Geoterminen energia ja sen käyttö, geotermisen energian näkymät

Maan sisällä on valtavasti lämpöenergiaa. Arviot täällä ovat edelleen melko erilaisia, mutta varovaisimpien arvioiden mukaan, jos rajoitamme 3 km:n syvyyteen, niin 8 x 1017 kJ geotermistä energiaa. Samaan aikaan sen todellisen soveltamisen laajuus maassamme ja ympäri maailmaa on merkityksetön. Mistä tässä on kysymys ja mitkä ovat maalämpöenergian käytön näkymät?

Geoterminen energia on maapallon lämmön energiaa. Maan luonnollisesta lämmöstä vapautuvaa energiaa kutsutaan geotermiseksi energiaksi. Maan lämpö yhdistettynä olemassa oleviin teknologioihin voi energialähteenä täyttää ihmiskunnan tarpeet monien, monien vuosien ajan. Eikä se edes kosketa lämpöä, joka virtaa liian syvälle alueilla, joihin ei ole tähän mennessä päästänyt.

Miljoonien vuosien ajan tämä lämpö vapautuu planeettamme suolistosta, ja ytimen jäähdytysnopeus ei ylitä 400 ° C miljardia vuotta kohden! Samaan aikaan Maan ytimen lämpötila eri lähteiden mukaan ei ole tällä hetkellä alempi kuin 6650 ° C ja laskee vähitellen sen pintaa kohti. Maapallosta säteilee jatkuvasti 42 biljoonaa wattia lämpöä, josta vain 2 % on maankuoressa.

Maan sisäinen lämpöenergia ilmenee ajoittain uhkaavasti tuhansien tulivuorten purkauksina, maanjäristyksinä, maankuoren liikkeinä ja muina vähemmän havaittavina, mutta ei vähemmän globaaleina luonnonprosesseina.

Tieteellinen näkemys tämän ilmiön syistä on, että maapallon lämmön synty liittyy jatkuvaan uraanin, toriumin ja kaliumin radioaktiiviseen hajoamiseen planeetan sisällä sekä aineen gravitaatioerotukseen. sen ytimessä.

Maankuoren graniittikerros 20 000 metrin syvyydessä on mantereiden radioaktiivisen hajoamisen päävyöhyke, ja valtamerien ylempi vaippa on aktiivisin kerros. Tutkijat uskovat, että mantereilla, noin 10 000 metrin syvyydessä, kuoren pohjan lämpötila on noin 700 ° C, kun taas valtamerissä lämpötila saavuttaa vain 200 ° C.

Kaksi prosenttia maankuoren geotermisestä energiasta on jatkuvasti 840 miljardia wattia, ja tämä on teknisesti saatavilla olevaa energiaa. Parhaat paikat tämän energian talteenottoon ovat mannerlaattojen reunojen lähellä olevat alueet, joissa kuori on paljon ohuempaa, sekä seismisen ja vulkaanisen toiminnan alueet, joissa maan lämpö ilmenee hyvin lähellä pintaa.

Missä ja missä muodossa geotermistä energiaa syntyy?

Tällä hetkellä geotermisen energian kehittäminen on aktiivisesti mukana: USA, Islanti, Uusi-Seelanti, Filippiinit, Italia, El Salvador, Unkari, Japani, Venäjä, Meksiko, Kenia ja muut maat, joissa lämpöä planeetan suolistosta nousee pintaan höyryn ja kuuman veden muodossa, poistuessaan 300 °C:n lämpötilassa.

Elävinä esimerkkeinä voidaan mainita Islannin ja Kamchatkan kuuluisat geysirit sekä Yhdysvaltojen Wyomingin, Montanan ja Idahon osavaltioissa sijaitseva kuuluisa Yellowstonen kansallispuisto, jonka pinta-ala on lähes 9 000 neliökilometriä.

Maalämpöenergiasta puhuttaessa on erittäin tärkeää muistaa, että se on pääosin matalapotentiaalista eli kaivosta poistuvan veden tai höyryn lämpötila ei ole korkea. Ja tämä vaikuttaa merkittävästi tällaisen energian käytön tehokkuuteen.

Tosiasia on, että sähkön tuotannossa nykyään on taloudellisesti tarkoituksenmukaista, että jäähdytysnesteen lämpötila on vähintään 150 ° C. Tässä tapauksessa se lähetetään suoraan turbiiniin.

On laitteistoja, joissa käytetään alhaisemman lämpötilan vettä. Niissä geoterminen vesi lämmittää toissijaista jäähdytysnestettä (esimerkiksi freonia), jolla on alhainen kiehumispiste. Syntynyt höyry kääntää turbiinin. Mutta tällaisten laitosten kapasiteetti on pieni (10 - 100 kW) ja siksi energiakustannukset ovat korkeammat kuin korkean lämpötilan vettä käyttävissä voimalaitoksissa.

