Геотермальная энергетика

Введение 

      На  протяжении миллионов лет на Земле в результате фотосинтеза непрерывно накапливалась лучистая энергия Солнца. Древние растения и животные, погрузившиеся на дно морей и водоемов, отдают нам ее теперь в виде угля, нефти и природного газа – наших основных источников энергии.

      Накопленные огромные природные резервы человечество тратило постепенно в течение тысячелетий своего существования. Технический прогресс непрерывно увеличивает скорость истощения этих запасов. Вот почему все чаще поднимается проблема перспективы энергетического голода и целесообразности экономии природных ресурсов. И это толкает ученых и инженеров на поиски новых - альтернативных путей, которые помогут удовлетворить будущие потребности в энергии.

     Известно, что объем Земли составляет примерно 1085 млрд. куб.км, и весь этот объем, кроме слоя земной коры, имеет очень большую температуру. Сколько тепла заключено внутри Земли - неизвестно, однако, если судить по извержениям лавы, а также по таким менее явным проявлениям, как термальные источники, гейзеры и фумаролы, его вполне достаточно, чтобы обеспечить большую часть человечества необходимой энергией.

     Если  при этом учесть объем внутренней части Земли и теплоемкость пород, то понятно, что геотермальное тепло представляет собой один из самых крупных источников энергии, которым на данный момент располагает человек. Причем энергия эта в чистом виде, потому, что она уже существует в тепловой энергии, и для ее получения нет необходимости в сжигании топлив или создании реакторов.

     В последнее десятилетие использование  нетрадиционных возобновляемых источников энергии переживает в мире настоящий  бум. Масштаб применения этих источников возрос в несколько раз. Данное направление  развивается наиболее интенсивно по сравнению с другими направлениями  энергетики. Причин этого явления  несколько. Прежде всего, очевидно, что  эпоха дешевых традиционных энергоносителей  бесповоротно закончилась. В этой области  имеется только одна тенденция - рост цен на все их виды. Не менее значимо  стремление многих стран, лишенных своей  топливной базы к энергетической независимости Существенную роль играют экологические соображения, в том  числе по выбросу вредных газов.

      В данной работе речь идёт об одной из перспективных отраслей альтернативной энергетики, а именно – геотермальной. Приведена история развития геотермальной энергетики. Характеризуются основные источники тепла в недрах земли и геотермальные ресурсы земли. Рассмотрено состояние геотермальной энергетики в Республике Беларусь и странах Ближнего и Дальнего Зарубежья. Вместе с тем, приводится перечень основных достоинств и недостатков геотермальной энергетики, а также её влияние на окружающую среду.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     История развития геотермальной  энергетики.

 

        Геотермальная энергетика – это направление энергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Геотермальную энергетику обычно относят к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.

     Идея  использования энергии земли  для отопления и кондиционирования  сама по себе не нова. Ещё в 1877 году немецким кайзеровским патентным бюро был выдан патент на „Способ охлаждения и подогрева воздуха с помощью тепла земли“. Но только в последние годы подземные теплообменники нашли широкое применение в различных проектах в области компенсации вентиляционных тепловых потерь, а также энергосберегающего кондиционирования.

     Эксплуатация  самой первой геотермальной электростанции была начата в Италии в 1904г. Первая геотермальная электростанция в СССР– Паужетская ГеоТЭС на Камчатке – была введена в работу в 1967г. и имела мощность 5мВт, увеличенную впоследствии до 11 мВт.

     В 1983г. во ВСЕГИНГЕО был составлен атлас ресурсов термальных вод СССР. Следует отметить, что в СССР геотермальные воды использовались в Краснодарском и Ставропольском краях, Кабардино-Балкарии, Северной Осетии, Чечено-Ингушетии, Дагестане, Камчатской области, Крыму, Грузии, Азербайджане и Казахстане. В 1988 году добывалось 60,8 млн. мі геотермальной воды, сейчас в России её добывается до 30млн. мі в год. Вместе с тем, технический потенциал геотермальной энергии, по данным Минэнерго РФ,с егодня составляет 2950 млн. т. условного топлива.

     В СССР научно исследовательскими работами по данной проблеме занимались институты Академии наук, Министерств геологии и газовой промышленности. Разведку, оценку и утверждение запасов месторождений выполняли институты и региональные подразделения Министерства геологии. Бурение продуктивных скважин, обустройство месторождений, разработку технологий обратной закачки, очистки геотермальных вод, эксплуатацию геотермальных систем теплоснабжения осуществляли подразделения Министерства газовой промышленности. В его составе работало пять региональных эксплуатационных управлений, научно-производственное объединение «Союзгеотерм» (Махачкала), которым была разработана схема перспективного использования геотермальных вод СССР. Проектированием систем и оборудования геотермального теплоснабжения занимался Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт инженерного оборудования.

       На сегодняшний день в России разведано 47 геотермальных месторождений с запасами термальных вод, которые позволяют получить более 240·10³м³/сут. Сегодня в России проблемами использования тепла земли занимаются специалисты почти 50 научных организаций.

     Новый импульс развитию геотермальной  энергетике на Камчатке был придан в 90-е годы с появлением организаций  и фирм (АО «Геотерм», АО «Интергеотерм», АО «Наука»), которые в кооперации с промышленностью (прежде всего с Калужским турбинным заводом) разработали новые прогрессивные схемы, технологии и виды оборудования по преобразованию геотермальной энергии в электрическую и добились кредитования от Европейского банка реконструкции и развития. В результате в 1999г. на Камчатке была введена Верхне-Мутновская ГеоТЭС (три модуля по 4мВт.). Вводится первый блок 25мВт. первой очереди Мутновской ГеоТЭС суммарной мощностью 50мВт. 

Источники тепла в недрах земли.   

