Энергия тепла земли, как источник отопления. Используемые грунтовые теплообменники и схемы теплоснабжения
Д ля России энергия тепла Земли может стать постоянным, надежным источником обеспечения дешевыми и доступными электроэнергией и теплом при использовании новых высоких, экологически чистых технологий по ее извлечению и поставке потребителю. В настоящее время это особенно актуально
Ограниченность ресурсов ископаемого энергетического сырья
Потребности в органическом энергетическом сырье велики в индустриально развитых и развивающихся странах (США, Япония, государства объединенной Европы, Китай, Индия и др.). При этом собственные ресурсы углеводородов в этих странах либо недостаточны, либо зарезервированы, а страна, например США, покупает энергетическое сырье за рубежом или разрабатывает месторождения в других странах.
В России, одной из богатейших по энергетическим ресурсам стран, хозяйственные потребности в энергии пока удовлетворяются возможностями использования природных ископаемых. Однако извлечение ископаемого углеводородного сырья из недр происходит очень быстрыми темпами. Если в 1940–1960-е гг. основными нефтедобывающими районами были «Второе Баку» в Поволжье и Предуралье, то, начиная с 1970-х гг., и по настоящее время таким районом является Западная Сибирь. Но и здесь наблюдается значительное снижение добычи ископаемых углеводородов. Уходит в прошлое эпоха «сухого» сеноманского газа. Прежний этап экстенсивного развития добычи природного газа подошел к завершению. Извлечение его из таких месторождений-гигантов, как Медвежье, Уренгойское и Ямбургское, составило, соответственно, 84, 65 и 50 %. Удельный вес запасов нефти, благоприятных для разработки, во времени также снижается.
Вследствие активного потребления углеводородного топлива, запасы нефти и природного газа на суше значительно сократились. Теперь основные их запасы сосредоточены на континентальном шельфе. И хотя сырьевая база нефтяной и газовой промышленности еще достаточна для добычи нефти и газа в России в необходимых объемах, в ближайшем будущем она будет обеспечиваться все в большей степени за счет освоения месторождений со сложными горно-геологическими условиями. Себестоимость добычи углеводородного сырья при этом будет расти.
Большая часть добываемых из недр невозобновляемых ресурсов используется как топливо для энергетических установок. В первую очередь это , доля которого в структуре топлива составляет 64 %.
В России 70 % электроэнергии вырабатывается на ТЭС. Энергетические предприятия страны ежегодно сжигают около 500 млн т у. т. в целях получения электроэнергии и тепла, при этом на производство тепла расходуется углеводородного топлива в 3–4 раза больше, чем на генерацию электроэнергии.
Количество теплоты, получаемое от сгорания названных объемов углеводородного сырья, эквивалентно использованию сотен тонн ядерного топлива – разница огромна. Однако ядерная энергетика требует обеспечения экологической безопасности (для исключения повторения Чернобыля) и защиты ее от возможных террористических актов, а также осуществления безопасного и дорогостоящего вывода из эксплуатации устаревших и отработавших свой срок энергоблоков АЭС. Доказанные извлекаемые запасы урана в мире составляют порядка 3 млн 400 тыс. т. За весь предшествующий период (до 2007 г.) его добыто около 2 млн т.
ВИЭ как будущее мировой энергетики
Возросший в последние десятилетия в мире интерес к альтернативным возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) вызван не только истощением запасов углеводородного топлива, но и необходимостью решения экологических проблем. Объективные факторы (резервы ископаемого топлива и урана, а также изменения окружающей среды, связанные с использованием традиционной огневой и атомной энергетики) и тенденции развития энергетики позволяют утверждать, что переход к новым способам и формам получения энергии является неизбежным. Уже в первой половине XXI в. произойдет полный или почти полный переход на нетрадиционные источники энергии.
Чем раньше будет сделан прорыв в этом направлении, тем менее болезненным он будет для всего общества и более выгодным для страны, где будут сделаны решительные шаги в указанном направлении.
Мировая экономика в настоящее время уже взяла курс на переход к рациональному сочетанию традиционных и новых источников энергии. Энергопотребление в мире к 2000 г. составило более 18 млрд т у. т., а энергопотребление к 2025 г. может возрасти до 30–38 млрд т у. т., по прогнозным данным, к 2050 г. возможно потребление на уровне 60 млрд т у. т. Характерной тенденций развития мировой экономики в рассматриваемый период являются систематическое снижение потребления органического топлива и соответствующий рост использования нетрадиционных энергетических ресурсов. Тепловая энергия Земли занимает среди них одно из первых мест.
В настоящее время Министерством энергетики РФ принята программа развития нетрадиционной энергетики, в том числе 30-ти крупных проектов использования теплонасосных установок (ТНУ), принцип работы которых основан на потреблении низкопотенциальной тепловой энергии Земли.
Низкопотенциальная энергия тепла Земли и тепловые насосы
Источниками низкопотенциальной энергии тепла Земли являются солнечная радиация и тепловое излучение разогретых недр нашей планеты. В настоящее время использование такой энергии – одно из наиболее динамично развивающихся направлений энергетики на основе ВИЭ.
