Η γεωθερμική ενέργεια και η χρήση της, προοπτικές γεωθερμικής ενέργειας
Υπάρχει τεράστια θερμική ενέργεια μέσα στη Γη. Οι εκτιμήσεις εδώ εξακολουθούν να είναι αρκετά διαφορετικές, αλλά σύμφωνα με τις πιο συντηρητικές εκτιμήσεις, αν περιοριστούμε σε βάθος 3 km, τότε 8 x 1017 kJ γεωθερμικής ενέργειας. Ταυτόχρονα, το μέγεθος της πραγματικής εφαρμογής του στη χώρα μας και σε όλο τον κόσμο είναι ασήμαντο. Ποιο είναι το ζήτημα εδώ και ποιες είναι οι προοπτικές χρήσης της γεωθερμικής ενέργειας;
Η γεωθερμική ενέργεια είναι η ενέργεια της θερμότητας της Γης. Η ενέργεια που απελευθερώνεται από τη φυσική θερμότητα της Γης ονομάζεται γεωθερμική ενέργεια. Ως πηγή ενέργειας, η θερμότητα της Γης, σε συνδυασμό με τις υπάρχουσες τεχνολογίες, μπορεί να καλύψει τις ανάγκες της ανθρωπότητας για πολλά πολλά χρόνια. Και αυτό δεν αγγίζει καν τη ζεστασιά που είναι πολύ βαθιά, σε περιοχές απρόσιτες μέχρι τώρα.
Για εκατομμύρια χρόνια, αυτή η θερμότητα απελευθερώνεται από τα έγκατα του πλανήτη μας και ο ρυθμός ψύξης του πυρήνα δεν υπερβαίνει τους 400 ° C ανά δισεκατομμύριο χρόνια! Ταυτόχρονα, η θερμοκρασία του πυρήνα της Γης, σύμφωνα με διάφορες πηγές, αυτή τη στιγμή δεν είναι χαμηλότερη από 6650 ° C και σταδιακά μειώνεται προς την επιφάνειά της. 42 τρισεκατομμύρια watt θερμότητας εκπέμπονται συνεχώς από τη Γη, μόνο το 2% της οποίας βρίσκεται στον φλοιό.
Η εσωτερική θερμική ενέργεια της Γης κατά καιρούς εκδηλώνεται απειλητικά με τη μορφή εκρήξεων χιλιάδων ηφαιστείων, σεισμών, κινήσεων του φλοιού της γης και άλλων, λιγότερο αισθητών, αλλά όχι λιγότερο παγκόσμιων, φυσικών διεργασιών.
Η επιστημονική άποψη για τα αίτια αυτού του φαινομένου είναι ότι η προέλευση της θερμότητας της Γης σχετίζεται με τη συνεχή διαδικασία ραδιενεργού αποσύνθεσης ουρανίου, θορίου και καλίου στο εσωτερικό του πλανήτη, καθώς και με τον βαρυτικό διαχωρισμό της ύλης. στον πυρήνα του.
Το στρώμα γρανίτη του φλοιού της Γης, σε βάθος 20.000 μέτρων, είναι η κύρια ζώνη ραδιενεργού αποσύνθεσης των ηπείρων και για τους ωκεανούς, ο ανώτερος μανδύας είναι το πιο ενεργό στρώμα. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι στις ηπείρους, σε βάθος περίπου 10.000 μέτρων, η θερμοκρασία στον πυθμένα του φλοιού είναι περίπου 700 ° C, ενώ στους ωκεανούς η θερμοκρασία φτάνει μόνο τους 200 ° C.
Το δύο τοις εκατό της γεωθερμικής ενέργειας στον φλοιό της γης είναι σταθερά 840 δισεκατομμύρια Watt, και αυτή είναι τεχνολογικά προσβάσιμη ενέργεια. Τα καλύτερα μέρη για την εξαγωγή αυτής της ενέργειας είναι περιοχές κοντά στις άκρες των ηπειρωτικών πλακών, όπου ο φλοιός είναι πολύ λεπτότερος, και περιοχές σεισμικής και ηφαιστειακής δραστηριότητας - όπου η θερμότητα της γης εκδηλώνεται πολύ κοντά στην επιφάνεια.
Πού και με ποια μορφή εμφανίζεται η γεωθερμική ενέργεια;
Επί του παρόντος, η ανάπτυξη της γεωθερμικής ενέργειας συμμετέχει ενεργά σε: ΗΠΑ, Ισλανδία, Νέα Ζηλανδία, Φιλιππίνες, Ιταλία, Ελ Σαλβαδόρ, Ουγγαρία, Ιαπωνία, Ρωσία, Μεξικό, Κένυα και άλλες χώρες, όπου η θερμότητα από τα έγκατα του πλανήτη ανεβαίνει στην επιφάνεια με τη μορφή ατμού και ζεστού νερού, βγαίνοντας έξω, σε θερμοκρασίες που φτάνουν τους 300 ° C.
