geothermische Energie- das ist die Wärmeenergie, die über Hunderte von Millionen Jahren aus den inneren Zonen der Erde freigesetzt wird. Gemäß geologischen und geophysikalischen Studien erreicht die Temperatur im Erdkern 3.000-6.000 °C und nimmt in Richtung vom Zentrum des Planeten zur Oberfläche allmählich ab. Der Ausbruch Tausender Vulkane, die Bewegung von Erdkrustenblöcken und Erdbeben zeugen von der Wirkung der mächtigen inneren Energie der Erde. Wissenschaftler glauben, dass das thermische Feld unseres Planeten auf radioaktiven Zerfall in seinen Tiefen sowie auf die gravitative Trennung der Kernmaterie zurückzuführen ist.
Die Hauptquellen für die Erwärmung der Eingeweide des Planeten sind Uran, Thorium und radioaktives Kalium. Die Prozesse des radioaktiven Zerfalls auf den Kontinenten finden hauptsächlich in der Granitschicht der Erdkruste in einer Tiefe von 20 bis 30 km oder mehr in den Ozeanen - im oberen Mantel - statt. Es wird angenommen, dass am Boden der Erdkruste in einer Tiefe von 10-15 km der wahrscheinliche Temperaturwert auf den Kontinenten 600-800 ° C und in den Ozeanen 150-200 ° C beträgt.
Erdwärme kann der Mensch nur dort nutzen, wo sie sich nahe der Erdoberfläche manifestiert, d. h. an der Erdoberfläche. in Gebieten mit vulkanischer und seismischer Aktivität. Heute wird Geothermie von Ländern wie den USA, Italien, Island, Mexiko, Japan, Neuseeland, Russland, den Philippinen, Ungarn und El Salvador effektiv genutzt. Hier steigt die innere Wärme der Erde in Form von bis zu 300 °C heißem Wasser und Dampf an die Oberfläche und bricht oft als Hitze aus sprudelnden Quellen (Geysiren), zum Beispiel den berühmten Geysiren, hervor des Yellowstone Parks in den USA, die Geysire von Kamtschatka, Island.
Geothermische Energiequellen unterteilt in trockenen Heißdampf, nassen Heißdampf und Heißwasser. Der Brunnen, der eine wichtige Energiequelle für die elektrische Eisenbahn in Italien (bei Larderello) ist, wird seit 1904 mit trockenem Heißdampf betrieben. Zwei weitere bekannte Orte auf der Welt mit heißem Trockendampf sind das Matsukawa-Feld in Japan und das Geysir-Feld bei San Francisco, wo auch Geothermie seit langem effektiv genutzt wird. Vor allem in der Welt des nassen heißen Dampfes befinden sich in Neuseeland (Wairakei) geothermische Felder mit etwas weniger Leistung - in Mexiko, Japan, El Salvador, Nicaragua, Russland.
Somit können vier Haupttypen von geothermischen Energieressourcen unterschieden werden:
durch Wärmepumpen genutzte Erdoberflächenwärme;
Energieressourcen wie Dampf, heißes und warmes Wasser in der Nähe der Erdoberfläche, die heute zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden;
Wärme, die sich tief unter der Erdoberfläche konzentriert (vielleicht in Abwesenheit von Wasser);
Magmaenergie und Wärme, die sich unter Vulkanen ansammelt.
Die geothermischen Wärmereserven (~ 8 * 1030 J) betragen das 35-Milliarden-fache des jährlichen globalen Energieverbrauchs. Nur 1 % der geothermischen Energie der Erdkruste (10 km Tiefe) kann eine Energiemenge bereitstellen, die 500-mal größer ist als alle Öl- und Gasreserven der Welt. Allerdings kann heute nur ein kleiner Teil dieser Ressourcen genutzt werden, und das hat vor allem wirtschaftliche Gründe. Der Beginn der industriellen Erschließung geothermischer Ressourcen (Energie aus heißem Tiefenwasser und Dampf) wurde 1916 gelegt, als in Italien das erste geothermische Kraftwerk mit einer Leistung von 7,5 MW in Betrieb genommen wurde. In der vergangenen Zeit wurden umfangreiche Erfahrungen auf dem Gebiet der praktischen Entwicklung geothermischer Energiequellen gesammelt. Die installierte Gesamtleistung der in Betrieb befindlichen Geothermiekraftwerke (GeoTPP) betrug: 1975 - 1.278 MW, 1990 - 7.300 MW. Die Vereinigten Staaten, die Philippinen, Mexiko, Italien und Japan haben in dieser Angelegenheit die größten Fortschritte erzielt.
Die technischen und wirtschaftlichen Parameter des GeoTPP variieren über einen ziemlich weiten Bereich und hängen von den geologischen Eigenschaften des Gebiets ab (Vorkommenstiefe, Parameter des Arbeitsfluids, seiner Zusammensetzung usw.). Für die Mehrzahl der in Betrieb genommenen GeoTPPs sind die Stromkosten ähnlich wie die Kosten für Strom, der in kohlebefeuerten TKWs erzeugt wird, und betragen 1200 ... 2000 US-Dollar / MW.
