Термальные источники энергии: Термальная энергия на информационном портале «Clean Energo»

Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции или что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 0С каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно как для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира.

По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6 650 0С. Скорость остывания Земля примерно равна 300-350 0С в миллиард лет. Земля содержит 42 х 1012 Вт тепла, из которых 2% содержится в коре и 98% — в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое находится слишком глубоко, но и 840 000 000 000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Геотермальные электростанции и геотермальные ресурсы

Чем глубже скважина, тем выше температура, но в некоторых местах геотермальная температура поднимается быстрее. Такие места обычно находятся в зонах повышенной сейсмической активности, где сталкиваются или разрываются тектонические плиты. Именно поэтому наиболее перспективные геотермальные ресурсы находятся в зонах вулканической активности. Чем выше геотермический градиент, тем дешевле обходится добыча тепла, за счет уменьшения расходов на бурение и качание. В наиболее благоприятных случаях, градиент может быть настолько высок, что поверхностные воды нагреваются до нужной температуры. Примером таких случаев служат гейзеры и горячие источники.

Ниже земной коры находится слой горячего и расплавленного камня называемый магмой. Тепло возникает там, прежде всего, за счет распада природных радиоактивных элементов, таких как уран и калий. Энергетический потенциал тепла на глубине 10 000 метров в 50 000 раз больше энергии, чем все мировые запасы нефти и газа.

Зоны наивысших подземных температур находятся в регионах с активными и молодыми вулканами. Такие «горячие точки» находятся на границах тектонических плит или в местах, где кора настолько тонка, что пропускает тепло магмы. Множество горячих точек находится в зоне Тихоокеанского кольца, которое еще называют «огненное кольцо» из-за большого количества вулканов.

Геотермальные электростанции —  способы использования геотермальной энергии

Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла широко распространенна в высоких широтах на границах тектонических плит, например в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре (более 150 0С).

В Калифорнии, Неваде и некоторых других местах геотермальная энергия используется на больших электростанциях, Так, в Калифорнии около 5% электричества вырабатывается за счет геотермальной энергии, в Сальвадоре геотермальная энергия производит около 1/3 электроэнергии. В Айдахо и Исландии геотермальное тепло используется в различных сферах, в том числе и для обогрева жилья. В тысячах домах геотермальные тепловые насосы используются для получения экологически чистого и недорогого тепла.

Геотермальные электростанции —  источники геотермальной энергии.

Сухая нагретая порода – Для того, чтобы использовать энергию в геотермальных электростанциях, содержащуюся в сухой скальной породе, воду при высоком давлении закачивают в породу. Таким образом, расширяются существующие в породе изломы, и создается подземный резервуар пара или горячей воды.

Магма – расплавленная масса, образующаяся под корой Земли. Температура магмы достигает 1 200 0С. Несмотря на то, что небольшие объемы магмы находятся на доступных глубинах, практические методы получения энергии из магмы находятся на стадии разработки.

Горячие, находящиеся под давлением, подземные воды, содержащие растворенный метан. В производстве электроэнергии используются и тепло, и газ.

Геотермальные электростанции — принципы работы

В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару

Паровые электростанции работают преимущественно на гидротермальном пару. Пар поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива). Это старейшие геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная геотермальная электростанция в мире.

Геотермальные электростанции на парогидротермах

Для производства электричества на таких заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 182 °С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.

Геотермальные электростанции с бинарным циклом производства электроэнергии.

Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 200 0С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. Горячая геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник. Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют. Воды умеренной температуры являются наиболее распространенным геотермальным ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать на этом принципе.

Будущее геотермального электричества.

Резервуары с паром и горячей водой являются лишь малой частью геотермальных ресурсов. Земная магма и сухая твердая порода обеспечат дешевой, чистой практически неиссякаемой энергией, как только будут разработаны соответствующие технологии по их утилизации. До тех пор, самыми распространенными производителями геотермальной электроэнергии будут электростанции с бинарным циклом.

Чтобы геотермальное электричество стало ключевым элементом энергетической инфраструктуры США, необходимо разработать методы по уменьшению стоимости его получения. Департамент Энергетики США работает с представителями геотермальной промышленности по уменьшению стоимости киловатт-часа до $0,03-0,05. По прогнозам, в ближайшее десятилетие появятся новые геотермальные электростанции мощностью 15 000 МВт.

http://www1.eere.energy.gov/geothermal/powerplants.htm

История перехода к возобновляемым источникам энергии в Исландии: пример для всего мира?

В эпоху, когда изменения, связанные с потеплением климата, заставляют многие страны мира внедрять устойчивые энергетические решения, ситуация Исландии представляется уникальной. На сегодняшний день почти 100 процентов электроэнергии, потребляемой этой небольшой страной с населением 330 тысяч человек, вырабатывается благодаря возобновляемым источникам. Кроме того, девять из десяти домов отапливаются за счет геотермальной энергии. История отказа Исландии от ископаемых видов топлива может вдохновить другие страны, желающие увеличить долю возобновляемых источников энергии в общей структуре энергопотребления. Является ли опыт Исландии уникальным и неповторимым, или весь мир может последовать её примеру?

Особенности энергетического сектора Исландии

Исландию часто называют «страной огня и льда». Именно этим сочетанием геологических характеристик и северного географического положения объясняется изобилие возобновляемых источников энергии, которым располагает эта страна. Остров расположен на Срединно-Атлантическом хребте между Североамериканской и Евразийской тектоническими плитами — в зоне исключительно высокой вулканической активности; энергия этой зоны используется в исландских геотермальных системах. 11% территории страны покрыто ледниками. Сезонное таяние льдов пополняет водные ресурсы рек ледникового происхождения, берущих начало в горах и впадающих в моря, — именно они составляют основу исландских гидроэнергетических ресурсов. Кроме того, страна располагает огромным ветроэнергетическим потенциалом, который практически не используется в настоящее время. 

