Die wichtigsten Wärmeenergiequellen der Erde. Geothermie und Methoden ihrer Gewinnung

Doktor der technischen Wissenschaften AUF DER. Ich schwöre, Professor,
Akademiemitglied Russische Akademie Technische Wissenschaften, Moskau

BEI letzte Jahrzehnte in der Welt gilt die Richtung mehr effektiver Einsatz Energie der Tiefenwärme der Erde mit dem Ziel des teilweisen Ersatzes von Erdgas, Öl, Kohle. Dies wird nicht nur in Gebieten mit hohen geothermischen Parametern möglich, sondern in allen Gebieten. der Globus beim Bohren von Injektions- und Produktionsbohrungen und der Schaffung von Zirkulationssystemen zwischen ihnen.

Das zunehmende Interesse an alternativen Energiequellen in der Welt in den letzten Jahrzehnten wird durch die Erschöpfung der Kohund die Notwendigkeit, eine Reihe von Problemen zu lösen, verursacht. Umweltprobleme. Objektive Faktoren (Vorräte an fossilen Brennstoffen und Uran sowie Veränderungen der Umwelt durch traditionelle Feuer- und Atomkraft) lassen uns behaupten, dass der Übergang zu neuen Methoden und Formen der Energieerzeugung unvermeidlich ist.

Die Weltwirtschaft steuert derzeit auf den Übergang zu einer sinnvollen Kombination traditioneller und neuer Energiequellen zu. Die Wärme der Erde nimmt unter ihnen einen der ersten Plätze ein.

Geothermische Energieressourcen werden in hydrogeologische und petrogeothermische Ressourcen unterteilt. Die ersten von ihnen sind Wärmeträger (die nur 1% der gesamten geothermischen Energieressourcen ausmachen) - Grundwasser, Dampf und Dampf-Wasser-Gemische. Letztere sind in Glühlampen enthaltene Erdwärme Felsen Oh.

Die Brunnentechnik (Selbstentladung) wird im In- und Ausland zur Gewinnung von Naturdampf und geo Thermalwasser einfach, aber ineffizient. Bei einer niedrigen Durchflussrate von selbstfließenden Bohrlöchern kann ihre Wärmeproduktion die Bohrkosten nur in geringer Tiefe von geothermischen Reservoirs mit hohen Temperaturen in Gebieten mit thermischen Anomalien wieder hereinholen. Die Lebensdauer solcher Brunnen erreicht in vielen Ländern nicht einmal 10 Jahre.

Gleichzeitig bestätigt die Erfahrung, dass der Bau eines geothermischen Kraftwerks bei Vorhandensein von flachen Kollektoren für natürlichen Dampf die rentabelste Option zur Nutzung geothermischer Energie ist. Der Betrieb solcher GeoTPPs hat ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Kraftwerkstypen gezeigt. Daher ist die Nutzung von Reserven an geothermischen Gewässern und Dampfhydrothermen in unserem Land auf der Halbinsel Kamtschatka und auf den Inseln der Kurilenkette, in den Regionen des Nordkaukasus und möglicherweise auch in anderen Gebieten zweckmäßig und zeitgemäß. Aber Dampfvorkommen sind eine Seltenheit, die bekannten und prognostizierten Reserven sind gering. Viel häufigere Vorkommen von Wärme und Kraftwasser befinden sich nicht immer nahe genug am Verbraucher – dem Wärmeversorgungsobjekt. Dies schließt die Möglichkeit einer groß angelegten effektiven Nutzung aus.

Oft drin schwieriges Problemüber die Probleme der Bekämpfung des Salzgehalts hinauswachsen. Die Nutzung geothermischer, in der Regel mineralisierter Quellen als Wärmeträger führt zu einer Überwucherung von Bohrlochzonen mit Eisenoxid-, Kalk- und Silikatformationen. Außerdem beeinträchtigen die Probleme der Erosions-Korrosion und Ablagerungen den Betrieb der Ausrüstung nachteilig. Das Problem ist auch die Einleitung von mineralisiertem und Abwasser, das toxische Verunreinigungen enthält. Daher kann die einfachste Brunnentechnologie nicht als Grundlage für die breite Erschließung geothermischer Ressourcen dienen.

Durch vorläufige Schätzungen auf dem Territorium Russische Föderation Die prognostizierten Reserven an Thermalwasser mit einer Temperatur von 40-250 °C, einem Salzgehalt von 35-200 g/l und einer Tiefe von bis zu 3000 m betragen 21-22 Millionen m3/Tag, was einer Verbrennung von 30-40 Millionen entspricht Tonnen äquivalenter Kraftstoff. Im Jahr.

Die vorhergesagten Reserven des Dampf-Luft-Gemisches mit einer Temperatur von 150-250 °C auf der Halbinsel Kamtschatka und den Kurilen betragen 500.000 m3/Tag. und Reserven von Thermalwasser mit einer Temperatur von 40-100 ° C - 150.000 m3 / Tag.

Die Reserven an Thermalwasser mit einer Durchflussmenge von etwa 8 Millionen m3/Tag, mit einem Salzgehalt von bis zu 10 g/l und einer Temperatur von über 50 °C gelten als vorrangig für die Entwicklung.

Von viel größerer Bedeutung für die Energie der Zukunft ist die Gewinnung thermischer Energie, praktisch unerschöpflicher petrogeothermischer Ressourcen. Diese geothermische Energie, eingeschlossen in festes heißes Gestein, macht 99 % der gesamten Ressourcen an unterirdischer thermischer Energie aus. In einer Tiefe von bis zu 4-6 km sind Massive mit einer Temperatur von 300-400 ° C nur in der Nähe der Zwischenherde einiger Vulkane zu finden, aber heiße Felsen mit einer Temperatur von 100-150 ° C sind fast überall verteilt diese Tiefen und mit einer Temperatur von 180-200°C in einem ziemlich bedeutenden Teil des Territoriums Russlands.

Seit Milliarden von Jahren erzeugen und erzeugen Kern-, Gravitations- und andere Prozesse im Inneren der Erde thermische Energie. Ein Teil davon wird in den Weltraum abgestrahlt und Wärme wird in der Tiefe gespeichert, d.h. Wärmeinhalt fester, flüssiger und gasförmiger Phasen irdische Materie und heißt Geothermie.

Die kontinuierliche Erzeugung intraterrestrischer Wärme kompensiert dies externe Verluste, dient als Quelle der Akkumulation von geothermischer Energie und bestimmt den erneuerbaren Teil seiner Ressourcen. Die gesamte Wärmeabfuhr des Untergrundes zu Erdoberfläche das Dreifache der derzeitigen Kapazität von Kraftwerken auf der Welt und wird auf 30 TW geschätzt.

Es ist jedoch klar, dass Erneuerbarkeit nur begrenzt von Bedeutung ist natürliche Ressourcen, a Gesamtpotential Geothermie ist praktisch unerschöpflich, da sie als definiert werden sollte gesamt der Erde zur Verfügung stehende Wärme.

Nicht umsonst hat sich die Welt in den letzten Jahrzehnten Gedanken über eine effizientere Nutzung der Energie aus der Tiefenwärme der Erde gemacht, um Erdgas, Öl und Kohle teilweise zu ersetzen. Dies wird nicht nur in Gebieten mit hohen geothermischen Parametern möglich, sondern auch in jedem Gebiet der Welt, wenn Injektions- und Produktionsbohrungen gebohrt und Zirkulationssysteme zwischen ihnen geschaffen werden.

Natürlich ist es bei geringer Wärmeleitfähigkeit von Gesteinen für den effektiven Betrieb von Zirkulationssystemen erforderlich, eine ausreichend entwickelte Wärmeaustauschfläche in der Wärmeextraktionszone zu haben oder zu schaffen. Eine solche Oberfläche findet sich häufig in porösen Formationen und Zonen mit natürlicher Bruchfestigkeit, die häufig in den oben genannten Tiefen zu finden sind, deren Durchlässigkeit es ermöglicht, eine erzwungene Filtration des Kühlmittels mit effizienter Entnahme von Gesteinsenergie zu organisieren, sowie die Künstliche Schaffung einer ausgedehnten Wärmeaustauschfläche in gering durchlässigen porösen Massiven durch hydraulische Frakturierung (siehe Abbildung).

Aktuell wird das Hydraulic Fracturing eingesetzt Öl-und Gasindustrie als eine Möglichkeit, die Reservoirdurchlässigkeit zu erhöhen, um die Ölgewinnung bei der Entwicklung von Ölfeldern zu verbessern. Moderne Technologie ermöglicht es, einen schmalen, aber langen Riss oder einen kurzen, aber breiten Riss zu erzeugen. Beispiele für Wasserbrüche mit bis zu 2-3 km langen Brüchen sind bekannt.

