Geotermálna energia a jej využitie, perspektívy geotermálnej energie

Vo vnútri Zeme je obrovská tepelná energia. Odhady sú tu stále dosť odlišné, ale podľa najkonzervatívnejších odhadov, ak sa obmedzíme na hĺbku 3 km, tak 8 x 1017 kJ geotermálnej energie. Rozsah jeho reálneho uplatnenia u nás a vo svete je zároveň nepatrný. O čo tu ide a aké sú vyhliadky na využívanie geotermálnej energie?

Geotermálna energia je energia zemského tepla. Energia uvoľnená z prirodzeného tepla Zeme sa nazýva geotermálna energia. Ako zdroj energie môže teplo Zeme v kombinácii s existujúcimi technológiami zásobovať potreby ľudstva na mnoho, mnoho rokov. A to sa ani nedotýka tepla, ktoré siaha príliš hlboko, v oblastiach, ktoré boli doteraz nedostupné.

Po milióny rokov sa toto teplo uvoľňuje z útrob našej planéty a rýchlosť ochladzovania jadra nepresahuje 400 °C za miliardu rokov! Zároveň teplota zemského jadra podľa rôznych zdrojov v súčasnosti nie je nižšia ako 6650 ° C a smerom k povrchu postupne klesá. Zo Zeme sa neustále vyžaruje 42 biliónov wattov tepla, z toho len 2 % sú v kôre.

Vnútorná tepelná energia Zeme sa z času na čas hrozivo prejavuje v podobe erupcií tisícov sopiek, zemetrasení, pohybov zemskej kôry a iných, menej nápadných, no nemenej globálnych prírodných procesov.

Vedecký pohľad na príčiny tohto javu je taký, že vznik zemského tepla súvisí s nepretržitým procesom rádioaktívneho rozpadu uránu, tória a draslíka vo vnútri planéty, ako aj s gravitačnou separáciou hmoty. v jeho jadre.

Žulová vrstva zemskej kôry je v hĺbke 20 000 metrov hlavnou zónou rádioaktívneho rozpadu kontinentov a pre oceány je najaktívnejšou vrstvou vrchný plášť. Vedci sa domnievajú, že na kontinentoch v hĺbke asi 10 000 metrov je teplota na dne kôry asi 700 ° C, zatiaľ čo v oceánoch dosahuje teplota iba 200 ° C.

Dve percentá geotermálnej energie v zemskej kôre sú konštantných 840 miliárd wattov a ide o technologicky dostupnú energiu. Najlepšie miesta na extrakciu tejto energie sú oblasti blízko okrajov kontinentálnych platní, kde je kôra oveľa tenšia, a oblasti seizmickej a sopečnej aktivity – kde sa zemské teplo prejavuje veľmi blízko povrchu.

Kde a v akej forme sa geotermálna energia vyskytuje?

V súčasnosti sa rozvoju geotermálnej energie aktívne venuje: USA, Island, Nový Zéland, Filipíny, Taliansko, Salvádor, Maďarsko, Japonsko, Rusko, Mexiko, Keňa a ďalšie krajiny, kde teplo z útrob planéty vystupuje na povrch vo forme pary a horúcej vody, vychádza pri teplotách dosahujúcich 300°C.

Ako názorné príklady možno uviesť slávne gejzíry Islandu a Kamčatky, ako aj slávny Yellowstonský národný park, ktorý sa nachádza v amerických štátoch Wyoming, Montana a Idaho a rozprestiera sa na ploche takmer 9000 kilometrov štvorcových.

Keď hovoríme o geotermálnej energii, je veľmi dôležité pamätať na to, že má väčšinou nízky potenciál, to znamená, že teplota vody alebo pary opúšťajúcej studňu nie je vysoká. A to výrazne ovplyvňuje efektivitu využívania takejto energie.

Faktom je, že na výrobu elektriny je dnes ekonomicky účelné, aby teplota chladiacej kvapaliny bola aspoň 150 ° C. V tomto prípade sa posiela priamo do turbíny.

Existujú inštalácie, ktoré používajú vodu s nižšou teplotou. V nich geotermálna voda ohrieva sekundárne chladivo (napríklad freón), ktoré má nízky bod varu. Vytvorená para roztáča turbínu. Kapacita takýchto zariadení je však malá (10 – 100 kW), a preto budú náklady na energiu vyššie ako v elektrárňach využívajúcich vodu s vysokou teplotou.

