Тепло земных недр это какой ресурс

1.4. Использование тепла земных недр

Геотермальные ресурсы разделяют на повсеместно распростра­ненные и локализованные. Повсеместно распространенные гео­термальные ресурсы представлены теплом, которое аккумулирова­но твердыми горными породами. Локализованные геотермальные ресурсы — это участки земной коры с аномально высокими темпера­турами. Они представлены очагами магмы, высокотемпературными газами, парами и водами. Повсеместно распространенные геотер­мальные ресурсы в пределах суши на глубинах до 8км составляют примерно 8∙10 23 кДж. Локализованные геотермальные ресурсы мож­но оценить лишь весьма приближенно по количеству подздемных вод и их температуре на заданной глубине. Полагают, что теплосодержа­ние подземных вод в толще земной коры до 5 км составляет около 16·10 18 кДж, а в толще до 8 км — 26,8·10 18 кДж. Локализованные геотермальные ресурсы имеют более высокую концентрацию, но меньше по абсолютному значению, чем повсеместно распространен­ные.

В настоящее время практическое применение находит тепло парогидротерм и термальных вод в России, Италии, Исландии, Новой Зеландии, Японии, США, Мексике, Венгрии (всего в 80 пунктах земного шара).

В основном это тепло используется для теплофикации и частич­но для выработки электроэнергии. Впервые электроэнергия на базе использования тепла термальных вод была получена в Италии в 1889 г. В России на базе термальных вод функционирует Паратунская электростанция на Камчатке. Суммарная мощность всех электро­станций в мире, работающих на базе термальных вод, невелика и составляет в настоящее время около 1 млн кВт. Самая мощная элек­тростанция такого типа функционирует в Италии. Ее мощность до­стигает 320 мВт. В России прогнозируется создание более мощной электростанции в районе г. Махачкалы на базе термальных вод с температурой до 423К (150°С), которые будут добывать с помощью скважины, пробуренной на глубину до 5 км. Широкие возможности по использованию энергии термальных вод имеются в районах Сиби­ри и юго-восточных районов России, где разведано более 50 бассейнов термальных вод с температурой 353-393 К (80÷120°С), а в вулкани­ческих районах до 573 К (300°С).

С точки зрения энергетики будущего большой интерес представ­ляет использование глубинного тепла горных пород, залегающих на глубинах до 6-8 км, имеющих температуру 423-473К (150÷200 0 С). В настоящее время ведутся исследования по разработке систем извле­чения геотермических ресурсов.

Системой извлечения называется комплекс естественных и ис­кусственных каналов и технических средств вывода тепла из недр земной коры на поверхность. Система извлечения включает в себя породные теплообменники, вскрывающие каналы, подвижный теп­лоноситель, комплекс технических средств.

Породные теплообменники представляют собой объемные обла­сти массива горных пород с повышенной температурой, большой теплообменной поверхностью и проницаемостью, достаточной для фильтрации жидкого теплоносителя. Основной задачей породных теплообменников является интенсификация процесса отбора тепла от массива горных пород и передача его жидкому теплоносителю. Породные теплообменники могут быть естественными или искусст­венными, создаваемыми с помощью специальных взрывов в одной скважине или в серии скважин.

Вскрывающие каналы служат для отвода на земную поверх­ность теплоносителя. Они могут быть также естественными и искус­ственными. В качестве естественных вскрывающих каналов могут служить пористые пласты или трещиноватые породы, залегающие в массиве непроницаемых пород, соединяющие породные теплообмен­ники с земной поверхностью. Искусственные вскрывающие каналы представляют собой скважину или систему скважин, пробуренных до глубины залегания породных теплообменников.

В качестве подвижного теплоносителя могут быть газы, пары парогазовые смеси, вода. Подвижные теплоносители подразделяют на природные (эндогенные) и нагнетаемые с земной поверхности к породному теплообменнику (техногенные).

Движение теплоносителя по вскрывающим каналам может быть естественным и принудительным. Естественное движение имеет ме­сто в том случае, когда давление в породном теплообменнике достаточно для перемещения теплоносителя по вскрывающим каналам на темную поверхность.

В этом случае подпитка породного теплообменника жидким теп­лоносителем осуществляется за счет естественной циркуляции или за счет термодиффузии влаги в массиве.

Принудительное движение теплоносителя по вскрывающим ка­налам возможно обеспечить путем нагнетания его через подающую скважину или систему подающих скважин к породному теплообмен­нику с последующей откачкой теплоносителя через заборную сква­жину. Нагнетаемый в теплообменник теплоноситель (нисходящий поток) отличается от откачиваемого (восходящий поток) не только температурой и теплосодержанием, но и агрегатным и химическим составом.

Задачей комплекса технических средств является улавливание и сбор теплоносителя, поддержание заданного напора и расхода ни­сходящего и восходящего потоков теплоносителя, отбор тепла от выведенного на поверхность теплоносителя и изменение его агрегат­ного и химического состава, передача тепла от получаемого теплоно­сителя рабочему теплоносителю с заданными параметрами.

В настоящее время вполне реальными являются проекты использования геотермальных ресурсов с применением искусственных покрывающих каналов и зон повышенной трещиноватости массива на рабочих горизонтах (породных теплообменников). Теплопроизводительность породного теплообменника (количество тепла, отдавае­мое теплоносителю в единицу времени) зависит от его объема и температуры пород. С целью вовлечения в активную область тепло­обмена с теплоносителем как можно большего объема пород рекомен­дуют создавать одну нагнетательную скважину и несколько отводя­щих. Нагнетательная скважина служит для нагнетания в породный теплообменник теплоносителя (воды), а отводящие скважины — для отвода нагретого теплоносителя от породного теплообменника до земной поверхности. На уровне рабочего горизонта каждую отводя­щую скважину состыковывают с нагнетательной путем искривления ствола скважин при их бурении. Искривленные участки скважин на уровне рабочего горизонта подвергают торпедированию с целью со­здания продольных (вдоль скважин) зон дробления массива с повышенной проницаемостью, которые в совокупности представляют по­родный теплообменник.

