Геотермальная энергия.

Энергетика Земли (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Ежегодное излучение внутреннего тепла на нашей планете составляет 2,8*10¹⁴ млрд. кВт-ч. Оно постоянно компенсируется радиоактивным распадом изотопов в земной коре. Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземные бассейны горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. Это готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.

Геотермальная энергия имеет четыре выгодных отличительных черты:

1 – её запасы практически неисчерпаемы;

2 – она широко распространена;

3 – использование геотермальной энергии не требует больших издержек;

4 – она совершенно безвредна и не загрязняет окружающую среду.

Геотермальную энергию используют для выработки электроэнергии, обогрева жилья, теплиц и т.д.

Рис. 10.1. Внутреннее строение Земли. Кора имеет существенные вариации по составу и толщине.

Теплопередача от мантии поддерживает температурную разность между внешней и внутренней поверхностями сравнительно тонкой коры около 1000⁰С при среднем градиенте температур 30⁰С/км. Твёрдые породы, слагающие кору, имеют среднюю плотность 2700кг/м³, теплоёмкость 1000 Дж/(кг*К) и теплопроводность 2 Вт/(м*К). Поэтому средний геотермальный поток и составляет примерно 0,06 Вт/м² или10²⁰ Дж/км² в виде тепла, аккумулированного в коре.

Выделяют три класса геотермальных районов.

Гипертермальный. Температурный градиент – более 80⁰С/км. Почти все из существующих ГеоТЭС размещены в таких районах.

Полутермальный. Температурный градиент – примерно от 40 до 80⁰ С/км.

Извлечение тепла производится из естественных водоносных пластов или раздробленных сухих пород.

Нормальный. Температурный градиент – менее 40⁰С/км. Маловероятно, чтобы в таких районах даже в будущем стало экономически выгодно извлекать тепло из недр.

Сухие скальные породы.

Рис. 10.2. Структура системы из сухих горных пород. Плотность ρ, удельная теплоёмкость с, температурный градиент dT/dz = Ж; А – площадь; Т_о – поверхностная температура; Т₁ – минимальная полезная температура;

Т₂ – температура на максимальной глубине.

Полное полезное теплосодержание скального грунта до глубины равно:

Е_о = ρ_г*A*c_г*Ж*(z₂ – z₁)²/2 (10.1.)

Пусть средняя температура горячих скальных пород равна θ,тогда,

Θ = (Т₂ – Т₁)/2 = Ж*(z₂ – z₁)/2 (10.2.)

В этом случае Е_о = С_г*θ, где С_г – теплоёмкость горных пород, залегающих в слое между z₁ и z₂:

С_г = ρ_г*A*c_г*(z₂ – z₁). (10.3.)

Допустим, что тепло извлекается из пород равномерно, пропорционально температуре, с помощью потока воды, имеющего объёмный расход Q. плотность ρ_в, удельную теплоёмкость с_в. В этом процессе вода нагревается до температуры θ.

Θ = θ_о*е^-t/τ. (10.4.)

Е = Е_о*е^-t/τ. (10.5.)

Постоянная времени τ определяется следующим образом:

τ = ρ_в*А*с_г*(z₂ – z₁)/(Q*ρ_в*с_в). (10.6.)

Естественные водоносные пласты.

Рис. 10.3. Профиль горячего водоносного слоя.

В случае естественных водоносных пластов, залегающих на значительной глубине, источник тепла лежит внутри слоя воды. Часть пласта занята порами (рٰ), остальное пространство занято скальной породой с плотностью ρ_r.

Предположим, что толщина водоносного слоя (h) много меньше глубины его залегания (z₂) и что соответственно температура всей массы жидкости равна Т₂. Минимальная полезная температура равна Т₁. Характеристики источника тепла определяются так, как это делалось для сухих скальных пород.

Т₂ = Т_о+ (dT/dz)*z = T_o +Ж*z, (10.7.) E_o/A = C_г*(T₂ – T₁), (10.8..)

где С_г = [рٰ *ρ_в*с_в + (1 – рٰ)*ρ_г*c_г]*h. (10.9.)

Определим отбор тепла при объёмной скорости Q и величине θ, превышающей Т1 :

Q*ρ_в*с_в*θ = - С_г*dθ/dt. (10.10.)

Е = Е_оехр(-t/τ_а), (10.11.)

τ_а = С_г/(Q*ρ_в*с_в) = [рٰ*ρ_в*с_в+ (1 – рٰ)*ρ_гc_г]h/(Q*ρ_в*с_в). (10.12.)

Потребность в тепле при температуре до 100⁰С обычно даже выше, чем в электроэнергии. Выработка электроэнергии будет представлять интерес, если теплоноситель имеет температуру более 300⁰С, и не будет, если последняя ниже 150⁰С.

В США разработан метод дробления скал гидроразрывом с помощью холодной воды, нагнетаемой под давлением в скважину. После предварительного дробления пород вода нагнетается через питающую скважину, фильтруется через скальные породы на глубине около 5км при температуре 250⁰С, тёплая вода возвращается на поверхность через приёмную скважину. Две такие скважины могут обеспечить энергией установку мощностью 1 ГВт.

Рис. 10.4. Схема размещения гидротермальных станций в гипертермальном районе (США, Калифорния): 1 – естественный гейзер; 2 - энергетическая станция; 3 – глубокая скважина (5 км); 4 – пароводяной источник

(250⁰С); 5 – мантия; 6 – горячие скальные породы.

Рис. 10.5. Схема извлечения тепла из сухих горных пород.

Капитальные затраты на строительство ГеоТЭС варьируется от 1500 до 2000 долл./кВт установленной мощности, что сравнимо с АЭС и ТЭС.