As principais fontes de energia térmica da Terra. Energia geotérmica e métodos de sua produção

Doutor em Ciências Técnicas NO. Eu juro, professor,
acadêmico Academia Russa Ciências Tecnológicas, Moscou

NO décadas recentes no mundo é considerada a direção de mais uso eficaz energia do calor profundo da Terra com o objetivo de substituição parcial de gás natural, petróleo, carvão. Isso se tornará possível não apenas em áreas com altos parâmetros geotérmicos, mas também em qualquer área. o Globo ao perfurar poços de injeção e produção e criar sistemas de circulação entre eles.

O interesse por fontes alternativas de energia que tem crescido nas últimas décadas no mundo é causado pelo esgotamento das reservas de hidrocarbonetos e pela necessidade de resolver uma série de problemas. problemas ambientais. Fatores objetivos (reservas de combustíveis fósseis e urânio, bem como mudanças no meio ambiente causadas pelo fogo tradicional e pela energia nuclear) permitem afirmar que a transição para novos métodos e formas de produção de energia é inevitável.

A economia mundial caminha atualmente para a transição para uma combinação racional de fontes de energia tradicionais e novas. O calor da Terra ocupa um dos primeiros lugares entre eles.

Os recursos energéticos geotérmicos são divididos em hidrogeológicos e petrogeotérmicos. O primeiro deles é representado por transportadores de calor (compreendendo apenas 1% do total de recursos energéticos geotérmicos) - águas subterrâneas, vapor e misturas de vapor-água. Estas últimas são energia geotérmica contida em pedras Oh.

A tecnologia de fonte (auto-descarga) utilizada em nosso país e no exterior para extração de vapor natural e geo águas termais simples, mas ineficiente. Com uma baixa vazão de poços autofluxos, sua produção de calor pode recuperar o custo de perfuração apenas em profundidades rasas de reservatórios geotérmicos com altas temperaturas em áreas de anomalias térmicas. A vida útil desses poços em muitos países nem chega a 10 anos.

Ao mesmo tempo, a experiência confirma que na presença de coletores rasos de vapor natural, a construção de uma usina geotérmica é a opção mais lucrativa para o uso de energia geotérmica. A operação de tais GeoTPPs tem mostrado sua competitividade em comparação com outros tipos de usinas. Portanto, o uso de reservas de águas geotérmicas e hidrotermas a vapor em nosso país na Península de Kamchatka e nas ilhas da cadeia Curila, nas regiões do norte do Cáucaso e também possivelmente em outras áreas, é conveniente e oportuno. Mas os depósitos de vapor são uma raridade, suas reservas conhecidas e previstas são pequenas. Depósitos muito mais comuns de calor e água de energia nem sempre estão localizados perto o suficiente do consumidor - o objeto de fornecimento de calor. Isso exclui a possibilidade de uso efetivo em larga escala.

Muitas vezes em problema difícil superar as questões de combate à salinidade. O uso de fontes geotérmicas, como regra, fontes mineralizadas como transportador de calor leva ao crescimento excessivo de zonas de poços com formações de óxido de ferro, carbonato de cálcio e silicato. Além disso, os problemas de erosão-corrosão e descamação afetam negativamente a operação do equipamento. O problema, também, é o descarte de efluentes mineralizados e contendo impurezas tóxicas. Portanto, a tecnologia de fonte mais simples não pode servir de base para o amplo desenvolvimento de recursos geotérmicos.

Por estimativas preliminares dentro do território de Federação Russa As reservas previstas de águas termais com temperatura de 40-250 °C, salinidade de 35-200 g/le profundidade de até 3.000 m são de 21-22 milhões de m3/dia, o que equivale a queimar 30-40 milhões de toneladas de combustível equivalente. no ano.

As reservas previstas da mistura vapor-ar com temperatura de 150-250 °C na Península de Kamchatka e nas Ilhas Curilas são de 500 mil m3/dia. e reservas de águas termais com temperatura de 40-100 ° C - 150 mil m3 / dia.

As reservas de águas termais com caudal de cerca de 8 milhões de m3/dia, com salinidade até 10 g/le temperatura superior a 50 °C são consideradas prioritárias para o desenvolvimento.

De importância muito maior para a energia do futuro é a extração de energia térmica, recursos petrogeotérmicos praticamente inesgotáveis. Esta energia geotérmica, encerrada em rochas sólidas quentes, representa 99% do total de recursos de energia térmica subterrânea. A uma profundidade de até 4-6 km, maciços com temperatura de 300-400 °C podem ser encontrados apenas perto das câmaras intermediárias de alguns vulcões, mas rochas quentes com temperatura de 100-150 °C estão distribuídas em quase todos os lugares em essas profundidades, e com uma temperatura de 180-200 ° C em uma parte bastante significativa do território da Rússia.

Por bilhões de anos, os processos nucleares, gravitacionais e outros dentro da Terra geraram e continuam a gerar energia térmica. Parte dele é irradiado para o espaço sideral e o calor é acumulado nas profundezas, ou seja, teor de calor das fases sólida, líquida e gasosa matéria terrestre e é chamada de energia geotérmica.

A geração contínua de calor intraterrestre compensa isso perdas externas, serve como fonte de acúmulo de energia geotérmica e determina a parte renovável de seus recursos. A remoção total de calor do subsolo para superfície da Terra três vezes a capacidade atual das usinas do mundo e é estimada em 30 TW.

No entanto, é claro que a renovabilidade importa apenas para recursos naturais, uma potencial geral energia geotérmica é praticamente inesgotável, pois deve ser definida como total calor disponível para a terra.

Não é por acaso que nas últimas décadas o mundo vem considerando a direção de um uso mais eficiente da energia do calor profundo da Terra para substituir parcialmente o gás natural, o petróleo e o carvão. Isso se tornará possível não apenas em áreas com altos parâmetros geotérmicos, mas também em qualquer área do globo ao perfurar poços de injeção e produção e criar sistemas de circulação entre eles.

Obviamente, com baixa condutividade térmica das rochas, para o funcionamento eficaz dos sistemas de circulação, é necessário ter ou criar uma superfície de troca de calor suficientemente desenvolvida na zona de extração de calor. Tal superfície é frequentemente encontrada em formações porosas e zonas de resistência natural à fratura, que são frequentemente encontradas nas profundidades acima, cuja permeabilidade permite organizar a filtração forçada do refrigerante com extração eficiente de energia da rocha, bem como a criação artificial de uma extensa superfície de troca de calor em maciços porosos de baixa permeabilidade por fraturamento hidráulico (ver figura).

Atualmente, o fraturamento hidráulico é usado em indústria de petróleo e gás como forma de aumentar a permeabilidade do reservatório para melhorar a recuperação de petróleo no desenvolvimento de campos de petróleo. A tecnologia moderna torna possível criar uma fenda estreita, mas longa, ou curta, mas larga. São conhecidos exemplos de fraturas hidráulicas com fraturas de até 2-3 km de comprimento.

A ideia doméstica de extrair os principais recursos geotérmicos contidos em rochas sólidas foi expressa já em 1914 por K.E. Obruchev.

Em 1963, foi criado em Paris o primeiro GCC para extrair calor de rochas de formação porosa para aquecimento e ar condicionado nas instalações do complexo Broadcasting Chaos. Em 1985, 64 GCCs já operavam na França com capacidade térmica total de 450 MW, com uma economia anual de aproximadamente 150.000 toneladas de óleo. No mesmo ano, o primeiro GCC foi criado na URSS no vale de Khankala, perto da cidade de Grozny.

Em 1977, de acordo com o projeto do Laboratório Nacional de Los Alamos dos EUA, começaram os testes de um GCC experimental com fraturamento hidráulico de um maciço quase impermeável no sítio de Fenton Hill, no estado do Novo México. A água doce fria injetada pelo poço (injeção) foi aquecida devido à troca de calor com um maciço rochoso (185 OC) em uma fratura vertical com área de 8000 m2, formada por fraturamento hidráulico a uma profundidade de 2,7 km. Em outro poço (produção), também atravessando essa fenda, a água superaquecida veio à superfície na forma de jato de vapor. Ao circular em um circuito fechado sob pressão, a temperatura da água superaquecida na superfície atingiu 160-180 ° C e a potência térmica do sistema - 4-5 MW. Vazamentos de refrigerante no maciço circundante totalizaram cerca de 1% do fluxo total. A concentração de impurezas mecânicas e químicas (até 0,2 g/l) correspondia às condições da água doce água potável. A fratura hidráulica não exigiu fixação e foi mantida aberta pela pressão hidrostática do fluido. A livre convecção que se desenvolve nele garantiu participação efetiva na troca de calor de quase toda a superfície do afloramento do maciço rochoso quente.

A extração de energia térmica subterrânea de rochas impermeáveis quentes, com base nos métodos de perfuração inclinada e fraturamento hidráulico há muito dominados e praticados na indústria de petróleo e gás, não causou atividade sísmica, nem qualquer outra efeitos nocivos no ambiente.

