Геотермальная энергия

Введение

Ведется  бурная  дискуссия  о выборе путей развития энергетики. Это связано, прежде всего,  с  растущей необходимостью охраны окружающей среды.

Энергия - не только одно из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий; помимо своего основного физического (а в более широком смысле - естественнонаучного) содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.

Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы тради­ционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топли­ва - водорода, однако управляемые термоядерные реак­ции пока не освоены и неизвестно, когда они будут использова­ны для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления. Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Данная работа является кратким, но обширным обзором современного состояния энергоресурсов человечества. В работе рассмотрено развитие энергетики, как отрасли народного хозяйства, эволюция источников энергии, а также проблемы освоения и использования новых ресурсов энергии (альтернативные источники энергии). Цель работы - прежде всего ознакомиться с современным положением дел в этой необычайно широкой проблематике, анализ новых путей получения практически полезных форм энергии.

К новым формам первичной энергии, рассмотренным в нашей дипломной работе в пер­вую очередь относятся: солнечная и геотермальная энергия, приливная, атомная, энергия ветра и энергия волн. В отличие от ископаемых топлив эти формы энергии не ограниче­ны геологически накопленными запасами (если атом­ную энергию рассматривать вместе с термоядерной). Это означает, что их использование и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.

Рассмотренные в работе новые схемы преобразования энергии можно объединить единым термином “экоэнергетика”, под которым подразумеваются любые методы по­лучения чистой энергии, не вызывающие загрязнения окружающей среды.

    Движущей силой  этого  процесса  являются  происходящие  изменения  в

энергетической  политике  стран  со  структурной  перестройкой  топливно-

энергетического   комплекса,   связанной   с   экологической   ситуацией,

складывающейся в настоящее время как  переходом  на  энергосберегающие  и

ресурсосберегающие технологии в энергетике, так и в  промышленности  и  в

жилищно-гражданском комплексе.

    Ежегодно  в  мире  увеличивается  число  международных   симпозиумов,

конференций и встреч ученых и специалистов, рассматривающих  состояние  и перспективы развития этого направления энергетики.

    Значительное  внимание   этой   проблеме   уделяется   организациями,

входящими в ООН, такими как ЮНЕСКО, ЕЭК, ЮНЕП,  ЮНИДС,  а  также  другими

межправительственными     и      неправительственными      международными

организациями. Выделяются значительные средства на работы в области  НВИЭ

из целевых ассигнований ЕЭС, Европейского фонда  национального  развития, Евроатома и других организаций.

    Приближающаяся  угроза  топливного  “голода”,  а  также   загрязнение

окружающей  среды  и  тот  факт,  что  прирост  потребности   в   энергии

значительно опережает прирост ее производства, вынуждает многие страны  с новых позиций  обратить  внимание  на  энергию  солнечных  лучей,  ветра,

текущей воды, тепла земных  недр,  то  есть  на  энергию,  большая  часть

которой растворяется в пространстве, не принося ни вреда, ни пользы.

    В настоящее время на производство тепла и  электричества  расходуется

ежегодно количество тепла, эквивалентное  примерно  1000  трлн.  баррелей

нефти, сжигание которых сильно засоряет атмосферу Земли.

Геотермальная энергия

Земля, эта маленькая зеленая планета,-наш общий дом, из которого мы пока не можем, да и не хотим, ухо­дить. По сравнению с мириадами других планет Земля действительно невелика: большая ее часть покрыта уют­ной и живительной зеленью. Но эта прекрасная и спо­койная планета порой приходит в ярость, и тогда с ней шутки плохи - она способна уничтожить все, что мило­стиво дарила нам с незапамятных времен. Грозные смерчи и тайфуны уносят тысячи жизней, неукротимые воды рек и морей разрушают все на своем пути, лесные пожары за считанные часы опустошают огромные тер­ритории вместе с постройками и посевами.

Но все это мелочи по сравнению с извержением про­снувшегося вулкана. Едва ли сыщешь на Земле другие примеры стихийного высвобождения природной энергии, которые по силе могли бы соперничать с некоторыми вулканами.

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.

Энергетика земли - геотермальная энергетика базируется на использова­нии природной теплоты Земли. Верхняя часть земной ко­ры имеет термический градиент, равный 20-30 °С в рас­чете на 1 км глубины, и, по данным Уайта (1965 г.), ко­личество теплоты, содержащейся в земной коре до глу­бины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6-10^26 Дж. Эти ресурсы эквивалент­ны теплосодержанию 4,6·1016 т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6-109 Дж/т), что бо­лее чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресур­сов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры (до глубины 10 км) слишком рассеяна, что­бы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты.

С геологической точки зрения геотермальные энерго­ресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком.

Гидротермальные системы

К категории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, ко­торые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера и фумаролы. Образование та­ких систем связано с наличием источника теплоты  го­рячен или расплавленной скальной породой, располо­женной относительно близко к поверхности земли. Над этой зоной высокотемпературной скальной породы на­ходится формация из проницаемой горной породы, содержащая воду, которая поднимается вверх в резуль­тате ее подстилающей горячей породой. Про­ницаемая порода, в свою очередь, сверху покрыта непро­ницаемой скальной породой, образующей “ловушку” для перегретой воды. Однако наличие в этой породе трещин или пор позволяет горячей воде или пароводяной смеси подниматься к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.

В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении го­рячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепарато­ра, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извле­чением из нее минералов. Примерами геотермальных месторождений с горячей водой являются Уайракей и Бродлендс в Новой Зеландии, Серро-Прието в Мексике, Солтон-Си в Калифорнии, Отаке в Японии.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двух­контурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовав­шийся в результате кипения этой жидкости, использует­ся для привода турбины. Отработавший пар конденси­руется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Установки, исполь­зующие фреон в качестве теплоносителя второго контура, о настоящее время подготовлены для промышленного освоения в диапазоне температур 75-150 °С и при еди­ничной электрической мощности в пределах 10-100 кВт. Такие установки могут быть использованы для произ­водства электроэнергии в подходящих для этого местах, особенно в отдаленных сельских районах.

Горячие системы вулканического происхождения

Ко второму типу геотермальных ресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся маг­ма и непроницаемые горячие сухие породы (зоны за­стывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скаль­ные породы). Получение геотермальной энергии непо­средственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительные технические разработки методов использования этих энергетических ресурсов предусматри­вают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу. Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону трещино­ватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагрева­ется и извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотрен­ных ранее способов.

Системы с высоким тепловым потоком

Геотермальные системы третьего типа существуют в тех районах, где в зоне с высокими значениями теплово­го потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из сква­жин, может достигать 100 °С.

Особая категория месторождений этого типа нахо­дится в районах, где нормальный тепловой поток через грунт оказывается в ловушке из изолирующих непрони­цаемых пластов глины, образовавшихся в быстро опускающихся геосинклинальных зонах или в областях опускания земной коры. Температу­ра воды, поступающей из геотермальных месторождений в зонах геодавления, может достигать 150-180 °С, а давление у устья скважины 28-56 МПа. Суточная про­изводительность в расчете на одну скважину может со­ставлять несколько   миллионов кубических метров флюида. Геотермальные бассейны в зонах повышенного геодавле­ния найдены во многих районах в ходе нефтегазоразведки, например, в Северной и Южной Америке, на Даль­нем и Ближнем Востоке, в Африке и Европе. Возмож­ность использования таких месторождений в энергетиче­ских целях пока еще не продемонстрирована.