אנרגיה גיאותרמית והשימוש בה, סיכויים לאנרגיה גיאותרמית

יש אנרגיה תרמית עצומה בתוך כדור הארץ. ההערכות כאן עדיין שונות למדי, אבל לפי ההערכות השמרניות ביותר, אם נגביל את עצמנו לעומק של 3 ק"מ, אז 8 x 1017 קילו-ג'יי של אנרגיה גיאותרמית. יחד עם זאת, היקף היישום האמיתי שלו בארצנו ובעולם אינו משמעותי. מה הבעיה כאן ומה הסיכויים לשימוש באנרגיה גיאותרמית?

אנרגיה גיאותרמית היא האנרגיה של החום של כדור הארץ. אנרגיה המשתחררת מהחום הטבעי של כדור הארץ נקראת אנרגיה גיאותרמית. כמקור אנרגיה, החום של כדור הארץ, בשילוב עם טכנולוגיות קיימות, יכול לספק את צרכי האנושות במשך שנים רבות. וזה אפילו לא נוגע בחום שעובר עמוק מדי, באזורים שעד כה אי אפשר להגיע אליהם.

במשך מיליוני שנים, החום הזה משתחרר מהמעיים של הפלנטה שלנו, וקצב הקירור של הליבה אינו עולה על 400 מעלות צלזיוס למיליארד שנים! יחד עם זאת, טמפרטורת ליבת כדור הארץ, לפי מקורות שונים, אינה נמוכה כיום מ-6650 מעלות צלזיוס ויורדת בהדרגה לעבר פני השטח שלו. 42 טריליון וואט של חום מוקרן כל הזמן מכדור הארץ, רק 2% ממנו נמצאים בקרום.

האנרגיה התרמית הפנימית של כדור הארץ מתבטאת מעת לעת בצורה מאיימת בצורה של התפרצויות של אלפי הרי געש, רעידות אדמה, תנועות של קרום כדור הארץ ותהליכים טבעיים אחרים, פחות בולטים, אך לא פחות גלובליים.

נקודת המבט המדעית לגבי הגורמים לתופעה זו היא שמקור החום של כדור הארץ קשור לתהליך המתמשך של ריקבון רדיואקטיבי של אורניום, תוריום ואשלגן בחלק הפנימי של כדור הארץ, כמו גם להפרדה כבידתית של החומר. בבסיס שלו.

שכבת הגרניט של קרום כדור הארץ, בעומק של 20,000 מטר, היא אזור ההתפרקות הרדיואקטיבי העיקרי של היבשות, ועבור האוקיינוסים, המעטפת העליונה היא השכבה הפעילה ביותר. מדענים מאמינים כי ביבשות, בעומק של כ-10,000 מטר, הטמפרטורה בתחתית הקרום היא כ-700 מעלות צלזיוס, בעוד שבאוקיינוסים הטמפרטורה מגיעה ל-200 מעלות צלזיוס בלבד.

שני אחוזים מהאנרגיה הגיאותרמית בקרום כדור הארץ הם 840 מיליארד וואט קבועים, וזו אנרגיה נגישה טכנולוגית. המקומות הטובים ביותר להפקת אנרגיה זו הם אזורים הסמוכים לקצוות הלוחות היבשתיים, שבהם הקרום דק הרבה יותר, ואזורים של פעילות סיסמית וגעש - שבהם חום כדור הארץ בא לידי ביטוי קרוב מאוד לפני השטח.

היכן ובאיזה צורה מתרחשת אנרגיה גיאותרמית?

נכון לעכשיו, פיתוח האנרגיה הגיאותרמית עוסק באופן פעיל ב: ארה"ב, איסלנד, ניו זילנד, הפיליפינים, איטליה, אל סלבדור, הונגריה, יפן, רוסיה, מקסיקו, קניה ומדינות אחרות, בהן החום מבטן כדור הארץ עולה אל פני השטח בצורה של אדים ומים חמים, יוצאים החוצה, בטמפרטורות המגיעות ל-300 מעלות צלזיוס.

ניתן לציין את הגייזרים המפורסמים של איסלנד וקמצ'טקה, כמו גם הפארק הלאומי ילוסטון המפורסם, הממוקם במדינות וויומינג, מונטנה ואיידהו האמריקאיות, המשתרע על שטח של כמעט 9,000 קמ"ר, כדוגמאות חיות.

כשמדברים על אנרגיה גיאותרמית, חשוב מאוד לזכור שהיא בעיקר בעלת פוטנציאל נמוך, כלומר טמפרטורת המים או הקיטור היוצאים מהבאר אינה גבוהה. וזה משפיע באופן משמעותי על היעילות של שימוש באנרגיה כזו.

העובדה היא שליצור חשמל כיום כדאי מבחינה כלכלית שהטמפרטורה של נוזל הקירור תהיה לפחות 150 מעלות צלזיוס. במקרה זה, הוא נשלח ישירות לטורבינה.

