دفء الأرض. الطاقة الحرارية الأرضية

29.09.2019

مصطلح "الطاقة الحرارية الأرضية" يأتي من الكلمات اليونانية للأرض (جغرافية) والحرارة (الحرارية). في الحقيقة، الطاقة الحرارية الأرضية تأتي من الأرض نفسها. وتشع الحرارة من باطن الأرض، والتي يبلغ متوسطها 3600 درجة مئوية، نحو سطح الكوكب.

يمكن القيام بتسخين الينابيع والسخانات تحت الأرض على عمق عدة كيلومترات باستخدام آبار خاصة تتدفق من خلالها المياه الساخنة (أو البخار منها) إلى السطح، حيث يمكن استخدامها بشكل مباشر كحرارة أو بشكل غير مباشر لتوليد الكهرباء عن طريق تشغيلها. توربينات دوارة.

نظرًا لأن المياه الموجودة تحت سطح الأرض تتجدد باستمرار، وسيستمر قلب الأرض في إنتاج الحرارة نسبيًا الحياة البشريةبلا حدود، الطاقة الحرارية الأرضية في نهاية المطاف نظيفة ومتجددة.

طرق تجميع موارد الطاقة الأرضية

توجد اليوم ثلاث طرق رئيسية لتجميع الطاقة الحرارية الأرضية: البخار الجاف، والماء الساخن، والدورة الثنائية. تعمل عملية البخار الجاف على تشغيل المحركات التوربينية لمولدات الكهرباء مباشرة. يتدفق الماء الساخن من الأسفل إلى الأعلى، ثم يتم رشه في الخزان لتكوين بخار لتشغيل التوربينات. هاتان الطريقتان هما الأكثر شيوعاً، حيث تولدان مئات الميغاواط من الكهرباء في الولايات المتحدة وأيسلندا وأوروبا وروسيا ودول أخرى. لكن الموقع محدود، حيث تعمل هذه المحطات فقط في المناطق التكتونية حيث يكون الوصول إلى المياه الساخنة أسهل.

باستخدام تقنية الدورة الثنائية، يتم إحضار الماء الدافئ (وليس بالضرورة الساخن) إلى السطح ودمجه مع البيوتان أو البنتان، الذي يتميز بنقطة غليان منخفضة. يتم ضخ هذا السائل من خلال مبادل حراري حيث يتم تبخيره وإرساله عبر توربين قبل إعادة تدويره مرة أخرى إلى النظام. توفر تقنيات الدورة الثنائية عشرات الميغاواط من الكهرباء في الولايات المتحدة: كاليفورنيا ونيفادا وهاواي.

مبدأ إنتاج الطاقة

عيوب الطاقة الحرارية الأرضية

على مستوى المرافق، تعتبر محطات الطاقة الحرارية الأرضية مكلفة في البناء والتشغيل. ويتطلب العثور على موقع مناسب عمليات مسح آبار باهظة الثمن دون ضمان الوصول إلى نقطة ساخنة منتجة تحت الأرض. ومع ذلك، يتوقع المحللون أن تتضاعف هذه القدرة تقريبًا خلال السنوات الست المقبلة.

بالإضافة إلى المناطق ذات درجة حرارة عاليةوتقع المصادر الجوفية في المناطق ذات البراكين الجيولوجية والكيميائية النشطة. تتشكل هذه "النقاط الساخنة" عند حدود الصفائح التكتونية في الأماكن التي تكون فيها القشرة رقيقة جدًا. تضم منطقة المحيط الهادئ، والتي يشار إليها غالبًا باسم حلقة النار للعديد من البراكين، العديد من النقاط الساخنة، بما في ذلك ألاسكا وكاليفورنيا وأوريجون. يوجد في ولاية نيفادا مئات النقاط الساخنة التي تغطي جزءًا كبيرًا من شمال الولايات المتحدة.

هناك مناطق أخرى نشطة زلزاليا. تسمح الزلازل وحركة الصهارة للمياه بالدوران. في بعض الأماكن، ترتفع المياه إلى السطح وتحدث الينابيع الساخنة الطبيعية والسخانات، كما هو الحال في كامتشاتكا. تصل درجة حرارة الماء في ينابيع كامتشاتكا إلى 95 درجة مئوية.

إحدى مشاكل نظام السخان المفتوح هي إطلاق بعض ملوثات الهواء. كبريتيد الهيدروجين هو غاز سام ذو رائحة "بيضة فاسدة" مميزة للغاية - كميات صغيرة من الزرنيخ والمعادن المنبعثة مع البخار. يمكن أن يشكل الملح أيضًا مشكلة بيئية.

وفي محطات الطاقة الحرارية الأرضية البحرية، تتراكم كميات كبيرة من الملح المتداخل في الأنابيب. في الأنظمة المغلقة لا توجد انبعاثات ويتم إرجاع جميع السوائل التي يتم جلبها إلى السطح.

الإمكانات الاقتصادية لموارد الطاقة

البقع النشطة زلزاليا ليست هي الأماكن الوحيدة التي يمكن العثور على الطاقة الحرارية الأرضية فيها. هناك إمدادات ثابتة من الحرارة المفيدة لأغراض التدفئة المباشرة على أعماق تتراوح بين 4 أمتار إلى عدة كيلومترات تحت السطح في أي مكان تقريبًا على الأرض. حتى الأرض الموجودة في الفناء الخلفي لمنزلك أو المدرسة المحلية لديها إمكانات اقتصادية في شكل حرارة يتم إطلاقها في منزلك أو المباني الأخرى.

بالإضافة إلى ذلك، هناك كمية هائلة من الطاقة الحرارية في التكوينات الصخرية الجافة على عمق كبير تحت السطح (4 – 10 كم).

ومن الممكن أن يؤدي استخدام التكنولوجيا الجديدة إلى توسيع أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية، حيث يمكن للناس استخدام تلك الحرارة لإنتاج الكهرباء على نطاق أوسع بكثير من التقنيات التقليدية. تم عرض المشاريع التوضيحية الأولى لمبدأ توليد الكهرباء هذا في الولايات المتحدة وأستراليا في عام 2013.

وإذا أمكن تحقيق الإمكانات الاقتصادية الكاملة لموارد الطاقة الحرارية الأرضية، فإنها ستمثل مصدرا ضخما للكهرباء للطاقة الإنتاجية. ويقدر العلماء أن مصادر الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية لديها إمكانات تبلغ 38 ألف ميجاوات، والتي يمكن أن تنتج 380 مليون ميجاوات من الكهرباء سنويًا.

تتواجد الصخور الجافة الساخنة على أعماق تتراوح بين 5 إلى 8 كيلومترات في كل مكان تحت الأرض وعلى أعماق أقل عمقاً في أماكن معينة. يتضمن الوصول إلى هذه الموارد إدخال الماء البارد، والتدوير عبر الصخور الساخنة، وإزالة الماء الساخن. لا يوجد حاليا أي تطبيقات تجارية لهذه التكنولوجيا. التقنيات الحالية لا تسمح بعد باستعادة الطاقة الحرارية مباشرة من الصهارة بعمق شديد، ولكن هذا هو الأكثر مورد قويالطاقة الحرارية الأرضية.

ومع مزيج موارد الطاقة واتساقها، يمكن للطاقة الحرارية الأرضية أن تلعب دورًا لا غنى عنه كنظام طاقة أنظف وأكثر استدامة.

هياكل محطات الطاقة الحرارية الأرضية

الطاقة الحرارية الأرضيةهي حرارة نقية ومستقرة من الأرض. توجد موارد كبيرة في نطاق يصل إلى عدة كيلومترات تحت سطح الأرض، وحتى أعمق من ذلك، إلى الصخور المنصهرة ذات درجة الحرارة العالية والتي تسمى الصهارة. ولكن كما هو موضح أعلاه، لم يصل الناس بعد إلى الصهارة.

ثلاثة تصاميم لمحطات الطاقة الحرارية الأرضية

يتم تحديد تكنولوجيا التطبيق من خلال المورد. وإذا كان الماء يأتي من البئر بالبخار فيمكن استخدامه مباشرة. إذا كانت درجة حرارة الماء الساخن عالية بدرجة كافية، فيجب أن يمر عبر مبادل حراري.

تم حفر أول بئر لإنتاج الطاقة قبل عام 1924. تم حفر آبار أعمق في الخمسينيات، ولكن حدث تطور حقيقي في السبعينيات والثمانينيات.

الاستخدام المباشر للحرارة الجوفية

يمكن أيضًا استخدام مصادر الطاقة الحرارية الأرضية مباشرةً لأغراض التدفئة. يتم استخدام الماء الساخن لتدفئة المباني، وزراعة النباتات في البيوت الزجاجية، وتجفيف الأسماك والمحاصيل، وتحسين استخلاص الزيت، والمساعدة في العمليات الصناعية مثل بسترة الحليب، وتسخين المياه في المزارع السمكية. وفي الولايات المتحدة، استخدمت كلاماث فولز بولاية أوريغون، وبويز بولاية أيداهو، المياه الحرارية الأرضية لتدفئة المنازل والمباني لأكثر من قرن من الزمان. على الساحل الشرقي، تحصل وورم سبرينغز بولاية فيرجينيا على حرارتها مباشرة من مياه الينابيع باستخدام مصادر الحرارة في أحد المنتجعات المحلية.

