálnych anomálií, spojené spravidla s oblasťami vývoja tektonických porúch a vulkanizmus (pozri „Veda a život“ č. 9, 2013).
Geotermálna energia je navyše v porovnaní s vetrom technologicky menej kapacitná, a ešte viac so slnečnou energiou: systémy geotermálnych staníc sú celkom jednoduché.
V celkovej štruktúre svetovej výroby elektriny predstavuje geotermálna zložka menej ako 1%, ale v niektorých regiónoch a krajinách dosahuje jej podiel 25 - 30%. Vďaka väzbe na geologické podmienky sa významná časť kapacity geotermálnej energie sústreďuje v krajinách tretieho sveta, kde vynikajú tri klastre najväčšieho rozvoja priemyslu - ostrovy juhovýchodnej Ázie, Stredná Amerika a východná Afrika. Prvé dva regióny sú zahrnuté v tichomorskom „požiarnom páse Zeme“, tretí je viazaný na východoafrický rozpor. V týchto pásoch bude s najväčšou pravdepodobnosťou pokračovať vývoj geotermálnej energie. Ďaleko vzdialenejšou vyhliadkou je vývoj petrotermálnej energie využívajúcej teplo vrstiev Zeme ležiacich v hĺbke niekoľkých kilometrov. Jedná sa o takmer všadeprítomný zdroj, ktorého ťažba si však vyžaduje vysoké náklady, preto sa petrotermálna energia vyvíja primárne v ekonomicky a technologicky najsilnejších krajinách.
Všeobecne vzhľadom na všadeprítomné rozloženie geotermálnych zdrojov a prijateľnú úroveň bezpečnosti životného prostredia existuje dôvod domnievať sa, že geotermálna energia má dobré vyhliadky na rozvoj. Najmä s rastúcou hrozbou nedostatku tradičných zdrojov energie a zvyšovaním ich cien.
Z Kamčatky na Kaukaz
V Rusku má vývoj geotermálnej energie pomerne dlhú históriu a na mnohých pozíciách patríme medzi svetových lídrov, hoci podiel geotermálnej energie na celkovej energetickej bilancii obrovskej krajiny je stále zanedbateľný.
Dva regióny - Kamčatka a Severný Kaukaz - sa stali priekopníkmi a centrami rozvoja geotermálnej energie v Rusku, a ak v prvom prípade hovoríme predovšetkým o elektroenergetike, potom v druhom - o využívaní tepelnej energie termálnej vody.
Na severnom Kaukaze - na Krasnodarskom území, v Čečensku, Dagestane - sa teplo termálnych vôd na energetické účely využívalo ešte pred Veľkou vlasteneckou vojnou. V 80. a 90. rokoch sa vývoj geotermálnej energie v regióne zo zrejmých dôvodov zastavil a zatiaľ sa nedostal zo stavu stagnácie. Dodávka geotermálnej vody na severnom Kaukaze napriek tomu poskytuje teplo asi 500-tisíc ľuďom a napríklad mesto Labinsk na Krasnodarskom území s populáciou 60-tisíc ľudí je geotermálnymi vodami úplne vykurované.
Na Kamčatke sa história geotermálnej energie spája predovšetkým s výstavbou geotermálnych elektrární. Prvé z nich, ktoré ešte stále fungujú na staniciach Pauzetskaya a Paratunskaja, boli postavené ešte v rokoch 1965-1967, zatiaľ čo Paratunskaja GeoPP s kapacitou 600 kW sa stala prvou stanicou na svete s binárnym cyklom. Išlo o vývoj sovietskych vedcov S. S. Kutateladzeho a A. M. Rosenfelda z Termofyzikálneho ústavu sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied, ktorí v roku 1965 dostali autorské osvedčenie na extrakciu elektriny z vody s teplotou 70 ° C. Táto technológia sa neskôr stala prototypom pre viac ako 400 binárnych GeoPP na svete.