Ως ζωντανά παραδείγματα μπορούν να αναφερθούν τα διάσημα γιοφύρια της Ισλανδίας και της Καμτσάτκα, καθώς και το περίφημο Εθνικό Πάρκο Yellowstone, που βρίσκεται στις αμερικανικές πολιτείες Wyoming, Montana και Idaho, που καλύπτουν μια έκταση σχεδόν 9.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων.
Όταν μιλάμε για γεωθερμική ενέργεια, είναι πολύ σημαντικό να θυμόμαστε ότι είναι κυρίως χαμηλού δυναμικού, δηλαδή η θερμοκρασία του νερού ή του ατμού που βγαίνει από το πηγάδι δεν είναι υψηλή. Και αυτό επηρεάζει σημαντικά την αποτελεσματικότητα της χρήσης αυτής της ενέργειας.
Το γεγονός είναι ότι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σήμερα είναι οικονομικά σκόπιμο η θερμοκρασία του ψυκτικού υγρού να είναι τουλάχιστον 150 ° C. Στην περίπτωση αυτή, αποστέλλεται απευθείας στον στρόβιλο.
Υπάρχουν εγκαταστάσεις που χρησιμοποιούν νερό σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Σε αυτά, το γεωθερμικό νερό θερμαίνει το δευτερεύον ψυκτικό υγρό (για παράδειγμα, το φρέον), το οποίο έχει χαμηλό σημείο βρασμού. Ο παραγόμενος ατμός περιστρέφει τον στρόβιλο. Όμως η χωρητικότητα τέτοιων εγκαταστάσεων είναι μικρή (10 — 100 kW) και επομένως το κόστος της ενέργειας θα είναι υψηλότερο από ό,τι σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής που χρησιμοποιούν νερό υψηλής θερμοκρασίας.
GeoPP στη Νέα Ζηλανδία
Τα γεωθερμικά κοιτάσματα είναι πορώδη πετρώματα γεμάτα με ζεστό νερό. Είναι ουσιαστικά φυσικοί γεωθερμικοί λέβητες.
Τι γίνεται όμως αν το νερό που δαπανήθηκε στην επιφάνεια της γης δεν πεταχτεί, αλλά επιστρέψει στο λέβητα; Δημιουργία συστήματος κυκλοφορίας; Σε αυτή την περίπτωση δεν θα χρησιμοποιηθεί μόνο η θερμότητα του ιαματικού νερού, αλλά και τα γύρω πετρώματα. Ένα τέτοιο σύστημα θα αυξήσει τον συνολικό του αριθμό κατά 4-5 φορές. Καταργείται το θέμα της περιβαλλοντικής ρύπανσης με αλμυρό νερό, καθώς επιστρέφει στον υπόγειο ορίζοντα.
Με τη μορφή ζεστού νερού ή ατμού, η θερμότητα διοχετεύεται στην επιφάνεια, όπου χρησιμοποιείται είτε απευθείας για τη θέρμανση κτιρίων και σπιτιών, είτε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Χρήσιμη είναι επίσης η επιφανειακή θερμότητα της Γης, στην οποία συνήθως προσεγγίζεται η γεώτρηση φρεατίων, όπου η κλίση αυξάνεται κατά 1 °C κάθε 36 μέτρα.
Για να απορροφήσουν αυτή τη θερμότητα, χρησιμοποιούν ΑΝΤΛΙΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ… Το ζεστό νερό και ο ατμός χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και για άμεση θέρμανση, και η θερμότητα που συγκεντρώνεται βαθιά απουσία νερού μετατρέπεται σε χρήσιμη μορφή από τις αντλίες θερμότητας. Η ενέργεια του μάγματος και η θερμότητα που συσσωρεύεται κάτω από τα ηφαίστεια εξάγεται με παρόμοιους τρόπους.
Γενικά, υπάρχει ένας αριθμός τυπικών μεθόδων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε γεωθερμικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, αλλά και πάλι είτε απευθείας είτε σε σχήμα αντλίας θερμότητας.
Στην απλούστερη περίπτωση, ο ατμός απλώς κατευθύνεται μέσω ενός αγωγού στον στρόβιλο μιας ηλεκτρικής γεννήτριας. Σε ένα περίπλοκο σχήμα, ο ατμός προκαθαρίζεται έτσι ώστε οι διαλυμένες ουσίες να μην καταστρέφουν τους σωλήνες. Σε ένα μικτό σχήμα, τα αέρια που είναι διαλυμένα στο νερό εξαλείφονται μετά τη συμπύκνωση του ατμού στο νερό.