На сегодняшний день экономика Исландии удовлетворяет свои энергетические нужды — от отопления и электроснабжения частных домов до потребностей энергоемких отраслей промышленности — главным образом за счет «зеленой» энергии, вырабатываемой благодаря гидроэнергетическим и геотермальным источникам. Единственное исключение составляет транспортный сектор, работающий на ископаемых видах топлива.

Помимо электроснабжения и централизованного отопления геотермальной энергии в Исландии находят и другое применение. Она широко используется для растапливания снега на тротуарах, обогрева плавательных бассейнов, энергоснабжения рыбоводческих хозяйств, обслуживания парниковых комплексов и пищевой промышленности, а также для энергообеспечения производства косметики — например, широко известной продукции знаменитого исландского геотермального спа Blue Lagoon.

Переход Исландии от угля и нефти к возобновляемым источникам энергии

Сегодня Исландия являет собой яркий пример использования возобновляемой энергии в современной экономике, однако так было не всегда. Использование геотермальных ресурсов веками ограничивалось стиркой и купанием, а выработка гидроэлектроэнергии началась только в ХХ веке, причем мощность гидроэлектростанций ограничивалась несколькими мегаваттами. Фактически до начала 1970-х годов бóльшая часть энергопотребления страны обеспечивалась импортируемыми ископаемыми видами топлива.

Несмотря на очевидные преимущества устойчивой энергетики, страна перешла к ней не из осознания важности использования возобновляемых источников для борьбы с изменением климата. Причина перехода проста: Исландия не смогла справиться с колебаниями цен на нефть, обусловленными целым рядом кризисов, один за другим поражавших мировой энергетический рынок. Расположенная у самого Полярного круга, географически изолированная страна нуждалась в стабильном и экономически рентабельном энергетическом ресурсе.

Первые нелегкие шаги на пути развития возобновляемой энергетики — на базе как геотермальных источников, так и гидроресурсов — были сделаны исландскими предпринимателями. В начале ХХ века некий фермер придумал способ использования постоянно сочащейся из земли горячей воды, соорудив примитивную геотермальную отопительную систему для обогрева своей фермы. Органы местного самоуправления переняли его инициативу и постепенно были развернуты систематические разведочные работы по поиску геотермальных источников. Технологии бурения, заимствованные из нефтедобывающей отрасли, позволили добираться до более горячих глубинных водных пластов, а значит — обеспечивать отоплением большее количество домов. Тогда стали разрабатываться более крупные проекты — началась реализация геотермальных систем центрального отопления в коммерческом масштабе. Подобно геотермальным, первые гидроэнергетические проекты были осуществлены фермерами, которые стремились к рациональному ведению хозяйства и либо искали возможности обеспечить электроснабжение собственных домов, либо объединяли усилия для электрификации сразу нескольких ферм. В 1950 году в Исландии было построено 530 таких гидроэлектростанций — появилась целая сеть независимых энергетических систем, разбросанных по всей стране.

В целях поощрения дальнейшего использования энергии геотермальных источников правительство Исландии учредило в конце 1960-х годов фонд, предусматривающий снижение финансовых рисков при финансировании геотермального бурения.  Фонд предоставлял ссуды на разведку геотермальных ресурсов и поисковое бурение, покрывая потери в том случае, если проекты терпели неудачу. Кроме того, создание правовой базы позволило сделать новую геотермальную систему центрального отопления более привлекательной, чем дальнейшее использование ископаемых видов топлива.

В то же время Исландия обратилась к крупномасштабной выработке гидроэлектроэнергии, что привлекло внимание крупных промышленных потребителей электроэнергии во всем мире. Идея заключалась в привлечении в Исландию новых видов предприятий в целях диверсификации экономики страны, создания новых рабочих мест и формирования общенациональной энергетической системы.

Совокупность всех этих мер и создала ту Исландию, которую мы видим сегодня.

Исландские преобразования — уникальный случай?

История исландской энергетики является примером осуществления радикальных изменений в течение короткого периода времени. В связи с этим возникает вопрос: можно ли считать опыт Исландии неповторимым, принимая во внимание её уникальное географическое положение, обеспечивающее изобилие возобновляемых источников энергии?

В целом структура энергопотребления и характер спроса в стране представляют довольно сложную совокупность факторов. Такие из них, как цена, наличие ресурсов, эффективность производства и политическая конъюнктура  играют важную роль. Доступность возобновляемых источников энергии, будь то ветер, солнце, геотермальные или водные ресурсы, может способствовать их более эффективному использованию. Однако их наличие вовсе не гарантирует перехода к «зеленой» энергетике.

В этом отношении ситуация в Исландии абсолютно уникальна. Консенсус между органами местного самоуправления, правительством и общественностью в вопросе о необходимости поиска и разработки «зеленых» источников энергии был обусловлен стоимостью энергии и запросом на энергетическую безопасность. И хотя Исландия 1970-х была маленьким мирным государством, препятствий на этом пути хватало и успех вовсе не был гарантирован. В то время страна восстанавливалась после столетий бедности и иностранного правления, страдая от отсутствия базовой инфраструктуры и недостатка знаний о потенциале своих ресурсов и опыта в реализации крупных энергетических проектов. До 1970‑х годов Программа развития Организации Объединенных Наций квалифицировала Исландию как развивающуюся страну. Кроме того, организации, призванные обеспечить крайне необходимое финансирование, в Исландии только возникали и еще не накопили необходимого опыта. Плотность населения страны была и остается столь низкой, что формирование объединенной энергосистемы является очень дорогостоящей задачей.