في أيسلندا، يتم تدفئة كل مبنى تقريبًا في البلاد بواسطة مياه الينابيع الساخنة. في الواقع، تحصل أيسلندا على أكثر من 50% من طاقتها الأولية من مصادر الطاقة الحرارية الأرضية. ففي ريكيافيك مثلاً (عدد سكانها 118 ألف نسمة)، يتم نقل الماء الساخن بواسطة ناقل يزيد طوله عن 25 كيلومتراً، ويستخدمه السكان للتدفئة والاحتياجات الطبيعية.

تحصل نيوزيلندا على 10% إضافية من احتياجاتها من الكهرباء. وهي متخلفة، على الرغم من وجود المياه الحرارية.

دفء الأرض. المصادر المحتملة للحرارة الداخلية

الطاقة الحرارية الأرضية- علم يدرس المجال الحراري للأرض. يميل متوسط درجة حرارة سطح الأرض بشكل عام إلى الانخفاض. قبل ثلاثة مليارات سنة، كان متوسط درجة الحرارة على سطح الأرض 71 درجة مئوية، أما الآن فهو 17 درجة مئوية. مصادر الحرارة (الحرارية ) حقول الأرض هي عمليات داخلية وخارجية. تنجم حرارة الأرض عن الإشعاع الشمسي وتنشأ في أحشاء الكوكب. إن حجم التدفق الحراري من كلا المصدرين غير متساوٍ للغاية من الناحية الكمية، كما أن أدوارهما في حياة الكوكب مختلفة. تمثل التدفئة الشمسية للأرض 99.5% من إجمالي كمية الحرارة التي يستقبلها سطحها، والتدفئة الداخلية 0.5%. بالإضافة إلى ذلك، يتم توزيع تدفق الحرارة الداخلية بشكل غير متساو للغاية على الأرض ويتركز بشكل رئيسي في الأماكن التي تحدث فيها البراكين.

المصدر الخارجي هو الإشعاع الشمسي . يمتص السطح والغطاء النباتي والطبقة تحت السطحية من القشرة الأرضية نصف طاقة الشمس. وينعكس النصف الآخر في الفضاء العالمي. يحافظ الإشعاع الشمسي على درجة حرارة سطح الأرض في المتوسط حوالي 0 درجة مئوية. وتقوم الشمس بتدفئة الطبقة القريبة من سطح الأرض إلى عمق متوسط 8 - 30 م، وبمتوسط عمق 25 م، ويكون التأثير تنقطع حرارة الشمس وتصبح درجة الحرارة ثابتة (طبقة محايدة). ويكون هذا العمق في حده الأدنى في المناطق ذات المناخ البحري والحد الأقصى في المنطقة تحت القطبية. توجد تحت هذه الحدود منطقة ذات درجة حرارة ثابتة تتوافق مع متوسط درجة الحرارة السنوية للمنطقة. على سبيل المثال، في موسكو، على الأراضي الزراعية. أكاديمية تحمل اسم تيميريازيف، على عمق 20 مترًا، ظلت درجة الحرارة دائمًا مساوية 4.2 درجة مئوية منذ عام 1882. وفي باريس، على عمق 28 مترًا، أظهر مقياس الحرارة باستمرار 11.83 درجة مئوية لأكثر من 100 عام. درجة الحرارة الثابتة هي الأعمق حيث المعمرة (التربة الصقيعية. وتحت منطقة درجة الحرارة الثابتة توجد المنطقة الحرارية الأرضية، والتي تتميز بالحرارة الناتجة عن الأرض نفسها.

المصادر الداخلية هي أحشاء الأرض. تشع الأرض حرارة في الفضاء أكثر مما تتلقاه من الشمس. تشمل المصادر الداخلية الحرارة المتبقية من وقت انصهار الكوكب، وحرارة التفاعلات النووية الحرارية التي تحدث في أحشاء الأرض، وحرارة ضغط الجاذبية للأرض تحت تأثير الجاذبية، وحرارة التفاعلات الكيميائية وعمليات التبلور وما إلى ذلك (على سبيل المثال، احتكاك المد والجزر). الحرارة من الداخل تأتي بشكل رئيسي من المناطق المتحركة. ترتبط الزيادة في درجة الحرارة مع العمق بوجود مصادر حرارة داخلية - الاضمحلال النظائر المشعة- U، Th، K، التمايز الجاذبي للمادة، احتكاك المد والجزر، الأكسدة والاختزال الطاردة للحرارة التفاعلات الكيميائيةوالتحول والتحولات المرحلة. يتم تحديد معدل زيادة درجة الحرارة مع العمق من خلال عدد من العوامل - التوصيل الحراري، ونفاذية الصخور، والقرب من المصادر البركانية، وما إلى ذلك.

تحت حزام درجات الحرارة الثابتة هناك زيادة في درجة الحرارة بمعدل 1 درجة لكل 33 م ( مرحلة الطاقة الحرارية الأرضية) أو 3 س كل 100 م ( التدرج الحراري الأرضي). هذه القيم هي مؤشرات للمجال الحراري للأرض. ومن الواضح أن هذه القيم متوسطة وتتفاوت في حجمها مناطق مختلفةأو مناطق الأرض. تختلف مرحلة الطاقة الحرارية الأرضية في نقاط مختلفة على الأرض. على سبيل المثال، في موسكو - 38.4 م، في لينينغراد 19.6، في أرخانجيلسك - 10. لذلك، عند حفر بئر عميق في شبه جزيرة كولا على عمق 12 كم، كان من المفترض أن تكون درجة الحرارة 150 درجة مئوية، في الواقع اتضح ليكون حوالي 220 درجة. عند حفر الآبار في منطقة شمال بحر قزوين على عمق 3000 م، كان من المفترض أن تكون درجة الحرارة 150 درجة مئوية، لكنها تبين أنها 108 درجة مئوية.

وتجدر الإشارة إلى أن الخصائص المناخية للمنطقة ومتوسط درجة الحرارة السنوية لا تؤثر على التغير في قيمة المرحلة الحرارية الأرضية، وتكمن الأسباب في ما يلي:

1) في اختلاف التوصيل الحراري للصخور التي تشكل منطقة معينة. مقياس التوصيل الحراري هو مقدار الحرارة بالسعرات الحرارية المنقولة خلال ثانية واحدة. من خلال مقطع عرضي مساحته 1 سم2 مع تدرج في درجة الحرارة قدره 1 درجة مئوية؛

2) في النشاط الإشعاعي للصخور، كلما زادت الموصلية الحرارية والنشاط الإشعاعي، انخفضت مرحلة الطاقة الحرارية الأرضية؛

3) في ظروف مختلفة من ظهور الصخور وعمر اضطراب حدوثها؛ أظهرت الملاحظات أن درجة الحرارة ترتفع بشكل أسرع في الطبقات المجمعة في طيات، وغالباً ما تحتوي على مخالفات (شقوق)، يتم من خلالها تسهيل وصول الحرارة من الأعماق؛

4) طبيعة المياه الجوفية: تدفقات المياه الجوفية الساخنة تعمل على تسخين الصخور، والتدفقات الباردة تبردها؛

5) البعد عن المحيط: بالقرب من المحيط بسبب تبريد الصخور بواسطة كتلة الماء، تكون الخطوة الحرارية الأرضية أكبر، وعند التلامس تكون أقل.

إن معرفة القيمة المحددة لخطوة الطاقة الحرارية الأرضية لها أهمية عملية كبيرة.

1. هذا مهم عند تصميم المناجم. في بعض الحالات، سيكون من الضروري اتخاذ تدابير لخفض درجة الحرارة بشكل مصطنع في الأعمال العميقة (درجة الحرارة - 50 درجة مئوية هي الحد الأقصى للإنسان في الهواء الجاف و40 درجة مئوية في الهواء الرطب)؛ وفي حالات أخرى، سيكون من الممكن القيام بالعمل على أعماق كبيرة.

2. إن تقييم الظروف الحرارية عند حفر الأنفاق في المناطق الجبلية له أهمية كبيرة.

3. دراسة الظروف الحرارية الأرضية لباطن الأرض تجعل من الممكن استخدام البخار والينابيع الساخنة الناشئة على سطح الأرض. وتستخدم الحرارة الجوفية، على سبيل المثال، في إيطاليا وأيسلندا؛ وفي روسيا، تم بناء محطة طاقة صناعية تجريبية باستخدام الحرارة الطبيعية في كامتشاتكا.

باستخدام البيانات المتعلقة بحجم الخطوة الحرارية الأرضية، يمكننا وضع بعض الافتراضات حول ظروف درجة الحرارة في المناطق العميقة من الأرض. إذا أخذنا متوسط قيمة الخطوة الحرارية الأرضية على أنها 33 م وافترضنا أن درجة الحرارة تزداد بشكل منتظم مع العمق، فإنه على عمق 100 كم ستكون درجة الحرارة 3000 درجة مئوية. وتتجاوز درجة الحرارة هذه نقاط انصهار جميع المواد المعروفة على الأرض، لذلك في هذا العمق يجب أن تكون هناك كتل منصهرة. ولكن بسبب الضغط الهائل الذي يبلغ 31000 ضغط جوي. لا تتمتع الكتل شديدة السخونة بخصائص السوائل، ولكنها تتمتع بخصائص المواد الصلبة.

مع العمق، يبدو أن مرحلة الطاقة الحرارية الأرضية يجب أن تزيد بشكل ملحوظ. وإذا افترضنا أن المستوى لا يتغير مع العمق، فيجب أن تكون درجة الحرارة في مركز الأرض حوالي 200000 درجة مئوية، وبحسب الحسابات لا يمكن أن تتجاوز 5000 - 10000 درجة مئوية.