Em 1983, cientistas britânicos repetiram a experiência americana criando um GCC experimental com fraturamento hidráulico de granitos em Carnwell. Trabalhos semelhantes foram realizadas na Alemanha, Suécia. Mais de 224 projetos de aquecimento geotérmico foram implementados nos EUA. Supõe-se, no entanto, que os recursos geotérmicos podem fornecer a maior parte das necessidades futuras de energia térmica não elétrica dos EUA. No Japão, a capacidade do GeoTPP em 2000 atingiu aproximadamente 50 GW.

Atualmente, a pesquisa e exploração de recursos geotérmicos é realizada em 65 países. No mundo, com base na energia geotérmica, foram criadas estações com capacidade total de cerca de 10 GW. As Nações Unidas estão apoiando ativamente o desenvolvimento da energia geotérmica.

A experiência acumulada em muitos países do mundo no uso de refrigerantes geotérmicos mostra que em condições fávoraveis elas acabam sendo 2-5 vezes mais lucrativas do que as usinas termelétricas e nucleares. Os cálculos mostram que um poço geotérmico pode substituir 158 mil toneladas de carvão por ano.

Assim, o calor da Terra é, talvez, o único grande recurso de energia renovável, cujo desenvolvimento racional promete reduzir o custo da energia em comparação com a energia dos combustíveis modernos. Com um potencial energético igualmente inesgotável, a energia solar e instalações termonucleares, infelizmente, será mais caro do que o combustível existente.

Apesar da longa história do desenvolvimento do calor da Terra, hoje a tecnologia geotérmica ainda não atingiu seu alto desenvolvimento. O desenvolvimento da energia térmica da Terra está passando por grandes dificuldades na construção poços profundos, que são um canal para trazer o refrigerante para a superfície. Devido à alta temperatura do fundo do poço (200-250 °C), as ferramentas tradicionais de corte de rochas são inadequadas para trabalhar em tais condições, existem requisitos especiais para a seleção de tubos de perfuração e revestimento, pastas de cimento, tecnologia de perfuração, revestimento e completação do poço. Equipamentos de medição domésticos, acessórios e equipamentos operacionais em série são produzidos em um design que permite temperaturas não superiores a 150-200 ° C. A perfuração mecânica profunda tradicional de poços às vezes é adiada por anos e requer custos financeiros significativos. Nos principais ativos de produção, o custo dos poços é de 70 a 90%. Este problema pode e deve ser resolvido apenas com a criação de uma tecnologia progressiva para o desenvolvimento da maior parte dos recursos geotérmicos, ou seja, extração de energia de rochas quentes.

Nosso grupo de cientistas e especialistas russos lida com o problema de extrair e usar a energia térmica profunda inesgotável e renovável das rochas quentes da Terra no território da Federação Russa há mais de um ano. O objetivo do trabalho é criar com base em altas tecnologias domésticas meios técnicos para penetração profunda nas entranhas da crosta terrestre. Atualmente, foram desenvolvidas diversas variantes de ferramentas de perfuração (BS), que não possuem análogos na prática mundial.

O trabalho da primeira versão do BS está ligado ao atual tecnologia tradicional perfuração de poços. Velocidade de perfuração de rocha dura ( densidade média 2500-3300 kg/m3) até 30 m/h, diâmetro do poço 200-500 mm. A segunda variante do BS realiza a perfuração de poços de forma autônoma e automática. O lançamento é realizado a partir de uma plataforma especial de lançamento e aceitação, a partir da qual é controlado o seu movimento. Mil metros de BS em rochas duras poderão passar em poucas horas. Diâmetro do poço de 500 a 1000 mm. As variantes de BS reutilizáveis têm uma ótima relação custo-benefício e um enorme valor potencial. A introdução do BS na produção abrirá novo palco na construção de poços e dar acesso às inesgotáveis fontes de energia térmica da Terra.

Para as necessidades de fornecimento de calor, a profundidade necessária dos poços em todo o país está na faixa de até 3-4,5 mil metros e não excede 5-6 mil metros. A temperatura do transportador de calor para habitação e fornecimento de calor comunitário não não ultrapasse os 150 °C. Para instalações industriais, a temperatura, como regra, não excede 180-200 °C.

O objetivo da criação do GCC é fornecer calor constante, acessível e barato para regiões remotas, de difícil acesso e subdesenvolvidas da Federação Russa. A duração da operação do GCS é de 25 a 30 anos ou mais. O período de retorno das estações (levando em consideração as mais recentes tecnologias de perfuração) é de 3 a 4 anos.

A criação na Federação Russa nos próximos anos de capacidades adequadas para o uso de energia geotérmica para necessidades não elétricas substituirá cerca de 600 milhões de toneladas de combustível equivalente. A economia pode chegar a 2 trilhões de rublos.

Até 2030, torna-se possível criar capacidades energéticas para substituir a energia do fogo em até 30% e até 2040 eliminar quase completamente as matérias-primas orgânicas como combustível do balanço energético da Federação Russa.

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Com o desenvolvimento e formação da sociedade, a humanidade passou a buscar formas cada vez mais modernas e ao mesmo tempo econômicas de obter energia. Para isso, várias estações estão sendo construídas hoje, mas, ao mesmo tempo, a energia contida nas entranhas da terra é amplamente utilizada. Como ela é? Vamos tentar descobrir.

energia geotérmica

Já pelo nome fica claro que representa o calor do interior da Terra. Sob a crosta terrestre há uma camada de magma, que é uma fusão de silicato líquido-fogo. Segundo dados da pesquisa, o potencial energético desse calor é muito superior à energia das reservas mundiais de gás natural, além do petróleo. Magma vem à superfície - lava. E mais ativo observado nas camadas da terra em que os limites estão localizados placas tectônicas, e também onde a crosta terrestre é caracterizada pela magreza. energia geotérmica A Terra é obtida da seguinte forma: a lava e os recursos hídricos do planeta estão em contato, como resultado, a água começa a aquecer acentuadamente. Isso leva à erupção do gêiser, a formação dos chamados lagos quentes e subcorrentes. Ou seja, precisamente aqueles fenômenos da natureza, cujas propriedades são usadas ativamente como energias.

Fontes geotérmicas artificiais

A energia contida nas entranhas da terra deve ser usada com sabedoria. Por exemplo, há uma ideia para criar caldeiras subterrâneas. Para fazer isso, você precisa perfurar dois poços de profundidade suficiente, que serão conectados na parte inferior. Ou seja, a energia geotérmica pode ser obtida industrialmente em quase qualquer canto da terra: água fria será bombeada para o reservatório por meio de um poço e água quente ou vapor serão extraídos pelo segundo. As fontes artificiais de calor serão benéficas e racionais se o calor resultante fornecer mais energia. O vapor pode ser enviado para turbinas geradoras que irão gerar eletricidade.

Claro, o calor extraído é apenas uma fração do que está disponível nas reservas totais. Mas deve-se lembrar que o calor profundo será constantemente reabastecido devido aos processos de compressão das rochas, estratificação das entranhas. Segundo especialistas, a crosta terrestre acumula calor, cuja quantidade total é 5.000 vezes maior valor calórico todos os recursos fósseis da Terra como um todo. Acontece que o tempo de operação dessas estações geotérmicas criadas artificialmente pode ser ilimitado.

Recursos de origem

As fontes que possibilitam a obtenção de energia geotérmica são quase impossíveis de serem totalmente aproveitadas. Eles existem em mais de 60 países do mundo, com o maior número de vulcões terrestres no território do anel de fogo vulcânico do Pacífico. Mas, na prática, verifica-se que as fontes geotérmicas em diferentes regiões os mundos são completamente diferentes em suas propriedades, ou seja, temperatura média, salinidade, composição do gás, acidez e assim por diante.

Os gêiseres são fontes de energia na Terra, cujas características são que eles certos intervalos vomitar água fervente. Após a erupção, a piscina fica livre de água, no fundo você pode ver um canal que se aprofunda no solo. Os gêiseres são usados como fontes de energia em regiões como Kamchatka, Islândia, Nova Zelândia e América do Norte, e gêiseres únicos também são encontrados em algumas outras áreas.

De onde vem a energia?

O magma não resfriado está localizado muito perto da superfície da Terra. Gases e vapores são liberados dele, que sobem e passam pelas rachaduras. Misturando-se com as águas subterrâneas, elas as aquecem, elas mesmas se transformam em água quente, na qual muitas substâncias são dissolvidas. Essa água é liberada para a superfície da Terra na forma de fontes geotérmicas: fontes termais, fontes minerais, gêiseres e assim por diante. Segundo os cientistas, as entranhas quentes da terra são cavernas ou câmaras conectadas por passagens, fendas e canais. Eles são apenas preenchidos com água subterrânea e muito perto deles estão as câmaras de magma. Desta forma natural, a energia térmica da terra é formada.

