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

BEI letzte Jahrzehnte Die Welt erwägt die Richtung einer effizienteren Nutzung der Energie der Tiefenwärme der Erde, 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.

Das Interesse an alternativen Energiequellen, das in den letzten Jahrzehnten weltweit gewachsen ist, 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 Kernenergie) 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 Kühlmittel (sie machen nur 1% aus gemeinsame Ressourcen Geothermie) - Grundwasser, Dampf und Dampf-Wasser-Gemische. Die zweite ist geothermische Energie, die in heißen Gesteinen enthalten ist.

Die in unserem Land und im Ausland zur Gewinnung von natürlichem Dampf und geothermischem Wasser verwendete Springbrunnentechnologie (Self-Spill) ist einfach, aber ineffizient. Bei einer geringen Förderleistung von selbstfließenden Brunnen kann deren Wärmeproduktion die Bohrkosten nur in geringer Tiefe von geothermischen Lagerstätten amortisieren hohe Temperatur in Gebieten mit thermischen Anomalien. 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.

Nach vorläufigen Schätzungen auf dem Territorium der Russischen Föderation betragen 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 21–22 Millionen m3/Tag, was der Verbrennung von 30–40 Millionen Tonnen Wasser entspricht. .t. Im Jahr.

Die vorhergesagten Reserven des Dampf-Luft-Gemisches mit einer Temperatur von 150-250 ° C der Halbinsel Kamtschatka und Kurilen beträgt 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.

Viel Größerer Wert denn 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 Zwischenkammern einiger Vulkane zu finden, aber heißes Gestein mit einer Temperatur von 100-150 °C ist 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. der wärmeinhalt der festen, flüssigen und gasförmigen phasen der erdmaterie wird geothermie genannt.

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 für begrenzte natürliche Ressourcen von Bedeutung ist, und Gesamtpotential Geothermie ist praktisch unerschöpflich, da sie als die gesamte der Erde zur Verfügung stehende Wärmemenge definiert werden sollte.

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 sich häufig in den oben genannten Tiefen befinden, deren Durchlässigkeit es ermöglicht, eine Zwangsfiltration 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 von mechanischen u chemische Verunreinigungen(bis 0,2 g/l) entsprach dem Frischzustand 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 Methoden des Schrägbohrens und des hydraulischen Brechens, die in der Öl- und Gasindustrie seit langem beherrscht und praktiziert werden, verursachte weder seismische noch andere Aktivitäten 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 mit der Verwendung von geothermischen Kühlmitteln zeigen, dass sie unter günstigen Bedingungen 2-5 mal rentabler sind 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 vernünftige Entwicklung eine Reduzierung der Energiekosten im Vergleich zu moderner Brennstoffenergie verspricht. Mit einem ebenso unerschöpflichen Energiepotential werden Solar- und thermonukleare Anlagen leider teurer sein als bestehende Brennstoffanlagen.

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 von Tiefbrunnen, die ein Kanal sind, um das Kühlmittel an die Oberfläche zu bringen, auf große Schwierigkeiten. Aufgrund der hohen Temperatur an der Bohrlochsohle (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 inländischer, hohe Technologie technische Mittel für tiefes Eindringen Erdkruste. Derzeit wurden mehrere Varianten von Bohrwerkzeugen (BS) entwickelt, die in der weltweiten Praxis keine Analoga haben.

Der Betrieb der ersten Version des BS ist an die aktuelle konventionelle Brunnenbohrtechnik gekoppelt. Bohrgeschwindigkeit in Hartgestein (durchschnittliche Dichte 2500-3300 kg/m3) bis zu 30 m/h, Bohrdurchmesser 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. Amortisationszeit der Stationen (unter Berücksichtigung die neuesten Technologien Bohren) - 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

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Diese Energie gehört zu alternativen Quellen. Heutzutage erwähnen sie immer häufiger die Möglichkeiten, Ressourcen zu erhalten, die uns der Planet gibt. Wir können sagen, dass wir in einer Ära der Mode für erneuerbare Energien leben. Es entsteht eine Vielzahl technische Lösungen, Pläne, Theorien in diesem Bereich.

Es ist tief im Inneren der Erde und hat die Eigenschaften der Erneuerung, mit anderen Worten, es ist endlos. Klassische Ressourcen gehen laut Wissenschaftlern langsam zur Neige, Öl, Kohle, Gas werden ausgehen.