بالنسبة لروسيا، يمكن أن تصبح الطاقة الحرارية للأرض مصدرًا ثابتًا وموثوقًا للكهرباء والحرارة الرخيصة والميسورة التكلفة باستخدام تقنيات جديدة عالية وصديقة للبيئة لاستخراجها وتوريدها للمستهلك. وهذا صحيح بشكل خاص في الوقت الحاضر

محدودية الموارد من المواد الخام للطاقة الأحفورية

إن الطلب على المواد الخام للطاقة العضوية كبير في البلدان الصناعية والنامية (الولايات المتحدة الأمريكية واليابان ودول أوروبا الموحدة والصين والهند وغيرها). وفي الوقت نفسه، فإن الموارد الهيدروكربونية لدى هذه البلدان إما غير كافية أو محفوظة، وتقوم دولة، على سبيل المثال، الولايات المتحدة، بشراء المواد الخام للطاقة من الخارج أو تطوير رواسب في بلدان أخرى.

وفي روسيا، إحدى أغنى الدول من حيث موارد الطاقة، يتم حتى الآن تلبية الاحتياجات الاقتصادية للطاقة من خلال إمكانيات استخدام الموارد الطبيعية. ومع ذلك، فإن استخراج الهيدروكربونات الأحفورية من باطن الأرض يحدث بوتيرة سريعة جدًا. إذا كان في الأربعينيات والستينيات. وكانت المناطق الرئيسية لإنتاج النفط هي "باكو الثانية" في منطقة الفولغا وجبال الأورال، ثم منذ السبعينيات وحتى الوقت الحاضر، كانت هذه المنطقة هي غرب سيبيريا. ولكن هنا أيضًا هناك انخفاض كبير في إنتاج الهيدروكربونات الأحفورية. لقد أصبح عصر الغاز السينوماني "الجاف" شيئًا من الماضي. المرحلة السابقة من تطوير التعدين واسعة النطاق غاز طبيعيلقد وصل إلى نهايته. وبلغ انتعاشها من الودائع العملاقة مثل Medvezhye وUrengoyskoye وYamburgskoye 84 و65 و50% على التوالي. كما أن حصة احتياطيات النفط الملائمة للتنمية تتناقص أيضًا بمرور الوقت.

بسبب الاستهلاك النشط للوقود الهيدروكربوني، انخفضت احتياطيات النفط والغاز الطبيعي البرية بشكل كبير. الآن تتركز احتياطياتها الرئيسية على الجرف القاري. وعلى الرغم من أن قاعدة المواد الخام لصناعة النفط والغاز لا تزال كافية لإنتاج النفط والغاز في روسيا الكميات المطلوبة، في المستقبل القريب سيتم ضمان ذلك إلى حد متزايد من خلال تطوير الرواسب ذات الظروف التعدينية والجيولوجية المعقدة. سوف ترتفع تكلفة إنتاج الهيدروكربون.

يتم استخدام معظم الموارد غير المتجددة المستخرجة من باطن الأرض كوقود محطات توليد الطاقة. بادئ ذي بدء ، هذا هو الذي تبلغ حصته في هيكل الوقود 64٪.

وفي روسيا، يتم توليد 70% من الكهرباء في محطات الطاقة الحرارية. وتحرق شركات الطاقة في البلاد حوالي 500 مليون طن من الفحم سنويا. ر) من أجل توليد الكهرباء والحرارة، في حين أن إنتاج الحرارة يستهلك 3-4 أضعاف الوقود الهيدروكربوني مقارنة بتوليد الكهرباء.

إن كمية الحرارة التي يتم الحصول عليها من احتراق هذه الكميات من المواد الخام الهيدروكربونية تعادل استخدام مئات الأطنان من الوقود النووي - والفرق كبير. ومع ذلك، تتطلب الطاقة النووية ضمان السلامة البيئية (لمنع تكرار كارثة تشيرنوبيل) وحمايتها من الأعمال الإرهابية المحتملة، فضلا عن وقف تشغيل وحدات محطات الطاقة النووية القديمة والمنتهية الصلاحية بطريقة آمنة ومكلفة. تبلغ احتياطيات اليورانيوم المؤكدة القابلة للاسترداد في العالم حوالي 3 ملايين و400 ألف طن، وخلال الفترة السابقة بأكملها (حتى عام 2007)، تم استخراج حوالي 2 مليون طن.

RES كمستقبل الطاقة العالمية

نشأت في العقود الاخيرةفي العالم، لا يرجع الاهتمام بمصادر الطاقة المتجددة البديلة (RES) إلى استنفاد احتياطيات الوقود الهيدروكربوني فحسب، بل أيضًا إلى الحاجة إلى إيجاد حل. مشاكل بيئية. تشير العوامل الموضوعية (الوقود الأحفوري واحتياطيات اليورانيوم، فضلاً عن التغيرات البيئية المرتبطة باستخدام الحرائق التقليدية والطاقة النووية) واتجاهات تطوير الطاقة إلى أن الانتقال إلى أساليب وأشكال جديدة لإنتاج الطاقة أمر لا مفر منه. بالفعل في النصف الأول من القرن الحادي والعشرين. سيكون هناك انتقال كامل أو شبه كامل إلى مصادر الطاقة غير التقليدية.

وكلما تم تحقيق تقدم سريع في هذا الاتجاه، كلما كان ذلك أقل إيلاما للمجتمع بأكمله وأكثر فائدة للبلد الذي ستتخذ فيه خطوات حاسمة في هذا الاتجاه.

لقد حدد الاقتصاد العالمي الآن بالفعل مساراً للانتقال إلى مزيج عقلاني من مصادر الطاقة التقليدية والجديدة. بلغ استهلاك الطاقة في العالم بحلول عام 2000 أكثر من 18 مليار تريليون تريليون تريليون. طنًا، وقد يرتفع استهلاك الطاقة بحلول عام 2025 إلى 30-38 مليار طن مكعب. طن، وفقًا للتوقعات، بحلول عام 2050، من الممكن أن يصل الاستهلاك إلى مستوى 60 مليار TC. ر - الاتجاهات المميزة في تنمية الاقتصاد العالمي في الفترة قيد الاستعراض هي الانخفاض المنهجي في استهلاك الوقود الأحفوري والزيادة المقابلة في استخدام الوقود غير التقليدي مصادر الطاقة. طاقة حراريةتحتل الأرض أحد الأماكن الأولى بينهم.

حاليًا، اعتمدت وزارة الطاقة في الاتحاد الروسي برنامجًا لتطوير الطاقة غير التقليدية، بما في ذلك 30 مشروعًا كبيرًا لاستخدام وحدات المضخات الحرارية (HPU)، والتي يعتمد مبدأ تشغيلها على استهلاك كميات منخفضة من الطاقة. - الطاقة الحرارية المحتملة للأرض.

الطاقة الحرارية المنخفضة للأرض والمضخات الحرارية

مصادر الطاقة الحرارية المنخفضة المحتملة للأرض هي الإشعاع الشمسي و الإشعاع الحراريالمناطق الداخلية الساخنة لكوكبنا. يعد استخدام هذه الطاقة حاليًا أحد أكثر مجالات الطاقة تطورًا ديناميكيًا استنادًا إلى مصادر الطاقة المتجددة.

يمكن استخدام حرارة الأرض في أنواع مختلفةالمباني والمنشآت الخاصة بالتدفئة، وإمدادات المياه الساخنة، وتكييف الهواء (التبريد)، وكذلك مسارات التدفئة في الشتاء، ومنع الجليد، وتدفئة الحقول في الملاعب المفتوحة، وما إلى ذلك. في الأدبيات الفنية باللغة الإنجليزية، الأنظمة التي تستخدم طاقة الأرض يتم تصنيف الحرارة في أنظمة الإمداد الحراري وتكييف الهواء على أنها GHP - "مضخات الحرارة الأرضية" (مضخات الحرارة الأرضية). الخصائص المناخية لبلدان وسط وشمال أوروبا، والتي، إلى جانب الولايات المتحدة الأمريكية وكندا، هي المناطق الرئيسية لاستخدام الحرارة المنخفضة الدرجة من الأرض، تحدد ذلك بشكل أساسي لأغراض التدفئة؛ تبريد الهواء حتى في فترة الصيفمطلوب نادرا نسبيا. لذلك، على عكس الولايات المتحدة الأمريكية، تعمل المضخات الحرارية في الدول الأوروبية بشكل أساسي في وضع التسخين. في الولايات المتحدة الأمريكية، يتم استخدامها غالبًا في أنظمة تسخين الهواء جنبًا إلى جنب مع التهوية، مما يسمح بتسخين وتبريد الهواء الخارجي. في الدول الأوروبية، عادة ما تستخدم المضخات الحرارية في أنظمة تسخين المياه. نظرًا لأن كفاءتها تزداد مع انخفاض الفرق في درجة الحرارة بين المبخر والمكثف، فغالبًا ما تستخدم أنظمة التدفئة الأرضية لتدفئة المباني، حيث يدور المبرد عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (35-40 درجة مئوية).

أنواع أنظمة استخدام الطاقة الحرارية ذات الإمكانات المنخفضة من الأرض

وبشكل عام يمكن التمييز بين نوعين من أنظمة استخدام الطاقة الحرارية منخفضة الإمكانات من الأرض:

- الأنظمة المفتوحة: يتم استخدام المياه الجوفية التي يتم توفيرها مباشرة للمضخات الحرارية كمصدر للطاقة الحرارية المنخفضة الجودة؛

– الأنظمة المغلقة: توجد مبادلات حرارية في كتلة التربة. عندما يدور من خلالها مبرد ذو درجة حرارة أقل بالنسبة للأرض، يتم "اختيار" الطاقة الحرارية من الأرض ونقلها إلى مبخر المضخة الحرارية (أو عند استخدام مبرد بدرجة حرارة أعلى بالنسبة للأرض، فإنه يتم تبريد).