Campo elétrico da Terra

Existe outra fonte de energia alternativa na natureza, que é renovável, ecologicamente correta e fácil de usar. É verdade que até agora esta fonte foi apenas estudada e não aplicada na prática. Assim, a energia potencial da Terra está em seu campo elétrico. Você pode obter energia dessa maneira com base no estudo das leis básicas da eletrostática e dos recursos campo elétrico Terra. De fato, nosso planeta do ponto de vista elétrico é um capacitor esférico carregado até 300.000 volts. Sua esfera interna tem carga negativa e a externa - a ionosfera - é positiva. é um isolante. Através dele há um fluxo constante de correntes iônicas e convectivas, que atingem potências de muitos milhares de amperes. No entanto, a diferença de potencial entre as placas não diminui neste caso.

Isso sugere que na natureza existe um gerador, cuja função é reabastecer constantemente o vazamento de cargas das placas do capacitor. O campo magnético da Terra atua como um gerador, girando junto com nosso planeta em um fluxo vento solar. A energia do campo magnético da Terra pode ser obtida apenas conectando um consumidor de energia a este gerador. Para fazer isso, você precisa instalar um aterramento confiável.

Fontes renováveis

Como a população do nosso planeta está crescendo constantemente, precisamos cada vez mais de energia para suprir a população. A energia contida nas entranhas da terra pode ser muito diferente. Por exemplo, existem fontes renováveis: energia eólica, solar e hídrica. Eles são ecologicamente corretos e, portanto, você pode usá-los sem medo de prejudicar o meio ambiente.

energia da água

Este método tem sido usado por muitos séculos. Hoje, um grande número de barragens e reservatórios foram construídos, nos quais a água é usada para gerar energia elétrica. A essência desse mecanismo é simples: sob a influência do fluxo do rio, as rodas das turbinas giram, respectivamente, a energia da água é convertida em energia elétrica.

Hoje há um grande número de usinas hidrelétricas que convertem a energia do fluxo de água em eletricidade. A peculiaridade deste método é que ele é renovável, respectivamente, tais projetos têm um baixo custo. É por isso que, apesar de a construção de usinas hidrelétricas levar muito tempo e o processo em si ser muito caro, essas instalações superam significativamente as indústrias eletrointensivas.

Energia solar: moderna e promissora

A energia solar é obtida usando painéis solares, mas tecnologias modernas permitir o uso de novos métodos para isso. O maior sistema do mundo foi construído no deserto da Califórnia. Fornece energia total para 2.000 residências. O design funciona da seguinte forma: espelhos refletem raios solares, que são enviados para a caldeira de água central. Ele ferve e se transforma em vapor, que aciona a turbina. Este, por sua vez, está ligado a um gerador elétrico. O vento também pode ser usado como a energia que a Terra nos dá. O vento sopra as velas, gira os moinhos de vento. E agora, com sua ajuda, você pode criar dispositivos que gerarão energia elétrica. Ao girar as pás do moinho de vento, ele aciona o eixo da turbina, que, por sua vez, é conectado a um gerador elétrico.

Energia interna da Terra

Surgiu como resultado de vários processos, sendo os principais a acreção e a radioatividade. Segundo os cientistas, a formação da Terra e sua massa ocorreu ao longo de vários milhões de anos, e isso aconteceu devido à formação de planetesimais. Eles ficaram juntos, respectivamente, a massa da Terra tornou-se cada vez mais. Depois que nosso planeta começou a ter uma massa moderna, mas ainda estava desprovido de atmosfera, corpos meteóricos e asteróides caíram sobre ele sem impedimentos. Esse processo é chamado apenas de acreção e levou ao fato de que uma energia gravitacional significativa foi liberada. E os corpos maiores atingem o planeta, o mais liberou a energia contida nas entranhas da Terra.

Essa diferenciação gravitacional levou ao fato de que as substâncias começaram a se separar: as substâncias pesadas simplesmente afundaram, enquanto as substâncias leves e voláteis flutuaram. A diferenciação também afetou a liberação adicional de energia gravitacional.

Energia Atômica

O uso da energia terrestre pode ocorrer de diferentes maneiras. Por exemplo, com a ajuda da construção de usinas nucleares, quando a energia térmica é liberada devido ao decaimento partículas menores matéria de átomos. O principal combustível é o urânio, que está contido na crosta terrestre. Muitos acreditam que esse método de obtenção de energia é o mais promissor, mas seu uso está associado a uma série de problemas. Primeiro, o urânio emite radiação que mata todos os organismos vivos. Além disso, se esta substância entrar no solo ou na atmosfera, ocorrerá um verdadeiro desastre causado pelo homem. Consequências tristes Vivemos o acidente na usina nuclear de Chernobyl até hoje. O perigo está no fato de que os resíduos radioativos podem ameaçar muito, muito, todos os seres vivos. por muito tempo por milênios.

Novo tempo - novas ideias

Claro, as pessoas não param por aí, e a cada ano mais e mais tentativas são feitas para encontrar novas maneiras de obter energia. Se a energia do calor da Terra é obtida de forma bastante simples, alguns métodos não são tão simples. Por exemplo, como fonte de energia, é bem possível usar o gás biológico, que é obtido durante a decomposição dos resíduos. Pode ser usado para aquecimento de casas e aquecimento de água.

Cada vez mais, eles estão sendo construídos quando barragens e turbinas são instaladas nas bocas dos reservatórios, que são acionadas por vazantes e fluxos, respectivamente, a eletricidade é obtida.

Queimando lixo, obtemos energia

Outro método que já está sendo usado no Japão é criar incineradores de lixo. Hoje eles são construídos na Inglaterra, Itália, Dinamarca, Alemanha, França, Holanda e EUA, mas somente no Japão esses empreendimentos começaram a ser utilizados não apenas para o fim a que se destinavam, mas também para geração de eletricidade. Nas fábricas locais, 2/3 de todo o lixo é queimado, enquanto as fábricas são equipadas com turbinas a vapor. Assim, eles fornecem calor e eletricidade para áreas próximas. Ao mesmo tempo, em termos de custos, construir tal empreendimento é muito mais lucrativo do que construir uma usina termelétrica.

Mais tentadora é a perspectiva de usar o calor da Terra onde os vulcões estão concentrados. Nesse caso, não será necessário perfurar a Terra muito profundamente, pois já a uma profundidade de 300 a 500 metros a temperatura será pelo menos duas vezes maior que o ponto de ebulição da água.

Existe também essa forma de gerar eletricidade, pois o Hidrogênio - o elemento químico mais simples e leve - pode ser considerado um combustível ideal, pois é onde há água. Se você queimar hidrogênio, poderá obter água, que se decompõe em oxigênio e hidrogênio. A própria chama de hidrogênio é inofensiva, ou seja, não haverá danos ao meio ambiente. A peculiaridade deste elemento é que possui um alto poder calorífico.

O que há no futuro?

É claro que a energia do campo magnético da Terra ou aquela obtida nas usinas nucleares não pode satisfazer plenamente todas as necessidades da humanidade, que crescem a cada ano. No entanto, especialistas dizem que não há motivo para preocupação, já que os recursos de combustível do planeta ainda são suficientes. Além disso, cada vez mais novas fontes estão sendo usadas, ecologicamente corretas e renováveis.

O problema da poluição continua meio Ambiente, e está crescendo exponencialmente rápido. A quantidade de emissões nocivas sai de escala, respectivamente, o ar que respiramos é nocivo, a água tem impurezas perigosas e o solo é gradualmente esgotado. É por isso que é tão importante começar a estudar em tempo hábil um fenômeno como a energia nas entranhas da Terra, a fim de buscar formas de reduzir a necessidade de combustíveis fósseis e fazer uso mais ativo de fontes de energia não tradicionais.

No nosso país, rico em hidrocarbonetos, a energia geotérmica é uma espécie de recurso exótico que, no estado atual das coisas, dificilmente concorrerá com o petróleo e o gás. No entanto, este visão alternativa a energia pode ser usada em quase todos os lugares e com bastante eficiência.

A energia geotérmica é o calor do interior da Terra. É produzido nas profundezas e chega à superfície da Terra em diferentes formas e com diferentes intensidades.

A temperatura das camadas superiores do solo depende principalmente de fatores externos (exógenos) - luz solar e temperatura do ar. No verão e durante o dia, o solo aquece até certas profundidades, e no inverno e à noite esfria acompanhando a mudança da temperatura do ar e com algum atraso, aumentando com a profundidade. A influência das flutuações diárias na temperatura do ar termina em profundidades de algumas a várias dezenas de centímetros. As flutuações sazonais capturam camadas mais profundas do solo - até dezenas de metros.

A uma certa profundidade - de dezenas a centenas de metros - a temperatura do solo é mantida constante, igual à temperatura média anual do ar próximo à superfície da Terra. Isso é fácil de verificar descendo em uma caverna bastante profunda.