Die heimische Idee, die wichtigsten in festen Gesteinen enthaltenen geothermischen Ressourcen zu gewinnen, wurde bereits 1914 von K.E. Obruchev.

1963 wurde in Paris das erste GCC geschaffen, um Wärme aus porösem Formationsgestein für die Heizung und Klimatisierung der Räumlichkeiten des Broadcasting Chaos-Komplexes zu extrahieren. 1985 waren in Frankreich bereits 64 GCCs mit einer thermischen Gesamtleistung von 450 MW in Betrieb, mit einer jährlichen Einsparung von etwa 150.000 Tonnen Öl. Im selben Jahr wurde der erste GCC dieser Art in der UdSSR im Khankala-Tal in der Nähe der Stadt Grosny gegründet.

1977 begannen nach dem Projekt des Los Alamos National Laboratory der USA Tests eines experimentellen GCC mit hydraulischer Frakturierung eines fast undurchlässigen Massivs am Standort Fenton Hill im Bundesstaat New Mexico. Kaltes Süßwasser, das durch den Brunnen injiziert wurde (Injektion), wurde durch Wärmeaustausch mit einer Gesteinsmasse (185 OC) in einem vertikalen Bruch mit einer Fläche von 8000 m2 erhitzt, der durch hydraulisches Brechen in einer Tiefe von 2,7 km gebildet wurde. In einem anderen Brunnen (Förderung), der ebenfalls diesen Riss durchquerte, trat überhitztes Wasser in Form eines Dampfstrahls an die Oberfläche. Bei der Zirkulation in einem geschlossenen Kreislauf unter Druck erreichte die Temperatur des überhitzten Wassers an der Oberfläche 160-180 °C und die Wärmeleistung des Systems - 4-5 MW. Kühlmittellecks in das umgebende Massiv machten etwa 1% des Gesamtstroms aus. Die Konzentration an mechanischen und chemischen Verunreinigungen (bis 0,2 g/l) entsprach den Bedingungen von Süßwasser Wasser trinken. Der hydraulische Bruch musste nicht fixiert werden und wurde durch den hydrostatischen Druck der Flüssigkeit offen gehalten. Die sich darin entwickelnde freie Konvektion sorgte für eine effektive Teilnahme am Wärmeaustausch fast der gesamten Oberfläche des Aufschlusses des heißen Gesteins.

Die Gewinnung von unterirdischer Wärmeenergie aus heißem, undurchlässigem Gestein, basierend auf den in der Öl- und Gasindustrie seit langem beherrschten und praktizierten Methoden des Schrägbohrens und des hydraulischen Brechens, verursachte keine seismische Aktivität oder andere schädliche Auswirkungen auf die Umwelt.

1983 wiederholten britische Wissenschaftler die amerikanische Erfahrung, indem sie in Carnwell einen experimentellen GCC mit hydraulischem Brechen von Graniten schufen. Ähnliche Werke fanden in Deutschland, Schweden statt. In den USA wurden mehr als 224 Erdwärmeprojekte realisiert. Es wird jedoch angenommen, dass geothermische Ressourcen den Großteil des zukünftigen Bedarfs der USA an nichtelektrischer thermischer Energie decken können. In Japan erreichte die Kapazität von GeoTPP im Jahr 2000 etwa 50 GW.

Derzeit wird in 65 Ländern an geothermischen Ressourcen geforscht und exploriert. Weltweit wurden auf Basis von Geothermie Stationen mit einer Gesamtleistung von etwa 10 GW geschaffen. Die Vereinten Nationen unterstützen aktiv die Entwicklung der Erdwärme.

Die in vielen Ländern der Welt gesammelten Erfahrungen beim Einsatz von geothermischen Kühlmitteln zeigen, dass in Bevorzugte Umstände Sie erweisen sich als 2-5 mal rentabler als Wärme- und Kernkraftwerke. Berechnungen zeigen, dass eine geothermische Bohrung 158.000 Tonnen Kohle pro Jahr ersetzen kann.

Somit ist die Erdwärme vielleicht die einzige große erneuerbare Energiequelle, deren rationelle Entwicklung verspricht, die Energiekosten im Vergleich zu moderner Brennstoffenergie zu senken. Mit einem ebenso unerschöpflichen Energiepotential, Solar- u thermonukleare Anlagen, wird leider teurer sein als der vorhandene Kraftstoff.

Trotz der sehr langen Geschichte der Entwicklung der Erdwärme hat die Geothermie heute noch nicht ihr Ziel erreicht hohe Entwicklung. Die Entwicklung der thermischen Energie der Erde stößt beim Bau auf große Schwierigkeiten tiefe Brunnen, die ein Kanal sind, um das Kühlmittel an die Oberfläche zu bringen. Aufgrund der hohen Bohrlochtemperatur (200-250 °C) sind traditionelle Gesteinsschneidwerkzeuge für Arbeiten unter solchen Bedingungen ungeeignet, es gibt besondere Anforderungen an die Auswahl von Bohr- und Verrohrungsrohren, Zementschlämmen, Bohrtechnik, Bohrlochverrohrung und Fertigstellung. Haushaltsmessgeräte, serienmäßige Betriebsarmaturen und Geräte werden in einer Ausführung hergestellt, die Temperaturen nicht höher als 150-200 ° C zulässt. Herkömmliches mechanisches Tiefbohren von Brunnen verzögert sich manchmal um Jahre und erfordert erhebliche finanzielle Kosten. In den Hauptproduktionsanlagen betragen die Bohrkosten 70 bis 90%. Dieses Problem kann und sollte nur gelöst werden, indem eine fortschrittliche Technologie für die Entwicklung des Hauptteils der geothermischen Ressourcen geschaffen wird, d.h. Energiegewinnung aus heißem Gestein.

Unsere Gruppe russischer Wissenschaftler und Spezialisten beschäftigt sich seit mehr als einem Jahr mit der Problematik der Gewinnung und Nutzung der unerschöpflichen, erneuerbaren Tiefenwärmeenergie des heißen Gesteins der Erde auf dem Territorium der Russischen Föderation. Der Zweck der Arbeit besteht darin, auf der Grundlage einheimischer Hochtechnologien zu schaffen technische Mittel zum tiefen Eindringen in die Eingeweide der Erdkruste. Derzeit wurden mehrere Varianten von Bohrwerkzeugen (BS) entwickelt, die in der weltweiten Praxis keine Analoga haben.

Die Arbeit der ersten Version der BS ist mit der aktuellen verknüpft traditionelle Technologie gut bohren. Bohrgeschwindigkeit für Hartgestein ( durchschnittliche Dichte 2500-3300 kg/m3) bis 30 m/h, Brunnendurchmesser 200-500 mm. Die zweite Variante des BS führt das Bohren von Brunnen in einem autonomen und automatischen Modus durch. Der Start erfolgt von einer speziellen Start- und Annahmeplattform aus, von der aus seine Bewegung gesteuert wird. Innerhalb weniger Stunden können tausend Meter BS in hartem Gestein passiert werden. Brunnendurchmesser von 500 bis 1000 mm. Wiederverwendbare BS-Varianten haben eine große Kosteneffizienz und ein enormes Wertpotenzial. Die Einführung von BS in die Produktion wird eröffnet neue Bühne beim Bau von Brunnen und bieten Zugang zu unerschöpflichen thermischen Energiequellen der Erde.

Für die Bedürfnisse der Wärmeversorgung liegt die erforderliche Tiefe der Brunnen im ganzen Land im Bereich von bis zu 3-4,5 Tausend Metern und überschreitet 5-6 Tausend Meter nicht, die Temperatur des Wärmeträgers für die Wohnungs- und kommunale Wärmeversorgung 150 °C nicht überschreiten. Bei Industrieanlagen übersteigt die Temperatur in der Regel 180-200 °C nicht.

Der Zweck der Gründung des GCC besteht darin, abgelegene, schwer zugängliche und unterentwickelte Regionen der Russischen Föderation mit konstanter, erschwinglicher und billiger Wärme zu versorgen. Die Betriebsdauer des GCS beträgt 25-30 Jahre oder mehr. Die Amortisationszeit der Stationen (unter Berücksichtigung neuester Bohrtechnologien) beträgt 3-4 Jahre.

Durch die Schaffung entsprechender Kapazitäten zur Nutzung von Erdwärme für den nichtelektrischen Bedarf in der Russischen Föderation werden in den kommenden Jahren rund 600 Millionen Tonnen gleichwertiger Brennstoff ersetzt. Die Einsparungen können bis zu 2 Billionen Rubel betragen.