      В центре Земли температура находится  в пределах 4000-5000 К, в магматических очагах, сравнительно близких к поверхности, достигает 1200-1500 К. Плотность теплового потока из внутренних областей Земли к ее поверхности в среднем составляет 6-Ю-3 Вт/м2. Этому соответствует температурный градиент около 30 К/км. В районах молодых складчатых областей тепловой поток может доходить до 0,3 Вт/м2 при температурном градиенте 200 К/км и более.

      В соответствии с современными представлениями  выделение теплоты в недрах Земли  связано с совокупностью следующих  процессов.

      1. Радиоактивный распад элементов: элементы с периодом полураспада, меньшим периода формирования Земли, распались при первоначальном разогреве планетного вещества; распад долгоживущих элементов продолжается в настоящее время. Общее количество теплоты, выделившейся за счет радиоактивного распада, оценивается в (0,6-2,0)-1031 Дж.

      2.  Воздействие притяжения Солнца и Луны, приводящее к земным приливам и торможению Земли. За счет этого фактора за время существования Земли выделилось до 30% теплоты радиогенного происхождения.

      3.   Гравитационная деформация материала Земли с образованием

плотного  ядра и менее плотной оболочки вызвала (по оценкам) выделение (1,5-2,0)- Ю31 Дж теплоты.

      4.   Тектонические процессы, вызывающие вертикальные и горизонтальные смещения крупных блоков земной коры и ее упругие деформации, приводят к ежегодному выделению 3-1018 Дж теплоты.

      5.   Предполагается, что химические превращения в недрах Земли могли привести к выделению 1,2-1031 Дж теплоты.  
 

Геотермальные ресурсы земли. Перспективные способы выявления потенциальных геотермальных источников энергии. 

      Геотермальные ресурсы классифицируются по четырем  группам: 

1. Месторождения сухого пара – ресурсы сравнительно легко осваиваются, но встречаются редко;

2.        Месторождения влажного пара – распространены в большей степени, однако при освоении возникают проблемы, связанные с коррозией и повышенным содержанием солей;

3.        Горячая вода – ресурсы большие, используются главным образом для отопления в тепличном хозяйстве;

4.         Теплота сухих горных пород – ресурсы большие, однако технология использования находится в ранней стадии освоения.

      По  характеру скопления термальные воды делят на

– трещинно-жильные,

– пластовые.

      Трещинно-жильные  термальные воды встречаются в горно-складчатых областях и характеризуются локальными выходами термальных источников и парогидротерм с температурой до 370 К и выше.

      Пластовые термальные воды залегают в пределах континентальных платформ, краевых прогибов и горных впадин. Такие бассейны могут занимать площади в сотни тысяч и миллионы квадратных километров.

      По  степени минерализации различают:

– термальные воды с низкой минерализацией (до 10 г/л), которые могут использоваться без предварительной подготовки;

– термальные воды со средней минерализацией (10-35 г/л), требующие очистки;

–  термальные воды с высокой минерализацией (35-200 г/л и более), которые могут использоваться в двухконтурных схемах.

      Геотермальные источники – огромный резервуар энергии, способный удовлетворить энергетические потребности Земли. Ранее считалось, что геотермальная энергия является реальной альтернативой только для определённых регионов, расположенных в зонах вулканической активности. Поиски в других странах и областях считались дорогими, сложными и бесперспективными.

     Однако  недавно исследователями был предложен принципиально новый способ поиска.

       Учёные установили, что указать  горячие недра может концентрация  гелия. По мнению авторов идеи, необходимые человеку ресурсы  могут встречаться и в других  местах, поскольку происходят из  горячего вещества мантии, которые  просачиваются через сетку глубинных  разломов в нижних слоях земной  коры.

       Авторы разработки – ученые-геохимики, Мак Кеннеди из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Маттейс ван Суст из университета Аризоны открыли новый способ выявления потенциальных геотермальных источников энергии в процессе изучения геологической структуры в Провинции бассейнов и хребтов на северо-западе США.

 Исследователи  определяют три условия, которым должны соответствовать все источники. Во-первых, они должны обладать большим температурным градиентом, то есть потоки мантии должны близко подходить к скальной породе. Во-вторых, источник должен иметь пополняемый подземный резервуар с жидкой средой, которой, как правило, является вода - именно она будет выносить тепло и давление на поверхность, где мы можем их использовать. Кроме того, под источником должна существовать сеть глубинных пор, по которым потоки из мантии смогут добираться до горячей зоны источника, принося с собой тепло.

       Предполагается, что данный способ  поиска обеспечит обнаружение  источников, соответствующих всем  трём указанным показателям.

       Изобретение появилось из анализа  соотношения изотопов гелия в  образцах, полученных методами бурения,  из поверхностных источников, а  так же из открытых дренажных  отверстий на поверхности. 

       Ключом здесь стал изотоп гелия-3, который образуется только в  ходе термоядерного синтеза в  недрах звезд. Реликтовый гелий-3, оставшийся в Солнечной системе со времён её образования, в довольно больших количествах сохраняется по сей день в мантии Земли.

  Высокое содержание гелия-3 означает, что подземные воды омывают мантийные породы, низкое же служит индикатором того, что вода или другие жидкости и близко не подходят к границе раздела кора-мантия.

     Традиционно принято считать, что геотермальные источники энергии, пригодные для освоения человеком, существуют лишь в местах вулканической активности. Ими, например, являются гейзеры. Ресурсы же геотермальной энергии, на которые указывают Кеннеди и ван Суст, берут свое начало не в вулканических зонах, а из потоков горячего вещества мантии, просачивающихся через сетку глубинных разломов в нижних слоях земной коры. Отчет о своей работе ученые опубликовали в последнем выпуске журнала «Science».