عيوب الأنظمة المفتوحة هي أن الآبار تتطلب الصيانة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام مثل هذه الأنظمة غير ممكن في جميع المجالات. المتطلبات الرئيسية للتربة والمياه الجوفية هي كما يلي:

- نفاذية كافية للتربة، مما يسمح بتجديد احتياطيات المياه؛

- جيد التركيب الكيميائيالمياه الجوفية (مثل انخفاض محتوى الحديد)، وتجنب المشاكل المرتبطة بتكوين الرواسب على جدران الأنابيب والتآكل.

الأنظمة المغلقة لاستخدام الطاقة الحرارية المنخفضة الإمكانات من الأرض

يمكن أن تكون الأنظمة المغلقة أفقية أو رأسية (الشكل 1).

أرز. 1. مخطط تركيب المضخة الحرارية الأرضية مع: أ – أفقي

و ب - المبادلات الحرارية الأرضية العمودية.

مبادل حراري أرضي أفقي

في أوروبا الغربية والوسطى، عادة ما تكون المبادلات الحرارية الأرضية الأفقية عبارة عن أنابيب فردية موضوعة بإحكام نسبيًا ومتصلة ببعضها البعض على التوالي أو بالتوازي (الشكل 2).

أرز. 2. مبادلات حرارية أرضية أفقية مع: أ – تسلسلي و

ب – اتصال متوازي .

ولإنقاذ المنطقة التي يتم إزالة الحرارة منها، تم تطوير أنواع محسنة من المبادلات الحرارية، على سبيل المثال، المبادلات الحرارية على شكل حلزوني (الشكل 3)، توضع أفقيًا أو رأسيًا. هذا النوع من المبادلات الحرارية شائع في الولايات المتحدة.

في بلدنا الغني بالهيدروكربونات، تعد الطاقة الحرارية الأرضية نوعًا من الموارد الغريبة، والتي من غير المرجح، في ظل الوضع الحالي، أن تتنافس مع النفط والغاز. ومع ذلك، يمكن استخدام هذا النوع البديل من الطاقة في كل مكان تقريبًا وبفعالية تامة.

الطاقة الحرارية الأرضية هي الحرارة الموجودة في باطن الأرض. يتم إنتاجه في الأعماق ويصل إلى سطح الأرض أشكال مختلفةوبشدة مختلفة.

تعتمد درجة حرارة الطبقات العليا من التربة بشكل أساسي على العوامل الخارجية (الخارجية) - الإضاءة الشمسية ودرجة حرارة الهواء. في الصيف وفي النهار ترتفع درجة حرارة التربة إلى أعماق معينة، وفي الشتاء وفي الليل تبرد نتيجة التغيرات في درجة حرارة الهواء ومع بعض التأخير الذي يزداد مع العمق. ينتهي تأثير التقلبات اليومية في درجة حرارة الهواء على أعماق تتراوح من عدة إلى عدة عشرات من السنتيمترات. تؤثر التقلبات الموسمية على طبقات أعمق من التربة تصل إلى عشرات الأمتار.

وفي عمق ما - من عشرات إلى مئات الأمتار - تظل درجة حرارة التربة ثابتة، مساوية لمتوسط درجة حرارة الهواء السنوية على سطح الأرض. يمكنك التحقق من ذلك بسهولة عن طريق النزول إلى كهف عميق إلى حد ما.

عندما يكون متوسط درجة حرارة الهواء السنوية في منطقة معينة أقل من الصفر، فإنه يتجلى في صورة التربة الصقيعية (بتعبير أدق، التربة الصقيعية). في شرق سيبيريا، يصل سمك التربة المتجمدة على مدار العام في بعض الأماكن إلى 200-300 متر.

من عمق معين (يختلف لكل نقطة على الخريطة)، يضعف عمل الشمس والغلاف الجوي كثيرًا بحيث تأتي العوامل الداخلية (الداخلية) أولاً ويسخن باطن الأرض من الداخل، فتبدأ درجة الحرارة في الارتفاع مع العمق.

يرتبط تسخين الطبقات العميقة من الأرض بشكل رئيسي بتحلل العناصر المشعة الموجودة هناك، على الرغم من أن مصادر الحرارة الأخرى تسمى أيضًا، على سبيل المثال، العمليات الفيزيائية والكيميائية التكتونية في الطبقات العميقة من قشرة الأرض ووشاحها. ولكن مهما كان السبب فإن درجة حرارة الصخور وما يرتبط بها من مواد سائلة وغازية تزداد مع العمق. يواجه عمال المناجم هذه الظاهرة - فالجو حار دائمًا في المناجم العميقة. على عمق كيلومتر واحد، تكون الحرارة ثلاثين درجة طبيعية، وأعمق درجة الحرارة أعلى.

إن التدفق الحراري لباطن الأرض الذي يصل إلى سطح الأرض صغير - في المتوسط تبلغ قوته 0.03-0.05 واط/م2، أو ما يقرب من 350 واط ساعة/م2 سنويًا. على خلفية تدفق الحرارة من الشمس والهواء الساخن بها، فهذه قيمة غير ملحوظة: الشمس تمنح الجميع متر مربعويبلغ سطح الأرض حوالي 4000 كيلوواط ساعة سنوياً، أي أكثر بـ 10000 مرة (طبعاً هذا في المتوسط، مع فارق كبير بين خطوط العرض القطبية والاستوائية واعتماداً على العوامل المناخية والجوية الأخرى).

يرتبط عدم أهمية تدفق الحرارة من الداخل إلى السطح في معظم أنحاء الكوكب بالتوصيل الحراري المنخفض للصخور وخصائص البنية الجيولوجية. ولكن هناك استثناءات - الأماكن التي يكون فيها تدفق الحرارة مرتفعا. هذه هي، أولا وقبل كل شيء، مناطق العيوب التكتونية، وزيادة النشاط الزلزالي والبركاني، حيث تجد طاقة باطن الأرض منفذا. تتميز هذه المناطق بالشذوذ الحراري للغلاف الصخري، حيث يمكن أن يكون تدفق الحرارة الذي يصل إلى سطح الأرض عدة مرات وحتى أقوى من "المعتاد". تجلب الانفجارات البركانية والينابيع الساخنة كميات هائلة من الحرارة إلى السطح في هذه المناطق.

هذه هي المناطق الأكثر ملاءمة لتطوير الطاقة الحرارية الأرضية. على أراضي روسيا، هذه هي، أولا وقبل كل شيء، كامتشاتكا، جزر الكوريل والقوقاز.

في الوقت نفسه، فإن تطوير الطاقة الحرارية الأرضية ممكن في كل مكان تقريبًا، نظرًا لأن الزيادة في درجة الحرارة مع العمق هي ظاهرة عالمية، والمهمة هي "استخراج" الحرارة من الأعماق، تمامًا كما يتم استخراج المواد الخام المعدنية من هناك.

في المتوسط، تزداد درجة الحرارة مع العمق بمقدار 2.5-3 درجة مئوية لكل 100 متر، وتسمى نسبة الفرق في درجة الحرارة بين نقطتين تقعان على أعماق مختلفة إلى الفرق في العمق بينهما بالتدرج الحراري الأرضي.

والمقلوب هو خطوة الطاقة الحرارية الأرضية، أو فترة العمق التي ترتفع عندها درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة مئوية.

كلما زاد التدرج، وبالتالي، انخفضت المرحلة، كلما اقتربت حرارة أعماق الأرض من السطح وكلما كانت هذه المنطقة واعدة لتطوير الطاقة الحرارية الأرضية.

في مناطق مختلفة، اعتمادًا على البنية الجيولوجية والظروف الإقليمية والمحلية الأخرى، يمكن أن يختلف معدل زيادة درجة الحرارة مع العمق بشكل كبير. وعلى مقياس الأرض تصل التقلبات في مقادير التدرجات والخطوات الحرارية الأرضية إلى 25 مرة. على سبيل المثال، في ولاية أوريغون (الولايات المتحدة الأمريكية) يبلغ التدرج 150 درجة مئوية لكل كيلومتر واحد، وفي جنوب أفريقيا- 6 درجات مئوية لكل 1 كم.

والسؤال هو ما هي درجة الحرارة في أعماق كبيرة - 5 أو 10 كم أو أكثر؟ وإذا استمر هذا الاتجاه، فمن المتوقع أن يتراوح متوسط درجات الحرارة على عمق 10 كيلومترات بين 250 و300 درجة مئوية تقريبًا. وهذا ما تؤكده الملاحظات المباشرة في الآبار العميقة للغاية، على الرغم من أن الصورة أكثر تعقيدا بكثير من الزيادة الخطية في درجة الحرارة.

على سبيل المثال، في بئر كولا العميق للغاية، الذي تم حفره في الدرع البلوري البلطيقي، تتغير درجة الحرارة حتى عمق 3 كيلومترات بمعدل 10 درجات مئوية/1 كيلومتر، ثم يصبح التدرج الحراري الأرضي أكبر بمقدار 2 إلى 2.5 مرة. وعلى عمق 7 كم، تم بالفعل تسجيل درجة حرارة 120 درجة مئوية، وعلى عمق 10 كم - 180 درجة مئوية، وعلى عمق 12 كم - 220 درجة مئوية.

