Температура по слоям земли. Температура внутри земли. Температуры разных глубин Земли
В нашей стране, богатой углеводородами, геотермальная энергия - некий экзотический ресурс, который при сегодняшнем положении дел вряд ли составит конкуренцию нефти и газу. Тем не менее этот альтернативный вид энергии может использоваться практически всюду и довольно эффективно.
Геотермальная энергия - это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью.
Однако обычно это не энергия, протекающая из внутреннего пространства Земли, а энергия, хранящаяся в земной коре. что что в течение нескольких десятилетий часть тела Земли остывает. Тепло, хранящееся в памяти, может использоваться как непосредственно для отопления и охлаждения на рынке отопления, так и для производства электроэнергии или комбинированной тепловой и электрической энергии. Независимо от сезона, ветра или солнца, геотермальная энергия является устойчивым, даже продуктивным источником энергии.
Классическая геотермальная энергия и глубокая геотермальная энергия
В зависимости от глубины использования проводится различие между приповерхностной геотермальной энергией и глубокой геотермальной энергией. Часто, однако, в сочетании с тепловыми насосами, геотермальное тепло используется с гораздо меньшей глубины для отопления и охлаждения зданий и для горячей воды.
Приземная геотермальная энергия - энергоснабжение, несмотря на низкие температуры
Даже верхние 100 метров в земле подходят для производства энергии. Приповерхностная геотермальная энергия используется в отдельных установках для отопления и горячего водоснабжения, а также для охлаждения одно - и двухквартирных домов.Температура верхних слоёв грунта зависит в основном от внешних (экзогенных) факторов - солнечного освещения и температуры воздуха. Летом и днём грунт до определённых глубин прогревается, а зимой и ночью охлаждается вслед за изменением температуры воздуха и с некоторым запаздыванием, нарастающим с глубиной. Влияние суточных колебаний температуры воздуха заканчивается на глубинах от единиц до нескольких десятков сантиметров. Сезонные колебания захватывают более глубокие пласты грунта - до десятков метров.
Глубокая геотермальная энергия - Земля как водонагреватель
Различают: геотермальные коллекторы укладываются на мелкие глубины. Это требует раскопок около 1 метра. Однако эти коллекционеры укладываются по всей стране. Если это влажный пол, тепловая мощность будет увеличиваться в той же области. Геотермальные зонды устанавливаются через скважины до 200 метров. В зависимости от геологических условий глубина и отверстия могут различаться. Геотермальное тепло от скважин, начиная с 400 м, называется глубинной геотермальной энергией. Через глубокое бурение можно использовать геотермальную энергию, которая непосредственно, т.е. могут использоваться без тепловых насосов.
На некоторой глубине - от десятков до сотен метров - температура грунта держится постоянной, равной среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли. В этом легко убедиться, спустившись в достаточно глубокую пещеру.
Когда среднегодовая температура воздуха в данной местности ниже нуля, это проявляется как вечная (точнее, многолетняя) мерзлота. В Восточной Сибири мощность, то есть толщина, круглогодично мёрзлых грунтов достигает местами 200–300 м.
Воду прессуют при высоком давлении в колоннах горячих пород. Впоследствии охлажденная вода возвращается в подземную зону. Для геотермальных районов особенно интересны области, в которых даже на небольших глубинах в несколько сотен градусов может быть достигнута. Такие условия часто связаны с вулканической активностью. В геотермальной энергии они считаются высококонцентрированными отложениями. Они используются во всем мире для производства электроэнергии. В идеале это происходит в нескольких местах в Исландии, поэтому страна получает значительную часть своего необходимого тепла через геотермальную энергию.
С некоторой глубины (своей для каждой точки на карте) действие Солнца и атмосферы ослабевает настолько, что на первое место выходят эндогенные (внутренние) факторы и происходит разогрев земных недр изнутри, так что температура с глубиной начинает расти.
Разогрев глубинных слоёв Земли связывают, главным образом, с распадом находящихся там радиоактивных элементов, хотя называют и другие источники тепла, например физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии. Но чем бы это ни было обусловлено, температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций с глубиной растёт. С этим явлением сталкиваются горняки - в глубоких шахтах всегда жарко. На глубине 1 км тридцатиградусная жара - нормальное явление, а глубже температура ещё выше.
В Германии это в основном Северо-германский бассейн, южногерманский бассейн Моласе или Верхний Рейн-Грабен. Наука предполагает, что Земля состоит из четырех слоев: земной коры, мантии Земли и внешнего и внутреннего ядра Земли. Однако есть только предположения о точной природе отдельных слоев, поскольку до сих пор было невозможно глубже проникнуть внутрь Земли более чем на 12 километров. Причина: слишком высокие температуры и слишком высокое давление.
Температуры до 000 градусов. Твердая земная кора состоит из верхнего и нижнего слоев. Он находится под океанами в среднем пять километров и под материком толщиной до 40 километров и состоит из нескольких пластин, которые движутся друг против друга. Температура верхней коры составляет 25 градусов Цельсия, а нижняя - до 900 градусов Цельсия.
Тепловой поток земных недр, достигающий поверхности Земли, невелик - в среднем его мощность составляет 0,03–0,05 Вт/м 2 , или примерно 350 Вт·ч/м 2 в год. На фоне теплового потока от Солнца и нагретого им воздуха это незаметная величина: Солнце даёт каждому квадратному метру земной поверхности около 4000 кВт·ч ежегодно, то есть в 10 000 раз больше (разумеется, это в среднем, при огромном разбросе между полярными и экваториальными широтами и в зависимости от других климатических и погодных факторов).