Quando a temperatura média anual do ar em uma determinada área está abaixo de zero, isso se manifesta como permafrost (mais precisamente, permafrost). NO Leste da Sibéria A espessura, ou seja, a espessura dos solos congelados durante todo o ano atinge 200-300 m em alguns lugares.

A partir de uma certa profundidade (a própria para cada ponto do mapa), a ação do Sol e da atmosfera enfraquece tanto que os fatores endógenos (internos) vêm primeiro e o interior da Terra é aquecido por dentro, de modo que a temperatura começa a subir com profundidade.

O aquecimento das camadas profundas da Terra está associado principalmente ao decaimento dos elementos radioativos ali localizados, embora outras fontes de calor também sejam denominadas, por exemplo, processos físico-químicos, tectônicos nas camadas profundas da crosta terrestre e do manto. Mas seja qual for a causa, a temperatura das rochas e substâncias líquidas e gasosas associadas aumenta com a profundidade. Os mineiros enfrentam esse fenômeno - está sempre quente em minas profundas. A uma profundidade de 1 km, o calor de trinta graus é normal e, mais profundamente, a temperatura é ainda mais alta.

O fluxo de calor do interior da Terra, atingindo a superfície da Terra, é pequeno - em média, sua potência é de 0,03 a 0,05 W/m 2, ou aproximadamente 350 W h/m 2 por ano. No contexto do fluxo de calor do Sol e do ar aquecido por ele, este é um valor imperceptível: o Sol dá a todos metro quadrado a superfície da Terra é de cerca de 4.000 kWh por ano, ou seja, 10.000 vezes mais (claro, isso é em média, com uma grande dispersão entre as latitudes polares e equatoriais e dependendo de outros fatores climáticos e climáticos).

A insignificância do fluxo de calor das profundezas para a superfície na maior parte do planeta está associada à baixa condutividade térmica das rochas e às peculiaridades da estrutura geológica. Mas há exceções - lugares onde o fluxo de calor é alto. Trata-se, antes de mais, de zonas de falhas tectónicas, de aumento da actividade sísmica e de vulcanismo, onde a energia do interior da Terra encontra uma saída. Tais zonas são caracterizadas por anomalias térmicas da litosfera, aqui o fluxo de calor que atinge a superfície da Terra pode ser muitas vezes e até ordens de magnitude mais poderoso do que o "normal". Uma enorme quantidade de calor é trazida à superfície nessas zonas por erupções vulcânicas e fontes termais de água.

São essas áreas que são mais favoráveis para o desenvolvimento da energia geotérmica. No território da Rússia, são, em primeiro lugar, Kamchatka, as Ilhas Curilas e o Cáucaso.

Ao mesmo tempo, o desenvolvimento da energia geotérmica é possível em quase todos os lugares, pois o aumento da temperatura com a profundidade é um fenômeno onipresente, e a tarefa é “extrair” calor das entranhas, assim como as matérias-primas minerais são extraídas de lá.

Em média, a temperatura aumenta com a profundidade de 2,5 a 3°C a cada 100 m. A razão entre a diferença de temperatura entre dois pontos situados em diferentes profundidades e a diferença de profundidade entre eles é chamada de gradiente geotérmico.

A recíproca é a etapa geotérmica, ou o intervalo de profundidade em que a temperatura aumenta em 1°C.

Quanto maior o gradiente e, consequentemente, quanto menor o degrau, mais calor mais próximo profundidades da Terra se aproxima da superfície e a área é mais promissora para o desenvolvimento de energia geotérmica.

NO Áreas diferentes, dependendo da estrutura geológica e de outras regiões e condições locais, a taxa de aumento de temperatura com a profundidade pode diferir acentuadamente. Na escala da Terra, as flutuações nos valores dos gradientes e degraus geotérmicos chegam a 25 vezes. Por exemplo, no estado de Oregon (EUA) o gradiente é de 150°C por 1 km, e na África do Sul é de 6°C por 1 km.

A questão é: qual é a temperatura em grandes profundidades - 5, 10 km ou mais? Se a tendência continuar, as temperaturas a uma profundidade de 10 km devem ficar em torno de 250–300°C. Isso é mais ou menos confirmado por observações diretas em poços ultraprofundos, embora o quadro seja muito mais complicado do que o aumento linear da temperatura.

Por exemplo, no poço superprofundo Kola perfurado no Báltico escudo de cristal, a temperatura até uma profundidade de 3 km muda a uma taxa de 10°C/1 km, e então o gradiente geotérmico torna-se 2-2,5 vezes maior. A uma profundidade de 7 km, já foi registrada uma temperatura de 120°C, a 10 km - 180°C e a 12 km - 220°C.

Outro exemplo é um poço colocado no norte do Cáspio, onde a uma profundidade de 500 m foi registrada uma temperatura de 42°C, a 1,5 km - 70°C, a 2 km - 80°C, a 3 km - 108°C.

Supõe-se que o gradiente geotérmico diminui a partir de uma profundidade de 20 a 30 km: a uma profundidade de 100 km, as temperaturas estimadas são de cerca de 1300 a 1500°C, a uma profundidade de 400 km - 1600°C, na superfície da Terra. núcleo (profundidades de mais de 6000 km) - 4000–5000° C.

Em profundidades de até 10–12 km, a temperatura é medida através de poços perfurados; onde eles não existem, é determinado por sinais indiretos da mesma forma que em maiores profundidades. Tais sinais indiretos podem ser a natureza da passagem ondas sísmicas ou a temperatura da lava em erupção.

No entanto, para fins de energia geotérmica, os dados sobre temperaturas em profundidades superiores a 10 km ainda não são de interesse prático.

Há muito calor em profundidades de vários quilômetros, mas como aumentá-lo? Às vezes, a própria natureza resolve esse problema para nós com a ajuda de um refrigerante natural - águas termais aquecidas que vêm à superfície ou ficam a uma profundidade acessível a nós. Em alguns casos, a água nas profundezas é aquecida ao estado de vapor.

Não existe uma definição estrita do conceito de "águas termais". Em regra, significam águas subterrâneas quentes em estado líquido ou na forma de vapor, incluindo aquelas que chegam à superfície da Terra com uma temperatura superior a 20 ° C, ou seja, em regra, superior à temperatura do ar.

O calor das águas subterrâneas, vapor, misturas de água e vapor é energia hidrotérmica. Assim, a energia baseada em seu uso é chamada de hidrotermal.

A situação é mais complicada com a produção de calor diretamente de rochas secas - energia petrotérmica, especialmente porque temperaturas suficientemente altas, como regra, começam em profundidades de vários quilômetros.

No território da Rússia, o potencial da energia petrotérmica é cem vezes maior que o da energia hidrotérmica - 3.500 e 35 trilhões de toneladas de combustível padrão, respectivamente. Isso é bastante natural - o calor das profundezas da Terra está em toda parte e as águas termais são encontradas localmente. No entanto, devido a óbvias dificuldades técnicas, a maior parte das águas termais são atualmente utilizadas para gerar calor e eletricidade.

Temperaturas da água de 20-30 a 100°C são adequadas para aquecimento, temperaturas de 150°C e acima - e para a geração de eletricidade em usinas geotérmicas.

Em geral, os recursos geotérmicos no território da Rússia, em termos de toneladas de combustível de referência ou qualquer outra unidade de medida de energia, são aproximadamente 10 vezes maiores que as reservas de combustíveis fósseis.

Teoricamente, apenas a energia geotérmica poderia atender plenamente as necessidades energéticas do país. Praticamente ligado este momento na maior parte de seu território, isso não é viável por razões técnicas e econômicas.

No mundo, o uso da energia geotérmica é mais frequentemente associado à Islândia - um país localizado no extremo norte da Dorsal Meso-Atlântica, em uma zona tectônica e vulcânica extremamente ativa. Provavelmente todos se lembram da poderosa erupção do vulcão Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajokull) no ano de 2010.

É graças a essa especificidade geológica que a Islândia possui enormes reservas de energia geotérmica, incluindo fontes termais que chegam à superfície da Terra e até jorram na forma de gêiseres.

Na Islândia, mais de 60% de toda a energia consumida atualmente é retirada da Terra. Incluindo devido às fontes geotérmicas, 90% do aquecimento e 30% da geração de eletricidade são fornecidos. Acrescentamos que o restante da eletricidade do país é produzida por usinas hidrelétricas, ou seja, utilizando também uma fonte de energia renovável, graças à qual a Islândia parece uma espécie de padrão ambiental global.

A "domesticação" da energia geotérmica no século 20 ajudou a Islândia significativamente economicamente. Até meados do século passado, era muito país pobre, hoje ocupa o primeiro lugar no mundo em capacidade instalada e produção de energia geotérmica per capita e está entre os dez primeiros em termos de valor absoluto capacidade instalada de usinas geotérmicas. No entanto, sua população é de apenas 300 mil pessoas, o que simplifica a tarefa de mudar para fontes limpas energia: a necessidade é geralmente pequena.