С теми же проблемами сталкиваются сегодня многие страны, встающие на путь устойчивого развития энергетики. К примеру, Непалу при реализации планов по использованию части неосвоенных гидроэнергетических ресурсов страны предстоит решить ряд проблем в инвестиционной и энергетической сфере. Страны таких регионов, как Восточная Африка, страдают от дефицита технических ноу-хау, необходимых для оценки и эксплуатации их богатых геотермальных ресурсов. И хотя положение этих стран значительно отличается от ситуации Исландии, исландский опыт в большой степени можно экстраполировать на другие страны и использовать там.

Уроки, извлеченные из опыта

Из накопленного Исландией опыта можно вычленить следующие рекомендации нынешним и будущим деятелям «новой энергетики», касающиеся преодоления барьеров при переходе к возобновляемым источникам энергии:

• На начальных этапах перехода необходимо добиться консенсуса и сотрудничества между органами местного самоуправления, правительством и общественностью. В Исландии благодаря этому диалогу установилась доверительная и конструктивная атмосфера, необходимая для преодоления вышеупомянутых барьеров.
• Ключом к успеху является расширение прав и возможностей местных общин и вовлечение в процесс широких слоев населения. Уровень взаимодействия местных органов самоуправления с предпринимателями-новаторами и перенятые у них методы позволили претворить в жизнь и доказать ценность как геотермальной, так и гидроэнергетической концепции.
• Позитивная нормативно-правовая база, а также политика стимулирования и благоприятствования, проводимая государством, ускоряет процессы перехода. Исландский фонд финансовых рисков при бурении ускорил темпы перехода за счет снижения уровня риска местных органов самоуправления при реализации геотермальных проектов.
• Очень важно долгосрочное планирование развития возобновляемой энергетики — так же, как и в случае с развитием промышленности. На дальнейших этапах развития энергетики Исландии встал вопрос о том, какая часть природных ресурсов страны подлежит использованию в рамках энергетических проектов. В связи было начато создание генерального плана с участием всех заинтересованных сторон.
• Большое влияние может оказать демонстрация каждого шага на пути к успеху. Общественность принимает участие лишь в понятных и желанных переходных процессах. В Исландии те населенные пункты, в которых было обеспечено бесперебойное использование горячих геотермальных вод, стали образцами, на которые ориентируются остальные. Кроме того, политики часто прибегают к демонстрации фотографий столичной зоны в формате «до и после» — для привлечения внимания избирателей к тому обстоятельству, что результатом использования геотермальных ресурсов вместо ископаемых видов топлива стал более чистый воздух.

Какой вклад может внести Исландия?

Опыт Исландии представляет большую ценность для лиц, ответственных за выработку политики, однако в первую очередь страна прилагает усилия к распространению накопленных знаний о технических аспектах развития геотермальной энергетики.

Вот уже не первый десяток лет Исландия предоставляет техническую помощь в геотермальной отрасли и занимается просвещением в сфере использования возобновляемых источников энергии. С 1979 года свыше 1000 специалистов из разных стран мира прошли в Исландии курсы геотермальной энергетики — по соответствующим учебным программам Организации Объединенных Наций, а также в таких высших учебных заведениях, как Исландская школа энергетики при Рейкьявикском университете. Энергетический сектор Исландии участвовал в геотермальных проектах более чем в 50 странах — и по-прежнему демонстрирует высокую активность во всем мире. В качестве примера такого участия можно привести проект строительства крупнейшей в мире геотермальной системы центрального отопления в Китае, обслуживающей свыше миллиона потребителей.

Интересный факт, характеризующий будущее геотермальной энергетики, заключается в том, что современная вулканическая активность ни в коей мере не является условием успешного прямого использования геотермальной энергии. Благодаря технологическим инновациям для отопления и охлаждения помещений могут использоваться широко представленные низкотемпературные геотермальные зоны. К примеру, мало кто знает, что одна из крупнейших в Европе геотермальных систем центрального отопления сооружена в Париже. Согласно некоторым подсчетам, в одной только Европе около 25% населения живет в местностях, подходящих для внедрения геотермальных систем центрального отопления. Исландские ноу-хау и опыт Исландии могут оказать неоценимую помощь при оценке осуществимости этих и других проектов такого рода и их реализации.

Поучительный пример для остального мира

В энергетическом секторе Исландии оправдал себя переход на геотермальные и гидроэнергетические ресурсы, что же касается других регионов, выбор наиболее эффективных возобновляемых источников энергии и оптимальных способов их эксплуатации будет определяться местными условиями. Ведь, поскольку каждая страна уникальна, переход на новые источники энергии будет везде проходить по-разному. То есть исландский опыт такого перехода — это скорее показательная история успеха, нежели «универсальный образец для подражания». Исландия в первую очередь является наглядным примером того, что может быть достигнуто — примером, включающим в себя множество уроков, полезных для любой страны, которая планирует такого рода преобразования.

Кроме того, опыт Исландии может послужить напоминанием о том, что не только богатые развитые страны имеют возможность преодолеть стоимостные и внутренние барьеры при переходе к «зеленой» энергетике. Возможно, там, где энергетические системы еще не полностью реализованы и у заинтересованных сторон больше стимулов к изменению статус-кво, внедрение новых энергетических решений проходит даже легче.