Geothermisches Kraftwerk Nesjavellir, Island

Daher kann man sich schrittweise darauf vorbereiten, neue alternative Methoden der Energieerzeugung zu übernehmen. Unter der Erdkruste befindet sich ein mächtiger Kern. Seine Temperatur reicht von 3000 bis 6000 Grad. ziehen um lithosphärische Platten demonstriert es enorme Kraft. Es manifestiert sich in Form von vulkanischem Schwappen von Magma. In der Tiefe kommt es zu radioaktivem Zerfall, der manchmal solche Naturkatastrophen auslöst.

Normalerweise erwärmt Magma die Oberfläche, ohne darüber hinauszugehen. So entstehen Geysire oder warme Wasserbecken. Auf diese Weise können physikalische Prozesse für die richtigen Zwecke der Menschheit genutzt werden.

Arten von geothermischen Energiequellen

Es wird normalerweise in zwei Arten unterteilt: hydrothermale und petrothermale Energie. Die erste wird gebildet durch warme Quellen, und der zweite Typ ist der Temperaturunterschied an der Oberfläche und in der Tiefe der Erde. Um es mit eigenen Worten auszudrücken, eine hydrothermale Quelle besteht aus Dampf und heißem Wasser, während eine petrothermale Quelle tief unter der Erde verborgen ist.

Karte des Entwicklungspotenzials der Geothermie weltweit

Für die Petrothermalenergie müssen zwei Brunnen gebohrt und einer mit Wasser gefüllt werden, woraufhin ein Höhenflug stattfindet, der an die Oberfläche kommt. Es gibt drei Klassen von geothermischen Gebieten:

• Geothermie - in der Nähe der Kontinentalplatten gelegen. Temperaturgradient über 80 °C/km. Als Beispiel die italienische Gemeinde Larderello. Es gibt ein Kraftwerk
• Halbthermisch - Temperatur 40 - 80 C / km. Dies sind natürliche Grundwasserleiter, die aus Schotter bestehen. Mancherorts in Frankreich werden Gebäude auf diese Weise beheizt.
• Normal – Gefälle unter 40 °C/km. Die Darstellung solcher Bereiche ist am häufigsten

Sie sind eine ausgezeichnete Quelle für den Konsum. Sie befinden sich in einer bestimmten Tiefe im Felsen. Schauen wir uns die Einteilung genauer an:

• Epithermal - Temperatur von 50 bis 90 s
• Mesothermal - 100 - 120 s
• Hypothermal - mehr als 200 s

Diese Arten bestehen aus unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung. Abhängig davon kann Wasser für verschiedene Zwecke verwendet werden. Zum Beispiel bei der Stromerzeugung, Wärmebereitstellung (thermische Strecken), Rohstoffbasis.

Video: Geothermie

Prozess der Wärmeversorgung

Die Wassertemperatur beträgt 50 -60 Grad, was für die Beheizung und Wärmeversorgung eines Wohngebietes optimal ist. Der Bedarf an Heizsystemen hängt von der geografischen Lage und den klimatischen Bedingungen ab. Und die Menschen brauchen ständig die Bedürfnisse der Warmwasserversorgung. Für diesen Prozess werden GTS (Geothermal Thermal Stations) gebaut.

Wenn wegen klassische Produktion Wärmeenergie wird von einem Kesselhaus verwendet, das Feststoffe oder verbraucht Gasbrennstoff, dann wird bei dieser Produktion eine Geysirquelle verwendet. Der technische Prozess ist sehr einfach, die gleiche Kommunikation, thermische Wege und Ausrüstung. Es reicht aus, einen Brunnen zu bohren, ihn von Gasen zu reinigen, ihn dann mit Pumpen in den Heizraum zu schicken, wo der Temperaturplan eingehalten wird, und dann in die Heizungsleitung einzutreten.

Der Hauptunterschied besteht darin, dass kein Brennstoffkessel verwendet werden muss. Dadurch werden die Kosten für thermische Energie erheblich reduziert. Abonnenten erhalten im Winter Wärme und Warmwasser, im Sommer nur Warmwasser.

Energieerzeugung

Heiße Quellen, Geysire sind die Hauptkomponenten bei der Stromerzeugung. Dazu werden mehrere Schemata verwendet, spezielle Kraftwerke werden gebaut. GTS-Gerät:

• Warmwasserspeicher
• Pumpe
• Gasabscheider
• Dampfabscheider
• erzeugende Turbine
• Kondensator
• Druckerhöhungspumpe
• Tank - Kühler

Wie Sie sehen können, ist das Hauptelement des Kreislaufs ein Dampfkonverter. Dies ermöglicht die Gewinnung von gereinigtem Dampf, da er Säuren enthält, die die Turbinenausrüstung zerstören. Es ist möglich, im technologischen Zyklus ein gemischtes Schema zu verwenden, dh Wasser und Dampf sind an dem Prozess beteiligt. Die Flüssigkeit durchläuft die gesamte Stufe der Reinigung von Gasen sowie Dampf.

