Energia geotermalna i jej wykorzystanie, perspektywy geotermii
Wewnątrz Ziemi jest ogromna energia cieplna. Szacunki tutaj są jeszcze zupełnie inne, ale według najbardziej ostrożnych szacunków, jeśli ograniczymy się do głębokości 3 km, to 8 x 1017 kJ energii geotermalnej. Jednocześnie skala jego realnego zastosowania w naszym kraju i na świecie jest znikoma. O co tutaj chodzi i jakie są perspektywy wykorzystania energii geotermalnej?
Energia geotermalna to energia ciepła Ziemi. Energia uwolniona z naturalnego ciepła Ziemi nazywana jest energią geotermalną. Jako źródło energii, ciepło Ziemi w połączeniu z istniejącymi technologiami może zaspokoić potrzeby ludzkości na wiele, wiele lat. I to nawet nie dotyka ciepła, które biegnie zbyt głęboko, w obszarach dotychczas nieosiągalnych.
Przez miliony lat ciepło to jest uwalniane z wnętrzności naszej planety, a szybkość chłodzenia rdzenia nie przekracza 400°C na miliard lat! Jednocześnie temperatura jądra Ziemi według różnych źródeł wynosi obecnie nie mniej niż 6650°C i stopniowo obniża się w kierunku jej powierzchni. Z Ziemi nieustannie emitowane jest 42 biliony watów ciepła, z czego tylko 2% znajduje się w skorupie ziemskiej.
Wewnętrzna energia cieplna Ziemi od czasu do czasu objawia się groźnie w postaci erupcji tysięcy wulkanów, trzęsień ziemi, ruchów skorupy ziemskiej i innych, mniej zauważalnych, ale nie mniej globalnych procesów naturalnych.
Naukowy punkt widzenia na temat przyczyn tego zjawiska jest taki, że pochodzenie ciepła Ziemi jest związane z ciągłym procesem radioaktywnego rozpadu uranu, toru i potasu we wnętrzu planety, a także z grawitacyjnym rozdzielaniem się materii u jej podstaw.
Granitowa warstwa skorupy ziemskiej, na głębokości 20 000 metrów, jest główną strefą rozpadu radioaktywnego kontynentów, a dla oceanów górny płaszcz jest najbardziej aktywną warstwą. Naukowcy uważają, że na kontynentach, na głębokości około 10 000 metrów, temperatura na dnie skorupy ziemskiej wynosi około 700°C, podczas gdy w oceanach temperatura sięga zaledwie 200°C.
Dwa procent energii geotermalnej w skorupie ziemskiej to stałe 840 miliardów watów i jest to energia dostępna technologicznie. Najlepszymi miejscami do wydobywania tej energii są obszary w pobliżu krawędzi płyt kontynentalnych, gdzie skorupa jest znacznie cieńsza oraz obszary aktywności sejsmicznej i wulkanicznej, gdzie ciepło Ziemi manifestuje się bardzo blisko powierzchni.
Gdzie iw jakiej formie występuje energia geotermalna?
Obecnie w rozwój energii geotermalnej aktywnie angażują się: USA, Islandia, Nowa Zelandia, Filipiny, Włochy, Salwador, Węgry, Japonia, Rosja, Meksyk, Kenia i inne kraje, gdzie ciepło z wnętrzności planety unosi się na powierzchnię w postaci pary i gorącej wody, wychodząc na zewnątrz, w temperaturach dochodzących do 300°C.
Jako żywe przykłady można przytoczyć słynne gejzery Islandii i Kamczatki, a także słynny Park Narodowy Yellowstone, położony w amerykańskich stanach Wyoming, Montana i Idaho, zajmujący powierzchnię prawie 9 000 kilometrów kwadratowych.
Mówiąc o energetyce geotermalnej, bardzo ważne jest, aby pamiętać, że jest to w większości energia o niskim potencjale, czyli temperatura wody lub pary wypływającej ze studni nie jest wysoka. A to znacząco wpływa na efektywność wykorzystania takiej energii.
Faktem jest, że do produkcji energii elektrycznej dzisiaj ekonomicznie celowe jest, aby temperatura chłodziwa wynosiła co najmniej 150 ° C. W tym przypadku jest on przesyłany bezpośrednio do turbiny.
