Pentru Rusia, energia căldurii Pământului poate deveni o sursă constantă și fiabilă de furnizare a energiei electrice și căldurii ieftine și la prețuri accesibile, folosind noi tehnologii înalte, ecologice, pentru extracția și furnizarea acesteia către consumator. Acest lucru este valabil mai ales în acest moment

Resurse limitate de materii prime de energie fosilă

Cererea de materii prime de energie organică este mare în țările industrializate și în curs de dezvoltare (SUA, Japonia, statele Europei unite, China, India etc.). În același timp, resursele proprii de hidrocarburi din aceste țări sunt fie insuficiente, fie rezervate, iar o țară, de exemplu, Statele Unite, cumpără materii prime energetice din străinătate sau dezvoltă zăcăminte în alte țări.

În Rusia, una dintre cele mai bogate țări din punct de vedere al resurselor energetice, nevoile economice de energie sunt încă satisfăcute de posibilitățile de utilizare a resurselor naturale. Cu toate acestea, extracția hidrocarburilor fosile din subsol are loc într-un ritm foarte rapid. Dacă în anii 1940-1960. Principalele regiuni producătoare de petrol au fost „Al Doilea Baku” din Volga și Cis-Urals, apoi, începând cu anii 1970, și până în prezent, Siberia de Vest a fost o astfel de zonă. Dar chiar și aici există o scădere semnificativă a producției de hidrocarburi fosile. Epoca gazului „uscat” cenomanian trece. Etapa anterioară de dezvoltare extinsă a producției de gaze naturale a ajuns la sfârșit. Extracția sa din zăcăminte uriașe precum Medvezhye, Urengoyskoye și Yamburgskoye s-a ridicat la 84, 65 și, respectiv, 50%. De-a lungul timpului scade și proporția rezervelor de petrol favorabile dezvoltării.

Datorită consumului activ de hidrocarburi, rezervele de petrol și gaze naturale au fost reduse semnificativ. Acum principalele lor rezerve sunt concentrate pe platforma continentală. Și deși baza de materie primă a industriei de petrol și gaze este încă suficientă pentru extracția de petrol și gaze din Rusia în volumele necesare, în viitorul apropiat va fi asigurată într-o măsură din ce în ce mai mare prin dezvoltarea câmpurilor cu minerit și complex complex. conditii geologice. În același timp, costul producției de hidrocarburi va crește.

Majoritatea resurselor neregenerabile extrase din subsol sunt folosite drept combustibil pentru centralele electrice. În primul rând, aceasta este ponderea căreia în structura combustibilului este de 64%.

În Rusia, 70% din energie electrică este generată de centrale termice. Întreprinderile energetice ale țării ard anual circa 500 de milioane de tone de ec. tone în scopul producerii de energie electrică și căldură, în timp ce producția de căldură consumă de 3-4 ori mai mult combustibil de hidrocarburi decât generarea de energie electrică.

Cantitatea de căldură obținută din arderea acestor volume de materii prime hidrocarburi este echivalentă cu utilizarea a sute de tone de combustibil nuclear - diferența este uriașă. Cu toate acestea, energia nucleară necesită asigurarea siguranței mediului (pentru a preveni repetarea Cernobîlului) și protejarea acestuia de posibile atacuri teroriste, precum și dezafectarea în siguranță și costisitoare a unităților nucleare învechite și uzate. Rezervele dovedite recuperabile de uraniu din lume sunt de aproximativ 3 milioane 400 mii tone.Pentru toată perioada anterioară (până în 2007), au fost exploatate aproximativ 2 milioane de tone.

SRE ca viitorul energiei globale

Interesul crescut în lume în ultimele decenii pentru sursele alternative de energie regenerabilă (SRE) este cauzat nu numai de epuizarea rezervelor de combustibili de hidrocarburi, ci și de necesitatea rezolvării problemelor de mediu. Factorii obiectivi (rezervele de combustibili fosili și de uraniu, precum și schimbările de mediu asociate cu utilizarea focului tradițional și a energiei nucleare) și tendințele de dezvoltare energetică sugerează că trecerea la noi metode și forme de producere a energiei este inevitabilă. Deja în prima jumătate a secolului XXI. va avea loc o tranziție completă sau aproape completă către surse de energie netradiționale.

Cu cât se face mai repede o descoperire în această direcție, cu atât va fi mai puțin dureros pentru întreaga societate și cu atât mai benefic pentru țară, unde se vor face pași decisivi în această direcție.

Economia mondială a stabilit deja un curs pentru tranziția către o combinație rațională de surse de energie tradiționale și noi. Consumul de energie în lume până în 2000 se ridica la peste 18 miliarde de tone echivalent combustibil. tone, iar consumul de energie până în 2025 poate crește la 30-38 de miliarde de tone echivalent combustibil. tone, conform datelor de prognoză, până în 2050 este posibil un consum la nivelul de 60 de miliarde de tone echivalent combustibil. t. O tendință caracteristică în dezvoltarea economiei mondiale în perioada analizată este o scădere sistematică a consumului de combustibili fosili și o creștere corespunzătoare a utilizării resurselor energetice netradiționale. Energia termică a Pământului ocupă unul dintre primele locuri între ele.

În prezent, Ministerul Energiei al Federației Ruse a adoptat un program de dezvoltare a energiei netradiționale, inclusiv 30 de proiecte mari pentru utilizarea unităților pompe de căldură (HPU), al căror principiu de funcționare se bazează pe consumul de energie termică cu potențial scăzut a Pământului.

Energie cu potențial scăzut a pompelor de căldură și căldură ale Pământului

Sursele de energie cu potențial scăzut a căldurii Pământului sunt radiația solară și radiația termică a intestinelor încălzite ale planetei noastre. În prezent, utilizarea unei astfel de energie este una dintre cele mai dinamice domenii de dezvoltare a energiei bazate pe surse regenerabile de energie.

