Kolika je temperatura zemlje na dubini od 2 metra. Toplinska polja na granici zgrada-prizemlje. Dubina smrzavanja. Utjecaj snježnog pokrivača na tlo. Iskustvo u korištenju geotermalnih NVC sustava
Ovo bi moglo izgledati fantastično da nije istina. Ispostavilo se da u teškim sibirskim uvjetima možete dobiti toplinu izravno iz zemlje. Prvi objekti s geotermalnim sustavima grijanja pojavili su se u Tomskoj regiji prošle godine, a iako oni mogu smanjiti troškove topline u usporedbi s tradicionalnim izvorima za oko četiri puta, još nema masovnog odlaska "pod zemlju". No, trend je primjetan i, što je najvažnije, uzima maha. Zapravo, ovo je najpristupačniji alternativni izvor energije za Sibir, gdje, na primjer, solarni paneli ili vjetrogeneratori ne mogu uvijek pokazati svoju učinkovitost. Geotermalna energija u biti samo leži pod našim nogama.
“Dubina smrzavanja tla je 2-2,5 metara. Temperatura zemlje ispod ove oznake ostaje ista zimi i ljeti, u rasponu od plus jedan do plus pet stupnjeva Celzijusa. Rad dizalice topline temelji se na ovom svojstvu, kaže inženjer energetike Odjela za obrazovanje uprave okruga Tomsk Roman Alekseenko. - Spojne cijevi se ukopavaju u zemljanu konturu do dubine od 2,5 metra, na udaljenosti od oko metar i pol jedna od druge. Rashladno sredstvo, etilen glikol, cirkulira u sustavu cijevi. Vanjski vodoravni krug uzemljenja komunicira s rashladnom jedinicom, u kojoj cirkulira rashladno sredstvo - freon, plin s niskom točkom vrelišta. Na plus tri stupnja Celzijusa ovaj plin počinje ključati, a kada kompresor oštro komprimira kipući plin, temperatura potonjeg raste na plus 50 stupnjeva Celzijusa. Zagrijani plin se šalje u izmjenjivač topline u kojem cirkulira obična destilirana voda. Tekućina se zagrijava i širi toplinu kroz sustav grijanja položen u pod."
Čista fizika i bez čuda
Dječji vrtić opremljen modernim danskim sustavom geotermalnog grijanja otvoren je prošlog ljeta u selu Turuntaevo u blizini Tomska. Prema riječima direktora Tomske tvrtke "Ekoklimat" Georgij Granin, energetski učinkovit sustav omogućio je višestruko smanjenje naknada za grijanje. Tijekom osam godina, ovo Tomsko poduzeće već je opremilo oko dvjesto objekata u regiji geotermalnim sustavima grijanja. različitim regijama Rusija i nastavlja to činiti u regiji Tomsk. Dakle, nema sumnje u Graninove riječi. Godinu dana prije otvaranja vrtića u Turuntaevu, Ecoclimate je opremio još jedan Dječji vrtić"Sunčani zeko" u mikrodistriktu "Zelena brda" u Tomsku. Zapravo, ovo je bilo prvo takvo iskustvo. I pokazalo se prilično uspješnim.
Još 2012. godine, tijekom posjeta Danskoj organiziranog u okviru programa Euro Info Correspondent Center (EICC-Tomsk Region), tvrtka je uspjela dogovoriti suradnju s danskom tvrtkom Danfoss. I danas, danska oprema pomaže u izvlačenju topline iz dubina Tomska, i, kako kažu stručnjaci bez pretjerane skromnosti, ispada prilično učinkovito. Glavni pokazatelj učinkovitosti je učinkovitost. "Sustav grijanja zgrade dječjeg vrtića površine 250 četvornih metara u Turuntaevu koštao je 1,9 milijuna rubalja", kaže Granin. "A naknada za grijanje je 20-25 tisuća rubalja godišnje." Ovaj iznos nije usporediv s iznosom koji bi vrtić platio za grijanje koristeći tradicionalne izvore.
Sustav je u sibirskoj zimi radio bez problema. Izrađen je izračun sukladnosti opreme za grijanje sa standardima SanPiN, prema kojima mora održavati temperaturu u zgradi vrtića ne nižu od +19 ° C pri vanjskoj temperaturi zraka od -40 ° C. Ukupno je oko četiri milijuna rubalja potrošeno na preuređenje, popravak i ponovno opremanje zgrade. S toplinskom pumpom iznos je bio nešto manji od šest milijuna kuna. Zahvaljujući dizalicama topline danas je grijanje dječjeg vrtića potpuno izolirano i neovisni sustav. Zgrada sada nema tradicionalne radijatore, a prostorija se grije pomoću sustava "toplog poda".
Dječji vrtić Turuntaevsky je izoliran, kako kažu, "od" do "do" - zgrada je opremljena dodatnom toplinskom izolacijom: sloj izolacije od 10 centimetara, što odgovara dvije do tri cigle, postavljeno je na vrh postojećeg zida. (debljine tri cigle). Iza izolacije nalazi se zračni sloj, a zatim metalni sporedni kolosijek. Krov je također izoliran na isti način. Glavni fokus graditelja bio je na "toplom podu" - sustavu grijanja zgrade. Ispalo je nekoliko slojeva: betonski pod, sloj pjenaste plastike debljine 50 mm, sustav cijevi u kojem se Vruća voda i linoleum. Unatoč činjenici da temperatura vode u izmjenjivaču topline može doseći +50°C, maksimalno zagrijavanje stvarne podnice ne prelazi +30°C. Stvarna temperatura svake sobe može se podesiti ručno - automatski senzori omogućuju postavljanje temperature poda tako da se soba u vrtiću zagrije do stupnjeva koji zahtijevaju sanitarni standardi.
Snaga pumpe u vrtiću Turuntaevsky je 40 kW proizvedene toplinske energije, za čiju proizvodnju toplinska pumpa zahtijeva 10 kW električne energije. Dakle, iz 1 kW potrošene električne energije dizalica topline proizvede 4 kW topline. “Malo smo se bojali zime – nismo znali kako će se toplinske pumpe ponašati. Ali čak i u vrlo hladno u vrtiću je bilo konstantno toplo - od plus 18 do 23 stupnja Celzijusa, kaže ravnateljica srednje škole Turuntaevskaya Evgenij Belonogov. - Naravno, ovdje vrijedi uzeti u obzir da je sama zgrada bila dobro izolirana. Oprema je nepretenciozna u održavanju i unatoč činjenici da je ovo zapadni razvoj, pokazala se vrlo učinkovitom u našim teškim sibirskim uvjetima.”
Sveobuhvatan projekt razmjene iskustava u području očuvanja resursa proveo je EICC-Tomsk regija Gospodarske i industrijske komore Tomsk. Sudionici su bili mala i srednja poduzeća koja razvijaju i implementiraju tehnologije za uštedu resursa. U svibnju prošle godine danski stručnjaci posjetili su Tomsk u sklopu rusko-danskog projekta, a rezultat je, kako kažu, očit.
Inovacija dolazi u školu
Novu školu u selu Veršinino, Tomska oblast, sagradio poljoprivrednik Mihail Kolpakov, treći je objekt u regiji koji koristi toplinu zemlje kao izvor topline za grijanje i toplu vodu. Škola je jedinstvena i po tome što ima najvišu kategoriju energetske učinkovitosti – “A”. Sustav grijanja projektirala je i pustila u rad ista tvrtka “Ekoklimat”.
“Kada smo donosili odluku o tome kakvu ćemo vrstu grijanja ugraditi u školu, imali smo nekoliko opcija - kotlovnicu na ugljen i toplinske pumpe”, kaže Mihail Kolpakov. - Proučavali smo iskustvo energetski učinkovitog vrtića u Zelenom Gorkom i izračunali da bi nas grijanje na starinski način, na ugljen, koštalo više od 1,2 milijuna rubalja po zimi, a potrebna nam je i topla voda. A s dizalicama topline troškovi će biti oko 170 tisuća za cijelu godinu, uključujući toplu vodu.”