Положительный момент заключается в том, что мир никогда еще не был в состоянии большей готовности к грядущим переменам. Постоянно появляются новые, все более совершенные технологии, так же как и более рациональные схемы финансирования. Сотрудничество и обмен ноу-хау между разными странами мира становится все легче и занимает все меньше времени. Сочетание всех этих факторов с уроками, извлеченными из опыта прошлого, в том числе и из опыта Исландии, обеспечит всем странам действенный инструментарий в переходе на более устойчивый путь развития.

И наконец, ясно, что для перехода к другой энергетической модели все страны мира — как богатые, так и бедные — нуждаются в сильном руководстве на всех уровнях. Руководителям потребуются поучительные примеры, вдохновляющие людей на действия. Исландия, всегда готовая поделиться своими знаниями и опытом, с гордостью возьмет на себя эту роль, продолжая учиться сама и с энтузиазмом внося свой вклад в наше общее устойчивое будущее.

Список литературы

Björnsson, Sveinbjörn, ed. (2010). Geothermal Development and Research in Iceland. Reykjavík: Orkustofnun. С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://www.nea.is/media/utgafa/GD_loka. pdf.

Dumas, Philippe, and Angelina Bartosik (2014). Geothermal DH Potential in Europe. GEODH. С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://geodh.eu/wp-content/uploads/2014/11/GeoDH-Report-D-2.2-final.pdf.

The Icelandic International Development Agency (ICEIDA). The Geothermal Exploration Project, 2013 — 2017. С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://www.iceida.is/iceida-projects/nr/1488. Данные на веб-сайте от 29 октября 2015.

Landsvirkjun. “Áfangar í sögu okkar” (Moments in History). С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте:  http://www.landsvirkjun.is/fyrirtaekid/saga. Данные на веб-сайте от 29 октября 2015.

Lee, Henry, and Halla H. Logadóttir (2012). Iceland’s Energy Policy: Finding the Right Path Forward. Cambridge, Mass.: John F. Kennedy School of Government, Harvard University.

Logadóttir, Halla, and Samuel N. Perkin (2015). An interdisciplinary approach to geothermal energy education: the case of Iceland School of Energy at Reykjavík University. Proceedings of the World Geothermal Congress. Melbourne, Australia, 19-25 April. С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: https://pangea.stanford.edu/ERE/db/WGC/papers/WGC/2015/09003.pdf.

Orkustofnun, the National Energy Authority. Jarðvarmanotkun” (Geothermal Energy Utilization). С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://www.orkustofnun.is/jardhiti/jardvarmanotkun/. Данные на веб-сайте от 29 октября 2015.  

Sigurðsson, Helgi M. (2002). Vatnsaflsvirkjanir á Íslandi. Reykjavík, Verkfræðistofa Sigurðar Thoroddsen.

United Nations University. Geothermal Training Programme (UNU-GTP).  С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://www.unugtp.is/en/organization/about-the-unu-gtp. Данные на веб-сайте от 29 октября 2015.

Þórðarson, Sveinn (1998). Auður úr iðrum jarðar: Saga hitaveitna og jarðhitanýtingar á Íslandi (Wealth from the bowels of the Earth: The Story of District Heating and Geothermal Energy in Iceland). Reykjavík, Hið íslenska bókmenntafélag.

Геотермальная энергия | Национальное географическое общество

Геотермальная энергия — это тепло, которое вырабатывается внутри Земли. ( Geo  означает «земля», а Thermal  означает «тепло» на греческом языке.) Это возобновляемый ресурс, который можно собирать для использования человеком.

Примерно на 2900 километров (1800 миль) ниже земной коры или поверхности находится самая горячая часть нашей планеты: ядро. Небольшая часть тепла ядра исходит от трения и гравитационного притяжения, образовавшихся при создании Земли более 4 миллиардов лет назад. Однако подавляющее большинство тепла Земли постоянно генерируется в результате распада радиоактивных изотопов, таких как калий-40 и торий-232.

Изотопы — это формы элемента, которые имеют другое количество нейтронов, чем обычные версии атома элемента.

Калий, например, имеет 20 нейтронов в ядре. Однако калий-40 имеет 21 нейтрон. Когда калий-40 распадается, его ядро ​​изменяется, испуская огромное количество энергии (излучение). Калий-40 чаще всего распадается на изотопы кальция (кальций-40) и аргона (аргон-40).

Радиоактивный распад — это непрерывный процесс в ядре. Температура там поднимается до более чем 5000° по Цельсию (около 9000° по Фаренгейту). Тепло от ядра постоянно излучается наружу и нагревает породы, воду, газ и другой геологический материал.

Температура Земли повышается с глубиной от поверхности к ядру. Это постепенное изменение температуры известно как геотермический градиент. В большинстве частей мира геотермический градиент составляет около 25°C на 1 километр глубины (1°F на 77 футов глубины).

Если подземные горные породы нагреть примерно до 700-1300°C (1300-2400°F), они могут превратиться в магму. Магма – это расплавленная (частично расплавленная) горная порода, пронизанная газом и пузырьками газа. Магма существует в мантии и нижних слоях коры и иногда выливается на поверхность в виде лавы.

Магма нагревает близлежащие скалы и подземные водоносы. Горячая вода может выбрасываться через гейзеры, горячие источники, паровые жерла, подводные гидротермальные жерла и грязевые котлы.

Все это источники геотермальной энергии. Их тепло можно улавливать и использовать непосредственно для обогрева, или их пар можно использовать для выработки электричества. Геотермальную энергию можно использовать для обогрева зданий, парковок и тротуаров.

Большая часть геотермальной энергии Земли не выходит наружу в виде магмы, воды или пара. Он остается в мантии, медленно излучаясь наружу и собираясь в виде очагов высокой температуры. Получить доступ к этому сухому геотермальному теплу можно путем бурения и обогащения закачкой воды для создания пара.