Căldura Pământului poate fi folosită în diverse tipuri de clădiri și structuri pentru încălzire, alimentare cu apă caldă, aer condiționat (răcire), precum și pentru încălzirea pistelor în sezonul de iarnă, prevenirea înghețului, încălzirea câmpurilor pe stadioane deschise etc. În literatura tehnică în limba engleză a sistemului care utilizează căldura Pământului în sistemele de încălzire și aer condiționat sunt denumite GHP - „pompe de căldură geotermale” (pompe de căldură geotermale). Caracteristicile climatice ale țărilor din Europa Centrală și de Nord, care, împreună cu Statele Unite și Canada, sunt principalele zone de utilizare a căldurii de slabă calitate a Pământului, determină acest lucru în principal pentru încălzire; răcirea aerului, chiar și vara, este relativ rar necesară. Prin urmare, spre deosebire de SUA, pompele de căldură din țările europene funcționează în principal în regim de încălzire. În SUA, ele sunt mai des folosite în sistemele de încălzire cu aer combinate cu ventilația, ceea ce permite atât încălzirea, cât și răcirea aerului exterior. În țările europene, pompele de căldură sunt de obicei utilizate în sistemele de încălzire a apei. Deoarece eficiența lor crește pe măsură ce diferența de temperatură dintre evaporator și condensator scade, sistemele de încălzire prin pardoseală sunt adesea folosite pentru încălzirea clădirilor, în care circulă un lichid de răcire cu o temperatură relativ scăzută (35–40 ° C).

Tipuri de sisteme pentru utilizarea energiei cu potențial scăzut a căldurii Pământului

În cazul general, se pot distinge două tipuri de sisteme pentru utilizarea energiei cu potențial scăzut a căldurii Pământului:

- sisteme deschise: ca sursă de energie termică cu potențial scăzut se utilizează apa subterană, care este alimentată direct pompelor de căldură;

- sisteme închise: schimbătoarele de căldură sunt amplasate în masivul solului; atunci când prin ele circulă un lichid de răcire cu o temperatură mai mică decât solul, energia termică este „decupată” de la sol și transferată în evaporatorul pompei de căldură (sau când se folosește un lichid de răcire cu o temperatură mai mare față de sol, acesta este răcit ).

Dezavantajele sistemelor deschise sunt că puțurile necesită întreținere. În plus, utilizarea unor astfel de sisteme nu este posibilă în toate domeniile. Principalele cerințe pentru sol și apele subterane sunt următoarele:

- permeabilitate suficientă la apă a solului, permițând completarea rezervelor de apă;

– chimie bună a apelor subterane (de exemplu, conținut scăzut de fier) ​​pentru a evita depunerile în țevi și problemele de coroziune.

Sisteme închise pentru utilizarea energiei cu potențial scăzut a căldurii Pământului

Sistemele închise sunt orizontale și verticale (Figura 1).

Orez. 1. Schema unei instalatii de pompa de caldura geotermala cu: a - orizontala

și b - schimbătoare de căldură la sol verticale.

Schimbător de căldură la sol orizontal

În țările din Europa de Vest și Centrală, schimbătoarele de căldură la sol orizontale sunt de obicei conducte separate, așezate relativ strâns și conectate între ele în serie sau în paralel (Fig. 2).

Orez. 2. Schimbătoare de căldură la sol orizontale cu: a - secvenţiale şi

b - conexiune paralelă.

Pentru a salva zona locului unde căldura este îndepărtată, au fost dezvoltate tipuri îmbunătățite de schimbătoare de căldură, de exemplu, schimbătoare de căldură sub formă de spirală (Fig. 3), situate orizontal sau vertical. Această formă de schimbătoare de căldură este comună în SUA.

Din cele mai vechi timpuri, oamenii au știut despre manifestările spontane ale energiei gigantice care pândesc în intestinele globului. Memoria omenirii păstrează legende despre erupțiile vulcanice catastrofale care au adus milioane de vieți omenești, au schimbat de nerecunoscut aspectul multor locuri de pe Pământ. Puterea erupției chiar și a unui vulcan relativ mic este colosală, depășește de multe ori puterea celor mai mari centrale electrice create de mâinile omului. Adevărat, nu este nevoie să vorbim despre utilizarea directă a energiei erupțiilor vulcanice: oamenii nu au încă ocazia să înfrâneze acest element recalcitrant și, din fericire, aceste erupții sunt evenimente destul de rare. Dar acestea sunt manifestări ale energiei care pândește în măruntaiele pământului, când doar o mică parte din această energie inepuizabilă găsește o cale de ieșire prin gurile vulcanilor care suflă foc.

Mica țară europeană a Islandei („țara de gheață” în traducerea literală) este pe deplin autosuficientă în roșii, mere și chiar banane! Numeroase sere islandeze sunt alimentate de căldura pământului, practic nu există alte surse locale de energie în Islanda. Dar această țară este foarte bogată izvoare termale și gheizere celebre - fântâni cu apă caldă, cu precizia unui cronometru care scapă din pământ. Și deși islandezii nu au prioritate în folosirea căldurii surselor subterane (chiar vechii romani aduceau apă de sub pământ la faimoasele băi - băile Caracallei), locuitorii acestei mici țări din nord. exploatarea cazanului subteran foarte intens. Capitala Reykjavik, unde trăiește jumătate din populația țării, este încălzită doar de surse subterane. Reykjavik este punctul de plecare ideal pentru explorarea Islandei: de aici poți face cele mai interesante și variate excursii în orice colț al acestei țări unice: gheizere, vulcani, cascade, munți riolit, fiorduri... Pretutindeni în Reykjavik te vei simți PUR. ENERGIE - energia termică a gheizerelor, care țâșnește din subteran, energia curățeniei și a spațiului unui oraș ideal verde, energia vieții de noapte distractive și incendiare din Reykjavik pe tot parcursul anului.