Kapacita elektrárne Pauzhetskaya GeoPP, ktorá bola uvedená do prevádzky v roku 1966, bola pôvodne 5 MW a následne sa zvýšila na 12 MW. V súčasnosti je na stanici rozostavaný binárny blok, ktorý zvýši jej kapacitu o ďalších 2,5 MW.
Rozvoj geotermálnej energie v ZSSR a Rusku brzdila dostupnosť tradičných zdrojov energie - ropa, plyn, uhlie, ale nikdy sa nezastavil. Najväčšími zariadeniami geotermálnej energie v súčasnosti sú Verkhne-Mutnovskaya GeoPP s celkovou kapacitou 12 MW energetických jednotiek, uvedená do prevádzky v roku 1999, a Mutnovskaya GeoPP s kapacitou 50 MW (2002).
Mutopskaja a Verkhne-Mutnovskaja GeoPP sú jedinečné objekty nielen pre Rusko, ale aj v globálnom meradle. Stanice sa nachádzajú na úpätí sopky Mutnovsky, v nadmorskej výške 800 metrov nad morom, a fungujú v extrémnych klimatických podmienkach, kde je zima 9 - 10 mesiacov v roku. Zariadenie Mutnovsky GeoPP, ktoré je v súčasnosti jedným z najmodernejších na svete, je kompletne vytvorené v domácich energetických podnikoch.
V súčasnosti je podiel závodov Mutnovskie na celkovej štruktúre spotreby energie v energetickom uzle centrálna Kamčatka 40%. V nasledujúcich rokoch sa plánuje zvýšenie kapacity.
Samostatne by sa malo povedať o ruskom petrotermickom vývoji. Zatiaľ nemáme veľké DSP, ale existujú pokročilé technológie na vŕtanie do veľkých hĺbok (asi 10 km), ktoré tiež nemajú na svete obdoby. Ich ďalší vývoj umožní drasticky znížiť náklady na vytváranie petrotermických systémov. Vývojármi týchto technológií a projektov sú N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (geologický inštitút, RAS), A. S. Nekrasov (inštitút pre ekonomické prognózy, RAS) a špecialisti z turbín Kaluga Works. Projekt systému petrotermálnej cirkulácie v Rusku je v súčasnosti v experimentálnej fáze.
V Rusku existujú perspektívy geotermálnej energie, aj keď pomerne vzdialené: v súčasnosti je jej potenciál dosť veľký a pozície tradičnej energie sú silné. Zároveň je v mnohých odľahlých regiónoch krajiny využitie geotermálnej energie ekonomicky výhodné a je o ňu dopyt aj v súčasnosti. Ide o územia s vysokým geoenergetickým potenciálom (Čukotka, Kamčatka, Kuriles - ruská časť tichomorského „požiarneho pásu Zeme“, pohoria Južná Sibír a Kaukaz) a zároveň vzdialené a odrezané od centralizovaného zásobovania energiou.
Pravdepodobne v nasledujúcich desaťročiach sa geotermálna energia u nás bude rozvíjať práve v týchto regiónoch.
Obnoviteľné zdroje
Ako populácia na našej planéte neustále rastie, potrebujeme čoraz viac energie na podporu populácie. Energia obsiahnutá v útrobách Zeme môže byť veľmi odlišná. Napríklad existujú obnoviteľné zdroje: veterná, solárna a vodná energia. Sú šetrné k životnému prostrediu, a preto ich môžete používať bez obáv z poškodenia životného prostredia.
Energia vody
Táto metóda sa používa už mnoho storočí. Dnes je vybudované obrovské množstvo priehrad, nádrží, v ktorých sa voda používa na výrobu elektriny. Podstata tohto mechanizmu je jednoduchá: pod vplyvom toku rieky sa kolesá turbín otáčajú, respektíve sa energia vody premieňa na elektrickú.