GeoPP na Novom Zélande

Geotermálne ložiská sú porézne horniny naplnené horúcou vodou. Sú to v podstate prírodné geotermálne kotly.

Čo však v prípade, ak sa voda strávená na povrchu zeme nevyhodí, ale vráti sa späť do kotla? Vytvorenie obehového systému? V tomto prípade sa využije nielen teplo termálnej vody, ale aj okolité horniny. Takýto systém zvýši jeho celkový počet 4-5 krát. Problém znečistenia životného prostredia slanou vodou je odstránený, keďže sa vracia do podzemného horizontu.

Vo forme horúcej vody alebo pary sa teplo dodáva na povrch, kde sa využíva buď priamo na vykurovanie budov a domov, alebo na výrobu elektriny. Užitočné je aj povrchové teplo Zeme, ktoré sa zvyčajne dosahuje vŕtaním vrtov, kde sa gradient zvyšuje o 1 °C každých 36 metrov.

Na absorbovanie tohto tepla používajú tepelné čerpadlá… Horúca voda a para sa používajú na výrobu elektriny a na priame vykurovanie a teplo sústredené hlboko v neprítomnosti vody sa pomocou tepelných čerpadiel premieňa na užitočnú formu. Energia magmy a teplo, ktoré sa hromadí pod sopkami, sa získava podobným spôsobom.

Vo všeobecnosti existuje množstvo štandardných metód na výrobu elektriny v geotermálnych elektrárňach, ale opäť buď priamo, alebo v schéme podobnej tepelnému čerpadlu.

V najjednoduchšom prípade je para jednoducho nasmerovaná potrubím do turbíny elektrického generátora. V komplexnej schéme je para predčistená, aby rozpustené látky nezničili potrubia. V zmiešanej schéme sa plyny rozpustené vo vode eliminujú po kondenzácii pary vo vode.

Nakoniec existuje binárna schéma, kde iná kvapalina s nízkym bodom varu (schéma výmenníka tepla) pôsobí ako chladivo (na odber tepla a na otáčanie turbíny generátora).

Najsľubnejšie sú vákuové absorpčné tepelné čerpadlá s vodou a chloridom lítnym. Prvé zvyšujú teplotu termálnej vody v dôsledku spotreby elektrickej energie vo vákuovom vodnom čerpadle.

Do vákuového výparníka vstupuje studničná voda s teplotou 60 — 90 °C. Vzniknutá para je stláčaná turbodúchadlom. Tlak sa volí v závislosti od požadovanej teploty chladiacej kvapaliny.

Ak voda ide priamo do vykurovacieho systému, potom má 90 — 95 °C, ak do vykurovacích sietí, potom 120 — 140 °C. V kondenzátore odovzdáva skondenzovaná para svoje teplo vode cirkulujúcej v mestskom kúrení siete, vykurovacie systémy a teplá voda .

Aké sú ďalšie možnosti na zvýšenie využívania geotermálnej energie?

Jeden zo smerov súvisí s využívaním značne vyčerpaných ložísk ropy a zemného plynu.

Ako viete, výroba tejto suroviny na starých poliach sa vykonáva metódou zaplavovania vodou, to znamená, že voda sa čerpá do studní, čím sa vytláča ropa a plyn z pórov nádrže.

S postupujúcim vyčerpaním sa pórovité zásobníky plnia vodou, ktorá získava teplotu okolitých hornín a tým sa ložiská premieňajú na geotermálny kotol, z ktorého je možné súčasne ťažiť ropu a získavať vodu na vykurovanie.

Samozrejme, musia byť vyvŕtané ďalšie vrty a vytvorený cirkulačný systém, ale bude to oveľa lacnejšie ako vývoj nového geotermálneho poľa.

Ďalšou možnosťou je získavanie tepla zo suchých hornín vytváraním umelých priepustných zón. Podstatou metódy je vytvorenie pórovitosti pomocou výbuchov v suchých horninách.