Тепло Земли может использоваться в различных типах зданий и сооружений для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования (охлаждения) воздуха, а также для обогрева дорожек в зимнее время года, предотвращения обледенения, подогрева полей на открытых стадионах и т. п. В англоязычной технической литературе системы, утилизирующие тепло Земли в системах теплоснабжения и кондиционирования, обозначаются как GHP – «geothermal heat pumps» (геотермальные тепловые насосы). Климатические характеристики стран Центральной и Северной Европы, которые вместе с США и Канадой являются главными районами использования низкопотенциального тепла Земли, определяют это главным образом в целях отопления; охлаждение воздуха даже в летний период требуется относительно редко. Поэтому, в отличие от США, тепловые насосы в европейских странах работают в основном в режиме отопления. В США они чаще используются в системах воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией, что позволяет как подогревать, так и охлаждать наружный воздух. В европейских странах тепловые насосы обычно применяются в системах водяного отопления. Поскольку их эффективность увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора, часто для отопления зданий используются системы напольного отопления, в которых циркулирует теплоноситель относительно низкой температуры (35–40 о C).
Виды систем использования низкопотенциальной энергии тепла Земли
В общем случае можно выделить два вида систем использования низкопотенциальной энергии тепла Земли:
– открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии применяются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;
– замкнутые системы: теплообменники расположены в грунтовом массиве; при циркуляции по ним теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса (или при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой – его охлаждение).
Минусы открытых систем состоят в том, что скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:
– достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;
– хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое железосодержание), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отложений на стенках труб и коррозией.
Замкнутые системы использования низкопотенциальной энергии тепла Земли
Замкнутые системы бывают горизонтальными и вертикальными (рис 1).
Рис. 1. Схема геотермально теплонасосной установки с: а – горизонтальными
и б – вертикальными грунтовыми теплообменниками.
Горизонтальный грунтовой теплообменник
В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные грунтовые теплообменники обычно представляют собой отдельные трубы, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно (рис. 2).
Рис. 2. Горизонтальные грунтовые теплообменники с: а – последовательным и
б – параллельным соединением.
Для экономии площади участка, на котором производится теплосъем, были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали (рис. 3), расположенной горизонтально или вертикально. Такая форма теплообменников распространена в США.
И.М. Капитонов
Ядерное тепло Земли
Земное тепло
Земля – довольно
сильно нагретое тело и является источником
тепла. Она нагревается, прежде всего,
за счёт поглощаемого ею солнечного
излучения. Но Земля имеет и собственный
тепловой ресурс сопоставимый с получаемым
теплом от Солнца. Считается, что эта
собственная энергия Земли имеет следующее
происхождение. Земля возникла около
4.5 млрд лет назад вслед за образованием
Солнца из вращающегося вокруг него и
уплотняющегося протопланетного
газо-пылевого диска. На раннем этапе
своего формирования происходил разогрев
земной субстанции за счёт сравнительно
медленного гравитационного сжатия.
Большую роль в тепловом балансе Земли
играла также энергия, выделявшаяся при
падении на неё мелких космических тел.
Поэтому молодая Земля была расплавленной.
Остывая, она постепенно пришла к своему
нынешнему состоянию с твёрдой поверхностью,
значительная часть которой покрыта
океаническими и морскими водами. Этот
твёрдый наружный слой называют земной
корой
и в
среднем на участках суши его толщина
около 40 км, а под океаническими водами
– 5-10 км. Более глубокий слой Земли,
называемый мантией
,
также состоит из твёрдого вещества. Он
простирается на глубину почти до 3000 км
и в нём содержится основная часть
вещества Земли. Наконец самая внутренняя
часть Земли – это её ядро
.
Оно состоит из двух слоёв – внешнего и
внутреннего. Внешнее
ядро
это слой
расплавленного железа и никеля при
температуре 4500-6500 K
толщиной 2000-2500 км. Внутреннее
ядро
радиусом
1000-1500 км представляет собой нагретый
до температуры 4000-5000 K
твёрдый железо-никелевый сплав плотностью
около 14 г/см 3 ,
возникший при огромном (почти 4 млн
бар) давлении.
Помимо
внутреннего тепла Земли, доставшегося
её в наследство от самого раннего
горячего этапа её формирования, и
количество которого должно уменьшаться
со временем, существует и другой, –
долговременный, связанный с радиоактивным
распадом ядер с большим периодом
полураспада – прежде всего, 232 Th,
235 U,
238 U
и 40 K.
Энергия, выделяющаяся в этих распадах
– на их долю приходится почти 99% земной
радиоактивной энергии – постоянно
пополняет тепловые запасы Земли.
Вышеперечисленные ядра содержатся в
коре и мантии. Их распад приводит к
нагреву как внешних, так и внутренних
слоёв Земли.