Dnes existuje veľké množstvo vodných elektrární, ktoré premieňajú energiu prúdenia vody na elektrinu. Zvláštnosťou tejto metódy je, že sa obnovujú vodné zdroje, respektíve také štruktúry majú nízke náklady. Preto napriek tomu, že výstavba vodných elektrární trvá už dosť dlho, a samotný proces je veľmi nákladný, tieto štruktúry napriek tomu výrazne prekonávajú energeticky náročné odvetvia.
Energia slnka: moderná a budúcnosť
Solárna energia sa získava pomocou solárnych panelov, ale moderné technológie umožňujú použitie nových metód. Najväčšou slnečnou elektrárňou na svete je systém vybudovaný v kalifornskej púšti. Má plný výkon 2 000 domov. Návrh funguje nasledovne: slnečné lúče sa odrážajú od zrkadiel, ktoré sú s vodou vysielané do centrálneho kotla. Varí sa a mení sa na paru, ktorá poháňa turbínu. Ona je zase pripojená k elektrickému generátoru. Vietor možno tiež použiť ako energiu, ktorú nám dáva Zem. Vietor fúka plachty, otáča mlyny. A teraz sa z neho dajú vytvárať zariadenia, ktoré budú generovať elektrickú energiu. Otáčaním lopatiek veterného mlyna poháňa hriadeľ turbíny, ktorá je zase spojená s elektrickým generátorom.
Aplikácie
Využívanie geotermálnej energie sa datuje do 19. storočia. Prvou boli skúsenosti Talianov žijúcich v provincii Toskánsko, ktorí na vykurovanie používali teplú vodu zo zdrojov. S jej pomocou fungovali nové vrtné súpravy na studne.
Toskánska voda je bohatá na bór a po odparení, ktoré sa zmenilo na kyselinu boritú, kotly pôsobili na teplo svojich vlastných vôd. Na začiatku 20. storočia (1904) Toskánci zašli ďalej a spustili parnú elektráreň. Dôležitým zážitkom pre USA, Japonsko, Island sa stal príklad Talianov.
Poľnohospodárstvo a záhradníctvo
Geotermálna energia sa používa v poľnohospodárstve, zdravotníctve a domácnostiach v 80 krajinách sveta.
Prvá vec, na ktorú sa termálna voda používala a používa, je vykurovanie skleníkov a skleníkov, čo umožňuje zber zeleniny, ovocia a kvetov aj v zime. Na polievanie prišla vhod aj teplá voda.
Pestovanie plodín v hydropónii sa považuje za sľubný smer pre poľnohospodárskych výrobcov.Niektoré rybie farmy používajú na chov plôdikov a rýb ohrievanú vodu v umelých nádržiach.
Odporúčame vám prečítať si: Postup pri likvidácii laboratórnych chemických reagencií
Tieto technológie sú bežné v Izraeli, Keni, Grécku, Mexiku.
Priemysel a bývanie a komunálne služby
Pred viac ako storočím bola už horúca tepelná para základom pre výrobu elektriny. Odvtedy slúži priemyslu a verejným službám.
Na Islande je 80% bývania vykurovaných termálnou vodou.
Boli vyvinuté tri schémy výroby elektriny:
- Priamka pomocou vodnej pary. Najjednoduchšie: používa sa tam, kde je priamy prístup ku geotermálnym parám.
- Nepriamo, nepoužíva paru, ale vodu. Privedie sa do výparníka, technickým spôsobom sa prevedie na paru a odošle sa do turbínového generátora.
Voda si vyžaduje ďalšie čistenie, pretože obsahuje agresívne zlúčeniny, ktoré môžu zničiť pracovné mechanizmy. Odpadová, ale ešte nie ochladená para je vhodná na vykurovanie.
- Zmiešané (binárne). Voda nahradzuje palivo, ktoré ohrieva inú tekutinu s vyšším prenosom tepla. Poháňa turbínu.
Binárny systém využíva turbínu, ktorá sa aktivuje energiou ohriatej vody.