Dar nu numai pentru încălzire oamenii atrag energie din adâncurile pământului. Centralele electrice care folosesc izvoare subterane calde funcționează de mult timp. Prima astfel de centrală, încă de foarte mică putere, a fost construită în 1904 în micul oraș italian Larderello, numit după inginerul francez Larderelli, care în 1827 a întocmit un proiect pentru utilizarea a numeroase izvoare termale din zonă. Treptat, capacitatea centralei a crescut, au intrat în funcțiune tot mai multe unități noi, au fost folosite noi surse de apă caldă, iar astăzi puterea stației a atins deja o valoare impresionantă - 360 de mii de kilowați. În Noua Zeelandă, există o astfel de centrală electrică în regiunea Wairakei, capacitatea sa este de 160.000 de kilowați. O centrală geotermală cu o capacitate de 500.000 de kilowați produce energie electrică la 120 km de San Francisco, în Statele Unite.

energie geotermală

Din cele mai vechi timpuri, oamenii au știut despre manifestările spontane ale energiei gigantice care pândesc în intestinele globului. Memoria omenirii păstrează legende despre erupțiile vulcanice catastrofale care au adus milioane de vieți omenești, au schimbat de nerecunoscut aspectul multor locuri de pe Pământ. Puterea erupției chiar și a unui vulcan relativ mic este colosală, depășește de multe ori puterea celor mai mari centrale electrice create de mâinile omului. Adevărat, nu este nevoie să vorbim despre utilizarea directă a energiei erupțiilor vulcanice - până acum oamenii nu au posibilitatea de a reduce acest element recalcitrant și, din fericire, aceste erupții sunt evenimente destul de rare. Dar acestea sunt manifestări ale energiei care pândesc în măruntaiele pământului, când doar o mică parte din această energie inepuizabilă găsește o cale de ieșire prin gurile vulcanilor care suflă foc.

Un gheizer este un izvor termal care își erupe apa la înălțimi regulate sau neregulate, ca o fântână. Numele provine de la cuvântul islandez pentru „tours”. Apariția gheizerelor necesită un anumit mediu favorabil, care este creat doar în câteva locuri de pe pământ, ceea ce duce la prezența lor destul de rară. Aproape 50% dintre gheizere sunt situate în Parcul Național Yellowstone (SUA). Activitatea gheizerului se poate opri din cauza modificărilor intestinelor, a cutremurelor și a altor factori. Acțiunea unui gheizer este cauzată de contactul apei cu magma, după care apa se încălzește rapid și, sub influența energiei geotermale, este aruncată în sus cu forță. După erupție, apa din gheizer se răcește treptat, se scurge înapoi în magmă și din nou țâșnește. Frecvența erupțiilor diferitelor gheizere variază de la câteva minute la câteva ore. Nevoia de energie mare pentru a opera un gheizer este principalul motiv pentru raritatea lor. Zonele vulcanice pot avea izvoare termale, vulcani noroioși, fumarole, dar sunt foarte puține locuri unde se găsesc gheizere. Faptul este că, chiar dacă un gheizer s-a format la locul activității vulcanului, erupțiile ulterioare vor distruge suprafața pământului și vor schimba starea acestuia, ceea ce va duce la dispariția gheizerului.

Energia pământului (energia geotermală) se bazează pe utilizarea căldurii naturale a Pământului. Măruntaiele Pământului sunt pline de o sursă de energie colosală, aproape inepuizabilă. Radiația anuală de căldură internă pe planeta noastră este de 2,8 * 1014 miliarde kWh. Este compensată constant de dezintegrarea radioactivă a unor izotopi din scoarța terestră.

Sursele de energie geotermală pot fi de două tipuri. Primul tip este bazinele subterane cu purtători de căldură naturali - apă caldă (izvoare hidrotermale), sau abur (izvoare termale cu abur) sau un amestec de abur-apă. În esență, acestea sunt „cazane subterane” gata de utilizare direct de unde se poate extrage apa sau aburul folosind foraje obișnuite. Al doilea tip este căldura rocilor fierbinți. Pompând apă în astfel de orizonturi, se poate obține și abur sau apă supraîncălzită pentru utilizare ulterioară în scopuri energetice.

Dar în ambele cazuri de utilizare, principalul dezavantaj este, poate, o concentrație foarte scăzută de energie geotermală. Cu toate acestea, în locurile de formare a anomaliilor geotermale deosebite, unde izvoarele termale sau rocile se apropie relativ de suprafață și unde temperatura crește cu 30-40 ° C la fiecare 100 m, concentrațiile de energie geotermală pot crea condiții pentru utilizarea sa economică. În funcție de temperatura apei, aburului sau a amestecului abur-apă, sursele geotermale se împart în temperatură joasă și medie (cu temperaturi de până la 130 - 150 ° C) și temperatură ridicată (peste 150 °). Natura utilizării lor depinde în mare măsură de temperatură.

Se poate argumenta că energia geotermală are patru caracteristici benefice.

În primul rând, rezervele sale sunt practic inepuizabile. Conform estimărilor de la sfârșitul anilor 70, până la o adâncime de 10 km, acestea se ridică la o valoare de 3,5 mii de ori mai mare decât rezervele de tipuri tradiționale de combustibil mineral.

În al doilea rând, energia geotermală este destul de răspândită. Concentrația sa este asociată în principal cu centuri de activitate seismică și vulcanică activă, care ocupă 1/10 din suprafața Pământului. În cadrul acestor centuri se pot distinge unele dintre cele mai promițătoare „regiuni geotermale”, exemple dintre care sunt California din SUA, Noua Zeelandă, Japonia, Islanda, Kamchatka și Caucazul de Nord din Rusia. Numai în fosta URSS, la începutul anilor 90, au fost deschise aproximativ 50 de bazine subterane cu apă caldă și abur.

În al treilea rând, utilizarea energiei geotermale nu necesită costuri mari, deoarece. în acest caz, vorbim despre deja „gata de utilizare”, surse de energie create chiar de natură.

În cele din urmă, în al patrulea rând, energia geotermală este complet inofensivă pentru mediu și nu poluează mediul.