Bis 2030 ist es möglich, Energiekapazitäten zu schaffen, um Feuerenergie um bis zu 30 % zu ersetzen, und bis 2040 organische Rohstoffe als Brennstoff nahezu vollständig aus der Energiebilanz der Russischen Föderation zu eliminieren.

Literatur

1. Goncharov S.A. Thermodynamik. Moskau: MGTUim. N.E. Bauman, 2002. 440 S.

2. Dyadkin Yu.D. usw. Geothermische thermische Physik. St. Petersburg: Nauka, 1993. 255 p.

3. Basis von Bodenschätzen Kraftstoff- und Energiekomplex Russlands. Status und Prognose / V. K. Branchhugov, E. A. Gavrilov, V.S. Litvinenko und andere Ed. VZ Garipova, E.A. Koslowski. M. 2004. 548 S.

4. Novikov G. P. et al. Bohren von Brunnen für Thermalwasser. M.: Nedra, 1986. 229 S.

Mit der Entwicklung und Formung der Gesellschaft begann die Menschheit, nach immer moderneren und gleichzeitig 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. Und am aktivsten in den Erdschichten beobachtet werden, auf denen sich die Grenzen befinden tektonischen Platten, und auch dort, wo die Erdkruste durch Dünnheit gekennzeichnet ist. geothermische Energie Die Erde wird wie folgt erhalten: 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 Heizwert alle fossilen Ressourcen der Erde als Ganzes. 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. Aber in der Praxis stellt sich heraus, dass geothermische Quellen in verschiedenen Regionen Welten sind völlig unterschiedlich in ihren Eigenschaften, nämlich Durchschnittstemperatur, Salzgehalt, Gaszusammensetzung, Säuregehalt und so weiter.

Geysire sind Energiequellen auf der Erde, deren Merkmale darin bestehen, dass sie bestimmte Intervalle kochendes Wasser spritzen. Nach dem Ausbruch wird das Becken wasserfrei, an seinem Grund sieht man einen Kanal, der tief in den Boden geht. Geysire werden als Energiequellen in Regionen wie Kamtschatka, Island, Neuseeland und Nordamerika, und einzelne Geysire sind auch in einigen anderen Gebieten zu finden.

Woher kommt Energie?

Ungekühltes Magma befindet sich sehr nahe an der Erdoberfläche. Daraus 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 an die Erdoberfläche in Form von freigesetzt geothermische Quellen: heiße Quellen, Mineralquellen, Geysire und so weiter. 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. Sie können auf diese Weise Energie gewinnen, basierend auf dem Studium der Grundgesetze der Elektrostatik und ihrer Eigenschaften elektrisches Feld 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. Das Magnetfeld der Erde wirkt als ein solcher Generator, der zusammen mit unserem Planeten in einem Strom rotiert Sonnenwind. 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. Die Funktionsweise 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 große Menge Wasserkraftwerke, 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

Solarenergie wird mit gewonnen Solarplatten, aber moderne Technologien ermöglichen hierfür den Einsatz neuer Methoden. Die größte Anlage der Welt entsteht in der kalifornischen Wüste. Es versorgt 2.000 Haushalte vollständig mit Energie. Das Design funktioniert wie folgt: Spiegel reflektieren Sonnenstrahlen, die an den zentralen Warmwasserbereiter gesendet 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 die größeren Körper trafen den Planeten, die mehr setzt die Energie frei, die in den Eingeweiden der Erde enthalten ist.

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 thermische Energie frei wird kleinste Teilchen Sache der Atome. 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. Traurige Folgen den Unfall im Kernkraftwerk Tschernobyl erleben wir bis heute. Die Gefahr liegt darin, dass radioaktiver Abfall alle Lebewesen sehr, sehr stark bedrohen kann. lange Zeit seit Jahrtausenden.

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 verwendet wird, ist das Erstellen Müllverbrennungsanlagen. 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 bestehen Umfeld, und es wächst exponentiell 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.

In unserem an Kohlenwasserstoffen reichen Land ist Geothermie eine Art exotischer Rohstoff, der nach heutigem Stand kaum mit Öl und Gas konkurrieren kann. Dies jedoch alternative Ansicht energie lässt sich fast überall und recht effizient nutzen.

Geothermie ist die Wärme des Erdinneren. Es entsteht in der Tiefe und gelangt in unterschiedlicher Form und Intensität an die Erdoberfläche.

Die Temperatur der oberen Bodenschichten hängt hauptsächlich von äußeren (exogenen) Faktoren ab - Sonnenlicht und Lufttemperatur. Im Sommer und tagsüber erwärmt sich der Boden bis zu bestimmten Tiefen, und im Winter und in der Nacht kühlt er sich entsprechend der Lufttemperaturänderung und mit einiger Verzögerung mit zunehmender Tiefe ab. Der Einfluss der täglichen Schwankungen der Lufttemperatur endet in Tiefen von wenigen bis mehreren zehn Zentimetern. Saisonale Schwankungen erfassen tiefere Bodenschichten - bis zu mehreren zehn Metern.

In einer bestimmten Tiefe - von zehn bis hundert Metern - wird die Temperatur des Bodens konstant gehalten, die der durchschnittlichen jährlichen Lufttemperatur in der Nähe der Erdoberfläche entspricht. Dies ist leicht zu überprüfen, indem man in eine ziemlich tiefe Höhle hinabsteigt.

Wenn die durchschnittliche jährliche Lufttemperatur in einem bestimmten Gebiet unter Null liegt, manifestiert sich dies als Permafrost (genauer Permafrost). BEI Ostsibirien Die Mächtigkeit, also die Mächtigkeit ganzjährig gefrorener Böden erreicht stellenweise 200–300 m.

Ab einer bestimmten Tiefe (für jeden Punkt auf der Karte eine eigene) schwächt sich die Wirkung der Sonne und der Atmosphäre so stark ab, dass endogene (innere) Faktoren in den Vordergrund treten und das Erdinnere von innen aufgeheizt wird, so dass die Temperatur zu sinken beginnt steigen mit der Tiefe.

Die Erwärmung der tiefen Erdschichten ist hauptsächlich mit dem Zerfall der dort befindlichen radioaktiven Elemente verbunden, es werden aber auch andere Wärmequellen genannt, beispielsweise physikalisch-chemische, tektonische Prozesse in den tiefen Schichten der Erdkruste und des Erdmantels. Aber was auch immer die Ursache sein mag, die Temperatur von Gestein und damit verbundenen flüssigen und gasförmigen Substanzen steigt mit der Tiefe. Bergleute sind mit diesem Phänomen konfrontiert - in tiefen Minen ist es immer heiß. In einer Tiefe von 1 km ist eine Hitze von 30 Grad normal, und tiefer ist die Temperatur noch höher.

Der Wärmestrom des Erdinneren, der die Erdoberfläche erreicht, ist gering - seine Leistung beträgt im Durchschnitt 0,03–0,05 W / m 2 oder ungefähr 350 Wh / m 2 pro Jahr. Vor dem Hintergrund des Wärmestroms der Sonne und der von ihr erwärmten Luft ist dies ein nicht wahrnehmbarer Wert: Die Sonne gibt allen Quadratmeter der Erdoberfläche jährlich etwa 4.000 kWh, also 10.000 mal mehr (natürlich im Durchschnitt, mit einer enormen Streuung zwischen polaren und äquatorialen Breiten und abhängig von anderen Klima- und Wetterfaktoren).

Die Geringfügigkeit des Wärmeflusses aus der Tiefe an die Oberfläche in den meisten Teilen des Planeten hängt mit der geringen Wärmeleitfähigkeit von Gesteinen und den Besonderheiten der geologischen Struktur zusammen. Aber es gibt Ausnahmen - Orte, an denen der Wärmestrom hoch ist. Dies sind vor allem Zonen tektonischer Störungen, erhöhter seismischer Aktivität und Vulkanismus, wo die Energie des Erdinneren einen Ausweg findet. Solche Zonen sind durch thermische Anomalien der Lithosphäre gekennzeichnet, hier kann der die Erdoberfläche erreichende Wärmestrom um ein Vielfaches und sogar um Größenordnungen stärker sein als der "übliche". In diesen Zonen wird durch Vulkanausbrüche und heiße Wasserquellen eine große Menge Wärme an die Oberfläche gebracht.

Diese Gebiete sind für die Entwicklung der Geothermie am günstigsten. Auf dem Territorium Russlands sind dies vor allem Kamtschatka, die Kurilen und der Kaukasus.

Gleichzeitig ist die Erschließung von Geothermie fast überall möglich, da die Temperaturerhöhung mit der Tiefe ein allgegenwärtiges Phänomen ist und die Aufgabe darin besteht, dem Darm Wärme „zu entziehen“, so wie dort mineralische Rohstoffe gewonnen werden.