Часть
огромного тепла, содержащегося внутри
Земли, постоянно выходит на её поверхность
часто в весьма масштабных вулканических
процессах. Тепловой поток, вытекающий
из глубин Земли через её поверхность
известен. Он составляет (47±2)·10 12
Ватт ,
что эквивалентно теплу, которое могут
генерировать 50 тысяч атомных электростанций
(средняя мощность одной АЭС около 10 9
Ватт). Возникает вопрос, играет ли
какую-либо существенную роль радиоактивная
энергия в полном тепловом бюджете Земли
и если играет, то какую? Ответ на эти
вопросы долгое время оставался
неизвестным. В настоящее время появились
возможности ответить на эти вопросы.
Ключевая роль здесь принадлежит нейтрино
(антинейтрино), которые рождаются в
процессах радиоактивного распада ядер,
входящих в состав вещества Земли и
которые получили название гео-нейтрино
.
Гео-нейтрино
Гео-нейтрино – это объединённое название нейтрино или антинейтрино, которые испускаются в результате бета-распада ядер, расположенных под земной поверхностью. Очевидно, что благодаря беспрецедентной проникающей способности, регистрация именно их (и только их) наземными нейтринными детекторами может дать объективную информацию о процессах радиоактивного распада, происходящих глубоко внутри Земли. Примером такого распада является β − -распад ядра 228 Ra, которое является продуктом α-распада долгоживущего ядра 232 Th (см. таблицу):
Период
полураспада (T 1/2)
ядра
228 Ra равен
5.75 лет, выделяющаяся энергия составляет
около 46 кэВ. Энергетический спектр
антинейтрино непрерывен с верхней
границей близкой к выделяющейся энергии.
Распады
ядер
232 Th,
235 U,
238 U представляют
собой цепочки последовательных распадов,
образующих так называемые радиоактивные
ряды
. В таких
цепочках α-распады
перемежаются
β − -распадами,
так как при α-распадах
конечные ядра оказываются смещёнными
от линии β-стабильности
в область ядер, перегруженных нейтронами.
После цепочки последовательных распадов
в конце каждого ряда образуются стабильные
ядра с близким или равным магическим
числам количеством протонов и нейтронов
(Z
=
82, N
=
126). Такими конечными ядрами являются
стабильные изотопы свинца или висмута.
Так распад
T 1/2
завершается
образованием дважды магического ядра
208 Pb, причем
на пути
232 Th → 208 Pb
происходит шесть
α-распадов,
перемежающихся четырьмя β − -распадами
(в цепочке 238 U → 206 Pb
восемь α-
и шесть
β − -распадов;
в цепочке 235 U → 207 Pb семь
α-
и четыре
β − -распада).
Таким образом, энергетический спектр
антинейтрино от каждого радиоактивного
ряда представляет собой наложение
парциальных спектров от отдельных β − -распадов,
входящих в состав этого ряда. Спектры
антинейтрино, образующихся в распадах
232 Th,
235 U,
238 U, 40 K,
показаны на рис. 1. Распад 40 K
это однократный β − -распад
(см. таблицу). Наибольшей энергии (до
3.26 МэВ) антинейтрино достигают в распаде
214 Bi → 214 Po,
являющемся звеном радиоактивного ряда
238 U.
Полная энергия, выделяющаяся при
прохождении всех звеньев распада ряда
232 Th → 208 Pb, равна
42.65 МэВ. Для радиоактивных рядов 235 U
и
238 U эти
энергии соответственно 46.39 и 51.69 МэВ.
Энергия, освобождающаяся в распаде
40 K → 40 Ca,
составляет 1.31 МэВ.
Характеристики ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K
| Ядро | Доля в % в смеси изотопов |
Число ядер относит. ядер Si |
T 1/2 , млрд лет |
Первые
звенья распада |
|---|---|---|---|---|
| 232 Th | 100 | 0.0335 | 14.0 | |
| 235 U | 0.7204 | 6.48·10 -5 | 0.704 | |
| 238 U | 99.2742 | 0.00893 | 4.47 | |
| 40 K | 0.0117 | 0.440 | 1.25 |
 |
Оценка потока гео-нейтрино, сделанная на основе распада ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, содержащихся в составе вещества Земли, приводит к величине порядка 10 6 см -2 сек -1 . Зарегистрировав эти гео-нейтрино, можно получить информацию о роли радиоактивного тепла в полном тепловом балансе Земли и проверить наши представления о содержании долгоживущих радиоизотопов в составе земного вещества.
Рис. 1. Энергетические
спектры антинейтрино от распада ядер
232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, нормализованные к одному распаду родительского ядра
Для регистрации электронных антинейтрино используется реакция
P → e + + n, (1)
в которой собственно и была открыта эта частица. Порог этой реакции 1.8 МэВ. Поэтому только гео-нейтрино, образующиеся в цепочках распада, стартующих с ядер 232 Th и 238 U, могут быть зарегистрированы в вышеуказанной реакции. Эффективное сечение обсуждаемой реакции крайне мало: σ ≈ 10 -43 см 2 . Отсюда следует, что нейтринный детектор с чувствительным объёмом 1 м 3 будет регистрировать не более нескольких событий в год. Очевидно, что для уверенной фиксации потоков гео-нейтрино необходимы нейтринные детекторы большого объёма, размещённые в подземных лабораториях для максимальной защиты от фона. Идея использовать для регистрации гео-нейтрино детекторы, предназначенные для изучения солнечных и реакторных нейтрино, возникла в 1998 г. . В настоящее время имеется два нейтринных детектора большого объёма, использующих жидкий сцинтиллятор и пригодные для решения поставленной задачи. Это нейтринные детекторы экспериментов KamLAND (Япония, ) и Borexino (Италия, ). Ниже рассматривается устройство детектора Borexino и полученные на этом детекторе результаты по регистрации гео-нейтрино.