Hydrotermálnu energiu využívajú USA, Rusko, Japonsko, Nový Zéland, Turecko a ďalšie krajiny.
Geotermálne vykurovacie systémy pre domácnosť
Na vykurovanie bytov je vhodný tepelný nosič ohriaty na +50 - 600 ° C, geotermálna energia túto požiadavku spĺňa. Mestá s niekoľkými desiatkami tisíc obyvateľov môžu byť ohrievané teplom zemského vnútra. Napríklad: vykurovanie mesta Labinsk na Krasnodarskom území beží na zemné palivo.
Schéma geotermálneho systému na vykurovanie domu
Nie je potrebné strácať čas a energiu na ohrev vody a výstavbu kotolne. Chladiaca kvapalina sa odoberá priamo zo zdroja gejzíru. Rovnaká voda je vhodná aj na prívod teplej vody. V prvom a druhom prípade prechádza nevyhnutným predbežným technickým a chemickým čistením.
Výsledná energia stojí dvakrát až trikrát lacnejšie. Objavili sa inštalácie pre súkromné domy. Sú drahšie ako tradičné kotly na palivo, ale v procese prevádzky odôvodňujú náklady.
Výhody a nevýhody využívania geotermálnej energie na vykurovanie domu.
Vnútorná energia Zeme
Ukázalo sa to ako výsledok niekoľkých procesov, z ktorých hlavné sú narastanie a rádioaktivita. Podľa vedcov k formovaniu Zeme a jej masy došlo niekoľko miliónov rokov a stalo sa tak v dôsledku formovania planetesimál. Zlepili sa, hmota Zeme sa stávala čoraz viac. Keď naša planéta začala mať modernú hmotu, ale stále bola bez atmosféry, bez prekážok na ňu padali meteorické a asteroidové telesá. Tento proces sa presne nazýva narastanie a viedol k uvoľneniu významnej gravitačnej energie. A čím väčšie telesá padali na planétu, tým väčšie bolo množstvo uvoľnenej energie obsiahnutej v útrobách Zeme.
Táto gravitačná diferenciácia viedla k tomu, že látky začali stratifikovať: ťažké látky sa jednoducho utopili a ľahké a prchavé vyplávali hore. Diferenciácia ovplyvnila aj ďalšie uvoľňovanie gravitačnej energie.
Takmer všetky základné fyzikálne vlastnosti zemskej hmoty závisia od teploty. V závislosti od teploty sa mení tlak, pri ktorom látka prechádza z pevného do roztaveného stavu. Pri zmene teploty sa mení viskozita, elektrická vodivosť a magnetické vlastnosti hornín, ktoré tvoria Zem. Aby sme si mohli predstaviť, čo sa deje vo vnútri Zeme, musíme určite poznať jej tepelný stav. Zatiaľ nemáme možnosť priamo merať teploty v žiadnej hĺbke Zeme. Pre naše merania je k dispozícii iba prvých pár kilometrov zemskej kôry.Vnútornú teplotu Zeme ale môžeme určiť nepriamo na základe údajov o tepelnom toku Zeme.
Nemožnosť priameho overenia je samozrejme v mnohých vedách o Zemi veľmi veľkou ťažkosťou. Úspešný vývoj pozorovaní a teórií napriek tomu naše poznatky postupne približuje k pravde.
Moderná veda o tepelnom stave a histórii Zeme - geotermia Je mladá veda. Prvá štúdia o geotermike sa objavila až v polovici minulého storočia. William Thomson (lord Kelvin), vtedy ešte veľmi mladý vedec, fyzik, venoval svoju dizertačnú prácu určeniu veku Zeme na základe štúdia distribúcie a pohybu tepla vo vnútri planéty. Kelvin veril, že vnútorná teplota Zeme by sa mala časom znižovať v dôsledku formovania a tuhnutia planéty z roztavenej hmoty.
