Pre Rusko sa energia zemského tepla môže stať stálym a spoľahlivým zdrojom poskytovania lacnej a cenovo dostupnej elektriny a tepla pomocou nových vysokých, ekologických technológií na jeho ťažbu a dodávku spotrebiteľovi. To platí najmä v súčasnosti

Obmedzené zdroje fosílnych energetických surovín

Dopyt po organických energetických surovinách je veľký v priemyselných a rozvojových krajinách (USA, Japonsko, štáty zjednotenej Európy, Čína, India atď.). Zároveň sú ich vlastné zdroje uhľovodíkov v týchto krajinách buď nedostatočné, alebo rezervované a krajina, akou sú Spojené štáty americké, nakupuje energetické suroviny v zahraničí alebo rozvíja ložiská v iných krajinách.

V Rusku, jednej z energeticky najbohatších krajín, sú ekonomické potreby energie stále uspokojované možnosťami využívania prírodných zdrojov. Ťažba fosílnych uhľovodíkov z podložia však prebieha veľmi rýchlym tempom. Ak v rokoch 1940-1960. Hlavnými regiónmi produkujúcimi ropu boli „Druhé Baku“ na Volge a Cis-Urale, potom od 70. rokov 20. storočia až do súčasnosti je takou oblasťou Západná Sibír. Ale aj tu dochádza k výraznému poklesu produkcie fosílnych uhľovodíkov. Éra „suchého“ cenomanského plynu sa končí. Doterajšia etapa extenzívneho rozvoja ťažby zemného plynu sa skončila. Jeho ťažba z takých obrovských ložísk ako Medvezhye, Urengoyskoye a Yamburgskoye predstavovala 84, 65 a 50%. Postupom času klesá aj podiel zásob ropy priaznivých pre rozvoj.

V dôsledku aktívnej spotreby uhľovodíkových palív sa výrazne znížili zásoby ropy a zemného plynu na pevnine. Teraz sú ich hlavné zásoby sústredené na kontinentálnom šelfe. A hoci je surovinová základňa ropného a plynárenského priemyslu stále dostatočná na ťažbu ropy a plynu v Rusku v požadovaných objemoch, v blízkej budúcnosti bude vo zvýšenej miere zabezpečovaná rozvojom polí so zložitou ťažbou resp. geologické pomery. Zároveň budú rásť náklady na výrobu uhľovodíkov.

Väčšina neobnoviteľných zdrojov vyťažených z podložia sa využíva ako palivo pre elektrárne. V prvom rade ide o podiel, ktorý v štruktúre paliva predstavuje 64 %.

V Rusku sa 70 % elektriny vyrába v tepelných elektrárňach. Energetické podniky v krajine ročne spália asi 500 miliónov ton c.e. ton za účelom výroby elektriny a tepla, pričom pri výrobe tepla sa spotrebuje 3-4-krát viac uhľovodíkového paliva ako pri výrobe elektriny.

Množstvo tepla získaného spaľovaním týchto objemov uhľovodíkových surovín sa rovná použitiu stoviek ton jadrového paliva – rozdiel je obrovský. Jadrová energetika si však vyžaduje zaistenie environmentálnej bezpečnosti (aby sa predišlo opakovaniu Černobyľu) a jej ochrana pred možnými teroristickými útokmi, ako aj bezpečné a nákladné vyraďovanie zastaraných a opotrebovaných jadrových blokov z prevádzky. Preukázané vyťažiteľné zásoby uránu vo svete sú asi 3 milióny 400 tisíc ton.Za celé predchádzajúce obdobie (do roku 2007) sa vyťažili asi 2 milióny ton.

OZE ako budúcnosť globálnej energetiky

Zvýšený záujem vo svete v posledných desaťročiach o alternatívne obnoviteľné zdroje energie (OZE) je spôsobený nielen vyčerpávaním zásob uhľovodíkových palív, ale aj potrebou riešenia environmentálnych problémov. Objektívne faktory (zásoby fosílnych palív a uránu, ako aj zmeny životného prostredia spojené s využívaním tradičnej požiarnej a jadrovej energie) a trendy rozvoja energetiky naznačujú, že prechod na nové metódy a formy výroby energie je nevyhnutný. Už v prvej polovici XXI storočia. dôjde k úplnému alebo takmer úplnému prechodu na netradičné zdroje energie.

Čím skôr sa v tomto smere podarí prelomiť, tým to bude menej bolestné pre celú spoločnosť a o to prospešnejšie pre krajinu, kde sa v tomto smere urobia rozhodné kroky.

Svetová ekonomika už nastavila kurz prechodu na racionálnu kombináciu tradičných a nových zdrojov energie. Spotreba energie vo svete do roku 2000 predstavovala viac ako 18 miliárd ton ekvivalentu paliva. ton a spotreba energie sa do roku 2025 môže zvýšiť na 30 – 38 miliárd ton ekvivalentu paliva. ton, podľa prognózovaných údajov je do roku 2050 možná spotreba na úrovni 60 miliárd ton ekvivalentu paliva. t Charakteristickým trendom vo vývoji svetovej ekonomiky v sledovanom období je systematický pokles spotreby fosílnych palív a tomu zodpovedajúci nárast využívania netradičných energetických zdrojov. Tepelná energia Zeme medzi nimi zaujíma jedno z prvých miest.

Aktuálne Ministerstvo energetiky Ruskej federácie prijalo program rozvoja netradičnej energetiky vrátane 30 veľkých projektov využitia jednotiek tepelných čerpadiel (HPU), ktorých princíp fungovania je založený na spotrebe nízkopotenciálna tepelná energia Zeme.

Nízkopotenciálna energia zemského tepla a tepelných čerpadiel

Zdrojmi nízkopotenciálnej energie zemského tepla sú slnečné žiarenie a tepelné žiarenie prehriatych útrob našej planéty. V súčasnosti je využívanie takejto energie jednou z najdynamickejšie sa rozvíjajúcich oblastí energetiky založenej na obnoviteľných zdrojoch energie.