За земной корой следует твердая мантия. Его можно разделить на нижний и верхний слои и достичь глубины до 900 километров. До 500 градусов Цельсия, этот слой уже горячий. Под земной мантией встречается жидкое внешнее ядро толщиной около 200 километров и имеет температуру до 000 градусов по Цельсию.
Диаметр внутреннего сердечника составляет 600 километров. Считается, что здесь можно достичь до 1000 градусов по Цельсию. Постоянный тепловой поток изнутри Земли. Внутри Земли тепло постоянно вырабатывается за счет распада естественных радиоактивных изотопов. До 70 процентов теплового потока земли подается, 30 процентов можно проследить до первоначального тепла нашей планеты с момента ее возникновения.
Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения - места, где тепловой поток велик. Это, прежде всего, зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее «обычного». Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.
Однако этот тепловой поток очень низок из-за плохой теплопроводности породы. По сравнению с хорошими проводниками тепла, такими как некоторые металлы, теплопроводность ниже примерно в 500 раз. Полученный тепловой поток на поверхность Земли слишком низок для использования и лишь около 0, 1 процента тепла, выделяемого солнечной радиацией на земной поверхности.
Если вы хотите эффективно использовать геотермальную энергию, вы должны проникнуть на большие глубины и продвинуть энергию на земную поверхность. За километр температура увеличивается на 30 градусов Цельсия. Природный газ является ископаемым источником энергии, который вызывает наименьший углекислый газ. Природный газ обычно сгорает полностью и почти не выделяет загрязняющих веществ, таких как сажа или дым. Кроме того, образуется меньше твердых частиц, чем при использовании мазута, древесных гранул и угля. Может использоваться вместе с возобновляемыми источниками энергии. Природный газ может быть полезен в сочетании с возобновляемыми источниками энергии - например, с солнечными и биогазовыми установками, а также с газовыми тепловыми насосами. Еще одно преимущество: из-за низких постоянных затрат электростанции на природном газе могут использоваться децентрализованно. Что такое био-природный газ? Биогазовые установки работают в принципе как живот коровы: бактерии разлагают биомассу при исключении воздуха для биогаза. Затем этот газ нужно обрабатывать, чтобы достичь качества природного газа. Насколько безопасен нагрев газа? В Германии установки и оборудование для природного газа должны соответствовать высоким стандартам безопасности. Соответствуют ли эти стандарты, регулярно проверяется и документируется сертификационными знаками на устройствах. Почему запах природного газа? Природный газ не имеет запаха. Но он смешивается с предупреждающим запахом, который вы сразу чувствуете, когда сбегает природный газ. Что такое коэффициент конверсии природного газа? Газовые счетчики показывают количество газа, потребляемого в кубических метрах. Однако природный газ из разных источников отличается по содержанию энергии. Чтобы предоставить всем клиентам справедливое и основанное на результатах биллинг, был введен коэффициент конверсии природного газа.
- Почему природный газ настолько экологичен?
- Используя природный газ, вы вносите активный вклад в защиту климата.
Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.
В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной - явление повсеместное, и задача заключается в «добыче» тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.
Исследования показывают, что он произошел около 4, 6 миллиарда лет назад после крупного взрыва. Со временем происходит медленное и постепенное охлаждение, но внутренняя часть Земли, богатая железом и никелем, по-прежнему достаточно тепла. «Радиоактивность, т.е. спонтанного излучения радиоактивных частиц путем распадом изотопов, существующих в минералах и внутренние породы Земли, также объясняет тепло внутри планеты,» говорит Александр Улин, профессор и научный сотрудник отдела геологии Федеральный университет Минас-Жерайс.
Чем глубже слой, тем теплее внутри Земли, что представляет собой геотермальный градиент. В первые несколько сотен километров температура увеличивается примерно на 30-40 градусов по Цельсию. По оценкам экспертов, ядро Земли составляет 000 градусов Цельсия, то есть очень жарко.
В среднем температура с глубиной растёт на 2,5–3°C на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом.
Обратная величина - геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температура повышается на 1°C.
Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более перспективен данный район для развития геотермальной энергетики.
Истина заключается в том, что ни один зонд до настоящего времени не смог достичь ядра планеты, который лежит за тысячи километров от земли. Во всяком случае, подтверждения все еще необходимы, пока новое значение - на 000 градусов выше, чем текущее - используется в качестве ссылки.
Есть ли риск того, что внутренняя часть Земли остынет во времени? Существует никакой риск, но уверенность в этом охлаждении, - отвечает Сгарби. Однако, поскольку скалы, покрывающие внутреннее пространство, не являются хорошими проводниками тепла, однако это должно происходить только постепенно, в течение миллиардов лет.
В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150°C на 1 км, а в Южной Африке - 6°C на 1 км.
Когда происходит полное охлаждение, вполне вероятно, что магнитное поле, которое защищает Землю, станет намного короче или короче, а солнечная радиация разрушит нашу атмосферу или сделает ее очень трудной для жизни. Так что хорошо, что процесс очень медленный, на самом деле.
Вот слои, которые составляют внутренность Земли
Корка - самый внешний слой подразделяется на континентальный и океанический. Первый богатый кремнием и алюминием. Основные породы - гранит, а также калий, уран и торий. Океанская кора богата кремнеземом и магнием. Его основные породы - базальты, а толщины - от 7 до 10 км.