Многие страны разработали методы использования геотермальной энергии. Различные виды геотермальной энергии доступны в разных частях мира. В Исландии обильные источники горячих, легкодоступных подземных вод позволяют большинству людей полагаться на геотермальные источники как на безопасный, надежный и недорогой источник энергии. Другие страны, такие как США, должны бурить скважины для получения геотермальной энергии с большими затратами.

Сбор геотермальной энергии: отопление и охлаждение

Низкотемпературная геотермальная энергия
Практически в любой точке мира можно получить доступ к геотермальному теплу и сразу же использовать его в качестве источника тепла. Эта тепловая энергия называется низкотемпературной геотермальной энергией. Низкотемпературная геотермальная энергия получается из очагов тепла около 150° C (302° F). Большинство очагов низкотемпературной геотермальной энергии находятся всего в нескольких метрах под землей.

Низкотемпературная геотермальная энергия может использоваться для обогрева теплиц, домов, рыбных хозяйств и промышленных процессов. Низкотемпературная энергия наиболее эффективна при использовании для отопления, хотя иногда ее можно использовать для выработки электроэнергии.

Люди уже давно используют этот тип геотермальной энергии для строительства, комфорта, лечения и приготовления пищи. Археологические данные показывают, что 10 000 лет назад группы коренных американцев собирались вокруг природных горячих источников, чтобы восстановить силы или укрыться от конфликта. В третьем веке до нашей эры ученые и лидеры грелись в горячем источнике, питаемом каменным бассейном недалеко от горы Лишань в центральном Китае. Один из самых известных курортов с горячими источниками находится в английском городе Бат с соответствующим названием. Начав строительство примерно в 60 г. н.э., римские завоеватели построили сложную систему парных и бассейнов, используя тепло из неглубоких очагов низкотемпературной геотермальной энергии.

Горячие источники Шод-Эг во Франции служат источником дохода и энергии для города с 1300-х годов. Туристы стекаются в город из-за его элитных курортов. Низкотемпературная геотермальная энергия также обеспечивает теплом дома и предприятия.

Соединенные Штаты открыли свою первую геотермальную систему централизованного теплоснабжения в 1892 году в Бойсе, штат Айдахо. Эта система до сих пор обеспечивает теплом около 450 домов.

Геотермальная энергия совместного производства
Технология совместного производства геотермальной энергии зависит от других источников энергии. Эта форма геотермальной энергии использует воду, которая нагревается в качестве побочного продукта в нефтяных и газовых скважинах.

В Соединенных Штатах ежегодно в качестве побочного продукта производится около 25 миллиардов баррелей горячей воды. Раньше эту горячую воду просто выбрасывали. Недавно он был признан потенциальным источником еще большего количества энергии: его пар можно использовать для выработки электроэнергии, которая будет сразу же использована или продана в сеть.

Один из первых проектов совместного производства геотермальной энергии был инициирован в Центре испытаний нефтяных месторождений Роки-Маунтин в американском штате Вайоминг.

Новые технологии позволили сделать объекты совместного производства геотермальной энергии переносимыми. Хотя мобильные электростанции все еще находятся на экспериментальной стадии, они обладают огромным потенциалом для изолированных или бедных сообществ.

Геотермальные тепловые насосы
Геотермальные тепловые насосы (GHP) используют тепло Земли и могут использоваться практически в любой точке мира. GHP бурят на глубину от 3 до 90 метров (от 10 до 300 футов), что намного меньше, чем у большинства нефтяных и газовых скважин. GHP не требуют гидроразрыва скальной породы, чтобы добраться до источника энергии.

Труба, подсоединенная к GHP, образует непрерывную петлю, называемую «гибкой петлей», которая проходит под землей и над землей, обычно по всему зданию. Контур также может находиться полностью под землей для обогрева парковки или благоустроенной территории.

В этой системе вода или другие жидкости (например, глицерин, похожий на автомобильный антифриз) движутся по трубе. В холодное время года жидкость поглощает подземное геотермальное тепло. Он переносит тепло вверх по зданию и отдает тепло через систему воздуховодов. Эти трубы с подогревом также могут проходить через резервуары с горячей водой и компенсировать затраты на нагрев воды.

Летом система GHP работает наоборот: жидкость в трубах нагревается от тепла в здании или на стоянке и уносит тепло для охлаждения под землю.

Агентство по охране окружающей среды США назвало геотермальное отопление самой энергоэффективной и экологически безопасной системой отопления и охлаждения. Самая большая система GHP была завершена в 2012 году в Государственном университете Болла в Индиане. Эта система заменила угольную котельную, и, по оценкам экспертов, университет сэкономит около 2 миллионов долларов в год на расходах на отопление.

Сбор геотермальной энергии: электричество

Чтобы получить достаточно энергии для производства электроэнергии, геотермальные электростанции используют тепло, существующее в нескольких километрах под поверхностью Земли. В некоторых районах тепло может естественным образом существовать под землей в виде очагов пара или горячей воды. Тем не менее, большинство областей необходимо «улучшить» закачкой воды для создания пара.

Сухие паровые электростанции
Сухие паровые электростанции используют естественные подземные источники пара. Пар направляется непосредственно на электростанцию, где он используется для питания турбин и выработки электроэнергии.

Сухой пар — старейший тип электростанции для выработки электроэнергии с использованием геотермальной энергии. Первая электростанция с сухим паром была построена в Лардерелло, Италия, в 1911 году. Сегодня пароэлектростанции в Лардерелло продолжают снабжать электричеством более миллиона жителей этого района.