In Island werden 80 % der Wohngebäude mit heißem Wasser beheizt, das aus geothermischen Quellen unter der Stadt Reykjavik gewonnen wird. Im Westen der Vereinigten Staaten werden etwa 180 Häuser und Farmen mit geothermischem Heißwasser beheizt. Laut Experten hat sich zwischen 1993 und 2000 die weltweite Stromerzeugung aus Geothermie mehr als verdoppelt. In den Vereinigten Staaten gibt es so viele Reserven an geothermischer Wärme, dass sie theoretisch 30-mal mehr Energie liefern könnten, als der Staat derzeit verbraucht.
In Zukunft kann die Wärme von Magma in den erdoberflächennahen Bereichen ebenso genutzt werden wie die trockene Wärme von aufgeheizten kristallinen Gesteinen. Im letzteren Fall werden Brunnen über mehrere Kilometer gebohrt, kaltes Wasser wird heruntergepumpt und heißes Wasser zurückgeführt.
Die Hauptquellen der Wärmeenergie der Erde sind [ , ]:
Bisher wurden nur die ersten vier Quellen quantifiziert. In unserem Land gehört das Hauptverdienst dazu O.G. Sorochtin und S.A. Uschakow. Die folgenden Daten basieren hauptsächlich auf Berechnungen dieser Wissenschaftler.
Wärme der Gravitationsdifferenzierung der Erde
Eines der wichtigsten Gesetze der Entwicklung der Erde ist Differenzierung seine Substanz, die bis heute andauert. Diese Differenzierung führte zur Bildung Kern und Kruste, Änderung in der Zusammensetzung der primären Roben, während die Trennung einer zunächst homogenen Substanz in Fraktionen unterschiedlicher Dichte mit der Freisetzung einhergeht Wärmeenergie, und die maximale Wärmefreisetzung tritt auf, wenn die terrestrische Materie geteilt wird dichter und schwerer Kern und Rest Feuerzeug Silikat-Schale Erdmantel. Derzeit entsteht der Großteil dieser Wärme an der Grenze Mantel - Kern.
Gravder Erde für die gesamte Zeit seines Bestehens stach hervor - 1,46 * 10 38 erg (1,46 * 10 31 J). Energie gegeben zum größten Teil geht zuerst in kinetische Energie Konvektionsströme der Mantelsubstanz und dann hinein herzlich; ein anderer Teil davon wird für zusätzliche ausgegeben Verdichtung des Erdinneren, die durch die Konzentration dichter Phasen im zentralen Teil der Erde entstehen. Aus 1,46*10 38 erg Energie der Gravitationsdifferenzierung der Erde ging an ihre zusätzliche Kompression 0,23*10 38 erg (0,23*10 31 J) und in Form von freigesetzter Wärme 1,23*10 38 erg (1,23*10 31 J). Die Größe dieser thermischen Komponente übersteigt die Gesamtfreisetzung aller anderen Energiearten in der Erde erheblich. Die zeitliche Verteilung des Gesamtwerts und der Freisetzungsrate der thermischen Komponente der Gravitationsenergie ist in Abb. 3.6 .
Reis. 3.6.
Das aktuelle Niveau der Wärmeerzeugung während der gravitativen Differenzierung der Erde - 3*10 20 erg/s (3*10 13W), der vom Wert des modernen Wärmeflusses abhängt, der durch die Oberfläche des Planeten in ( 4.2-4.3) * 10 20 erg / s ((4,2-4,3)*10 13W), ist ~ 70%
.
radiogene Wärme
Verursacht durch den radioaktiven Zerfall instabil Isotope. Die energieintensivsten und langlebigsten ( mit Halbwertszeit entsprechend dem Alter der Erde) sind Isotope 238 u, 235 u, 232th und 40K. Die meisten von ihnen konzentrieren sich auf kontinentale Kruste. Modernes Generationsniveau radiogene Wärme:
- des amerikanischen Geophysikers V. Vakye - 1,14*10 20 erg/s (1,14*10 13W) ,
- laut russischen Geophysikern O.G. Sorochtin und S.A. Uschakow - 1,26*10 20 erg/s(1,26*10 13W) .
Vom Wert des modernen Wärmeflusses sind das ~ 27-30 %.
Von der Gesamtwärme des radioaktiven Zerfalls in 1,26*10 20 erg/s (1,26*10 13W) in der Erdkruste sticht hervor - 0,91*10 20 erg/s, und im Mantel - 0,35*10 20 erg/s. Daraus folgt, dass der Anteil der radiogenen Mantelwärme 10% des gesamten modernen Wärmeverlusts der Erde nicht überschreitet und nicht die Hauptenergiequelle für aktive tektono-magmatische Prozesse sein kann, deren Tiefe 2900 km erreichen kann ; und die in der Kruste freigesetzte radiogene Wärme geht relativ schnell über die Erdoberfläche verloren und nimmt praktisch nicht an der Erwärmung des tiefen Inneren des Planeten teil.
In vergangenen Erdepochen muss die im Erdmantel freigesetzte Menge an radiogener Wärme höher gewesen sein. Seine Schätzungen zum Zeitpunkt der Entstehung der Erde ( Vor 4,6 Milliarden Jahren) geben - 6,95*10 20 erg/s. Seitdem nimmt die Freisetzungsrate radiogener Energie stetig ab (Abb. 3.7 ).
Denn die ganze Zeit auf der Erde stach hervor ~4,27*10 37 erg(4,27*10 30 J) die thermische Energie des radioaktiven Zerfalls, die fast dreimal niedriger ist als der Gesamtwert der Gravitationsdifferenzierungswärme.