Детектор Borexino и регистрация гео-нейтрино
Нейтринный детектор Борексино расположен в центральной Италии в подземной лаборатории под горным массивом Гран Сассо, высота горных пиков которого достигает 2.9 км (рис. 2).
Рис.
2. Схема расположения нейтринной
лаборатории под
горным массивом
Гран Сассо (центральная Италия)
Борексино
это несегментированный массивный
детектор, активной средой которого
являются
280 тонн органического жидкого
сцинтиллятора. Им заполнен нейлоновый
сферический сосуд диаметром 8.5 м (рис.
3). Сцинтиллятором является псевдокумол
(С 9 Н 12)
со сдвигающей спектр добавкой РРО (1.5
г/л). Свет от сцинтиллятора собирается
2212 восьмидюймовыми фотоумножителями
(ФЭУ), размещёнными на сфере из нержавеющей
стали (СНС).
Рис.
3. Схема устройства детектора Борексино
Нейлоновый
сосуд с псевдокумолом является внутренним
детектором, в задачу которого и входит
регистрация нейтрино (антинейтрино).
Внутренний детектор окружён двумя
концентрическими буферными зонами,
защищающими его от внешних гамма-квантов
и нейтронов. Внутренняя зона заполнена
несцинтиллирующей средой, состоящей
из 900 тонн псевдокумола с добавками
диметилфталата, гасящими сцинтилляции.
Внешняя зона располагается поверх СНС
и является водным черенковским детектором,
содержащим 2000 тонн сверхчистой воды и
отсекающим сигналы от мюонов, попадающих
в установку извне. Для каждого
взаимодействия, происходящего во
внутреннем детекторе, определяется
энергия и время. Калибровка детектора
с использованием различных радиоактивных
источников позволила весьма точно
определить его энергетическую шкалу и
степень воспроизводимости светового
сигнала.
Борексино
является детектором очень высокой
радиационной чистоты. Все материалы
прошли строгий отбор, а сцинтиллятор
был подвергнут очистке для максимального
уменьшения внутреннего фона. Вследствие
высокой радиационной чистоты Борексино
является прекрасным детектором для
регистрации антинейтрино.
В
реакции (1) позитрон даёт мгновенный
сигнал, за которым через некоторое время
следует захват нейтрона ядром водорода,
что приводит к появлению γ-кванта
с энергией 2.22 МэВ, создающего сигнал,
задержанный относительно первого. В
Борексино время захвата нейтрона около
260 мкс. Мгновенный и задержанный сигналы
коррелируют в пространстве и во времени,
обеспечивая точное распознавание
события, вызванного
e .
Порог
реакции (1) равен 1.806 МэВ и, как видно из
рис. 1, все гео-нейтрино от распадов 40 K
и
235 U
оказываются ниже
этого порога и лишь часть гео-нейтрино,
возникших в распадах 232 Th
и
238 U,
может быть зарегистрирована.
Детектор
Борексино впервые зарегистрировал
сигналы от гео-нейтрино в 2010 г. и недавно
опубликованы новые результаты, основанные
на наблюдениях в течение 2056 дней в период
с декабря 2007 г. по март 2015 г. Ниже мы
приведём полученные данные и результаты
их обсуждения, основываясь на статье
.
В
результате анализа экспериментальных
данных были идентифицированы 77 кандидатов
в электронные антинейтрино, прошедшие
все критерии отбора. Фон от событий,
имитирующих
e ,
оценивался величиной
. Таким
образом, отношение сигнал/фон было ≈100.
Главным
источником фона были реакторные
антинейтрино. Для Борексино ситуация
была достаточно благоприятной, так как
вблизи лаборатории Гран Сассо нет
ядерных реакторов. Кроме того, реакторные
антинейтрино более энергичные по
сравнению с гео-нейтрино, что позволяло
отделить эти антинейтрино по величине
сигнала от позитрона. Результаты анализа
вкладов гео-нейтрино и реакторных
антинейтрино в полное число
зарегистрированных событий от
e
показаны на рис. 4. Количество
зарегистрированных гео-нейтрино,
даваемое этим анализом (на рис. 4 им
соответствует затемнённая область),
равно 
. В
извлечённом в результате анализа спектре
гео-нейтрино видны две группы – менее
энергичная, более интенсивная и более
энергичная, менее интенсивная. Эти
группы авторы описываемого исследования
связывают с распадами соответственно
тория и урана.
В
обсуждаемом анализе использовалось
отношение масс тория и урана в веществе
Земли
m(Th)/m(U) = 3.9 (в
таблице эта величина ≈3.8).
