Термальная энергия
Оглавление
- Термальная энергия в наше время
- Подземные термальные воды (гидротермы)
- Геотермальная энергетика
- Последние новости по теме «Термальная энергия»
Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека.
Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится-нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов. Маленькая европейская страна Исландия- «страна льда» в дословном переводе- полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами!
Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли- других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла под- земных источников (еще древние римляне к знаменитым баням-термам Каракаллы- подвели воду из-под земли), жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно.
Термальная энергия в наше время
Столица — Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников. Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников.
Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины-360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч кило- ватт. В 120 километрах от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч кило-ватт.
Подземные термальные воды (гидротермы)
В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла. Она содержится в породах гранитной и осадочной оболочек, а вероятно, и в верхних частях мантии. Жидкая вода существует только до глубин 10-15 км, ниже при температуре около 700 °С вода находится исключительно в газообразном состоянии. На глубине 50-60 км при давлениях около 3•104 атм исчезает граница фазовости, т.е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода.
Гидротермальная оболочка
В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород, содержащие термальные воды (гидротермы). В связи с этим в земной коре следует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальной оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару только на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не только горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с температурой 180-200° С и выше.
Подземные воды и их происхождение
Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обусловливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температурой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитермальные, мезотермальные и гипотермальные.
К эпитермальным источникам обычно относят источники горячей воды с температурой 50-90 °С, расположенные в верхних слоях осадочных пород, куда проникают почвенные воды.
К мезотермальным источникам относят источники с температурой воды 100-200 °С.
В гипотермальных источниках температура в верхних слоях превышает 200 °С и практически не зависит от почвенных вод.
Происхождение термальных вод может быть связано с деятельностью тепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая в пласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с тепловым потоком или постепенно разогревается, отбирая тепло у пород.
Жидкая фаза воды и тепло могут происходить из одного источника лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический расплав. Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе с газами и легколетучими компонентами, устремляясь в верхние, более холодные горизонты. Уже при температурах 425-375 °С пар может конденсироваться в жидкую воду; в ней растворяется большинство летучих компонентов – так появляется гидротермальный раствор «ювенильного» (первозданного) типа.
Ювенильные воды
Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом смысле слова являются первичными, новообразованными. Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда только зарождались твердые консолидированные «острова» материковых платформ.
Воды инфильтрационного происхождения
Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды инфильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее движение инфильтрационных вод – от поверхности вглубь. Источник вод этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхностные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы, нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород.
В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они становятся более или менее нагретыми. При средних геотермических условиях для того, чтобы инфильтрационные воды стали термальными (т.е. с температурой более 37 °С), необходимо их погружение на глубину 800-1000 м. Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность в виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более низких относительно области питания участках.
Причем, чтобы вода оставалась термальной, подъем ее к поверхности должен происходить очень быстро, например, по широким трещинам разломов. При медленном подъеме гидротермы остывают, отдавая аккумулированное тепло вмещающим породам. Однако, если пробурить скважину на глубину 3-4 тыс. м и обеспечить быстрый подъем воды, можно получить термальный раствор с температурой до 100 °С. Все это касается областей со средними геотермическими показателями и не относится к вулканическим районам или зонам недавнего горнообразования.
Вулканический тип термальных вод
Вулканический тип термальных вод следует выделить особо. Как уже говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком считать «ювенильными», т. е. магматическими. Опыт исследований показывает, что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностное инфильтрационное происхождение. Помимо гейзеров вулканический тип гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые фумаролы.
Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразнейший химический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ультрапресных категорий (менее 0,1 г/л) до категорий сверхкрепких рассолов (более 600 г/л). Гидротермы содержат в растворенном состоянии различные газы: активные (агрессивные), такие, как углекислота, сероводород, атомарный водород, и малоактивные (азот, метан, водород).
В геотермальной энергетике могут быть использованы практически все виды термальных вод: перегретые воды – при добыче электроэнергии, пресные термальные воды – в коммунальном теплообеспечении, солоноватые воды – в бальнеологических целях, рассолы – как промышленное сырье.
Геотермальная энергетика
Сегодня повсеместно признано, что геотермальная энергия является одним из наиболее надежных видов возобновляемой альтернативной энергии в мире. Тепло, которое круглосуточно выделяют земные недра, доступно для людей в любое время года и никак не зависит от ископаемых ресурсов топлива. Получение энергии из термальных источников земли является экологически чистым процессом и не наносит вреда окружающей среде. При этом по оценкам геологоразведочных служб запасы геотермальных источников в 10-12 раз превосходят залежи органического топлива.
Термальные регионы существуют во многих областях мира. Эти зоны обычно расположены в местах наибольшей сейсмической активности там, где происходит подвижка тектонических плит и их разрывы. Поэтому наиболее перспективными в плане развития геотермальной энергетики считаются зоны вулканической активности.
Тепло, получаемое из недр планеты, может использоваться как для обогрева жилых домов и производственных помещений, теплиц непосредственно, так и для производства электрической энергии. В настоящий момент наиболее распространенной является практика прямого использования геотермального тепла из-за технической простоты. Водопровод подсоединяется непосредственно к глубинной скважине, и получаемая вода используется для обогрева жилых домов, теплиц, дорог или сушки одежды. Наиболее распространён этот способ в странах, расположенных в сейсмоактивных зонах, на стыках тектонических плит. К примеру, в Японии, на Камчатке или в Исландии.
Для производства электричества из геотермальной энергии используются геотермальные электростанции. В наши дни разработаны три основные схемы получения электричества из гидротермальных источников:
- прямая схема, предполагающая использование сухого пара.
- непрямая схема, в которой используется водяной пар.
- смешанная схема, включающая в себя бинарный цикл.
Наиболее старыми и проверенными из них являются электростанции, работающие на сухом пару. На них для производства электроэнергии используется пар, поступающий непосредственно из глубинной скважины, который пропускается через турбину. Однако на сегодняшний день наиболее распространенными уже стали электростанции, основанные на непрямом типе производства электроэнергии. Для работы на этих электростанциях используются горячие подземные воды, которые под высоким давлением закачиваются в генераторные установки.
Температура используемой воды в них достигает 182 градусов по Цельсию. Основным отличием геотермальных электростанций смешанного типа является то, что вода и пар никогда не соприкасаются непосредственно с турбинами установки.
В целом, в упрощенной трактовке схема работы геотермальной электростанции выглядит следующим образом: сильно разогретые подземные воды или горячий пар от них подаются в специальное устройство, в котором при помощи теплообменника создается пар, который приводит в движение турбину, вырабатывающую электричество. После отдачи тепловой энергии отработанная вода закачивается обратно в скважину, полученное тепло направляется в магистральную тепловую сеть, выработанное электричество же – в региональную электросеть.
Таким образом, геотермальные электростанции могут одновременно вырабатывать как необходимое тепло, так и электроэнергию или варьировать их производство в зависимости от сезонной потребности населения конкретной местности. К примеру, в холодные периоды, при резком снижении атмосферной температуры возможно значительное снижение производства электричества в пользу тепла или даже временная его приостановка.