Istnieją instalacje wykorzystujące wodę o niższej temperaturze. W nich woda geotermalna ogrzewa wtórny czynnik chłodzący (na przykład freon), który ma niską temperaturę wrzenia. Wytworzona para obraca turbinę. Ale moc takich instalacji jest niewielka (10 — 100 kW) i dlatego koszt energii będzie wyższy niż w elektrowniach wykorzystujących wodę o wysokiej temperaturze.
GeoPP w Nowej Zelandii
Złoża geotermalne to porowate skały wypełnione gorącą wodą. Są to zasadniczo naturalne kotły geotermalne.
Ale co, jeśli woda zużyta na powierzchni ziemi nie zostanie wyrzucona, ale zwrócona do kotła? Tworzenie systemu obiegu? W tym przypadku wykorzystane zostanie nie tylko ciepło wody termalnej, ale również okoliczne skały. Taki system zwiększy swoją całkowitą liczbę 4-5 razy. Problem zanieczyszczenia środowiska słoną wodą zostaje usunięty, ponieważ wraca ona do podziemnego horyzontu.
Ciepło w postaci gorącej wody lub pary dostarczane jest na powierzchnię, gdzie jest wykorzystywane albo bezpośrednio do ogrzewania budynków i domów, albo do produkcji energii elektrycznej. Przydatne jest również ciepło powierzchni Ziemi, które zwykle uzyskuje się przez wiercenie studni, gdzie nachylenie wzrasta o 1 ° C co 36 metrów.
Aby wchłonąć to ciepło, używają pompy ciepła… Gorąca woda i para są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej i bezpośredniego ogrzewania, a ciepło skoncentrowane w głębinach przy braku wody jest przetwarzane w użyteczną formę przez pompy ciepła. Energia magmy i ciepło gromadzące się pod wulkanami jest wydobywana w podobny sposób.
Ogólnie rzecz biorąc, istnieje wiele standardowych metod wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach geotermalnych, ale ponownie bezpośrednio lub w schemacie przypominającym pompę ciepła.
W najprostszym przypadku para jest po prostu kierowana rurociągiem do turbiny generatora elektrycznego. W złożonym schemacie para jest wstępnie oczyszczana, aby rozpuszczone substancje nie niszczyły rur. W schemacie mieszanym gazy rozpuszczone w wodzie są eliminowane po skropleniu pary wodnej w wodzie.
Wreszcie istnieje schemat binarny, w którym inna ciecz o niskiej temperaturze wrzenia (schemat wymiennika ciepła) działa jako chłodziwo (odbiera ciepło i obraca turbinę generatora).
Najbardziej obiecujące są próżniowe absorpcyjne pompy ciepła z wodą i chlorkiem litu. Te pierwsze podwyższają temperaturę wody termalnej ze względu na zużycie energii elektrycznej w próżniowej pompie wodnej.
Woda studzienna o temperaturze 60 — 90 ° C wchodzi do parownika próżniowego. Wytworzona para jest sprężana przez turbosprężarkę. Ciśnienie dobiera się w zależności od wymaganej temperatury chłodziwa.
Jeśli woda trafia bezpośrednio do systemu grzewczego, to ma 90 — 95 ° C, jeśli do sieci ciepłowniczych, to 120 — 140 ° C. W skraplaczu skroplona para oddaje swoje ciepło wodzie krążącej w ciepłownictwie miejskim sieci, systemy grzewcze i ciepłą wodę.
Jakie są inne możliwości zwiększenia wykorzystania energii geotermalnej?
Jeden z kierunków związany jest z wykorzystaniem w znacznym stopniu wyeksploatowanych złóż ropy i gazu.
Jak wiadomo, produkcja tego surowca na starych polach odbywa się metodą zalewania wodą, czyli pompowania wody do studni, która wypiera ropę i gaz z porów zbiornika.
W miarę postępu wyczerpywania się porowate zbiorniki wypełniają się wodą, która przejmuje temperaturę otaczających skał, a tym samym złoże przekształca się w kocioł geotermalny, z którego można jednocześnie wydobywać ropę naftową i pozyskiwać wodę do ogrzewania.
Oczywiście należy wykonać dodatkowe odwierty i stworzyć system cyrkulacji, ale będzie to znacznie tańsze niż zagospodarowanie nowego pola geotermalnego.
Inną opcją jest wydobywanie ciepła z suchych skał poprzez tworzenie sztucznych stref przepuszczalnych. Istotą metody jest tworzenie porowatości za pomocą eksplozji w suchych skałach.