Hitze der Gezeitenreibung
Es zeichnet sich während der gravitativen Wechselwirkung der Erde, hauptsächlich mit dem Mond, als der nächste große kosmische Körper aus. Aufgrund der gegenseitigen Anziehungskraft treten in ihren Körpern Gezeitendeformationen auf - Schwellung oder Buckel. Die Gezeitenberge der Planeten beeinflussen durch ihre zusätzliche Anziehungskraft ihre Bewegung. Die Anziehungskraft beider Erdhügel erzeugt also ein Kräftepaar, das sowohl auf die Erde selbst als auch auf den Mond wirkt. Allerdings ist der Einfluss der nahen, dem Mond zugewandten Schwellung etwas stärker als der der fernen. Aufgrund der Tatsache, dass die Rotationswinkelgeschwindigkeit der modernen Erde ( 7,27*10 –5 s –1) übersteigt die Umlaufgeschwindigkeit des Mondes ( 2,66*10 –6 s –1) und die Substanz der Planeten nicht ideal elastisch ist, dann werden die Gezeitenberge der Erde durch ihre Vorwärtsrotation gleichsam mitgerissen und sind der Bewegung des Mondes merklich voraus. Dies führt dazu, dass die maximalen Gezeiten der Erde immer etwas später als der Moment an ihrer Oberfläche auftreten Höhepunkt Mond, und ein zusätzliches Kraftmoment wirkt auf die Erde und den Mond (Abb. 3.8 ) .
Die absoluten Werte der Kräfte der Gezeitenwechselwirkung im Erde-Mond-System sind jetzt relativ klein und die durch sie verursachten Gezeitendeformationen der Lithosphäre können nur einige zehn Zentimeter erreichen, aber sie führen zu einer allmählichen Verzögerung der Erde Rotation und umgekehrt zur Beschleunigung der Umlaufbahn des Mondes und seiner Entfernung von der Erde. Die kinetische Energie der Bewegung der Erdhügel wird durch die innere Reibung der Materie in den Erdhügeln in thermische Energie umgewandelt.
Derzeit ist die Geschwindigkeit der Freisetzung von Gezeitenenergie durch G. McDonald ist ~0,25*10 20 erg/s (0,25*10 13W), während sein Hauptteil (ca. 2/3) vermutlich ist zerstreut(verteilt) in der Hydrosphäre. Folglich wird der Anteil der Gezeitenenergie, der durch die Wechselwirkung der Erde mit dem Mond verursacht und in der festen Erde (hauptsächlich in der Asthenosphäre) dissipiert wird, nicht überschritten 2 %
Gesamtwärmeenergie, die in seinen Tiefen erzeugt wird; und der Anteil der Sonnenfluten nicht überschreitet 20 %
vor dem Einfluss der Mondfluten. Daher spielen feste Gezeiten heute praktisch keine Rolle mehr, um tektonische Prozesse mit Energie zu speisen, können aber in einigen Fällen als „Auslöser“ wirken, zum Beispiel Erdbeben.
Die Größe der Gezeitenenergie steht in direktem Zusammenhang mit der Entfernung zwischen Weltraumobjekten. Und wenn der Abstand zwischen Erde und Sonne keine signifikanten Änderungen in der geologischen Zeitskala annimmt, dann ist dieser Parameter im Erde-Mond-System eine Variable. Unabhängig von den Vorstellungen darüber geben fast alle Forscher zu, dass in den frühen Stadien der Entwicklung der Erde die Entfernung zum Mond deutlich geringer war als die moderne, während sie im Verlauf der Planetenentwicklung nach Ansicht der meisten Wissenschaftler allmählich zunimmt , und gem Yu.N. Avsyuku dieser Abstand erfährt langfristige Veränderungen in Form von Zyklen "Ankunft - Abreise" des Mondes. Dies impliziert, dass in vergangenen geologischen Epochen die Rolle der Gezeitenwärme im gesamten Wärmehaushalt der Erde eine größere Bedeutung hatte. Im Allgemeinen hat es sich während der gesamten Zeit der Entwicklung der Erde hervorgetan ~3,3*10 37 erg (3,3*10 30 J) Gezeitenwärmeenergie (diese unterliegt der sukzessiven Entfernung des Mondes von der Erde). Die zeitliche Änderung der Freisetzungsrate dieser Wärme ist in Abb. 3.10 .
Dabei wurde mehr als die Hälfte der gesamten Gezeitenenergie freigesetzt katarchee (hella)) - vor 4,6-4,0 Milliarden Jahren, und zu dieser Zeit konnte sich die Erde nur aufgrund dieser Energie zusätzlich um ~ 500 0 С erwärmen. energieintensive endogene Prozesse .
Akkretionswärme
Das ist die Wärme, die die Erde seit ihrer Entstehung gespeichert hat. Im Gange Akkretionen, die aufgrund der Kollision mehrere zehn Millionen Jahre andauerte Planetesimale Die Erde hat eine erhebliche Erwärmung erfahren. Gleichzeitig besteht kein Konsens über das Ausmaß dieser Erwärmung. Derzeit neigen Forscher zu der Annahme, dass die Erde während des Akkretionsprozesses eine, wenn auch nicht vollständige, dann erhebliche teilweise Schmelze erlebte, die zur anfänglichen Differenzierung der Proto-Erde in einen schweren Eisenkern und einen leichten Silikatmantel führte zur Formation "magma ozean" auf seiner Oberfläche oder in geringen Tiefen. Obwohl bereits vor den 1990er Jahren das Modell einer relativ kalten Primärerde als praktisch allgemein anerkannt galt, die sich aufgrund der oben genannten Prozesse allmählich erwärmte, begleitet von der Freisetzung einer erheblichen Menge an thermischer Energie.