Вопрос, какова температура на больших глубинах - 5, 10 км и более? При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять в среднем примерно 250–300°C. Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры.
Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется со скоростью 10°C/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2–2,5 раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120°C, на 10 км - 180°C, а на 12 км - 220°C.
Мантия - самый толстый слой, с 885 км. Основными минералами являются магнезиальный оливин и пироксены, а также гранаты и шпинель. Наружный слой представляет собой слой жидкости, состоящий из расплавленных металлов, таких как железо и никель. Внутренняя оболочка образована твердыми металлическими сплавами, а также железа и никеля.
Вместе слои достигают толщины 271 км. Древняя модель земной структуры делит ее на три концентрических слоя: кору или красту, мантию и ядро. Как вы пришли к выводу, что было несколько слоев? По различным методам было сделано заключение, что на Земле существуют разные типы материалов, как в конституции, так и в физическом состоянии материалов. Если бы материалы и физические состояния были одинаковыми, не было бы необходимости отделять Землю на несколько слоев, было бы только одно.
Другой пример - скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на глубине 500 м зарегистрирована температура 42°C, на 1,5 км - 70°C, на 2 км - 80°C, на 3 км - 108°C.
Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с глубины 20–30 км: на глубине 100 км предположительные температуры около 1300–1500°C, на глубине 400 км - 1600°C, в ядре Земли (глубины более 6000 км) - 4000–5000°C.
Прокладка слоев. Корка: она каменистая и по существу состоит из алюмосиликатных материалов. Мантия: образована из силикатных материалов. Ядро: Сформировано очень плотными материалами, главным образом никелем и железом. Новая модель строения Земли В этой модели Земля делится на 6 слоев.
Океаническая кора; континентальная кора; верхней мантии, нижней мантии, внешнего сердечника и внутреннего сердечника. Глубина слоя: Океаническая кора -0 на 12 км. Континентальная корочка - от 0 до 70 км Верхняя мантия - от 30 до 700 км. Физическое состояние материалов.
На глубинах до 10–12 км температуру измеряют через пробурённые скважины; там же, где их нет, её определяют по косвенным признакам так же, как и на бóльших глубинах. Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сейсмических волн или температура изливающейся лавы.
Впрочем, для целей геотермальной энергетики данные о температурах на глубинах более 10 км пока не представляют практического интереса.
Верхняя мантия - пастообразная. Откуда вы знаете глубину различных слоев? Это известно благодаря поведению сейсмических волн. При использовании современных технологий и потому, что сейсмические волны пересекают земной шар, вы точно знаете, насколько глубоко они меняют свое поведение.
Землетрясения, как вы узнаете, имеют свое происхождение в слоях горных пород. Если кора, где существуют породы, достигает глубины до 70 км, так как есть землетрясения с происхождением до 150 км, так как они встречаются только в скалах? Затем было сделано заключение, что камни достигли 150 км.
На глубинах в несколько километров много тепла, но как его поднять? Иногда эту задачу решает за нас сама природа с помощью естественного теплоносителя - нагретых термальных вод, выходящих на поверхность или же залегающих на доступной для нас глубине. В ряде случаев вода в глубинах разогрета до состояния пара.
Строгого определения понятия «термальные воды» нет. Как правило, под ними подразумевают горячие подземные воды в жидком состоянии или в виде пара, в том числе выходящие на поверхность Земли с температурой выше 20°C, то есть, как правило, более высокой, чем температура воздуха.
Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей - это гидротермальная энергия. Соответственно энергетика, основанная на её использовании, называется гидротермальной.
Сложнее обстоит дело с добычей тепла непосредственно сухих горных пород - петротермальной энергии, тем более что достаточно высокие температуры, как правило, начинаются с глубин в несколько километров.
На территории России потенциал петротермальной энергии в сто раз выше, чем у гидротермальной, - соответственно 3500 и 35 трлн тонн условного топлива. Это вполне естественно - тепло глубин Земли имеется везде, а термальные воды обнаруживаются локально. Однако из-за очевидных технических трудностей для получения тепла и электроэнергии в настоящее время используются большей частью термальные воды.
Воды температурой от 20–30 до 100°C пригодны для отопления, температурой от 150°C и выше - и для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях.
В целом же геотермальные ресурсы на территории России в пересчёте на тонны условного топлива или любую другую единицу измерения энергии примерно в 10 раз выше запасов органического топлива.
Теоретически только за счёт геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.
В мире использование геотермальной энергии ассоциируется чаще всего с Исландией - страной, расположенной на северном окончании Срединно-Атлантического хребта, в исключительно активной тектонической и вулканической зоне. Наверное, все помнят мощное извержение вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajökull ) в 2010 году.
Именно благодаря такой геологической специфике Исландия обладает огромными запасами геотермальной энергии, в том числе горячих источников, выходящих на поверхность Земли и даже фонтанирующих в виде гейзеров.
В Исландии в настоящее время более 60% всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счёт геотермальных источников обеспечивается 90% отопления и 30% выработки электроэнергии. Добавим, что остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, то есть также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия выглядит неким мировым экологическим эталоном.
«Приручение» геотермальной энергии в XX веке заметно помогло Исландии в экономическом отношении. До середины прошлого столетия она была очень бедной страной, сейчас занимает первое место в мире по установленной мощности и производству геотермальной энергии на душу населения и находится в первой десятке по абсолютной величине установленной мощности геотермальных электростанций. Однако её население составляет всего 300 тысяч человек, что упрощает задачу перехода на экологически чистые источники энергии: потребности в ней в целом невелики.