Im Durchschnitt steigt die Temperatur mit der Tiefe um 2,5–3 °C pro 100 m. Das Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen zwei in unterschiedlichen Tiefen liegenden Punkten zum Tiefenunterschied zwischen ihnen wird als geothermischer Gradient bezeichnet.

Der Kehrwert ist die geothermische Stufe oder das Tiefenintervall, in dem die Temperatur um 1 °C ansteigt.

Je höher die Steigung und entsprechend niedriger die Stufe, desto nähere Wärme Tiefen der Erde nähern sich der Oberfläche und das Gebiet ist vielversprechender für die Entwicklung von Geothermie.

BEI verschiedene Bereiche, abhängig von der geologischen Struktur und anderen regionalen und Lokale Bedingungen, kann die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs mit der Tiefe stark variieren. Auf der Skala der Erde erreichen die Schwankungen der Werte der geothermischen Gradienten und Stufen das 25-fache. Im Bundesstaat Oregon (USA) beträgt das Gefälle beispielsweise 150 °C pro 1 km und in Südafrika 6 °C pro 1 km.

Die Frage ist, wie hoch ist die Temperatur in großen Tiefen - 5, 10 km oder mehr? Wenn sich der Trend fortsetzt, sollten die Temperaturen in einer Tiefe von 10 km im Durchschnitt etwa 250–300 °C betragen. Dies wird durch direkte Beobachtungen in ultratiefen Bohrlöchern mehr oder weniger bestätigt, obwohl das Bild viel komplizierter ist als der lineare Temperaturanstieg.

Zum Beispiel in der in der Ostsee gebohrten Superdeep-Bohrung Kola Kristallschild, ändert sich die Temperatur bis zu einer Tiefe von 3 km mit einer Rate von 10 °C/1 km, und dann wird der geothermische Gradient 2- bis 2,5-mal größer. In 7 km Tiefe wurde bereits eine Temperatur von 120 °C gemessen, in 10 km - 180 °C und in 12 km - 220 °C.

Ein weiteres Beispiel ist ein Brunnen im nördlichen Kaspischen Meer, wo in 500 m Tiefe eine Temperatur von 42 °C gemessen wurde, bei 1,5 km - 70 °C, bei 2 km - 80 °C, bei 3 km - 108 °C.

Es wird angenommen, dass der Geothermiegradient ab einer Tiefe von 20–30 km abnimmt: In einer Tiefe von 100 km liegen die geschätzten Temperaturen bei etwa 1300–1500 °C, in einer Tiefe von 400 km bei 1600 °C in der Erde Kern (Tiefen von mehr als 6000 km) - 4000–5000 ° C.

In Tiefen bis zu 10–12 km wird die Temperatur durch gebohrte Brunnen gemessen; wo sie nicht vorhanden sind, wird sie durch indirekte Zeichen ebenso bestimmt wie in größerer Tiefe. Solche indirekten Zeichen können die Art der Passage sein Seismische Wellen oder die Temperatur der ausbrechenden Lava.

Für die Zwecke der Geothermie sind jedoch Temperaturdaten in Tiefen von mehr als 10 km noch nicht von praktischem Interesse.

In mehreren Kilometern Tiefe gibt es viel Hitze, aber wie kann man sie anheben? Manchmal löst die Natur selbst dieses Problem für uns mit Hilfe eines natürlichen Kühlmittels - erhitztem Thermalwasser, das an die Oberfläche kommt oder in einer für uns zugänglichen Tiefe liegt. In einigen Fällen wird das Wasser in der Tiefe zu Dampf erhitzt.

Es gibt keine strenge Definition des Begriffs „Thermalwasser“. Sie bedeuten in der Regel heißes Grundwasser in flüssigem Zustand oder in Form von Dampf, einschließlich solcher, die mit einer Temperatur von über 20 ° C an die Erdoberfläche gelangen, dh in der Regel höher als die Lufttemperatur.

Die Wärme von Grundwasser, Dampf, Dampf-Wasser-Gemischen ist hydrothermale Energie. Dementsprechend wird Energie, die auf ihrer Verwendung basiert, als Hydrothermal bezeichnet.

Komplizierter ist die Situation bei der Wärmegewinnung direkt aus trockenem Gestein - petrothermale Energie, zumal ausreichend hohe Temperaturen in der Regel aus Tiefen von mehreren Kilometern beginnen.

Auf dem Territorium Russlands ist das Potenzial der Petrothermalenergie hundertmal höher als das der Hydrothermalenergie - 3.500 bzw. 35 Billionen Tonnen Standardbrennstoff. Das ist ganz natürlich – die Wärme der Erdtiefen ist überall und Thermalwasser findet man lokal. Aufgrund offensichtlicher technischer Schwierigkeiten wird der Großteil des Thermalwassers derzeit jedoch zur Erzeugung von Wärme und Strom verwendet.

Wassertemperaturen von 20-30 bis 100°C eignen sich zum Heizen, Temperaturen ab 150°C und darüber – und zur Stromerzeugung in Geothermiekraftwerken.

Im Allgemeinen sind die geothermischen Ressourcen auf dem Territorium Russlands in Tonnen Standardbrennstoff oder einer anderen Energiemesseinheit etwa zehnmal höher als die fossilen Brennstoffreserven.

Theoretisch könnte nur Geothermie den Energiebedarf des Landes vollständig decken. Praktisch an dieser Moment in den meisten Gebieten ist dies aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht machbar.

In der Welt wird die Nutzung von Erdwärme am häufigsten mit Island in Verbindung gebracht – einem Land am nördlichen Ende des Mittelatlantischen Rückens, in einer äußerst aktiven tektonischen und vulkanischen Zone. Wahrscheinlich erinnert sich jeder an den gewaltigen Ausbruch des Vulkans Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajökull) im Jahr 2010.

Dank dieser geologischen Besonderheit verfügt Island über riesige Reserven an geothermischer Energie, einschließlich heißer Quellen, die an die Erdoberfläche gelangen und sogar in Form von Geysiren sprudeln.

In Island werden derzeit mehr als 60 % der gesamten verbrauchten Energie der Erde entnommen. Einschließlich geothermischer Quellen werden 90 % der Wärme und 30 % der Stromerzeugung bereitgestellt. Wir fügen hinzu, dass der Rest des Stroms im Land von Wasserkraftwerken produziert wird, also auch aus einer erneuerbaren Energiequelle, wodurch Island wie eine Art globaler Umweltstandard aussieht.

Die „Zähmung“ der Erdwärme im 20. Jahrhundert hat Island wirtschaftlich erheblich geholfen. Bis Mitte des letzten Jahrhunderts war es sehr armes Land, steht jetzt weltweit an erster Stelle in Bezug auf die installierte Kapazität und die Produktion von geothermischer Energie pro Kopf und gehört zu den Top Ten in Bezug auf absoluter Wert installierte Leistung von Geothermiekraftwerken. Die Bevölkerung beträgt jedoch nur 300.000 Menschen, was die Umstellung auf umweltfreundliche Maßnahmen vereinfacht saubere Quellen Energie: Der Bedarf dafür ist im Allgemeinen gering.

Neben Island ist ein hoher Anteil an Geothermie in allgemeine Bilanz Stromerzeugung in Neuseeland und den Inselstaaten bereitgestellt Südostasien(Philippinen und Indonesien), die Länder Mittelamerikas und Ostafrikas, deren Territorium ebenfalls durch hohe seismische und vulkanische Aktivität. Für diese Länder leistet Geothermie bei ihrem derzeitigen Entwicklungsstand und Bedarf einen wesentlichen Beitrag zur sozioökonomischen Entwicklung.

Die Nutzung der Geothermie hat eine sehr lange Geschichte. Einer der Ersten berühmte Beispiele- Italien, ein Ort in der Provinz Toskana, heute Larderello genannt, wo zu Beginn des 19. Jahrhunderts lokales heißes Thermalwasser, das natürlich floss oder aus flachen Brunnen gewonnen wurde, für Energiezwecke genutzt wurde.

Borhaltiges Wasser aus unterirdischen Quellen wurde hier zur Gewinnung von Borsäure verwendet. Ursprünglich wurde diese Säure durch Verdampfung in Eisenkesseln gewonnen, und gewöhnliches Brennholz wurde als Brennstoff aus nahe gelegenen Wäldern entnommen, aber 1827 schuf Francesco Larderel ein System, das mit der Hitze des Wassers selbst arbeitete. Gleichzeitig begann man, die Energie des natürlichen Wasserdampfs für den Betrieb von Bohrtürmen und zu Beginn des 20. Jahrhunderts für die Beheizung lokaler Häuser und Gewächshäuser zu nutzen. An der gleichen Stelle, in Larderello, entstand 1904 Thermalwasserdampf Energiequelle Strom zu bekommen.