Omul folosește de mult energia căldurii interne a Pământului (să ne amintim faimoasele băi romane), dar utilizarea sa comercială a început abia în anii 20 ai secolului nostru odată cu construirea primelor centrale geoelectrice în Italia și apoi in alte țări. Până la începutul anilor 1980, în lume funcționau aproximativ 20 de astfel de stații cu o capacitate totală de 1,5 milioane kW. Cea mai mare dintre ele este stația Geysers din SUA (500 mii kW).

Energia geotermală este folosită pentru a genera energie electrică, încălzirea locuințelor, sere etc. Aburul uscat, apa supraîncălzită sau orice purtător de căldură cu un punct de fierbere scăzut (amoniac, freon etc.) este folosit ca purtător de căldură.

Doctor în științe tehnice PE. Jur, domnule profesor,
Academician al Academiei Ruse de Științe Tehnologice, Moscova

În ultimele decenii, lumea a luat în considerare direcția de utilizare mai eficientă a energiei căldurii adânci a Pământului pentru a înlocui parțial gazul natural, petrolul și cărbunele. Acest lucru va deveni posibil nu numai în zonele cu parametri geotermici mari, ci și în orice zonă a globului atunci când se forează puțuri de injecție și producție și se creează sisteme de circulație între ele.

Interesul crescut pentru sursele alternative de energie în lume în ultimele decenii este cauzat de epuizarea rezervelor de combustibili de hidrocarburi și de necesitatea de a rezolva o serie de probleme de mediu. Factorii obiectivi (rezervele de combustibili fosili și uraniu, precum și schimbările de mediu cauzate de focul tradițional și energia nucleară) ne permit să afirmăm că trecerea la noi metode și forme de producere a energiei este inevitabilă.

Economia mondială se îndreaptă în prezent către tranziția către o combinație rațională de surse de energie tradiționale și noi. Căldura Pământului ocupă unul dintre primele locuri printre ele.

Resursele de energie geotermală sunt împărțite în hidrogeologice și petrogeotermale. Primii dintre ei sunt reprezentați de purtători de căldură (cuprinzând doar 1% din totalul resurselor de energie geotermală) - apă subterană, abur și amestecuri abur-apă. Al doilea sunt energia geotermală conținută în rocile fierbinți.

Tehnologia fântânii (self-spill) folosită în țara noastră și în străinătate pentru extracția aburului natural și a apelor geotermale este simplă, dar ineficientă. Cu un debit scăzut al puțurilor cu curgere autonomă, producția lor de căldură poate recupera costul forajului numai la o adâncime mică a rezervoarelor geotermale cu temperaturi ridicate în zonele cu anomalii termice. Durata de viață a unor astfel de puțuri în multe țări nu ajunge nici la 10 ani.

În același timp, experiența confirmă că în prezența colectoarelor superficiale de abur natural, construcția unei centrale geotermale este cea mai profitabilă opțiune de utilizare a energiei geotermale. Funcționarea unor astfel de geoTPP-uri și-a demonstrat competitivitatea în comparație cu alte tipuri de centrale electrice. Prin urmare, utilizarea rezervelor de ape geotermale și hidroterme cu abur în țara noastră în Peninsula Kamchatka și pe insulele lanțului Kuril, în regiunile Caucazului de Nord și, de asemenea, eventual în alte zone, este oportună și oportună. Dar depozitele de abur sunt o raritate, rezervele sale cunoscute și prezise sunt mici. Depozitele mult mai frecvente de căldură și apă electrică nu sunt întotdeauna situate suficient de aproape de consumator - obiectul de alimentare cu căldură. Acest lucru exclude posibilitatea utilizării lor la scară largă.

Adesea, problemele de combatere a scalarii se transformă într-o problemă complexă. Utilizarea, de regulă, a surselor mineralizate geotermale ca purtător de căldură duce la creșterea excesivă a zonelor de foraj cu formațiuni de oxid de fier, carbonat de calciu și silicați. În plus, problemele de eroziune-coroziune și detartrare afectează negativ funcționarea echipamentului. Problema, de asemenea, este deversarea apelor mineralizate și uzate care conțin impurități toxice. Prin urmare, cea mai simplă tehnologie a fântânilor nu poate servi drept bază pentru dezvoltarea pe scară largă a resurselor geotermale.

Conform estimărilor preliminare de pe teritoriul Federației Ruse, rezervele prevăzute de ape termale cu o temperatură de 40-250 °C, salinitate de 35-200 g/l și o adâncime de până la 3000 m sunt de 21-22 milioane m3. /zi, ceea ce echivalează cu arderea a 30-40 de milioane de tone de .t. in an.

Rezervele prognozate ale amestecului de abur-aer cu o temperatură de 150-250 °C în Peninsula Kamchatka și Insulele Kurile sunt de 500 mii m3/zi. si rezerve de ape termale cu temperatura de 40-100°C - 150 mii m3/zi.

Rezervele de ape termale cu un debit de circa 8 milioane m3/zi, cu o salinitate de până la 10 g/l și o temperatură peste 50 °C sunt considerate prioritare pentru dezvoltare.

Mult mai importantă pentru energia viitorului este extragerea energiei termice, resurse petrogeotermale practic inepuizabile. Această energie geotermală, închisă în roci fierbinți solide, reprezintă 99% din resursele totale de energie termică subterană. La o adâncime de până la 4-6 km, masivele cu o temperatură de 300-400 °C pot fi găsite doar în apropierea camerelor intermediare ale unor vulcani, dar rocile fierbinți cu temperatura de 100-150 °C sunt distribuite aproape peste tot la aceste adâncimi și cu o temperatură de 180-200 °C într-o parte destul de semnificativă a teritoriului Rusiei.

De miliarde de ani, procesele nucleare, gravitaționale și de altă natură din interiorul Pământului au generat și continuă să genereze energie termică. O parte din ea este radiată în spațiul cosmic, iar căldura se acumulează în adâncuri, de exemplu. conținutul de căldură al fazelor solide, lichide și gazoase ale materiei terestre se numește energie geotermală.