Eine genaue Abschätzung der primären Akkretionswärme und ihres bis heute erhaltenen Anteils ist mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Von O.G. Sorochtin und S.A. Uschakow, die Anhänger einer relativ kalten Primärerde sind, beträgt der Wert der in Wärme umgewandelten Akkretionsenergie - 20,13*10 38 erg (20,13*10 31 J). Diese Energie würde ohne Wärmeverlust ausreichen vollständige Verdunstung irdische Materie, weil Temperatur ansteigen könnte 30 000 0 C. Aber der Akkretionsprozess war relativ lang, und die Energie planetesimaler Einschläge wurde nur in den oberflächennahen Schichten der wachsenden Erde freigesetzt und ging schnell durch Wärmestrahlung verloren, sodass die anfängliche Erwärmung des Planeten nicht groß war. Die Größe dieser Wärmestrahlung, die parallel zur Entstehung (Akkretion) der Erde verläuft, wird von den angegebenen Autoren als geschätzt 19,4*10 38 erg (19,4*10 31 J)
.
In der modernen Energiebilanz der Erde spielt die Akkretionswärme höchstwahrscheinlich eine unbedeutende Rolle.
Für Russland kann die Energie der Erdwärme zu einer konstanten, zuverlässigen Quelle für die Bereitstellung billiger und erschwinglicher Elektrizität und Wärme werden, indem neue hochwertige, umweltfreundliche Technologien für ihre Gewinnung und Lieferung an den Verbraucher verwendet werden. Das gilt im Moment ganz besonders
Begrenzte Ressourcen an fossilen Energierohstoffen
Die Nachfrage nach organischen Energierohstoffen ist in Industrie- und Entwicklungsländern (USA, Japan, Staaten des vereinten Europas, China, Indien etc.) groß. Gleichzeitig sind die eigenen Kohlenwasserstoffressourcen in diesen Ländern entweder unzureichend oder reserviert, und ein Land, beispielsweise die Vereinigten Staaten, kauft Energierohstoffe im Ausland oder erschließt Vorkommen in anderen Ländern.
In Russland, einem der reichsten Länder in Bezug auf Energieressourcen, wird der wirtschaftliche Bedarf an Energie noch immer durch die Möglichkeiten der Nutzung natürlicher Ressourcen gedeckt. Die Entnahme fossiler Kohlenwasserstoffe aus dem Untergrund erfolgt jedoch sehr schnell. Wenn in den 1940er-1960er Jahren. Die wichtigsten Ölfördergebiete waren das „Zweite Baku“ an der Wolga und der Ural, seit den 1970er Jahren bis heute ist Westsibirien ein solches Gebiet. Aber auch hier ist ein deutlicher Rückgang der Förderung fossiler Kohlenwasserstoffe zu verzeichnen. Die Ära des „trockenen“ cenomanischen Gases geht zu Ende. Die bisherige Phase der umfassenden Entwicklung der Erdgasförderung ist abgeschlossen. Seine Gewinnung aus solchen riesigen Lagerstätten wie Medvezhye, Urengoyskoye und Yamburgskoye betrug 84, 65 bzw. 50%. Auch der Anteil der erschließungsgünstigen Ölreserven nimmt mit der Zeit ab.
Aufgrund des aktiven Verbrauchs von Kohlenwasserstoffbrennstoffen wurden die Öl- und Erdgasreserven an Land erheblich reduziert. Jetzt konzentrieren sich ihre Hauptreserven auf den Festlandsockel. Und obwohl die Rohstoffbasis der Öl- und Gasindustrie noch ausreicht, um Öl und Gas in Russland in den erforderlichen Mengen zu fördern, wird sie in naher Zukunft in zunehmendem Maße durch die Erschließung von Feldern mit aufwändigem Bergbau und geologische Bedingungen. Gleichzeitig werden die Kosten der Kohlenwasserstoffproduktion steigen.
Die meisten der nicht erneuerbaren Ressourcen, die dem Untergrund entnommen werden, werden als Brennstoff für Kraftwerke verwendet. Dies ist zunächst der Anteil an der Kraftstoffstruktur, der 64% beträgt.
In Russland werden 70 % des Stroms in thermischen Kraftwerken erzeugt. Energieunternehmen des Landes verbrennen jährlich etwa 500 Millionen Tonnen KWK. Tonnen, um Strom und Wärme zu gewinnen, während die Wärmeerzeugung drei- bis viermal mehr Kohlenwasserstoffbrennstoff verbraucht als die Stromerzeugung.
Die aus der Verbrennung dieser Mengen an Kohlenwasserstoff-Rohstoffen gewonnene Wärmemenge entspricht dem Verbrauch von Hunderten Tonnen Kernbrennstoff - der Unterschied ist enorm. Die Kernkraft erfordert jedoch die Gewährleistung der Umweltsicherheit (um eine Wiederholung von Tschernobyl zu verhindern) und ihren Schutz vor möglichen Terroranschlägen sowie die sichere und kostspielige Stilllegung veralteter und ausgedienter Kernkraftwerke. Die nachgewiesenen förderbaren Uranreserven in der Welt betragen etwa 3 Millionen 400 Tausend Tonnen, während im gesamten vorangegangenen Zeitraum (bis 2007) etwa 2 Millionen Tonnen abgebaut wurden.