Além da Islândia, uma alta participação de energia geotérmica em balanço geral geração de eletricidade fornecida na Nova Zelândia e nas nações insulares Sudeste da Ásia(Filipinas e Indonésia), os países da América Central e da África Oriental, cujo território também é caracterizado por alta sísmica e atividade vulcânica. Para esses países, em seu nível atual de desenvolvimento e necessidades, a energia geotérmica contribui significativamente para o desenvolvimento socioeconômico.

O uso da energia geotérmica tem uma longa história. Um dos primeiros exemplos famosos- Itália, um lugar na província da Toscana, agora chamado Larderello, onde, no início do século XIX, as águas termais quentes locais, fluindo naturalmente ou extraídas de poços rasos, eram usadas para fins energéticos.

A água de fontes subterrâneas, rica em boro, foi usada aqui para obter ácido bórico. Inicialmente, esse ácido era obtido por evaporação em caldeiras de ferro, e a lenha comum era retirada como combustível das florestas próximas, mas em 1827 Francesco Larderel criou um sistema que funcionava com o calor das próprias águas. Ao mesmo tempo, a energia do vapor de água natural começou a ser utilizada para o funcionamento das sondas de perfuração e, no início do século XX, para o aquecimento de casas e estufas locais. No mesmo local, em Larderello, em 1904, o vapor de água termal tornou-se fonte de energia para obter eletricidade.

O exemplo da Itália no final do século XIX e início do século XX foi seguido por alguns outros países. Por exemplo, em 1892, as águas termais foram usadas pela primeira vez para aquecimento local nos Estados Unidos (Boise, Idaho), em 1919 - no Japão, em 1928 - na Islândia.

Nos Estados Unidos, a primeira usina hidrotermal apareceu na Califórnia no início da década de 1930, na Nova Zelândia - em 1958, no México - em 1959, na Rússia (o primeiro GeoPP binário do mundo) - em 1965 .

Um velho princípio em uma nova fonte

A geração de eletricidade requer uma temperatura da fonte de água mais alta do que o aquecimento, acima de 150°C. O princípio de operação de uma usina geotérmica (GeoES) é semelhante ao princípio de operação de uma usina termelétrica convencional (UTE). Na verdade, uma usina geotérmica é um tipo de usina termelétrica.

Em usinas termelétricas, como regra, carvão, gás ou óleo combustível atuam como fonte primária de energia e o vapor de água serve como fluido de trabalho. O combustível, queimando, aquece a água a um estado de vapor, que gira a turbina a vapor e gera eletricidade.

A diferença entre o GeoPP é que a fonte primária de energia aqui é o calor do interior da Terra e corpo de trabalho na forma de vapor entra nas pás da turbina do gerador elétrico de forma "pronta" diretamente do poço de produção.

Existem três esquemas principais de operação do GeoPP: direto, usando vapor seco (geotérmico); indireta, à base de água hidrotermal, e mista, ou binária.

O uso de um ou outro esquema depende do estado de agregação e da temperatura do portador de energia.

O mais simples e, portanto, o primeiro dos esquemas dominados é o direto, no qual o vapor proveniente do poço passa diretamente pela turbina. O primeiro GeoPP do mundo em Larderello em 1904 também operava a vapor seco.

GeoPP com esquema indireto empregos são os mais comuns nos dias de hoje. Eles usam quente água subterrânea, que é injetado sob alta pressão no evaporador, onde parte dele é evaporado, e o vapor resultante gira a turbina. Em alguns casos, são necessários dispositivos e circuitos adicionais para purificar a água geotérmica e o vapor de compostos agressivos.

O vapor de exaustão entra no poço de injeção ou é usado para aquecimento ambiente - neste caso, o princípio é o mesmo que durante a operação de um CHP.

Nos GeoPPs binários, a água termal quente interage com outro líquido que atua como fluido de trabalho com um ponto de ebulição mais baixo. Ambos os líquidos passam por um trocador de calor, onde a água térmica evapora o líquido de trabalho, cujos vapores giram a turbina.

Este sistema é fechado, o que resolve o problema das emissões para a atmosfera. Além disso, os fluidos de trabalho com um ponto de ebulição relativamente baixo possibilitam o uso de águas termais não muito quentes como fonte primária de energia.

Todos os três esquemas usam uma fonte hidrotérmica, mas a energia petrotérmica também pode ser usada para gerar eletricidade.

O diagrama de circuito neste caso também é bastante simples. É necessário perfurar dois poços interligados - injeção e produção. A água é bombeada para o poço de injeção. Em profundidade, ele aquece e, em seguida, a água aquecida ou o vapor formado como resultado do forte aquecimento é fornecido à superfície através de um poço de produção. Além disso, tudo depende de como a energia petrotérmica é usada - para aquecimento ou para a produção de eletricidade. Um ciclo fechado é possível com o bombeamento de vapor de exaustão e água de volta ao poço de injeção ou outro método de descarte.

A desvantagem de tal sistema é óbvia: para obter uma temperatura suficientemente alta do fluido de trabalho, é necessário perfurar poços a uma grande profundidade. E este é um custo sério e o risco de perda significativa de calor quando o fluido sobe. Portanto, os sistemas petrotérmicos ainda são menos comuns do que os hidrotermais, embora o potencial da energia petrotérmica seja de ordem de magnitude maior.

Atualmente, o líder na criação dos chamados sistemas circulantes petrotérmicos (PCS) é a Austrália. Além disso, essa direção da energia geotérmica está se desenvolvendo ativamente nos EUA, Suíça, Grã-Bretanha e Japão.

Presente de Lord Kelvin

A invenção da bomba de calor em 1852 pelo físico William Thompson (também conhecido como Lord Kelvin) deu à humanidade uma oportunidade real de usar calor de baixo grau camadas superiores do solo. O sistema de bomba de calor, ou multiplicador de calor como Thompson o chamou, é baseado no processo físico de transferência de calor do ambiente para o refrigerante. Na verdade, ele usa o mesmo princípio dos sistemas petrotérmicos. A diferença está na fonte de calor, em relação à qual pode surgir uma questão terminológica: até que ponto uma bomba de calor pode ser considerada um sistema geotérmico? O fato é que nas camadas superiores, a profundidades de dezenas ou centenas de metros, as rochas e os fluidos nelas contidos são aquecidos não pelo calor profundo da terra, mas pelo sol. Assim, é o sol, neste caso, que é a fonte primária de calor, embora seja retirado, como nos sistemas geotérmicos, da terra.

O funcionamento de uma bomba de calor baseia-se no atraso no aquecimento e arrefecimento do solo em relação à atmosfera, pelo que se forma um gradiente de temperatura entre a superfície e as camadas mais profundas, que retêm calor mesmo no inverno, semelhante ao o que acontece nos reservatórios. O principal objetivo das bombas de calor é o aquecimento do ambiente. Na verdade, é uma “geladeira ao contrário”. Tanto a bomba de calor quanto o refrigerador interagem com três componentes: o ambiente interno (no primeiro caso - uma sala aquecida, no segundo - uma câmara refrigerada), o ambiente externo - uma fonte de energia e um refrigerante (refrigerante), que é também um refrigerante que fornece transferência de calor ou frio.

Uma substância com baixo ponto de ebulição atua como um refrigerante, o que permite que ela receba calor de uma fonte que tenha uma temperatura relativamente baixa.

No refrigerador, o refrigerante líquido entra no evaporador através de um acelerador (regulador de pressão), onde, devido a uma queda acentuada na pressão, o líquido evapora. A evaporação é um processo endotérmico que requer que o calor seja absorvido do exterior. Como resultado, o calor é retirado das paredes internas do evaporador, o que proporciona um efeito de resfriamento na câmara do refrigerador. Além do evaporador, o refrigerante é sugado para dentro do compressor, onde retorna ao estado líquido de agregação. Este é o processo inverso, levando à liberação do calor extraído durante ambiente externo. Como regra, ele é jogado na sala e a parede traseira da geladeira é relativamente quente.

A bomba de calor funciona quase da mesma forma, com a diferença de que o calor é retirado do ambiente externo e entra no ambiente interno através do evaporador - o sistema de aquecimento do ambiente.

Em uma bomba de calor real, a água é aquecida, passando por um circuito externo colocado no solo ou em um reservatório, e depois entra no evaporador.

No evaporador, o calor é transferido para um circuito interno preenchido com um refrigerante de baixo ponto de ebulição, que, passando pelo evaporador, passa do estado líquido para o gasoso, recebendo calor.

Em seguida, o refrigerante gasoso entra no compressor, onde é comprimido para alta pressão e temperatura, e entra no condensador, onde ocorre a troca de calor entre o gás quente e o refrigerante do sistema de aquecimento.

O compressor necessita de energia elétrica para funcionar, porém, a relação de transformação (a relação entre energia consumida e gerada) em sistemas modernos alto o suficiente para ser eficaz.