مثال آخر هو بئر تم حفره في منطقة شمال بحر قزوين، حيث تم تسجيل درجة حرارة 42 درجة مئوية على عمق 500 متر، وعلى عمق 1.5 كم - 70 درجة مئوية، وعلى عمق 2 كم - 80 درجة مئوية، وعلى عمق 3 كم - 108 درجة مئوية. .

ومن المفترض أن التدرج الحراري الأرضي يتناقص بدءاً من عمق 20-30 كم: على عمق 100 كم، تبلغ درجات الحرارة المقدرة حوالي 1300-1500 درجة مئوية، وعلى عمق 400 كم - 1600 درجة مئوية، في باطن الأرض. القلب (أعماق أكثر من 6000 كم) - 4000-5000 درجة مئوية.

وفي أعماق تصل إلى 10-12 كم، يتم قياس درجة الحرارة من خلال الآبار المحفورة. وفي حالة عدم وجودها، يتم تحديدها من خلال علامات غير مباشرة بنفس الطريقة كما هو الحال في الأعماق الأكبر. هذه علامات غير مباشرةقد تكون طبيعة مرور الموجات الزلزالية أو درجة حرارة الحمم البركانية المنسكبة.

ومع ذلك، لأغراض الطاقة الحرارية الأرضية، فإن البيانات المتعلقة بدرجات الحرارة على أعماق تزيد عن 10 كيلومترات ليست ذات أهمية عملية بعد.

هناك الكثير من الحرارة على أعماق عدة كيلومترات، ولكن كيف نرفعها؟ في بعض الأحيان تحل الطبيعة نفسها هذه المشكلة بالنسبة لنا بمساعدة المبرد الطبيعي - المياه الحرارية الساخنة التي تظهر على السطح أو تقع على عمق يمكننا الوصول إليه. وفي بعض الحالات يتم تسخين الماء الموجود في الأعماق إلى حالة البخار.

لا يوجد تعريف صارم لمفهوم "المياه الحرارية". ويقصد بها عادة المياه الجوفية الساخنة في حالة سائلة أو على شكل بخار، ومنها تلك التي تصل إلى سطح الأرض بدرجة حرارة تزيد عن 20 درجة مئوية، أي عادة أعلى من درجة حرارة الهواء. .

إن حرارة المياه الجوفية والبخار ومخاليط الماء والبخار هي طاقة حرارية مائية. وبناء على ذلك، فإن الطاقة المعتمدة على استخدامها تسمى الطاقة الحرارية المائية.

الوضع أكثر تعقيدا عند استخراج الحرارة مباشرة من الصخور الجافة - الطاقة الحرارية البترولية، خاصة وأن درجات الحرارة المرتفعة إلى حد ما، كقاعدة عامة، تبدأ من أعماق عدة كيلومترات.

على أراضي روسيا، فإن إمكانات الطاقة الحرارية النفطية أعلى مائة مرة من الطاقة الحرارية المائية - 3500 و 35 تريليون طن من الوقود القياسي، على التوالي. هذا أمر طبيعي تماما - دفء أعماق الأرض متوفر في كل مكان، والمياه الحرارية موجودة محليا. ومع ذلك، وبسبب الصعوبات التقنية الواضحة، تُستخدم المياه الحرارية حاليًا في الغالب لتوليد الحرارة والكهرباء.

المياه التي تتراوح درجات حرارتها بين 20-30 إلى 100 درجة مئوية مناسبة للتدفئة، ودرجات الحرارة من 150 درجة مئوية وما فوق مناسبة لتوليد الكهرباء في محطات الطاقة الحرارية الأرضية.

بشكل عام، فإن موارد الطاقة الحرارية الأرضية في روسيا، من حيث أطنان الوقود المكافئ أو أي وحدة أخرى لقياس الطاقة، تزيد بحوالي 10 مرات عن احتياطيات الوقود الأحفوري.

ومن الناحية النظرية، فإن الطاقة الحرارية الأرضية هي وحدها القادرة على تلبية احتياجات البلاد من الطاقة بشكل كامل. تقريبا على هذه اللحظةوهذا غير ممكن في معظم أراضيها لأسباب فنية واقتصادية.

في العالم، يرتبط استخدام الطاقة الحرارية الأرضية في أغلب الأحيان بأيسلندا، وهي دولة تقع في الطرف الشمالي من سلسلة جبال وسط المحيط الأطلسي، في منطقة تكتونية وبركانية نشطة للغاية. ربما يتذكر الجميع الانفجار القوي لبركان Eyjafjallajökull ( إيجافجالاجوكول) في عام 2010.

وبفضل هذه الخصوصية الجيولوجية تمتلك أيسلندا احتياطيات هائلة من الطاقة الحرارية الأرضية، بما في ذلك الينابيع الساخنة التي تظهر على سطح الأرض وحتى تتدفق على شكل ينابيع ماء حارة.

في أيسلندا، أكثر من 60% من إجمالي الطاقة المستهلكة حاليًا تأتي من الأرض. توفر مصادر الطاقة الحرارية الأرضية 90% من التدفئة و30% من توليد الكهرباء. دعونا نضيف أن بقية الكهرباء في البلاد يتم إنتاجها عن طريق محطات الطاقة الكهرومائية، أي باستخدام مصدر للطاقة المتجددة أيضًا، مما يجعل أيسلندا تبدو وكأنها نوع من المعايير البيئية العالمية.

إن تدجين الطاقة الحرارية الأرضية في القرن العشرين أفاد أيسلندا اقتصاديًا بشكل كبير. حتى منتصف القرن الماضي، كانت دولة فقيرة للغاية، وهي الآن تحتل المرتبة الأولى في العالم من حيث القدرة المركبة وإنتاج الطاقة الحرارية الأرضية للفرد وهي في المراكز العشرة الأولى من حيث القدرة المركبة المطلقة لمحطات الطاقة الحرارية الأرضية . ومع ذلك، يبلغ عدد سكانها 300 ألف نسمة فقط، مما يبسط مهمة التحول إلى مصادر الطاقة الصديقة للبيئة: فالحاجة إليها قليلة بشكل عام.

بالإضافة إلى أيسلندا، يتم توفير حصة كبيرة من الطاقة الحرارية الأرضية في التوازن العام لإنتاج الكهرباء في نيوزيلندا والدول الجزرية في جنوب شرق آسيا (الفلبين وإندونيسيا)، ودول أمريكا الوسطى وشرق إفريقيا، والتي تعد أراضيها أيضًا وتتميز بالنشاط الزلزالي والبركاني العالي. وبالنسبة لهذه البلدان، وفي مستواها الحالي من التنمية والاحتياجات، فإن الطاقة الحرارية الأرضية تساهم بشكل كبير في التنمية الاجتماعية والاقتصادية.

إن استخدام الطاقة الحرارية الأرضية له تاريخ طويل جدًا. أحد الأمثلة الأولى المعروفة هي إيطاليا، وهي مكان في مقاطعة توسكانا، تسمى الآن لاردريللو، حيث في بداية القرن التاسع عشر، تم استخدام المياه الحرارية المحلية الساخنة، التي تتدفق بشكل طبيعي أو مستخرجة من الآبار الضحلة، لأغراض الطاقة.

تم استخدام المياه من المصادر الجوفية الغنية بالبورون هنا للحصول عليها حمض البوريك. في البداية، تم الحصول على هذا الحمض عن طريق التبخر في غلايات الحديد، وتم أخذ الخشب العادي من الغابات المجاورة كوقود، ولكن في عام 1827 أنشأ فرانشيسكو لارديريل نظامًا يعمل على حرارة المياه نفسها. في الوقت نفسه، بدأ استخدام طاقة بخار الماء الطبيعي لتشغيل منصات الحفر، وفي بداية القرن العشرين - لتدفئة المنازل المحلية والدفيئات الزراعية. هناك، في لاردريللو، في عام 1904، أصبح بخار الماء الحراري مصدرًا للطاقة لتوليد الكهرباء.

وقد حذت العديد من البلدان الأخرى حذو إيطاليا في نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين. على سبيل المثال، في عام 1892، تم استخدام المياه الحرارية لأول مرة للتدفئة المحلية في الولايات المتحدة الأمريكية (بويز، أيداهو)، وفي عام 1919 في اليابان، وفي عام 1928 في أيسلندا.

في الولايات المتحدة الأمريكية، ظهرت أول محطة للطاقة تعمل بالطاقة الحرارية المائية في كاليفورنيا في أوائل الثلاثينيات، في نيوزيلندا - في عام 1958، في المكسيك - في عام 1959، في روسيا (أول GeoPP ثنائي في العالم) - في عام 1965.

المبدأ القديم على مصدر جديد

يتطلب توليد الكهرباء درجة حرارة مائية أعلى من التدفئة - أكثر من 150 درجة مئوية. يشبه مبدأ تشغيل محطة الطاقة الحرارية الأرضية (GeoPP) مبدأ تشغيل محطة الطاقة الحرارية التقليدية (CHP). في الواقع، محطة الطاقة الحرارية الأرضية هي نوع من محطات الطاقة الحرارية.

في محطات الطاقة الحرارية، عادة ما يكون مصدر الطاقة الأساسي هو الفحم أو الغاز أو زيت الوقود، وسائل العمل هو بخار الماء. يقوم الوقود، عند احتراقه، بتسخين الماء إلى بخار، مما يؤدي إلى تدوير التوربينات البخارية، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء.

الفرق بين GeoPP هو أن المصدر الأساسي للطاقة هنا هو حرارة باطن الأرض ويتم إمداد سائل العمل على شكل بخار إلى ريش توربينات المولد الكهربائي في شكل "جاهز" مباشرة من بئر الإنتاج .

