Теплота недр Земли и толщи вод морей

Поток теплоты из недр Земли, источником которой являются радиоактивные процессы внутри Земли, постоянен, но его плотность очень мала. Так с углублением на каждые 33 м температура повышается на 1 °С. При глубине современного бурения скважин 10 км и более можно получить перепад температур в 300 °С и использовать его для превращения в электрическую и механическую энергии. Однако потери теплоты в трубопроводах подачи рабочего тела и электропроводах термоэлектрогенераторов будут так велики, что получение полезной энергии от этого источника энергии вряд ли окажется рентабельным.

В перспективе, наверное, будет легче использовать разность температур между нагретым воздухом и холодными слоями воды (в тропических морях) или между холодным воздухом и относительно теплыми слоями воды (в арктических морях). Здесь расстояние между источниками теплоты небольшое и даже при малом перепаде температур (30...40 °С) получается относительно рентабельная установка по генерации полезной энергии.

Кроме этого более выгодна возможность использования теплоты горячих вод и газов, выбрасываемых из Земли через естественные каналы или специально пробуренные скважины в подходящих местах.

На планете имеются значительные запасы энергии в виде теплоты земных недр. Энергия глубинной теплоты Земли практически неисчерпаема, и ее использование весьма перспективно. Земля непрерывно отдает в мировое пространство тепло, которое постоянно восполняется за счет распада радиоактивных элементов.

Термальные воды широко применяются для отопления и горячего водоснабжения в ряде стран. Так, столица Исландии — Рейкьявик — почти полностью обогревается теплотой термальных вод. В больших масштабах термальные воды для теплоснабжения используют в Австралии, Новой Зеландии, Италии.

Практическое использование теплоты Земли зависит от глубины залегания достаточно горячих источников. Для того чтобы объяснить природу геотермальных явлений, рассмотрим наиболее интересное из них — извержение вулканов. По мере увеличения глубины земной коры (литосферы) повышается температура. На глубине 40 км температура составляет 1200 °С. При этой температуре и атмосферном давлении произошло бы плавление пород. Однако в земных недрах на такой глубине повсеместно плавления не происходит из-за большого давления (около 1210 МПа).

В тех местах, где давление, обусловленное весом покрывающих пород, снято или значительно уменьшено, происходит плавление. Подобные явления наблюдаются при перемещениях земной коры, когда наряду с образованием складок при сжатиях образуются трещины при растяжениях. Расплавившаяся в трещинах масса может достигать поверхности Земли и выходить в виде лавы, горячих газов и водяного пара. Иногда такая масса, поднимаясь по трещинам и разломам, не доходит до поверхности Земли вследствие расширения и уменьшения давления. При этом нагретые теплотой больших глубин породы медленно остывают в течение десятков и сотен тысяч лет.

Передача теплоты от расплавившейся массы к поверхности происходит за счет теплопроводности покрывающих пород и конвекции выделяющихся из массы горячих газов и водяного пара. Горячие газы и пар, поднимаясь по трещинам к поверхности Земли, могут встретить воду, которую они нагревают. Нагретая вода выходит на поверхность в виде горячих источников. Эта вода может быть использована на геотермальных электростанциях. Объем выходящей на поверхность воды с течением времени меняется.

Анализ работы геотермальных электростанций в Новой Зеландии и Италии показал, что со временем падают давление и температура в скважине и значительно оседает поверхность земли вокруг скважины на площади примерно в 6 км², а производительность скважин убывает со временем по экспоненциальному закону.

В настоящее время в России на Камчатке проектируются и создаются геотермальные электрические станции (ГеоЭС) на базе Мунтовского геотермального месторождения общей мощностью 300 МВт.

Доля энергии, вырабатываемой в России геотермальными электрическими станциями, в перспективе может стать весьма ощутимой — до 8 % от общей выработки энергии на ТЭС, ТЭЦ, АЭС.

Геотермальная энергетика сегодня — экологически чистые технологии выработки электричества и теплоты. Современные экологически чистые ГеоЭС исключают прямой контакт геотермального рабочего тела с окружающей средой и выбросы вредных парниковых газов (прежде всего СО₂) в атмосферу. С учетом лимитов на выбросы углекислого газа ГеоЭС и ГеоТС имеют заметное экологическое преимущество по сравнению с тепловыми электростанциями, работающими на органическом топливе.