RES als die Zukunft der globalen Energie
Das in den letzten Jahrzehnten weltweit zunehmende Interesse an alternativen erneuerbaren Energiequellen (RES) wird nicht nur durch die Erschöpfung der Kohlenwasserstoff-Brennstoffreserven verursacht, sondern auch durch die Notwendigkeit, Umweltprobleme zu lösen. Objektive Faktoren (vorkommen an fossilen Brennstoffen und Uran sowie Umweltveränderungen im Zusammenhang mit der Nutzung traditioneller Feuer- und Kernenergie) und Energieentwicklungstrends legen nahe, dass der Übergang zu neuen Methoden und Formen der Energieerzeugung unvermeidlich ist. Bereits in der ersten Hälfte des XXI Jahrhunderts. es wird eine vollständige oder fast vollständige Umstellung auf nicht-traditionelle Energiequellen geben.
Je früher ein Durchbruch in diese Richtung gelingt, desto weniger schmerzhaft wird es für die gesamte Gesellschaft und desto vorteilhafter für das Land, wo entscheidende Schritte in diese Richtung unternommen werden.
Die Weichen für den Übergang zu einer sinnvollen Kombination traditioneller und neuer Energiequellen hat die Weltwirtschaft bereits gestellt. Der weltweite Energieverbrauch im Jahr 2000 belief sich auf mehr als 18 Milliarden Tonnen Brennstoffäquivalent. Tonnen, und der Energieverbrauch bis 2025 könnte auf 30–38 Milliarden Tonnen Kraftstoffäquivalent steigen. Tonnen ist laut Prognosedaten bis 2050 ein Verbrauch in Höhe von 60 Milliarden Tonnen Kraftstoffäquivalent möglich. t. Ein charakteristischer Trend in der Entwicklung der Weltwirtschaft im Berichtszeitraum ist eine systematische Verringerung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe und eine entsprechende Zunahme der Nutzung nicht-traditioneller Energiequellen. Die thermische Energie der Erde nimmt unter ihnen einen der ersten Plätze ein.
Derzeit hat das Energieministerium der Russischen Föderation ein Programm zur Entwicklung nicht traditioneller Energie verabschiedet, darunter 30 Großprojekte für den Einsatz von Wärmepumpeneinheiten (HPU), deren Funktionsprinzip auf dem Verbrauch von basiert Wärmeenergie mit niedrigem Potential der Erde.
Niederpotenzielle Energie der Erdwärme und Wärmepumpen
Die Quellen der Energie mit niedrigem Potential der Erdwärme sind Sonnenstrahlung und Wärmestrahlung der erhitzten Eingeweide unseres Planeten. Die Nutzung dieser Energie ist derzeit einer der sich am dynamischsten entwickelnden Energiebereiche auf Basis erneuerbarer Energiequellen.
Die Erdwärme kann in verschiedenen Arten von Gebäuden und Bauwerken zum Heizen, zur Warmwasserbereitung, zur Klimatisierung (Kühlung) sowie zum Beheizen von Bahnen in der Wintersaison, zum Verhindern von Vereisung, zum Beheizen von Feldern in offenen Stadien usw. verwendet werden. In der englischsprachigen Fachliteratur wird das System zur Nutzung der Erdwärme in Heizungs- und Klimaanlagen als GHP – „Geothermal Heat Pumps“ (Geothermal Heat Pumps) bezeichnet. Die klimatischen Gegebenheiten der Länder Mittel- und Nordeuropas, die zusammen mit den Vereinigten Staaten und Kanada die Hauptgebiete für die Nutzung minderwertiger Erdwärme sind, bestimmen diese hauptsächlich für Heizzwecke; Abkühlung der Luft, auch im Sommer, ist relativ selten erforderlich. Anders als in den USA arbeiten Wärmepumpen daher in europäischen Ländern hauptsächlich im Heizbetrieb. In den USA werden sie häufiger in Luftheizungssystemen in Kombination mit einer Lüftung eingesetzt, die sowohl das Heizen als auch das Kühlen der Außenluft ermöglicht. In europäischen Ländern werden Wärmepumpen üblicherweise in Warmwasserbereitungsanlagen eingesetzt. Da ihre Effizienz mit abnehmender Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger zunimmt, werden zur Beheizung von Gebäuden häufig Fußbodenheizungen eingesetzt, in denen ein Kühlmittel relativ niedriger Temperatur (35–40 °C) zirkuliert.
Arten von Systemen zur Nutzung von niederpotentialiger Energie der Erdwärme
Generell lassen sich zwei Arten von Systemen zur Nutzung der niederpotentialen Energie der Erdwärme unterscheiden:
- offene Systeme: Als Quelle für Wärmeenergie mit niedrigem Potenzial wird Grundwasser verwendet, das direkt Wärmepumpen zugeführt wird;
- geschlossene Systeme: Wärmetauscher befinden sich im Bodenmassiv; wenn ein Kühlmittel mit niedrigerer Temperatur als das Erdreich durch sie zirkuliert, wird dem Erdreich Wärmeenergie „entzogen“ und an den Verdampfer der Wärmepumpe übertragen (oder wenn ein Kühlmittel mit einer höheren Temperatur im Verhältnis zum Erdreich verwendet wird, wird es gekühlt ).