Τέλος, υπάρχει ένα δυαδικό σχήμα όπου ένα άλλο υγρό με χαμηλό σημείο βρασμού (σχήμα εναλλάκτη θερμότητας) δρα ως ψυκτικό (για να πάρει θερμότητα και να περιστρέψει τον στρόβιλο της γεννήτριας).
Οι πιο ελπιδοφόρες είναι οι αντλίες θερμότητας απορρόφησης κενού με νερό και χλωριούχο λίθιο. Τα πρώτα αυξάνουν τη θερμοκρασία του ιαματικού νερού λόγω της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας στην αντλία νερού κενού.
Νερό πηγαδιών με θερμοκρασία 60 - 90 ° C εισέρχεται στον εξατμιστή κενού. Ο παραγόμενος ατμός συμπιέζεται από έναν υπερσυμπιεστή. Η πίεση επιλέγεται ανάλογα με την απαιτούμενη θερμοκρασία ψυκτικού.
Εάν το νερό πηγαίνει απευθείας στο σύστημα θέρμανσης, τότε είναι 90 — 95 ° C, αν στα δίκτυα θέρμανσης, τότε 120 — 140 ° C. Στον συμπυκνωτή, ο συμπυκνωμένος ατμός δίνει τη θερμότητά του στο νερό που κυκλοφορεί στη θέρμανση της πόλης δίκτυα, συστήματα θέρμανσης και ζεστό νερό.
Ποιες άλλες επιλογές υπάρχουν για να αυξηθεί η χρήση της γεωθερμικής ενέργειας;
Μία από τις κατευθύνσεις σχετίζεται με τη χρήση σε μεγάλο βαθμό εξαντλημένων κοιτασμάτων πετρελαίου και φυσικού αερίου.
Όπως γνωρίζετε, η παραγωγή αυτής της πρώτης ύλης σε παλιά χωράφια πραγματοποιείται με τη μέθοδο της πλημμύρας του νερού, δηλαδή αντλείται νερό στα πηγάδια, γεγονός που εκτοπίζει το πετρέλαιο και το αέριο από τους πόρους της δεξαμενής.
Καθώς προχωρά η εξάντληση, οι πορώδεις δεξαμενές γεμίζουν με νερό, το οποίο αποκτά τη θερμοκρασία των γύρω πετρωμάτων, και έτσι τα κοιτάσματα μετατρέπονται σε γεωθερμικό λέβητα, από τον οποίο είναι δυνατή η ταυτόχρονη εξαγωγή πετρελαίου και η λήψη νερού για θέρμανση.
Φυσικά, πρέπει να γίνουν πρόσθετες γεωτρήσεις και να δημιουργηθεί ένα σύστημα κυκλοφορίας, αλλά αυτό θα είναι πολύ φθηνότερο από την ανάπτυξη ενός νέου γεωθερμικού πεδίου.
Μια άλλη επιλογή είναι η εξαγωγή θερμότητας από ξηρά πετρώματα σχηματίζοντας τεχνητές διαπερατές ζώνες. Η ουσία της μεθόδου είναι η δημιουργία πορώδους χρησιμοποιώντας εκρήξεις σε ξηρούς βράχους.
Η εξαγωγή θερμότητας από τέτοια συστήματα πραγματοποιείται ως εξής: δύο φρεάτια ανοίγουν σε μια ορισμένη απόσταση το ένα από το άλλο. Το νερό αντλείται σε ένα, το οποίο, μετακινούμενο στο δεύτερο μέσω των σχηματισμένων πόρων και ρωγμών, απομακρύνει τη θερμότητα από τα βράχια, θερμαίνεται και στη συνέχεια ανεβαίνει στην επιφάνεια.
Τέτοια πειραματικά συστήματα λειτουργούν ήδη στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Αγγλία. Στο Los Alamos (ΗΠΑ), δύο πηγάδια — το ένα με βάθος 2.700 m και το άλλο — 2.300 m, συνδέονται με υδραυλική θραύση και γεμίζουν με κυκλοφορούν νερό που θερμαίνεται σε θερμοκρασία 185 ° C. Στην Αγγλία, στο Rosemenius λατομείο, το νερό θερμαίνεται στους 80 °C.
Γεωθερμικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής
Η θερμότητα του πλανήτη ως ενεργειακός πόρος
Κοντά στην ιταλική πόλη Larederello λειτουργεί ένας ηλεκτρικός σιδηρόδρομος που τροφοδοτείται από ξηρό ατμό από ένα πηγάδι. Το σύστημα λειτουργεί από το 1904.