Generarea continuă de căldură intraterestră compensează pierderile sale externe, servește ca sursă de acumulare a energiei geotermale și determină partea regenerabilă a resurselor sale. Eliminarea totală a căldurii din interior către suprafața pământului este de trei ori mai mare decât capacitatea actuală a centralelor electrice din lume și este estimată la 30 TW.

Cu toate acestea, este clar că regenerabilitatea contează doar pentru resursele naturale limitate, iar potențialul total al energiei geotermale este practic inepuizabil, deoarece ar trebui definit ca cantitatea totală de căldură disponibilă pentru Pământ.

Nu este o coincidență că, în ultimele decenii, lumea a luat în considerare direcția de utilizare mai eficientă a energiei căldurii adânci a Pământului pentru a înlocui parțial gazul natural, petrolul și cărbunele. Acest lucru va deveni posibil nu numai în zonele cu parametri geotermici mari, ci și în orice zonă a globului atunci când se forează puțuri de injecție și producție și se creează sisteme de circulație între ele.

Desigur, cu conductivitate termică scăzută a rocilor, pentru funcționarea eficientă a sistemelor de circulație, este necesar să existe sau să creeze o suprafață de schimb de căldură suficient de dezvoltată în zona de extracție a căldurii. O astfel de suprafață se găsește adesea în formațiuni poroase și zone de rezistență naturală la rupere, care se găsesc adesea la adâncimile de mai sus, a căror permeabilitate face posibilă organizarea de filtrare forțată a lichidului de răcire cu extragerea eficientă a energiei rocii, precum și crearea artificială a unei suprafețe extinse de schimb de căldură în masive poroase slab permeabile prin fracturare hidraulică (vezi figura).

În prezent, fracturarea hidraulică este utilizată în industria petrolului și gazelor ca o modalitate de a crește permeabilitatea rezervorului pentru a îmbunătăți recuperarea petrolului în dezvoltarea câmpurilor petroliere. Tehnologia modernă face posibilă crearea unei fisuri înguste, dar lungi, sau a uneia scurte, dar late. Sunt cunoscute exemple de fracturi hidraulice cu fracturi de până la 2-3 km lungime.

Ideea internă de a extrage principalele resurse geotermale conținute în rocile solide a fost exprimată încă din 1914 de către K.E. Obrucev.

În 1963, primul GCC a fost creat la Paris pentru a extrage căldura din rocile poroase de formare pentru încălzire și aer condiționat în incinta complexului Broadcasting Chaos. În 1985, în Franța funcționau deja 64 de GCC cu o capacitate termică totală de 450 MW, cu o economie anuală de aproximativ 150.000 de tone de petrol. În același an, primul astfel de GCC a fost creat în URSS în valea Khankala, lângă orașul Grozny.

În 1977, în cadrul proiectului Laboratorului Național Los Alamos din SUA, au început testele unui GCC experimental cu fracturare hidraulică a unui masiv aproape impermeabil la situl Fenton Hill din statul New Mexico. Apa dulce rece injectată prin puț (injecție) a fost încălzită datorită schimbului de căldură cu o masă de rocă (185 OC) într-o fractură verticală cu suprafața de 8000 m2, formată prin fracturare hidraulică la o adâncime de 2,7 km. Într-o altă fântână (producție), traversând tot această fisură, apă supraîncălzită a ieșit la suprafață sub forma unui jet de abur. Când circula într-un circuit închis sub presiune, temperatura apei supraîncălzite la suprafață a ajuns la 160-180 °C, iar puterea termică a sistemului - 4-5 MW. Scurgerile de lichid de răcire în masivul înconjurător au reprezentat aproximativ 1% din debitul total. Concentrația de impurități mecanice și chimice (până la 0,2 g/l) a corespuns condițiilor apei proaspete de băut. Fractura hidraulică nu a necesitat fixare și a fost ținută deschisă de presiunea hidrostatică a fluidului. Convecția liberă care se dezvoltă în ea a asigurat participarea efectivă la schimbul de căldură pe aproape întreaga suprafață a aflorimentului masei de rocă fierbinte.

Extragerea energiei termice subterane din roci impermeabile la cald, pe baza metodelor de foraj inclinat si de fracturare hidraulica care sunt invatate si practicate de mult timp in industria petrolului si gazelor, nu a provocat activitate seismica sau alte efecte nocive asupra mediu inconjurator.

În 1983, oamenii de știință britanici au repetat experiența americană prin crearea unui GCC experimental cu fracturarea hidraulică a granitelor în Carnwell. Lucrări similare au fost efectuate în Germania, Suedia. Peste 224 de proiecte de încălzire geotermală au fost implementate în SUA. Se presupune, totuși, că resursele geotermale pot asigura cea mai mare parte a nevoilor viitoare de energie termică neelectrică ale SUA. În Japonia, capacitatea GeoTPP în 2000 a ajuns la aproximativ 50 GW.

În prezent, cercetarea și explorarea resurselor geotermale se desfășoară în 65 de țări. În lume, pe baza energiei geotermale, au fost create stații cu o capacitate totală de aproximativ 10 GW. Națiunile Unite sprijină activ dezvoltarea energiei geotermale.

Experiența acumulată în multe țări ale lumii în utilizarea lichidelor de răcire geotermale arată că în condiții favorabile aceștia sunt de 2-5 ori mai rentabili decât centralele termice și nucleare. Calculele arată că o sondă geotermală poate înlocui 158 de mii de tone de cărbune pe an.

Astfel, căldura Pământului este, poate, singura resursă majoră de energie regenerabilă, a cărei dezvoltare rațională promite reducerea costului energiei în comparație cu energia modernă a combustibilului. Cu un potential energetic la fel de inepuizabil, instalatiile solare si termonucleare vor fi, din pacate, mai scumpe decat cele existente cu combustibili.