Соединение вертикальной нагнетательной скважины с каждой отводящей может быть осуществлено, если последние будут пробуре­ны под некоторым углом к вертикали в направлении нагнетательной скважины так, чтобы их соединение произошло на уровне рабочего горизонта. При этом топедированию подвергаются нижние участки отводящих скважин. В этом случае теплопроизводительность пород­ного теплообменника будет ниже по сравнению с вариантом искрив­ленных на уровне рабочего горизонта отводящих скважин, так как объем породного теплообменника будет меньше. Под объемом пород­ного теплообменника понимают объем зоны дробления массива на уровне рабочего горизонта с повышенной проницаемостью.

Геотермальная энергетика: как тепло Земли превратили в эффективный энергоресурс

Дано: внутри Земли имеется горячее ядро, с его помощью нужно выработать электричество.
Вопрос: как это сделать?
Ответ: построить геотермальную электростанцию.
Разбираемся, как именно, откуда под землёй пар и много ли пользы от такой электростанции.

Самый старый и самый популярный на сегодняшний день метод получения электричества в промышленных масштабах — это вращение турбины генератора мощным потоком горячего пара от вскипевшей из-за принудительного разогрева воды. Если вдуматься, то и в угольной ТЭС, и в современной АЭС суть работы сводится к кипячению воды с той лишь разницей, что в ТЭС для этого сжигается уголь, а в реакторе АЭС её кипятят нагревающиеся в результате управляемой цепной реакции ТВЭЛы.

Но зачем греть воду, если в некоторых местах она поступает из-под земли уже горячей? Нельзя ли использовать её напрямую? Можно: в 1904 году итальянец Пьеро Джинори Конти запустил первый генератор, работавший от пара естественных геотермальных источников, в изобилии присутствующих в Италии. Так появилась первая в мире геотермальная электростанция, которая работает до сих пор.

Впрочем, чтобы обеспечить геотермальной электростанции приемлемые КПД и стоимость, нужна вода определённой температуры, находящаяся не глубже определённого уровня. Если вы захотите построить геотермальную электростанцию (скажем, на своём дачном участке), вам для начала придётся заняться бурением скважин до водоносных слоёв, где вода под огромным давлением разогревается до 150-200 °C и готова выйти на поверхность в виде перегретого кипятка или пара. Ну а далее, подобно электростанциям на ископаемом топливе, поступающий пар будет вращать турбину, которая приведёт в действие генератор, вырабатывающий электричество. Использовать естественное тепло планеты для получения пара — это и есть геотермальная энергетика. А теперь перейдём к деталям.

Немного о тепле Земли

Температура поверхности твёрдого ядра Земли на глубине около 5100 км равна примерно 6000 °C. При приближении к земной коре температура постепенно снижается.

Понятный график изменений температуры породы по мере продвижения к центру Земли. Источник: Wikimedia / Bkilli1

Так называемый геотермический градиент — изменение температуры на определенном участке земной толщи, — в среднем составляет 3 °C на каждые 100 метров. То есть в шахте на глубине 1 км будет стоять тридцатиградусная жара —кто бывал в такой шахте, это подтвердит. Но в зависимости от региона температурный градиент меняется — например, в Кольской сверхглубокой скважине на горизонте 12 км была зафиксирована температура 220 °C, а в некоторых местах планеты, у тектонических разломов и зонах вулканической активности, для достижения аналогичных температур достаточно пробурить от нескольких сотен метров до нескольких километров, обычно от 0,5 до 3 км. В американском штате Орегон геотермический градиент 150 °C на 1 км, а в Южной Африке всего 6 °C на 1 км. Отсюда вывод: где угодно хорошую геотермальную станцию не построишь (перед началом работ убедитесь, что ваш дачный участок находится в подходящем месте). Как правило, подходящие места те, где сильная геологическая активность — часто происходят землетрясения и имеются действующие вулканы.

Виды геотермальных электростанций

В зависимости от того, какой источник геотермальной энергии имеется в наличии (скажем, в вашем ДСК), вы будете выбирать тип электростанции. Разберёмся, какие они бывают.

Гидротермальная станция

Упрощенная схема гидротермальной электростанции прямого цикла будет понятна даже ребенку: из земли по трубе поднимается горячий пар, который раскручивает турбину генератора, а после устремляется в атмосферу. Всё действительно так просто, если нам повезло найти подходящий источник пара.

ГеоТЭС прямого цикла. Источник: Save On Energy

Если из имеющейся у вас в наличии скважины бьёт не пар, а пароводяные смеси с температурой выше 150 °C, то потребуется станция комбинированного цикла. Перед турбиной сепаратор будет отделять пар от воды — пар отправится в турбину, а горячая вода либо будет сброшена в скважину, либо перейдет в расширитель, где в условиях низкого давления отдаст дополнительный пар для турбины.

Если вашему дачному посёлку не повезло с горячими источниками — например, если температура воды из-под земли составляет меньше 100 °C на экономически приемлемой глубине, — а ГеоТЭС иметь очень хочется, то потребуется строить сложную бинарную геотермальную станцию, цикл которой был изобретен в СССР. В ней жидкость из скважины вообще не подается на турбину ни в каком виде. Вместо этого в теплообменнике она разогревает другую рабочую жидкость с меньшей температурой кипения, которая, превращаясь в пар, раскручивает турбину, конденсируется и вновь возвращается в теплообменную камеру. В роли таких рабочих жидкостей может выступать, например, фреон, один из видов которого (фтордихлорбромметан) кипит уже при 51,9 °C. Бинарный цикл можно сочетать с комбинированным, когда на одну турбину будет подаваться пар, а отделенная вода направится в другой контур для разогрева теплоносителя с низкой температурой кипения.