Помимо Исландии высокая доля геотермальной энергетики в общем балансе производства электроэнергии обеспечивается в Новой Зеландии и островных государствах Юго-Восточной Азии (Филиппины и Индонезия), странах Центральной Америки и Восточной Африки, территория которых также характеризуется высокой сейсмической и вулканической активностью. Для этих стран при их нынешнем уровне развития и потребностях геотермальная энергетика вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие.
Использование геотермальной энергии имеет весьма давнюю историю. Один из первых известных примеров - Италия, местечко в провинции Тоскана, ныне называемое Лардерелло, где ещё в начале XIX века местные горячие термальные воды, изливавшиеся естественным путём или добываемые из неглубоких скважин, использовались в энергетических целях.
Вода из подземных источников, богатая бором, употреблялась здесь для получения борной кислоты. Первоначально эту кислоту получали методом выпаривания в железных бойлерах, а в качестве топлива брали обычные дрова из ближайших лесов, но в 1827 году Франческо Лардерел (Francesco Larderel) создал систему, работавшую на тепле самих вод. Одновременно энергию природного водяного пара начали использовать для работы буровых установок, а в начале XX века - и для отопления местных домов и теплиц. Там же, в Лардерелло, в 1904 году термальный водяной пар стал энергетическим источником для получения электричества.
Примеру Италии в конце XIX-начале XX века последовали некоторые другие страны. Например, в 1892 году термальные воды впервые были использованы для местного отопления в США (Бойсе, штат Айдахо), в 1919-м - в Японии, в 1928-м - в Исландии.
В США первая электростанция, работавшая на гидротермальной энергии, появилась в Калифорнии в начале 1930-х годов, в Новой Зеландии - в 1958 году, в Мексике - в 1959-м, в России (первая в мире бинарная ГеоЭС) - в 1965-м.
Старый принцип на новом источнике
Выработка электроэнергии требует более высокой температуры гидроисточника, чем для отопления, - более 150°C. Принцип работы геотермальной электростанции (ГеоЭС) сходен с принципом работы обычной тепловой электростанции (ТЭС). По сути, геотермальная электростанция - разновидность ТЭС.
На ТЭС в роли первичного источника энергии выступают, как правило, уголь, газ или мазут, а рабочим телом служит водяной пар. Топливо, сгорая, нагревает воду до состояния пара, который вращает паровую турбину, а она генерирует электричество.
Отличие ГеоЭС состоит в том, что первичный источник энергии здесь - тепло земных недр и рабочее тело в виде пара поступает на лопасти турбины электрогенератора в «готовом» виде прямо из добывающей скважины.
Существуют три основные схемы работы ГеоЭС: прямая, с использованием сухого (геотермального) пара; непрямая, на основе гидротермальной воды, и смешанная, или бинарная.
Применение той или иной схемы зависит от агрегатного состояния и температуры энергоносителя.
Самая простая и потому первая из освоенных схем - прямая, в которой пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину. На сухом пару работала и первая в мире ГеоЭС в Лардерелло в 1904 году.
ГеоЭС с непрямой схемой работы в наше время самые распространённые. Они используют горячую подземную воду, которая под высоким давлением нагнетается в испаритель, где часть её выпаривается, а полученный пар вращает турбину. В ряде случаев требуются дополнительные устройства и контуры для очистки геотермальной воды и пара от агрессивных соединений.
Отработанный пар поступает в скважину нагнетания либо используется для отопления помещений, - в этом случае принцип тот же, что при работе ТЭЦ.
На бинарных ГеоЭС горячая термальная вода взаимодействует с другой жидкостью, выполняющей функции рабочего тела с более низкой температурой кипения. Обе жидкости пропускаются через теплообменник, где термальная вода выпаривает рабочую жидкость, пары которой вращают турбину.
Эта система замкнута, что решает проблемы выбросов в атмосферу. Кроме того, рабочие жидкости со сравнительно низкой температурой кипения позволяют использовать в качестве первичного источника энергии и не очень горячие термальные воды.
Во всех трёх схемах эксплуатируется гидротермальный источник, но для получения электричества можно использовать и петротермальную энергию.
Принципиальная схема в этом случае также достаточно проста. Необходимо пробурить две соединяющиеся между собою скважины - нагнетательную и эксплуатационную. В нагнетательную скважину закачивается вода. На глубине она нагревается, затем нагретая вода или образовавшийся в результате сильного нагрева пар по эксплуатационной скважине подаётся на поверхность. Далее всё зависит от того, как используется петротермальная энергия - для отопления или для производства электроэнергии. Возможен замкнутый цикл с закачиванием отработанного пара и воды обратно в нагнетательную скважину либо другой способ утилизации.
Недостаток такой системы очевиден: для получения достаточно высокой температуры рабочей жидкости нужно бурить скважины на большую глубину. А это серьёзные затраты и риск существенных потерь тепла при движении флюида вверх. Поэтому петротермальные системы пока менее распространены по сравнению с гидротермальными, хотя потенциал петротермальной энергетики на порядки выше.
В настоящее время лидер в создании так называемых петротермальных циркуляционных систем (ПЦС) - Австралия. Кроме того, это направление геотермальной энергетики активно развивается в США, Швейцарии, Великобритании, Японии.