هناك ثلاثة مخططات تشغيل رئيسية لـ GeoPPs: المباشر، باستخدام البخار الجاف (الحراري الأرضي)؛ غير المباشرة، المعتمدة على المياه الحرارية المائية، والمختلطة، أو الثنائية.

يعتمد استخدام هذا المخطط أو ذاك على حالة التجميع ودرجة حرارة حامل الطاقة.

إن أبسط المخططات المتقنة وبالتالي الأولى هي المباشرة، حيث يتم تمرير البخار القادم من البئر مباشرة عبر التوربين. كما تم تشغيل أول محطة طاقة جيوكهربائية في العالم في لاردريللو عام 1904 بالبخار الجاف.

تعد GeoPPs ذات مخطط التشغيل غير المباشر هي الأكثر شيوعًا في عصرنا. ويستخدمون المياه الجوفية الساخنة، التي يتم ضخها تحت ضغط عالٍ إلى المبخر، حيث يتبخر جزء منه، ويقوم البخار الناتج بتدوير التوربين. في بعض الحالات، تكون هناك حاجة إلى أجهزة ودوائر إضافية لتنقية المياه الحرارية الأرضية والبخار من المركبات العدوانية.

يدخل بخار العادم إلى بئر الحقن أو يستخدم لتدفئة المبنى - وفي هذه الحالة يكون المبدأ هو نفسه عند تشغيل محطة الطاقة الحرارية.

في GeoPPs الثنائية، يتفاعل الماء الحراري الساخن مع سائل آخر يؤدي وظائف السائل العامل بنقطة غليان أقل. يتم تمرير كلا السائلين عبر مبادل حراري، حيث يبخر الماء الحراري سائل العمل، الذي تقوم أبخرته بتدوير التوربين.

مبدأ تشغيل GeoPP الثنائي. يتفاعل الماء الحراري الساخن مع سائل آخر يؤدي وظائف السائل العامل وله نقطة غليان أقل. يتم تمرير كلا السائلين من خلال مبادل حراري، حيث يبخر الماء الحراري سائل العمل، والذي تقوم الأبخرة بدورها بتدوير التوربين

وهذا النظام مغلق مما يحل مشكلة الانبعاثات في الغلاف الجوي. بالإضافة إلى ذلك، فإن سوائل العمل ذات نقطة الغليان المنخفضة نسبيًا تجعل من الممكن استخدام المياه الحرارية غير الساخنة جدًا كمصدر أساسي للطاقة.

وتستخدم المخططات الثلاثة جميعها مصدرًا حراريًا مائيًا، ولكن يمكن أيضًا استخدام الطاقة الحرارية النفطية لتوليد الكهرباء.

مخطط الدائرة في هذه الحالة بسيط جدًا أيضًا. من الضروري حفر بئرين مترابطين - الحقن والإنتاج. يتم ضخ الماء في بئر الحقن. يتم تسخينه في العمق، ثم يتم ضخ الماء الساخن أو البخار المتكون نتيجة التسخين القوي إلى السطح من خلال بئر الإنتاج. ثم كل هذا يتوقف على كيفية استخدام الطاقة الحرارية النفطية - للتدفئة أو لتوليد الكهرباء. يمكن إجراء دورة مغلقة من خلال ضخ البخار والمياه العادمة مرة أخرى إلى بئر الحقن أو أي طريقة أخرى للتخلص من النفايات.

مخطط تشغيل النظام النفطي الحراري. ويعتمد النظام على استخدام التدرج الحراري بين سطح الأرض وباطنها حيث تكون درجة الحرارة أعلى. يتم ضخ الماء من السطح إلى بئر الحقن وتسخينه في العمق، ثم يتم ضخ الماء الساخن أو البخار المتولد نتيجة التسخين إلى السطح من خلال بئر الإنتاج.

عيب مثل هذا النظام واضح: للحصول على درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية لسائل العمل، من الضروري حفر الآبار إلى أعماق كبيرة. وهذه تكاليف خطيرة وخطر فقدان كبير للحرارة عندما يتحرك السائل للأعلى. لذلك، لا تزال الأنظمة النفطية الحرارية أقل انتشارًا مقارنة بالأنظمة الحرارية المائية، على الرغم من أن إمكانات الطاقة الحرارية النفطية أعلى بكثير.

حاليًا، الشركة الرائدة في إنشاء ما يسمى بأنظمة تداول النفط الحراري (PCS) هي أستراليا. وبالإضافة إلى ذلك، فإن هذا المجال من الطاقة الحرارية الأرضية يتطور بنشاط في الولايات المتحدة الأمريكية وسويسرا وبريطانيا العظمى واليابان.

هدية من اللورد كلفن

إن اختراع المضخة الحرارية في عام 1852 من قبل الفيزيائي ويليام طومسون (المعروف أيضًا باسم اللورد كلفن) أتاح للبشرية فرصة حقيقية لاستخدام الحرارة المنخفضة للطبقات العليا من التربة. يعتمد نظام المضخة الحرارية، أو مضاعف الحرارة كما أطلق عليه طومسون، على العملية الفيزيائية لنقل الحرارة من البيئة إلى مادة التبريد. في الأساس، يستخدم نفس مبدأ الأنظمة النفطية الحرارية. يكمن الاختلاف في مصدر الحرارة، الأمر الذي قد يثير سؤالاً اصطلاحيًا: إلى أي مدى يمكن اعتبار المضخة الحرارية نظامًا للطاقة الحرارية الأرضية؟ والحقيقة هي أنه في الطبقات العليا، على أعماق تتراوح بين عشرات ومئات الأمتار، لا يتم تسخين الصخور والسوائل التي تحتوي عليها بسبب حرارة الأرض العميقة، بل بسبب الشمس. وهكذا هي الشمس في في هذه الحالة- المصدر الأساسي للحرارة، وإن كانت مأخوذة، كما في الأنظمة الحرارية الأرضية، من الأرض.

يعتمد تشغيل المضخة الحرارية على تأخير تسخين وتبريد التربة مقارنة بالجو، مما يؤدي إلى تكوين تدرج حراري بين الطبقات السطحية والطبقات العميقة التي تحتفظ بالحرارة حتى في فصل الشتاء، تماماً كما يحدث في الخزانات . الغرض الرئيسي من المضخات الحرارية هو تسخين الفضاء. إنها في جوهرها "ثلاجة عكسية". تتفاعل كل من المضخة الحرارية والثلاجة مع ثلاثة مكونات: البيئة الداخلية (في الحالة الأولى - غرفة ساخنة، في الثانية - الغرفة المبردة للثلاجة)، البيئة الخارجية - مصدر الطاقة ووحدة التبريد (المبرد) وهو أيضًا مبرد يضمن نقل الحرارة أو البرودة.

تعمل المادة ذات نقطة الغليان المنخفضة كمبرد، مما يسمح لها بأخذ الحرارة من مصدر له درجة حرارة منخفضة نسبيًا.

في الثلاجة، يتدفق سائل التبريد من خلال دواسة الوقود (منظم الضغط) إلى المبخر، حيث يتبخر السائل بسبب الانخفاض الحاد في الضغط. التبخر هو عملية ماصة للحرارة تتطلب امتصاص الحرارة من الخارج. ونتيجة لذلك، تتم إزالة الحرارة من الجدران الداخلية للمبخر، مما يوفر تأثير التبريد في غرفة الثلاجة. بعد ذلك، يتم سحب مادة التبريد من المبخر إلى الضاغط، حيث يتم إعادتها إلى الحالة السائلة. هذا عملية عكسيةمما يؤدي إلى إطلاق الحرارة المزالة في البيئة الخارجية. كقاعدة عامة، يتم إلقاؤها في الداخل، و الجدار الخلفيالثلاجة دافئة نسبيا.

تعمل المضخة الحرارية بنفس الطريقة تقريبًا، مع اختلاف أن الحرارة تؤخذ من البيئة الخارجية وتدخل عبر المبخر البيئة الداخلية- نظام تدفئة الغرفة.

في المضخة الحرارية الحقيقية، يتم تسخين الماء عن طريق المرور عبر دائرة خارجية توضع في الأرض أو الخزان، ثم يدخل إلى المبخر.

في المبخر، يتم نقل الحرارة إلى دائرة داخلية مملوءة بسائل تبريد منخفض درجة الغليان، والذي يمر عبر المبخر من الحالة السائلةإلى الحالة الغازية، آخذاً الحرارة.

ثم يدخل المبرد الغازي إلى الضاغط، حيث يتم ضغطه ضغط مرتفعودرجة الحرارة، ويدخل إلى المكثف، حيث يحدث التبادل الحراري بين الغاز الساخن والمبرد القادم من نظام التسخين.

يحتاج الضاغط إلى الكهرباء لتشغيله، لكن نسبة التحويل (نسبة الطاقة المستهلكة إلى الطاقة المنتجة) في الأنظمة الحديثة عالية بما يكفي لضمان كفاءتها.

حاليا، تستخدم المضخات الحرارية على نطاق واسع لتدفئة الفضاء، وخاصة في البلدان المتقدمة اقتصاديا.