ГеоТЭС бинарного цикла. Источник: Save On Energy

Петротермальная станция

Разогретые подземные источники — весьма редкое явление в масштабах планеты, как вы, наверное, могли заметить, что резко ограничивает потенциальную область внедрения геотермальной энергетики, поэтому был разработан альтернативный подход: если в горячей глубине земной коры нет воды, значит, ее нужно туда закачать. Петротермальный принцип подразумевает закачку воды в глубокую скважину с разогретой породой, где жидкость превращается в пар и возвращается обратно на турбину электростанции.

Упрощенная схема петротермальной электростанции

Необходимо пробурить как минимум две скважины: в одну с поверхности будет подаваться вода, чтобы от тепла пород превратиться в пар и выйти через другую скважину. А далее процесс получения электроэнергии будет полностью аналогичен гидротермальной станции.

Естественно, соединить под землей на глубине нескольких километров две скважины нереально — вода между ними сообщается за счет разломов, образующихся в результате закачивания жидкости под огромным давлением (гидроразрыв). Чтобы расщелины и пустоты не закрылись со временем, к воде добавляют гранулы, например, песок.

В среднем одна скважина для петротермального процесса дает поток пароводяной смеси, достаточный для генерации 3-5 МВт энергии. Пока такие системы на промышленном уровне нигде не реализованы, но работы ведутся, в частности, в Японии и Австралии.

Преимущества геотермальной энергетики

Из сказанного выше следует, что использование тепла Земли для получения электричества в промышленных масштабах, предприятие недешёвое. Но весьма выгодное по ряду причин.

Неисчерпаемость. Электростанции на ископаемом топливе — природном газе, угле, мазуте — сильно зависят от поставок этого самого топлива. Причем опасность заключается не только в прекращении поставок из-за бедствий или изменения политической ситуации, но и в незапланированном скачкообразном росте цен на сырье. В начале 1970-х годов из-за политической турбулентности на Ближнем Востоке разразился топливный кризис, который привел к росту цен на нефть в четыре раза. Кризис дал новый толчок развитию электротранспорта и альтернативных видов энергетики. Одним из плюсов использования земного тепла является его практическая неисчерпаемость (в результате действий человека, по крайней мере). Ежегодный тепловой поток Земли к поверхности составляет порядка 400 000 ТВт·ч в год, что в 17 раз больше, чем за тот же период вырабатывают все электростанции планеты. Температура ядра Земли составляет 6000 °C, а скорость остывания оценивается в 300-500 °C за 1 млрд лет. Не стоит беспокоиться о том, что человечество способно ускорить этот процесс бурением скважин и закачкой туда воды — падение температуры ядра на 1 градус высвобождает 2·1020 кВт·ч энергии, что в миллионы раз больше ежегодного потребления электроэнергии всем человечеством.

Стабильность. Ветряные и солнечные электростанции крайне чувствительны к погоде и времени дня. Нет солнечного света — нет выработки, станция отдает запас из аккумуляторов. Ослаб ветер — вновь нет выработки, опять в дело вступают батареи с отнюдь не бесконечной емкостью. При соблюдении техпроцессов по обратной отдаче воды в скважину гидротермальная электростанция будет беспрерывно функционировать в режиме 24/7.

Компактность и удобство для сложных районов. Электроснабжение отдаленных областей с изолированной инфраструктурой — задача непростая. Она осложняется еще больше, если район имеет плохую транспортную доступность, а рельеф не походит для строительства традиционных электростанций. Одним из важных плюсов геотермальных электростанций стала их компактность: так как теплоноситель берётся в буквальном смысле из земли, на поверхности строится машинный зал с турбиной и генератором и градирня, которые вместе занимают очень мало места.

Геотермальная станция с выработкой 1 ГВт·ч/год займет площадь 400 м2 — даже в гористой местности геотермальной электростанции потребуется очень небольшой участок и автомобильная дорога. Для солнечной станции с такой же выработкой потребуется 3240 м2, для ветряной — 1340 м2.

Экологичность. Само по себе функционирование геотермальной станции практически безвредно: её выброс углекислого газа в атмосферу оценивается в 45 кг CO2 на 1 кВт·ч выработанной энергии. Для сравнения: у угольных станций на тот же киловатт-час приходится 1000 кг CO2, у нефтяных — 840 кг, газовых — 469 кг. Впрочем, на атомные станции приходится всего 16 кг — уж чего-чего, а углекислого газа они производят минимум.

Возможность параллельной добычи полезных ископаемых. Удивительно, но факт: на некоторых энергоблоках ГеоТЭС, помимо электроэнергии, добывают газы и металлы, растворенные в поступающей из-под земли пароводяной смеси. Их можно было бы просто пустить вместе с отработанным конденсированным паром обратно в скважину, но, учитывая, какие объемы полезных элементов проходят через геотермальную электростанцию, разумнее наладить их добычу. В некоторых районах Италии пар из скважин содержит 150-700 мг борной кислоты на каждый килограмм пара. Одна из местных гидротермических электростанций на 4 МВт расходует 20 кг пара в секунду, поэтому добыча борной кислоты там поставлена на промышленную основу.

Недостатки геотермальной энергетики

Рабочая жидкость опасна. Как было отмечено выше, ГеоТЭС не вырабатывают дополнительных токсичных выбросов, лишь только небольшой объем углекислого газа, на порядок меньший, чем у газовых ТЭС. Что, впрочем, не значит, что подземные воды и пар — это всегда чистые субстанции, сродни минеральной питьевой воде. Пароводяная смесь из земных глубин насыщена газами и тяжелыми металлами, которые свойственны конкретному участку земной коры: свинец, кадмий, мышьяк, цинк, сера, бор, аммиак, фенол и так далее. В некоторых случаях по трубам к ГеоТЭС течёт такой впечатляющий коктейль, что его сброс в атмосферу или водоемы немедленно вызовет локальную экологическую катастрофу.

Результат воздействия геотермальной воды на металлы.

При соблюдении всех требований безопасности пар, отправляемый в атмосферу, тщательно фильтруется от металлов и газов, а конденсат закачивается обратно в скважину. Но в случае нештатных ситуаций или намеренного нарушения технического регламента геотермальная станция может нанести окружающей среде некоторый урон.