Dem Beispiel Italiens Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts folgten einige andere Länder. Zum Beispiel wurde Thermalwasser 1892 erstmals in den Vereinigten Staaten (Boise, Idaho), 1919 - in Japan, 1928 - in Island zum lokalen Heizen verwendet.

In den Vereinigten Staaten erschien das erste hydrothermale Kraftwerk Anfang der 1930er Jahre in Kalifornien, in Neuseeland - 1958, in Mexiko - 1959, in Russland (das weltweit erste binäre GeoPP) - 1965 .

Ein altes Prinzip an einer neuen Quelle

Stromerzeugung erfordert eine höhere Wasserquellentemperatur als Heizung, über 150°C. Das Funktionsprinzip eines geothermischen Kraftwerks (GeoES) ähnelt dem Funktionsprinzip eines konventionellen thermischen Kraftwerks (TPP). Tatsächlich ist ein Geothermiekraftwerk eine Art Wärmekraftwerk.

In thermischen Kraftwerken dienen in der Regel Kohle, Gas oder Heizöl als primäre Energiequelle und Wasserdampf als Arbeitsmedium. Der brennende Brennstoff erhitzt das Wasser in einen Dampfzustand, der die Dampfturbine dreht und Strom erzeugt.

Der Unterschied zum GeoPP besteht darin, dass die primäre Energiequelle hier die Wärme des Erdinneren ist und Arbeitskörper in Form von Dampf direkt aus der Förderbohrung „fertig“ in die Turbinenschaufeln des Stromgenerators gelangt.

Es gibt drei Hauptschemata des GeoPP-Betriebs: direkt, unter Verwendung von trockenem (geothermischem) Dampf; indirekt, basierend auf hydrothermalem Wasser und gemischt oder binär.

Die Verwendung des einen oder anderen Schemas hängt vom Aggregatzustand und der Temperatur des Energieträgers ab.

Das einfachste und damit erste der gemeisterten Schemata ist das direkte, bei dem der aus dem Brunnen kommende Dampf direkt durch die Turbine geleitet wird. Auch die weltweit erste GeoPP in Larderello im Jahr 1904 wurde mit Trockendampf betrieben.

GeoPP mit indirektes Schema Jobs sind heutzutage die häufigsten. Sie verwenden heiß Grundwasser, das unter hohem Druck in den Verdampfer eingespritzt wird, wo ein Teil davon verdampft und der entstehende Dampf die Turbine in Rotation versetzt. In einigen Fällen sind zusätzliche Geräte und Kreisläufe erforderlich, um geothermisches Wasser und Dampf von aggressiven Verbindungen zu reinigen.

Der Abdampf gelangt in den Injektionsbrunnen oder wird zur Raumheizung genutzt – hier gilt das gleiche Prinzip wie beim Betrieb eines BHKW.

Bei binären GeoPPs interagiert heißes Thermalwasser mit einer anderen Flüssigkeit, die als Arbeitsflüssigkeit mit niedrigerem Siedepunkt fungiert. Beide Flüssigkeiten werden durch einen Wärmetauscher geleitet, wo Thermalwasser die Arbeitsflüssigkeit verdampft, deren Dämpfe die Turbine antreiben.

Dieses System ist geschlossen, was das Problem der Emissionen in die Atmosphäre löst. Außerdem ermöglichen Arbeitsflüssigkeiten mit einem relativ niedrigen Siedepunkt, nicht sehr heiße Thermalwässer als primäre Energiequelle zu nutzen.

Alle drei Systeme nutzen eine hydrothermale Quelle, aber auch petrothermale Energie kann zur Stromerzeugung genutzt werden.

Der Schaltplan ist in diesem Fall auch recht einfach. Es müssen zwei miteinander verbundene Brunnen gebohrt werden - Injektion und Produktion. Wasser wird in den Injektionsbrunnen gepumpt. In der Tiefe heizt es sich auf, dann wird durch eine Produktionsbohrung erhitztes Wasser oder Dampf, der durch starke Erwärmung entsteht, an die Oberfläche geleitet. Außerdem kommt es darauf an, wie die petrothermale Energie genutzt wird – zum Heizen oder zur Stromerzeugung. Durch das Zurückpumpen von Abdampf und Wasser in den Schluckbrunnen oder eine andere Entsorgung ist ein geschlossener Kreislauf möglich.

Der Nachteil eines solchen Systems liegt auf der Hand: Um eine ausreichend hohe Temperatur des Arbeitsfluids zu erreichen, müssen Bohrlöcher in großer Tiefe gebohrt werden. Und dies ist ein erheblicher Kostenfaktor und das Risiko eines erheblichen Wärmeverlusts, wenn sich die Flüssigkeit nach oben bewegt. Daher sind petrothermale Systeme immer noch weniger verbreitet als hydrothermale, obwohl das Potenzial der petrothermalen Energie um Größenordnungen höher ist.

Derzeit ist Australien führend bei der Schaffung sogenannter petrothermaler Zirkulationssysteme (PCS). Darüber hinaus entwickelt sich diese Richtung der Geothermie aktiv in den USA, der Schweiz, Großbritannien und Japan.

Geschenk von Lord Kelvin

Die Erfindung der Wärmepumpe im Jahr 1852 durch den Physiker William Thompson (alias Lord Kelvin) bot der Menschheit eine echte Nutzungsmöglichkeit minderwertige Hitze oberen Erdschichten. Das Wärmepumpensystem oder Wärmemultiplikator, wie Thompson es nannte, basiert auf dem physikalischen Prozess der Übertragung von Wärme aus der Umgebung auf das Kältemittel. Tatsächlich verwendet es das gleiche Prinzip wie in petrothermalen Systemen. Der Unterschied liegt in der Wärmequelle, in deren Zusammenhang sich eine terminologische Frage stellen kann: Inwieweit kann eine Wärmepumpe als geothermisches System betrachtet werden? Tatsache ist, dass in den oberen Schichten, bis zu einer Tiefe von zehn oder hundert Metern, die Gesteine und die darin enthaltenen Flüssigkeiten nicht durch die Tiefenwärme der Erde, sondern durch die Sonne erwärmt werden. Somit ist in diesem Fall die Sonne die primäre Wärmequelle, obwohl sie wie bei geothermischen Systemen der Erde entnommen wird.

Die Wirkungsweise einer Wärmepumpe beruht auf der verzögerten Erwärmung und Abkühlung des Erdreichs gegenüber der Atmosphäre, wodurch sich zwischen der Oberfläche und tieferen Schichten ein Temperaturgefälle ausbildet, das ähnlich wie im Winter Wärme speichert Was passiert in Stauseen. Der Hauptzweck von Wärmepumpen ist die Raumheizung. Tatsächlich ist es ein „umgekehrter Kühlschrank“. Sowohl die Wärmepumpe als auch der Kühlschrank interagieren mit drei Komponenten: der inneren Umgebung (im ersten Fall - einem beheizten Raum, im zweiten - einer gekühlten Kühlkammer), der äußeren Umgebung - einer Energiequelle und einem Kältemittel (Kältemittel). ist auch ein Kühlmittel, das Wärmeübertragung oder Kälte bereitstellt.

Eine Substanz mit niedrigem Siedepunkt wirkt als Kältemittel, das es ihr ermöglicht, Wärme aus einer Quelle zu entnehmen, die sogar eine relativ niedrige Temperatur hat.

Im Kühlschrank gelangt das flüssige Kältemittel durch eine Drossel (Druckregler) in den Verdampfer, wo die Flüssigkeit aufgrund eines starken Druckabfalls verdampft. Verdunstung ist ein endothermer Prozess, bei dem Wärme von außen aufgenommen werden muss. Dadurch wird den Innenwänden des Verdampfers Wärme entzogen, was für einen Kühleffekt in der Kühlkammer sorgt. Weiter vom Verdampfer wird das Kältemittel in den Kompressor gesaugt, wo es in den flüssigen Aggregatzustand zurückkehrt. Dies ist der umgekehrte Prozess, der zur Freisetzung der entzogenen Wärme führt Außenumgebung. In der Regel wird es in den Raum geworfen, und die Rückwand des Kühlschranks ist relativ warm.

Die Wärmepumpe funktioniert fast genauso, mit dem Unterschied, dass der Außenumgebung Wärme entzogen wird und über den Verdampfer in die Innenumgebung gelangt - das Raumheizungssystem.

In einer echten Wärmepumpe wird Wasser erhitzt, durch einen externen Kreislauf geleitet, der im Boden oder in einem Reservoir verlegt ist, und dann in den Verdampfer geleitet.