الطاقة البيئية الصحيحة

تعتبر الطاقة الحرارية الأرضية صديقة للبيئة، وهذا صحيح بشكل عام. أولا وقبل كل شيء، فهو يستخدم موردا متجددا ولا ينضب تقريبا. ولا تتطلب الطاقة الحرارية الأرضية مساحات كبيرة، على عكس محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة أو مزارع الرياح، ولا تلوث الغلاف الجوي، على عكس الطاقة الهيدروكربونية. في المتوسط، تشغل منطقة GeoPP مساحة 400 متر مربع من حيث 1 جيجاوات من الكهرباء المولدة. ونفس الرقم بالنسبة لمحطة طاقة حرارية تعمل بالفحم، على سبيل المثال، هو 3600 متر مربع. تشمل المزايا البيئية لـ GeoPPs أيضًا انخفاض استهلاك المياه - 20 لترًا من المياه العذبة لكل 1 كيلووات، بينما تتطلب محطات الطاقة الحرارية ومحطات الطاقة النووية حوالي 1000 لتر. لاحظ أن هذه هي المؤشرات البيئية لـ GeoPP "المتوسط".

لكن سلبي آثار جانبيةمازال موجودا. من بينها، غالبا ما يتم تحديد الضوضاء والتلوث الحراري للغلاف الجوي والتلوث الكيميائي للمياه والتربة، وكذلك تكوين النفايات الصلبة.

المصدر الرئيسي للتلوث الكيميائي للبيئة هو المياه الحرارية نفسها (ذات درجة الحرارة العالية والتمعدن)، والتي تحتوي غالبًا على كميات كبيرةالمركبات السامة، وبالتالي هناك مشكلة في التخلص من مياه الصرف الصحي والمواد الخطرة.

يمكن تتبع الآثار السلبية للطاقة الحرارية الأرضية على عدة مراحل، بدءاً بحفر الآبار. تنشأ هنا نفس المخاطر عند حفر أي بئر: تدمير التربة والغطاء النباتي، وتلوث التربة والمياه الجوفية.

في مرحلة تشغيل GeoPP، لا تزال مشاكل التلوث البيئي قائمة. تحتوي السوائل الحرارية - الماء والبخار - عادة على ثاني أكسيد الكربون (CO 2)، وكبريتيد الكبريت (H 2 S)، والأمونيا (NH 3)، والميثان (CH 4)، وملح الطعام (NaCl)، والبورون (B)، والزرنيخ (As). )، الزئبق (زئبق). وعندما يتم إطلاقها في البيئة الخارجية، فإنها تصبح مصادر للتلوث. بالإضافة إلى العدوانية البيئة الكيميائيةيمكن أن يسبب تدميرًا تآكلًا لهياكل محطات الطاقة الحرارية الأرضية.

وفي الوقت نفسه، تكون انبعاثات الملوثات الناتجة عن GeoPPs أقل في المتوسط من محطات الطاقة الحرارية. على سبيل المثال، تصل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل كيلووات/ساعة من الكهرباء المولدة إلى 380 جرامًا في محطات الطاقة الحرارية الأرضية، و1042 جرامًا في محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم، و906 جرامًا في محطات الطاقة التي تعمل بالنفط، و453 جرامًا في محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالغاز. .

السؤال الذي يطرح نفسه: ماذا تفعل بالمياه العادمة؟ إذا كان التمعدن منخفضًا، فيمكن تصريفه إلى المياه السطحية بعد التبريد. والطريقة الأخرى هي ضخها مرة أخرى إلى طبقة المياه الجوفية من خلال بئر الحقن، وهو المفضل والمستخدم في الوقت الحاضر.

يمكن أن يسبب استخراج المياه الحرارية من طبقات المياه الجوفية (وكذلك ضخ المياه العادية) هبوطًا وحركات للتربة، وتشوهات أخرى للطبقات الجيولوجية، وزلازل صغيرة. ومع ذلك، فإن احتمال حدوث مثل هذه الأحداث منخفض بشكل عام الحالات الفرديةالمسجلة (على سبيل المثال، في GeoPP في Staufen im Breisgau في ألمانيا).

وينبغي التأكيد على أن معظم GeoPPs تقع في مناطق ذات كثافة سكانية منخفضة نسبيًا وفي دول العالم الثالث، حيث تكون المتطلبات البيئية أقل صرامة مما هي عليه في البلدان المتقدمة. بالإضافة إلى ذلك، فإن عدد GeoPPs وقدراتها صغير نسبيًا في الوقت الحالي. ومع تطوير الطاقة الحرارية الأرضية على نطاق واسع، قد تتزايد المخاطر البيئية وتتضاعف.

كم تبلغ طاقة الأرض؟

تختلف تكاليف الاستثمار في بناء أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية في نطاق واسع جدًا - من 200 إلى 5000 دولار لكل 1 كيلوواط من القدرة المركبة، أي أن أرخص الخيارات يمكن مقارنتها بتكلفة بناء محطة للطاقة الحرارية. وهي تعتمد في المقام الأول على ظروف حدوث المياه الحرارية وتكوينها وتصميم النظام. الحفر إلى أعماق كبيرة، وإنشاء نظام مغلق ببئرين، والحاجة إلى تنقية المياه يمكن أن يزيد التكلفة عدة مرات.

على سبيل المثال، تقدر الاستثمارات في إنشاء نظام تداول الطاقة الحرارية النفطية (PCS) بمبلغ يتراوح بين 1.6 إلى 4 آلاف دولار لكل 1 كيلوواط من القدرة المركبة، وهو ما يتجاوز تكاليف بناء محطة للطاقة النووية ويمكن مقارنته بتكاليف بناء طاقة الرياح وطاقة الرياح. محطات الطاقة الشمسية.

الميزة الاقتصادية الواضحة لـ GeoTES هي الطاقة المجانية. وعلى سبيل المقارنة، في هيكل تكلفة محطة الطاقة الحرارية العاملة أو محطة الطاقة النووية، يمثل الوقود ما بين 50 إلى 80٪ أو أكثر، اعتمادًا على أسعار الطاقة الحالية. ومن هنا ميزة أخرى لنظام الطاقة الحرارية الأرضية: تكاليف التشغيل أكثر استقرارا ويمكن التنبؤ بها، لأنها لا تعتمد على ظروف أسعار الطاقة الخارجية. بشكل عام، تقدر تكاليف تشغيل محطات الطاقة الحرارية الأرضية بنحو 2-10 سنتات (60 كوبيل-3 روبل) لكل 1 كيلوواط ساعة من الطاقة المنتجة.

ثاني أكبر بند من النفقات بعد الطاقة (ومهم جدًا) هو، كقاعدة عامة، الأجرالعاملين في المصنع، والتي يمكن أن تختلف بشكل كبير بين البلدان والمناطق.

في المتوسط، تكلفة 1 كيلووات ساعة من الطاقة الحرارية الأرضية قابلة للمقارنة مع محطات الطاقة الحرارية (في الظروف الروسية - حوالي 1 روبل/1 كيلووات ساعة) وأعلى بعشر مرات من تكلفة توليد الكهرباء في محطة الطاقة الكهرومائية (5-10). كوبيل / 1 كيلووات ساعة).

ويرجع جزء من السبب وراء التكلفة المرتفعة إلى أن محطات الطاقة الحرارية الأرضية، على عكس محطات الطاقة الحرارية والهيدروليكية، تتمتع بقدرة صغيرة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري مقارنة الأنظمة الموجودة في نفس المنطقة وفي ظل ظروف مماثلة. على سبيل المثال، في كامتشاتكا، وفقًا للخبراء، تبلغ تكلفة 1 كيلووات ساعة من الكهرباء الحرارية الأرضية أقل بمقدار 2-3 مرات من الكهرباء المنتجة في محطات الطاقة الحرارية المحلية.

تعتمد مؤشرات الكفاءة الاقتصادية لنظام الطاقة الحرارية الأرضية، على سبيل المثال، على ما إذا كان من الضروري التخلص من مياه الصرف الصحي وبأي طرق يتم ذلك، وما إذا كان الاستخدام المشترك للمورد ممكنًا. لذا، العناصر الكيميائيةويمكن للمركبات المستخرجة من المياه الحرارية أن توفر دخلاً إضافيًا. لنتذكر مثال لاردريللو: كان الإنتاج الكيميائي أساسيًا هناك، وكان استخدام الطاقة الحرارية الأرضية في البداية ذا طبيعة مساعدة.

الطاقة الحرارية الأرضية إلى الأمام

تتطور الطاقة الحرارية الأرضية بشكل مختلف بعض الشيء عن طاقة الرياح والطاقة الشمسية. وفي الوقت الحالي، يعتمد ذلك إلى حد أكبر على طبيعة المورد نفسه، والذي يختلف بشكل حاد حسب المنطقة، وترتبط أعلى التركيزات بمناطق ضيقة من شذوذات الطاقة الحرارية الأرضية، والتي ترتبط عادةً بمناطق الصدوع التكتونية والبراكين.

بجانب، الطاقة الحرارية الأرضيةأقل كثافة من الناحية التكنولوجية مقارنة بالرياح وحتى أكثر من الطاقة الشمسية: أنظمة محطات الطاقة الحرارية الأرضية بسيطة للغاية.

وفي الهيكل العام لإنتاج الكهرباء العالمي، يمثل عنصر الطاقة الحرارية الأرضية أقل من 1٪، ولكن في بعض المناطق والبلدان تصل حصتها إلى 25-30٪. نظرا للاتصال بالظروف الجيولوجية، فإن جزءا كبيرا من قدرة الطاقة الحرارية الأرضية يتركز في بلدان العالم الثالث، حيث توجد ثلاث مجموعات من أعظم تطور الصناعة - جزر جنوب شرق آسيا وأمريكا الوسطى وشرق أفريقيا. يتم تضمين المنطقتين الأولين في "حزام نار الأرض" في المحيط الهادئ، والثالثة مرتبطة بصدع شرق إفريقيا. ومن المرجح أن تستمر الطاقة الحرارية الأرضية في التطور في هذه الأحزمة. والاحتمال الأبعد هو تطوير الطاقة الحرارية النفطية، وذلك باستخدام حرارة طبقات الأرض الواقعة على عمق عدة كيلومترات. يعد هذا موردًا موجودًا في كل مكان تقريبًا، لكن استخراجه يتطلب تكاليف عالية، لذلك تتطور الطاقة الحرارية النفطية في المقام الأول في الدول الأكثر قوة اقتصاديًا وتكنولوجيًا.