Sustavu je potrebna samo električna energija za proizvodnju topline. Trošeći 1 kW električne energije, dizalice topline u školi proizvode oko 7 kW toplinske energije. Osim toga, za razliku od ugljena i plina, toplina zemlje je samoobnavljajući izvor energije. Instalacija modernog sustava grijanja u školi koštala je oko 10 milijuna rubalja. U tu svrhu izbušeno je 28 bunara u krugu škole.
“Aritmetika je ovdje jednostavna. Izračunali smo da će servisiranje kotlovnice na ugljen, uzimajući u obzir plaću ložača i troškove goriva, koštati više od milijun rubalja godišnje", napominje šef odjela za obrazovanje Sergej Efimov. - Kada koristite toplinske pumpe, morat ćete platiti oko petnaest tisuća rubalja mjesečno za sve resurse. Nedvojbene prednosti korištenja dizalica topline su njihova učinkovitost i ekološka prihvatljivost. Sustav opskrbe toplinom omogućuje vam regulaciju opskrbe toplinom ovisno o vremenu izvana, čime se eliminira takozvano "podgrijavanje" ili "pregrijavanje" prostorije."
Prema preliminarnim proračunima, skupa danska oprema isplatit će se za četiri do pet godina. Vijek trajanja Danfoss dizalica topline, s kojima Ekoklimat doo radi, je 50 godina. Primajući podatke o vanjskoj temperaturi zraka, računalo određuje kada grijati školu, a kada ne. Dakle, pitanje datuma uključivanja i isključivanja grijanja u potpunosti nestaje. Bez obzira na vrijeme izvan prozora u školi, kontrola klime uvijek će raditi za djecu.
„Kada je izvanredni i opunomoćeni veleposlanik Kraljevine Danske prošle godine došao na sveruski skup i posjetio naš vrtić u Green Gorkom, bio je ugodno iznenađen što se one tehnologije koje se čak i u Kopenhagenu smatraju inovativnima primjenjuju i rade u Tomsku. regija”, govori Komercijalni direktor Ecoclimate tvrtka Aleksandar Granin.
Općenito, korištenje lokalnih obnovljivih izvora energije u različitim sektorima gospodarstva, u ovom slučaju u socijalnoj sferi, što uključuje škole i vrtiće, jedan je od glavnih pravaca koji se u regiji provode u sklopu programa uštede energije i povećanje energetske učinkovitosti. Razvoj obnovljivih izvora energije aktivno podupire regionalni guverner Sergej Žvačkin. I tri proračunske institucije s geotermalnim sustavom grijanja samo su prvi koraci prema realizaciji velikog i perspektivnog projekta.
Dječji vrtić u Green Hillsu na natjecanju u Skolkovu proglašen je najboljim energetski učinkovitim objektom u Rusiji. Tada se pojavila i škola Vershininskaya s geotermalnim grijanjem najviša kategorija energetska učinkovitost. Sljedeći objekt, ne manje značajan za regiju Tomsk, je dječji vrtić u Turuntaevu. U ove godine tvrtke Gazkhimstroyinvest i Stroygarant već su započele izgradnju dječjih vrtića za 80 odnosno 60 djece u selima Kopylovo i Kandinka u regiji Tomsk. Oba nova objekta grijat će se geotermalnim sustavima grijanja – na dizalice topline. Ukupno, ove godine uprava okruga namjerava potrošiti gotovo 205 milijuna rubalja na izgradnju novih vrtića i obnovu postojećih. Postoji potreba za rekonstrukcijom i ponovnim opremanjem zgrade za dječji vrtić u selu Takhtamyshevo. I u ovoj zgradi grijanje će se provoditi pomoću dizalica topline, jer se sustav dobro pokazao.
Jedna od najboljih, najracionalnijih metoda u izgradnji trajnih staklenika je podzemni termos staklenik.
Korištenje ove činjenice postojanosti temperature zemlje na dubini u izgradnji staklenika omogućuje ogromne uštede na troškovima grijanja u hladnoj sezoni, olakšava održavanje i čini mikroklimu stabilnijom..
Takav staklenik radi u najjačim mrazima, omogućuje vam proizvodnju povrća i uzgoj cvijeća tijekom cijele godine.
Pravilno opremljen staklenik u zemlji omogućuje uzgoj, uključujući biljke koje vole toplinu. južne kulture. Ograničenja praktički nema. U stakleniku mogu uspijevati agrumi, pa čak i ananas.
Ali kako bi sve ispravno funkcioniralo u praksi, nužno je slijediti provjerene tehnologije koje se koriste za izgradnju podzemnih staklenika. Uostalom, ova ideja nije nova; čak i za vrijeme cara u Rusiji, potopljeni staklenici su proizvodili berbe ananasa, koje su poduzetni trgovci izvozili za prodaju u Europu.
Iz nekog razloga izgradnja takvih staklenika nije postala raširena u našoj zemlji, uglavnom je jednostavno zaboravljena, iako je dizajn idealan za našu klimu.
Vjerojatno je ovdje ulogu odigrala potreba za kopanjem duboke jame i izlijevanjem temelja. Izgradnja ukopanog staklenika prilično je skupa, daleko je od staklenika prekrivenog polietilenom, ali je povrat od staklenika puno veći.
Ukupna unutarnja rasvjeta ne gubi se zakopavanjem u zemlju; to se može činiti čudnim, ali u nekim je slučajevima zasićenost svjetlom čak i veća od one u klasičnim staklenicima.
Nemoguće je ne spomenuti čvrstoću i pouzdanost konstrukcije, neusporedivo je jača od uobičajene, lakše podnosi uraganske udare vjetra, dobro se odupire tuči, a snježni ostaci neće postati smetnja.
1. Jama
Stvaranje staklenika počinje kopanjem jame. Da bi se toplina zemlje iskoristila za zagrijavanje unutrašnjosti, staklenik mora biti dovoljno dubok. Što dublje idete, zemlja postaje toplija.
Temperatura ostaje gotovo nepromijenjena tijekom cijele godine na udaljenosti od 2-2,5 metara od površine. Na dubini od 1 m temperatura tla više oscilira, ali čak i zimi njezina vrijednost ostaje pozitivna, obično na srednja traka temperatura je 4-10 C, ovisno o godišnjem dobu.
Uvučeni staklenik gradi se u jednoj sezoni. Odnosno, zimi će moći u potpunosti funkcionirati i stvarati prihod. Izgradnja nije jeftina, ali korištenjem domišljatosti i kompromisnih materijala moguće je uštedjeti doslovno red veličine izradom neke vrste ekonomične verzije staklenika, počevši od temeljne jame.
Na primjer, bez upotrebe građevinske opreme. Iako je najzahtjevniji dio posla - kopanje jame - bolje ga je dati bageru. Ručno uklanjanje takve količine zemlje je teško i dugotrajno.
Dubina jame za iskop mora biti najmanje dva metra. Na takvoj dubini zemlja će početi dijeliti svoju toplinu i raditi kao svojevrsna termosica. Ako je dubina manja, tada će ideja u načelu raditi, ali primjetno manje učinkovito. Stoga se preporuča ne štedjeti trud i novac na produbljivanju budućeg staklenika.
Podzemni staklenici mogu biti bilo koje duljine, ali je bolje držati širinu unutar 5 metara, ako je širina veća, pogoršavaju se karakteristike kvalitete grijanja i refleksije svjetlosti.
Na stranama horizonta, podzemni staklenici moraju biti usmjereni, poput običnih staklenika i staklenika, od istoka prema zapadu, odnosno tako da jedna od strana gleda na jug. U tom položaju biljke će dobiti maksimalnu količinu sunčeve energije.
2. Zidovi i krov
Izlijeva se temelj ili se polažu blokovi po obodu jame. Temelj služi kao osnova za zidove i okvir strukture. Bolje je napraviti zidove od materijala s dobrim karakteristikama toplinske izolacije, toplinski blokovi su izvrsna opcija.
Krovni okvir često je izrađen od drva, od šipki impregniranih antiseptičkim sredstvima. Krovna konstrukcija je najčešće ravna zabatna. U sredini konstrukcije pričvršćena je sljemena greda, za to su središnji nosači postavljeni na podu duž cijele duljine staklenika.