Teplo Zeme je možné využiť v rôznych typoch budov a stavieb na vykurovanie, zásobovanie teplou vodou, klimatizáciu (chladenie), ako aj na vykurovanie tratí v zimnom období, zamedzenie námrazy, vyhrievanie ihrísk na otvorených štadiónoch a pod. V anglickej odbornej literatúre sa systémy využívajúce zemské teplo vo vykurovacích a klimatizačných systémoch označujú ako GHP – „geothermal heat pumps“ (geotermálne tepelné čerpadlá). Klimatické charakteristiky krajín strednej a severnej Európy, ktoré sú spolu so Spojenými štátmi a Kanadou hlavnými oblasťami využitia nízkokvalitného tepla Zeme, to určujú najmä na vykurovacie účely; chladenie vzduchu, dokonca aj v lete, je potrebné pomerne zriedkavo. Tepelné čerpadlá v európskych krajinách preto na rozdiel od USA pracujú prevažne vo vykurovacom režime. V USA sa častejšie používajú v systémoch ohrevu vzduchu v kombinácii s ventiláciou, ktorá umožňuje ohrev aj chladenie vonkajšieho vzduchu. V európskych krajinách sa tepelné čerpadlá zvyčajne používajú v systémoch ohrevu vody. Keďže ich účinnosť stúpa so znižovaním teplotného rozdielu medzi výparníkom a kondenzátorom, na vykurovanie budov sa často používajú podlahové vykurovacie systémy, v ktorých cirkuluje chladivo s relatívne nízkou teplotou (35–40 °C).

Typy systémov na využitie nízkopotenciálnej energie zemského tepla

Vo všeobecnosti možno rozlíšiť dva typy systémov na využitie nízkopotenciálnej energie zemského tepla:

- otvorené systémy: ako zdroj nekvalitnej tepelnej energie sa využíva podzemná voda, ktorá je dodávaná priamo do tepelných čerpadiel;

- uzavreté systémy: výmenníky tepla sú umiestnené v pôdnom masíve; keď cez ne cirkuluje chladivo s teplotou nižšou ako zem, tepelná energia sa „odoberá“ zo zeme a prenáša sa do výparníka tepelného čerpadla (alebo pri použití chladiva s vyššou teplotou voči zemi sa ochladzuje ).

Nevýhody otvorených systémov spočívajú v tom, že studne vyžadujú údržbu. Navyše použitie takýchto systémov nie je možné vo všetkých oblastiach. Hlavné požiadavky na pôdu a podzemnú vodu sú nasledovné:

- dostatočná vodná priepustnosť pôdy umožňujúca doplnenie zásob vody;

– dobrá chémia podzemnej vody (napr. nízky obsah železa), aby sa predišlo problémom s vodným kameňom v potrubí a koróziou.

Uzavreté systémy na využitie nízkopotenciálnej energie zemského tepla

Uzavreté systémy sú horizontálne a vertikálne (obrázok 1).

Ryža. 1. Schéma inštalácie geotermálneho tepelného čerpadla s: a - horizontálnou

a b - vertikálne zemné výmenníky tepla.

Horizontálny zemný výmenník tepla

V krajinách západnej a strednej Európy sú horizontálne zemné výmenníky obyčajne samostatné potrubia uložené pomerne tesne a navzájom spojené sériovo alebo paralelne (obr. 2).

Ryža. 2. Horizontálne zemné výmenníky tepla s: a - sekvenčnými a

b - paralelné pripojenie.

Aby sa ušetrila oblasť miesta, kde sa teplo odvádza, boli vyvinuté vylepšené typy výmenníkov tepla, napríklad výmenníky tepla vo forme špirály (obr. 3), umiestnené horizontálne alebo vertikálne. Táto forma výmenníkov tepla je bežná v USA.

Od pradávna ľudia vedeli o spontánnych prejavoch gigantickej energie číhajúcej v útrobách zemegule. V pamäti ľudstva sa uchovávajú legendy o katastrofických sopečných erupciách, ktoré si vyžiadali milióny ľudských životov, na nepoznanie zmenili vzhľad mnohých miest na Zemi. Sila erupcie aj relatívne malej sopky je kolosálna, mnohonásobne prevyšuje silu najväčších elektrární vytvorených ľudskou rukou. Je pravda, že nie je potrebné hovoriť o priamom využití energie sopečných erupcií: ľudia zatiaľ nemajú príležitosť obmedziť tento nepoddajný prvok a našťastie sú tieto erupcie pomerne zriedkavé. Ale to sú prejavy energie číhajúcej v útrobách zeme, keď len nepatrný zlomok tejto nevyčerpateľnej energie nájde cestu von cez oheň dýchajúci prieduchy sopiek.

Malá európska krajina Island (v doslovnom preklade „krajina ľadu“) je plne sebestačná v paradajkách, jablkách a dokonca aj v banánoch! Početné islandské skleníky sú poháňané teplom zeme, iné lokálne zdroje energie na Islande prakticky neexistujú. Ale táto krajina je veľmi bohatá horúce pramene a známe gejzíry - fontány horúcej vody, s presnosťou chronometra unikajúceho zo zeme. A hoci Islanďania nemajú prednosť vo využívaní tepla z podzemných zdrojov (dokonca aj starí Rimania prinášali vodu spod zeme do známych kúpeľov – kúpeľov Caracalla), obyvatelia tejto malej severskej krajiny prevádzkovať podzemnú kotolňu veľmi intenzívne. Hlavné mesto Reykjavík, kde žije polovica obyvateľov krajiny, je vykurované iba podzemnými zdrojmi. Reykjavík je ideálnym východiskovým bodom pre objavovanie Islandu: odtiaľto sa môžete vydať na najzaujímavejšie a najrozmanitejšie výlety do ktoréhokoľvek kúta tejto jedinečnej krajiny: gejzíry, sopky, vodopády, ryolitové hory, fjordy... Všade v Reykjavíku sa budete cítiť ČISTO ENERGIA - tepelná energia gejzírov tryskajúcich z podzemia, energia čistoty a priestoru ideálne zeleného mesta, energia reykjavíckej zábavy a zápalného nočného života po celý rok.