Высокая стоимость за киловатт. Несмотря на относительную простоту конструкции ГеоТЭС, первичные вложения в их строительство немалые. Много средств уходит на геологоразведку и анализ, в результате чего себестоимость геотермальных станций колеблется на уровне $2800/кВт установленной мощности. Для сравнения: ТЭС — $1000/кВт, ветряки — $1600/кВт, солнечная электростанция — $1800-2000/кВт, АЭС — около $6000/кВт. Причём для ГеоТЭС приведена усреднённая стоимость, которая может сильно варьироваться в зависимости от страны, рельефа, химического состава пара и глубины бурения.

Относительно низкая мощность. ГеоТЭС в принципе пока не могут сравниться по выработке электроэнергии с ГЭС, АЭС и ТЭС. Даже при бурении большого количества скважин поток пара все равно будет невелик, а произведённого электричества хватит лишь для небольших населённых пунктов.

Самый мощный на 2019 год геотермальный энергокомплекс The Geysers раскинулся на площади 78 км2 в Калифорнии, США. Он состоит из 22 гидротермальных станций и 350 скважин с общей установленной мощность 1517 МВт (реальная выработка 955 МВт), которые покрывают до 60% энергопотребностей северного побережья штата. Мощность всего The Geysers сопоставима с советским реактором РБМК-1500, когда-то работавшем на Игналинской АЭС, где их было два, а сама АЭС располагалась на площади 0,75 км2. ГеоТЭС с выработкой 200-300 МВт считаются очень мощными, большинство же станций по миру оперируют двузначными числами.

Гидротермальная комбинированная станция комплекса The Geysers в Калифорнии. И таких там 22. Источник: Wikimedia / Stepheng3

Где всё это работает и насколько это перспективно

По состоянию на 2018 год во всем мире геотермальные электростанции вырабатывают более 14,3 ГВт энергии, тогда как в 2007 году производили всего 9,7 ГВт. Да, не геотермальная революция, но рост налицо.

Лидером по геотермальной выработке является США со своими 3591 МВт. Впечатляющее значение, которое, однако, составляет всего 0,3% от общей выработки страны. Далее идет Индонезия с 1948 МВт и 3,7%. А вот на третьем месте начинается интересное: на Филиппинах геотермальные электростанции имеют установленную мощность 1868 МВт, при этом на них приходится 27% электричества страны. А в Кении — и вовсе 51%! Япония также входит в десятку лидеров по количеству киловатт, выработанных ГеоТЭС.

Первая геотермальная электростанция, «Мацукава», открылась в Японии в 1966 году. Она вырабатывала 23,5 МВт, а турбину и генератор для неё произвела Toshiba. В 2010-х годах геотермальная энергия стала наиболее востребованной в странах Африки, где началось активное заключение контрактов и строительство ГеоТЭС. В 2015 году в Кении была открыта станция Olkaria IV, одна из четырёх, находящаяся в зоне Олкария в 120 км от Найроби, с мощностью 140 МВт. С ее помощью правительство снижает зависимость от гидроэлектростанций, сброс воды из которых часто приводит к разрушительным наводнениям.

ГеоТЭС Olkaria IV в Кении. Olkaria V и Olkaria VI планируют ввести в строй в 2021 году. Источник: Toshiba

ГеоТЭС активно строят также в Уганде, Танзании, Эфиопии и Джибути.

В России развитие геотермальной энергетики идет очень неторопливыми темпами, так как в строительстве дополнительных электростанций нет особой необходимости. В 2015 году на долю таких станций приходилось всего 82 МВт.

Паужетская геотермальная станция, построенная на Камчатке в 1966 году, была первой в СССР. Ее изначальная установленная мощность составляла всего 5 МВт, сейчас она доведена до 12 МВт. Вслед за ней появилась Паратунская станция с мощностью всего 600 кВт — первая бинарная ГеоТЭС в мире.

Сейчас в России действуют только четыре станции, три из них питают Камчатку, ещё одна, Менделеевская ГеоТЭС на 3,6 МВт, снабжает остров Кунашир Курильской гряды.

На нашей планете есть немало способов добычи электроэнергии без помощи ископаемого топлива. Какие-то из них, например, солнечная и ветряная энергия, успешно используются уже сейчас. Какие-то, вроде водородных топливных ячеек, пока пребывают на начальной стадии адаптации. Геотермальная энергетика — это наш задел на будущее, раскрыть потенциал которого в полной мере нам еще только предстоит.

Геотермальная энергетика: преимущества и перспективы

В последнее время не возобновляемые источники электрической энергии всё больше теряют свои позиции. Традиционный метод получения энергии от сжигания угля перестаёт быть самым эффективным, так как напрямую ведёт к экологическим нарушениям среды обитания человека.

На первый план выходят возобновляемые источники энергии, к которым относятся геотермальные источники, позволяющие получать электрическую или тепловую энергию из недр Земли.

Геотермальная энергия

Уже из названия понятно, что она представляет собой тепло земных недр. Под земной корой располагается слой магмы, являющийся огненно-жидким силикатным расплавом. Согласно данным исследований, энергетический потенциал этого тепла намного выше энергии мировых запасов природного газа, а также нефти. На поверхность выходит магма — лава. Причем наибольшая активность наблюдается в тех слоях земли, на которых находятся границы тектонических плит, а также там, где земная кора характеризуется тонкостью. Геотермальная энергия земли получается следующим образом: лава и водные ресурсы планеты соприкасаются, в результате чего вода начинает резко нагреваться. Это приводит к извержению гейзера, формированию так называемых горячих озер и подводных течений. То есть именно тем явлениям природы, свойства которых активно используются как неиссякаемый источник энергии.