Указанная цифра отражает относительное
содержание этих химических элементов
в хондритах – наиболее распространённой
группе метеоритов (более 90% метеоритов,
упавших на Землю, относятся к этой
группе). Считается, что состав хондритов
за исключением лёгких газов (водород и
гелий) повторяет состав Солнечной
системы и протопланетного диска, из
которого образовалась Земля.
Рис.
4. Спектр
светового выхода от позитронов в единицах
числа фотоэлектронов
для событий-кандидатов в антинейтрино (экспериментальные
точки). Затемнённая область – вклад гео-нейтрино.
Сплошная линия – вклад реакторных
антинейтрино.
Данная энергия относится к альтернативным источникам. В наши дни всё чаще упоминают о возможностях получения ресурсов, которые дарит нам планета. Можно сказать, что мы живем в эпоху моды на возобновляемую энергетику. Создается множество технических решений, планов, теорий в данной области.
Он находится глубоко в земляных недрах и имеет свойства возобновления, другими словами он бесконечный. Классические ресурсы, по данным учёных начинают заканчиваться, иссякнет нефть, уголь, газ.
Несьявеллир ГеоТЭС, Исландия
Поэтому можно постепенно готовиться принимать на вооружение новые альтернативные методы добычи энергии. Под земной корой находится мощное ядро. Его температура составляет от 3000 до 6000 градусов. Перемещение литосферных плит демонстрирует его огромнейшую силу. Она проявляется в виде вулканического выплескивания магмы. В недрах происходит радиоактивный распад, побуждающий иногда к таким природным катаклизмам.
Обычно магма нагревает поверхность не выходя за её пределы. Так получаются гейзеры или теплые бассейны воды. Таким образом, можно использовать физические процессы в нужных целях для человечества.
Виды источников геотермальной энергии
Её принято разделять на два вида: гидротермальную и петротермальную энергию. Первый образуется за счет теплых источников, а второй тип – это разница температур на поверхности и в глубине земли. Объясняя своими словами, гидротермальный источник состоит из пара и горячей воды, а петротермальный спрятан глубоко под грунтом.
Карта потенциала развития геотермальной энергетики в мире
Для петротермальной энергии необходимо пробурить две скважины, одну наполнить водой, после чего произойдет процесс парения, который выйдет на поверхность. Существует три класса геотермальных районов:
- Геотермальный – расположен вблизи континентальных плит. Градиент температуры более 80С/км. В качестве примера, итальянская коммуна Лардерелло. Там размещена электростанция
- Полутермальный – температура 40 – 80 С/км. Это естественные водоносные пласты, состоящие из раздробленных пород. В некоторых местах Франции обогреваются таким способом здания
- Нормальный – градиент менее 40 С/км. Представительство таких районов наиболее распространено
Они являются отличным источником для потребления. Они находятся в горной породе, на определенной глубине. Более подробно рассмотрим классификацию:
- Эпитермальные – температура от 50 до 90 с
- Мезотермальные – 100 – 120 с
- Гипотермальные – более 200 с
Данные виды состоят из разного химического состава. В зависимости от него, можно использовать воды для различных целей. Например, в производстве электроэнергии, теплообеспечении (тепловые трассы), сырьевой базе.
Видео: Геотермальная энергия
Процесс теплоснабжения
Температура воды 50 -60 градусов, является оптимальной для отопления и горячего снабжения жилого массива. Нужда в отопительных системах зависит от географического расположения и климатических условий. А в потребностях ГВС люди нуждаются постоянно. Для этого процесса сооружаются ГТС (геотермальные тепловые станции).
Если для классического производства тепловой энергии используется котельная, потребляющая твёрдое или газовое топливо, то при данном производстве используется гейзерный источник. Технический процесс очень простой, те же коммуникации, тепловые трассы и оборудование. Достаточно пробурить скважину, очистить её от газов, далее насосами направить в котельную, где будет поддерживаться температурный график, а после она попадёт в теплотрассу.
Главное отличие в том, что нет необходимости использовать топливный котлоагрегат. Это существенно снижает себестоимость тепловой энергии. Зимой абоненты получают тепло и горячее водоснабжение, а летом только ГВС.
Производство электроэнергии
Горячие источники, гейзеры служат основным компонентами в производстве электричества. Для этого применяется несколько схем, сооружаются специальные электростанции. Устройство ГТС:
- Бак ГВС
- Насос
- Газоотделитель
- Паросепаратор
- Генерирующая турбина
- Конденсатор
- Повысительный насос
- Бак – охладитель
Как видим основным элементом схемы, является паровой преобразователь. Это позволяет получать очищенный пар, так как в нем содержатся кислоты, разрушающие оборудование турбин. Существует возможность применение смешанной схемы в технологическом цикле, то есть вода и пар участвуют в процессе. Жидкость проходит всю стадию очистки от газов, так же как и пар.
Схема с бинарным источником
Рабочим компонентом является жидкость с низкой температурой кипения. Термальная вода также участвует в производстве электроэнергии и служит второстепенным сырьем.