Ale nielen na vykurovanie ľudia čerpajú energiu z hlbín zeme. Elektrárne využívajúce horúce podzemné pramene fungujú už dlho. Prvú takúto elektráreň, stále s veľmi nízkou spotrebou, postavili v roku 1904 v malom talianskom meste Larderello, pomenovanom po francúzskom inžinierovi Larderellim, ktorý už v roku 1827 vypracoval projekt na využitie mnohých horúcich prameňov v tejto oblasti. Postupne rástla kapacita elektrárne, do prevádzky prichádzalo stále viac nových blokov, využívali sa nové zdroje teplej vody a dnes už výkon stanice dosiahol impozantnú hodnotu – 360-tisíc kilowattov. Na Novom Zélande je takáto elektráreň v regióne Wairakei, jej kapacita je 160 000 kilowattov. Geotermálna elektráreň s kapacitou 500 000 kilowattov vyrába elektrinu 120 km od San Francisca v Spojených štátoch.

geotermálnej energie

Od pradávna ľudia vedeli o spontánnych prejavoch gigantickej energie číhajúcej v útrobách zemegule. V pamäti ľudstva sa uchovávajú legendy o katastrofických sopečných erupciách, ktoré si vyžiadali milióny ľudských životov, na nepoznanie zmenili vzhľad mnohých miest na Zemi. Sila erupcie aj relatívne malej sopky je kolosálna, mnohonásobne prevyšuje silu najväčších elektrární vytvorených ľudskou rukou. Je pravda, že nie je potrebné hovoriť o priamom využití energie sopečných erupcií - zatiaľ ľudia nemajú možnosť obmedziť tento nepoddajný prvok a tieto erupcie sú, našťastie, pomerne zriedkavé. Ale to sú prejavy energie číhajúcej v útrobách zeme, keď len nepatrný zlomok tejto nevyčerpateľnej energie nájde cestu von cez oheň dýchajúci prieduchy sopiek.

Gejzír je horúci prameň, z ktorého vyviera voda v pravidelných alebo nepravidelných výškach ako fontána. Názov pochádza z islandského slova pre „leje“. Vzhľad gejzírov si vyžaduje určité priaznivé prostredie, ktoré sa vytvára len na niekoľkých miestach na zemi, čo vedie k ich pomerne vzácnej prítomnosti. Takmer 50% gejzírov sa nachádza v Yellowstonskom národnom parku (USA). Činnosť gejzíru sa môže zastaviť v dôsledku zmien v črevách, zemetrasení a iných faktorov. Pôsobenie gejzíru je spôsobené kontaktom vody s magmou, po ktorom sa voda rýchlo zohreje a pod vplyvom geotermálnej energie je silou vyvrhnutá nahor. Po erupcii sa voda v gejzíre postupne ochladzuje, presakuje späť do magmy a opäť tryská. Frekvencia erupcií rôznych gejzírov sa pohybuje od niekoľkých minút až po niekoľko hodín. Potreba vysokej energie na prevádzku gejzíru je hlavným dôvodom ich vzácnosti. Sopečné oblasti môžu mať horúce pramene, bahenné sopky, fumaroly, ale je len veľmi málo miest, kde sa nachádzajú gejzíry. Faktom je, že aj keď sa na mieste sopečnej činnosti vytvoril gejzír, následné erupcie zničia povrch zeme a zmenia jej stav, čo povedie k zmiznutiu gejzíru.

Energia zeme (geotermálna energia) je založená na využití prirodzeného tepla Zeme. Útroby Zeme sú plné obrovského, takmer nevyčerpateľného zdroja energie. Ročné vyžarovanie vnútorného tepla na našej planéte je 2,8 * 1014 miliárd kWh. Neustále je kompenzovaný rádioaktívnym rozpadom niektorých izotopov v zemskej kôre.

Zdroje geotermálnej energie môžu byť dvoch typov. Prvým typom sú podzemné bazény prírodných nosičov tepla – horúcovodné (hydrotermálne pramene), alebo parné (parné termálne pramene), prípadne zmes pary a vody. V podstate ide o priamo na použitie pripravené „podzemné kotly“, odkiaľ je možné pomocou bežných vrtov odoberať vodu alebo paru. Druhým typom je teplo horúcich hornín. Čerpaním vody do takýchto horizontov možno získať aj paru alebo prehriatu vodu na ďalšie využitie na energetické účely.

Ale v oboch prípadoch použitia je hlavnou nevýhodou možno veľmi nízka koncentrácia geotermálnej energie. Avšak v miestach vzniku zvláštnych geotermálnych anomálií, kde sa horúce pramene alebo horniny približujú relatívne blízko k povrchu a kde teplota stúpa o 30-40 °C na každých 100 m, môžu koncentrácie geotermálnej energie vytvárať podmienky na jej ekonomické využitie. V závislosti od teploty vody, pary alebo zmesi pary a vody sa geotermálne zdroje delia na nízko a stredne teplotné (s teplotami do 130 - 150 °C) a vysokoteplotné (nad 150 °C). Povaha ich použitia do značnej miery závisí od teploty.

Dá sa tvrdiť, že geotermálna energia má štyri prospešné vlastnosti.

Po prvé, jeho zásoby sú prakticky nevyčerpateľné. Podľa odhadov z konca 70. rokov dosahujú až do hĺbky 10 km hodnotu, ktorá je 3,5 tisíckrát väčšia ako zásoby tradičných druhov nerastných palív.

Po druhé, geotermálna energia je pomerne rozšírená. Jeho koncentrácia je spojená najmä s pásmi aktívnej seizmickej a sopečnej činnosti, ktoré zaberajú 1/10 rozlohy Zeme. V rámci týchto pásov možno rozlíšiť niektoré z najsľubnejších „geotermálnych oblastí“, ktorých príkladmi sú Kalifornia v USA, Nový Zéland, Japonsko, Island, Kamčatka a Severný Kaukaz v Rusku. Len v bývalom ZSSR bolo začiatkom 90. rokov otvorených asi 50 podzemných bazénov horúcej vody a pary.

Po tretie, využívanie geotermálnej energie si nevyžaduje vysoké náklady, pretože. v tomto prípade hovoríme o už „pripravených na použitie“, zdrojoch energie vytvorených samotnou prírodou.

Napokon, po štvrté, geotermálna energia je úplne neškodná pre životné prostredie a neznečisťuje životné prostredie.