Schaltung mit binärer Quelle

Die Arbeitskomponente ist eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt. Thermalwasser ist auch an der Stromerzeugung beteiligt und dient als Sekundärrohstoff.

Mit seiner Hilfe entsteht niedrigsiedender Quelldampf. GTS mit einem solchen Arbeitszyklus können vollständig automatisiert werden und erfordern kein Wartungspersonal. Leistungsstärkere Stationen verwenden ein Zweikreisschema. Dieser Kraftwerkstyp ermöglicht das Erreichen einer Leistung von 10 MW. Doppelschaltungsstruktur:

• Dampfgenerator
• Turbine
• Kondensator
• Auswerfer
• Förderpumpe
• Economizer
• Verdampfer

Praktischer Nutzen

Riesige Reserven an Quellen sind um ein Vielfaches größer als der jährliche Energieverbrauch. Aber nur ein kleiner Bruchteil wird von der Menschheit genutzt. Der Bau der Bahnhöfe geht auf das Jahr 1916 zurück. In Italien wurde das erste GeoTPP mit einer Kapazität von 7,5 MW erstellt. Die Industrie entwickelt sich aktiv in solchen Ländern wie: USA, Island, Japan, Philippinen, Italien.

Die aktive Exploration potenzieller Standorte und bequemerer Extraktionsmethoden ist im Gange. Die Produktionskapazität wächst von Jahr zu Jahr. Wenn wir den Wirtschaftsindikator berücksichtigen, entsprechen die Kosten einer solchen Industrie denen von Kohlekraftwerken. Island deckt den Kommunal- und Wohnungsbestand fast vollständig mit einer GT-Quelle ab. 80 % der Haushalte verwenden heißes Wasser aus Brunnen. Experten aus den USA behaupten, dass GeoTPPs bei richtiger Entwicklung das 30-fache des Jahresverbrauchs produzieren können. Wenn wir über das Potenzial sprechen, dann werden sich 39 Länder der Erde vollständig mit Strom versorgen können, wenn sie den Erdinneren zu 100 Prozent nutzen.

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. 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. 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 Sie in fast jeder Ecke des Landes geothermische Energie erhalten können. industrieller Weg: durch einen Brunnen wird injiziert kaltes Wasser in den Behälter 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 entzogene Wärme nur ein Bruchteil dessen, was zur Verfügung steht allgemeine Reserven. 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. Aber in der Praxis stellt sich heraus, dass geothermische Quellen in verschiedenen Regionen Welten sind völlig unterschiedlich in ihren Eigenschaften, nämlich Durchschnittstemperatur, Mineralisierung, Gaszusammensetzung, Säure usw.

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 als Energiequellen werden in Regionen wie Kamtschatka, Island, Neuseeland u 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 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. So bildet es sich auf natürliche Weise Wärmeenergie 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. So, potenzielle Energie Die Erde liegt 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 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. 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 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, jedoch ermöglicht die moderne Technologie 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: 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 einfach als Akkretion bezeichnet und führte dazu, dass eine erhebliche Menge an Gravitationsenergie. 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, wird es außerdem eine echte geben technologische Katastrophe. Traurige Folgen Unfälle an Kernkraftwerk Tschernobyl erleben wir bis heute. Die Gefahr liegt darin, dass radioaktiver Müll kann alle Lebewesen sehr, sehr bedrohen 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 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 die Energie Magnetfeld Die Erde oder die, die in Kernkraftwerken gewonnen wird, kann nicht alle Bedürfnisse der Menschheit, die jedes Jahr wachsen, 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. Menge schädliche Emissionen die Skala überschreitet, die Luft, die wir atmen, schädlich ist, das Wasser gefährliche Verunreinigungen aufweist und der Boden allmählich erschöpft ist. Aus diesem Grund ist es so wichtig, rechtzeitig mit der Erforschung eines solchen Phänomens wie Energie im Erdinneren zu beginnen, um nach Wegen zu suchen, den Bedarf an fossilen Brennstoffen zu reduzieren und nicht-traditionelle Energiequellen aktiver zu nutzen.