В Соединенных Штатах есть только два известных источника подземного пара: Йеллоустонский национальный парк в Вайоминге и Гейзеры в Калифорнии. Поскольку Йеллоустоун является охраняемой территорией, Гейзеры — единственное место, где используется сухопаровая электростанция. Это один из крупнейших геотермальных энергетических комплексов в мире, который обеспечивает около пятой части всей возобновляемой энергии в Калифорнии.

Электростанция с мгновенным паром

Электростанции с мгновенным паром используют естественные источники подземной горячей воды и пара. Вода с температурой выше 182 ° C (360 ° F) перекачивается в зону низкого давления. Часть воды «вспыхивает» или быстро испаряется в пар, который выбрасывается для питания турбины и выработки электроэнергии. Любая оставшаяся вода может быть слита в отдельный резервуар для извлечения большего количества энергии.

Электростанции с мгновенным паром являются наиболее распространенным типом геотермальных электростанций. Вулканически активное островное государство Исландия обеспечивает почти все свои потребности в электричестве с помощью серии геотермальных электростанций с мгновенным паром. Пар и избыточная теплая вода, образующиеся в результате процесса мгновенного испарения, нагревают обледеневшие тротуары и парковки холодной арктической зимой.

Острова Филиппин также расположены над тектонически активной областью, «Огненным кольцом», окаймляющим Тихий океан. Правительство и промышленность Филиппин вложили средства в электростанции с мгновенным паром, и сегодня страна уступает только Соединенным Штатам в использовании геотермальной энергии. На самом деле, крупнейшей отдельной геотермальной электростанцией является парогенератор в Малитбоге, Филиппины.

Электростанции с бинарным циклом
Электростанции с бинарным циклом используют уникальный процесс для сохранения воды и выработки тепла. Вода нагревается под землей примерно до 107–182 °C (225–360 °F). Горячая вода содержится в трубе, которая циркулирует над землей. Горячая вода нагревает жидкое органическое соединение, температура кипения которого ниже, чем у воды. Органическая жидкость создает пар, который проходит через турбину и приводит в действие генератор для выработки электроэнергии. Единственным выбросом в этом процессе является пар. Вода в трубе возвращается обратно в землю, чтобы снова нагреться Землей и снова обеспечить теплом органическое соединение.

Геотермальная установка Beowawe в американском штате Невада использует двоичный цикл для выработки электроэнергии. Органическое соединение, используемое на объекте, представляет собой промышленный хладагент (тетрафторэтан, парниковый газ). Этот хладагент имеет гораздо более низкую температуру кипения, чем вода, а это означает, что он превращается в газ при низких температурах. Газ питает турбины, которые подключены к электрическим генераторам.

Усовершенствованные геотермальные системы
Земля содержит практически бесконечное количество энергии и тепла под своей поверхностью. Однако использовать его в качестве энергии невозможно, если только подземные области не являются «гидротермальными». Это означает, что подземные области не только горячие, но также содержат жидкость и проницаемы. Во многих областях нет всех трех этих компонентов. Усовершенствованная геотермальная система (EGS) использует бурение, гидроразрыв пласта и закачку для обеспечения жидкости и проницаемости в областях с горячими, но сухими подземными породами.

Для разработки ЭГС вертикально в землю бурят «нагнетательную скважину». В зависимости от типа породы, это может быть от 1 км (0,6 мили) до 4,5 км (2,8 мили). В пробуренное пространство нагнетается холодная вода под высоким давлением, которая заставляет породу создавать новые трещины, расширять существующие трещины или растворяться. Это создает резервуар подземной жидкости.

Вода закачивается через нагнетательную скважину и поглощает тепло горных пород по мере прохождения через пласт. Эта горячая вода, называемая рассолом, затем направляется обратно на поверхность Земли через «производственную скважину». Нагретый рассол содержится в трубе. Он нагревает вторичную жидкость с низкой температурой кипения, которая испаряется в пар и приводит в действие турбину. Рассол остывает и возвращается обратно через нагнетательную скважину, чтобы снова поглотить подземное тепло. Помимо водяного пара из испаряемой жидкости отсутствуют газообразные выбросы.

Закачка воды в землю для ЭГС может вызвать сейсмическую активность или небольшие землетрясения. В Базеле, Швейцария, процесс закачки вызвал сотни крошечных землетрясений, которые переросли в более значительную сейсмическую активность даже после того, как закачка воды была остановлена. Это привело к отмене геотермального проекта в 2009 году.

Геотермальная энергия и окружающая среда

Геотермальная энергия является возобновляемым ресурсом. Земля излучает тепло уже около 4,5 миллиардов лет и будет продолжать излучать тепло в течение миллиардов лет в будущем из-за продолжающегося радиоактивного распада в ядре Земли.

Однако большинство колодцев, извлекающих тепло, в конце концов остынут, особенно если тепло извлекается быстрее, чем дается время на его пополнение. В Лардерелло, Италия, где находится первая в мире электростанция, работающая от геотермальной энергии, с 1950-х годов давление пара упало более чем на 25%.

Повторная закачка воды иногда может продлить срок службы охлаждающей геотермальной площадки. Однако этот процесс может вызывать «микроземлетрясения». Хотя большинство из них слишком малы, чтобы люди могли их почувствовать или зарегистрировать по шкале магнитуды, иногда земля может колебаться на более угрожающих уровнях и вызывать остановку геотермального проекта, как это произошло в Базеле, Швейцария.