Človek oddávna využíva energiu vnútorného tepla Zeme (pripomeňme si slávne rímske kúpele), no komerčné využitie začalo až v 20. rokoch nášho storočia vybudovaním prvých geoelektrární v Taliansku a vtedy v iných krajinách. Začiatkom 80. rokov 20. storočia vo svete fungovalo asi 20 takýchto staníc s celkovým výkonom 1,5 milióna kW. Najväčšou z nich je stanica Geysers v USA (500 tis. kW).

Geotermálna energia sa využíva na výrobu elektriny, vykurovanie domov, skleníkov atď. Ako nosič tepla sa používa suchá para, prehriata voda alebo akýkoľvek nosič tepla s nízkou teplotou varu (amoniak, freón atď.).

Doktor technických vied NA. Prisahám, profesor,
Akademik Ruskej akadémie technologických vied v Moskve

Svet v posledných desaťročiach zvažuje smerovanie efektívnejšieho využívania energie hlbinného tepla Zeme s cieľom čiastočne nahradiť zemný plyn, ropu a uhlie. To bude možné nielen v oblastiach s vysokými geotermálnymi parametrami, ale aj v ktorejkoľvek oblasti sveta pri vŕtaní vstrekovacích a ťažobných vrtov a vytváraní cirkulačných systémov medzi nimi.

Zvýšený záujem o alternatívne zdroje energie vo svete v posledných desaťročiach je spôsobený vyčerpávaním zásob uhľovodíkových palív a potrebou riešiť množstvo environmentálnych problémov. Objektívne faktory (zásoby fosílnych palív a uránu, ako aj zmeny životného prostredia spôsobené tradičnými požiarmi a jadrovou energiou) nám umožňujú tvrdiť, že prechod na nové metódy a formy výroby energie je nevyhnutný.

Svetová ekonomika v súčasnosti smeruje k prechodu na racionálnu kombináciu tradičných a nových zdrojov energie. Teplo Zeme medzi nimi zaberá jedno z prvých miest.

Zdroje geotermálnej energie sa delia na hydrogeologické a petrogeotermálne. Prvým z nich sú tepelné nosiče (zahŕňajúce iba 1 % celkových zdrojov geotermálnej energie) – podzemná voda, para a zmesi pary a vody. Druhým je geotermálna energia obsiahnutá v horúcich horninách.

Technológia fontán (samovýsyp) používaná u nás aj v zahraničí na ťažbu prírodnej pary a geotermálnych vôd je jednoduchá, no neefektívna. Pri nízkom prietoku samoprietokových vrtov sa ich produkciou tepla môžu vrátiť náklady na vŕtanie len v malej hĺbke geotermálnych nádrží s vysokými teplotami v oblastiach tepelných anomálií. Životnosť takýchto studní v mnohých krajinách nedosahuje ani 10 rokov.

Skúsenosti zároveň potvrdzujú, že za prítomnosti plytkých kolektorov prírodnej pary je výstavba Geotermálnej elektrárne najvýhodnejšou možnosťou využitia geotermálnej energie. Prevádzka takýchto GeoTPP ukázala ich konkurencieschopnosť v porovnaní s inými typmi elektrární. Využitie zásob geotermálnych vôd a parných hydroterm u nás na Kamčatskom polostrove a na ostrovoch Kurilského reťazca, v regiónoch Severného Kaukazu a možno aj v iných oblastiach je preto účelné a aktuálne. Ložiská pary sú však vzácnosťou, jej známe a predpokladané zásoby sú malé. Oveľa bežnejšie ložiská tepelnej a silovej vody sa nie vždy nachádzajú dostatočne blízko odberateľa – objektu zásobovania teplom. To vylučuje možnosť veľkého rozsahu ich efektívneho využitia.

Problémy boja proti usadzovaniu sa často vyvinú do komplexného problému. Použitie geotermálnych, spravidla mineralizovaných zdrojov ako nosiča tepla vedie k zarastaniu zón vrtov formáciami oxidu železa, uhličitanu vápenatého a silikátov. Okrem toho problémy s eróziou-koróziou a tvorbou vodného kameňa nepriaznivo ovplyvňujú prevádzku zariadenia. Problémom je aj vypúšťanie mineralizovaných a odpadových vôd obsahujúcich toxické nečistoty. Preto najjednoduchšia technológia fontán nemôže slúžiť ako základ pre rozsiahly rozvoj geotermálnych zdrojov.

Podľa predbežných odhadov na území Ruskej federácie sú predpokladané zásoby termálnych vôd s teplotou 40-250 °C, slanosťou 35-200 g/l a hĺbkou do 3000 m 21-22 miliónov m3. /deň, čo zodpovedá spáleniu 30-40 miliónov ton .t. v roku.

Predpokladané zásoby parovzdušnej zmesi s teplotou 150-250 °C na Kamčatskom polostrove a Kurilských ostrovoch sú 500 tis. m3/deň. a zásoby termálnych vôd s teplotou 40-100°C - 150 tis.m3/deň.

Zásoby termálnych vôd s prietokom okolo 8 miliónov m3/deň, so slanosťou do 10 g/l a teplotou nad 50 °C sa považujú za prioritu rozvoja.

Oveľa väčší význam pre energetiku budúcnosti má získavanie tepelnej energie, prakticky nevyčerpateľných petrogeotermálnych zdrojov. Táto geotermálna energia, uzavretá v pevných horúcich horninách, predstavuje 99 % celkových zdrojov podzemnej tepelnej energie. V hĺbke do 4-6 km sa masívy s teplotou 300-400 °C nachádzajú len v blízkosti medzikomôr niektorých sopiek, ale horúce horniny s teplotou 100-150 °C sú rozmiestnené takmer všade pri. v týchto hĺbkach as teplotou 180-200 °C na pomerne významnej časti územia Ruska.

Po miliardy rokov jadrové, gravitačné a iné procesy vo vnútri Zeme generovali a naďalej generujú tepelnú energiu. Časť je vyžarovaná do kozmického priestoru a teplo sa akumuluje v hĺbkach, t.j. tepelný obsah tuhej, kvapalnej a plynnej fázy zemskej hmoty sa nazýva geotermálna energia.