Atualmente, as bombas de calor são amplamente utilizadas para aquecimento de ambientes, principalmente em países economicamente desenvolvidos.

Energia eco-correta

A energia geotérmica é considerada ecologicamente correta, o que geralmente é verdade. Em primeiro lugar, utiliza um recurso renovável e praticamente inesgotável. A energia geotérmica não requer Grandes áreas, Diferente grandes usinas hidrelétricas ou parques eólicos, e não polui a atmosfera, ao contrário da energia de hidrocarbonetos. Em média, o GeoPP ocupa 400 m 2 em termos de 1 GW de eletricidade gerada. O mesmo valor para uma usina termelétrica a carvão, por exemplo, é de 3600 m 2. Os benefícios ambientais dos GeoPPs também incluem baixo consumo de água - 20 litros de água doce por 1 kW, enquanto as usinas termelétricas e nucleares requerem cerca de 1.000 litros. Observe que esses são os indicadores ambientais do GeoPP "médio".

Mas ainda há efeitos colaterais negativos. Entre eles, o ruído é mais frequentemente distinguido, poluição térmica atmosfera e química - água e solo, bem como a formação de resíduos sólidos.

A principal fonte de poluição química do meio ambiente é a própria água termal (com alta temperatura e mineralização), que muitas vezes contém grandes quantidades de compostos tóxicos e, portanto, há um problema de descarte de águas residuais e substâncias perigosas.

Os efeitos negativos da energia geotérmica podem ser rastreados em várias etapas, começando com a perfuração de poços. Aqui surgem os mesmos perigos da perfuração de qualquer poço: destruição do solo e da cobertura vegetal, poluição do solo e das águas subterrâneas.

Na fase de operação do GeoPP, os problemas de poluição ambiental persistem. Fluidos térmicos - água e vapor - normalmente contêm dióxido de carbono (CO 2), sulfeto de enxofre (H 2 S), amônia (NH 3), metano (CH 4), sal de mesa(NaCl), boro (B), arsênico (As), mercúrio (Hg). Quando liberados no meio ambiente, tornam-se fontes de poluição. Além disso, um ambiente químico agressivo pode causar danos por corrosão às estruturas GeoTPP.

Ao mesmo tempo, as emissões de poluentes nas GeoPPs são, em média, menores do que nas UTEs. Por exemplo, as emissões de dióxido de carbono por quilowatt-hora de eletricidade gerada são de até 380 g em GeoPPs, 1.042 g em usinas termelétricas a carvão, 906 g em óleo combustível e 453 g em usinas termelétricas a gás.

Surge a pergunta: o que fazer com as águas residuais? Com baixa salinidade, após o resfriamento, pode ser descarregado em águas superficiais. A outra maneira é bombeá-lo de volta ao aquífero através de um poço de injeção, que é a prática preferida e predominante no momento.

A extração de água termal de aquíferos (bem como o bombeamento de água comum) pode causar subsidência e movimentos do solo, outras deformações das camadas geológicas e micro-terremotos. A probabilidade de tais fenômenos é geralmente baixa, embora casos individuais tenham sido registrados (por exemplo, no GeoPP em Staufen im Breisgau na Alemanha).

Deve-se enfatizar que o máximo de O GeoPP está localizado em áreas relativamente pouco povoadas e em países do terceiro mundo, onde os requisitos ambientais são menos rigorosos do que nos países desenvolvidos. Além disso, no momento o número de GeoPPs e suas capacidades são relativamente pequenos. Com um maior desenvolvimento da energia geotérmica riscos ambientais pode crescer e se multiplicar.

Quanto é a energia da Terra?

Os custos de investimento para a construção de sistemas geotérmicos variam muito. ampla variedade- de 200 a 5.000 dólares por 1 kW de capacidade instalada, ou seja, as opções mais baratas são comparáveis ao custo de construção de uma usina termelétrica. Dependem, em primeiro lugar, das condições de ocorrência das águas termais, da sua composição e do desenho do sistema. Perfurando a grandes profundidades, criando um sistema fechado com dois poços, a necessidade de tratamento de água pode multiplicar o custo.

Por exemplo, os investimentos na criação de um sistema de circulação petrotérmica (PTS) são estimados em 1,6-4 mil dólares por 1 kW de capacidade instalada, o que supera os custos de construção de uma usina nuclear e é comparável aos custos de construção eólica e usinas de energia solar.

A vantagem econômica óbvia do GeoTPP é um transportador de energia gratuito. Para efeito de comparação, na estrutura de custos de uma usina termelétrica ou usina nuclear em operação, o combustível responde por 50–80% ou até mais, dependendo dos preços atuais da energia. Daí, outra vantagem do sistema geotérmico: os custos operacionais são mais estáveis e previsíveis, pois não dependem da conjuntura externa dos preços da energia. Em geral, os custos operacionais do GeoTPP são estimados em 2–10 centavos (60 copeques–3 rublos) por 1 kWh de capacidade gerada.

O segundo maior (e muito significativo) item de despesa depois do transportador de energia é, via de regra, os salários do pessoal da estação, que pode variar drasticamente por país e região.

Em média, o custo de 1 kWh de energia geotérmica é comparável ao de usinas termelétricas (em condições russas - cerca de 1 rublo / 1 kWh) e dez vezes maior que o custo de geração de eletricidade em usinas hidrelétricas (5 a 10 copeques / 1 kWh).

Parte do motivo do alto custo é que, diferentemente das usinas termelétricas e hidráulicas, o GeoTPP tem uma capacidade relativamente pequena. Além disso, é necessário comparar sistemas localizados na mesma região e em condições semelhantes. Assim, por exemplo, em Kamchatka, de acordo com especialistas, 1 kWh de eletricidade geotérmica custa 2-3 vezes mais barato que a eletricidade produzida em usinas térmicas locais.

Indicadores eficiência econômica O funcionamento de um sistema geotérmico depende, por exemplo, da necessidade de disposição das águas residuais e de que formas isso é feito, se o uso combinado do recurso é possível. Assim, elementos químicos e compostos extraídos da água termal podem dar renda adicional. Recordemos o exemplo de Larderello: o primeiro produção química, e o uso da energia geotérmica era originalmente de natureza auxiliar.

Energia geotérmica para a frente

A energia geotérmica está se desenvolvendo de maneira um pouco diferente da eólica e solar. Atualmente, depende muito da natureza do próprio recurso, que difere muito por região, e as maiores concentrações estão ligadas a estreitas zonas de anomalias geotérmicas, geralmente associadas a áreas de falhas tectônicas e vulcanismo.

Além disso, a energia geotérmica é tecnologicamente menos abrangente em comparação com a eólica e ainda mais com a energia solar: os sistemas de estações geotérmicas são bastante simples.

Na estrutura geral da produção mundial de eletricidade, o componente geotérmico representa menos de 1%, mas em algumas regiões e países sua participação chega a 25-30%. Devido à ligação às condições geológicas, uma parte significativa das capacidades de energia geotérmica está concentrada em países do terceiro mundo, onde se distinguem três clusters maior desenvolvimento indústrias - as ilhas do Sudeste Asiático, América Central e África Oriental. As duas primeiras regiões fazem parte do "Cinturão de Fogo da Terra" do Pacífico, a terceira está ligada ao Rift da África Oriental. Com a maior probabilidade, a energia geotérmica continuará a se desenvolver nesses cinturões. Uma perspectiva mais distante é o desenvolvimento da energia petrotérmica, usando o calor das camadas da Terra situadas a vários quilômetros de profundidade. Este é um recurso quase onipresente, mas sua extração exige altos custos, de modo que a energia petrotérmica está se desenvolvendo principalmente nos países mais poderosos econômica e tecnologicamente.

Em geral, dada a onipresença dos recursos geotérmicos e um nível aceitável de segurança ambiental, há razões para acreditar que a energia geotérmica boas perspectivas desenvolvimento. Especialmente com a crescente ameaça de escassez de transportadores de energia tradicionais e aumento de preços para eles.

De Kamchatka ao Cáucaso

Na Rússia, o desenvolvimento da energia geotérmica tem uma história bastante longa e, em várias posições, estamos entre os líderes mundiais, embora a participação da energia geotérmica no balanço energético geral de um país enorme ainda seja insignificante.

Os pioneiros e centros para o desenvolvimento de energia geotérmica na Rússia foram duas regiões - Kamchatka e o norte do Cáucaso, e se no primeiro caso estamos falando principalmente sobre a indústria de energia elétrica, no segundo - sobre o uso de energia térmica de Água termal.