С её помощью образуется пар низкокипящего источника. ГТС с таким циклом работы могут быть полностью автоматизированы и не требовать наличия обслуживающего персонала. Более мощные станции используют двухконтурную схему. Такой вид электростанций позволяет выходить на мощность 10 МВт. Двухконтурная структура:
- Паровой генератор
- Турбина
- Конденсатор
- Эжектор
- Питательный насос
- Экономайзер
- Испаритель
Практическое применение
Огромные запасы источников во много раз превосходят ежегодное потребление энергии. Но лишь малая доля используется человечеством. Строительство станций датировано 1916 годом. В Италии была создана первая ГеоТЭС мощностью 7,5 МВт. Отрасль активно развивается в таких странах как: США, Исландия, Япония, Филиппины, Италия.
Ведутся активные изучение потенциальных мест и более удобные методы добывания. Из года в год растёт производственная мощность. Если брать в расчёт экономический показатель, то себестоимость такой отрасли равна угольным ТЭС. Исландия практически полностью покрывает коммунально-жилой фонд ГТ-источником. 80 % домов для отопления используют горячую воду из скважин. Эксперты из США утверждают, что при должном развитии ГеоТЭС могут произвести в 30 раз больше ежегодного потребления. Если говорить о потенциале, то 39 стран мира смогут полностью себя обеспечить электроэнергией, если на 100 процентов используют недра земли.
Геотермальная энергия
- это энергия тепла, которое выделяется из внутренних зон Земли на протяжении сотен миллионов лет. По данным геолого-геофизических исследований, температура в ядре Земли достигает 3 000-6 000 °С, постепенно снижаясь в направлении от центра планеты к ее поверхности. Извержение тысяч вулканов, движение блоков земной коры, землетрясения свидетельствуют о действии мощной внутренней энергии Земли. Ученые считают, что тепловое поле нашей планеты обусловлено радиоактивным распадом в ее недрах, а также гравитационной сепарацией вещества ядра.
Главными источниками разогрева недр планеты есть уран, торий и радиоактивный калий. Процессы радиоактивного распада на континентах происходят в основном в гранитном слое земной коры на глубине 20-30 и более км, в океанах - в верхней мантии. Предполагают, что в подошве земной коры на глубине 10-15 км вероятное значение температур на континентах составляет 600-800 ° С, а в океанах - 150-200 ° С.
Человек может использовать геотермальную энергию только там, где она проявляет себя близко к поверхности Земли, т.е. в районах вулканической и сейсмической активности. Сейчас геотермальную энергию эффективно используют такие страны, как США, Италия, Исландия, Мексика, Япония, Новая Зеландия, Россия, Филиппины, Венгрия, Сальвадор. Здесь внутреннее земное тепло поднимается к самой поверхности в виде горячей воды и пара с температурой до 300 °С и часто вырывается наружу как тепло фонтанирующих источников (гейзеры), например, знаменитые гейзеры Йеллоустонского парка в США, гейзеры Камчатки, Исландии.
Геотермальные источники энергии
подразделяют на сухой горячий пар, влажный горячий пар и горячую воду. Скважину, которая является важным источником энергии для электрической железной дороге в Италии (близ г. Лардерелло), с 1904 г. питает сухой горячий пар. Два другие известные в мире места с горячей сухим паром - поле Мацукава в Японии и поле гейзеров возле Сан-Франциско, где также давно и эффективно используют геотермальную энергию. Больше всего в мире влажного горячего пара находится в Новой Зеландии (Вайракей), геотермальные поля чуть меньшей мощности - в Мексике, Японии, Сальвадоре, Никарагуа, России.
Таким образом, можно выделить четыре основных типа ресурсов геотермальной энергии:
поверхностное тепло земли, используемое тепловыми насосами;
энергетические ресурсы пара, горячей и теплой воды у поверхности земли, которые сейчас используются в производстве электрической энергии;
теплота, сосредоточенная глубоко под поверхностью земли (возможно, при отсутствии воды);
энергия магмы и теплота, которая накапливается под вулканами.
Запасы геотермальной теплоты (~ 8 * 1030Дж) в 35 млрд раз превышают годовое мировое потребление энергии. Лишь 1% геотермальной энергии земной коры (глубина 10 км) может дать количество энергии, в 500 раз превышающее все мировые запасы нефти и газа. Однако сегодня может быть использована лишь незначительная часть этих ресурсов, и это обусловлено, прежде всего, экономическими причинами. Начало промышленному освоению геотермальных ресурсов (энергии горячих глубинных вод и пара) было положено в 1916 году, когда в Италии ввели в эксплуатацию первую геотермальную электростанцию мощностью 7,5 МВт. За прошедшее время, накоплен немалый опыт в области практического освоения геотермальных энергоресурсов. Общая установленная мощность действующих геотермальных электростанций (ГеоТЭС) равнялась: 1975 г. - 1 278 МВт, в 1990 году - 7 300 МВт. Наибольшего прогресса в этом вопросе достигли США, Филиппины, Мексика, Италия, Япония.
Технико-экономические параметры ГеоТЭС изменяются в довольно широких пределах и зависят от геологических характеристик местности (глубины залегания, параметров рабочего тела, его состав и т.д.). Для большинства введенных в эксплуатацию ГеоТЭС себестоимость электроэнергии является подобной себестоимости электроэнергии, получаемой на угольных ТЭС, и составляет 1200 ... 2000 долл. США / МВт.