Sljemenska greda i zidovi povezani su nizom rogova. Okvir se može napraviti bez visokih nosača. Zamjenjuju se malim, koji se postavljaju na poprečne grede koje povezuju suprotne strane staklenika - ovaj dizajn čini unutarnji prostor slobodnijim.
Kao krovni pokrov, bolje je uzeti stanični polikarbonat - popularan moderni materijal. Razmak između rogova tijekom izgradnje prilagođava se širini polikarbonatnih ploča. Prikladno je raditi s materijalom. Premaz se dobiva s malim brojem spojeva, budući da se ploče proizvode u duljini od 12 m.
Na okvir su pričvršćeni samoreznim vijcima, bolje ih je odabrati s poklopcem u obliku podloške. Da biste izbjegli pucanje ploče, morate izbušiti rupu odgovarajućeg promjera za svaki samorezni vijak. Pomoću odvijača ili obične bušilice s Phillipsovim nastavkom, ostakljenje se odvija vrlo brzo. Kako bi osigurali da ne ostanu praznine, dobro je duž vrha rogova unaprijed položiti brtvilo od mekane gume ili drugog prikladnog materijala i tek onda pričvrstiti ploče. Vrh krova duž sljemena potrebno je obložiti mekom izolacijom i pritisnuti nekom vrstom kuta: plastikom, limom ili drugim prikladnim materijalom.
Za dobru toplinsku izolaciju, krov se ponekad izrađuje s dvostrukim slojem polikarbonata. Iako je prozirnost smanjena za oko 10%, pokrivena je izvrsnom toplinskom izolacijom. Treba uzeti u obzir da se snijeg na takvom krovu ne topi. Dakle, nagib mora biti pod dovoljnim kutom, najmanje 30 stupnjeva, kako se snijeg ne bi nakupljao na krovu. Dodatno je ugrađen električni vibrator za trešenje, koji će zaštititi krov ako se nakupi snijeg.
Dvostruko staklo se izvodi na dva načina:
Između dva lista umetnut je poseban profil, listovi su pričvršćeni na okvir odozgo;
Najprije je donji sloj ostakljenja pričvršćen na okvir iznutra, na donju stranu rogova. Drugi sloj krova prekriven je, kao i obično, odozgo.
Nakon završetka radova, preporučljivo je zalijepiti sve spojeve trakom. Gotovi krov izgleda vrlo impresivno: bez nepotrebnih spojeva, glatko, bez izbočenih dijelova.
3. Izolacija i grijanje
Izolacija zidova izvodi se na sljedeći način. Prvo trebate temeljito premazati sve spojeve i šavove zida otopinom; ovdje također možete koristiti poliuretanska pjena. Unutarnja strana Zidovi su obloženi termoizolacijskim filmom.
U hladnim dijelovima zemlje dobro je koristiti debelu foliju, pokrivajući zid dvostrukim slojem.
Temperatura duboko u tlu staklenika je iznad nule, ali niža od temperature zraka potrebne za rast biljaka. Gornji sloj zagrijavaju sunčeve zrake i zrak staklenika, ali tlo ipak oduzima toplinu, pa se često u podzemnim staklenicima koristi tehnologija "toplih podova": grijaći element - električni kabel - zaštićen je metalna rešetka ili ispunjena betonom.
U drugom slučaju, tlo za krevete se sipa na beton ili se zelje uzgaja u loncima i saksijama.
Korištenje podnog grijanja može biti dovoljno za zagrijavanje cijelog staklenika, ako ima dovoljno snage. Ali učinkovitije je i ugodnije za biljke koristiti kombinirano grijanje: topli pod + grijanje zraka. Za dobar rast potrebna im je temperatura zraka od 25-35 stupnjeva s temperaturom tla od oko 25 C.
ZAKLJUČAK
Naravno, izgradnja staklenika s ugradnjom koštat će više i zahtijevati više truda nego izgradnja sličnog staklenika konvencionalnog dizajna. Ali novac uložen u termos staklenik s vremenom se isplati.
Prvo, štedi energiju za grijanje. Bez obzira kako zagrijavate zimsko vrijeme obični nadzemni staklenik, uvijek će biti skuplji i teži od sličnog načina grijanja u podzemnom stakleniku. Drugo, ušteda na rasvjeti. Toplinska izolacija zidova folijom, reflektirajući svjetlost, udvostručuje osvjetljenje. Mikroklima u dubokom stakleniku zimi će biti povoljnija za biljke, što će svakako utjecati na prinos. Sadnice će se lako ukorijeniti, a nježne biljke će se osjećati sjajno. Takav staklenik jamči stabilan, visok prinos svih biljaka tijekom cijele godine.
U našoj, ugljikovodicima bogatoj zemlji, geotermalna energija svojevrsni je egzotičan resurs, koji, s obzirom na sadašnje stanje, teško može konkurirati nafti i plinu. Međutim, ova alternativna vrsta energije može se koristiti gotovo posvuda i to prilično učinkovito.
Geotermalna energija je toplina zemljine unutrašnjosti. Stvara se u dubinama i dospijeva na površinu Zemlje u različite forme i to različitim intenzitetima.
Temperatura gornje slojeve tlo ovisi uglavnom o vanjskim (egzogenim) čimbenicima – sunčevoj svjetlosti i temperaturi zraka. Tlo se ljeti i danju zagrijava do određene dubine, a zimi i noću hladi se prateći promjene temperature zraka i s određenim kašnjenjem koje se povećava s dubinom. Utjecaj dnevnih kolebanja temperature zraka prestaje na dubinama od nekoliko do nekoliko desetaka centimetara. Sezonske fluktuacije utječu na dublje slojeve tla - do nekoliko desetaka metara.
Na određenoj dubini - od desetaka do stotina metara - temperatura tla ostaje konstantna, jednaka prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka na površini Zemlje. To možete lako provjeriti spuštanjem u prilično duboku špilju.
Kada prosječna godišnja temperatura zraka u određenom području ispod nule, to se manifestira kao permafrost (točnije permafrost). U istočnom Sibiru debljina, odnosno debljina cjelogodišnjeg smrznutog tla na nekim mjestima doseže 200-300 m.
S određene dubine (različite za svaku točku na karti) djelovanje Sunca i atmosfere toliko slabi da na prvo mjesto dolaze endogeni (unutarnji) čimbenici te se unutrašnjost zemlje zagrijava iznutra, tako da temperatura počinje rasti. s dubinom.
Zagrijavanje dubokih slojeva Zemlje povezuje se uglavnom s raspadom radioaktivnih elemenata koji se tamo nalaze, iako se nazivaju i drugi izvori topline, na primjer, fizikalno-kemijski, tektonski procesi u dubokim slojevima zemljine kore i plašta. Ali koji god da je razlog, temperatura stijene i pridruženih tekućih i plinovitih tvari povećava se s dubinom. Rudari se suočavaju s ovim fenomenom - u dubokim rudnicima uvijek je vruće. Na dubini od 1 km normalna je vrućina od trideset stupnjeva, a dublje je temperatura još viša.
Toplinski tok Zemljine unutrašnjosti koji dopire do Zemljine površine je malen - u prosjeku njegova snaga iznosi 0,03–0,05 W/m2, odnosno približno 350 Wh/m2 godišnje. Na pozadini protoka topline od Sunca i zraka koji se njime zagrijava, to je neprimjetna vrijednost: Sunce daje svima četvorni metar Zemljina površina oko 4000 kWh godišnje, odnosno 10 000 puta više (naravno, radi se o prosjeku, s velikim rasponom između polarnih i ekvatorijalnih širina i ovisno o drugim klimatskim i vremenskim čimbenicima).
Beznačajnost protoka topline iz unutrašnjosti prema površini na većem dijelu planeta povezana je s niskom toplinskom vodljivošću stijena i karakteristikama geološka građa. Ali postoje iznimke - mjesta gdje je protok topline visok. To su, prije svega, zone tektonskih rasjeda, pojačane seizmičke aktivnosti i vulkanizma, gdje energija Zemljine unutrašnjosti nalazi izlaz. Takve zone karakteriziraju toplinske anomalije litosfere; ovdje protok topline koji dopire do površine Zemlje može biti nekoliko puta, pa čak i redova veličine, jači od "uobičajenog". Vulkanske erupcije i topli izvori donose goleme količine topline na površinu u tim zonama.