Подарок лорда Кельвина
Изобретение в 1852 году теплового насоса физиком Уильямом Томпсоном (он же - лорд Кельвин) предоставило человечеству реальную возможность использования низкопотенциального тепла верхних слоёв грунта. Теплонасосная система, или, как её называл Томпсон, умножитель тепла, основана на физическом процессе передачи тепла от окружающей среды к хладагенту. По сути, в ней используют тот же принцип, что и в петротермальных системах. Отличие - в источнике тепла, в связи с чем может возникнуть терминологический вопрос: насколько тепловой насос можно считать именно геотермальной системой? Дело в том, что в верхних слоях, до глубин в десятки-сотни метров, породы и содержащиеся в них флюиды нагреваются не глубинным теплом земли, а солнцем. Таким образом, именно солнце в данном случае - первичный источник тепла, хотя забирается оно, как и в геотермальных системах, из земли.
Работа теплового насоса основана на запаздывании прогрева и охлаждения грунта по сравнению с атмосферой, в результате чего образуется градиент температур между поверхностью и более глубокими слоями, которые сохраняют тепло даже зимой, подобно тому, как это происходит в водоёмах. Основное назначение тепловых насосов - обогрев помещений. По сути - это «холодильник наоборот». И тепловой насос, и холодильник взаимодействуют с тремя составляющими: внутренней средой (в первом случае - отапливаемое помещение, во втором - охлаждаемая камера холодильника), внешней средой - источником энергии и холодильным агентом (хладагентом), он же - теплоноситель, обеспечивающий передачу тепла или холода.
В роли хладагента выступает вещество с низкой температурой кипения, что позволяет ему отбирать тепло у источника, имеющего даже сравнительно низкую температуру.
В холодильнике жидкий хладагент через дроссель (регулятор давления) поступает в испаритель, где из-за резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости. Испарение - эндотермический процесс, требующий поглощения тепла извне. В результате тепло из внутренних стенок испарителя забирается, что и обеспечивает охлаждающий эффект в камере холодильника. Далее из испарителя хладагент засасывается в компрессор, где он возвращается в жидкое агрегатное состояние. Это обратный процесс, ведущий к выбросу отнятого тепла во внешнюю среду. Как правило, оно выбрасывается в помещение, и задняя стенка холодильника сравнительно тёплая.
Тепловой насос работает практически так же, с той разницей, что тепло забирается из внешней среды и через испаритель поступает во внутреннюю среду - систему отопления помещения.
В реальном тепловом насосе вода нагревается, проходя по внешнему контуру, уложенному в землю или водоём, далее поступает в испаритель.
В испарителе тепло передаётся во внутренний контур, заполненный хладагентом с низкой температурой кипения, который, проходя через испаритель, переходит из жидкого состояния в газообразное, забирая тепло.
Далее газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления и температуры, и поступает в конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из системы отопления.
Для работы компрессора требуется электроэнергия, тем не менее коэффициент трансформации (соотношение потребляемой и вырабатываемой энергии) в современных системах достаточно высок, чтобы обеспечить их эффективность.
В настоящее время тепловые насосы довольно широко используются для отопления помещений, главным образом, в экономически развитых странах.
Экокорректная энергетика
Геотермальная энергетика считается экологически чистой, что в целом справедливо. Прежде всего, в ней используется возобновляемый и практически неисчерпаемый ресурс. Геотермальная энергетика не требует больших площадей, в отличие от крупных ГЭС или ветропарков, и не загрязняет атмосферу, в отличие от углеводородной энергетики. В среднем ГеоЭС занимает 400 м 2 в пересчёте на 1 ГВт вырабатываемой электроэнергии. Тот же показатель для угольной ТЭС, к примеру, составляет 3600 м 2 . К экологическим преимуществам ГеоЭС относят также низкое водопотребление - 20 литров пресной воды на 1 кВт, тогда как для ТЭС и АЭС требуется около 1000 литров. Отметим, что это экологические показатели «среднестатистической» ГеоЭС.
Но отрицательные побочные эффекты всё же имеются. Среди них чаще всего выделяют шум, тепловое загрязнение атмосферы и химическое - воды и почвы, а также образование твёрдых отходов.
Главный источник химического загрязнения среды - собственно термальная вода (с высокой температурой и минерализацией), нередко содержащая большие количества токсичных соединений, в связи с чем существует проблема утилизации отработанной воды и опасных веществ.
Отрицательные эффекты геотермальной энергетики могут прослеживаться на нескольких этапах, начиная с бурения скважин. Здесь возникают те же опасности, что и при бурении любой скважины: разрушение почвенно-растительного покрова, загрязнение грунта и грунтовых вод.
На стадии эксплуатации ГеоЭС проблемы загрязнения окружающей среды сохраняются. Термальные флюиды - вода и пар - обычно содержат углекислый газ (CO 2), сульфид серы (H 2 S), аммиак (NH 3), метан (CH 4), поваренную соль (NaCl), бор (B), мышьяк (As), ртуть (Hg). При выбросах во внешнюю среду они становятся источниками её загрязнения. Кроме того, агрессивная химическая среда может вызывать коррозионные разрушения конструкций ГеоТЭС.
В то же время выбросы загрязняющих веществ на ГеоЭС в среднем ниже, чем на ТЭС. Например, выбросы углекислого газа на каждый киловатт-час выработанной электроэнергии составляют до 380 г на ГеоЭС, 1042 г - на угольных ТЭС, 906 г - на мазутных и 453 г - на газовых ТЭС.