Nepretržitá výroba vnútrozemského tepla kompenzuje jeho vonkajšie straty, slúži ako zdroj akumulácie geotermálnej energie a určuje obnoviteľnú časť jeho zdrojov. Celkový odvod tepla z vnútra na zemský povrch je trikrát vyšší ako súčasná kapacita elektrární vo svete a odhaduje sa na 30 TW.

Je však jasné, že obnoviteľnosť má význam len pre obmedzené prírodné zdroje a celkový potenciál geotermálnej energie je prakticky nevyčerpateľný, keďže by sa mal definovať ako celkové množstvo tepla, ktoré má Zem k dispozícii.

Nie je náhoda, že svet v posledných desaťročiach uvažuje o smerovaní efektívnejšieho využívania energie hlbinného tepla Zeme s cieľom čiastočne nahradiť zemný plyn, ropu, uhlie. To bude možné nielen v oblastiach s vysokými geotermálnymi parametrami, ale aj v ktorejkoľvek oblasti sveta pri vŕtaní vstrekovacích a ťažobných vrtov a vytváraní cirkulačných systémov medzi nimi.

Samozrejme, pri nízkej tepelnej vodivosti hornín je pre efektívne fungovanie obehových systémov potrebné mať alebo vytvoriť dostatočne vyvinutú teplovýmennú plochu v zóne odberu tepla. Takýto povrch sa často nachádza v poréznych formáciách a zónach prirodzenej odolnosti proti lomu, ktoré sa často nachádzajú vo vyššie uvedených hĺbkach, ktorých priepustnosť umožňuje organizovať nútenú filtráciu chladiva s účinnou extrakciou energie horniny, ako aj umelé vytvorenie rozsiahlej teplovýmennej plochy v nízkopriepustných poréznych masívoch hydraulickým štiepením (pozri obrázok).

V súčasnosti sa hydraulické štiepenie používa v ropnom a plynárenskom priemysle ako spôsob zvýšenia priepustnosti nádrží na zlepšenie ťažby ropy pri rozvoji ropných polí. Moderná technológia umožňuje vytvoriť úzku, ale dlhú trhlinu alebo krátku, ale širokú. Známe sú príklady hydraulických puklín s puklinami dlhými do 2-3 km.

Domácu myšlienku ťažby hlavných geotermálnych zdrojov obsiahnutých v pevných horninách vyjadril už v roku 1914 K.E. Obručev.

V roku 1963 bol v Paríži vytvorený prvý GCC na extrakciu tepla z poréznych formačných hornín na vykurovanie a klimatizáciu v priestoroch komplexu Broadcasting Chaos. V roku 1985 už vo Francúzsku fungovalo 64 GCC s celkovým tepelným výkonom 450 MW s ročnou úsporou približne 150 000 ton ropy. V tom istom roku vznikol prvý takýto GCC v ZSSR v údolí Khankala pri meste Groznyj.

V roku 1977 sa v rámci projektu Los Alamos National Laboratory v USA začali na lokalite Fenton Hill v štáte Nové Mexiko testy experimentálneho GCC s hydraulickým štiepením takmer nepriepustného masívu. Studená sladká voda injektovaná cez studňu (injektáž) bola ohrievaná v dôsledku výmeny tepla s horninovým masívom (185 OC) vo vertikálnom pukline s plochou 8000 m2, vytvorenom hydraulickým štiepením v hĺbke 2,7 km. V inom vrte (výrobnom), tiež križujúcom túto trhlinu, vystupovala na povrch prehriata voda vo forme prúdu pary. Pri cirkulácii v uzavretom okruhu pod tlakom dosahovala teplota prehriatej vody na povrchu 160-180 °C a tepelný výkon systému - 4-5 MW. Únik chladiva do okolitého masívu predstavoval asi 1 % z celkového prietoku. Koncentrácia mechanických a chemických nečistôt (do 0,2 g/l) zodpovedala podmienkam čerstvej pitnej vody. Hydraulický zlom si nevyžadoval fixáciu a bol udržiavaný otvorený hydrostatickým tlakom tekutiny. V ňom vznikajúca voľná konvekcia zabezpečovala efektívnu účasť na výmene tepla takmer celého povrchu odkryvu rozžeraveného horninového masívu.

Ťažba podzemnej tepelnej energie z horúcich nepriepustných hornín na základe metód šikmého vŕtania a hydraulického štiepenia, ktoré sú dlhodobo osvojené a praktizované v ropnom a plynárenskom priemysle, nespôsobila seizmickú aktivitu ani žiadne iné škodlivé účinky na životné prostredie.

V roku 1983 britskí vedci zopakovali americkú skúsenosť vytvorením experimentálneho GCC s hydraulickým štiepením žuly v Carnwelli. Podobné práce sa vykonali v Nemecku a Švédsku. V USA bolo realizovaných viac ako 224 projektov geotermálneho vykurovania. Predpokladá sa však, že geotermálne zdroje môžu zabezpečiť väčšinu budúcich neelektrických potrieb USA v oblasti tepelnej energie. V Japonsku dosiahla kapacita GeoTPP v roku 2000 približne 50 GW.

V súčasnosti sa výskum a prieskum geotermálnych zdrojov vykonáva v 65 krajinách. Vo svete na báze geotermálnej energie vznikli stanice s celkovou kapacitou cca 10 GW. Organizácia spojených národov aktívne podporuje rozvoj geotermálnej energie.

Skúsenosti nahromadené v mnohých krajinách sveta s používaním geotermálnych chladív ukazujú, že za priaznivých podmienok sú 2- až 5-krát ziskovejšie ako tepelné a jadrové elektrárne. Výpočty ukazujú, že jeden geotermálny vrt dokáže nahradiť 158-tisíc ton uhlia ročne.

Teplo Zeme je teda azda jediným významným obnoviteľným zdrojom energie, ktorého racionálny rozvoj sľubuje zníženie nákladov na energiu v porovnaní s energiou moderných palív. S rovnako nevyčerpateľným energetickým potenciálom budú solárne a termonukleárne zariadenia, žiaľ, drahšie ako existujúce palivové.