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Kernwärme der Erde

Erdwärme

Die Erde ist ein ziemlich stark erhitzter Körper und eine Wärmequelle. Es erwärmt sich vor allem durch die absorbierte Sonnenstrahlung. Aber die Erde hat auch ihre eigene thermische Ressource, die mit der von der Sonne empfangenen Wärme vergleichbar ist. Es wird angenommen, dass diese eigene Energie der Erde folgenden Ursprung hat. Die Erde entstand vor etwa 4,5 Milliarden Jahren nach der Bildung der Sonne aus einer protoplanetaren Gas-Staub-Scheibe, die sich um sie drehte und kondensierte. Die Erdsubstanz wurde bereits in einem frühen Stadium ihrer Entstehung durch relativ langsame gravitative Verdichtung aufgeheizt. Eine wichtige Rolle im Wärmehaushalt der Erde spielte auch die Energie, die beim Fall kleiner kosmischer Körper auf sie freigesetzt wurde. Daher wurde die junge Erde geschmolzen. Beim Abkühlen erreichte es allmählich seinen jetzigen Zustand mit einer festen Oberfläche, von der ein erheblicher Teil mit ozeanischem und bedeckt ist Meerwasser. So schwer äußere Schicht genannt der Erdkruste und im Durchschnitt beträgt seine Dicke auf Grundstücken etwa 40 km und weniger Ozeanwasser- 5-10 km. Die tiefere Schicht der Erde, genannt Mantel, besteht auch aus feste Materie. Er erstreckt sich bis in eine Tiefe von fast 3000 km und enthält den Großteil der Materie der Erde. Schließlich ist der innerste Teil der Erde sein Kern. Es besteht aus zwei Schichten - extern und intern. äußerer Kern Dies ist eine Schicht aus geschmolzenem Eisen und Nickel mit einer Temperatur von 4500-6500 K und einer Dicke von 2000-2500 km. innerer Kern mit einem Radius von 1000-1500 km ist eine auf eine Temperatur von 4000-5000 K erhitzte feste Eisen-Nickel-Legierung mit einer Dichte von etwa 14 g / cm 3, die bei einem enormen Druck (fast 4 Millionen bar) entstand.
Neben der inneren Wärme der Erde, die aus dem frühesten heißen Stadium ihrer Entstehung stammt und deren Menge mit der Zeit abnehmen sollte, gibt es eine weitere - langfristige, die mit dem radioaktiven Zerfall von Kernen mit einer langen Hälfte verbunden ist -Leben - vor allem 232 Th, 235 U , 238 U und 40 K. Die bei diesen Zerfällen freigesetzte Energie - sie machen fast 99 % der radioaktiven Energie der Erde aus - füllt ständig die Wärmereserven der Erde auf. Die obigen Kerne sind in der Kruste und im Mantel enthalten. Ihr Zerfall führt zu einer Erwärmung sowohl der äußeren als auch der inneren Erdschichten.
Ein Teil der enormen Hitze, die im Inneren der Erde enthalten ist, tritt ständig an die Oberfläche, oft in sehr großen vulkanischen Prozessen. Der Wärmestrom, der aus der Tiefe der Erde durch ihre Oberfläche fließt, ist bekannt. Sie beträgt (47±2)·10 12 Watt, was der Wärme entspricht, die von 50.000 Kernkraftwerken erzeugt werden kann (die durchschnittliche Leistung eines Kernkraftwerks beträgt etwa 10 9 Watt). Es stellt sich die Frage, ob radioaktive Energie im gesamten thermischen Haushalt der Erde eine signifikante Rolle spielt, und wenn ja, welche Rolle? Die Antwort auf diese Fragen blieb lange unbekannt. Jetzt gibt es Möglichkeiten, diese Fragen zu beantworten. Die Schlüsselrolle kommt dabei den Neutrinos (Antineutrinos) zu, die in den Prozessen entstehen radioaktiver Zerfall Kerne, die die Substanz der Erde ausmachen und die genannt werden Geo-Neutrino.

Geo-Neutrino

Geo-Neutrino ist die Sammelbezeichnung für Neutrinos oder Antineutrinos, die beim Beta-Zerfall von unter der Erdoberfläche befindlichen Kernen emittiert werden. Offensichtlich kann die Registrierung dieser (und nur dieser) durch bodengestützte Neutrino-Detektoren aufgrund der beispiellosen Durchdringungsfähigkeit objektive Informationen über die Prozesse des radioaktiven Zerfalls liefern, die tief im Inneren der Erde stattfinden. Ein Beispiel für einen solchen Zerfall ist der β-Zerfall des 228 Ra-Kerns, der das Produkt des α-Zerfalls des langlebigen 232 Th-Kerns ist (siehe Tabelle):