Возникает вопрос: что делать с отработанной водой? При невысокой минерализации она после охлаждения может быть сброшена в поверхностные воды. Другой путь - закачивание её обратно в водоносный пласт через нагнетательную скважину, что предпочтительно и преимущественно применяется в настоящее время.
Добыча термальной воды из водоносных пластов (как и выкачивание обычной воды) может вызывать просадку и подвижки грунта, другие деформации геологических слоёв, микроземлетрясения. Вероятность таких явлений, как правило, невелика, хотя отдельные случаи зафиксированы (например, на ГеоЭС в Штауфен-им-Брайсгау в Германии).
Следует подчеркнуть, что большая часть ГеоЭС расположена на сравнительно малонаселённых территориях и в странах третьего мира, где экологические требования бывают менее жёсткими, чем в развитых странах. Кроме того, на данный момент количество ГеоЭС и их мощности сравнительно невелики. При более масштабном развитии геотермальной энергетики экологические риски могут возрасти и умножиться.
Почём энергия Земли?
Инвестиционные затраты на строительство геотермальных систем варьируют в очень широком диапазоне - от 200 до 5000 долларов на 1 кВт установленной мощности, то есть самые дешёвые варианты сопоставимы со стоимостью строительства ТЭС. Зависят они, прежде всего, от условий залегания термальных вод, их состава, конструкции системы. Бурение на большую глубину, создание замкнутой системы с двумя скважинами, необходимость очистки воды могут многократно увеличивать стоимость.
Например, инвестиции в создание петротермальной циркуляционной системы (ПЦС) оцениваются в 1,6–4 тыс. долларов на 1 кВт установленной мощности, что превышает затраты на строительство атомной электростанции и сопоставимо с затратами на строительство ветряных и солнечных электростанций.
Очевидное экономическое преимущество ГеоТЭС - бесплатный энергоноситель. Для сравнения - в структуре затрат работающей ТЭС или АЭС на топливо приходится 50–80% или даже больше, в зависимости от текущих цен на энергоносители. Отсюда ещё одно преимущество геотермальной системы: расходы при эксплуатации более стабильны и предсказуемы, поскольку не зависят от внешней конъюнктуры цен на энергоносители. В целом эксплуатационные затраты ГеоТЭС оцениваются в 2–10 центов (60 коп.–3 руб.) на 1 кВт·ч произведённой мощности.
Вторая по величине после энергоносителя (и весьма существенная) статья расходов - это, как правило, заработная плата персонала станции, которая может кардинально различаться по странам и регионам.
В среднем себестоимость 1 кВт·ч геотермальной энергии сопоставима с таковой для ТЭС (в российских условиях - около 1 руб./1 кВт·ч) и в десять раз выше себестоимости выработки электроэнергии на ГЭС (5–10 коп./1 кВт·ч).
Отчасти причина высокой себестоимости заключается в том, что, в отличие от тепловых и гидравлических электростанций, ГеоТЭС имеет сравнительно небольшую мощность. Кроме того, необходимо сравнивать системы, находящиеся в одном регионе и в сходных условиях. Так, например, на Камчатке, по оценкам экспертов, 1 кВт·ч геотермальной электроэнергии обходится в 2–3 раза дешевле электроэнергии, произведённой на местных ТЭС.
Показатели экономической эффективности работы геотермальной системы зависят, например, и от того, нужно ли утилизировать отработанную воду и какими способами это делается, возможно ли комбинированное использование ресурса. Так, химические элементы и соединения, извлечённые из термальной воды, могут дать дополнительный доход. Вспомним пример Лардерелло: первичным там было именно химическое производство, а использование геотермальной энергии первоначально носило вспомогательный характер.
Форварды геотермальной энергетики
Геотермальная энергетика развивается несколько иначе, чем ветряная и солнечная. В настоящее время она в существенно большей степени зависит от характера самого ресурса, который резко различается по регионам, а наибольшие концентрации привязаны к узким зонам геотермических аномалий, связанных, как правило, с районами развития тектонических разломов и вулканизма.
Кроме того, геотермальная энергетика менее технологически ёмкая по сравнению с ветряной и тем более с солнечной энергетикой: системы геотермальных станций достаточно просты.
В общей структуре мирового производства электроэнергии на геотермальную составляющую приходится менее 1%, но в некоторых регионах и странах её доля достигает 25–30%. Из-за привязки к геологическим условиям значительная часть мощностей геотермальной энергетики сосредоточена в странах третьего мира, где выделяются три кластера наибольшего развития отрасли - острова Юго-Восточной Азии, Центральная Америка и Восточная Африка. Два первых региона входят в Тихоокеанский «огненный пояс Земли», третий привязан к Восточно-Африканскому рифту. С наибольшей вероятностью геотермальная энергетика и далее будет развиваться в этих поясах. Более отдалённая перспектива - развитие петротермальной энергетики, использующей тепло слоёв земли, лежащих на глубине нескольких километров. Это практически повсеместно распространённый ресурс, но его извлечение требует высоких затрат, поэтому петротермальная энергетика развивается прежде всего в наиболее экономически и технологически мощных странах.
В целом, учитывая повсеместное распространение геотермальных ресурсов и приемлемый уровень экологической безопасности, есть основания предполагать, что геотермальная энергетика имеет хорошие перспективы развития. Особенно при нарастании угрозы дефицита традиционных энергоносителей и росте цен на них.