Definovaním tepelný gradient - rýchlosť nárastu teploty s hĺbkou - v baniach a vrtoch v rôznych hĺbkach Kelvin dospel k záveru, že z týchto údajov je možné predpokladať, ako dlho by sa mala Zem ochladzovať, a teda určiť vek Zeme . Podľa Kelvinovho odhadu sa teplota v najbližších hĺbkach pod povrchom zvyšuje o 20 - 40 ° C na každých tisíc metrov hĺbky. Ukázalo sa, že Zem sa ochladila do súčasného stavu len za niekoľko desiatok miliónov rokov. To však nijako nesúhlasí s inými údajmi, napríklad s údajmi o trvaní mnohých známych geologických epoch. Debata o tejto otázke pokračovala pol storočia a postavila Kelvina do opozície s tak významnými evolucionistami, ako sú Charles Darwin a Thomas Huxley.
Kelvin založil svoje závery na myšlienke, že Zem bola pôvodne v roztavenom stave a postupne sa ochladzovala. Táto hypotéza dominovala po celé desaťročia. Na prelome 20. storočia však došlo k objavom, ktoré zásadným spôsobom zmenili chápanie podstaty hlbokého tepelného toku Zeme a jej tepelnej histórie. Bola objavená rádioaktivita, začali sa štúdie procesov uvoľňovania tepla počas rádioaktívneho rozpadu niektorých izotopov, boli vyvodené závery, že horniny, ktoré tvoria zemskú kôru, obsahujú značné množstvo rádioaktívnych izotopov.
Priame merania toku tepla Zeme sa začali pomerne nedávno: najskôr na kontinentoch - v roku 1939 v hlbokých vrtoch v Južnej Afrike, neskôr na dne oceánov - od roku 1954 v Atlantiku. U nás sa prvýkrát meral tok tepla v hlbokých vrtoch v Soči a Matseste. V posledných rokoch akumulácia experimentálne získaných údajov o tepelných tokoch prebiehala pomerne rýchlo.
Prečo sa to robí? A sú stále potrebné nové a nové dimenzie? Áno, veľmi potrebné. Porovnanie meraní hlbokého tepelného toku uskutočňovaných v rôznych bodoch planéty ukazuje, že strata energie v rôznych častiach povrchu planéty je odlišná. Toto hovorí o heterogenite kôry a plášťa, umožňuje posúdiť povahu mnohých procesov prebiehajúcich v rôznych hĺbkach, ktoré sú našim očiam neprístupné pod zemským povrchom, a poskytuje kľúč k štúdiu mechanizmu vývoja planéty a jej vnútornej energie .
Koľko tepla stratí Zem v dôsledku toku tepla z útrob? Ukazuje sa, že v priemere je táto hodnota malá - asi 0,06 wattu na meter štvorcový povrchu alebo asi 30 biliónov wattov na celej planéte. Zem prijíma energiu zo Slnka asi 4 tisíckrát viac. A samozrejme, to je slnečné teplo, ktoré hrá hlavnú úlohu pri určovaní teploty na zemskom povrchu.
Teplo uvoľnené planétou cez povrch s veľkosťou futbalového ihriska je približne rovnaké ako teplo, ktoré môže generovať tristowattové žiarovky. Takýto tok energie sa zdá byť nepodstatný, ale prichádza z celého povrchu Zeme a neustále! Sila celého tepelného toku pochádzajúceho z útrob planéty je asi 30-krát väčšia ako sila všetkých moderných elektrární na svete.
Meranie hĺbky tepelný tok Zeme proces je náročný a časovo náročný. Cez tvrdú zemskú kôru sa teplo vedie na povrch vodivo, to znamená šírením tepelných vibrácií. Preto sa množstvo prechádzajúceho tepla rovná produktu teplotný gradient (rýchlosť nárastu teploty s hĺbkou) na tepelnú vodivosť. Na určenie tepelného toku je nevyhnutné poznať tieto dve veličiny. Teplotný gradient sa meria citlivými prístrojmi - snímačmi (termistormi) v baniach alebo špeciálne vyvŕtaných studniach, v hĺbke niekoľkých desiatok až niekoľkých stoviek metrov. Tepelná vodivosť hornín sa určuje skúmaním vzoriek v laboratóriách.