În ciuda istoriei foarte îndelungate a dezvoltării căldurii Pământului, astăzi tehnologia geotermală nu a atins încă dezvoltarea sa ridicată. Dezvoltarea energiei termice a Pământului întâmpină mari dificultăți în construcția puțurilor adânci, care sunt un canal pentru aducerea lichidului de răcire la suprafață. Datorită temperaturii ridicate la fundul găurii (200-250 °C), uneltele tradiționale de tăiere a rocii nu sunt potrivite pentru lucrul în astfel de condiții, există cerințe speciale pentru selectarea țevilor de foraj și tubaj, șlamuri de ciment, tehnologie de foraj, carcasă și completare. de fântâni. Echipamentele de măsurare de uz casnic, fitingurile operaționale în serie și echipamentele sunt produse într-un design care permite temperaturi nu mai mari de 150-200 ° C. Forajul mecanic de adâncime tradițional al puțurilor este uneori întârziat cu ani de zile și necesită costuri financiare semnificative. În principalele active de producție, costul puțurilor este de la 70 la 90%. Această problemă poate și ar trebui rezolvată doar prin crearea unei tehnologii progresive pentru dezvoltarea majorității resurselor geotermale, adică. extragerea energiei din rocile fierbinți.

Grupul nostru de oameni de știință și specialiști ruși se ocupă de problema extragerii și utilizării energiei termice profunde inepuizabile și regenerabile a rocilor fierbinți ale Pământului de pe teritoriul Federației Ruse de mai bine de un an. Scopul lucrării este de a crea, pe baza tehnologiilor casnice, înalte, mijloace tehnice de pătrundere profundă în intestinele scoarței terestre. În prezent, au fost dezvoltate mai multe variante de instrumente de foraj (BS), care nu au analogi în practica mondială.

Funcționarea primei versiuni a BS este legată de tehnologia convențională actuală de forare a puțurilor. Viteza de forare a rocii dure (densitate medie 2500-3300 kg/m3) pana la 30 m/h, diametru gaura 200-500 mm. A doua variantă a BS realizează forarea puțurilor într-un mod autonom și automat. Lansarea se efectuează de pe o platformă specială de lansare și acceptare, de pe care este controlată mișcarea acesteia. O mie de metri de BS în roci dure vor putea trece în câteva ore. Diametrul puțului de la 500 la 1000 mm. Variantele BS reutilizabile au o mare rentabilitate și o valoare potențială uriașă. Introducerea BS în producție va deschide o nouă etapă în construcția puțurilor și va oferi acces la sursele inepuizabile de energie termică ale Pământului.

Pentru nevoile de alimentare cu căldură, adâncimea necesară a puțurilor în toată țara se situează în intervalul de până la 3-4,5 mii de metri și nu depășește 5-6 mii de metri.Temperatura transportorului de căldură pentru locuințe și furnizarea de căldură comunală nu să nu depășească 150 °C. Pentru instalațiile industriale, temperatura, de regulă, nu depășește 180-200 °C.

Scopul creării GCC este de a furniza căldură constantă, accesibilă și ieftină regiunilor îndepărtate, greu accesibile și nedezvoltate ale Federației Ruse. Durata de funcționare a GCS este de 25-30 de ani sau mai mult. Perioada de amortizare a stațiilor (ținând cont de cele mai noi tehnologii de foraj) este de 3-4 ani.

Crearea în Federația Rusă în următorii ani a capacităților adecvate pentru utilizarea energiei geotermale pentru nevoi neelectrice va înlocui aproximativ 600 de milioane de tone de combustibil echivalent. Economiile pot fi de până la 2 trilioane de ruble.

Până în 2030, devine posibil să se creeze capacități energetice care să înlocuiască energia de foc cu până la 30%, iar până în 2040 să se elimine aproape complet materiile prime organice ca combustibil din bilanțul energetic al Federației Ruse.

Literatură

1. Goncharov S.A. Termodinamica. Moscova: MGTUim. N.E. Bauman, 2002. 440 p.

2. Dyadkin Yu.D. etc.Fizica geotermală termică. Sankt Petersburg: Nauka, 1993. 255 p.

3. Baza de resurse minerale a complexului de combustibil și energie al Rusiei. Starea și prognoza / V.K. Branchhugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinenko şi alţii.Ed. V.Z. Garipova, E.A. Kozlovski. M. 2004. 548 p.

4. Novikov G. P. et al.Forarea puţurilor pentru ape termale. M.: Nedra, 1986. 229 p.

Căldura pământului. Posibile surse de căldură internă

Geotermie- știință care studiază câmpul termic al Pământului. Temperatura medie de suprafață a Pământului are o tendință generală de scădere. În urmă cu trei miliarde de ani, temperatura medie de pe suprafața Pământului era de 71 o, acum este de 17 o. Surse de căldură (termică ) Câmpurile Pământului sunt procese interne și externe. Căldura Pământului este cauzată de radiația solară și își are originea în intestinele planetei. Valorile influxului de căldură din ambele surse sunt extrem de diferite din punct de vedere cantitativ, iar rolurile lor în viața planetei sunt diferite. Încălzirea solară a Pământului reprezintă 99,5% din cantitatea totală de căldură primită de suprafața sa, iar încălzirea internă reprezintă 0,5%. În plus, afluxul de căldură internă este distribuit foarte neuniform pe Pământ și este concentrat în principal în locurile de manifestare a vulcanismului.

Sursa externă este radiația solară . Jumătate din energia solară este absorbită de suprafața, vegetația și stratul aproape de suprafață al scoarței terestre. Cealaltă jumătate se reflectă în spațiul lumii. Radiația solară menține temperatura suprafeței Pământului la o medie de aproximativ 0 0 C. Soarele încălzește stratul apropiat de suprafață al Pământului la o adâncime medie de 8 - 30 m, cu o adâncime medie de 25 m, efectul de căldura solară încetează și temperatura devine constantă (stratul neutru). Această adâncime este minimă în zonele cu climat maritim și maximă în regiunea Subpolară. Sub această limită există o centură de temperatură constantă corespunzătoare temperaturii medii anuale a zonei. Deci, de exemplu, la Moscova pe teritoriul agriculturii. academie. Timiryazev, la o adâncime de 20 m, temperatura a rămas invariabil egală cu 4,2 ° C din 1882. La Paris, la o adâncime de 28 m, un termometru a indicat în mod constant 11,83 ° C timp de mai bine de 100 de ani. Stratul cu un temperatura constantă este cea mai adâncă unde este perenă (eternul Îngheț. Sub centura de temperatură constantă se află zona geotermală, care este caracterizată de căldura generată de Pământ însuși.