ישנם מתקנים המשתמשים במים בטמפרטורה נמוכה יותר. בהם מים גיאותרמיים מחממים את נוזל הקירור המשני (למשל פריאון), בעל נקודת רתיחה נמוכה. הקיטור שנוצר הופך את הטורבינה. אבל הקיבולת של מתקנים כאלה קטנה (10 - 100 קילוואט) ולכן עלות האנרגיה תהיה גבוהה יותר מאשר בתחנות כוח המשתמשות במים בטמפרטורה גבוהה.

GeoPP בניו זילנד

מרבצים גיאותרמיים הם סלעים נקבוביים מלאים במים חמים. הם בעצם דוודים גיאותרמיים טבעיים.

אבל מה אם המים שנמצאים על פני האדמה לא נזרקים, אלא מוחזרים לדוד? יצירת מערכת מחזור? במקרה זה, לא רק החום של המים התרמיים, אלא גם הסלעים שמסביב ישמשו. מערכת כזו תגדיל את מספרה הכולל פי 4-5. נושא הזיהום הסביבתי במי מלח מוסר, עם חזרתו לאופק התת-קרקעי.

בצורה של מים חמים או קיטור, החום מועבר אל פני השטח, שם הוא משמש או ישירות לחימום מבנים ובתים, או לייצור חשמל. שימושי גם הוא חום פני השטח של כדור הארץ, שאליו מגיעים בדרך כלל על ידי קידוח בארות, שבהן השיפוע גדל ב-1 מעלות צלזיוס כל 36 מטרים.

כדי לספוג את החום הזה, הם משתמשים משאבות חום... מים חמים וקיטור משמשים לייצור חשמל ולחימום ישיר, והחום המרוכז עמוק בהיעדר מים הופך לצורה שימושית על ידי משאבות חום. אנרגיית המאגמה והחום המצטבר מתחת להרי געש מופקת בדרכים דומות.

באופן כללי, ישנן מספר שיטות סטנדרטיות לייצור חשמל בתחנות כוח גיאותרמיות, אך שוב ישירות או בתכנית דמוית משאבת חום.

במקרה הפשוט ביותר, הקיטור פשוט מופנה דרך צינור לטורבינה של גנרטור חשמלי. בתכנית מורכבת, האדים מטוהרים מראש כך שחומרים מומסים אינם הורסים את הצינורות. בתכנית מעורבת, גזים מומסים במים מסולקים לאחר עיבוי קיטור במים.

לבסוף, ישנה תכנית בינארית שבה נוזל אחר עם נקודת רתיחה נמוכה (סכימת מחליף חום) פועל כנוזל קירור (לקבלת חום ולהפוך את טורבינת הגנרטור).

המבטיחות ביותר הן משאבות חום בספיגת ואקום עם מים וליתיום כלוריד. הראשונים מעלים את טמפרטורת המים התרמיים עקב צריכת החשמל במשאבת המים הוואקום.

מים באר בטמפרטורה של 60 - 90 מעלות צלזיוס נכנסים למאייד הוואקום. הקיטור שנוצר נדחס על ידי מגדש טורבו. הלחץ נבחר בהתאם לטמפרטורת נוזל הקירור הנדרשת.

אם המים הולכים ישירות למערכת החימום, אז זה 90 - 95 מעלות צלזיוס, אם לרשתות החימום, אז 120 - 140 מעלות צלזיוס. במעבה, הקיטור המעובה נותן את החום שלו למים המסתובבים בחימום העיר. רשתות, מערכות חימום ומים חמים.

אילו אפשרויות נוספות קיימות להגביר את השימוש באנרגיה גיאותרמית?

אחד הכיוונים קשור לשימוש במרבצי נפט וגז שהתרוקנו במידה רבה.

כידוע, ייצור חומר גלם זה בשדות ישנים מתבצע בשיטה של ​​הצפה של מים, כלומר, מים נשאבים לתוך הבארות, אשר מוציאים נפט וגז מנקבוביות המאגר.

ככל שההתדלדלות מתקדמת מתמלאים המאגרים הנקבוביים במים, אשר רוכשים את טמפרטורת הסלעים מסביב, וכך הופכים המשקעים לדוד גיאותרמי, ממנו ניתן להפיק בו זמנית שמן ולהשיג מים לחימום.

כמובן שצריך לקדוח בארות נוספות וליצור מערכת מחזור, אבל זה יהיה הרבה יותר זול מפיתוח שדה גיאותרמי חדש.

אפשרות נוספת היא להפיק חום מסלעים יבשים על ידי יצירת אזורים חדירים מלאכותיים. מהות השיטה היא יצירת נקבוביות באמצעות פיצוצים בסלעים יבשים.