Τα πεδία Geyser στην Ιαπωνία και το Σαν Φρανσίσκο είναι δύο άλλα διάσημα μέρη στον κόσμο που χρησιμοποιούν επίσης ξηρό ζεστό ατμό για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Όσον αφορά τον υγρό ατμό, τα πιο εκτεταμένα πεδία του βρίσκονται στη Νέα Ζηλανδία και μικρότερα σε έκταση - στην Ιαπωνία, τη Ρωσία, το Ελ Σαλβαδόρ, το Μεξικό, τη Νικαράγουα.
Αν θεωρήσουμε τη γεωθερμική θερμότητα ως ενεργειακό πόρο, τότε τα αποθέματά της είναι δεκάδες δισεκατομμύρια φορές υψηλότερα από την ετήσια κατανάλωση ενέργειας της ανθρωπότητας παγκοσμίως.
Μόλις το 1% της θερμικής ενέργειας του φλοιού της Γης, που λαμβάνεται από βάθος 10.000 μέτρων, θα ήταν αρκετό για να επικαλύψει εκατοντάδες φορές τα αποθέματα ορυκτών καυσίμων, όπως το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, που παράγονται συνεχώς από την ανθρωπότητα, οδηγώντας σε μη αναστρέψιμη εξάντληση του του υπεδάφους και της περιβαλλοντικής ρύπανσης.
Αυτό οφείλεται σε οικονομικούς λόγους. Όμως οι γεωθερμικοί σταθμοί έχουν πολύ μέτριες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, περίπου 122 κιλά ανά μεγαβατώρα παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία είναι σημαντικά μικρότερη από τις εκπομπές από την παραγωγή ενέργειας από ορυκτά καύσιμα.
Προοπτικές Βιομηχανικού ΓεωΠΕ και Γεωθερμικής Ενέργειας
Το πρώτο βιομηχανικό geoPE ισχύος 7,5 MW κατασκευάστηκε το 1916 στην Ιταλία. Έκτοτε, έχει συσσωρευτεί ανεκτίμητη εμπειρία.
Από το 1975, η συνολική εγκατεστημένη ισχύς του GeoPP στον κόσμο ήταν 1278 MW και το 1990 ήταν ήδη 7300 MW. Οι μεγαλύτεροι όγκοι ανάπτυξης γεωθερμικής ενέργειας βρίσκονται στις Ηνωμένες Πολιτείες, το Μεξικό, την Ιαπωνία, τις Φιλιππίνες και την Ιταλία.
Το πρώτο geoPE στο έδαφος της ΕΣΣΔ κατασκευάστηκε στην Καμτσάτκα το 1966, η χωρητικότητά του είναι 12 MW.
Από το 2003, ο γεωγραφικός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Mutnovskaya λειτουργεί στη Ρωσία, η ισχύς του οποίου είναι τώρα 50 MW — είναι ο ισχυρότερος γεωηλεκτρικός σταθμός στη Ρωσία αυτή τη στιγμή.
Το μεγαλύτερο GeoPP στον κόσμο είναι το Olkaria IV στην Κένυα, με ισχύ 140 MW.
Στο μέλλον, είναι πολύ πιθανό η θερμική ενέργεια του μάγματος να χρησιμοποιηθεί σε εκείνες τις περιοχές του πλανήτη όπου δεν είναι πολύ βαθιά κάτω από την επιφάνεια της Γης, καθώς και η θερμική ενέργεια των θερμαινόμενων κρυσταλλικών πετρωμάτων, όταν το κρύο νερό αντλείται σε μια τρυπημένη τρύπα σε βάθος αρκετών χιλιομέτρων και το ζεστό νερό επιστρέφει στην επιφάνεια ή στον ατμό, μετά από το οποίο παίρνουν θέρμανση ή παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
Τίθεται το ερώτημα - γιατί είναι αυτή τη στιγμή τόσο λίγα ολοκληρωμένα έργα που χρησιμοποιούν γεωθερμική ενέργεια; Πρώτα από όλα γιατί βρίσκονται σε ευνοϊκά σημεία, όπου το νερό είτε χύνεται στην επιφάνεια της γης, είτε βρίσκεται πολύ ρηχά. Σε τέτοιες περιπτώσεις, δεν απαιτείται η διάνοιξη βαθιάς γεωτρήσεων, που είναι το πιο ακριβό μέρος της ανάπτυξης της γεωθερμικής ενέργειας.
Η χρήση ιαματικών νερών για την παροχή θερμότητας είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά εξακολουθούν να είναι μικρά και δεν παίζουν σημαντικό ρόλο στον ενεργειακό τομέα.
Η θερμική ενέργεια κάνει μόνο τα πρώτα βήματα και η τρέχουσα έρευνα, η πειραματική-βιομηχανική εργασία θα πρέπει να δώσει απάντηση για την κλίμακα της περαιτέρω ανάπτυξής της.