GeoPP Uudessa-Seelannissa

Geotermiset kerrostumat ovat huokoisia kallioita, jotka on täytetty kuumalla vedellä. Ne ovat pohjimmiltaan luonnollisia geotermiä kattiloita.

Mutta entä jos maan pinnalle käytettyä vettä ei heitettä pois, vaan palautetaan kattilaan? Kiertojärjestelmän luominen? Tässä tapauksessa ei käytetä vain lämpöveden lämpöä, vaan myös ympäröiviä kiviä. Tällainen järjestelmä lisää sen kokonaismäärää 4-5 kertaa. Suolaveden aiheuttama ympäristön saastuminen poistetaan, kun se palaa maanalaiseen horisonttiin.

Kuuman veden tai höyryn muodossa lämpö johdetaan pintaan, jossa se käytetään joko suoraan rakennusten ja talojen lämmitykseen tai sähkön tuotantoon. Hyödyllinen on myös maan pintalämpö, ​​joka yleensä saavutetaan poraamalla kaivoja, joissa gradientti kasvaa 1 °C 36 metrin välein.

He käyttävät tämän lämmön imemiseen lämpöpumput… Kuumaa vettä ja höyryä käytetään sähkön tuottamiseen ja suoraan lämmitykseen, ja veden puuttuessa syvälle keskittynyt lämpö muunnetaan hyödylliseen muotoon lämpöpumpuilla. Magman energia ja tulivuorten alle kerääntyvä lämpö otetaan talteen samalla tavalla.

Yleisesti ottaen on olemassa useita standardimenetelmiä sähkön tuottamiseen geotermisissä voimalaitoksissa, mutta jälleen joko suoraan tai lämpöpumppumaisesti.

Yksinkertaisimmassa tapauksessa höyry ohjataan yksinkertaisesti putkilinjan kautta sähkögeneraattorin turbiiniin. Monimutkaisessa järjestelmässä höyry esipuhdistetaan, jotta liuenneet aineet eivät tuhoa putkia. Sekakaaviossa veteen liuenneet kaasut eliminoidaan höyryn kondensoitumisen jälkeen veteen.

Lopuksi on olemassa binäärikaavio, jossa toinen neste, jolla on alhainen kiehumispiste (lämmönvaihdinkaavio) toimii jäähdytysaineena (ottaakseen lämpöä ja kääntääkseen generaattorin turbiinia).

Lupaavimpia ovat tyhjiöabsorptiolämpöpumput vedellä ja litiumkloridilla. Ensimmäiset nostavat lämpöveden lämpötilaa tyhjiövesipumpun sähkönkulutuksen vuoksi.

Tyhjiöhaihduttimeen tulee kaivon vesi, jonka lämpötila on 60–90 °C. Syntynyt höyry puristetaan turboahtimella. Paine valitaan vaaditun jäähdytysnesteen lämpötilan mukaan.

Jos vesi menee suoraan lämmitysjärjestelmään, niin se on 90 — 95 °C, jos lämmitysverkkoihin, niin 120 — 140 °C. Lauhduttimessa lauhdutettu höyry luovuttaa lämpönsä kaupunkilämmityksessä kiertävälle vedelle. verkot, lämmitysjärjestelmät ja kuuma vesi .

Mitä muita vaihtoehtoja on lisätä geotermisen energian käyttöä?

Yksi suuntauksista liittyy pitkälti ehtyneiden öljy- ja kaasuesiintymien käyttöön.

Kuten tiedät, tämän raaka-aineen tuotanto vanhoilla pelloilla tapahtuu veden tulvimismenetelmällä, eli vettä pumpataan kaivoihin, mikä syrjäyttää öljyn ja kaasun säiliön huokosista.

Huokoiset säiliöt täyttyvät tyhjentymisen edetessä vedellä, joka omaksuu ympäröivien kivien lämpötilan ja siten kerrostumat muuttuvat maalämpökattilaksi, josta voidaan samanaikaisesti ottaa öljyä ja saada vettä lämmitykseen.

Tietysti lisäkaivoja on porattava ja kiertojärjestelmä luotava, mutta tämä on paljon halvempaa kuin uuden geotermisen kentän kehittäminen.

Toinen vaihtoehto on ottaa lämpöä pois kuivista kivistä muodostamalla keinotekoisia läpäiseviä vyöhykkeitä. Menetelmän ydin on luoda huokoisuutta käyttämällä räjähdyksiä kuiviin kiviin.

Lämmön poisto tällaisista järjestelmistä suoritetaan seuraavasti: kaksi kaivoa porataan tietyllä etäisyydellä toisistaan. Vesi pumpataan yhteen, joka siirtyessään toiseen muodostuneiden huokosten ja halkeamien kautta poistaa lämpöä kivistä, lämpenee ja nousee sitten pintaan.