Meranie teplo prúdi na dne oceánov spojené so značnými ťažkosťami: práce sa musia robiť pod vodou v značných hĺbkach. Má to však aj svoje výhody: nie je potrebné vŕtať studne na dne oceánov, pretože sedimenty sú zvyčajne dosť mäkké a dlhá valcová sonda použitá na meranie teploty ľahko ponorí niekoľko metrov do mäkkých sedimentov.
Tí, ktorí sa zaoberajú geotermiou, to skutočne potrebujú mapa tepelných tokov pre celý povrch planéty. Body, v ktorých sa už uskutočnili merania tepelného toku, sú po povrchu Zeme extrémne nerovnomerne rozložené. Na moriach a oceánoch sa merania robili dvakrát viac ako na pevnine. Severná Amerika, Európa a Austrália, oceány v stredných zemepisných šírkach boli študované celkom podrobne. A v iných častiach zemského povrchu je meraní stále málo alebo vôbec. Súčasný objem údajov o tepelnom toku Zeme napriek tomu už umožňuje vytvárať všeobecné, ale celkom spoľahlivé mapy.
Uvoľňovanie tepla z útrob Zeme na povrch je nerovnomerné. V niektorých oblastiach Zem vydáva viac tepla, ako je svetový priemer, v iných je tepelný výkon oveľa menší. „Chladné miesta“ sa vyskytujú vo východnej Európe (Východoeurópska platforma), Kanade (Kanadský štít), severnej Afrike, Austrálii, Južnej Amerike, hlbokomorských panvách Tichého, Indického a Atlantického oceánu. „Teplé“ a „horúce“ miesta - oblasti so zvýšeným tepelným tokom - sa vyskytujú v regiónoch Kalifornia, alpská Európa, Island, Červené more, východný Tichý oceán a podmorské vyvýšeniny Atlantického a Indického oceánu.
Atómová energia
Využitie energie Zeme sa môže stať rôznymi spôsobmi. Napríklad pri výstavbe jadrových elektrární, keď sa tepelná energia uvoľňuje v dôsledku rozpadu najmenších častíc hmoty atómov. Hlavným palivom je urán, ktorý je obsiahnutý v zemskej kôre. Mnohí veria, že táto konkrétna metóda získavania energie je najsľubnejšia, ale jej použitie je spojené s množstvom problémov. Po prvé, urán vyžaruje žiarenie, ktoré zabíja všetky živé organizmy. Ak sa navyše táto látka dostane do pôdy alebo atmosféry, vznikne skutočná katastrofa spôsobená človekom. Stále zažívame smutné následky havárie v černobyľskej jadrovej elektrárni. Nebezpečenstvo spočíva v tom, že rádioaktívny odpad môže veľmi, veľmi dlho, celé tisícročia ohrozovať všetko živé.
Prvá geotermálna elektráreň
Všetci sme si už zvykli, že pred mnohými rokmi sa energia získavala z prírodných zdrojov. A tak aj bolo, ale ešte predtým bola jedna z prvých elektrární geotermálna. Je to vo všeobecnosti veľmi logické, pretože technika fungovala na parnej trakcii a použitie pary bolo správnejším rozhodnutím. A vlastne jediný na tú dobu, ak nerátam spaľovanie dreva a uhlia.
Už v roku 1817 vyvinul gróf François de Larderel technológiu na zber prírodnej pary, ktorá sa mi hodila v dvadsiatom storočí, keď sa dopyt po geotermálnych elektrárňach veľmi zvýšil.