Геотермальные системы не требуют огромного количества пресной воды. В бинарных системах вода используется только в качестве теплоносителя, не подвергается воздействию и не испаряется. Его можно перерабатывать, использовать для других целей или выбрасывать в атмосферу в виде нетоксичного пара. Однако, если геотермальная жидкость не содержится и не рециркулируется в трубе, она может поглощать вредные вещества, такие как мышьяк, бор и фтор. Эти токсичные вещества могут быть вынесены на поверхность и выпущены при испарении воды. Кроме того, если жидкость просачивается в другие подземные водные системы, она может загрязнить чистые источники питьевой воды и водную среду обитания.

Преимущества
Прямое или косвенное использование геотермальной энергии имеет множество преимуществ:

• Геотермальная энергия является возобновляемой; это не ископаемое топливо, которое в конечном итоге будет израсходовано. Земля постоянно излучает тепло из своего ядра и будет продолжать делать это в течение миллиардов лет.
• Некоторые формы геотермальной энергии можно получить и получить в любой точке мира.
• Использование геотермальной энергии относительно чисто. Большинство систем выделяют только водяной пар, хотя некоторые выделяют очень небольшое количество диоксида серы, оксидов азота и твердых частиц.
• Геотермальные электростанции могут работать десятилетиями, а возможно, и веками. При правильном управлении резервуаром количество извлекаемой энергии может быть уравновешено скоростью восстановления горными породами своего тепла.
• В отличие от других возобновляемых источников энергии, геотермальные системы являются «базовой нагрузкой». Это означает, что они могут работать как летом, так и зимой и не зависят от изменяющихся факторов, таких как наличие ветра или солнца. Геотермальные электростанции производят электричество или тепло 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.
• Место, необходимое для строительства геотермальной установки, намного компактнее, чем другие электростанции. Для производства ГВтч (гигаватт-час или один миллион киловатт энергии в час, огромное количество энергии) геотермальная электростанция использует площадь, эквивалентную примерно 1046 квадратных километров (404 квадратных миль) земли. Для производства того же ГВтч энергии ветра требуется 3458 квадратных километров (1335 квадратных миль), солнечному фотоэлектрическому центру требуется 8384 квадратных километра (3237 квадратных миль), а угольным электростанциям требуется около 9433 квадратных километра (3642 квадратных мили).
• Геотермальные энергетические системы можно адаптировать к различным условиям.

Их можно использовать для обогрева, охлаждения или электроснабжения отдельных домов, целых районов или промышленных процессов.

Недостатки
Сбор геотермальной энергии по-прежнему сопряжен со многими проблемами:

• Процесс нагнетания в землю потоков воды под высоким давлением может привести к незначительной сейсмической активности или небольшим землетрясениям.
• Геотермальные электростанции связаны с проседанием или медленным опусканием земли. Это происходит, когда подземные трещины разрушаются сами по себе. Это может привести к повреждению трубопроводов, дорог, зданий и естественных дренажных систем.
• Геотермальные установки могут выделять небольшое количество парниковых газов, таких как сероводород и двуокись углерода.
• Вода, протекающая через подземные резервуары, может содержать следовые количества токсичных элементов, таких как мышьяк, ртуть и селен. Эти вредные вещества могут просачиваться в источники воды, если геотермальная система не изолирована должным образом.
• Хотя этот процесс почти не требует топлива, первоначальные затраты на установку геотермальной технологии высоки. У развивающихся стран может не быть сложной инфраструктуры или начальных затрат для инвестирования в геотермальную электростанцию. Например, несколько объектов на Филиппинах стали возможными благодаря инвестициям американской промышленности и государственных учреждений. Сегодня заводы принадлежат Филиппинам и управляются ими.

Геотермальная энергия и люди

Геотермальная энергия существует в различных формах по всей Земле (паровые жерла, лава, гейзеры или просто сухое тепло), и существуют различные возможности извлечения и использования этого тепла.

В Новой Зеландии природные гейзеры и паровые вентиляционные отверстия обогревают плавательные бассейны, дома, теплицы и креветочные фермы. Жители Новой Зеландии также используют сухое геотермальное тепло для сушки древесины и сырья.

Другие страны, такие как Исландия, использовали ресурсы расплавленной породы и магмы в результате вулканической активности для обогрева домов и зданий. В Исландии почти 90% жителей страны используют ресурсы геотермального отопления. Исландия также полагается на свои естественные гейзеры для таяния снега, обогрева рыбных хозяйств и обогрева теплиц.

Соединенные Штаты производят наибольшее количество геотермальной энергии по сравнению с любой другой страной. Каждый год США вырабатывают не менее 15 миллиардов киловатт-часов, что эквивалентно сжиганию около 25 миллионов баррелей нефти. Промышленные геотермальные технологии были сосредоточены на западе США. В 2012 году в Неваде было 59 геотермальных проектов, действующих или разрабатываемых, за ней следуют Калифорния с 31 проектом и Орегон с 16 проектами.

Стоимость технологии геотермальной энергии снизилась за последнее десятилетие и становится более экономически доступной для частных лиц и компаний.

Краткий факт

Бальнеотерапия
Бальнеотерапия – это лечение болезней курортными водами, обычно купание и питье. Некоторые известные курорты в Соединенных Штатах, которые предлагают бальнеотерапию, включают Хот-Спрингс, Арканзас, и Уорм-Спрингс, Джорджия. Самый известный бальнеотерапевтический курорт в мире, Голубая лагуна Исландии, не является природным горячим источником. Это искусственное сооружение, в котором вода местной геотермальной электростанции перекачивается через слой лавы, богатый кремнеземом и серой. Эти элементы вступают в реакцию с теплой водой, создавая ярко-голубое озеро с предполагаемыми целебными свойствами.