To su područja koja su najpovoljnija za razvoj geotermalne energije. Na području Rusije to je prije svega Kamčatka, Kurilska ostrva i Kavkaz.
Istodobno, razvoj geotermalne energije moguć je gotovo posvuda, jer je porast temperature s dubinom univerzalna pojava, a zadatak je "izvlačenje" topline iz dubina, kao što se odatle crpe mineralne sirovine.
U prosjeku, temperatura raste s dubinom za 2,5–3°C na svakih 100 m. Omjer temperaturne razlike između dviju točaka koje leže na različitim dubinama i razlike u dubini između njih naziva se geotermalni gradijent.
Recipročna vrijednost je geotermalni korak, odnosno dubinski interval na kojem temperatura raste za 1°C.
Što je veći gradijent i, shodno tome, niži stupanj, toplina Zemljinih dubina je bliža površini i to je područje perspektivnije za razvoj geotermalne energije.
U različitim područjima, ovisno o geološkoj strukturi i drugim regionalnim i lokalnim uvjetima, stopa porasta temperature s dubinom može dramatično varirati. Na Zemljinoj razini, fluktuacije u veličinama geotermalnih gradijenata i koraka dosežu 25 puta. Na primjer, u Oregonu (SAD) gradijent je 150°C po 1 km, a u Južna Afrika- 6°C po 1 km.
Pitanje je kolika je temperatura na velikim dubinama - 5, 10 km ili više? Ako se trend nastavi, prosječna temperatura na dubini od 10 km trebala bi biti približno 250-300°C. To više-manje potvrđuju izravna promatranja u ultradubokim bušotinama, iako je slika mnogo kompliciranija od linearnog porasta temperature.
Na primjer, u Kolu ultra duboki bunar, izbušen u baltičkom kristalnom štitu, temperatura se mijenja brzinom od 10°C/1 km do dubine od 3 km, a zatim geotermalni gradijent postaje 2-2,5 puta veći. Na dubini od 7 km već je zabilježena temperatura od 120°C, na 10 km - 180°C, a na 12 km - 220°C.
Drugi primjer je bušotina izbušena u području Sjevernog Kaspijskog mora, gdje je na dubini od 500 m zabilježena temperatura od 42°C, na 1,5 km - 70°C, na 2 km - 80°C, na 3 km - 108°C. .
Pretpostavlja se da se geotermalni gradijent smanjuje počevši od dubine od 20-30 km: na dubini od 100 km procijenjene temperature su oko 1300-1500°C, na dubini od 400 km - 1600°C, u Zemljinoj jezgra (dubine veće od 6000 km) - 4000–5000 ° C.
Na dubinama do 10-12 km temperatura se mjeri kroz bušotine; gdje ih nema utvrđuje se posrednim znakovima na isti način kao i na većim dubinama. Takvi neizravni znakovi mogu biti priroda prolaska seizmičkih valova ili temperatura lave koja izbija.
Međutim, za potrebe geotermalne energije podaci o temperaturama na dubinama većim od 10 km još nisu od praktičnog interesa.
Na dubinama od nekoliko kilometara ima puno topline, ali kako je podići? Ponekad nam sama priroda rješava ovaj problem uz pomoć prirodnog rashladnog sredstva - zagrijane termalne vode koja izlazi na površinu ili leži na nama dostupnoj dubini. U nekim slučajevima voda u dubini se zagrijava do stanja pare.
Stroga definicija pojma " termalne vode" Ne. U pravilu se misli na vruće podzemne vode u tekućem stanju ili u obliku pare, uključujući i one koje izlaze na površinu Zemlje s temperaturom iznad 20°C, odnosno u pravilu višom od temperature zraka .
Toplina podzemne vode, pare, paro-vodene smjese je hidrotermalna energija. Sukladno tome, energija koja se temelji na njezinoj uporabi naziva se hidrotermalna.
Situacija je složenija s ekstrakcijom topline izravno iz suhih stijena - petrotermalne energije, pogotovo jer prilično visoke temperature, u pravilu, počinju s dubine od nekoliko kilometara.
Na području Rusije potencijal petrotermalne energije je stotinu puta veći od hidrotermalne energije - 3500 odnosno 35 trilijuna tona standardnog goriva. To je sasvim prirodno - toplina Zemljinih dubina dostupna je posvuda, a termalne vode nalaze se lokalno. Međutim, zbog očitih tehničkih poteškoća trenutno se koriste toplinska i električna energija najvećim dijelom termalne vode.
Vode temperature od 20–30 do 100°C pogodne su za zagrijavanje, temperature od 150°C i više pogodne su za proizvodnju električne energije u geotermalnim elektranama.
Općenito, geotermalni resursi u Rusiji, u smislu tona ekvivalentnog goriva ili bilo koje druge mjerne jedinice energije, približno su 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.
Teoretski, jedino bi geotermalna energija mogla u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. Skoro pa ovaj trenutak na većem dijelu njezina teritorija to nije izvedivo iz tehničkih i ekonomskih razloga.
U svijetu se korištenje geotermalne energije najčešće povezuje s Islandom, državom smještenom na sjevernom kraju Srednjeatlantskog grebena, u izrazito aktivnoj tektonsko-vulkanskoj zoni. Vjerojatno se svi sjećaju snažna erupcija Vulkan Eyjafjallajokull ( Eyjafjallajökull) u 2010. godini.
Upravo zahvaljujući toj geološkoj specifičnosti Island ima goleme zalihe geotermalne energije, uključujući i tople izvore koji izbijaju na površinu Zemlje, pa čak i izbijaju u obliku gejzira.
Na Islandu više od 60% ukupne potrošene energije trenutno dolazi sa Zemlje. Geotermalni izvori osiguravaju 90% grijanja i 30% proizvodnje električne energije. Dodajmo da se ostatak električne energije u zemlji proizvodi u hidroelektranama, odnosno također iz obnovljivih izvora energije, pa Island izgleda kao svojevrsni svjetski ekološki standard.
Pripitomljavanje geotermalne energije u 20. stoljeću značajno je pomoglo Islandu u ekonomski. Do sredine prošlog stoljeća bila je vrlo siromašna zemlja, sada je prva u svijetu po instaliranoj snazi i proizvodnji geotermalne energije po glavi stanovnika te je u prvih deset po apsolutnoj instaliranoj snazi geotermalnih elektrana. . Međutim, njegova populacija je samo 300 tisuća ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potreba za njim je općenito mala.
Uz Island, visok udio geotermalne energije u ukupnoj bilanci proizvodnje električne energije imaju Novi Zeland i otočne zemlje Jugoistočna Azija(Filipini i Indonezija), zemlje Centralna Amerika I Istočna Afrika, čije područje također karakterizira visoka seizmičnost i vulkanska aktivnost. Za te zemlje, na njihovom sadašnjem stupnju razvoja i potrebama, geotermalna energija daje značajan doprinos društveno-ekonomskom razvoju.
Korištenje geotermalne energije ima vrlo dugu povijest. Jedan od prvih slavni primjeri- Italija, mjesto u pokrajini Toscana, sada zvano Larderello, gdje je još uvijek u početkom XIX stoljeća lokalne tople termalne vode, prirodne ili izvađene iz plitkih bunara, koristile su se u energetske svrhe.
Voda iz podzemnih izvora, bogata borom, ovdje je korištena za dobivanje borne kiseline. U početku se ta kiselina dobivala isparavanjem u željeznim kotlovima, a kao gorivo se uzimalo obično drvo iz obližnjih šuma, no 1827. Francesco Larderel stvorio je sustav koji je radio na toplini samih voda. Istodobno se energija prirodne vodene pare počela koristiti za rad bušilica, a početkom 20. stoljeća - za grijanje lokalnih kuća i staklenika. Tamo, u Larderellu, 1904. godine termalna vodena para postala je izvor energije za proizvodnju električne energije.
Primjer Italije slijedilo je još nekoliko zemalja krajem 19. i početkom 20. stoljeća. Tako su primjerice 1892. godine termalne vode prvi put korištene za lokalno grijanje u SAD-u (Boise, Idaho), 1919. u Japanu, a 1928. na Islandu.