Tällaisia ​​kokeellisia järjestelmiä on jo käytössä Yhdysvalloissa ja Englannissa. Los Alamosissa (USA) kaksi kaivoa - toinen syvyys 2700 m ja toinen - 2300 m on yhdistetty hydraulisella murtolla ja täytetty kiertovedellä, joka on lämmitetty 185 °C:n lämpötilaan. Englannissa Rosemeniusissa louhos, vesi lämmitetään 80 °C:seen.

Geoterminen voimalaitos

Planeetan lämpö energialähteenä

Lähellä italialaista Larederellon kaupunkia kulkee sähkörautatie, joka saa voimansa kaivosta tulevalla kuivalla höyryllä. Järjestelmä on ollut käytössä vuodesta 1904.

Geysirkentät Japanissa ja San Franciscossa ovat kaksi muuta kuuluisaa paikkaa maailmassa, jotka myös käyttävät kuivaa kuumaa höyryä sähkön tuottamiseen. Kostean höyryn osalta sen laajemmat kentät ovat Uudessa-Seelannissa ja pinta-alaltaan pienempiä - Japanissa, Venäjällä, El Salvadorissa, Meksikossa, Nicaraguassa.

Jos tarkastellaan maalämpöä energialähteenä, sen varannot ovat kymmeniä miljardeja kertoja suuremmat kuin ihmiskunnan vuotuinen energiankulutus maailmanlaajuisesti.

Vain yksi prosentti maankuoren lämpöenergiasta 10 000 metrin syvyydestä otettuna riittäisi peittämään satoja kertoja ihmiskunnan jatkuvasti tuottamien fossiilisten polttoaineiden, kuten öljyn ja kaasun, varannot, mikä johtaisi peruuttamattomasti ehtymiseen. maaperää ja ympäristön saastumista.

Tämä johtuu taloudellisista syistä. Mutta geotermisten voimaloiden hiilidioksidipäästöt ovat erittäin maltilliset, noin 122 kg tuotettua sähköä megawattituntia kohden, mikä on huomattavasti vähemmän kuin fossiilisten polttoaineiden sähköntuotannon päästöt.

Industrial GeoPE ja geotermisen energianäkymät

Ensimmäinen teollinen geoPE, jonka kapasiteetti oli 7,5 MW, rakennettiin vuonna 1916 Italiassa. Sen jälkeen on kertynyt arvokasta kokemusta.

Vuodesta 1975 GeoPP:n asennettu kokonaiskapasiteetti maailmassa oli 1278 MW ja vuonna 1990 se oli jo 7300 MW. Eniten geotermistä energiaa kehitetään Yhdysvalloissa, Meksikossa, Japanissa, Filippiineillä ja Italiassa.

Ensimmäinen geoPE Neuvostoliiton alueella rakennettiin Kamtšatkassa vuonna 1966, sen kapasiteetti on 12 MW.

Vuodesta 2003 lähtien Venäjällä on toiminut Mutnovskajan maantieteellinen voimalaitos, jonka teho on nyt 50 MW – se on tällä hetkellä Venäjän tehokkain geosähkövoimalaitos.

Maailman suurin GeoPP on Olkaria IV Keniassa, jonka kapasiteetti on 140 MW.

Tulevaisuudessa on hyvin todennäköistä, että magman lämpöenergiaa käytetään planeetan niillä alueilla, joilla se ei ole liian syvällä maan pinnan alla, samoin kuin kuumennettujen kiteisten kivien lämpöenergiaa, kun kylmä vesi pumpataan usean kilometrin syvyyteen porattuun reikään ja kuuma vesi palautetaan pintaan tai höyryyn, jonka jälkeen ne lämpenevät tai tuottavat sähköä.

Herää kysymys - miksi tällä hetkellä on niin vähän valmiita hankkeita, joissa käytetään geotermistä energiaa? Ensinnäkin siksi, että ne sijaitsevat suotuisissa paikoissa, joissa vesi joko kaatuu maan pinnalle tai sijaitsee erittäin matalalla. Tällaisissa tapauksissa ei tarvitse porata syviä kaivoja, jotka ovat kallein osa geotermisen energian kehittämistä.

Lämpövesien käyttö lämmöntuotantoon on paljon suurempaa kuin sähkön tuotantoon, mutta ne ovat edelleen pieniä eikä niillä ole merkittävää roolia energia-alalla.

GLämpöenergia ottaa vasta ensiaskeleita ja nykyisen tutkimuksen, kokeellisen teollisen työn pitäisi antaa vastaus sen jatkokehityksen laajuuteen.