Napriek veľmi dlhej histórii vývoja zemského tepla dnes geotermálna technika ešte nedosiahla svoj vysoký rozvoj. Rozvoj tepelnej energie Zeme zažíva veľké ťažkosti pri výstavbe hlbokých vrtov, ktoré sú kanálom na privádzanie chladiva na povrch. Vzhľadom na vysokú teplotu na dne (200-250 °C) sú tradičné nástroje na rezanie hornín nevhodné na prácu v takýchto podmienkach, existujú špeciálne požiadavky na výber vrtných a pažnicových rúr, cementových kalov, technológie vŕtania, pažnice a kompletizácie studní. Domáce meracie zariadenia, sériové prevádzkové armatúry a zariadenia sa vyrábajú v prevedení, ktoré umožňuje teploty nie vyššie ako 150-200°C. Tradičné hĺbkové mechanické vŕtanie studní sa niekedy oneskoruje aj roky a vyžaduje značné finančné náklady. V hlavných výrobných aktívach sú náklady na studne od 70 do 90%. Tento problém môže a mal by byť vyriešený len vytvorením progresívnej technológie rozvoja hlavnej časti geotermálnych zdrojov, t.j. získavanie energie z horúcich hornín.

Naša skupina ruských vedcov a špecialistov sa na území Ruskej federácie už viac ako rok zaoberá problémom ťažby a využívania nevyčerpateľnej, obnoviteľnej hlbinnej tepelnej energie horúcich hornín Zeme. Účelom práce je vytvoriť na základe domácich špičkových technológií technické prostriedky na hlboké prenikanie do útrob zemskej kôry. V súčasnosti je vyvinutých niekoľko variantov vŕtacích nástrojov (BS), ktoré nemajú vo svetovej praxi obdobu.

Prevádzka prvej verzie BS je prepojená so súčasnou konvenčnou technológiou vŕtania studní. Rýchlosť vŕtania tvrdej horniny (priemerná hustota 2500-3300 kg/m3) do 30 m/h, priemer otvoru 200-500 mm. Druhý variant BS vykonáva vŕtanie studní v autonómnom a automatickom režime. Štart sa vykonáva zo špeciálnej štartovacej a akceptačnej platformy, z ktorej je riadený jeho pohyb. Tisíc metrov BS v tvrdých horninách zvládne prejsť za pár hodín. Priemer studne od 500 do 1000 mm. Opätovne použiteľné varianty BS majú veľkú nákladovú efektívnosť a obrovskú potenciálnu hodnotu. Zavedenie BS do výroby otvorí novú etapu vo výstavbe studní a poskytne prístup k nevyčerpateľným zdrojom tepelnej energie Zeme.

Pre potreby zásobovania teplom požadovaná hĺbka studní v celej krajine leží v rozmedzí do 3-4,5 tisíc metrov a nepresahuje 5-6 tisíc metrov.Teplota nosiča tepla pre bývanie a komunálne zásobovanie teplom áno. neprekročí 150 °C. V priemyselných zariadeniach teplota spravidla nepresahuje 180 - 200 ° C.

Účelom vytvorenia GCC je poskytovať stále, cenovo dostupné a lacné teplo vzdialeným, ťažko dostupným a nerozvinutým regiónom Ruskej federácie. Doba prevádzky GCS je 25-30 rokov alebo viac. Doba návratnosti staníc (s prihliadnutím na najnovšie technológie vŕtania) je 3-4 roky.

Vytvorenie vhodných kapacít na využitie geotermálnej energie pre neelektrické potreby v Ruskej federácii v najbližších rokoch umožní nahradiť približne 600 miliónov ton palivového ekvivalentu. Úspory môžu byť až 2 bilióny rubľov.

Do roku 2030 je možné vytvárať energetické kapacity na nahradenie požiarnej energie až o 30 % a do roku 2040 takmer úplne vylúčiť organické suroviny ako palivo z energetickej bilancie Ruskej federácie.

Literatúra

1. Gončarov S.A. Termodynamika. Moskva: MGTUim. N.E. Bauman, 2002. 440 s.

2. Dyadkin Yu.D. atď Geotermálna tepelná fyzika. Petrohrad: Nauka, 1993. 255 s.

3. Základňa nerastných surovín palivového a energetického komplexu Ruska. Stav a prognóza / V. K. Branchhugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinenko a ďalší, Ed. V.Z. Garipová, E.A. Kozlovský. M. 2004. 548 s.

4. Novikov G. P. a kol.Vŕtanie studní pre termálne vody. M.: Nedra, 1986. 229 s.

Teplo zeme. Možné zdroje vnútorného tepla

geotermia- veda, ktorá študuje tepelné pole Zeme. Priemerná povrchová teplota Zeme má všeobecnú tendenciu klesať. Pred tromi miliardami rokov bola priemerná teplota na povrchu Zeme 71 o, teraz je to 17 o. Zdroje tepla (tepelné ) Zemské polia sú vnútorné a vonkajšie procesy. Teplo Zeme je spôsobené slnečným žiarením a vzniká v útrobách planéty. Hodnoty tepelného toku z oboch zdrojov sú kvantitatívne extrémne odlišné a ich úlohy v živote planéty sú odlišné. Slnečné ohrievanie Zeme tvorí 99,5 % z celkového množstva tepla prijatého jej povrchom a vnútorné vykurovanie predstavuje 0,5 %. Navyše, prílev vnútorného tepla je na Zemi rozmiestnený veľmi nerovnomerne a sústreďuje sa najmä v miestach prejavu vulkanizmu.

Vonkajším zdrojom je slnečné žiarenie . Polovica slnečnej energie je absorbovaná povrchom, vegetáciou a privrchovou vrstvou zemskej kôry. Druhá polovica sa odráža do svetového priestoru. Slnečné žiarenie udržuje teplotu zemského povrchu v priemere okolo 0 0 C. Slnko ohrieva privrchovú vrstvu Zeme do priemernej hĺbky 8 - 30 m, pri priemernej hĺbke 25 m sa vplyvom slnečné teplo prestane a teplota sa stane konštantnou (neutrálna vrstva). Táto hĺbka je minimálna v oblastiach s prímorskou klímou a maximálna v subpolárnej oblasti. Pod touto hranicou sa nachádza pás konštantnej teploty zodpovedajúci priemernej ročnej teplote územia. Takže napríklad v Moskve na území poľnohospodárstva. akadémie. Timiryazev, v hĺbke 20 m, sa teplota od roku 1882 vždy rovná 4,2 ° C. V Paríži v hĺbke 28 m teplomer trvalo viac ako 100 rokov ukazoval 11,83 ° C. Vrstva s konštantná teplota je najhlbšia tam, kde je trvalka (večný mráz. Pod pásom konštantnej teploty sa nachádza geotermálna zóna, pre ktorú je charakteristické teplo generované samotnou Zemou.