U SAD-u, prva elektrana koja radi na hidrotermalnu energiju pojavila se u Kaliforniji početkom 1930-ih, na Novom Zelandu - 1958., u Meksiku - 1959., u Rusiji (prvi binarni GeoPP na svijetu) - 1965.
Stari princip na novom izvoru
Proizvodnja električne energije zahtijeva višu temperaturu hidroizvora nego za grijanje - više od 150°C. Princip rada geotermalne elektrane (GeoPP) sličan je principu rada konvencionalne termoelektrane (CHP). Zapravo, geotermalna elektrana je vrsta termoelektrane.
U termoelektranama primarni energent najčešće je ugljen, plin ili loživo ulje, a radni fluid vodena para. Gorivo, kada sagorijeva, zagrijava vodu u paru, koja rotira parnu turbinu, koja proizvodi električnu energiju.
Razlika između GeoPP-a je u tome što je ovdje primarni izvor energije toplina zemljine unutrašnjosti, a radni fluid u obliku pare dovodi se do lopatica turbine elektrogeneratora u „gotovom“ obliku izravno iz proizvodne bušotine. .
Postoje tri glavne radne sheme za GeoPP: izravna, korištenje suhe (geotermalne) pare; neizravna, na bazi hidrotermalne vode, te mješovita, odnosno binarna.
Korištenje jedne ili druge sheme ovisi o stanju agregacije i temperaturi nositelja energije.
Najjednostavnija i stoga prva od savladanih shema je izravna, u kojoj se para koja dolazi iz bušotine prolazi izravno kroz turbinu. Prva svjetska geoelektrana u Larderellu 1904. također je radila na suhu paru.
GeoPP-ovi s neizravnom radnom shemom najčešći su u naše vrijeme. Koriste vruću podzemnu vodu, koja se pod visokim tlakom pumpa u isparivač, gdje se dio isparava, a nastala para vrti turbinu. U nekim slučajevima potrebni su dodatni uređaji i krugovi za pročišćavanje geotermalne vode i pare od agresivnih spojeva.
Ispušna para ulazi u bunar za ubrizgavanje ili se koristi za grijanje prostorija - u ovom slučaju princip je isti kao kod rada termoelektrane.
Kod binarnih GeoPP-ova topla termalna voda stupa u interakciju s drugom tekućinom koja obavlja funkcije radnog fluida s nižim vrelištem. Oba fluida prolaze kroz izmjenjivač topline, gdje termalna voda isparava radni fluid, čije pare okreću turbinu.
Ovaj sustav je zatvoren, čime je riješen problem emisije štetnih plinova u atmosferu. Osim toga, radni fluidi s relativno niskim vrelištem omogućuju korištenje ne baš vruće termalne vode kao primarnog izvora energije.
Sve tri sheme koriste hidrotermalni izvor, ali se petrotermalna energija također može koristiti za proizvodnju električne energije.
Dijagram strujnog kruga u ovom slučaju također je prilično jednostavan. Potrebno je izbušiti dvije međusobno povezane bušotine - utisnu i proizvodnu. Voda se pumpa u injekcionu bušotinu. U dubini se zagrijava, zatim se zagrijana voda ili para nastala kao rezultat jakog zagrijavanja dovodi na površinu kroz proizvodnu bušotinu. Zatim sve ovisi o tome kako se koristi petrotermalna energija - za grijanje ili za proizvodnju električne energije. Zatvoreni ciklus je moguć s pumpanjem otpadne pare i vode natrag u utisni bunar ili drugim načinom zbrinjavanja.
Nedostatak takvog sustava je očigledan: da bi se dobila dovoljno visoka temperatura radnog fluida, potrebno je bušiti bušotine na velike dubine. A to su ozbiljni troškovi i rizik od značajnog gubitka topline kada se tekućina pomiče prema gore. Stoga su petrotermalni sustavi još uvijek manje rasprostranjeni u odnosu na hidrotermalne, iako je potencijal petrotermalne energije za redove veličine veći.
Trenutačno je Australija lider u stvaranju takozvanih petrotermalnih cirkulacijskih sustava (PCS). Osim toga, ovo područje geotermalne energije aktivno se razvija u SAD-u, Švicarskoj, Velikoj Britaniji i Japanu.
Dar od Lorda Kelvina
Izum toplinske pumpe 1852. godine od strane fizičara Williama Thompsona (poznatog i kao Lord Kelvin) pružio je čovječanstvu stvarnu priliku da iskoristi nisku toplinu gornjih slojeva tla. Sustav toplinske pumpe ili multiplikator topline kako ga je nazvao Thompson, temelji se na fizičkom procesu prijenosa topline iz okoline na rashladno sredstvo. U osnovi, koristi isti princip kao petrotermalni sustavi. Razlika je u izvoru topline, što može dovesti do terminološkog pitanja: u kojoj se mjeri dizalica topline može smatrati geotermalnim sustavom? Poanta je u tome da u gornje slojeve, do dubina od desetaka do stotina metara, stijene i tekućine koje sadrže ne zagrijava duboka toplina zemlje, već sunce. Dakle, sunce je u ovom slučaju primarni izvor topline, iako se ona uzima, kao iu geotermalnim sustavima, iz zemlje.
Rad dizalice topline temelji se na kašnjenju zagrijavanja i hlađenja tla u odnosu na atmosferu, što rezultira stvaranjem temperaturnog gradijenta između površinskih i dubljih slojeva koji zadržavaju toplinu i zimi, baš kao što se događa u akumulacijama. . Glavna namjena dizalica topline je grijanje prostora. U biti, to je "obrnuti hladnjak". I toplinska pumpa i hladnjak međusobno djeluju s tri komponente: unutarnje okruženje (u prvom slučaju - grijana prostorija, u drugom - hlađena komora hladnjaka), vanjsko okruženje - izvor energije i rashladno sredstvo (rashladno sredstvo) , koji je također rashladno sredstvo koje osigurava prijenos topline ili hladnoće.
Tvar s niskim vrelištem djeluje kao rashladno sredstvo, što joj omogućuje uzimanje topline iz izvora koji ima čak i relativno nisku temperaturu.
U hladnjaku tekuće rashladno sredstvo teče kroz prigušnicu (regulator tlaka) u isparivač, gdje zbog naglog pada tlaka tekućina isparava. Isparavanje je endoterman proces koji zahtijeva apsorpciju topline izvana. Kao rezultat, toplina se uklanja s unutarnjih stijenki isparivača, što osigurava učinak hlađenja u komori hladnjaka. Zatim se rashladno sredstvo izvlači iz isparivača u kompresor, gdje se vraća u tekuće stanje. Ovo je obrnuti proces koji dovodi do oslobađanja uklonjene topline u vanjsko okruženje. U pravilu se baca u zatvorenom prostoru, a stražnja stijenka hladnjaka je relativno topla.
Dizalica topline radi gotovo na isti način, s tom razlikom što se toplina preuzima iz vanjskog okoliša i preko isparivača ulazi u unutarnji okoliš – sustav grijanja prostorija.
U pravoj dizalici topline voda se zagrijava prolazeći kroz vanjski krug smješten u zemlji ili rezervoaru, a zatim ulazi u isparivač.
U isparivaču se toplina prenosi u unutarnji krug ispunjen rashladnim sredstvom niskog vrelišta, koje prolaskom kroz isparivač prelazi iz tekućeg u plinovito stanje, oduzimajući toplinu.
Plinovito rashladno sredstvo tada ulazi u kompresor, gdje se komprimira visokotlačni i temperaturu, te ulazi u kondenzator, gdje dolazi do izmjene topline između vrućeg plina i rashladnog sredstva iz sustava grijanja.
Kompresoru je za rad potrebna električna energija, međutim omjer transformacije (omjer potrošene i proizvedene energije) u moderni sustavi dovoljno visok da osigura njihovu učinkovitost.
Dizalice topline trenutno se dosta koriste za grijanje prostora, uglavnom u gospodarstvu razvijene zemlje.