Im Verdampfer wird Wärme auf einen internen Kreislauf übertragen, der mit einem Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt gefüllt ist, das beim Durchgang durch den Verdampfer unter Wärmeaufnahme vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht.

Als nächstes gelangt das gasförmige Kältemittel in den Kompressor, wo es komprimiert wird hoher Druck und Temperatur und tritt in den Kondensator ein, wo ein Wärmeaustausch zwischen dem heißen Gas und dem Kühlmittel aus dem Heizsystem stattfindet.

Der Kompressor benötigt zum Betrieb Strom, jedoch ist das Transformationsverhältnis (das Verhältnis von verbrauchter und erzeugter Energie) in moderne Systeme hoch genug, um wirksam zu sein.

Gegenwärtig werden Wärmepumpen häufig zur Raumheizung eingesetzt, hauptsächlich in wirtschaftlich entwickelten Ländern.

Öko-korrekte Energie

Geothermie gilt als umweltfreundlich, was grundsätzlich zutrifft. Erstens nutzt es eine erneuerbare und praktisch unerschöpfliche Ressource. Geothermie ist nicht erforderlich große Gebiete, im Gegensatz zu große Wasserkraftwerke oder Windparks und verschmutzt im Gegensatz zur Kohlenwasserstoffenergie nicht die Atmosphäre. Im Durchschnitt nimmt GeoPP 400 m 2 in Bezug auf 1 GW erzeugten Strom ein. Dieselbe Zahl beträgt beispielsweise für ein Kohlekraftwerk 3600 m 2. Zu den Umweltvorteilen von GeoPPs gehört auch ein geringer Wasserverbrauch – 20 Liter Frischwasser pro 1 kW, während thermische Kraftwerke und Kernkraftwerke etwa 1000 Liter benötigen. Beachten Sie, dass dies die Umweltindikatoren des "durchschnittlichen" GeoPP sind.

Aber es gibt immer noch negative Nebenwirkungen. Unter ihnen wird am häufigsten Lärm unterschieden, Wärmebelastung Atmosphäre und Chemikalien - Wasser und Boden, sowie die Bildung fester Abfälle.

Die Hauptquelle der chemischen Umweltverschmutzung ist das Thermalwasser selbst (mit hoher Temperatur und Mineralisierung), das oft große Mengen an toxischen Verbindungen enthält, und daher gibt es ein Problem mit der Entsorgung von Abwasser und gefährlichen Stoffen.

Die negativen Auswirkungen der Erdwärme lassen sich an mehreren Stellen nachvollziehen, beginnend mit dem Bohren von Brunnen. Hier bestehen die gleichen Gefahren wie bei jedem Brunnenbau: Zerstörung des Bodens und der Vegetationsdecke, Verschmutzung des Bodens und des Grundwassers.

In der Betriebsphase des GeoPP bestehen die Probleme der Umweltverschmutzung fort. Thermalflüssigkeiten – Wasser und Dampf – enthalten typischerweise Kohlendioxid (CO 2), Schwefelsulfid (H 2 S), Ammoniak (NH 3), Methan (CH 4), Tisch salz(NaCl), Bor (B), Arsen (As), Quecksilber (Hg). Wenn sie in die Umwelt freigesetzt werden, werden sie zu Verschmutzungsquellen. Darüber hinaus kann eine aggressive chemische Umgebung Korrosionsschäden an GeoTPP-Strukturen verursachen.

Gleichzeitig sind die Schadstoffemissionen bei GeoPPs im Durchschnitt geringer als bei TKWs. Beispielsweise betragen die Kohlendioxidemissionen pro erzeugter Kilowattstunde Strom bis zu 380 g bei GeoPPs, 1042 g bei Kohleheizkraftwerken, 906 g bei Heizöl und 453 g bei Gasheizkraftwerken.

Es stellt sich die Frage: Wohin mit dem Abwasser? Bei niedrigem Salzgehalt kann es nach dem Abkühlen in Oberflächengewässer eingeleitet werden. Die andere Möglichkeit besteht darin, es durch einen Injektionsbrunnen zurück in den Grundwasserleiter zu pumpen, was derzeit die bevorzugte und vorherrschende Praxis ist.

Die Entnahme von Thermalwasser aus Grundwasserleitern (sowie das Abpumpen von gewöhnlichem Wasser) kann zu Senkungen und Bodenbewegungen, anderen Verformungen geologischer Schichten und Mikroerdbeben führen. Die Wahrscheinlichkeit solcher Phänomene ist in der Regel gering, obwohl Einzelfälle bekannt sind (z. B. beim GeoPP in Staufen im Breisgau in Deutschland).

Das sollte man betonen Großer Teil GeoPP ist in relativ dünn besiedelten Gebieten und in Ländern der Dritten Welt angesiedelt, wo die Umweltauflagen weniger streng sind als in entwickelten Ländern. Zudem sind derzeit die Anzahl der GeoPPs und deren Kapazitäten relativ gering. Mit einer größeren Entwicklung der Geothermie Umweltrisiken kann wachsen und sich vermehren.

Wie groß ist die Energie der Erde?

Die Investitionskosten für den Bau von Geothermieanlagen sind sehr unterschiedlich. große Auswahl- von 200 bis 5000 Dollar pro 1 kW installierter Leistung, dh die billigsten Optionen sind vergleichbar mit den Kosten für den Bau eines Wärmekraftwerks. Sie hängen in erster Linie von den Entstehungsbedingungen des Thermalwassers, seiner Zusammensetzung und der Auslegung des Systems ab. Bohren in große Tiefen, Erstellen eines geschlossenen Systems mit zwei Brunnen, die Notwendigkeit einer Wasseraufbereitung kann die Kosten vervielfachen.

Beispielsweise werden die Investitionen in die Schaffung eines petrothermalen Zirkulationssystems (PTS) auf 1,6 bis 4 Tausend Dollar pro 1 kW installierter Leistung geschätzt, was die Kosten für den Bau eines Kernkraftwerks übersteigt und mit den Kosten für den Bau von Wind und vergleichbar ist Solarkraftwerke.

Der offensichtliche wirtschaftliche Vorteil von GeoTPP ist ein kostenloser Energieträger. Zum Vergleich: In der Kostenstruktur eines in Betrieb befindlichen Wärmekraftwerks oder Kernkraftwerks macht der Brennstoff je nach aktuellen Energiepreisen 50–80 % oder sogar mehr aus. Daher ein weiterer Vorteil der Geothermieanlage: Die Betriebskosten sind stabiler und kalkulierbarer, da sie nicht von der externen Energiepreiskonjunktur abhängen. Im Allgemeinen werden die Betriebskosten des GeoTPP auf 2–10 Cent (60 Kopeken–3 Rubel) pro 1 kWh erzeugter Kapazität geschätzt.

Der zweitgrößte (und sehr bedeutende) Ausgabenposten nach dem Energieträger ist in der Regel das Gehalt des Stationspersonals, das je nach Land und Region stark variieren kann.

Im Durchschnitt sind die Kosten für 1 kWh geothermische Energie vergleichbar mit denen für Wärmekraftwerke (in russischen Verhältnissen - etwa 1 Rubel / 1 kWh) und zehnmal höher als die Kosten für die Stromerzeugung in Wasserkraftwerken (5–10 Kopeken / 1kWh ).

Ein Grund für die hohen Kosten ist unter anderem, dass GeoTPP im Gegensatz zu thermischen und hydraulischen Kraftwerken eine relativ geringe Kapazität hat. Darüber hinaus ist es notwendig, Systeme zu vergleichen, die sich in derselben Region und unter ähnlichen Bedingungen befinden. So kostet zum Beispiel in Kamtschatka laut Experten 1 kWh geothermischer Strom 2-3 mal billiger als Strom, der in lokalen Wärmekraftwerken erzeugt wird.

Indikatoren wirtschaftliche Effizienz Die Funktion einer Geothermieanlage hängt zum Beispiel davon ab, ob eine Entsorgung des Abwassers erforderlich ist und auf welche Weise dies erfolgt, ob eine gemeinsame Nutzung der Ressource möglich ist. So können chemische Elemente und Verbindungen aus Thermalwasser gewonnen werden zusätzliches Einkommen. Erinnern wir uns an das Beispiel von Larderello: der Primäre chemische Produktion, und die Nutzung der Geothermie hatte ursprünglich einen Hilfscharakter.

Geothermische Energie nach vorn

Geothermie entwickelt sich etwas anders als Wind und Sonne. Gegenwärtig hängt dies weitgehend von der Art der Ressource selbst ab, die sich stark von Region zu Region unterscheidet, und die höchsten Konzentrationen sind an enge Zonen geothermischer Anomalien gebunden, die normalerweise mit Gebieten mit tektonischen Verwerfungen und Vulkanismus verbunden sind.