Искусственные геотермальные источники

Энергия, содержащаяся в недрах земли, должна использоваться грамотно. Например, есть идея создания подземных котлов. Для этого нужно пробурить две скважины достаточной глубины, которые будут соединяться внизу. То есть получается, что практически в любом уголке суши можно получать геотермальную энергию промышленным способом: через одну скважину будет закачиваться холодная вода в пласт, а через вторую – извлекаться горячая вода или пар. Искусственные источники тепла будут выгодны и рациональны, если получаемое тепло будет давать больше энергии. Пар можно направлять в турбогенераторы, в которых будет вырабатываться электричество.

Конечно, отобранное тепло – это всего лишь доля того, что имеется в общих запасах. Но следует помнить, что глубинный жар будет постоянно пополняться вследствие процессов радиоактивного распада, сжатия горных пород, расслоения недр. Как говорят специалисты, земная кора аккумулирует тепло, общее количество которого в 5000 раз больше теплотворной способности всех ископаемых недр земли в целом. Получается, что время работы подобных искусственно созданных геотермальных станций может быть неограниченным.

Перспективы освоения геотермальных ресурсов в России

Энергоизбыточность России, основанная на обилии гидроэнергетических сооружений, понемногу снижается. Если не принимать серьезные меры уже сегодня, может наступить момент, когда объемы выработки энергии снизятся до критических величин. Возможности использования геотермальной энергии в России невелики, поскольку наличие горячих источников и их мощность не позволяют делать основную ставку на этот вид энергии. Тем не менее, в регионах, обладающих такими возможностями, использование геотермальной энергетики является одним из приоритетных направлений.

Ведутся серьезные исследования состояния источников, их объемы, рассматриваются перспективы и возможные последствия от работы геотермальных электростанций. На сегодня существующие геотермальные станции сосредоточены, в основном, на Камчатке и Сахалине, но, с развитием технологий, количество и мощность российских ГеоТЭС будут существенно увеличены.

Особенности источников

Источники, позволяющие получить геотермальную энергию, практически невозможно использовать полностью. Существуют они в 60 с лишним странах мира, при этом больше всего наземных вулканов на территории Тихоокеанского вулканического огненного кольца. Но на практике оказывается, что геотермальные источники в разных регионах мира совершенно разные по своим свойствам, а именно средней температуре, минерализации, газовому составу, кислотности и так далее.

Гейзеры – источники энергии на Земле, особенности которых в том, что они с определенными промежутками извергают кипящую воду. После того как произошло извержение, бассейн становится свободным от воды, на его дне можно заметить канал, который уходит глубоко в землю. Гейзеры как источники энергии используются в таких регионах, как Камчатка, Исландия, Новая Зеландия и Северная Америка, а одиночные гейзеры встречаются и в некоторых других областях.

Примечания

1. https://nuclphys.sinp.msu.ru/ran/ran01.htm
2. В Кении запустили самую мощную в Мире ГеоТЭС. greenevolution.ru (03.11.2014).
3. Tiwari, G. N.; Ghosal, M. K. Renewable Energy Resources: Basic Principles and Applications.
   Alpha Science Int’l Ltd., 2005 ISBN 1-84265-125-0
4. IPENZ Engineering Heritage. Ipenz.org.nz. Retrieved 13 December 2013.
5. ↑ 12
   Lund, J. (September 2004), «100 Years of Geothermal Power Production»,
   Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin
   (Klamath Falls, Oregon: Oregon Institute of Technology) . — Т. 25 (3): 11–19, ISSN 0276-1084, <https://geoheat.oit.edu/bulletin/bull25-3/art2.pdf>. Проверено 13 апреля 2009.
6. McLarty, Lynn & Reed, Marshall J. (October 1992), «The U.S. Geothermal Industry: Three Decades of Growth», Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects
   (London: Taylor & Francis) . — Т. 14 (4): 443–455, doi:10.1080/00908319208908739, <https://geotherm.inel.gov/publications/articles/mclarty/mclarty-reed.pdf>. Проверено 29 июля 2013.
7. Erkan, K.; Holdmann, G.; Benoit, W. & Blackwell, D. (2008), «Understanding the Chena Hot Springs, Alaska, geothermal system using temperature and pressure data», Geothermics
   Т. 37 (6): 565–585, ISSN 0375-6505, doi:10.1016/j.geothermics.2008.09.001, <https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0375650508000576>. Проверено 11 апреля 2009.
8. Bertani, Ruggero
   Geothermal Energy: An Overview on Resources and Potential (2009).
9. Schavemaker, Pieter.
   Electrical Power Systems Essentials / Pieter Schavemaker, van der Sluis. — John Wiley & Sons, Ltd, 2008. — ISBN 978-0470-51027-8.
10. https://sakhalin.info/news/111220
11. Сидорович, Владимир, 2015, с. 126.

Откуда берется энергия?

Совсем близко к земной поверхности располагается неостывшая магма. Из нее выделяются газы и пары, которые поднимают и проходят по трещинам. Смешиваясь с подземными водами, они вызывают их нагревание, сами превращаются в горячую воду, в которой растворены многие вещества. Такая вода выделяется на поверхность земли в виде разных геотермальных источников: горячих ключей, минеральных источников, гейзеров и так далее. По мнению ученых, горячие недра земли – это пещеры или камеры, соединенные проходами, трещинами и каналами. Они как раз заполняются подземными водами, а совсем недалеко от них располагаются очаги магмы. Таким естественным образом и образуется тепловая энергия земли.

Содержание

• 1 Классификация
• 2 Ресурсы
• 3 Достоинства и недостатки 3.1 Достоинства
• 3.2 Недостатки 3.2.1 Экономическая обоснованность скважин
• 3.2.2 Экология теплоносителя
• 3.2.3 Провоцирование землетрясений

4.1 США

5.1 По температуре

Электрическое поле Земли

Есть в природе еще один альтернативный источник энергии, который отличается возобновляемостью, экологической чистотой, простотой в использовании. Правда, до сих пор этот источник только изучается и не применяется на практике. Так, потенциальная энергия Земли кроется в ее электрическом поле. Получить энергию таким способом можно на основании изучения базовых законов электростатики и особенностей электрического поля Земли. По сути, наша планета с точки зрения электрической – это сферический конденсатор, заряженный до 300 000 Вольт. Его внутренняя сфера имеет отрицательный заряд, а внешняя – ионосфера – положительный. Атмосфера Земли является изолятором. Через нее происходит постоянное течение ионных и конвективных токов, которые достигают силы во много тысяч ампер. Однако разница потенциалов между обкладками при этом не уменьшается.

