Geotermisk energi och dess användning, utsikter för geotermisk energi

Det finns enorm värmeenergi inuti jorden. Uppskattningarna här är fortfarande ganska olika, men enligt de mest konservativa uppskattningarna, om vi begränsar oss till ett djup av 3 km, då 8 x 1017 kJ geotermisk energi. Samtidigt är omfattningen av dess verkliga tillämpning i vårt land och runt om i världen obetydlig. Vad är problemet här och vilka är utsikterna för att använda geotermisk energi?

Geotermisk energi är energin från jordens värme. Energi som frigörs från jordens naturliga värme kallas geotermisk energi. Som energikälla kan jordens värme, i kombination med befintlig teknik, tillgodose mänsklighetens behov i många, många år. Och det rör inte ens värmen som går för djupt, i områden som hittills inte varit tillgängliga.

I miljontals år frigörs denna värme från tarmarna på vår planet, och kärnans kylningshastighet överstiger inte 400 ° C per miljard år! Samtidigt är temperaturen på jordens kärna, enligt olika källor, för närvarande inte lägre än 6650 ° C och minskar gradvis mot dess yta. 42 biljoner watt värme utstrålas konstant från jorden, varav endast 2% finns i skorpan.

Jordens inre termiska energi manifesterar sig då och då hotfullt i form av utbrott av tusentals vulkaner, jordbävningar, rörelser av jordskorpan och andra, mindre märkbara, men inte mindre globala, naturliga processer.

Den vetenskapliga synpunkten på orsakerna till detta fenomen är att ursprunget till jordens värme är relaterat till den kontinuerliga processen av radioaktivt sönderfall av uran, torium och kalium i planetens inre, såväl som till gravitationsseparationen av materia i dess kärna.

Granitskiktet i jordskorpan, på ett djup av 20 000 meter, är huvudzonen för radioaktivt förfall på kontinenterna, och för haven är den övre manteln det mest aktiva lagret. Forskare tror att på kontinenterna, på ett djup av cirka 10 000 meter, är temperaturen på botten av jordskorpan cirka 700 ° C, medan temperaturen i haven bara når 200 ° C.

Två procent av den geotermiska energin i jordskorpan är konstanta 840 miljarder watt, och detta är tekniskt tillgänglig energi. De bästa platserna att utvinna denna energi är områden nära kanterna på kontinentalplattorna, där jordskorpan är mycket tunnare, och områden med seismisk och vulkanisk aktivitet – där jordens värme manifesteras mycket nära ytan.

Var och i vilken form förekommer geotermisk energi?

För närvarande är utvecklingen av geotermisk energi aktivt engagerad i: USA, Island, Nya Zeeland, Filippinerna, Italien, El Salvador, Ungern, Japan, Ryssland, Mexiko, Kenya och andra länder, där värmen från planetens tarmar stiger till ytan i form av ånga och varmt vatten, går ut, vid temperaturer som når 300 ° C.

De berömda gejsrarna på Island och Kamchatka, såväl som den berömda Yellowstone National Park, som ligger i de amerikanska delstaterna Wyoming, Montana och Idaho, som täcker en yta på nästan 9 000 kvadratkilometer, kan nämnas som levande exempel.

När man pratar om geotermisk energi är det mycket viktigt att komma ihåg att den mestadels har låg potential, det vill säga temperaturen på vattnet eller ångan som lämnar brunnen är inte hög. Och detta påverkar avsevärt effektiviteten av att använda sådan energi.

Faktum är att för produktion av el idag är det ekonomiskt ändamålsenligt att temperaturen på kylvätskan är minst 150 ° C. I det här fallet skickas den direkt till turbinen.

Det finns installationer som använder vatten med lägre temperatur. I dem värmer geotermiskt vatten det sekundära kylmediet (till exempel Freon), som har en låg kokpunkt. Den genererade ångan vänder turbinen. Men kapaciteten för sådana installationer är liten (10 — 100 kW) och därför blir energikostnaden högre än i kraftverk som använder högtemperaturvatten.

GeoPP i Nya Zeeland

Geotermiska avlagringar är porösa bergarter fyllda med varmt vatten. De är i huvudsak naturliga geotermiska pannor.

Men vad händer om vattnet som spenderas på jordens yta inte kastas bort, utan återförs till pannan? Skapa ett cirkulationssystem? I det här fallet kommer inte bara värmen från termalvattnet, utan även de omgivande stenarna att användas. Ett sådant system kommer att öka sitt totala antal med 4-5 gånger. Frågan om miljöföroreningar med saltvatten tas bort, eftersom det återvänder till den underjordiska horisonten.

I form av varmvatten eller ånga levereras värmen till ytan där den används antingen direkt för att värma upp byggnader och hus, eller för att generera el. Användbar är också jordens ytvärme, som vanligtvis nås genom att borra brunnar, där gradienten ökar med 1 °C var 36:e meter.

För att absorbera denna värme använder de värmepumpar… Varmvatten och ånga används för att generera el och för direkt uppvärmning, och värmen som koncentreras djupt i frånvaro av vatten omvandlas till en användbar form av värmepumpar. Energin från magma och värmen som ackumuleras under vulkaner utvinns på liknande sätt.

Generellt finns det ett antal standardmetoder för att generera el i geotermiska kraftverk, men återigen antingen direkt eller i ett värmepumpsliknande system.

I det enklaste fallet leds ångan helt enkelt genom en rörledning till en elektrisk generators turbin. I ett komplext schema förrenas ångan så att lösta ämnen inte förstör rören. I ett blandat schema elimineras gaser lösta i vatten efter kondensering av ånga i vatten.