Hinzu kommt, dass die Geothermie im Vergleich zur Windenergie und noch mehr zur Solarenergie technologisch weniger leistungsfähig ist: Die Systeme der Geothermiestationen sind recht einfach.

In der Gesamtstruktur der weltweiten Stromerzeugung macht die geothermische Komponente weniger als 1 % aus, in einigen Regionen und Ländern erreicht ihr Anteil jedoch 25–30 %. Aufgrund der Kopplung an geologische Gegebenheiten konzentriert sich ein erheblicher Teil der geothermischen Energiekapazitäten auf Länder der Dritten Welt, wobei drei Cluster unterschieden werden größte Entwicklung Industrien - die Inseln Südostasiens, Mittelamerikas und Ostafrikas. Die ersten beiden Regionen sind Teil des pazifischen „Feuergürtels der Erde“, die dritte ist an den Ostafrikanischen Graben gebunden. In diesen Gürteln wird sich mit größter Wahrscheinlichkeit die Geothermie weiter entwickeln. Eine weiter entfernte Perspektive ist die Entwicklung der Petrothermalenergie, die die Wärme der mehrere Kilometer tief liegenden Erdschichten nutzt. Dies ist eine fast allgegenwärtige Ressource, deren Gewinnung jedoch mit hohen Kosten verbunden ist, sodass sich die petrothermale Energie vor allem in den wirtschaftlich und technologisch stärksten Ländern entwickelt.

Angesichts der Allgegenwart geothermischer Ressourcen und eines akzeptablen Sicherheitsniveaus für die Umwelt gibt es im Allgemeinen Grund zu der Annahme, dass dies für geothermische Energie gilt gute Aussichten Entwicklung. Vor allem angesichts der wachsenden Gefahr einer Verknappung traditioneller Energieträger und steigender Preise für diese.

Von Kamtschatka bis zum Kaukasus

In Russland hat die Entwicklung der Geothermie eine ziemlich lange Geschichte, und in einigen Positionen gehören wir zu den Weltführern, obwohl der Anteil der Geothermie an der Gesamtenergiebilanz eines riesigen Landes immer noch vernachlässigbar ist.

Die Pioniere und Zentren für die Entwicklung der Geothermie in Russland waren zwei Regionen - Kamtschatka und der Nordkaukasus, und wenn wir im ersten Fall hauptsächlich über die Elektrizitätswirtschaft sprechen, dann im zweiten - über die Nutzung von Wärmeenergie Thermalwasser.

Im Nordkaukasus, in Krasnodar-Territorium, Tschetschenien, Dagestan - die Wärme des Thermalwassers wurde bereits vor dem Großen Vaterländischen Krieg für Energiezwecke genutzt. In den 1980er bis 1990er Jahren geriet die Entwicklung der Geothermie in der Region aus offensichtlichen Gründen ins Stocken und hat sich noch nicht von der Stagnation erholt. Dennoch liefert die geothermische Wasserversorgung im Nordkaukasus Wärme für etwa 500.000 Menschen, und die Stadt Labinsk in der Region Krasnodar mit einer Bevölkerung von 60.000 Einwohnern wird beispielsweise vollständig durch geothermisches Wasser beheizt.

In Kamtschatka ist die Geschichte der Geothermie vor allem mit dem Bau des GeoPP verbunden. Die ersten von ihnen, die noch die Stationen Pauzhetskaya und Paratunskaya betreiben, wurden 1965–1967 gebaut, während die Paratunskaya GeoPP mit einer Kapazität von 600 kW die erste Station der Welt mit einem binären Zyklus wurde. Es war die Entwicklung der sowjetischen Wissenschaftler S. S. Kutateladze und A. M. Rosenfeld vom Institut für thermische Physik der sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften, die 1965 ein Urheberrechtszertifikat für die Gewinnung von Strom aus Wasser mit einer Temperatur von 70 ° C erhielten. Diese Technologie wurde später zum Prototyp für mehr als 400 binäre GeoPPs weltweit.

Die Kapazität des 1966 in Betrieb genommenen GeoPP Pauzhetskaya betrug zunächst 5 MW und wurde später auf 12 MW erhöht. Derzeit befindet sich die Station im Bau eines Binärblocks, der ihre Kapazität um weitere 2,5 MW erhöhen wird.

Die Entwicklung der Geothermie in der UdSSR und Russland wurde durch die Verfügbarkeit traditioneller Energiequellen - Öl, Gas, Kohle - behindert, aber nie gestoppt. Die derzeit größten geothermischen Kraftwerke sind das 1999 in Betrieb genommene GeoPP Verkhne-Mutnovskaya mit einer Gesamtleistung von 12 MW und das GeoPP Mutnovskaya mit einer Leistung von 50 MW (2002).

Mutnovskaya und Verkhne-Mutnovskaya GeoPP sind einzigartige Objekte nicht nur für Russland, sondern auch auf globaler Ebene. Die Stationen befinden sich am Fuße des Vulkans Mutnovsky auf einer Höhe von 800 Metern über dem Meeresspiegel und arbeiten unter extremen klimatischen Bedingungen, wo 9-10 Monate im Jahr Winter herrscht. Die Ausrüstung der Mutnovsky GeoPPs, derzeit eine der modernsten der Welt, wurde vollständig in einheimischen Unternehmen der Energietechnik erstellt.

Derzeit beträgt der Anteil der Mutnovsky-Stationen an der Gesamtstruktur des Energieverbrauchs des Energiezentrums Zentral-Kamtschatka 40%. In den kommenden Jahren ist eine Kapazitätserweiterung geplant.

Unabhängig davon sollte über russische petrothermale Entwicklungen gesprochen werden. Wir haben noch keine großen PCS, aber es gibt sie Hi-Tech Bohren in großer Tiefe (ca. 10 km), die auch weltweit keine Analoga haben. Ihre Weiterentwicklung wird es ermöglichen, die Kosten für die Erstellung petrothermaler Systeme drastisch zu senken. Die Entwickler dieser Technologien und Projekte sind N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geologisches Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften), A. S. Nekrasov (Institut für Wirtschaftsprognosen der Russischen Akademie der Wissenschaften) und Spezialisten des Turbinenkraftwerks Kaluga. Derzeit befindet sich das petrothermale Kreislaufsystemprojekt in Russland in der Pilotphase.

Perspektiven für Geothermie gibt es in Russland, obwohl sie relativ weit entfernt sind: Im Moment ist das Potenzial ziemlich groß und die Position der traditionellen Energie stark. Gleichzeitig ist die Nutzung der Geothermie in einigen abgelegenen Regionen des Landes wirtschaftlich rentabel und bereits heute gefragt. Dies sind Gebiete mit hohem Geoenergiepotenzial (Tschukotka, Kamtschatka, Kurilen - Russischer Teil der pazifische „Feuergürtel der Erde“, die Berge Südsibiriens und des Kaukasus) und zugleich abgelegen und abgeschnitten von der zentralen Energieversorgung.

Es ist wahrscheinlich, dass sich die Geothermie in unserem Land in den kommenden Jahrzehnten genau in solchen Regionen entwickeln wird.

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 Industrieländern hoch Entwicklungsländer(USA, Japan, Staaten des vereinten Europas, China, Indien etc.). 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 Ölförderregionen waren das „Zweite Baku“ an der Wolga und der Cis-Ural, der dann ab den 1970er Jahren und bis heute ein solches Gebiet ist Westsibirien. 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 umfangreichen Entwicklung der Erdgasförderung ist abgeschlossen. Seine Gewinnung aus solchen riesigen Lagerstätten wie Medvezhye, Urengoyskoye und Yamburgskoye betrug 84, 65 bzw. 50%. Spezifisches Gewicht Auch die für die Entwicklung günstigen Ölreserven nehmen im Laufe der Zeit ab.

Aufgrund des aktiven Verbrauchs von Kohlenwasserstoffbrennstoffen wurden die Öl- und Erdgasreserven an Land erheblich reduziert. Jetzt konzentrieren sich ihre Hauptreserven auf dem 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. Jedoch Kernenergie erfordert die Gewährleistung der Umweltsicherheit (um eine Wiederholung von Tschernobyl zu verhindern) und den Schutz vor möglichen Terroranschlägen sowie die sichere und kostspielige Stilllegung veralteter und veralteter 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 erzielt wird, desto weniger schmerzhaft wird es für die gesamte Gesellschaft und desto vorteilhafter für das Land, in dem es sich befindet entscheidende Schritte in die angegebene Richtung.

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 Verwendung nicht traditioneller Brennstoffe Energieressourcen. Die thermische Energie der Erde nimmt unter ihnen einen der ersten Plätze ein.