В Исландии 80% жилых домов обогревается с помощью горячей воды, добытой из геотермальных скважин под городом Рейкьявик. На западе США за счет геотермальных горячих вод обогревают около 180 домов и ферм. По мнению специалистов, между 1993 и 2000 гг глобальное выработки электричества с помощью геотермальной энергии выросло более чем вдвое. Запасов геотермального тепла в США существует так много, что оно может, теоретически, давать в 30 раз больше энергии, чем ее сейчас потребляет государство.
В перспективе возможно использование тепла магмы в тех районах, где она расположена близко к поверхности Земли, а также сухого тепла разогретых кристаллических пород. В последнем случае скважины бурят на несколько километров, закачивают вниз холодную воду, а обратно получают горячую.
Основными источниками тепловой энергии Земли являются [ , ]:
К настоящему времени количественно оценены лишь первые четыре источника. В нашей стране основная заслуга в этом принадлежит
О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову
. Нижеприводимые данные в основном базируются на расчётах этих учёных.
Тепло гравитационной дифференциации Земли
Одной из важнейших закономерностей развития Земли является
дифференциация её вещества, которая продолжается и в настоящее время. За счёт этой дифференциации произошло формирование
ядра и земной коры
, изменение состава первичной мантии
,
при этом разделение первоначально однородного вещества на фракции различной плотности сопровождается выделением тепловой энергии
,
а максимальное тепловыделение происходит при разделении земного вещества на плотное и тяжёлое ядро
и остаточную более лёгкую
силикатную оболочку - земную мантию
.
В настоящее время основная часть этого тепла выделяется на границе мантия - ядро
.
Энергии гравитационной дифференциации Земли за всё время её существования выделилось - 1,46*10 38 эрг (1,46*10 31 Дж) . Данная энергия в большей своей части сначала переходит в кинетическую энергию конвективных течений мантийного вещества, а затем в тепло ; другая её часть расходуется на дополнительное сжатие земных недр , возникающее благодаря концентрации плотных фаз в центральной части Земли. Из 1,46*10 38 эрг энергии гравитационной дифференциации Земли на её дополнительное сжатие пошло 0,23*10 38 эрг (0,23*10 31 Дж ), а в форме тепла выделилось 1,23*10 38 эрг (1,23*10 31 Дж ). Величина этой тепловой составляющей существенно превышает суммарное выделение в Земле всех остальных видов энергии. Распределение во времени общей величины и скорости выделения тепловой компоненты гравитационной энергии отражено на Рис. 3.6 .
Рис. 3.6.
Современный уровень генерации тепла при гравитационной дифференциации Земли -
3*10 20 эрг/с
(3*10 13 Вт
),
что от величины современного теплового потока, проходящего через поверхность планеты в (4,2-4,3)*10 20 эрг/с
((4,2-4,3)*10 13 Вт
),
составляет ~ 70%
.
Радиогенное тепло
Обусловливается радиоактивным распадом нестабильных изотопов . Наиболее энергоёмкими и долгоживущими (с периодом полураспада , соизмеримым с возрастом Земли) являются изотопы 238 U , 235 U , 232 Th и 40 K . Основной их объём сосредоточен в континентальной коре . Современный уровень генерации радиогенного тепла :
- по американскому геофизику В.Вакье - 1,14*10 20 эрг/с (1,14*10 13 Вт ) ,
- по российским геофизикам О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову - 1,26*10 20 эрг/с (1,26*10 13 Вт ) .
От величины современного теплового потока это составляет ~ 27-30 %.
Из общей величины тепла радиоактивного распада в 1,26*10 20 эрг/с
(1,26*10 13 Вт
)
в земной коре выделяется - 0,91*10 20 эрг/с
,
а в мантии - 0,35*10 20 эрг/с
.
Отсюда следует, что доля мантийного радиогенного тепла не превышает 10 % от суммарных современных теплопотерь Земли, и она не может являться основным источником энергии активных тектоно-магматических процессов, глубина зарождения которых может достигать 2900 км; а радиогенное тепло, выделяющееся в коре, относительно быстро теряется через земную поверхность и практически не участвует в разогреве глубинных недр планеты.
В прошлые геологические эпохи величина радиогенного тепла, выделяемого в мантии, должна была быть более высокой. Её оценки на момент образования Земли (4,6 млрд. лет назад ) дают - 6,95*10 20 эрг/с . С этого времени происходит неуклонное снижение скорости выделения радиогенной энергии (Рис. 3.7 ).
За всё время в Земле выделилось ~4,27*10 37 эрг
(4,27*10 30 Дж
)
тепловой энергии радиоактивного распада, что почти в три раза ниже общей величины тепла гравитационной дифференциации.