Extrakcia tepla z takýchto systémov sa vykonáva nasledovne: dve studne sa vyvŕtajú v určitej vzdialenosti od seba. Do jednej sa čerpá voda, ktorá sa presúva do druhej cez vytvorené póry a trhliny, odoberá teplo z hornín, ohrieva sa a potom stúpa na povrch.

Takéto experimentálne systémy už fungujú v Spojených štátoch a Anglicku. V Los Alamos (USA) sú dva vrty — jeden s hĺbkou 2 700 m a druhý — 2 300 m, spojené hydraulickým štiepením a naplnené cirkulujúcou vodou ohriatou na teplotu 185 °C. V Anglicku v Rosemeniu lomu sa voda ohrieva na 80 °C.

Geotermálna elektráreň

Teplo planéty ako zdroj energie

Neďaleko talianskeho mesta Larederello premáva elektrická železnica poháňaná suchou parou zo studne. Systém funguje od roku 1904.

Gejzírové polia v Japonsku a San Franciscu sú ďalšie dve známe miesta na svete, ktoré tiež využívajú suchú horúcu paru na výrobu elektriny. Čo sa týka vlhkej pary, jej rozsiahlejšie polia sú na Novom Zélande, rozlohou menšie - v Japonsku, Rusku, Salvádore, Mexiku, Nikarague.

Ak považujeme geotermálne teplo za zdroj energie, jeho zásoby sú desiatky miliárd krát vyššie ako ročná spotreba energie ľudstva na celom svete.

Len 1 % tepelnej energie zemskej kôry odobratej z hĺbky 10 000 metrov by stačilo na stonásobné prekrytie zásob fosílnych palív, ako je ropa a plyn, ktoré ľudstvo nepretržite produkuje, čo vedie k nezvratnému vyčerpaniu podložie a znečistenie životného prostredia.

Je to z ekonomických dôvodov. Geotermálne elektrárne však majú veľmi mierne emisie oxidu uhličitého, približne 122 kg na megawatthodinu vyrobenej elektriny, čo je výrazne menej ako emisie z výroby energie z fosílnych palív.

Priemyselné GeoPE a vyhliadky geotermálnej energie

Prvý priemyselný geoPE s kapacitou 7,5 MW bol postavený v roku 1916 v Taliansku. Odvtedy sa nazbierali neoceniteľné skúsenosti.

K roku 1975 bol celkový inštalovaný výkon GeoPP vo svete 1278 MW av roku 1990 to bolo už 7300 MW. Najväčšie objemy rozvoja geotermálnej energie sú v Spojených štátoch, Mexiku, Japonsku, na Filipínach a v Taliansku.

Prvá geoPE na území ZSSR bola postavená na Kamčatke v roku 1966, jej kapacita je 12 MW.

Od roku 2003 funguje v Rusku geografická elektráreň Mutnovskaja, ktorej výkon je teraz 50 MW — je to momentálne najvýkonnejšia geoelektráreň v Rusku.

Najväčším GeoPP na svete je Olkaria IV v Keni s kapacitou 140 MW.

V budúcnosti je veľmi pravdepodobné, že tepelná energia magmy sa využije v tých oblastiach planéty, kde nie je príliš hlboko pod povrchom Zeme, ako aj tepelná energia zohriatych kryštalických hornín, keď studená voda sa čerpá do vyvŕtaného otvoru v hĺbke niekoľkých kilometrov a horúca voda sa vracia na povrch alebo para, po ktorej sa zahrieva alebo vyrába elektrina.

Vynára sa otázka – prečo je v súčasnosti tak málo dokončených projektov využívajúcich geotermálnu energiu? Po prvé, pretože sa nachádzajú na priaznivých miestach, kde sa voda buď naleje na povrch zeme, alebo sa nachádza veľmi plytko. V takýchto prípadoch nie je potrebné vŕtať hĺbkové vrty, ktoré sú najdrahšou súčasťou rozvoja geotermálnej energie.

Využitie termálnych vôd na zásobovanie teplom je oveľa väčšie ako na výrobu elektriny, no stále sú malé a v energetike nehrajú významnú úlohu.

GTepelná energetika robí len prvé kroky a súčasný výskum, experimentálne-priemyselné práce by mali dať odpoveď na rozsah jej ďalšieho rozvoja.