Prvá skutočne pracovná stanica bola postavená v talianskom meste Larderello v roku 1904. Je pravda, že to bol skôr prototyp, pretože mohol poháňať iba 4 žiarovky, ale fungovalo to. O šesť rokov neskôr, v roku 1910, bola v tom istom meste postavená skutočne pracovná stanica, ktorá mohla vyrábať energiu dostatočnú na priemyselné využitie.
Aj na takýchto malebných miestach sa môžu nachádzať geotermálne elektrárne.
Experimentálne generátory boli postavené na mnohých miestach, ale až do roku 1958 bolo na čele Taliansko a bolo jediným priemyselným výrobcom geotermálnej energie na svete.
Vedenie sa muselo vzdať po uvedení elektrárne Wairakei do prevádzky na Novom Zélande. Bola to prvá nepriama geotermálna elektráreň. O niekoľko rokov neskôr sa podobné zariadenia otvorili v ďalších krajinách vrátane USA so zdrojmi v Kalifornii.
Prvá geotermálna elektráreň nepriameho typu bola postavená v ZSSR v roku 1967. V tejto dobe sa tento spôsob získavania energie začal aktívne rozvíjať po celom svete. Najmä na miestach ako Aljaška, Filipíny a Indonézia, ktoré stále patria medzi lídrov v oblasti takto vyrobenej energie.
Nový čas - nové nápady
Ľudia tým samozrejme nezostávajú a každý rok sa objavujú ďalšie a ďalšie pokusy o hľadanie nových spôsobov získavania energie. Ak sa energia zemského tepla získa celkom jednoducho, potom niektoré metódy nie sú také jednoduché. Napríklad ako zdroj energie je celkom možné použiť biologický plyn, ktorý sa získava z tlejúceho odpadu. Môže byť použitý na vykurovanie domov a ohrev vody.
Stále viac sa budujú prílivové elektrárne, keď sú cez ústie nádrží inštalované priehrady a turbíny, ktoré sú poháňané prílivom a odlivom, pričom sa získava elektrina.
Horiaci odpad, získavame energiu
Ďalšou metódou, ktorá sa už v Japonsku používa, je vytvorenie spaľovní. Dnes sú postavené v Anglicku, Taliansku, Dánsku, Nemecku, Francúzsku, Holandsku a Spojených štátoch, ale iba v Japonsku sa tieto podniky začali využívať nielen na určený účel, ale aj na výrobu elektriny. Miestne továrne spaľujú 2/3 všetkého odpadu, zatiaľ čo továrne sú vybavené parnými turbínami. Podľa toho dodávajú teplo a elektrinu do okolia. Zároveň je z hľadiska nákladov oveľa výhodnejšie vybudovať takýto podnik ako postaviť kombinovanú výrobu elektriny a tepla.
Vyhliadka na využitie zemského tepla tam, kde sú sústredené sopky, vyzerá lákavejšie. V takom prípade nie je potrebné vrtať Zem príliš hlboko, pretože už v hĺbke 300 - 500 metrov bude teplota najmenej dvojnásobkom bodu varu vody.
Existuje tiež taká metóda výroby elektriny ako vodíková energia. Vodík - najjednoduchší a najľahší chemický prvok - možno považovať za ideálne palivo, pretože sa nachádza tam, kde je voda. Ak spaľujete vodík, môžete získať vodu, ktorá sa rozkladá na kyslík a vodík. Samotný vodíkový plameň je neškodný, to znamená, že nepoškodí životné prostredie. Zvláštnosťou tohto prvku je, že má vysokú výhrevnosť.
Čo bude v budúcnosti?
Energia magnetického poľa Zeme alebo energia získaná v jadrových elektrárňach samozrejme nemôže plne uspokojiť všetky potreby ľudstva, ktoré každoročne rastú. Odborníci však tvrdia, že nie sú dôvody na obavy, pretože palivové zdroje planéty sú stále dostatočné. Okrem toho sa využíva čoraz viac nových ekologických a obnoviteľných zdrojov.