Краткие факты

Геотермальная энергия

С 2015 года в тройку стран с наибольшим потенциалом использования геотермальной энергии входят США, Индонезия и Филиппины. Турция и Кения также неуклонно наращивают геотермальные энергетические мощности.

Краткий факт

Геотермальное кольцо
Источники геотермальной энергии часто располагаются на границах плит, где земная кора постоянно взаимодействует с горячей мантией внизу. Тихоокеанское так называемое огненное кольцо и восточноафриканская рифтовая долина являются вулканически активными районами, обладающими огромным потенциалом для производства геотермальной энергии.

Краткий факт

Фумаролы
На Гейзерах, одной из самых производительных геотермальных электростанций в мире, нет гейзеров. Калифорнийский объект расположен на фумаролах в земной коре, где пар и другие газы (не жидкости) выходят из недр Земли.

Статьи и профили

Scientific American: One Hot Island — возобновляемая геотермальная энергия Исландии

Карты

Министерство энергетики США: Программа геотермальных технологий — Геотермальные карты

Статья

National Geographic Environment: Geothermal EnergyU. S. Департамент энергетики: Геотермальная Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии: Основы геотермальной энергии

Тема научной деятельности 7 Примечания: Источники тепловой энергии

Эта тема расширяет то, что вы думали и узнали в Теме 1 о ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Энергия. Было обнаружено, что большая часть энергии, используемой для приготовления пищи и отопления, приходится на природный газ и электричество. Эти источники
Энергии могут претерпевать преобразования, прежде чем они будут использованы для приготовления пищи и обогрева. Также могут быть экологические
проблем в использовании каждого источника энергии.

Химическая энергия

Химическая энергия может быть преобразована в тепловую энергию при сжигании древесины или угля.

( Воздействие на окружающую среду: загрязнение, вызванное сжиганием
этих ископаемых видов топлива)

Электроэнергия

Электричество производится разными способами. Гидроэлектрические плотины используют силу гравитации, которая тянет воду над плотиной, чтобы вращать турбины, которые прикреплены
к генераторам, которые производят электрическую энергию из механической энергии генераторов.

Электричество также можно производить на термоэлектрических
(топливные) электростанции, работающие на ископаемом топливе.

( Воздействие на окружающую среду: дикая природа в районе плотины
потерять ценную среду обитания, растения могут погибнуть, когда заблокированная река выйдет из берегов, чтобы создать водохранилище
для плотины могут быть неблагоприятно затронуты коммерческие предприятия, загрязнение от сжигания ископаемого топлива, отапливаемых
сточные воды могут воздействовать на организмы в озерах, куда эти сточные воды сбрасываются.)

Механические силы

Механические силы, толкающие или тянущие объекты, часто выделяют тепловую энергию, как и силы трения.

Геотермальная энергия

Вулканы, горячие источники и гейзеры являются источниками геотермальной энергии – энергии недр земли. Тепловая энергия этих событий может производить горячие
воды или пара, которые затем можно подавать по трубопроводу на электростанцию ​​на поверхности. Это может быть использовано для запуска турбин, которые
производить электрическую энергию. HRD (горячая, сухая порода) может использоваться как еще один метод получения тепловой энергии. (Вода
закачивается в трещины в земной коре. Он возвращается на поверхность в виде пара, который можно использовать для выработки электроэнергии.

( Воздействие на окружающую среду: более широкое использование
этого чистой и экологически чистой техники , может уменьшить угрозу разливов нефти, загрязнения, вызванного сжиганием ископаемого топлива и отходов от
добыча ископаемого топлива.)

Солнечная энергия (Информационный ресурс по солнечной энергии)

Солнечная энергия является чистой и гарантированно не закончится. Он не доступен все время
(ночью, зимой реже/чем летом).
Есть два метода, которые могут помочь решить эти проблемы. (См. рис. 3.32, стр. 243)
Пассивное солнечное отопление — использует материалы конструкции для
поглощать, хранить и высвобождать солнечную энергию.
Активное солнечное отопление — использует механические устройства для сбора и распределения
тепловая энергия.

( Воздействие на окружающую среду: нет)

Энергия ветра

Энергия ветра представляет собой энергию движущегося воздуха и является результатом солнечной энергии и конвекции.
Когда солнце нагревает воздух, теплый воздух поднимается вверх и охлаждается. Холодный воздух падает, создавая конвекционные потоки.
называются термиками. Эти конвекционные потоки в глобальном масштабе формируют ветряные системы Земли. Ветряк представляет собой турбину (колесо с лопастями вентилятора), которая соединена с генератором.
Когда ветряк вращается, генератор производит электричество.

( Воздействие на окружающую среду: эстетика)

Другие источники тепловой энергии

Живые организмы сжигают пищу (химическую энергию) в своих телах для выработки тепла тела
(термальная энергия).

Компостер — еще один источник тепловой энергии. Редуценты расщепляют пищу, и поскольку эти химические
происходят изменения, вырабатывается тепловая энергия, которая, в свою очередь, способствует ускорению процесса разложения.

( Воздействие на окружающую среду: обращение с отходами)

Ископаемое топливо

Энергетический ресурс — это все, что может дать энергию в полезной форме. Большая часть энергии
поставки поступают из ископаемого топлива (в Альберте и во всем мире). Ископаемое топливо – это химические вещества растений и
другие организмы, которые погибли и разложились миллионы лет назад и сохранились под землей.

( Воздействие на окружающую среду: глобальное потепление, изменение
климатические зоны по всему миру, рост растений, истощение водных ресурсов и тепловое загрязнение)

Ископаемое топливо: две проблемы

Широкое использование ископаемого топлива создало две основные проблемы.