От Камчатки до Кавказа
В России развитие геотермальной энергетики имеет достаточно давнюю историю, и по ряду позиций мы находимся в числе мировых лидеров, хотя в общем энергобалансе огромной страны доля геотермальной энергии пока ничтожно мала.
Пионерами и центрами развития геотермальной энергетики в России стали два региона - Камчатка и Северный Кавказ, причём если в первом случае речь идёт прежде всего об электроэнергетике, то во втором - об использовании тепловой энергии термальной воды.
На Северном Кавказе - в Краснодарском крае, Чечне, Дагестане - тепло термальных вод для энергетических целей использовалось ещё до Великой Отечественной войны. В 1980–1990-е годы развитие геотермальной энергетики в регионе по понятным причинам застопорилось и пока из состояния стагнации не вышло. Тем не менее геотермальное водоснабжение на Северном Кавказе обеспечивает теплом около 500 тыс. человек, а, например, город Лабинск в Краснодарском крае с населением 60 тыс. человек полностью отапливается за счёт геотермальных вод.
На Камчатке история геотермальной энергетики связана, прежде всего, со строительством ГеоЭС. Первые из них, до сих пор работающие Паужетская и Паратунская станции, были построены ещё в 1965–1967 годах, при этом Паратунская ГеоЭС мощностью 600 кВт стала первой станцией в мире с бинарным циклом. Это была разработка советских учёных С. С. Кутателадзе и А. М. Розенфельда из Института теплофизики СО РАН, получивших в 1965 году авторское свидетельство на извлечение электроэнергии из воды с температурой от 70°C. Эта технология впоследствии стала прототипом для более 400 бинарных ГеоЭС в мире.
Мощность Паужетской ГеоЭС, введённой в эксплуатацию в 1966 году, изначально составляла 5 МВт и впоследствии была наращена до 12 МВт. В настоящее время на станции идёт строительство бинарного блока, который увеличит её мощность ещё на 2,5 МВт.
Развитие геотермальной энергетики в СССР и России тормозилось доступностью традиционных энергоносителей - нефти, газа, угля, но никогда не прекращалось. Крупнейшие на данный момент объекты геотермальной энергетики - Верхне-Мутновская ГеоЭС с суммарной мощностью энергоблоков 12 МВт, введённая в эксплуатацию в 1999 году, и Мутновская ГеоЭС мощностью 50 МВт (2002 год).
Мутновская и Верхне-Мутновская ГеоЭС - уникальные объекты не только для России, но и в мировом масштабе. Станции расположены у подножия вулкана Мутновский, на высоте 800 метров над уровнем моря, и работают в экстремальных климатических условиях, где 9–10 месяцев в году зима. Оборудование Мутновских ГеоЭС, на данный момент одно из самых современных в мире, полностью создано на отечественных предприятиях энергетического машиностроения.
В настоящее время доля Мутновских станций в общей структуре энергопотребления Центрально-Камчатского энергетического узла составляет 40%. В ближайшие годы планируется увеличение мощности.
Отдельно следует сказать о российских петротермальных разработках. Крупных ПЦС у нас пока нет, однако есть передовые технологии бурения на большую глубину (порядка 10 км), которые также не имеют аналогов в мире. Их дальнейшее развитие позволит кардинально снизить затраты на создание петротермальных систем. Разработчики данных технологий и проектов - Н. А. Гнатусь, М. Д. Хуторской (Геологический институт РАН), А. С. Некрасов (Институт народнохозяйственного прогнозирования РАН) и специалисты Калужского турбинного завода. Сейчас проект петротермальной циркуляционной системы в России находится на экспериментальной стадии.
Перспективы у геотермальной энергетики в России есть, хотя и сравнительно отдалённые: на данный момент достаточно велик потенциал и сильны позиции традиционной энергетики. В то же время в ряде отдалённых районов страны использование геотермальной энергии экономически выгодно и востребовано уже сейчас. Это территории с высоким геоэнергетическим потенциалом (Чукотка, Камчатка, Курилы - российская часть Тихоокеанского «огненного пояса Земли», горы Южной Сибири и Кавказ) и одновременно удалённые и отрезанные от централизованного энергоснабжения.
Вероятно, в ближайшие десятилетия геотермальная энергетика в нашей стране будет развиваться именно в таких регионах.
Чтобы рассчитать, каких значений достигает давление внутри Земли, вызванное весом горных пород, слагающих различные оболочки, нужно знать плотность пород на всех глубинах и величину силы тяжести также на всех глубинах вплоть до центра.
Как мы видели, плотность пород с глубиною растет, хотя и неравномерно. От 2,5 на поверхности она доходит до 3,4 на глубине около 100 км и до 6,0 на уровне 2900 км ниже поверхности. Здесь, на границе ядра, в величине плотности наблюдается скачок: она сразу достигает значения 9,5 (приблизительно), а далее снова растет равномерно, доходя в центре ядра до 12,5 (по М. С. Молоденскому, 1955) (см. рис. 8).
Рис. 8. Изменение плотности внутри Земли.