Sursele interne sunt intestinele Pământului. Pământul radiază mai multă căldură în spațiu decât primește de la Soare. Sursele interne includ căldura reziduală din momentul în care planeta s-a topit, căldura reacțiilor termonucleare care au loc în intestinele Pământului, căldura comprimării gravitaționale a Pământului sub acțiunea gravitației, căldura reacțiilor chimice și procesele de cristalizare. , etc. (de exemplu, frecarea mareelor). Căldura din intestine vine în principal din zonele în mișcare. Creșterea temperaturii cu adâncimea este asociată cu existența surselor interne de căldură - dezintegrarea izotopilor radioactivi - U, Th, K, diferențierea gravitațională a materiei, frecarea mareelor, reacții chimice redox exoterme, metamorfism și tranziții de fază. Rata de creștere a temperaturii cu adâncimea este determinată de o serie de factori - conductivitatea termică, permeabilitatea rocilor, apropierea de camerele vulcanice etc.

Sub centura de temperaturi constante are loc o creștere a temperaturii, în medie 1 o la 33 m ( etapa geotermală) sau 3 o la fiecare 100 m ( gradient geotermal). Aceste valori sunt indicatori ai câmpului termic al Pământului. Este clar că aceste valori sunt medii și diferite ca magnitudine în diferite zone sau zone ale Pământului. Etapa geotermală este diferită în diferite puncte de pe Pământ. De exemplu, la Moscova - 38,4 m, în Leningrad 19,6, în Arhangelsk - 10. Deci, la forarea unui puț adânc în Peninsula Kola la o adâncime de 12 km, sa presupus o temperatură de 150 °, în realitate sa dovedit a fi să fie de aproximativ 220 de grade. La forarea puțurilor în nordul Caspicei la o adâncime de 3000 m, sa presupus că temperatura este de 150 de grade, dar s-a dovedit a fi de 108 de grade.

Trebuie remarcat faptul că caracteristicile climatice ale zonei și temperatura medie anuală nu afectează modificarea valorii treptei geotermale, motivele se află în următoarele:

1) în conductivitate termică diferită a rocilor care alcătuiesc o anumită zonă. Sub masura conductibilitatii termice se intelege cantitatea de caldura in calorii transferata in 1 secunda. Printr-o secțiune de 1 cm 2 cu un gradient de temperatură de 1 o C;

2) în radioactivitatea rocilor, cu cât conductivitatea termică și radioactivitatea sunt mai mari, cu atât treapta geotermală este mai mică;

3) în diferite condiții de apariție a rocilor și vârsta de apariție a acestora; observațiile au arătat că temperatura crește mai repede în straturile adunate în pliuri, acestea prezintă adesea încălcări (fisuri), prin care se facilitează accesul căldurii din adâncuri;

4) natura apelor subterane: apele subterane calde curg roci calde, cele reci reci;

5) îndepărtarea de ocean: lângă ocean datorită răcirii rocilor de către o masă de apă, treapta geotermală este mai mare, iar la contact este mai mică.

Cunoașterea valorii specifice a treptei geotermale este de mare importanță practică.

1. Acest lucru este important atunci când proiectați mine. În unele cazuri, va fi necesar să se ia măsuri de scădere artificială a temperaturii în lucrări de adâncime (temperatura - 50 ° C este limita pentru o persoană în aer uscat și 40 ° C în aer umed); în altele, se va putea lucra la adâncimi mari.

2. Evaluarea condițiilor de temperatură în timpul tunelurilor în zonele muntoase este de mare importanță.

3. Studiul condițiilor geotermale din interiorul Pământului face posibilă utilizarea aburului și a izvoarelor termale care apar pe suprafața Pământului. Căldura subterană este folosită, de exemplu, în Italia, Islanda; în Rusia, o centrală industrială experimentală a fost construită pe căldură naturală în Kamchatka.

Folosind date despre dimensiunea treptei geotermale, se pot face câteva ipoteze despre condițiile de temperatură ale zonelor adânci ale Pământului. Dacă luăm valoarea medie a treptei geotermale de 33 m și presupunem că creșterea temperaturii cu adâncimea are loc uniform, atunci la o adâncime de 100 km va fi o temperatură de 3000 ° C. Această temperatură depășește punctele de topire ale tuturor substanțe cunoscute pe Pământ, prin urmare, la această adâncime ar trebui să existe mase topite. Dar din cauza presiunii uriașe de 31.000 atm. Masele supraîncălzite nu au caracteristicile lichidelor, ci sunt înzestrate cu caracteristicile unui corp solid.

Odată cu adâncimea, treapta geotermală trebuie aparent să crească semnificativ. Dacă presupunem că pasul nu se schimbă cu adâncimea, atunci temperatura în centrul Pământului ar trebui să fie de aproximativ 200.000 de grade, iar conform calculelor, nu poate depăși 5000 - 10.000 de grade.

Această energie aparține surselor alternative. În zilele noastre, din ce în ce mai des se menționează posibilitățile de obținere a resurselor pe care ni le oferă planeta. Putem spune că trăim într-o eră a modei energiei regenerabile. Se creează o mulțime de soluții tehnice, planuri, teorii în acest domeniu.

Este adânc în măruntaiele pământului și are proprietăți de reînnoire, cu alte cuvinte este nesfârșit. Resursele clasice, conform oamenilor de știință, încep să se epuizeze, petrolul, cărbunele, gazul se vor epuiza.