Тепло приливного трения
Выделяется при гравитационном взаимодействии Земли в первую очередь с Луной, как ближайшим крупным космическим телом. Благодаря взаимному гравитационному притяжению в их телах возникают приливные деформации - вздутия или горбы . Приливные горбы планет своим дополнительным притяжением оказывают влияние на их движение. Так, притяжение обоих приливных горбов Земли создаёт пару сил, действующих как на саму Землю, так и на Луну. Однако влияние ближнего, обращённого к Луне вздутия несколько сильнее, чем дальнего. В связи с тем, что угловая скорость вращения современной Земли (7,27*10 -5 с -1 ) превышает орбитальную скорость движения Луны (2,66*10 -6 с -1 ), а вещество планет не является идеально упругим, то приливные горбы Земли как бы увлекаются её вращением вперед и заметно опережают движение Луны. Это приводит к тому, что максимальные приливы Земли всегда наступают на её поверхности несколько позже момента кульминации Луны, а на Землю и Луну действует дополнительный момент сил (Рис. 3.8 ) .
Абсолютные значения сил приливного взаимодействия в системе Земля-Луна сейчас относительно невелики и обусловливаемые ими приливные деформации литосферы могут достигать лишь нескольких десятков сантиметров, но они приводят к постепенному торможению вращения Земли и, наоборот, к ускорению орбитального движения Луны и к её удалению от Земли. Кинетическая энергия движения земных приливных горбов переходит в тепловую энергию, вследствие внутреннего трения вещества в приливных горбах.
В настоящее время скорость выделения приливной энергии по Г. Макдональду
составляет ~0,25*10 20 эрг/с
(0,25*10 13 Вт
),
при этом основная её часть (около 2/3) предположительно диссипирует
(рассеивается) в гидросфере. Следовательно, доля приливной энергии, вызванной взаимодействием Земли с Луной и рассеиваемой в твёрдой Земле (в первую очередь в астеносфере), не превышает 2 %
полной тепловой энергии, генерируемой в её недрах; а доля солнечных приливов не превышает 20 %
от воздействия лунных приливов. Поэтому твёрдые приливы не играют теперь практически никакой роли в питании тектонических процессов энергией, но в отдельных случаях могут выступать в качестве "спусковых механизмов", например землетрясений
.
Величина приливной энергии прямо связана с расстоянием между космическими объектами. И если для расстояния между Землёй и Солнцем не предполагается каких-либо существенных изменений в геологическом масштабе времени, то в системе Земля-Луна этот параметр является переменной величиной. Вне зависимости от представлений об практически все исследователи признают, что на ранних стадиях развития Земли расстояние до Луны было существенно меньше современного, в процессе же планетного развития, по мнению большинства учёных, оно постепенно увеличивается, а по Ю.Н. Авсюку это расстояние испытывает долгопериодические изменения в виде циклов "прихода - ухода" Луны . Отсюда исходит, что в прошлые геологические эпохи роль приливного тепла в общем тепловом балансе Земли была более значительной. В целом, за всё время развития Земли в ней выделилось ~3,3*10 37 эрг (3,3*10 30 Дж ) энергии приливного тепла (это при условии последовательного удаления Луны от Земли). Изменение же во времени скорости выделения этого тепла представлено на Рис. 3.10 .
Более половины общей величины приливной энергии выделилось в катархее
(гадее
)) - 4,6-4,0 млрд. лет назад, и в это время только за счёт этой энергии Земля дополнительно могла прогреться на ~500 0 С.
Начиная с позднего архея лунные приливы вносили лишь ничтожно малое влияние в развитие энергоёмких эндогенных процессов
.
Аккреционное тепло
Это тепло, сохранённое Землёй с момента её формирования. В процессе аккреции
,
которая продолжалась в течение нескольких десятков миллионов лет, благодаря соударению планетезималей
Земля испытала существенный разогрев. При этом по поводу величины этого разогрева нет единого мнения. В настоящее время исследователи склоняются к тому, что в процессе аккреции Земля испытала если не полное, то значительное частичное плавление, что привело к начальной дифференциации ПротоЗемли на тяжёлое железное ядро и лёгкую силикатную мантию, и к формированию "магматического океана"
на её поверхности или на небольшой глубине. Хотя ещё до 1990-х годов практически общепризнанной считалась модель относительно холодной первичной Земли, которая постепенно разогревалась за счёт вышерассмотренных процессов, сопровождавшихся выделением значительного количества тепловой энергии.
Точная оценка первичного аккреционного тепла и её сохранившейся до настоящего времени доли связана со значительными трудностями
.
По О.Г. Сорохтину
и С.А. Ушакову
,
являющихся сторонниками относительно холодной первичной Земли, величина энергии аккреции, перешедшей в тепло, составляет - 20,13*10 38 эрг
(20,13*10 31 Дж)
.
Этой энергии при отсутствии теплопотерь хватило бы для полного испарения
земного вещества, т.к. температура могла бы подняться до 30 000 0 С
.
Но процесс аккреции был относительно длительным, а энергия ударов планетезималей выделялась лишь в приповерхностных слоях растущей Земли и быстро терялась с тепловым излучением, поэтому первичный разогрев планеты не был большим. Величину этого теплового излучения, идущего параллельно с формированием (аккрецией) Земли, указанные авторы оценивают в
19,4*10 38 эрг
(19,4*10 31 Дж
)
.
В современном энергетическом балансе Земли аккреционное тепло, вероятнее всего, играет незначительную роль.