Это говорит о том, что в природе есть генератор, роль которого состоит в постоянном восполнении утечки зарядов с обкладок конденсатора. В роли такого генератора и выступает магнитное поле Земли, вращающееся вместе с нашей планетой в потоке солнечного ветра. Энергия магнитного поля Земли может быть получена как раз путем подключения к этому генератору потребителя энергии. Чтобы сделать это, нужно выполнить монтаж надежного заземления.

Возобновляемые источники

Поскольку численность населения нашей планеты неуклонно растет, нам требуется все больше энергии, чтобы обеспечить население. Энергия, содержащаяся в недрах земли, может быть самой разной. Например, существуют возобновляемые источники: энергия ветра, солнца и воды. Они отличаются экологической чистотой, а потому использовать их можно, не боясь причинить вред окружающей среде.

Энергия воды

Этот способ используется уже на протяжении многих веков. Сегодня построено огромное количество плотин, водохранилищ, в которых вода используется для того, чтобы вырабатывалась электрическая энергия. Суть действия этого механизма проста: под влиянием течения реки вращаются колеса турбин, соответственно, энергия воды превращается в электрическую.

Сегодня существует большое количество гидроэлектростанций, которые преобразуют энергию потока воды в электроэнергию. Особенность этого способа в том, что гидроэнергетические ресурсы возобновляются, соответственно, такие конструкции имеют низкую себестоимость. Именно поэтому, несмотря на то что строительство ГЭС ведется довольно долго, да и сам процесс весьма затратный, все же эти сооружения значительно выигрывают у электроемких производств.

Ресурсы

Перспективными источниками перегретых вод обладают множественные вулканические зоны планеты в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд.

На 2006 год в России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тысяч м³/сутки. На двадцати месторождениях ведётся промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Черкесское и Казьминское (Карачаево-Черкесия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край).

Энергия солнца: современно и перспективно

Солнечная энергия получается с помощью солнечных батарей, однако современные технологии позволяют использовать для этого новые методы. Крупнейшей в мире солнечной электростанцией является система, построенная в пустыне Калифорнии. Она полностью обеспечивает энергией 2000 домов. Конструкция работает следующим образом: от зеркал отражаются солнечные лучи, которые направляются в центральный бойлер с водой. Она закипает и превращается в пар, вращающий турбину. Она, в свою очередь, связана с электрическим генератором. Ветер тоже может использоваться как энергия, которую дает нам Земля. Ветер надувает паруса, вращает мельницы. А теперь с его помощью можно создавать устройства, которые будут вырабатывать электрическую энергию. Вращая лопасти ветряка, он приводит в действие вал турбины, который, в свою очередь, связан с электрогенератором.

Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару

Паровые электростанции работают преимущественно на гидротермальном пару. Пар поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива). Это старейшие геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная геотермальная электростанция в мире.

Внутренняя энергия Земли

Она появилась вследствие нескольких процессов, главные из которых — аккреция и радиоактивность. По мнению ученых, становление Земли и ее массы произошло за несколько миллионов лет, причем произошло это вследствие образования планетезималей. Они слипались, соответственно, масса Земли становилась все больше. После того как наша планета стала иметь современную массу, но еще была лишена атмосферы, на нее беспрепятственно падали метеорные и астероидные тела. Этот процесс как раз и называется аккрецией, и приводил он к тому, что выделялась значительная гравитационная энергия. И чем большие по размеру тела попадали на планету, тем в большем объеме выделялась энергия, содержащаяся в недрах Земли.

Эта гравитационная дифференциация привела к тому, что вещества стали расслаиваться: тяжелые вещества просто тонули, а легкие и летучие всплывали. Дифференциация сказывалась также и на дополнительном выделении гравитационной энергии.

Петротермальная энергетика[ | ]

Основная статья: Петротермальная энергетика

Данный тип энергетики связан с глубинными температурами Земли, которые с определённого уровня начинают подниматься. Средняя скорость её повышения с глубиной — около 2,5 °С на каждые 100 м. На глубине 5 км температура составляет примерно 125 °С, а на 10 км около 250 °С. Добыча тепла производится посредством бурения двух скважин, в одну из которых закачивается вода, которая, нагреваясь, попадает в смежную скважину и выходит в виде пара. Проблема данной энергетики на сегодня — её рентабельность.[2]

Атомная энергия

Использование энергии земли может происходить по-разному. Например, с помощью возведения атомных электростанций, когда тепловая энергия выделяется за счет распада мельчайших частиц материи атомов. В качестве основного топлива служит уран, который содержится в земной коре. Многие считают, что именно этот способ получения энергии наиболее перспективен, однако его применение сопряжено с рядом проблем. Во-первых, уран излучает радиацию, которая убивает все живые организмы. К тому же если это вещество попадет в почву или атмосферу, то возникнет настоящая техногенная катастрофа. Печальные последствия аварии на Чернобыльской АЭС мы испытываем на себе по сегодняшний день. Опасность таится в том, что радиоактивные отходы могут угрожать всему живому очень и очень долгое время, целые тысячелетия.

Новое время – новые идеи

Конечно, люди не останавливаются на достигнутом, и с каждым годом предпринимается все больше попыток найти новые способы получения энергии. Если энергия тепла земли получается достаточно просто, то некоторые способы не так просты. Например, в качестве источника энергии вполне можно использовать биологический газ, который получается при гниении отходов. Его можно применить для отапливания домов и нагревания воды.

Все чаще возводятся приливные электростанции, когда поперек устьев водоемов устанавливаются плотины и турбины, которые приводятся в действие приливами и отливами, соответственно, получается электроэнергия.