Die Halbwertszeit (T 1/2) des 228 Ra-Kerns beträgt 5,75 Jahre und die freigesetzte Energie beträgt etwa 46 keV. Das Energiespektrum von Antineutrinos ist kontinuierlich mit einer Obergrenze nahe der freigesetzten Energie.
Die Zerfälle von 232 Th-, 235 U-, 238 U-Kernen sind Ketten aufeinanderfolgender Zerfälle, die die sogenannten Kerne bilden radioaktive Reihe. In solchen Ketten sind α-Zerfälle mit β − -Zerfällen durchsetzt, da sich bei α-Zerfällen herausstellt, dass die Endkerne von der β-Stabilitätslinie in den Bereich der mit Neutronen überladenen Kerne verschoben sind. Nach einer Kette aufeinanderfolgender Zerfälle am Ende jeder Reihe werden stabile Kerne mit einer Anzahl von Protonen und Neutronen gebildet, die nahe oder gleich magischen Zahlen sind (Z = 82,N= 126). Solche Endkerne sind stabile Isotope von Blei oder Wismut. Somit endet der Zerfall von T 1/2 mit der Bildung eines doppelt magischen Kerns 208 Pb, und auf dem Weg 232 Th → 208 Pb treten sechs α-Zerfälle auf, abwechselnd mit vier β-Zerfällen (in der Kette 238 U → 206 Pb, acht α- und sechs β – -Zerfälle; in der 235 U → 207 Pb-Kette gibt es sieben α- und vier β − -Zerfälle). Somit ist das Energiespektrum von Antineutrinos aus jeder radioaktiven Serie eine Überlagerung von Teilspektren von einzelnen β − -Zerfällen, aus denen diese Serie besteht. Die Spektren von Antineutrinos, die bei 232 Th-, 235 U-, 238 U- und 40 K-Zerfällen erzeugt werden, sind in den Fig. 1 und 2 gezeigt. 1. Der 40 K-Zerfall ist ein einzelner β − -Zerfall (siehe Tabelle). die größte Energie(bis 3,26 MeV) erreichen Antineutrinos im Zerfall
214 Bi → 214 Po, ein Glied in der radioaktiven Reihe 238 U. Die Gesamtenergie, die während des Durchgangs aller Zerfallsglieder in der Reihe 232 Th → 208 Pb freigesetzt wird, beträgt 42,65 MeV. Für die radioaktiven Serien 235 U und 238 U betragen diese Energien 46,39 bzw. 51,69 MeV. Beim Zerfall freigesetzte Energie
40 K → 40 Ca ist 1,31 MeV.

Eigenschaften von 232 Th-, 235 U-, 238 U-, 40 K-Kernen

Kern	Anteil in % in einer Mischung Isotope	Zahl der Kerne betrifft. Si-Kerne	T 1/2 Milliarden Jahre	Erste Verbindungen Verfall
232th	100	0.0335	14.0
235 u	0.7204	6,48 10 -5	0.704
238 u	99.2742	0.00893	4.47
40K	0.0117	0.440	1.25

Die Abschätzung des Geo-Neutrino-Flusses, die auf der Grundlage des Zerfalls der in der Zusammensetzung der Erdmaterie enthaltenen Kerne 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K vorgenommen wird, führt zu einem Wert in der Größenordnung von 10 6 cm -2 Sek. -1 . Durch die Registrierung dieser Geo-Neutrinos kann man Informationen über die Rolle der radioaktiven Wärme im gesamten Wärmehaushalt der Erde gewinnen und unsere Vorstellungen über den Gehalt an langlebigen Radioisotopen in der terrestrischen Materie testen.

Reis. 1. Energiespektren von Antineutrinos aus Kernzerfall

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K normalisiert auf einen Zerfall des Mutterkerns

Die Reaktion wird genutzt, um Elektron-Antineutrinos zu registrieren

P → e + + n, (1)

in der dieses Teilchen tatsächlich entdeckt wurde. Die Schwelle für diese Reaktion liegt bei 1,8 MeV. Daher können in der obigen Reaktion nur Geoneutrinos registriert werden, die in Zerfallsketten ausgehend von 232 Th- und 238 U-Kernen gebildet werden. Der Wirkungsquerschnitt der diskutierten Reaktion ist extrem klein: σ ≈ 10 -43 cm². Daraus folgt, dass ein Neutrino-Detektor mit einem sensitiven Volumen von 1 m 3 nur wenige Ereignisse pro Jahr registriert. Offensichtlich werden für eine zuverlässige Fixierung von Geo-Neutrino-Strömen großvolumige Neutrino-Detektoren benötigt, die sich in unterirdischen Labors befinden, um maximalen Schutz vor dem Hintergrund zu gewährleisten. Die Idee, Detektoren zur Untersuchung von Sonnen- und Reaktorneutrinos zur Registrierung von Geoneutrinos zu verwenden, entstand 1998. Derzeit gibt es zwei großvolumige Neutrinodetektoren, die einen Flüssigszintillator verwenden und zur Lösung des Problems geeignet sind. Dies sind die Neutrino-Detektoren der KamLAND-Experimente (Japan, ) und Borexino (Italien, ). Im Folgenden betrachten wir das Gerät des Borexino-Detektors und die mit diesem Detektor erzielten Ergebnisse zur Registrierung von Geoneutrinos.