Ekološki ispravna energija
Geotermalna energija smatra se ekološki prihvatljivom, što je općenito točno. Prije svega, koristi obnovljiv i gotovo neiscrpan resurs. Geotermalna energija ne zahtijeva velike površine za razliku od velikih hidroelektrana ili vjetroelektrana i ne zagađuje atmosferu za razliku od energije ugljikovodika. U prosjeku, GeoPP zauzima 400 m 2 u smislu 1 GW proizvedene električne energije. Ista brojka za termoelektranu na ugljen je npr. 3600 m2. Ekološke prednosti GeoPP-a također uključuju nisku potrošnju vode - 20 litara svježa voda po 1 kW, dok je za termoelektrane i nuklearne elektrane potrebno oko 1000 litara. Imajte na umu da su ovo ekološki pokazatelji "prosječnog" GeoPP-a.
Ali negativno nuspojave još postoji. Među njima se najčešće identificiraju buka, toplinsko onečišćenje atmosfere i kemijsko onečišćenje vode i tla te stvaranje krutog otpada.
Glavni izvor kemijskog onečišćenja okoliša je sama termalna voda (visoke temperature i mineralizacije), koja često sadrži velike količine otrovnih spojeva, pa se stoga javlja problem zbrinjavanja otpadnih voda i opasnih tvari.
Negativni učinci geotermalne energije mogu se pratiti u nekoliko faza, počevši od bušenja bušotina. Ovdje se javljaju iste opasnosti kao i kod bušenja svake bušotine: uništavanje tla i vegetacije, onečišćenje tla i podzemnih voda.
U fazi rada GeoPP-a ostaju problemi onečišćenja okoliša. Toplinski fluidi - voda i para - obično sadrže ugljikov dioksid (CO 2), sumporni sulfid (H 2 S), amonijak (NH 3), metan (CH 4), kuhinjsku sol (NaCl), bor (B), arsen (As ), živa (Hg). Ispuštanjem u vanjski okoliš postaju izvori onečišćenja. Osim toga, agresivno kemijsko okruženje može uzrokovati korozivno uništavanje struktura geotermalne elektrane.
Istodobno, emisije onečišćujućih tvari iz GeoPP-a u prosjeku su manje nego iz termoelektrana. Na primjer, emisije ugljičnog dioksida za svaki kilovatsat proizvedene električne energije iznose do 380 g u GeoPP-ovima, 1042 g u termoelektranama na ugljen, 906 g u termoelektranama na naftu i 453 g u termoelektranama na plin .
Postavlja se pitanje: što učiniti s otpadnom vodom? Ako je mineralizacija niska, može se ispuštati u površinske vode nakon hlađenja. Drugi način je da se pumpa natrag u vodonosnik kroz injekcionu bušotinu, koja se trenutno preferira i pretežno koristi.
Izvlačenje termalne vode iz vodonosnika (kao i ispumpavanje obične vode) može uzrokovati slijeganje i pomicanje tla, druge deformacije geoloških slojeva i mikropotrese. Vjerojatnost takvih pojava je u pravilu mala, iako su zabilježeni izolirani slučajevi (npr. na GeoPP-u u Staufen im Breisgau u Njemačkoj).
Treba naglasiti da se većina GeoPP-ova nalazi u relativno rijetko naseljenim područjima iu zemljama trećeg svijeta, gdje su ekološki zahtjevi manje strogi nego u razvijenim zemljama. Osim toga, trenutno je broj GeoPP-ova i njihovi kapaciteti relativno mali. S većim razvojem geotermalne energije ekološki rizici može rasti i množiti se.
Kolika je energija Zemlje?
Troškovi ulaganja u izgradnju geotermalnih sustava variraju u vrlo širokom rasponu - od 200 do 5000 dolara po 1 kW instalirane snage, odnosno najjeftinije opcije usporedive su s cijenom izgradnje termoelektrane. Oni ovise, prije svega, o uvjetima nastanka termalnih voda, njihovom sastavu i izvedbi sustava. Bušenje na velike dubine, stvaranje zatvorenog sustava s dvije bušotine i potreba za pročišćavanjem vode mogu višestruko povećati troškove.
Na primjer, ulaganja u stvaranje petrotermalnog cirkulacijskog sustava (PCS) procjenjuju se na 1,6–4 tisuće dolara po 1 kW instalirane snage, što premašuje troškove izgradnje nuklearne elektrane i usporedivo je s troškovima izgradnje vjetroelektrana i solarne elektrane.
Očita ekonomska prednost GeoTES-a je besplatna energija. Usporedbe radi, u strukturi troška termoelektrane ili nuklearne elektrane u radu gorivo zauzima 50-80% pa čak i više, ovisno o trenutnim cijenama energije. Otud još jedna prednost geotermalnog sustava: operativni troškovi su stabilniji i predvidljiviji, budući da ne ovise o vanjskim uvjetima cijena energije. Općenito, operativni troškovi geotermalnih elektrana procjenjuju se na 2–10 centi (60 kopejki–3 rublje) po 1 kWh proizvedene energije.
Druga najveća rashodna stavka nakon energije (i vrlo značajna) je u pravilu plaća osoblje tvornice, koje se može dramatično razlikovati među zemljama i regijama.
U prosjeku, trošak 1 kWh geotermalne energije usporediv je s onim za termoelektrane (u ruskim uvjetima - oko 1 rublja/1 kWh) i deset puta veći od troška proizvodnje električne energije u hidroelektrani (5–10 kopejki/1 kWh).
Dio razloga za visoku cijenu leži u tome što, za razliku od termo i hidrauličkih elektrana, geotermalne elektrane imaju relativno mali kapacitet. Osim toga, potrebno je usporediti sustave koji se nalaze u istoj regiji i pod sličnim uvjetima. Na primjer, na Kamčatki, prema stručnjacima, 1 kWh geotermalne električne energije košta 2-3 puta manje od električne energije proizvedene u lokalnim termoelektranama.
Pokazatelji ekonomske učinkovitosti geotermalnog sustava ovise npr. o tome treba li i na koji način zbrinjavati otpadne vode te je li moguće kombinirano korištenje resursa. Dakle, kemijski elementi i spojevi ekstrahirani iz termalne vode mogu osigurati dodatni prihod. Prisjetimo se primjera Larderella: tu je bila upravo primarna stvar kemijska proizvodnja, a korištenje geotermalne energije u početku je bilo pomoćne prirode.
Geotermalna energija naprijed
Geotermalna energija se razvija nešto drugačije od vjetra i sunca. Trenutačno to u mnogo većoj mjeri ovisi o prirodi samog resursa, koji se značajno razlikuje po regijama, a najveće koncentracije povezane su s uskim zonama geotermalnih anomalija, obično povezanih s područjima tektonskih rasjeda i vulkanizma.
Osim toga, geotermalna energija je manje tehnološki intenzivna u usporedbi s energijom vjetra i, posebno, sunčevom energijom: sustavi geotermalnih stanica prilično su jednostavni.
U opća struktura Geotermalna komponenta čini manje od 1% globalne proizvodnje električne energije, ali u nekim regijama i zemljama njezin udio doseže 25-30%. Zbog povezanosti s geološkim uvjetima, značajan dio kapaciteta geotermalne energije koncentriran je u zemljama trećeg svijeta, gdje se razlikuju tri klastera najveći razvoj industrije - otoci jugoistočne Azije, srednje Amerike i istočne Afrike. Prve dvije regije uključene su u pacifički "vatreni pojas Zemlje", a treća je vezana za istočnoafrički rascjep. Najvjerojatnije je da će se geotermalna energija nastaviti razvijati u tim pojasevima. Dalja perspektiva je razvoj petrotermalne energije, koristeći toplinu slojeva zemlje koji leže na dubini od nekoliko kilometara. Riječ je o gotovo sveprisutnom resursu, ali njegovo iskorištavanje zahtijeva visoke troškove, pa se petrotermalna energija razvija prvenstveno u ekonomski i tehnološki najjačim zemljama.
Općenito, s obzirom na široku rasprostranjenost geotermalnih izvora i prihvatljivu razinu sigurnosti okoliša, postoji razlog za vjerovanje da geotermalna energija ima dobre izglede za razvoj. Pogotovo s rastućom prijetnjom nestašice tradicionalnih izvora energije i rastućih cijena za njih.