Литература

• Дегтярев К.

// Наука и жизнь. — 2013. — № 9-10.

Сжигая мусор, получаем энергию

Еще один способ, который уже применяется в Японии, — это создание мусоросжигательных заводов. Они сегодня построены в Англии, Италии, Дании, Германии, Франции, Нидерландах и США, однако только в Японии эти предприятия стали использоваться не только по назначению, но и для получения электричества. На местных заводах сжигается 2/3 всего мусора, при этом заводы оснащены паровыми турбинами. Соответственно, они снабжают теплом и электричеством близлежащие территории. При этом по затратам построить такое предприятие гораздо выгоднее, чем возвести ТЭЦ.

Более заманчивой выглядит перспектива использования тепла Земли там, где сосредоточены вулканы. В таком случае не понадобится бурить Землю слишком глубоко, поскольку уже на глубине 300-500 метров температура будет выше точки кипения воды минимум в два раза.

Существует и такой способ получения электроэнергии, как водородная энергетика. Водород – самый простой и легкий химический элемент – может считаться идеальным топливом, ведь он есть там, где есть вода. Если сжигать водород, можно получать воду, которая разлагается на кислород и водород. Само водородное пламя безвредное, то есть вреда окружающей среде наноситься не будет. Особенность этого элемента в том, что у него высокая теплотворная способность.

Введение

Еще 150 лет тому назад на нашей планете использовались исключительно возобновляемые и экологически безопасные источники энергии: водные потоки рек и морских приливов – для вращения водяных колес, ветер – для приведения в действие мельниц и парусов, дрова, торф, отходы сельского хозяйства – для отопления. Однако с конца XIX века все более и более растущие темпы бурного промышленного развития вызвали необходимость сверхинтенсивного освоения и развития сначала топливной, а затем и атомной энергетики. Это привело к стремительному истощению углеродных ископаемых и к все более возрастающей опасности радиоактивного заражения и парникового эффекта земной атмосферы. Поэтому на пороге нынешнего века пришлось вновь обратиться к безопасным и возобновляемым энергетическим источникам: ветровой, солнечной, геотермальной, приливной энергии, энергии биомасс растительного и животного мира и на их основе создавать и успешно эксплуатировать новые нетрадиционные энергоустановки.

В то время, как достигнутые успехи в создании ветровых, солнечных и ряда других типов нетрадиционных энергоустановок широко освещаются в журнальных публикациях, геотермальным энергоустановкам и, в частности, геотермальным электростанциям не уделяется того внимания, которого они по праву заслуживают. А между тем перспективы использования энергии тепла Земли поистине безграничны, поскольку под поверхностью нашей планеты, являющейся, образно говоря, гигантским естественным энергетическим котлом, сосредоточены огромнейшие резервы тепла и энергии, основными источниками которых являются происходящие в земной коре и мантии радиоактивные превращения, вызываемые распадом радиоактивных изотопов. Энергия этих источников столь велика, что она ежегодно на несколько сантиметров сдвигает литосферные пласты Земли, вызывает дрейф материков, землетрясения и извержения вулканов, из которых действующих, т. е. периодически извергавшихся за последние 500 лет, насчитывается 486. Кроме действующих, различают также потухшие или «уснувшие» вулканы, которые могут «проснуться» и начать извергаться в любой момент, как это, например, случилось в 79 году нашей эры с вулканом Везувий, который до этого пребывал в состоянии длительного покоя.

Таким образом, явные проявления колоссальной энергии тепла Земли наблюдаются в виде землетрясений и извержений вулканов, вызывающих огромные разрушения, в сотни и даже тысячи раз превосходящие разрушения от взрыва атомной бомбы.

К сожалению, человечество еще не научилось использовать энергию вулканов в мирных целях. А вот рассматриваемые далее скрытые, на первый взгляд незаметные, проявления энергии земных недр, уже давно эффективно используются людьми для получения тепловой, а в течение последних почти 100 лет также и электрической энергии.

Одним из таких скрытых проявлений этой энергии является рост температуры земной коры и мантии по мере приближения к ядру Земли. Эта температура с глубиной повышается в среднем на 20°С на 1 км, достигая на уровне 2–3 км от поверхности Земли более 100, а на глубине 100 км даже 1300–1500ºС, что вызывает нагрев воды, циркулирующей на больших глубинах, до значительных температур. В вулканических регионах нашей планеты эта вода поднимается на поверхность по трещинам в земной коре, а в сейсмически спокойных регионах ее можно выводить на поверхность по пробуренным скважинам. Для этого достаточно закачивать в эти скважины вниз холодную воду, получая при этом по рядом пробуренным скважинам поднимающуюся вверх перегретую геотермальную воду и образовавшийся из нее пар.

Что в будущем?

Конечно, энергия магнитного поля Земли или та, которую получают на атомных станциях, не может удовлетворить полностью все потребности человечества, которые растут с каждым годом. Однако специалисты говорят о том, что поводов для переживаний нет, поскольку топливных ресурсов планеты пока хватает. Тем более что используется все больше новых источников, экологически чистых и возобновляемых.

Остается проблема загрязнения окружающей среды, причем растет она катастрофически быстро. Количество вредных выбросов зашкаливает, соответственно, воздух, которым мы дышим, вреден, вода имеет опасные примеси, а почва постепенно истощается. Именно поэтому так важно своевременно заняться изучением такого явления, как энергия в недрах Земли, чтобы искать способы сокращения потребностей в органическом топливе и активнее использовать нетрадиционные источники энергии.

Геотермальные источники — что это такое, механизм образования и виды

Уже из названия понятно, что она представляет собой тепло земных недр. Под земной корой располагается слой магмы, являющийся огненно-жидким силикатным расплавом. Согласно данным исследований, энергетический потенциал этого тепла намного выше энергии мировых запасов природного газа, а также нефти. На поверхность выходит магма — лава. Причем наибольшая активность наблюдается в тех слоях земли, на которых находятся границы тектонических плит, а также там, где земная кора характеризуется тонкостью. Геотермальная энергия земли получается следующим образом: лава и водные ресурсы планеты соприкасаются, в результате чего вода начинает резко нагреваться. Это приводит к извержению гейзера, формированию так называемых горячих озер и подводных течений. То есть именно тем явлениям природы, свойства которых активно используются как неиссякаемый источник энергии.