Die Nachteile offener Systeme bestehen darin, dass Brunnen gewartet werden müssen. Zudem ist der Einsatz solcher Systeme nicht in allen Bereichen möglich. Die wichtigsten Anforderungen an Boden und Grundwasser sind:
- ausreichende Wasserdurchlässigkeit des Bodens, wodurch die Wasserreserven wieder aufgefüllt werden können;
– gute Grundwasserchemie (z. B. niedriger Eisengehalt) zur Vermeidung von Rohrablagerungen und Korrosionsproblemen.
Geschlossene Systeme zur Nutzung der niederpotentialen Energie der Erdwärme
Geschlossene Systeme sind horizontal und vertikal (Abbildung 1).
Reis. 1. Schema einer geothermischen Wärmepumpenanlage mit: a - horizontal
und b - vertikale Erdwärmetauscher.
Horizontaler Erdwärmetauscher
Horizontale Erdwärmetauscher sind in den Ländern West- und Mitteleuropas in der Regel separate Rohre, die relativ dicht verlegt und in Reihe oder parallel miteinander verbunden sind (Bild 2).
Reis. 2. Horizontale Erdwärmetauscher mit: a - sequentiell und
b - Parallelschaltung.
Um den Bereich des Standorts, an dem die Wärme entfernt wird, einzusparen, wurden verbesserte Arten von Wärmetauschern entwickelt, beispielsweise Wärmetauscher in Form einer Spirale (Abb. 3), die horizontal oder vertikal angeordnet sind. Diese Form von Wärmetauschern ist in den USA weit verbreitet.
Mit der Entwicklung und Formung der Gesellschaft begann die Menschheit, nach immer moderneren und zugleich sparsamen Wegen der Energiegewinnung zu suchen. Dafür werden heute verschiedene Stationen gebaut, aber gleichzeitig wird die im Erdinneren enthaltene Energie umfassend genutzt. Wie ist sie? Versuchen wir es herauszufinden.
geothermische Energie
Schon aus dem Namen geht hervor, dass er für die Wärme des Erdinneren steht. Unter der Erdkruste befindet sich eine Magmaschicht, eine feurig-flüssige Silikatschmelze. Laut Forschungsdaten ist das Energiepotential dieser Wärme viel höher als die Energie der weltweiten Erdgasreserven sowie des Öls. Magma kommt an die Oberfläche - Lava. Darüber hinaus wird die größte Aktivität in den Erdschichten beobachtet, auf denen sich die Grenzen der tektonischen Platten befinden und in denen die Erdkruste durch Dünnheit gekennzeichnet ist. Die geothermische Energie der Erde wird wie folgt gewonnen: Die Lava- und Wasserressourcen des Planeten stehen in Kontakt, wodurch sich das Wasser stark zu erwärmen beginnt. Dies führt zum Ausbruch des Geysirs, der Bildung der sogenannten heißen Seen und Unterströmungen. Also genau jene Phänomene der Natur, deren Eigenschaften aktiv als Energien genutzt werden.
Künstliche geothermische Quellen
Die in den Eingeweiden der Erde enthaltene Energie muss weise genutzt werden. Zum Beispiel gibt es eine Idee, unterirdische Kessel zu bauen. Dazu müssen Sie zwei ausreichend tiefe Brunnen bohren, die unten verbunden werden. Das heißt, es stellt sich heraus, dass Erdwärme in fast jeder Ecke des Landes industriell gewonnen werden kann: Durch einen Brunnen wird kaltes Wasser in den Stausee gepumpt und durch den zweiten wird heißes Wasser oder Dampf entnommen. Künstliche Wärmequellen sind vorteilhaft und sinnvoll, wenn die entstehende Wärme mehr Energie liefert. Der Dampf kann zu Turbinengeneratoren geleitet werden, die Strom erzeugen.
Natürlich ist die entnommene Wärme nur ein Bruchteil dessen, was an Gesamtreserven zur Verfügung steht. Es sollte jedoch daran erinnert werden, dass die tiefe Hitze aufgrund der Kompressionsprozesse von Gesteinen und der Schichtung des Darms ständig wieder aufgefüllt wird. Experten zufolge speichert die Erdkruste Wärme, deren Gesamtmenge 5.000-mal größer ist als der Heizwert aller fossilen Erdinneren insgesamt. Es zeigt sich, dass die Betriebszeit solcher künstlich angelegter Geothermiestationen unbegrenzt sein kann.
Quellfunktionen
Die Quellen, die es ermöglichen, geothermische Energie zu gewinnen, können kaum vollständig genutzt werden. Sie existieren in mehr als 60 Ländern der Welt, mit der größten Anzahl von Landvulkanen auf dem Territorium des pazifischen vulkanischen Feuerrings. In der Praxis stellt sich jedoch heraus, dass geothermische Quellen in verschiedenen Regionen der Welt in ihren Eigenschaften, nämlich Durchschnittstemperatur, Salzgehalt, Gaszusammensetzung, Säuregehalt usw., völlig unterschiedlich sind.