No norte do Cáucaso, em Território de Krasnodar, Chechênia, Daguestão - o calor das águas termais para fins energéticos foi usado mesmo antes da Grande Guerra Patriótica. Nos anos 1980-1990, o desenvolvimento da energia geotérmica na região, por razões óbvias, estagnou e ainda não se recuperou do estado de estagnação. No entanto, o abastecimento de água geotérmica no norte do Cáucaso fornece calor para cerca de 500 mil pessoas e, por exemplo, a cidade de Labinsk, no território de Krasnodar, com uma população de 60 mil pessoas, é completamente aquecida pelas águas geotérmicas.

Em Kamchatka, a história da energia geotérmica está associada principalmente à construção do GeoPP. O primeiro deles, ainda operando as estações Pauzhetskaya e Paratunskaya, foi construído em 1965-1967, enquanto o Paratunskaya GeoPP com capacidade de 600 kW tornou-se a primeira estação do mundo com um ciclo binário. Foi o desenvolvimento dos cientistas soviéticos S. S. Kutateladze e A. M. Rosenfeld do Instituto de Física Térmica do Ramo Siberiano da Academia Russa de Ciências, que receberam em 1965 um certificado de direitos autorais para extrair eletricidade da água com temperatura de 70 ° C. Essa tecnologia posteriormente se tornou o protótipo para mais de 400 GeoPPs binários no mundo.

A capacidade do GeoPP Pauzhetskaya, comissionado em 1966, era inicialmente de 5 MW e posteriormente aumentada para 12 MW. Atualmente, a estação está em construção de um bloco binário, que aumentará sua capacidade em mais 2,5 MW.

O desenvolvimento da energia geotérmica na URSS e na Rússia foi dificultado pela disponibilidade de fontes de energia tradicionais - petróleo, gás, carvão, mas nunca parou. As maiores instalações de energia geotérmica no momento são a Verkhne-Mutnovskaya GeoPP com uma capacidade total de 12 MW unidades de energia, comissionadas em 1999, e a Mutnovskaya GeoPP com uma capacidade de 50 MW (2002).

Mutnovskaya e Verkhne-Mutnovskaya GeoPP são objetos únicos não apenas para a Rússia, mas também em escala global. As estações estão localizadas no sopé do vulcão Mutnovsky, a uma altitude de 800 metros acima do nível do mar, e operam em condições climáticas extremas, onde é inverno por 9 a 10 meses por ano. Os equipamentos dos GeoPPs Mutnovsky, atualmente um dos mais modernos do mundo, foram totalmente criados em empresas nacionais de engenharia de energia.

Atualmente, a participação das estações Mutnovsky na estrutura geral do consumo de energia do hub de energia Central Kamchatka é de 40%. Está previsto um aumento da capacidade nos próximos anos.

Separadamente, deve ser dito sobre os desenvolvimentos petrotérmicos russos. Ainda não temos grandes PCS, mas existem Alta tecnologia perfurando a uma grande profundidade (cerca de 10 km), que também não possuem análogos no mundo. Seu desenvolvimento posterior permitirá reduzir drasticamente os custos de criação de sistemas petrotérmicos. Os desenvolvedores dessas tecnologias e projetos são N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Instituto Geológico da Academia Russa de Ciências), A. S. Nekrasov (Instituto de Previsão Econômica da Academia Russa de Ciências) e especialistas da Usina de Turbinas Kaluga. Atualmente, o projeto do sistema de circulação petrotérmica na Rússia está em fase piloto.

Há perspectivas de energia geotérmica na Rússia, embora sejam relativamente distantes: no momento, o potencial é bastante grande e a posição da energia tradicional é forte. Ao mesmo tempo, em várias regiões remotas do país, o uso de energia geotérmica é economicamente lucrativo e está em demanda até agora. São territórios com alto potencial geoenergético (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - parte russa o "Cinturão de Fogo da Terra" do Pacífico, as montanhas do sul da Sibéria e do Cáucaso) e ao mesmo tempo remoto e isolado do fornecimento centralizado de energia.

É provável que nas próximas décadas a energia geotérmica em nosso país se desenvolva justamente nessas regiões.

Para a Rússia, a energia do calor da Terra pode se tornar uma fonte constante e confiável de fornecimento de eletricidade e calor baratos e acessíveis, usando novas tecnologias de alta qualidade e ecologicamente corretas para sua extração e fornecimento ao consumidor. Isso é especialmente verdade no momento

Recursos limitados de matérias-primas de energia fóssil

A demanda por matérias-primas energéticas orgânicas é alta nos países industrializados e países em desenvolvimento(EUA, Japão, estados da Europa unida, China, Índia, etc.). Ao mesmo tempo, seus próprios recursos de hidrocarbonetos nesses países são insuficientes ou reservados, e um país, por exemplo, os Estados Unidos, compra matérias-primas energéticas no exterior ou desenvolve depósitos em outros países.

Na Rússia, um dos países mais ricos em recursos energéticos, as necessidades econômicas de energia ainda são satisfeitas pelas possibilidades de uso dos recursos naturais. No entanto, a extração de hidrocarbonetos fósseis do subsolo ocorre em ritmo muito acelerado. Se nas décadas de 1940-1960. as principais regiões produtoras de petróleo foram o “Segundo Baku” no Volga e Cis-Urais, então, a partir da década de 1970, e até o presente, tal área é Sibéria Ocidental. Mas mesmo aqui há um declínio significativo na produção de hidrocarbonetos fósseis. A era do gás cenomaniano "seco" está passando. A etapa anterior de desenvolvimento extensivo da produção de gás natural chegou ao fim. Sua extração de depósitos gigantes como Medvezhye, Urengoyskoye e Yamburgskoye totalizou 84, 65 e 50%, respectivamente. Gravidade Específica reservas de petróleo favoráveis ao desenvolvimento também estão diminuindo ao longo do tempo.

Devido ao consumo ativo de combustíveis de hidrocarbonetos, as reservas onshore de petróleo e gás natural foram reduzidas significativamente. Agora suas principais reservas estão concentradas na plataforma continental. E, embora a base de matéria-prima da indústria de petróleo e gás ainda seja suficiente para a extração de petróleo e gás na Rússia nos volumes necessários, em um futuro próximo ela será fornecida cada vez mais através do desenvolvimento de campos com complexos de mineração e condições geológicas. Ao mesmo tempo, o custo da produção de hidrocarbonetos crescerá.

A maior parte dos recursos não renováveis extraídos do subsolo é utilizada como combustível para usinas de energia. Em primeiro lugar, essa é a participação na estrutura de combustível de 64%.

Na Rússia, 70% da eletricidade é gerada em usinas termelétricas. As empresas de energia do país queimam anualmente cerca de 500 milhões de toneladas de c.e. toneladas com a finalidade de gerar eletricidade e calor, enquanto a produção de calor consome 3-4 vezes mais combustível de hidrocarboneto do que a geração de eletricidade.

A quantidade de calor obtida da combustão desses volumes de matérias-primas de hidrocarbonetos equivale ao uso de centenas de toneladas de combustível nuclear - a diferença é enorme. No entanto energia nuclear exige garantir a segurança ambiental (para evitar a repetição de Chernobyl) e protegê-la de possíveis atos terroristas, bem como o desmantelamento seguro e caro de unidades de energia nuclear obsoletas e ultrapassadas. As reservas comprovadas recuperáveis de urânio no mundo são de cerca de 3 milhões e 400 mil toneladas.Para todo o período anterior (até 2007), foram extraídos cerca de 2 milhões de toneladas.

RES como o futuro da energia global

O aumento do interesse mundial nas últimas décadas por fontes alternativas de energia renovável (FER) é causado não apenas pelo esgotamento das reservas de combustíveis de hidrocarbonetos, mas também pela necessidade de resolver problemas ambientais. Fatores objetivos (combustíveis fósseis e reservas de urânio, bem como mudanças ambientais associadas ao uso de fogo tradicional e energia nuclear) e tendências de desenvolvimento energético sugerem que a transição para novos métodos e formas de produção de energia é inevitável. Já na primeira metade do século XXI. haverá uma transição completa ou quase completa para fontes de energia não tradicionais.

Quanto mais cedo for feito um avanço nessa direção, menos doloroso será para toda a sociedade e mais benéfico para o país onde passos decisivos na direção indicada.

A economia mundial já definiu um rumo para a transição para uma combinação racional de fontes de energia tradicionais e novas. O consumo de energia no mundo em 2000 foi de mais de 18 bilhões de toneladas de combustível equivalente. toneladas, e o consumo de energia até 2025 pode aumentar para 30 a 38 bilhões de toneladas de combustível equivalente. toneladas, de acordo com dados de previsão, até 2050 o consumo no nível de 60 bilhões de toneladas de combustível equivalente é possível. t. Uma tendência característica no desenvolvimento da economia mundial no período em análise é uma diminuição sistemática no consumo de combustíveis fósseis e um aumento correspondente no uso de combustíveis não tradicionais recursos energéticos. A energia térmica da Terra ocupa um dos primeiros lugares entre eles.