Vnútorné zdroje sú útroby Zeme. Zem vyžaruje do vesmíru viac tepla, ako prijíma od Slnka. Vnútorné zdroje zahŕňajú zvyškové teplo z doby roztavenia planéty, teplo termonukleárnych reakcií prebiehajúcich v útrobách Zeme, teplo gravitačnej kompresie Zeme pôsobením gravitácie, teplo chemických reakcií a kryštalizačných procesov. atď. (napríklad slapové trenie). Teplo z čriev pochádza hlavne z pohyblivých zón. Nárast teploty s hĺbkou je spojený s existenciou vnútorných zdrojov tepla - rozpad rádioaktívnych izotopov - U, Th, K, gravitačná diferenciácia hmoty, slapové trenie, exotermické redoxné chemické reakcie, metamorfóza a fázové prechody. Rýchlosť zvyšovania teploty s hĺbkou je určená množstvom faktorov – tepelná vodivosť, priepustnosť hornín, blízkosť sopečných komôr atď.

Pod pásom stálych teplôt dochádza k zvýšeniu teploty v priemere o 1 o na 33 m ( geotermálny stupeň) alebo 3 o každých 100 m ( geotermálny gradient). Tieto hodnoty sú indikátormi tepelného poľa Zeme. Je zrejmé, že tieto hodnoty sú priemerné a líšia sa veľkosťou v rôznych oblastiach alebo zónach Zeme. Geotermálny stupeň je na rôznych miestach Zeme odlišný. Napríklad v Moskve - 38,4 m, v Leningrade 19,6, v Archangeľsku - 10. Takže pri vŕtaní hlbokej studne na polostrove Kola v hĺbke 12 km sa predpokladala teplota 150 °, v skutočnosti sa ukázalo, že byť okolo 220 stupňov. Pri vŕtaní studní v severnom Kaspickom mori v hĺbke 3000 m sa predpokladalo, že teplota bude 150 stupňov, ale ukázalo sa, že je to 108 stupňov.

Je potrebné poznamenať, že klimatické vlastnosti oblasti a priemerná ročná teplota neovplyvňujú zmenu hodnoty geotermálneho kroku, dôvody sú nasledovné:

1) v rozdielnej tepelnej vodivosti hornín, ktoré tvoria určitú oblasť. Pod meradlom tepelnej vodivosti sa rozumie množstvo tepla v kalóriách odovzdané za 1 sekundu. Cez úsek 1 cm 2 s teplotným spádom 1 o C;

2) v rádioaktivite hornín, čím väčšia je tepelná vodivosť a rádioaktivita, tým nižší je geotermálny krok;

3) v rôznych podmienkach výskytu hornín a veku ich výskytu; pozorovania ukázali, že teplota stúpa rýchlejšie vo vrstvách zhromaždených v záhyboch, často majú porušenia (trhliny), cez ktoré je uľahčený prístup tepla z hĺbky;

4) povaha podzemnej vody: horúca podzemná voda tečie teplými horninami, studená chladia;

5) vzdialenosť od oceánu: blízko oceánu v dôsledku ochladzovania hornín množstvom vody je geotermálny krok väčší a na kontakte je menší.

Poznanie konkrétnej hodnoty geotermálneho kroku má veľký praktický význam.

1. Toto je dôležité pri navrhovaní baní. V niektorých prípadoch bude potrebné prijať opatrenia na umelé zníženie teploty v hlbokých prácach (teplota - 50 ° C je limitom pre osobu v suchom vzduchu a 40 ° C vo vlhkom vzduchu); v iných bude možné pracovať vo veľkých hĺbkach.

2. Veľký význam má hodnotenie teplotných pomerov pri razení tunelov v horských oblastiach.

3. Štúdium geotermálnych pomerov vnútra Zeme umožňuje využívať paru a horúce pramene vyvierajúce na zemskom povrchu. Podzemné teplo využívajú napríklad v Taliansku, na Islande; v Rusku bola na Kamčatke postavená experimentálna priemyselná elektráreň na prírodné teplo.

Pomocou údajov o veľkosti geotermálneho kroku je možné urobiť určité predpoklady o teplotných podmienkach hlbokých zón Zeme. Ak vezmeme priemernú hodnotu geotermálneho kroku ako 33 m a predpokladáme, že nárast teploty s hĺbkou nastáva rovnomerne, potom v hĺbke 100 km bude teplota 3000 ° C. Táto teplota presahuje body topenia všetkých látky známe na Zemi, preto by v tejto hĺbke mali byť roztavené hmoty . Ale kvôli obrovskému tlaku 31 000 atm. Prehriate hmoty nemajú vlastnosti kvapalín, ale sú vybavené vlastnosťami pevného telesa.

S hĺbkou sa musí geotermálny krok zjavne výrazne zvýšiť. Ak predpokladáme, že krok sa nemení s hĺbkou, tak teplota v strede Zeme by mala byť okolo 200 000 stupňov a podľa výpočtov nemôže prekročiť 5000 - 10 000 stupňov.

Táto energia patrí medzi alternatívne zdroje. V súčasnosti sa čoraz častejšie spomínajú možnosti získavania zdrojov, ktoré nám planéta dáva. Dá sa povedať, že žijeme v ére módy obnoviteľnej energie. V tejto oblasti vzniká množstvo technických riešení, plánov, teórií.

Je hlboko v útrobách zeme a má vlastnosti obnovy, inými slovami, je nekonečná. Klasické zdroje podľa vedcov začínajú dochádzať, dôjde ropa, uhlie, plyn.