Geysire sind Energiequellen auf der Erde, deren Besonderheit darin besteht, dass sie in bestimmten Abständen kochendes Wasser ausspeien. Nach dem Ausbruch wird das Becken wasserfrei, an seinem Grund sieht man einen Kanal, der tief in den Boden geht. Geysire werden in Regionen wie Kamtschatka, Island, Neuseeland und Nordamerika als Energiequellen genutzt, und einzelne Geysire sind in mehreren anderen Gebieten zu finden.
Woher kommt Energie?
Ungekühltes Magma befindet sich sehr nahe an der Erdoberfläche. Aus ihm werden Gase und Dämpfe freigesetzt, die aufsteigen und durch die Risse strömen. Wenn sie sich mit Grundwasser vermischen, erhitzen sie sich, sie werden selbst zu heißem Wasser, in dem viele Substanzen gelöst sind. Dieses Wasser wird in Form verschiedener geothermischer Quellen an die Erdoberfläche abgegeben: heiße Quellen, Mineralquellen, Geysire usw. Laut Wissenschaftlern sind die heißen Eingeweide der Erde Höhlen oder Kammern, die durch Gänge, Risse und Kanäle verbunden sind. Sie sind nur mit Grundwasser gefüllt, und ganz in der Nähe befinden sich Magmakammern. Auf diese natürliche Weise entsteht die thermische Energie der Erde.
Elektrisches Feld der Erde
Es gibt eine weitere alternative Energiequelle in der Natur, die erneuerbar, umweltfreundlich und einfach zu nutzen ist. Allerdings wurde diese Quelle bisher nur untersucht und nicht in der Praxis angewendet. Die potentielle Energie der Erde liegt also in ihrem elektrischen Feld. Es ist möglich, auf diese Weise Energie zu gewinnen, basierend auf dem Studium der Grundgesetze der Elektrostatik und der Eigenschaften des elektrischen Feldes der Erde. Tatsächlich ist unser Planet aus elektrischer Sicht ein kugelförmiger Kondensator, der auf bis zu 300.000 Volt aufgeladen ist. Seine innere Sphäre hat eine negative Ladung und die äußere - die Ionosphäre - ist positiv. ist ein Isolator. Durch ihn fließen ständig Ionen- und Konvektionsströme, die Stärken von vielen tausend Ampere erreichen. Die Potentialdifferenz zwischen den Platten nimmt dabei jedoch nicht ab.
Dies deutet darauf hin, dass es in der Natur einen Generator gibt, dessen Aufgabe es ist, die Leckage von Ladungen aus den Kondensatorplatten ständig wieder aufzufüllen. Die Rolle eines solchen Generators spielt das Erdmagnetfeld, das zusammen mit unserem Planeten im Strom des Sonnenwindes rotiert. Allein durch Anschluss eines Energieverbrauchers an diesen Generator kann die Energie des Erdmagnetfeldes gewonnen werden. Dazu müssen Sie eine zuverlässige Erdung installieren.
Erneuerbare Ressourcen
Da die Bevölkerung unseres Planeten stetig wächst, benötigen wir immer mehr Energie, um die Bevölkerung zu versorgen. Die in den Eingeweiden der Erde enthaltene Energie kann sehr unterschiedlich sein. Zum Beispiel gibt es erneuerbare Quellen: Wind-, Sonnen- und Wasserenergie. Sie sind umweltfreundlich und können daher ohne Angst vor Umweltschäden verwendet werden.
Wasserenergie
Diese Methode wird seit vielen Jahrhunderten angewendet. Heute sind unzählige Dämme und Stauseen gebaut worden, in denen Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird. Das Wesen dieses Mechanismus ist einfach: Unter dem Einfluss des Flusses drehen sich die Räder der Turbinen bzw. die Energie des Wassers wird in elektrische Energie umgewandelt.
Heute gibt es eine Vielzahl von Wasserkraftwerken, die die Energie des Wasserflusses in Strom umwandeln. Die Besonderheit dieser Methode besteht darin, dass sie erneuerbar ist bzw. solche Designs kostengünstig sind. Aus diesem Grund übertreffen diese Anlagen trotz der Tatsache, dass der Bau von Wasserkraftwerken ziemlich lange dauert und der Prozess selbst sehr kostspielig ist, die Leistung der stromintensiven Industrien deutlich.
Solarenergie: modern und zukunftsträchtig
Sonnenenergie wird mit Sonnenkollektoren gewonnen, aber moderne Technologien ermöglichen den Einsatz neuer Methoden dafür. Die größte Anlage der Welt entsteht in der kalifornischen Wüste. Es versorgt 2.000 Haushalte vollständig mit Energie. Das Design funktioniert wie folgt: Die Sonnenstrahlen werden von den Spiegeln reflektiert, die mit Wasser zum zentralen Kessel geleitet werden. Es siedet und verwandelt sich in Dampf, der die Turbine antreibt. Dieser wiederum ist mit einem Stromgenerator verbunden. Der Wind kann auch als Energie genutzt werden, die uns die Erde gibt. Der Wind bläst die Segel, dreht die Windmühlen. Und jetzt können Sie mit seiner Hilfe Geräte herstellen, die elektrische Energie erzeugen. Durch Drehen der Flügel der Windmühle treibt sie die Turbinenwelle an, die wiederum mit einem elektrischen Generator verbunden ist.