Derzeit hat das Energieministerium der Russischen Föderation ein Entwicklungsprogramm verabschiedet nicht-traditionelle Energie, darunter 30 Hauptprojekte die Verwendung von Wärmepumpenanlagen (HPU), deren Funktionsprinzip auf dem Verbrauch von Wärmeenergie mit niedrigem Potenzial der Erde basiert.

Niederpotenzielle Energie der Erdwärme und Wärmepumpen

Die Quellen der Wärmeenergie mit niedrigem Potential der Erde sind Sonnenstrahlung und Wärmestrahlung erhitzte Eingeweide unseres Planeten. Die Nutzung dieser Energie ist derzeit einer der sich am dynamischsten entwickelnden Energiebereiche auf Basis erneuerbarer Energiequellen.

Die Wärme der Erde kann genutzt werden verschiedene Arten Gebäude und Bauwerke zum Heizen, Warmwasserbereiten, Klimatisieren (Kühlen) sowie zum Beheizen von Bahnen in der Wintersaison, Verhindern von Eisbildung, Beheizen von Feldern in Freiluftstadien usw. technische Literatur Anlagen, die die Erdwärme in Heizungs- und Klimaanlagen nutzen, werden als GHP – „geothermische Wärmepumpen“ (geothermische Wärmepumpen) bezeichnet. Klimaeigenschaften die Länder Mittel- und Nordeuropas, die zusammen mit den USA und Kanada die Hauptgebiete für die Nutzung minderwertiger Erdwärme sind, bestimmen diese hauptsächlich zu Heizzwecken; Luftkühlung sogar in Sommerzeit 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 sinkender 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

BEI Allgemeiner Fall Es gibt zwei Arten von Systemen zur Nutzung der niederpotentialen Energie der Erdwärme:

- offene Systeme: Als Quelle für minderwertige Wärmeenergie wird Grundwasser genutzt, 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;

- gut chemische Zusammensetzung Grundwasser (z. B. niedriger Eisengehalt), um Kalk- und Korrosionsprobleme in den Rohren zu vermeiden.

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.

In unserem an Kohlenwasserstoffen reichen Land ist Geothermie eine Art exotischer Rohstoff, der nach heutigem Stand kaum mit Öl und Gas konkurrieren kann. Dennoch lässt sich diese alternative Energieform fast überall und recht effizient nutzen.

Geothermie ist die Wärme des Erdinneren. Es entsteht in der Tiefe und gelangt in unterschiedlicher Form und Intensität an die Erdoberfläche.

Wenn die durchschnittliche jährliche Lufttemperatur in einem bestimmten Gebiet unter Null liegt, manifestiert sich dies als Permafrost (genauer Permafrost). In Ostsibirien erreicht die Mächtigkeit, also die Mächtigkeit ganzjährig gefrorener Böden stellenweise 200–300 m.

Der Wärmestrom des Erdinneren, der die Erdoberfläche erreicht, ist gering - seine Leistung beträgt im Durchschnitt 0,03–0,05 W / m 2 oder ungefähr 350 Wh / m 2 pro Jahr. Vor dem Hintergrund des Wärmestroms der Sonne und der von ihr erwärmten Luft ist dies ein nicht wahrnehmbarer Wert: Die Sonne gibt jedem Quadratmeter der Erdoberfläche jährlich etwa 4.000 kWh, also 10.000-mal mehr (natürlich ist dies der Fall im Durchschnitt, mit einer großen Streuung zwischen polaren und äquatorialen Breiten und abhängig von anderen Klima- und Wetterfaktoren).

Diese Gebiete sind für die Entwicklung der Geothermie am günstigsten. Auf dem Territorium Russlands sind dies vor allem Kamtschatka, die Kurilen und der Kaukasus.

Der Kehrwert ist die geothermische Stufe oder das Tiefenintervall, in dem die Temperatur um 1 °C ansteigt.

Je höher das Gefälle und entsprechend niedriger die Stufe, desto näher kommt die Wärme aus den Tiefen der Erde der Erdoberfläche und desto aussichtsreicher ist dieses Gebiet für die Erschließung der Geothermie.

Je nach geologischer Struktur und anderen regionalen und lokalen Bedingungen kann die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs mit der Tiefe in verschiedenen Gebieten dramatisch variieren. Auf der Skala der Erde erreichen die Schwankungen der Werte der geothermischen Gradienten und Stufen das 25-fache. Im Bundesstaat Oregon (USA) beträgt das Gefälle beispielsweise 150 °C pro 1 km und in Südafrika 6 °C pro 1 km.

Beispielsweise ändert sich die Temperatur in der im Baltic Crystalline Shield gebohrten Kola-Superdeep-Bohrung mit einer Rate von 10 ° C / 1 km bis zu einer Tiefe von 3 km, und dann wird der geothermische Gradient 2- bis 2,5-mal größer. In 7 km Tiefe wurde bereits eine Temperatur von 120 °C gemessen, in 10 km - 180 °C und in 12 km - 220 °C.

Ein weiteres Beispiel ist ein Brunnen im nördlichen Kaspischen Meer, wo in 500 m Tiefe eine Temperatur von 42 °C gemessen wurde, bei 1,5 km - 70 °C, bei 2 km - 80 °C, bei 3 km - 108 °C.

In Tiefen bis zu 10–12 km wird die Temperatur durch gebohrte Brunnen gemessen; wo sie nicht vorhanden sind, wird sie durch indirekte Zeichen ebenso bestimmt wie in größerer Tiefe. Solche indirekten Anzeichen können die Art des Durchgangs seismischer Wellen oder die Temperatur der ausbrechenden Lava sein.

Für die Zwecke der Geothermie sind jedoch Temperaturdaten in Tiefen von mehr als 10 km noch nicht von praktischem Interesse.

Die Wärme von Grundwasser, Dampf, Dampf-Wasser-Gemischen ist hydrothermale Energie. Dementsprechend wird Energie, die auf ihrer Verwendung basiert, als Hydrothermal bezeichnet.

Wassertemperaturen von 20-30 bis 100°C eignen sich zum Heizen, Temperaturen ab 150°C und darüber – und zur Stromerzeugung in Geothermiekraftwerken.

Theoretisch könnte nur Geothermie den Energiebedarf des Landes vollständig decken. In der Praxis ist dies derzeit in den meisten Gebieten seines Territoriums aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht durchführbar.

Die „Zähmung“ der Erdwärme im 20. Jahrhundert hat Island wirtschaftlich erheblich geholfen. Bis zur Mitte des letzten Jahrhunderts war es ein sehr armes Land, jetzt steht es weltweit an erster Stelle in Bezug auf die installierte Kapazität und Produktion von Geothermie pro Kopf und gehört zu den Top Ten in Bezug auf die absolut installierte Kapazität von Geothermie Pflanzen. Die Einwohnerzahl beträgt jedoch nur 300.000 Menschen, was die Umstellung auf umweltfreundliche Energiequellen vereinfacht: Der Bedarf dafür ist im Allgemeinen gering.

Neben Island wird ein hoher Anteil an Geothermie an der Gesamtbilanz der Stromerzeugung in Neuseeland und den Inselstaaten Südostasiens (Philippinen und Indonesien), den Ländern Mittelamerikas und Ostafrikas bereitgestellt, deren Territorium ebenfalls gekennzeichnet ist durch hohe seismische und vulkanische Aktivität. Für diese Länder leistet Geothermie bei ihrem derzeitigen Entwicklungsstand und Bedarf einen wesentlichen Beitrag zur sozioökonomischen Entwicklung.

Die Nutzung der Geothermie hat eine sehr lange Geschichte. Eines der ersten bekannten Beispiele ist Italien, ein Ort in der Provinz Toskana, heute Larderello genannt, wo bereits zu Beginn des 19. Jahrhunderts lokales heißes Thermalwasser, das natürlich floss oder aus flachen Brunnen gewonnen wurde, zur Energiegewinnung genutzt wurde Zwecke.

Borhaltiges Wasser aus unterirdischen Quellen wurde hier zur Gewinnung von Borsäure verwendet. Ursprünglich wurde diese Säure durch Verdampfung in Eisenkesseln gewonnen, und gewöhnliches Brennholz wurde als Brennstoff aus nahe gelegenen Wäldern entnommen, aber 1827 schuf Francesco Larderel ein System, das mit der Hitze des Wassers selbst arbeitete. Gleichzeitig begann man, die Energie des natürlichen Wasserdampfs für den Betrieb von Bohrtürmen und zu Beginn des 20. Jahrhunderts für die Beheizung lokaler Häuser und Gewächshäuser zu nutzen. Am selben Ort, in Larderello, wurde 1904 Thermalwasserdampf zu einer Energiequelle für die Stromerzeugung.