Что касается силы тяжести, то о ней можно сказать следующее. Сила тяжести - сила, с которой Земля притягивает к себе все тела. Под влиянием этой силы тела, находящиеся в свободном состоянии (например, в воздухе), падают на Землю, т. е. движутся по направлению к центру Земли, постепенно убыстряясь, т. е. получая «ускорение». Величину «ускорения силы тяжести» можно вычислить. На поверхности Земли ускорение силы тяжести равно приблизительно 9,8 м/сек 2 ; в глубине Земли оно сначала немного возрастает, достигая максимума близ поверхности ядра, а затем быстро падает, доходя в центре Земли до нуля (рис. 9). Это понятно: точка, находящаяся в центре земного шара, притягивается всеми окружающими ее частями, с одинаковой силой по всем радиусам, а в итоге равнодействующая будет равна нулю.
Рис. 9. Изменение ускорения силы тяжести внутри Земли.
Обладая указанными сведениями, мы можем вычислить вес столбика пород с поперечным сечением, равным 1 кв. сантиметру, и длиной, равной радиусу Земли или любой его части. Это и будет давление, оказываемое весом вышележащих пород на элементарную площадку (1 кв. см )в глубине Земли. Расчеты приводят к следующим цифрам: у «подошвы» земной коры, т. е. у основания сиалической оболочки (на глубине 50 км ) - около 13 тыс. атмосфер, т. е. около 13 тонн на квадратный сантиметр; на границе ядра - около 1,4 миллиона атмосфер; в центре Земли - около 3 млн. атмосфер (рис. 10). Три миллиона атмосфер - это приблизительно три тысячи тонн на квадратный сантиметр. Это - огромная величина. Ни в одной лаборатории достичь таких давлений пока не удалось.
Рис. 10. Изменения давления внутри Земли.
Перейдем к температуре. По данным измерений в буровых скважинах, а также в шахтах, выяснено, что с глубиной температура растет, поднимаясь приблизительно на 3° на протяжении каждых 100 метров. Подобный темп роста температуры сохраняется всюду, на всех материках, но лишь в наружных частях Земли, близ самой ее поверхности. С глубиной величина «геотермического градиента» (геотермический градиент - изменение температуры в градусах на каждый сантиметр) падает. Вычисления, основанные на учете теплопроводности горных пород, показывают, что геотермический градиент, известный для наружных частей земного шара, сохраняется не далее, чем на протяжении первых 20 км ; ниже рост температуры заметно замедляется. У подошвы сиалической оболочки вряд ли температура будет выше 900°; на глубине 100 км - около 1500°; дальше рост ее еще более замедляется. Что касается центральных частей Земли, в частности ядра, то с достоверностью о них оказать что-либо очень трудно. Специалисты, изучавшие этот вопрос, полагают, что недра Земли нагреты не выше, чем на 2–3 тысячи градусов (рис. 11).
Рис. 11. Изменение температуры внутри Земли.
Может быть, интересно для сравнения напомнить, что в центре Солнца температура оценивается в 1 миллион градусов, на поверхности Солнца - около 6000°. Волосок горящей электрической лампочки накален до 3000°.
Интересные данные имеются по вопросу об источниках тепла и тепловом режиме земного шара. Когда-то считалось, что Земля сохраняет в себе «первозданное» тепло, оставленное ей «в наследство» Солнцем, и постепенно теряет его, остывая и сокращаясь в объеме. Открытие радиоактивных элементов изменило прежние представления. Оказалось, что породы, слагающие земную кору, содержат радиоактивные элементы, которые самопроизвольно и непрерывно выделяют тепло. Количество этого тепла оценивается приблизительно в 6 миллионных долей малой калории на 1 кубический сантиметр породы в год, а для того, чтобы покрыть весь расход тепла, излучаемого земной поверхностью в мировое пространство, нужно, чтобы такой же элементарный кубик породы выделял всего лишь три десятимиллионные части малой калории в год. Другими словами, нет никаких оснований полагать, что земной шар остывает. Скорее, наоборот, он может разогреваться. На этом основании в последние годы предложены новые гипотезы развития земной коры и происхождения движений, испытываемых ею.
Учитывая наличие высокой температуры в недрах Земли, мы вправе поставить такой вопрос: в каком же физическом («агрегатном») состоянии находятся внутренние части Земли? В твердом или жидком, или, быть может, газообразном?
Последняя версия, т. е. представление о газообразном состоянии вещества внутри Земли, может быть сразу отклонена. Чтобы превратить в газ минералы, слагающие Землю, нужна гораздо более высокая температура, чем та, которая допустима, судя по изложенным выше данным.
Но в жидком состоянии породы могут оказаться. Известно, например, что «кислые» породы плавятся при 1000°, «основные» - при 1000–1200°, «ультраосновные» - при 1300–1400°. Это значит, что уже на глубине 100–130 км породы должны бы расплавиться. Но там очень высокое давление, а давление повышает температуру плавления. Чье же влияние окажется бóльшим: высокой температуры или высокого давления?
Здесь нужно снова обратиться к помощи сейсмических наблюдений. Продольные и поперечные волны свободно проходят через все оболочки Земли, заключенные между поверхностью Земли и границей ядра; следовательно, всюду здесь вещество ведет себя, как твердое. С таким выводом согласуется заключение астрономов и геофизиков, которые показали, что твердость Земли в целом близка к твердости стали. По вычислениям В. Ф. Бончковского, твердость Земли оценивается в 12 · 10 11 дин на квадратный сантиметр, что в четыре раза больше твердости гранита.
Таким образом, совокупность современных данных говорит о том, что все оболочки Земли (кроме ее ядра!) должны считаться находящимися в твердом состоянии. Жидкое состояние материи можно допустить лишь для совершенно незначительных участков в толще земной коры, с которыми непосредственно связаны вулканы.
Источник:
|
