XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Темпы роста объемов и расширения спектра использования геотермальных ресурсов в последнее время свидетельствуют о том, что геотермальные энергетические технологии во многих странах становятся основной составляющей в энергетическом балансе, и роль геотермии в мировой энергетике неуклонно растет. Оценки показывают, что мировой потенциал изученных геотермальных запасов на сегодня составляет 0,2 ТВт электрической и 4,4 ТВт тепловой мощности.

Земная кора получает тепло от раскалённого до 4000ºС ядра (рисунок 1), где происходят ядерные и химические реакции с выделением огромного количества тепла. Разность температур между внешней и внутренней поверхностями коры около 1000ºС. Кора состоит из твёрдых пород и имеет невысокую теплопроводность. Геотермальный поток 5 через неё в среднем 0,06Вт/м² при температурном градиенте 30ºС/км. Выход тепла через твёрдые породы суши и океанского дна происходит за счёт теплопроводности (геотермальное тепло) и в виде конвективных потоков расплавленной магмы или горячей воды.

В районах с повышенными градиентами температуры эти потоки составляют 10-20Вт/м² и там могут быть созданы геотермальные энергетические (электрические) станции (Гео ТЭС).

Температурный градиент повышается в зонах с плохо проводящими тепло или насыщенными водой породами. Особенно высокое тепловое взаимодействие мантии с корой наблюдается по границам материковых платформ. В этих районах велик потенциал геотермальной энергии. Градиент температуры достигает 100ºС/км. Это районы с повышенной сейсмичностью, с вулканами, гейзерами, горячими ключами. Такими районами являются: Камчатка в России, Калифорния (Сакраменто) в США, а также зоны в Новой Зеландии, Италии, Мексике, Японии, Филиппинах, Сальвадоре, Исландии и других странах.

Сведения о геотермальных структурах получают при геологической съёмке, проходке шахт, скважин (при глубоком бурении –6 км и более). Технология бурения скважин до 15 км остаётся такой же как и до 6 км, поэтому при строительстве Гео ТЭС эта проблема может считаться решённой. Геотермальные районы подразделяют на 3 класса:

*гипертермальные с температурным градиентом более 80ºС/км - расположены в зонах вблизи границ континентальных платформ –Тоскана в Италии;

*полутермальные –40-80ºС/км – расположены вдали от границ платформ, но связаны с аномалиями, например, глубокими естественными водоносными пластами или раздробленными сухими породами – район Парижа;

*нормальные – менее 40ºС/км, где тепловые потоки составляют 0,06 Вт/м². В этих районах извлечение геотермального тепла – пока нецелесообразно.

Рисунок 1 - Внутренняя структура Земли и поток геотермальной энергии.

Главный источник получения геотермальной энергии — это тепловой поток недр планеты, который направлен к поверхности. Эта теплота вырабатывается за счет химических реакций, радиоактивных распадов и трений ядра. Геотермальную теплоту можно получить различными способами.

Типы используемых ресурсов

Для добычи геотермальной энергии используют следующие типы ресурсов:

тепло поверхности планеты на расстоянии до сотен метров к ядру;

гидротермальные (природные резервуары с водой) и парогидротермальные (места появления пара и смеси водяного пара) системы;

энергия от сухой горной породы (петротермальная);

магма.

Гидротермальная энергетика

Этот вид энергетики направлен на производство электроэнергии из теплоты подземных вод. Источники теплоты бывают следующими:

водяные — для существования необходим пласт горной породы для передачи тепла, при этом давление выше атмосферного;

пароводяные — между двумя пластами находится вода, через нижний происходит передача теплоты, а верхний слой не дает воде просочиться наружу, для получения теплоты нужно высвободить воду или пар, для этого нужно бурить скважину;

паровые — схема работы аналогичная с предыдущим, но при этом тепло переносит только пар.

Петротермальнаяэнергетика

Этот вид энергетики занимается добычей электричества через подземное тепло от горячей горной породы. Однако этот вид энергетики менее распространен: для производства энергии необходима нагретая порода, которая даже в областях с высокой температурой залегает на глубине не менее двух километров.

Способы извлечения ресурсов

Для получения энергии задействуют один из способов:

традиционный;

фонтанный — благодаря давлению в земле происходит самоизливание ресурса;

насосный — способ применяется, когда образование фонтана невозможно;

геоциркуляционный — охлажденный ресурс отправляют обратно в недры Земли.

Основные сферы применения энергии

Геотермальная энергетика применяется все шире, хоть и не является ключевым для всей энергетики. В силу специфики добычи геотермальная энергия используется в следующих случаях.

Использование в промышленности

Промышленность — это та сфера, которой необходим такой источник энергии, который не будет зависеть от внешних факторов, таких как время суток. Это способна обеспечить геотермальная энергетика, поэтому промышленность является одним из главных потребителей этого вида энергии. В крупных масштабах добыча производится в Исландии, Новой Зеландии, России, Соединенных Штатах Америки и так далее.

Применение в сельском хозяйстве

В хозяйстве геотермальная энергия может использоваться для обогрева растений в оранжерее или теплице, для полива культур, а также для обеспечения отопления комплексов, ответственных за содержание животных и птиц. Однако эксплуатация также зависит от состава воды. Применение этого вида энергетики в сельском хозяйстве наблюдается в Греции, Мексике, Кении, Израиле, Гватемале.

Для отопления домов

Добывать геотермальную энергию в небольших объемах можно самостоятельно и организовывать в качестве централизованного или частного отопления. Например, в частных домах такие системы действуют автономно.

Реализуется принцип работы как у кондиционера, настроенного на обогрев помещения. Однако кондиционер перестает работать, если температура за окном ниже 5 градусов Цельсия, но для геотермальной системы это не является преградой.

Л и т е р а т у р а

1. Беззубцева М.М., Волков В.С. Нетрадиционная и возобновляемая энергетика: конспект лекций для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 «Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». — СПб.: СПбГАУ, 2016. — 127

2. Геотермальная энергия в России и мире // cleanbin.ru URL: https://cleanbin.ru/terms/geothermal-energy#Harakteristiki_zapasov_tepla_Zemli