Od Kamčatke do Kavkaza
U Rusiji razvoj geotermalne energije ima prilično dugu povijest, au nizu smo pozicija među svjetskim vodećima, iako je udio geotermalne energije u ukupnoj energetskoj bilanci goleme zemlje još uvijek zanemariv.
Dvije regije postale su pioniri i središta razvoja geotermalne energije u Rusiji - Kamčatka i Sjeverni Kavkaz, a ako u prvom slučaju govorimo prvenstveno o električnoj energiji, onda u drugom - o korištenju toplinske energije termalne vode.
Na sjevernom Kavkazu - u Krasnodarska oblast, Čečenija, Dagestan - toplina termalnih voda koristila se u energetske svrhe i prije Velike Domovinski rat. U 1980-1990-ima razvoj geotermalne energije u regiji je, iz očitih razloga, zastao i još nije izašao iz stanja stagnacije. Ipak, opskrba geotermalnom vodom na Sjevernom Kavkazu opskrbljuje toplinom oko 500 tisuća ljudi, a, primjerice, grad Labinsk na Krasnodarskom teritoriju s populacijom od 60 tisuća ljudi u potpunosti se grije geotermalnim vodama.
Na Kamčatki je povijest geotermalne energije povezana prije svega s izgradnjom GeoPP-ova. Prve od njih, stanice Pauzhetskaya i Paratunka koje još rade, izgrađene su 1965.-1967., dok je GeoPP Paratunka kapaciteta 600 kW postala prva stanica na svijetu s binarnim ciklusom. To je bio razvoj sovjetskih znanstvenika S. S. Kutateladze i A. M. Rosenfelda s Instituta za termofiziku SB RAS, koji su 1965. godine dobili autorski certifikat za ekstrakciju električne energije iz vode s temperaturom od 70 ° C. Ova je tehnologija kasnije postala prototip za više od 400 binarnih GeoPP-ova u svijetu.
Kapacitet Pauzhetskaya GeoPP, pušten u rad 1966. godine, u početku je bio 5 MW, a kasnije je povećan na 12 MW. Trenutačno se na stanici gradi binarna jedinica koja će njezin kapacitet povećati za još 2,5 MW.
Razvoj geotermalne energije u SSSR-u i Rusiji bio je otežan dostupnošću tradicionalnih izvora energije - nafte, plina, ugljena, ali nikada nije zaustavljen. Najveći geotermalni energetski objekti u ovom trenutku su Verkhne-Mutnovskaya GeoPP s ukupnim kapacitetom energetskih jedinica od 12 MW, puštena u rad 1999. godine, i Mutnovskaya GeoPP s kapacitetom od 50 MW (2002.).
Mutnovskaya i Verkhne-Mutnovskaya GeoPP - jedinstveni predmeti ne samo za Rusiju, nego i na globalnoj razini. Postaje se nalaze u podnožju vulkana Mutnovsky, na nadmorskoj visini od 800 metara, i rade u ekstremnim klimatskim uvjetima, gdje je zima 9-10 mjeseci u godini. Oprema Mutnovsky GeoPP-ova, trenutno jedne od najmodernijih u svijetu, u potpunosti je stvorena u domaćim energetskim poduzećima.
Trenutačno je udio stanica Mutnovsky u ukupnoj strukturi potrošnje energije energetskog čvorišta Središnje Kamčatke 40%. Postoje planovi za povećanje kapaciteta u narednim godinama.
Posebno treba spomenuti ruski petrotermalni razvoj. Mi još nemamo velike centre za bušenje, ali imamo napredne tehnologije za bušenje na velike dubine (oko 10 km), koje također nemaju analoga u svijetu. Njihovo daljnji razvoj radikalno će smanjiti troškove stvaranja petrotermalnih sustava. Programeri ovih tehnologija i projekata su N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geološki institut Ruske akademije znanosti), A. S. Nekrasov (Institut za nacionalno gospodarsko predviđanje Ruske akademije znanosti) i stručnjaci iz tvornice turbina Kaluga. Trenutno je projekt petrotermalnog cirkulacijskog sustava u Rusiji u eksperimentalnoj fazi.
Geotermalna energija ima perspektive u Rusiji, iako su relativno udaljene: trenutno je potencijal prilično velik, a položaj tradicionalne energije jak. Istovremeno, u nizu udaljena područja zemalja, korištenje geotermalne energije je ekonomski isplativo i sada je traženo. To su područja s visokim geoenergetskim potencijalom (Čukotka, Kamčatka, Kurilsko otočje - ruski dio pacifičkog "vatrenog pojasa Zemlje", planine južnog Sibira i Kavkaza), a ujedno su udaljena i odsječena od centraliziranih zalihe energije.
Vjerojatno će se u narednim desetljećima geotermalna energija u našoj zemlji razvijati upravo u takvim regijama.
Kirill Degtyarev, istraživač, Moskva Državno sveučilište ih. M. V. Lomonosov.
U našoj, ugljikovodicima bogatoj zemlji, geotermalna energija svojevrsni je egzotičan resurs, koji, s obzirom na sadašnje stanje, teško može konkurirati nafti i plinu. Međutim, ova alternativna vrsta energije može se koristiti gotovo posvuda i to prilično učinkovito.
Foto Igor Konstantinov.
Promjene temperature tla s dubinom.
Povećanje temperature termalnih voda i suhih stijena koje ih sadrže s dubinom.
Temperatura se mijenja s dubinom u različitim regijama.
Erupcija islandskog vulkana Eyjafjallajokull ilustracija je burnih vulkanskih procesa koji se odvijaju u aktivnim tektonskim i vulkanskim zonama sa snažnim protokom topline iz utrobe Zemlje.
Instalirani kapaciteti geotermalnih elektrana po zemljama, MW.
Distribucija geotermalnih resursa diljem Rusije. Zalihe geotermalne energije, prema procjenama stručnjaka, nekoliko su puta veće od zaliha energije organskih fosilnih goriva. Prema Društvu za geotermalnu energiju.
Geotermalna energija je toplina zemljine unutrašnjosti. Proizvodi se u dubinama i dospijeva na površinu Zemlje u različitim oblicima i različitim intenzitetom.
Temperatura gornjih slojeva tla ovisi uglavnom o vanjskim (egzogenim) čimbenicima - sunčevom osvjetljenju i temperaturi zraka. Tlo se ljeti i danju zagrijava do određene dubine, a zimi i noću hladi se prateći promjene temperature zraka i s određenim kašnjenjem koje se povećava s dubinom. Utjecaj dnevnih kolebanja temperature zraka prestaje na dubinama od nekoliko do nekoliko desetaka centimetara. Sezonske fluktuacije utječu na dublje slojeve tla - do nekoliko desetaka metara.
Na određenoj dubini - od desetaka do stotina metara - temperatura tla ostaje konstantna, jednaka prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka na površini Zemlje. To možete lako provjeriti spuštanjem u prilično duboku špilju.
Kada je prosječna godišnja temperatura zraka na određenom području ispod nule, to se manifestira kao permafrost (točnije permafrost). U Istočnom Sibiru debljina, odnosno debljina cjelogodišnjeg smrznutog tla na nekim mjestima doseže 200-300 m.
S određene dubine (različite za svaku točku na karti) djelovanje Sunca i atmosfere toliko slabi da na prvo mjesto dolaze endogeni (unutarnji) čimbenici te se unutrašnjost zemlje zagrijava iznutra, tako da temperatura počinje rasti. s dubinom.
Zagrijavanje dubokih slojeva Zemlje povezuje se uglavnom s raspadom radioaktivnih elemenata koji se tamo nalaze, iako se nazivaju i drugi izvori topline, na primjer, fizikalno-kemijski, tektonski procesi u dubokim slojevima zemljine kore i plašta. No bez obzira na razlog, temperatura stijena i povezanih tekućih i plinovitih tvari raste s dubinom. Rudari se suočavaju s ovim fenomenom - u dubokim rudnicima uvijek je vruće. Na dubini od 1 km normalna je vrućina od trideset stupnjeva, a dublje je temperatura još viša.