Slutligen finns det ett binärt schema där en annan vätska med låg kokpunkt (värmeväxlarschema) fungerar som ett kylmedel (för att ta värme och för att vrida generatorturbinen).

De mest lovande är vakuumabsorptionsvärmepumpar med vatten och litiumklorid. De förra ökar temperaturen på termalvattnet på grund av förbrukningen av el i vakuumvattenpumpen.

Brunnsvatten med en temperatur på 60 - 90 ° C kommer in i vakuumförångaren. Den alstrade ångan komprimeras av en turboladdare. Trycket väljs beroende på önskad kylvätsketemperatur.

Om vattnet går direkt till värmesystemet är det 90 — 95 ° C, om till värmenäten, då 120 — 140 ° C. I kondensorn ger den kondenserade ångan sin värme till vattnet som cirkulerar i stadsvärmen nät, värmesystem och varmvatten .

Vilka andra alternativ finns det för att öka användningen av geotermisk energi?

En av riktningarna är relaterad till användningen av till stor del utarmade olje- och gasfyndigheter.

Som ni vet utförs produktionen av detta råmaterial i gamla fält med metoden för vattenöversvämning, det vill säga vatten pumpas in i brunnarna, vilket förskjuter olja och gas från reservoarens porer.

Allt eftersom utarmningen fortskrider fylls de porösa reservoarerna med vatten, som får temperaturen på de omgivande bergarterna, och därmed förvandlas avlagringarna till en geotermisk panna, från vilken det är möjligt att samtidigt utvinna olja och få vatten för uppvärmning.

Naturligtvis måste ytterligare brunnar borras och ett cirkulationssystem skapas, men det blir mycket billigare än att bygga ut ett nytt geotermiskt fält.

Ett annat alternativ är att utvinna värme från torra bergarter genom att bilda konstgjorda permeabla zoner. Kärnan i metoden är att skapa porositet med hjälp av explosioner i torra stenar.

Utvinning av värme från sådana system utförs enligt följande: två brunnar borras på ett visst avstånd från varandra. Vatten pumpas in i en, som flyttar till den andra genom de bildade porerna och sprickorna, tar bort värme från stenarna, värms upp och stiger sedan till ytan.

Sådana experimentella system finns redan i USA och England. I Los Alamos (USA) är två brunnar - en med ett djup av 2 700 m och den andra - 2 300 m, sammankopplade genom hydraulisk sprickbildning och fyllda med cirkulerande vatten uppvärmt till en temperatur av 185 ° C. I England, i Rosemenius stenbrott värms vattnet till 80 °C.

Geotermiskt kraftverk

Planetens värme som energiresurs

Nära den italienska staden Larederello går en elektrisk järnväg som drivs av torr ånga från en brunn. Systemet har varit i drift sedan 1904.

Gejserfält i Japan och San Francisco är två andra kända platser i världen som också använder torr het ånga för att generera elektricitet. När det gäller fuktig ånga är dess mer omfattande fält i Nya Zeeland och mindre i yta - i Japan, Ryssland, El Salvador, Mexiko, Nicaragua.

Om vi ​​betraktar geotermisk värme som en energiresurs, så är dess reserver tiotals miljarder gånger högre än mänsklighetens årliga energiförbrukning över hela världen.

Bara 1 % av jordskorpans termiska energi, taget från ett djup av 10 000 meter, skulle räcka för att överlappa hundratals gånger reserverna av fossila bränslen, såsom olja och gas, som kontinuerligt produceras av mänskligheten, vilket leder till en oåterkallelig utarmning av undergrunden och av miljöföroreningar.

Detta på grund av ekonomiska skäl. Men geotermiska kraftverk har mycket måttliga koldioxidutsläpp, cirka 122 kg per genererad megawattimme el, vilket är betydligt mindre än utsläppen från kraftproduktion med fossila bränslen.

Industriell GeoPE och geotermiska energiutsikter

Den första industriella geoPE med en kapacitet på 7,5 MW byggdes 1916 i Italien. Sedan dess har ovärderlig erfarenhet samlats.

Från och med 1975 var den totala installerade kapaciteten för GeoPP i världen 1278 MW, och 1990 var den redan 7300 MW. De största volymerna av geotermisk energiutveckling finns i USA, Mexiko, Japan, Filippinerna och Italien.

Den första geoPE på Sovjetunionens territorium byggdes i Kamchatka 1966, dess kapacitet är 12 MW.

Sedan 2003 har Mutnovskaya geografiska kraftverk varit i drift i Ryssland, vars effekt nu är 50 MW - det är det mest kraftfulla geoelektriska kraftverket i Ryssland för tillfället.

Den största GeoPP i världen är Olkaria IV i Kenya, med en kapacitet på 140 MW.

I framtiden är det mycket troligt att den termiska energin från magma kommer att användas i de områden av planeten där den inte är för djupt under jordens yta, såväl som den termiska energin från uppvärmda kristallina stenar, när kallt vatten pumpas in i ett borrat hål på flera kilometers djup och det varma vattnet återförs till ytan eller ånga, varefter de får värme eller genererar el.

Frågan uppstår - varför är det för närvarande så få genomförda projekt som använder geotermisk energi? Först och främst eftersom de är belägna på gynnsamma platser, där vattnet antingen häller på jordens yta eller ligger väldigt grunt. I sådana fall är det inte nödvändigt att borra djupa brunnar, som är den dyraste delen av geotermisk energiutveckling.

Användningen av termiska vatten för värmeförsörjning är mycket större än för produktion av el, men de är fortfarande små och spelar ingen betydande roll i energisektorn.

GTermal energi tar bara de första stegen och aktuell forskning bör experimentellt-industriellt arbete ge ett svar på omfattningen av dess vidareutveckling.