Problém znečistenia životného prostredia zostáva a katastroficky rastie. Množstvo škodlivých emisií klesá z rozsahu, vzduch, ktorý dýchame, je škodlivý, voda má nebezpečné nečistoty a pôda sa postupne vyčerpáva. Preto je také dôležité včas sa zaoberať štúdiom fenoménu, ako je energia v útrobách Zeme, s cieľom hľadať spôsoby, ako znížiť dopyt po fosílnych palivách a aktívnejšie využívať nekonvenčné zdroje energie.
Obmedzené zdroje fosílnych energetických surovín
Dopyt po surovinách pre organickú energiu je veľký v priemyselne rozvinutých a rozvojových krajinách (USA, Japonsko, štáty zjednotenej Európy, Čína, India atď.). Zároveň sú ich vlastné zdroje uhľovodíkov v týchto krajinách buď nedostatočné, alebo vyhradené. Krajina, napríklad USA, nakupuje energetické suroviny v zahraničí alebo vytvára ložiská v iných krajinách.
V Rusku, jednej z najbohatších krajín z hľadiska energetických zdrojov, sú ekonomické potreby energie stále uspokojované možnosťami využívania prírodných zdrojov. Ťažba fosílnych uhľovodíkov z podložia však prebieha veľmi rýchlym tempom. Ak v 40. - 60. rokoch 20. storočia. Hlavnými regiónmi produkujúcimi ropu boli „Druhé Baku“ v regiónoch Volga a Ural. Od 70. rokov 20. storočia až do súčasnosti je takouto oblasťou západná Sibír. Aj tu však dochádza k výraznému poklesu výroby fosílnych uhľovodíkov. Éra „suchého“ cenomanského plynu končí. Predchádzajúca etapa rozsiahleho rozvoja výroby zemného plynu sa skončila. Jeho ťažba z takých obrovských ložísk ako Medvezhye, Urengoyskoye a Yamburgskoye predstavovala 84, 65 a 50%. Časom klesá aj podiel ropných rezerv priaznivých pre vývoj.
V dôsledku aktívnej spotreby uhľovodíkových palív sa zásoby ropy a zemného plynu na pevnine výrazne znížili. Teraz sú ich hlavné rezervy sústredené na kontinentálnom šelfe. A hoci je zdrojová základňa ropného a plynárenského priemyslu stále dostatočná na ťažbu ropy a zemného plynu v Rusku v požadovaných objemoch, v blízkej budúcnosti sa bude v čoraz väčšej miere zabezpečovať prostredníctvom rozvoja oblastí s ťažkou ťažbou a ťažbou. geologické podmienky. Náklady na výrobu uhľovodíkových surovín budú naďalej rásť.
Väčšina neobnoviteľných zdrojov vyťažených z podložia sa používa ako palivo pre elektrárne. V prvom rade je to zemný plyn, ktorého podiel na palivovej štruktúre je 64%.
V Rusku sa 70% elektrickej energie vyrába v tepelných elektrárňach. Energetické podniky v krajine ročne spália asi 500 miliónov ton ekvivalentu paliva. t., aby sa vyrobila elektrina a teplo, zatiaľ čo na výrobu tepla sa uhľovodíkové palivo spotrebuje 3–4krát viac ako na výrobu elektriny.
Množstvo tepla získaného spaľovaním týchto objemov uhľovodíkových surovín sa rovná použitiu stoviek ton jadrového paliva - rozdiel je obrovský. Jadrová energia si však vyžaduje bezpečnosť životného prostredia (aby sa vylúčil opakovaný výskyt Černobyľu) a jej ochrana pred možnými teroristickými útokmi, ako aj vykonávanie bezpečného a nákladného odstavenia zastaraných a zastaraných energetických blokov JE. Vo svete sú preukázateľne využiteľné zásoby uránu asi 3 milióny 400 tisíc ton. Za celé predchádzajúce obdobie (do roku 2007) sa vyťažili asi 2 milióny ton.