Borexino-Detektor und Registrierung von Geo-Neutrinos

Der Neutrino-Detektor Borexino befindet sich in Mittelitalien in einem unterirdischen Labor unter dem Gran-Sasso-Gebirge, dessen Gipfel 2,9 km erreichen (Abb. 2).

Reis. Abb. 2. Lageplan des Neutrino-Labors unter dem Gran-Sasso-Gebirge (Mittelitalien)

Borexino ist ein nicht segmentierter massiver Detektor, dessen aktives Medium ist
280 Tonnen organischer flüssiger Szintillator. Es füllte ein kugelförmiges Gefäß aus Nylon mit einem Durchmesser von 8,5 m (Abb. 3). Der Szintillator war Pseudocumol (C 9 H 12) mit einem spektrumverschiebenden PPO-Additiv (1,5 g/l). Das Licht des Szintillators wird von 2212 Acht-Zoll-Photomultipliern (PMTs) gesammelt, die auf einer Edelstahlkugel (SSS) platziert sind.

Reis. 3. Schema des Geräts des Borexino-Detektors

Ein Nylongefäß mit Pseudocumol ist ein interner Detektor, dessen Aufgabe es ist, Neutrinos (Antineutrinos) zu registrieren. Der innere Detektor ist von zwei konzentrischen Pufferzonen umgeben, die ihn vor externen Gammastrahlen und Neutronen schützen. Die innere Zone ist mit einem nicht-szintillierenden Medium gefüllt, das aus 900 Tonnen Pseudocumol mit Dimethylphthalatzusätzen besteht, um Szintillationen zu löschen. Die äußere Zone befindet sich oben auf dem SNS und ist ein Wasser-Cherenkov-Detektor, der 2000 Tonnen ultrareines Wasser enthält und Signale von Myonen abschneidet, die von außen in die Anlage eindringen. Für jede im internen Detektor auftretende Wechselwirkung werden Energie und Zeit bestimmt. Die Kalibrierung des Detektors mit verschiedenen radioaktiven Quellen ermöglichte es, seine Energieskala und den Grad der Reproduzierbarkeit des Lichtsignals sehr genau zu bestimmen.
Borexino ist ein Detektor mit sehr hoher Strahlungsreinheit. Alle Materialien wurden streng ausgewählt, und der Szintillator wurde gereinigt, um den internen Hintergrund zu minimieren. Aufgrund seiner hohen Strahlungsreinheit ist Borexino ein ausgezeichneter Detektor zum Nachweis von Antineutrinos.
In Reaktion (1) gibt das Positron ein sofortiges Signal, dem nach einiger Zeit der Einfang eines Neutrons durch einen Wasserstoffkern folgt, was zum Auftreten eines γ-Quants mit einer Energie von 2,22 MeV führt, das a erzeugt Signal gegenüber dem ersten verzögert. Bei Borexino beträgt die Neutroneneinfangzeit etwa 260 μs. Die unverzögerten und verzögerten Signale sind räumlich und zeitlich korreliert, was eine genaue Erkennung des Ereignisses ermöglicht, das z.
Die Schwelle für Reaktion (1) liegt bei 1,806 MeV und, wie aus Abb. 1 liegen alle Geoneutrinos aus den Zerfällen von 40 K und 235 U unterhalb dieser Schwelle, und nur ein Teil der Geoneutrinos, die aus den Zerfällen von 232 Th und 238 U stammen, kann nachgewiesen werden.
Der Borexino-Detektor hat 2010 erstmals Signale von Geoneutrinos nachgewiesen und kürzlich neue Ergebnisse veröffentlicht, die auf Beobachtungen über 2056 Tage von Dezember 2007 bis März 2015 basieren. Nachfolgend präsentieren wir die erhaltenen Daten und die Ergebnisse ihrer Diskussion auf der Grundlage eines Artikels.
Als Ergebnis der Analyse experimenteller Daten wurden 77 Kandidaten für Elektron-Antineutrinos identifiziert, die alle Auswahlkriterien erfüllten. Der Hintergrund von Ereignissen, die e simulieren, wurde geschätzt durch . Somit war das Signal/Hintergrund-Verhältnis ≈100.
Die Haupthintergrundquelle waren Reaktor-Antineutrinos. Für Borexino war die Situation recht günstig, da es in der Nähe des Gran Sasso-Labors keine Kernreaktoren gibt. Außerdem sind Reaktor-Antineutrinos energiereicher als Geoneutrinos, wodurch es möglich wurde, diese Antineutrinos anhand der Signalstärke vom Positron zu trennen. Die Ergebnisse der Analyse der Beiträge von Geo-Neutrinos und Reaktor-Antineutrinos zur Gesamtzahl der aufgezeichneten Ereignisse von e sind in den Abb. 1 und 2 dargestellt. 4. Die Anzahl registrierter Geo-Neutrinos, die sich aus dieser Analyse ergibt (der schraffierte Bereich entspricht ihnen in Abb. 4), ist gleich . Im Spektrum der als Ergebnis der Analyse extrahierten Geoneutrinos sind zwei Gruppen sichtbar - weniger energetisch, intensiver und energetischer, weniger intensiv. Die Autoren der beschriebenen Studie bringen diese Gruppen mit den Zerfällen von Thorium bzw. Uran in Verbindung.
In der diskutierten Analyse haben wir das Verhältnis der Massen von Thorium und Uran in der Materie der Erde verwendet
m(Th)/m(U) = 3,9 (in der Tabelle ist dieser Wert ≈3,8). Diese Zahl spiegelt den relativen Gehalt dieser chemischen Elemente in Chondriten wider - der häufigsten Gruppe von Meteoriten (mehr als 90 % der auf die Erde gefallenen Meteoriten gehören zu dieser Gruppe). Es wird angenommen, dass die Zusammensetzung von Chondriten mit Ausnahme von leichten Gasen (Wasserstoff und Helium) die Zusammensetzung des Sonnensystems und der protoplanetaren Scheibe, aus der die Erde gebildet wurde, wiederholt.