Wydobywanie ciepła z takich systemów odbywa się w następujący sposób: wiercone są dwa odwierty w pewnej odległości od siebie. Do jednego pompowana jest woda, która przemieszczając się do drugiego przez powstałe pory i pęknięcia, odbiera ciepło ze skał, nagrzewa się, a następnie unosi na powierzchnię.
Takie eksperymentalne systemy działają już w Stanach Zjednoczonych i Anglii. W Los Alamos (USA) dwa odwierty — jeden o głębokości 2700 m, a drugi — 2300 m, są połączone szczelinowaniem hydraulicznym i wypełnione wodą obiegową podgrzaną do temperatury 185°C. W Anglii, w rejonie Rosemenius kamieniołom, woda jest podgrzewana do 80°C.
Elektrownia geotermalna
Ciepło planety jako źródło energii
W pobliżu włoskiego miasta Larederello kursuje kolej elektryczna zasilana suchą parą ze studni. System działa od 1904 roku.
Pola gejzerów w Japonii i San Francisco to dwa inne znane miejsca na świecie, które również wykorzystują suchą gorącą parę do wytwarzania energii elektrycznej. Jeśli chodzi o wilgotną parę, jej bardziej rozległe pola znajdują się w Nowej Zelandii, a mniejsze - w Japonii, Rosji, Salwadorze, Meksyku, Nikaragui.
Jeśli uznamy ciepło geotermalne za źródło energii, to jego rezerwy są dziesiątki miliardów razy większe niż roczne zużycie energii przez ludzkość na całym świecie.
Zaledwie 1% energii cieplnej skorupy ziemskiej, pobranej z głębokości 10 000 metrów, wystarczyłoby do pokrycia setek razy zapasów paliw kopalnych, takich jak ropa i gaz, nieustannie produkowanych przez ludzkość, co doprowadziłoby do nieodwracalnego wyczerpania zasobów naturalnych. podglebia i zanieczyszczenia środowiska.
Wynika to ze względów ekonomicznych. Ale elektrownie geotermalne mają bardzo umiarkowaną emisję dwutlenku węgla, około 122 kg na megawatogodzinę wytworzonej energii elektrycznej, czyli znacznie mniej niż emisje z wytwarzania energii z paliw kopalnych.
Przemysłowe perspektywy geoPE i energii geotermalnej
Pierwszy przemysłowy geoPE o mocy 7,5 MW powstał w 1916 roku we Włoszech. Od tego czasu zgromadzono bezcenne doświadczenie.
W 1975 roku łączna moc zainstalowana GeoPP na świecie wynosiła 1278 MW, aw 1990 roku już 7300 MW. Największe wolumeny rozwoju energii geotermalnej mają miejsce w Stanach Zjednoczonych, Meksyku, Japonii, na Filipinach i we Włoszech.
Pierwszy geoPE na terenie ZSRR powstał na Kamczatce w 1966 roku, jego moc wynosi 12 MW.
Od 2003 roku w Rosji działa geograficzna elektrownia Mutnovskaya, której moc wynosi obecnie 50 MW - jest to obecnie najpotężniejsza elektrownia geoelektryczna w Rosji.
Największym GeoPP na świecie jest Olkaria IV w Kenii o mocy 140 MW.
W przyszłości jest bardzo prawdopodobne, że energia cieplna magmy będzie wykorzystywana w tych rejonach planety, gdzie nie zalega ona zbyt głęboko pod powierzchnią Ziemi, a także energia cieplna nagrzanych skał krystalicznych, gdy zimna woda jest wpompowywana do wywierconego otworu na głębokość kilku kilometrów i gorąca woda wraca na powierzchnię lub do pary, po czym dostają ciepło lub wytwarzają prąd.
Powstaje pytanie – dlaczego obecnie tak mało jest zrealizowanych projektów wykorzystujących energię geotermalną? Przede wszystkim dlatego, że znajdują się w dogodnych miejscach, gdzie woda albo wylewa się na powierzchnię ziemi, albo leży bardzo płytko. W takich przypadkach nie jest konieczne wiercenie głębokich studni, które są najdroższą częścią zagospodarowania geotermii.
Wykorzystanie wód termalnych do zaopatrzenia w ciepło jest znacznie większe niż do produkcji energii elektrycznej, ale wciąż jest niewielkie i nie odgrywa znaczącej roli w energetyce.
Energia cieplna stawia dopiero pierwsze kroki, a obecne badania, prace eksperymentalno-przemysłowe powinny dać odpowiedź na skalę jej dalszego rozwoju.