הפקת חום ממערכות כאלה מתבצעת באופן הבא: שתי בארות קודחות במרחק מסוים זו מזו. מים נשאבים לתוך אחד, אשר, עובר לשני דרך הנקבוביות והסדקים שנוצרו, מסיר חום מהסלעים, מתחמם ואז עולה אל פני השטח.

מערכות ניסיוניות כאלה כבר פועלות בארצות הברית ובאנגליה. בלוס אלמוס (ארה"ב), שתי בארות - אחת בעומק של 2,700 מ' והשנייה - 2,300 מ', מחוברות על ידי שבירה הידראולית וממולאות במים זורמים מחוממים לטמפרטורה של 185 מעלות צלזיוס. באנגליה, ברוזמניוס מחצבה, המים מחוממים ל-80 מעלות צלזיוס.

תחנת כוח גיאותרמית

החום של כדור הארץ כמשאב אנרגיה

ליד העיירה האיטלקית Larederello פועלת מסילת רכבת חשמלית המונעת בקיטור יבש מבאר. המערכת פעילה מאז 1904.

שדות גייזרים ביפן ובסן פרנסיסקו הם שני מקומות מפורסמים נוספים בעולם שמשתמשים גם בקיטור חם יבש להפקת חשמל. באשר לקיטור לח, השדות הנרחבים יותר שלו נמצאים בניו זילנד, וקטנים יותר בשטחם - ביפן, רוסיה, אל סלבדור, מקסיקו, ניקרגואה.

אם ניקח בחשבון חום גיאותרמי כמשאב אנרגיה, אז הרזרבות שלו גבוהות פי עשרות מיליארדי מצריכת האנרגיה השנתית של האנושות ברחבי העולם.

רק 1% מהאנרגיה התרמית של קרום כדור הארץ, הנלקחת מעומק של 10,000 מטר, יספיק כדי לחפוף מאות מונים לרזרבות של דלקים מאובנים, כגון נפט וגז, המיוצרים ברציפות על ידי האנושות, מה שמוביל לדלדול בלתי הפיך של תת הקרקע ושל זיהום הסביבה.

זה נובע מסיבות כלכליות. אבל לתחנות כוח גיאותרמיות יש פליטת פחמן דו חמצני מתונה מאוד, כ-122 ק"ג לכל מגה וואט שעה של חשמל שנוצר, וזה פחות משמעותית מפליטות מייצור חשמל של דלק מאובנים.

GeoPE תעשייתי ואנרגיה גיאותרמית פרוספקטים

ה-GeoPE התעשייתי הראשון בהספק של 7.5 MW נבנה בשנת 1916 באיטליה. מאז נצבר ניסיון שלא יסולא בפז.

נכון לשנת 1975, סך ההספק המותקן של GeoPP בעולם היה 1278 מגה וואט, ובשנת 1990 זה כבר היה 7300 מגוואט. הנפחים הגדולים ביותר של פיתוח אנרגיה גיאותרמית נמצאים בארצות הברית, מקסיקו, יפן, הפיליפינים ואיטליה.

ה-GeoPE הראשון בשטח ברית המועצות נבנה בקמצ'טקה בשנת 1966, קיבולתו היא 12 MW.

מאז 2003 פועלת ברוסיה תחנת הכוח הגיאוגרפית מוטנובסקאיה, שהספק שלה הוא כעת 50 מגה-וואט - זוהי תחנת הכוח הגיאוגרפית החזקה ביותר ברוסיה כרגע.

ה-GeoPP הגדול בעולם הוא Olkaria IV בקניה, עם קיבולת של 140 MW.

בעתיד, סביר מאוד שהאנרגיה התרמית של מאגמה תשמש באותם אזורים בכוכב הלכת שבהם היא אינה עמוקה מדי מתחת לפני כדור הארץ, כמו גם באנרגיה התרמית של סלעים גבישיים מחוממים, כאשר מים קרים נשאבים לתוך חור קדח בעומק של מספר קילומטרים והמים החמים מוחזרים לפני השטח או לקיטור, ולאחר מכן הם מקבלים חימום או מייצרים חשמל.

נשאלת השאלה - מדוע יש כיום כל כך מעט פרויקטים שהושלמו המשתמשים באנרגיה גיאותרמית? קודם כל, מכיוון שהם ממוקמים במקומות נוחים, שבהם המים נשפכים על פני כדור הארץ, או ממוקמים בצורה רדודה מאוד. במקרים כאלה, אין צורך לקדוח בארות עמוקות, שהן החלק היקר ביותר בפיתוח אנרגיה גיאותרמית.

השימוש במים תרמיים לאספקת חום גדול בהרבה מאשר לייצור חשמל, אך הם עדיין קטנים ואינם ממלאים תפקיד משמעותי במגזר האנרגיה.

אנרגיה תרמית עושה רק את הצעדים הראשונים והמחקר הנוכחי, עבודה ניסויית-תעשייתית אמורה לתת תשובה להיקף הפיתוח הנוסף שלה.