Reis. Abb. 4. Spektrum der Lichtabgabe von Positronen in Einheiten der Anzahl von Photoelektronen für Antineutrino-Kandidatenereignisse (Experimentalpunkte). Der schattierte Bereich ist der Beitrag von Geoneutrinos. Die durchgezogene Linie ist der Beitrag der Reaktor-Antineutrinos.

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, 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 Fangen Sie tiefere Bodenschichten ein - 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). In Ostsibirien erreicht die Mächtigkeit, also die Mächtigkeit ganzjährig gefrorener Böden 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, obwohl auch andere Wärmequellen genannt werden, beispielsweise physikalisch-chemische, tektonische Prozesse tiefe Schichten Erdkruste und Mantel. 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. Im Hintergrund Wärmefluss von der Sonne und der von ihr erwärmten Luft, ist dies ein nicht wahrnehmbarer Wert: Die Sonne gibt jedem Quadratmeter der Erdoberfläche jährlich etwa 4000 kWh, also 10.000-mal mehr (natürlich im Durchschnitt, mit einer enormen Streuung). zwischen polaren und äquatorialen Breiten und in Abhängigkeit 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 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.

BEI verschiedene Bereiche, abhängig von der geologischen Struktur und anderen regionalen und lokalen Bedingungen, kann die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs mit der Tiefe 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.

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.

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.

Es wird angenommen, dass der Geothermiegradient ab einer Tiefe von 20–30 km abnimmt: In 100 km Tiefe liegen die geschätzten Temperaturen bei etwa 1300–1500 °C, in 400 km Tiefe bei 1600 °C im Erdreich 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 werden derzeit jedoch Wärme und Strom verwendet hauptsächlich Thermalwasser.

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 des Referenzbrennstoffs oder einer anderen Energiemesseinheit etwa zehnmal höher als die fossilen Brennstoffreserven.

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.

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 Geothermie im 20. Jahrhundert half Island maßgeblich dabei wirtschaftliche Begriffe. Bis 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. Einer der Ersten berühmte Beispiele- Italien, ein Ort in der Provinz Toskana, jetzt Larderello genannt, wo sonst in frühes XIX Jahrhunderte lang wurde lokales heißes Thermalwasser, das natürlich floss oder aus flachen Brunnen gewonnen wurde, für Energiezwecke genutzt.

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 Anfang des 20. Jahrhunderts für die Beheizung von Häusern und Gewächshäusern in der Umgebung zu nutzen. Am selben Ort, in Larderello, wurde 1904 Thermalwasserdampf zu einer Energiequelle für die Stromerzeugung.

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.

GeoPPs mit einem indirekten Funktionsschema sind in unserer Zeit am weitesten verbreitet. 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.