Innere Energie der Erde
Es entstand als Ergebnis mehrerer Prozesse, von denen die wichtigsten Akkretion und Radioaktivität sind. Wissenschaftlern zufolge verlief die Entstehung der Erde und ihrer Masse über mehrere Millionen Jahre, und dies geschah aufgrund der Bildung von Planetesimalen. Sie hielten zusammen, bzw. die Masse der Erde wurde immer größer. Nachdem unser Planet begann, eine moderne Masse zu haben, aber immer noch keine Atmosphäre hatte, fielen meteorische und asteroide Körper ungehindert auf ihn. Dieser Vorgang wird nur als Akkretion bezeichnet und führte dazu, dass erhebliche Gravitationsenergie freigesetzt wurde. Und je größer die Körper auf dem Planeten einschlugen, desto mehr Energie wurde in den Eingeweiden der Erde freigesetzt.
Diese gravitative Differenzierung führte dazu, dass sich Stoffe zu trennen begannen: Schwere Stoffe sanken einfach ab, während leichte und flüchtige Stoffe aufschwammen. Die Differenzierung wirkte sich auch auf die zusätzliche Freisetzung von Gravitationsenergie aus.
Atomenergie
Die Nutzung der Erdenergie kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Zum Beispiel beim Bau von Kernkraftwerken, wenn durch den Zerfall kleinster Teilchen atomarer Materie Wärmeenergie freigesetzt wird. Hauptbrennstoff ist Uran, das in der Erdkruste enthalten ist. Viele glauben, dass diese Methode der Energiegewinnung am vielversprechendsten ist, aber ihre Verwendung ist mit einer Reihe von Problemen verbunden. Erstens gibt Uran Strahlung ab, die alle lebenden Organismen tötet. Wenn diese Substanz in den Boden oder in die Atmosphäre gelangt, kommt es außerdem zu einer echten menschengemachten Katastrophe. Die traurigen Folgen des Unfalls im Kernkraftwerk Tschernobyl erleben wir bis heute. Die Gefahr liegt darin, dass radioaktiver Abfall alle Lebewesen sehr, sehr lange, Jahrtausende lang bedrohen kann.
Neue Zeit – neue Ideen
Natürlich hören die Menschen hier nicht auf, und jedes Jahr werden mehr und mehr Versuche unternommen, neue Wege zur Energiegewinnung zu finden. Wenn die Energie der Erdwärme ganz einfach gewonnen wird, dann sind einige Methoden nicht so einfach. Als Energiequelle kann beispielsweise durchaus Biogas verwendet werden, das bei der Verrottung von Abfällen anfällt. Es kann zum Heizen von Häusern und zum Erhitzen von Wasser verwendet werden.
Zunehmend werden sie gebaut, wenn Dämme und Turbinen über den Mündungen von Stauseen installiert werden, die von Ebbe und Flut angetrieben werden, bzw. Strom gewonnen wird.
Wenn wir Müll verbrennen, bekommen wir Energie
Eine andere Methode, die in Japan bereits angewendet wird, ist die Schaffung von Verbrennungsöfen. Heute werden sie in England, Italien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, den Niederlanden und den USA gebaut, aber erst in Japan wurden diese Unternehmen nicht nur für den vorgesehenen Zweck, sondern auch zur Stromerzeugung eingesetzt. In lokalen Fabriken werden 2/3 des gesamten Mülls verbrannt, während die Fabriken mit Dampfturbinen ausgestattet sind. Dementsprechend versorgen sie die umliegenden Gebiete mit Wärme und Strom. Gleichzeitig ist der Bau eines solchen Unternehmens in Bezug auf die Kosten viel rentabler als der Bau eines Wärmekraftwerks.
Verlockender ist die Aussicht, die Erdwärme dort zu nutzen, wo sich Vulkane konzentrieren. In diesem Fall muss die Erde nicht zu tief gebohrt werden, da die Temperatur bereits in einer Tiefe von 300 bis 500 Metern mindestens doppelt so hoch ist wie der Siedepunkt von Wasser.
Es gibt auch eine Möglichkeit, Strom zu erzeugen, denn Wasserstoff – das einfachste und leichteste chemische Element – kann als idealer Brennstoff angesehen werden, weil es dort ist, wo Wasser ist. Wenn man Wasserstoff verbrennt, erhält man Wasser, das sich in Sauerstoff und Wasserstoff zersetzt. Die Wasserstoffflamme selbst ist harmlos, dh die Umwelt wird nicht geschädigt. Die Besonderheit dieses Elements ist, dass es einen hohen Heizwert hat.
Was liegt in der Zukunft?
Natürlich kann die Energie des Erdmagnetfeldes oder die aus Kernkraftwerken gewonnene Energie nicht alle jährlich wachsenden Bedürfnisse der Menschheit vollständig befriedigen. Experten sagen jedoch, dass es keinen Grund zur Sorge gibt, da die Brennstoffressourcen des Planeten noch ausreichen. Außerdem werden immer mehr neue Quellen genutzt, umweltfreundlich und erneuerbar.
Das Problem der Umweltverschmutzung bleibt, und es wächst katastrophal schnell. Die Menge der schädlichen Emissionen geht über die Grenzen hinaus, die Luft, die wir atmen, ist schädlich, das Wasser hat gefährliche Verunreinigungen und der Boden wird allmählich erschöpft. Aus diesem Grund ist es so wichtig, ein solches Phänomen wie Energie in den Eingeweiden der Erde rechtzeitig zu untersuchen, um nach Wegen zu suchen, den Bedarf an fossilen Brennstoffen zu verringern und nicht-traditionelle Energiequellen aktiver zu nutzen.