Atualmente, o Ministério da Energia da Federação Russa adotou um programa de desenvolvimento energia não tradicional, incluindo 30 grandes projectos o uso de instalações de bombas de calor (HPU), cujo princípio de funcionamento é baseado no consumo de energia térmica de baixo potencial da Terra.

Energia de baixo potencial das bombas de calor e calor da Terra

As fontes de energia térmica de baixo potencial da Terra são a radiação solar e radiação térmica entranhas aquecidas do nosso planeta. Atualmente, o uso dessa energia é uma das áreas de desenvolvimento mais dinâmico da energia baseada em fontes de energia renováveis.

O calor da terra pode ser usado em Vários tipos edifícios e estruturas para aquecimento, abastecimento de água quente, ar condicionado (refrigeração), bem como para aquecimento de pistas no inverno, prevenção de congelamento, campos de aquecimento em estádios ao ar livre, etc. literatura técnica sistemas que utilizam o calor da terra em sistemas de aquecimento e ar condicionado são referidos como GHP - "bombas de calor geotérmicas" (bombas de calor geotérmicas). Características climáticas os países da Europa Central e do Norte, que, juntamente com os EUA e o Canadá, são as principais áreas de utilização do calor de baixa intensidade da Terra, determinam-no principalmente para fins de aquecimento; refrigeração a ar mesmo em período de verão relativamente raramente necessária. Portanto, ao contrário dos EUA, as bombas de calor nos países europeus operam principalmente no modo de aquecimento. Nos EUA, eles são mais usados em sistemas de aquecimento de ar combinados com ventilação, que permitem tanto o aquecimento quanto o resfriamento do ar externo. Nos países europeus, as bombas de calor são geralmente usadas em sistemas de aquecimento de água. Como sua eficiência aumenta à medida que a diferença de temperatura entre o evaporador e o condensador diminui, os sistemas de aquecimento de piso são frequentemente usados para aquecer edifícios, nos quais circula um refrigerante de temperatura relativamente baixa (35 a 40 ° C).

Tipos de sistemas para o uso de energia de baixo potencial do calor da Terra

NO caso Geral Existem dois tipos de sistemas para usar a energia de baixo potencial do calor da Terra:

- sistemas abertos: como fonte de energia térmica de baixo grau, utiliza-se água subterrânea, que é fornecida diretamente às bombas de calor;

- sistemas fechados: os trocadores de calor estão localizados no maciço de solo; quando um refrigerante com temperatura inferior à do solo circula por eles, a energia térmica é “retirada” do solo e transferida para o evaporador da bomba de calor (ou quando é usado um refrigerante com temperatura mais alta em relação ao solo, ele é resfriado ).

As desvantagens dos sistemas abertos são que os poços requerem manutenção. Além disso, o uso de tais sistemas não é possível em todas as áreas. Os principais requisitos para o solo e as águas subterrâneas são os seguintes:

- suficiente permeabilidade do solo à água, permitindo a reposição das reservas de água;

- Boa composição químicaáguas subterrâneas (por exemplo, baixo teor de ferro) para evitar problemas de corrosão e escala de tubulação.

Sistemas fechados para o uso de energia de baixo potencial do calor da Terra

Os sistemas fechados são horizontais e verticais (Figura 1).

Arroz. 1. Esquema de instalação de bomba de calor geotérmica com: a - horizontal

eb - trocadores de calor de solo verticais.

Trocador de calor horizontal

Nos países da Europa Ocidental e Central, os trocadores de calor horizontais são geralmente tubos separados colocados de forma relativamente apertada e conectados uns aos outros em série ou em paralelo (Fig. 2).

Arroz. 2. Trocadores de calor horizontais de solo com: a - sequenciais e

b - conexão paralela.

Para salvar a área do local onde o calor é removido, foram desenvolvidos tipos aprimorados de trocadores de calor, por exemplo, trocadores de calor em forma de espiral (Fig. 3), localizados horizontalmente ou verticalmente. Esta forma de trocadores de calor é comum nos EUA.

No nosso país, rico em hidrocarbonetos, a energia geotérmica é uma espécie de recurso exótico que, no estado atual das coisas, dificilmente concorrerá com o petróleo e o gás. No entanto, essa forma alternativa de energia pode ser usada em quase todos os lugares e com bastante eficiência.

A energia geotérmica é o calor do interior da Terra. É produzido nas profundezas e chega à superfície da Terra em diferentes formas e com diferentes intensidades.

Quando a temperatura média anual do ar em uma determinada área está abaixo de zero, isso se manifesta como permafrost (mais precisamente, permafrost). Na Sibéria Oriental, a espessura, ou seja, a espessura, dos solos congelados durante todo o ano atinge 200-300 m em alguns lugares.

O fluxo de calor do interior da Terra, atingindo a superfície da Terra, é pequeno - em média, sua potência é de 0,03 a 0,05 W/m 2, ou aproximadamente 350 W h/m 2 por ano. No contexto do fluxo de calor do Sol e do ar aquecido por ele, este é um valor imperceptível: o Sol dá a cada metro quadrado da superfície da Terra cerca de 4.000 kWh por ano, ou seja, 10.000 vezes mais (claro, isso é em média, com uma grande dispersão entre as latitudes polares e equatoriais e dependendo de outros fatores climáticos e meteorológicos).

São essas áreas que são mais favoráveis para o desenvolvimento da energia geotérmica. No território da Rússia, são, em primeiro lugar, Kamchatka, as Ilhas Curilas e o Cáucaso.

A recíproca é a etapa geotérmica, ou o intervalo de profundidade em que a temperatura aumenta em 1°C.

Quanto maior o gradiente e, consequentemente, menor o degrau, mais próximo o calor das profundezas da Terra se aproxima da superfície e mais promissora é essa área para o desenvolvimento da energia geotérmica.

Em diferentes áreas, dependendo da estrutura geológica e outras condições regionais e locais, a taxa de aumento da temperatura com a profundidade pode variar drasticamente. Na escala da Terra, as flutuações nos valores dos gradientes e degraus geotérmicos chegam a 25 vezes. Por exemplo, no estado de Oregon (EUA) o gradiente é de 150°C por 1 km, e na África do Sul é de 6°C por 1 km.

Por exemplo, no poço superprofundo de Kola perfurado no Escudo Cristalino Báltico, a temperatura muda a uma taxa de 10°C/1 km até uma profundidade de 3 km e, em seguida, o gradiente geotérmico torna-se 2 a 2,5 vezes maior. A uma profundidade de 7 km, já foi registrada uma temperatura de 120°C, a 10 km - 180°C e a 12 km - 220°C.

Outro exemplo é um poço colocado no norte do Cáspio, onde a uma profundidade de 500 m foi registrada uma temperatura de 42°C, a 1,5 km - 70°C, a 2 km - 80°C, a 3 km - 108°C.

Em profundidades de até 10–12 km, a temperatura é medida através de poços perfurados; onde eles não existem, é determinado por sinais indiretos da mesma forma que em maiores profundidades. Tais sinais indiretos podem ser a natureza da passagem das ondas sísmicas ou a temperatura da lava em erupção.

No entanto, para fins de energia geotérmica, os dados sobre temperaturas em profundidades superiores a 10 km ainda não são de interesse prático.

O calor das águas subterrâneas, vapor, misturas de água e vapor é energia hidrotérmica. Assim, a energia baseada em seu uso é chamada de hidrotermal.

Temperaturas da água de 20-30 a 100°C são adequadas para aquecimento, temperaturas de 150°C e acima - e para a geração de eletricidade em usinas geotérmicas.

Teoricamente, apenas a energia geotérmica poderia atender plenamente as necessidades energéticas do país. Na prática, no momento, na maior parte de seu território, isso não é viável por questões técnicas e econômicas.

A "domesticação" da energia geotérmica no século 20 ajudou a Islândia significativamente economicamente. Até meados do século passado, era um país muito pobre, agora ocupa o primeiro lugar no mundo em termos de capacidade instalada e produção de energia geotérmica per capita, e está entre os dez primeiros em termos de capacidade instalada absoluta de energia geotérmica plantas. No entanto, sua população é de apenas 300 mil pessoas, o que simplifica a tarefa de mudar para fontes de energia ecologicamente corretas: a necessidade geralmente é pequena.

Além da Islândia, uma alta participação da energia geotérmica no saldo total da produção de eletricidade é fornecida na Nova Zelândia e nos estados insulares do Sudeste Asiático (Filipinas e Indonésia), nos países da América Central e da África Oriental, cujo território também é caracterizado pela alta atividade sísmica e vulcânica. Para esses países, em seu nível atual de desenvolvimento e necessidades, a energia geotérmica contribui significativamente para o desenvolvimento socioeconômico.

O uso da energia geotérmica tem uma longa história. Um dos primeiros exemplos conhecidos é a Itália, um lugar na província da Toscana, agora chamado Larderello, onde, já no início do século XIX, as águas termais quentes locais, fluindo naturalmente ou extraídas de poços rasos, eram usadas para energia propósitos.