Das Funktionsprinzip eines binären GeoPP. Heißes Thermalwasser interagiert mit einer anderen Flüssigkeit, die als Arbeitsflüssigkeit dient und einen niedrigeren Siedepunkt hat. Beide Flüssigkeiten werden durch einen Wärmetauscher geleitet, wo Thermalwasser die Arbeitsflüssigkeit verdampft, deren Dämpfe wiederum die Turbine drehen.

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.

Schema des petrothermalen Systems. Das System basiert auf der Nutzung eines Temperaturgradienten zwischen der Erdoberfläche und ihrem Inneren, wo die Temperatur höher ist. Wasser von der Oberfläche wird in die Injektionsbohrung gepumpt und in der Tiefe erhitzt, dann wird das erhitzte Wasser oder der durch die Erwärmung gebildete Dampf durch die Förderbohrung an die Oberfläche geleitet.

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 physikalischer Prozess Wärmeübertragung von 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 mehreren zehn oder hundert Metern die Gesteine ​​​​und die darin enthaltenen Flüssigkeiten nicht durch die Tiefenwärme der Erde, sondern durch die Sonne erwärmt werden. Es ist also die Sonne dieser Fall- die primäre Wärmequelle, obwohl sie wie bei geothermischen Systemen aus dem Boden 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 wie es in Stauseen passiert. Der Hauptzweck von Wärmepumpen ist die Raumheizung. Tatsächlich ist es ein „umgekehrter Kühlschrank“. Sowohl die Wärmepumpe als auch der Kühlschrank interagieren mit drei Komponenten: interne Umgebung(im ersten Fall - ein beheizter Raum, im zweiten - eine gekühlte Kühlkammer), die äußere Umgebung - eine Energiequelle und ein Kältemittel (Kältemittel), es ist auch ein Kühlmittel, das Wärme- oder Kälteübertragung 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.

Ferner tritt das gasförmige Kältemittel in den Kompressor ein, wo es auf hohen Druck und hohe Temperatur komprimiert wird, und tritt in den Kondensator ein, wo ein Wärmeaustausch zwischen dem heißen Gas und dem Wärmeträger 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 großen Wasserkraftwerken oder Windparks, und belastet die Atmosphäre nicht, im Gegensatz zu Kohlenwasserstoffenergie. 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 negativ Nebenwirkungen dennoch gibt es. 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 häufig Wasser enthält große Mengen toxische Verbindungen, in deren Zusammenhang ein Problem der Entsorgung von Abwasser und gefährlichen Stoffen besteht.

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), Kochsalz (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. Zum Beispiel Emissionen Kohlendioxid pro erzeugter Kilowattstunde Strom betragen sie bei GeoPPs 380 g, bei Kohlekraftwerken 1042 g, bei Heizöl 906 g und bei gasthermischen Kraftwerken 453 g.

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 Lohn Werkspersonal, das je nach Land und Region stark variieren kann.

Im Durchschnitt sind die Kosten für 1 kWh Geothermie vergleichbar mit denen für thermische Kraftwerke (in Russische Verhältnisse- etwa 1 Rubel/1 kWh) und zehnmal höher als die Kosten der Stromerzeugung in WKW (5–10 Kopeken/1 kWh).

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, chemische Elemente und aus Thermalwasser gewonnene Verbindungen können zusätzliche Einnahmen bringen. Erinnern Sie sich an das Beispiel von Larderello: Dort stand die chemische Produktion im Vordergrund, und die Nutzung der Erdwärme war zunächst nur 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 Verknüpfung mit geologischen Bedingungen konzentriert sich ein erheblicher Teil der geothermischen Energiekapazität auf Länder der Dritten Welt, wo es drei Cluster mit der größten Entwicklung der Industrie gibt - die Inseln Südostasiens, Mittelamerikas und Ostafrika. 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.

Im Allgemeinen angesichts der Allgegenwart geothermischer Ressourcen und eines akzeptablen Niveaus Umweltsicherheit gibt es Grund zu der Annahme, dass die Geothermie gute Entwicklungsperspektiven hat. 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 kein großes PDS, aber es gibt fortschrittliche Technologien zum Bohren in große Tiefen (ca. 10 km), die auch weltweit keine Analoga haben. Sie weitere Entwicklung wird die Kosten für die Erstellung petrothermaler Systeme drastisch 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, die Kurilen - der russische Teil des pazifischen "Feuergürtels der Erde", die Berge Südsibiriens und der Kaukasus) und gleichzeitig abgelegen und von zentraler Energie abgeschnitten liefern.

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

Kirill Degtyarev,
Forscher, Staatliche Universität Moskau M. W. Lomonossow
"Wissenschaft und Leben" Nr. 9, Nr. 10 2013