Toplinski tok Zemljine unutrašnjosti koji dopire do Zemljine površine je malen - u prosjeku njegova snaga iznosi 0,03-0,05 W/m2,
ili približno 350 Wh/m2 godišnje. Na pozadini toka topline od Sunca i njime zagrijanog zraka, to je nezamjetna vrijednost: Sunce svakom kvadratnom metru zemljine površine daje oko 4000 kWh godišnje, odnosno 10 000 puta više (naravno, to je u prosjeku, s velikim rasponom između polarnih i ekvatorijalnih širina i ovisno o drugim klimatskim i vremenskim čimbenicima).
Beznačajnost protoka topline iz unutrašnjosti prema površini na većem dijelu planeta povezana je s niskom toplinskom vodljivošću stijena i osobitostima geološke strukture. Ali postoje iznimke - mjesta gdje je protok topline visok. To su, prije svega, zone tektonskih rasjeda, pojačane seizmičke aktivnosti i vulkanizma, gdje energija Zemljine unutrašnjosti nalazi izlaz. Takve zone karakteriziraju toplinske anomalije litosfere; ovdje protok topline koji dopire do površine Zemlje može biti nekoliko puta, pa čak i redova veličine, jači od "uobičajenog". Vulkanske erupcije i topli izvori donose goleme količine topline na površinu u tim zonama.
To su područja koja su najpovoljnija za razvoj geotermalne energije. Na području Rusije to su prije svega Kamčatka, Kurilsko otočje i Kavkaz.
Istodobno, razvoj geotermalne energije moguć je gotovo posvuda, jer je porast temperature s dubinom univerzalna pojava, a zadatak je "izvlačenje" topline iz dubina, kao što se odatle crpe mineralne sirovine.
U prosjeku, temperatura raste s dubinom za 2,5-3 o C na svakih 100 m. Omjer temperaturne razlike između dviju točaka koje leže na različitim dubinama i razlike u dubinama između njih naziva se geotermalni gradijent.
Recipročna vrijednost je geotermalni korak, odnosno dubinski interval na kojem temperatura raste za 1 o C.
Što je veći gradijent i, shodno tome, niži stupanj, toplina Zemljinih dubina je bliža površini i to je područje perspektivnije za razvoj geotermalne energije.
U različitim područjima, ovisno o geološkoj strukturi i drugim regionalnim i lokalnim uvjetima, stopa porasta temperature s dubinom može dramatično varirati. Na Zemljinoj razini, fluktuacije u veličinama geotermalnih gradijenata i koraka dosežu 25 puta. Na primjer, u Oregonu (SAD) gradijent je 150 o C po 1 km, au Južnoj Africi - 6 o C po 1 km.
Pitanje je kolika je temperatura na velikim dubinama - 5, 10 km ili više? Ako se trend nastavi, temperatura na dubini od 10 km trebala bi u prosjeku iznositi otprilike 250-300 o C. To više-manje potvrđuju izravna promatranja u ultradubokim bušotinama, iako je slika puno kompliciranija od linearnog povećanja temperature .
Na primjer, u superdubokoj bušotini Kola, izbušenoj u baltičkom kristalnom štitu, temperatura do dubine od 3 km mijenja se brzinom od 10 o C/1 km, a zatim geotermalni gradijent postaje 2-2,5 puta veći. Na dubini od 7 km već je zabilježena temperatura od 120 o C, na 10 km - 180 o C, a na 12 km - 220 o C.
Drugi primjer je bušotina izbušena u području Sjevernog Kaspijskog mora, gdje je na dubini od 500 m zabilježena temperatura od 42 o C, na 1,5 km - 70 o C, na 2 km - 80 o C, na 3 km - 108 o C. .
Pretpostavlja se da se geotermalni gradijent smanjuje počevši od dubine od 20-30 km: na dubini od 100 km procijenjene temperature su oko 1300-1500 o C, na dubini od 400 km - 1600 o C, u Zemljinoj jezgri (dubine veće od 6000 km) - 4000-5000 o S.
Na dubinama do 10-12 km temperatura se mjeri kroz bušotine; gdje ih nema utvrđuje se posrednim znakovima na isti način kao i na većim dubinama. Takvi neizravni znakovi mogu biti priroda prolaska seizmičkih valova ili temperatura lave koja izbija.
Međutim, za potrebe geotermalne energije podaci o temperaturama na dubinama većim od 10 km još nisu od praktičnog interesa.
Na dubinama od nekoliko kilometara ima puno topline, ali kako je podići? Ponekad nam sama priroda rješava ovaj problem uz pomoć prirodnog rashladnog sredstva - zagrijane termalne vode koja izlazi na površinu ili leži na nama dostupnoj dubini. U nekim slučajevima voda u dubini se zagrijava do stanja pare.
Ne postoji stroga definicija pojma “termalne vode”. U pravilu se misli na vruće podzemne vode u tekućem stanju ili u obliku pare, uključujući i one koje izlaze na površinu Zemlje s temperaturom iznad 20 o C, odnosno u pravilu višom od temperature zraka .
Toplina podzemne vode, pare, paro-vodene smjese je hidrotermalna energija. Sukladno tome, energija koja se temelji na njezinoj uporabi naziva se hidrotermalna.
Situacija je složenija s ekstrakcijom topline izravno iz suhih stijena - petrotermalne energije, pogotovo jer prilično visoke temperature, u pravilu, počinju s dubine od nekoliko kilometara.
Na području Rusije potencijal petrotermalne energije je stotinu puta veći od hidrotermalne energije - 3500 odnosno 35 trilijuna tona standardnog goriva. To je sasvim prirodno - toplina Zemljinih dubina dostupna je posvuda, a termalne vode nalaze se lokalno. Međutim, zbog očitih tehničkih poteškoća, termalne vode trenutno se uglavnom koriste za proizvodnju toplinske i električne energije.
Voda s temperaturama od 20-30 do 100 o C pogodna je za grijanje, s temperaturama od 150 o C i više - te za proizvodnju električne energije u geotermalnim elektranama.
Općenito, geotermalni resursi u Rusiji, u smislu tona ekvivalentnog goriva ili bilo koje druge mjerne jedinice energije, približno su 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.
Teoretski, jedino bi geotermalna energija mogla u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. U praksi, u ovom trenutku, na većem dijelu njenog teritorija to nije izvedivo iz tehničkih i ekonomskih razloga.
U svijetu se korištenje geotermalne energije najčešće povezuje s Islandom, državom smještenom na sjevernom kraju Srednjeatlantskog grebena, u izrazito aktivnoj tektonsko-vulkanskoj zoni. Svi se vjerojatno sjećaju snažne erupcije vulkana Eyjafjallajökull 2010. godine.
Upravo zahvaljujući toj geološkoj specifičnosti Island ima goleme zalihe geotermalne energije, uključujući i tople izvore koji izbijaju na površinu Zemlje, pa čak i izbijaju u obliku gejzira.
Na Islandu više od 60% ukupne potrošene energije trenutno dolazi sa Zemlje. Geotermalni izvori osiguravaju 90% grijanja i 30% proizvodnje električne energije. Dodajmo da se ostatak električne energije u zemlji proizvodi u hidroelektranama, odnosno također iz obnovljivih izvora energije, pa Island izgleda kao svojevrsni svjetski ekološki standard.
Pripitomljavanje geotermalne energije u 20. stoljeću donijelo je Islandu veliku gospodarsku korist. Do sredine prošlog stoljeća bila je vrlo siromašna zemlja, sada je prva u svijetu po instaliranoj snazi i proizvodnji geotermalne energije po glavi stanovnika te je u prvih deset po apsolutnoj instaliranoj snazi geotermalnih elektrana. . Međutim, njegova populacija je samo 300 tisuća ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potreba za njim je općenito mala.
Uz Island, visok udio geotermalne energije u ukupnoj bilanci proizvodnje električne energije imaju Novi Zeland i otočne zemlje jugoistočne Azije (Filipini i Indonezija), zemlje Srednje Amerike i Istočne Afrike, čiji je teritorij također karakterizira visoka seizmička i vulkanska aktivnost. Za te zemlje, na njihovom sadašnjem stupnju razvoja i potrebama, geotermalna energija daje značajan doprinos društveno-ekonomskom razvoju.
(Slijedi kraj.)