Геотермальные электростанции или что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 0С каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно как для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира.

По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6 650 0С. Скорость остывания Земля примерно равна 300-350 0С в миллиард лет. Земля содержит 42 х 1012 Вт тепла, из которых 2% содержится в коре и 98% — в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое находится слишком глубоко, но и 840 000 000 000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Искусственные геотермальные источники

Энергия, содержащаяся в недрах земли, должна использоваться грамотно. Например, есть идея создания подземных котлов. Для этого нужно пробурить две скважины достаточной глубины, которые будут соединяться внизу. То есть получается, что практически в любом уголке суши можно получать геотермальную энергию промышленным способом: через одну скважину будет закачиваться холодная вода в пласт, а через вторую – извлекаться горячая вода или пар. Искусственные источники тепла будут выгодны и рациональны, если получаемое тепло будет давать больше энергии. Пар можно направлять в турбогенераторы, в которых будет вырабатываться электричество.

Конечно, отобранное тепло – это всего лишь доля того, что имеется в общих запасах. Но следует помнить, что глубинный жар будет постоянно пополняться вследствие процессов радиоактивного распада, сжатия горных пород, расслоения недр. Как говорят специалисты, земная кора аккумулирует тепло, общее количество которого в 5000 раз больше теплотворной способности всех ископаемых недр земли в целом. Получается, что время работы подобных искусственно созданных геотермальных станций может быть неограниченным.

Механизм нагрева термальных вод

Геотермальная энергия — это естественное подповерхностное тепло, которое передается от мантии Земли к породам в ее коре. В областях активного вулканизма расплавленная магма более интенсивно нагревает породы, проникая через пустоты и трещины, близкие к поверхности. Тающая магманагревает подземные воды. Формируются гейзеры, фумаролы и сольфатары.

Объясняется источник горячих источников в невулканических регионах. Подземные воды проникают на глубину 1 км и более, нагреваются и выносятся на поверхность естественной циркуляцией.

Если бурят геотермальную скважину, горячая подземная вода поднимается на поверхность. Такой искусственный канал иногда похож на гейзер.

Особенности источников

Источники, позволяющие получить геотермальную энергию, практически невозможно использовать полностью. Существуют они в 60 с лишним странах мира, при этом больше всего наземных вулканов на территории Тихоокеанского вулканического огненного кольца. Но на практике оказывается, что геотермальные источники в разных регионах мира совершенно разные по своим свойствам, а именно средней температуре, минерализации, газовому составу, кислотности и так далее.

Гейзеры – источники энергии на Земле, особенности которых в том, что они с определенными промежутками извергают кипящую воду. После того как произошло извержение, бассейн становится свободным от воды, на его дне можно заметить канал, который уходит глубоко в землю. Гейзеры как источники энергии используются в таких регионах, как Камчатка, Исландия, Новая Зеландия и Северная Америка, а одиночные гейзеры встречаются и в некоторых других областях.

Достоинства и недостатки

Достоинства

Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех этих целей. Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.

Если в данном регионе имеются источники подземных термальных вод, то целесообразно их использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России, также в Казахстане.

Недостатки

Для того, что бы преобразовать тепловую энергию в электрическую с помощью какой-нибудь тепловой машины (например, паровой турбины), необходимо, что бы температура геотермальных вод была достаточно велика, иначе КПД тепловой машины будет слишком низким (например, при температуре воды 40°C и температуре окружающей среды 20°C КПД идеальной тепловой машины составит всего 6%, а КПД реальных машин еще ниже, кроме того, часть энергии будет потрачена на собственные нужды станции — например, на работу насосов, которые качают теплоноситель из скважины и закачивают остывший теплоноситель обратно). Для генерации электроэнергии целесообразно использовать геотермальную воду температурой от 150°C и выше. Даже для отопления и горячего водоснабжения требуется температура не ниже 50°C. Однако, температура Земли растет с глубиной довольно медленно, обычно геотермический градиент составляет всего 30°C на 1 км, т.е. даже для горячего водоснабжения потребуется скважина глубиной более километра, а для генерации электроэнергии — несколько километров. Бурение таких глубоких скважин обходится дорого, кроме того, на перекачку теплоносителя по ним тоже требуется затратить энергию, поэтому использование геотермальной энергии далеко не везде целесообразно. Практически все крупные ГеоЭС расположены в местах повышенного вулканизма — Камчатка, Исландия, Филиппины, Кения, поля гейзеров[en] в Калифорнии (США) и т.д, где геотермический градиент гораздо выше, а геотермальные воды находятся близко к поверхности.

Одна из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды (обычно отработанной) в подземный водоносный горизонт, на что требуется расход энергии. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, свинца, цинка, кадмия), неметаллов (например, бора, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. Закачка отработанной воды необходима еще и для того, что бы давление в водоносном пласте не упало, что приведет к уменьшению выработки геотремальной станции, или ее полной неработоспособности.

Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения.

Откуда берется энергия?

Совсем близко к земной поверхности располагается неостывшая магма. Из нее выделяются газы и пары, которые поднимают и проходят по трещинам. Смешиваясь с подземными водами, они вызывают их нагревание, сами превращаются в горячую воду, в которой растворены многие вещества. Такая вода выделяется на поверхность земли в виде разных геотермальных источников: горячих ключей, минеральных источников, гейзеров и так далее. По мнению ученых, горячие недра земли – это пещеры или камеры, соединенные проходами, трещинами и каналами. Они как раз заполняются подземными водами, а совсем недалеко от них располагаются очаги магмы. Таким естественным образом и образуется тепловая энергия земли.