Centrala geotermală Nesjavellir, Islanda

Prin urmare, se poate pregăti treptat să adopte noi metode alternative de producere a energiei. Sub scoarța terestră se află un nucleu puternic. Temperatura sa variază de la 3000 la 6000 de grade. Mișcarea plăcilor litosferice demonstrează puterea sa extraordinară. Se manifestă sub formă de stropire vulcanică a magmei. În adâncuri, are loc dezintegrarea radioactivă, provocând uneori astfel de dezastre naturale.

De obicei, magma încălzește suprafața fără a o depăși. Așa se obțin gheizere sau bazine calde de apă. În acest fel, procesele fizice pot fi folosite în scopurile potrivite pentru umanitate.

Tipuri de surse de energie geotermală

De obicei este împărțită în două tipuri: energie hidrotermală și energie petrotermală. Primul se formează din cauza surselor de căldură, iar al doilea tip este diferența de temperatură la suprafață și în adâncurile pământului. Pentru a spune cu propriile cuvinte, un izvor hidrotermal este alcătuit din abur și apă caldă, în timp ce un izvor petrotermal este ascuns adânc în subteran.

Harta potențialului de dezvoltare a energiei geotermale în lume

Pentru energia petrotermală, este necesar să forați două puțuri, să umpleți unul cu apă, după care va avea loc un proces de înălțare, care va ieși la suprafață. Există trei clase de zone geotermale:

• Geotermal - situat în apropierea plăcilor continentale. Gradient de temperatură peste 80C/km. De exemplu, comuna italiană Larderello. Există o centrală electrică
• Semitermic - temperatura 40 - 80 C/km. Acestea sunt acvifere naturale, formate din roci zdrobite. În unele locuri din Franța, clădirile sunt încălzite în acest fel.
• Normal - panta mai mica de 40 C/km. Reprezentarea unor astfel de zone este cea mai comună

Sunt o sursă excelentă de consum. Sunt în stâncă, la o anumită adâncime. Să aruncăm o privire mai atentă asupra clasificării:

• Epitermal - temperatura de la 50 la 90 s
• Mezotermic - 100 - 120 s
• Hipotermică - mai mult de 200 s

Aceste specii sunt compuse din diferite compoziții chimice. În funcție de ea, apa poate fi folosită în diverse scopuri. De exemplu, în producția de energie electrică, furnizarea de căldură (trasee termice), bază de materii prime.

Video: Energie geotermală

Procesul de alimentare cu căldură

Temperatura apei este de 50 -60 de grade, ceea ce este optim pentru încălzirea și alimentarea cu căldură a unei zone rezidențiale. Necesitatea sistemelor de încălzire depinde de locația geografică și de condițiile climatice. Și oamenii au nevoie în mod constant de nevoile de alimentare cu apă caldă. Pentru acest proces se construiesc GTS (stații termice geotermale).

Dacă pentru producția clasică de energie termică se folosește o boiler care consumă combustibil solid sau gazos, atunci în această producție se folosește o sursă de gheizere. Procesul tehnic este foarte simplu, aceleași comunicații, rute termice și echipamente. Este suficient să forați un puț, să îl curățați de gaze, apoi să îl trimiteți în camera cazanului cu pompe, unde se va menține programul de temperatură, iar apoi va intra în magistrala de încălzire.

Principala diferență este că nu este nevoie să folosiți un cazan cu combustibil. Acest lucru reduce semnificativ costul energiei termice. Iarna, abonații beneficiază de căldură și apă caldă, iar vara doar de apă caldă.

Generarea de energie electrică

Izvoarele termale, gheizerele sunt principalele componente în producerea energiei electrice. Pentru aceasta se folosesc mai multe scheme, se construiesc centrale electrice speciale. Dispozitiv GTS:

• Rezervor ACM
• Pompa
• Separator de gaze
• Separator de abur
• turbina generatoare
• Condensator
• pompa de rapel
• Rezervor - răcitor

După cum puteți vedea, elementul principal al circuitului este un convertor de abur. Acest lucru face posibilă obținerea de abur purificat, deoarece conține acizi care distrug echipamentele turbinei. Este posibil să se utilizeze o schemă mixtă în ciclul tehnologic, adică apa și aburul sunt implicate în proces. Lichidul trece prin întreaga etapă de purificare din gaze, precum și prin abur.

Circuit cu sursă binară

Componenta de lucru este un lichid cu un punct de fierbere scăzut. Apa termală este, de asemenea, implicată în producția de energie electrică și servește ca materie primă secundară.

Cu ajutorul lui, se formează abur sursă cu punct de fierbere scăzut. GTS cu un astfel de ciclu de lucru poate fi complet automatizat și nu necesită prezența personalului de întreținere. Stațiile mai puternice folosesc o schemă cu două circuite. Acest tip de centrala permite atingerea unei puteri de 10 MW. Structura dublu circuit:

• generator de aburi
• Turbină
• Condensator
• Ejector
• Pompe de alimentare
• Economizor
• Evaporator

Uz practic

Rezervele uriașe de surse sunt de multe ori mai mari decât consumul anual de energie. Dar doar o mică parte este folosită de omenire. Construcția stațiilor datează din 1916. În Italia, a fost creat primul GeoTPP cu o capacitate de 7,5 MW. Industria se dezvoltă activ în țări precum: SUA, Islanda, Japonia, Filipine, Italia.

Explorarea activă a site-urilor potențiale și metode mai convenabile de extracție sunt în curs de desfășurare. Capacitatea de producție crește de la an la an. Dacă luăm în considerare indicatorul economic, atunci costul unei astfel de industrii este egal cu centralele termice pe cărbune. Islanda acoperă aproape în întregime fondul comunal și de locuințe cu o sursă GT. 80% din locuinte folosesc apa calda din fantani pentru incalzire. Experții din SUA susțin că, cu o dezvoltare adecvată, GeoTPP-urile pot produce de 30 de ori mai mult decât consumul anual. Dacă vorbim despre potențial, atunci 39 de țări ale lumii se vor putea asigura pe deplin cu energie electrică dacă folosesc intestinele pământului la 100 la sută.