Geotermálna elektráreň Nesjavellir, Island

Preto sa možno postupne pripraviť na prijatie nových alternatívnych spôsobov výroby energie. Pod zemskou kôrou je silné jadro. Jeho teplota sa pohybuje od 3000 do 6000 stupňov. Pohyb litosférických dosiek demonštruje jeho obrovskú silu. Prejavuje sa vo forme sopečného šľahnutia magmy. V hĺbkach dochádza k rádioaktívnemu rozpadu, ktorý niekedy vedie k takýmto prírodným katastrofám.

Magma zvyčajne ohrieva povrch bez toho, aby ho prekročila. Takto sa získavajú gejzíry alebo teplé bazény s vodou. Týmto spôsobom môžu byť fyzikálne procesy použité na správne účely pre ľudstvo.

Druhy zdrojov geotermálnej energie

Zvyčajne sa delí na dva typy: hydrotermálnu a petrotermálnu energiu. Prvý sa tvorí v dôsledku teplých zdrojov a druhým typom je teplotný rozdiel na povrchu a v hlbinách zeme. Vlastnými slovami povedané, hydrotermálny prameň je tvorený parou a horúcou vodou, zatiaľ čo petrotermálny prameň je ukrytý hlboko pod zemou.

Mapa potenciálu rozvoja geotermálnej energie vo svete

Pre petrotermálnu energiu je potrebné vyvŕtať dve studne, jednu naplniť vodou, potom dôjde k prudkému stúpaniu, ktoré vypláva na povrch. Existujú tri triedy geotermálnych oblastí:

• Geotermálna - nachádza sa v blízkosti kontinentálnych dosiek. Teplotný gradient nad 80C/km. Ako príklad možno uviesť taliansku obec Larderello. Je tam elektráreň
• Polotepelná - teplota 40 - 80 C / km. Ide o prírodné vodonosné vrstvy pozostávajúce z drvených hornín. Na niektorých miestach vo Francúzsku sú budovy vykurované týmto spôsobom.
• Normálne - stúpanie menej ako 40 C/km. Zastúpenie takýchto oblastí je najčastejšie

Sú výborným zdrojom na konzumáciu. Sú v skale, v určitej hĺbke. Pozrime sa bližšie na klasifikáciu:

• Epitermálna - teplota od 50 do 90 s
• Mezotermálne - 100 - 120 s
• Hypotermálna - viac ako 200 s

Tieto druhy majú rôzne chemické zloženie. V závislosti od toho môže byť voda použitá na rôzne účely. Napríklad pri výrobe elektriny, zásobovaní teplom (tepelné trasy), surovinovej základni.

Video: Geotermálna energia

Proces dodávky tepla

Teplota vody je 50 - 60 stupňov, čo je optimálne na vykurovanie a zásobovanie teplou obytnou oblasťou. Potreba vykurovacích systémov závisí od geografickej polohy a klimatických podmienok. A ľudia neustále potrebujú dodávky teplej vody. Pre tento proces sa budujú GTS (geotermálne termálne stanice).

Ak sa na klasickú výrobu tepelnej energie využíva kotolňa na tuhé alebo plynné palivo, tak sa pri tejto výrobe používa gejzírový zdroj. Technický proces je veľmi jednoduchý, rovnaké komunikácie, tepelné trasy a vybavenie. Stačí vyvŕtať studňu, vyčistiť ju od plynov, potom ju poslať do kotolne s čerpadlami, kde sa bude udržiavať teplotný harmonogram, a potom vstúpi do vykurovacieho potrubia.

Hlavným rozdielom je, že nie je potrebné používať palivový kotol. To výrazne znižuje náklady na tepelnú energiu. V zime odberatelia dostávajú teplo a teplú vodu av lete iba teplú vodu.

Vytváranie energie

Horúce pramene, gejzíry sú hlavnými komponentmi pri výrobe elektriny. Na tento účel sa používa niekoľko schém, budujú sa špeciálne elektrárne. Zariadenie GTS:

• zásobník TÚV
• Pumpa
• Odlučovač plynu
• Odlučovač pary
• generátorová turbína
• Kondenzátor
• prečerpávač
• Nádrž - chladič

Ako vidíte, hlavným prvkom okruhu je parný konvertor. To umožňuje získať vyčistenú paru, pretože obsahuje kyseliny, ktoré ničia zariadenie turbíny. V technologickom cykle je možné použiť zmiešanú schému, to znamená, že do procesu je zapojená voda a para. Kvapalina prechádza celým stupňom čistenia od plynov, ako aj pary.

Obvod s binárnym zdrojom

Pracovnou zložkou je kvapalina s nízkou teplotou varu. Termálna voda sa podieľa aj na výrobe elektriny a slúži ako druhotná surovina.

S jeho pomocou sa vytvára nízkovriaca zdrojová para. GTS s takýmto cyklom práce môžu byť plne automatizované a nevyžadujú prítomnosť personálu údržby. Výkonnejšie stanice používajú dvojokruhovú schému. Tento typ elektrárne umožňuje dosiahnuť výkon 10 MW. Štruktúra dvojitého okruhu:

• parný generátor
• Turbína
• Kondenzátor
• Vyhadzovač
• Napájacie čerpadlo
• Ekonomizér
• Výparník

Praktické využitie

Obrovské zásoby zdrojov sú mnohonásobne väčšie ako ročná spotreba energie. Ale len malý zlomok používa ľudstvo. Výstavba staníc sa datuje od roku 1916. V Taliansku vznikol prvý GeoTPP s výkonom 7,5 MW. Priemysel sa aktívne rozvíja v krajinách ako: USA, Island, Japonsko, Filipíny, Taliansko.

Prebieha aktívny prieskum potenciálnych lokalít a pohodlnejšie metódy ťažby. Výrobná kapacita z roka na rok rastie. Ak vezmeme do úvahy ekonomický ukazovateľ, potom sa náklady na takéto odvetvie rovnajú tepelným elektrárňam spaľujúcim uhlie. Island takmer úplne pokrýva komunálny a bytový fond zdrojom GT. 80 % domácností využíva na vykurovanie teplú vodu zo studní. Odborníci z USA tvrdia, že pri správnom vývoji dokážu GeoTPP vyprodukovať 30-krát viac, ako je ročná spotreba. Ak hovoríme o potenciáli, tak 39 krajín sveta sa bude vedieť plne zabezpečiť elektrinou, ak na 100 percent využijú útroby zeme.