بشكل عام، ونظرًا للتوزيع الواسع النطاق لموارد الطاقة الحرارية الأرضية والمستوى المقبول من السلامة البيئية، هناك سبب للاعتقاد بأن الطاقة الحرارية الأرضية تتمتع بآفاق تنمية جيدة. خاصة مع تزايد التهديد بنقص موارد الطاقة التقليدية وارتفاع أسعارها.

من كامتشاتكا إلى القوقاز

في روسيا، يتمتع تطوير الطاقة الحرارية الأرضية بتاريخ طويل إلى حد ما، وفي عدد من المواقف نحن من بين قادة العالم، على الرغم من أن حصة الطاقة الحرارية الأرضية في ميزان الطاقة الإجمالي للدولة الضخمة لا تزال ضئيلة.

أصبحت منطقتان رائدتين ومركزتين لتطوير الطاقة الحرارية الأرضية في روسيا - كامتشاتكا وشمال القوقاز، وإذا كنا نتحدث في الحالة الأولى في المقام الأول عن صناعة الطاقة الكهربائية، ففي الحالة الثانية - عن استخدام الطاقة الحرارية من المياه الحرارية.

في شمال القوقاز - في إقليم كراسنودار، الشيشان، داغستان - تم استخدام حرارة المياه الحرارية لأغراض الطاقة حتى قبل الحرب الوطنية العظمى. وفي الثمانينيات والتسعينيات، توقف تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في المنطقة، لأسباب واضحة، ولم يخرج بعد من حالة الركود. ومع ذلك، فإن إمدادات المياه الحرارية الأرضية في شمال القوقاز توفر الحرارة لحوالي 500 ألف شخص، وعلى سبيل المثال، يتم تسخين مدينة لابينسك في إقليم كراسنودار التي يبلغ عدد سكانها 60 ألف نسمة بالكامل عن طريق المياه الحرارية الأرضية.

في كامتشاتكا، يرتبط تاريخ الطاقة الحرارية الأرضية في المقام الأول ببناء GeoPPs. تم بناء أولها، وهي محطتي Pauzhetskaya وParatunka، في الفترة ما بين 1965-1967 والتي لا تزال تعمل، في حين أصبحت Paratunka GeoPP بسعة 600 كيلوواط أول محطة في العالم ذات دورة ثنائية. كان هذا هو تطور العلماء السوفييت إس إس كوتاتيلادزه وأيه إم روزنفيلد من معهد الفيزياء الحرارية SB RAS، الذين حصلوا في عام 1965 على شهادة المؤلف لاستخراج الكهرباء من الماء عند درجة حرارة 70 درجة مئوية. أصبحت هذه التقنية فيما بعد النموذج الأولي لأكثر من 400 GeoPPs الثنائية في العالم.

كانت قدرة محطة Pauzhetskaya GeoPP، التي تم تشغيلها في عام 1966، في البداية 5 ميجاوات وتمت زيادتها لاحقًا إلى 12 ميجاوات. ويجري حاليا بناء وحدة ثنائية في المحطة ستزيد قدرتها بمقدار 2.5 ميجاوات أخرى.

تم إعاقة تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في الاتحاد السوفياتي وروسيا بسبب توافر مصادر الطاقة التقليدية - النفط والغاز والفحم، لكنها لم تتوقف أبدا. أكبر منشآت الطاقة الحرارية الأرضية في الوقت الحالي هي Verkhne-Mutnovskaya GeoPP بسعة إجمالية لوحدة الطاقة تبلغ 12 ميجاوات، تم تشغيلها في عام 1999، وMutnovskaya GeoPP بسعة 50 ميجاوات (2002).

تعد Mutnovskaya وVerkhne-Mutnovskaya GeoPPs كائنات فريدة ليس فقط بالنسبة لروسيا، ولكن أيضًا على المستوى العالمي. وتقع المحطات عند سفح بركان موتنوفسكي، على ارتفاع 800 متر فوق سطح البحر، وتعمل في ظروف مناخية قاسية، حيث يحل فصل الشتاء لمدة 9-10 أشهر في السنة. تم إنشاء معدات Mutnovsky GeoPPs، والتي تعد حاليًا واحدة من أحدث المعدات في العالم، بالكامل في مؤسسات هندسة الطاقة المحلية.

حاليًا، تبلغ حصة محطات موتنوفسكي في هيكل استهلاك الطاقة الإجمالي لمركز الطاقة المركزي في كامتشاتكا 40٪. وهناك خطط لزيادة القدرة في السنوات المقبلة.

وينبغي الإشارة بشكل خاص إلى التطورات النفطية الحرارية الروسية. ليس لدينا مراكز حفر كبيرة حتى الآن، لكن لدينا تقنيات متقدمة للحفر إلى أعماق كبيرة (حوالي 10 كيلومترات)، والتي لا يوجد لها مثيل في العالم. سيؤدي تطويرها الإضافي إلى تقليل تكاليف إنشاء أنظمة الطاقة الحرارية النفطية بشكل جذري. مطورو هذه التقنيات والمشاريع هم N. A. Gnatus، M. D. Khutorskoy (المعهد الجيولوجي التابع للأكاديمية الروسية للعلوم)، A. S. Nekrasov (معهد التنبؤ الاقتصادي الوطني التابع للأكاديمية الروسية للعلوم) والمتخصصين من مصنع كالوغا للتوربينات. حاليا، مشروع نظام تداول النفط الحراري في روسيا هو في المرحلة التجريبية.

تتمتع الطاقة الحرارية الأرضية بآفاق واعدة في روسيا، على الرغم من أنها بعيدة نسبيًا: فالإمكانيات كبيرة جدًا في الوقت الحالي وموقع الطاقة التقليدية قوي. في الوقت نفسه، في عدد من المناطق النائية في البلاد، يعد استخدام الطاقة الحرارية الأرضية مربحًا اقتصاديًا وهو مطلوب بالفعل. هذه هي المناطق ذات الإمكانات العالية في مجال الطاقة الجيولوجية (تشوكوتكا، كامتشاتكا، جزر الكوريل - الجزء الروسي من "حزام الأرض الناري" في المحيط الهادئ، وجبال جنوب سيبيريا والقوقاز) وفي نفس الوقت نائية ومعزولة عن المناطق المركزية إمدادات الطاقة.

ربما، في العقود المقبلة، ستتطور الطاقة الحرارية الأرضية في بلدنا على وجه التحديد في هذه المناطق.

كيريل ديجتياريف،
باحث في جامعة موسكو الحكومية إم في لومونوسوفا
"العلم والحياة" العدد 9، العدد 10، 2013

الطاقة الحرارية الأرضية هي الحرارة الموجودة في باطن الأرض. يتم إنتاجه في الأعماق ويصل إلى سطح الأرض بأشكال مختلفة وبكثافة مختلفة.

إن التدفق الحراري لباطن الأرض الذي يصل إلى سطح الأرض صغير - في المتوسط تبلغ قوته 0.03-0.05 واط/م2، أو ما يقرب من 350 واط ساعة/م2 سنويًا. على خلفية تدفق الحرارة من الشمس والهواء الساخن بها، فهذه قيمة غير ملحوظة: فالشمس تعطي كل متر مربع من سطح الأرض حوالي 4000 كيلووات في الساعة سنويًا، أي 10000 مرة أكثر (بالطبع هذا هو في المتوسط، مع فارق كبير بين خطوط العرض القطبية والاستوائية، ويعتمد ذلك على العوامل المناخية والجوية الأخرى).

وفي أعماق تصل إلى 10-12 كم، يتم قياس درجة الحرارة من خلال الآبار المحفورة. وفي حالة عدم وجودها، يتم تحديدها من خلال علامات غير مباشرة بنفس الطريقة كما هو الحال في الأعماق الأكبر. قد تكون هذه العلامات غير المباشرة هي طبيعة مرور الموجات الزلزالية أو درجة حرارة الحمم البركانية المتفجرة.

ومن الناحية النظرية، فإن الطاقة الحرارية الأرضية هي وحدها القادرة على تلبية احتياجات البلاد من الطاقة بشكل كامل. ومن الناحية العملية، في الوقت الحالي، فإن هذا غير ممكن في معظم أراضيها لأسباب فنية واقتصادية.

تم استخدام مياه الينابيع الجوفية الغنية بالبورون هنا للحصول على حمض البوريك. في البداية، تم الحصول على هذا الحمض عن طريق التبخر في غلايات الحديد، وتم أخذ الخشب العادي من الغابات المجاورة كوقود، ولكن في عام 1827 أنشأ فرانشيسكو لارديريل نظامًا يعمل على حرارة المياه نفسها. في الوقت نفسه، بدأ استخدام طاقة بخار الماء الطبيعي لتشغيل منصات الحفر، وفي بداية القرن العشرين - لتدفئة المنازل المحلية والدفيئات الزراعية. هناك، في لاردريللو، في عام 1904، أصبح بخار الماء الحراري مصدرًا للطاقة لتوليد الكهرباء.

المبدأ القديم على مصدر جديد

يعتمد استخدام هذا المخطط أو ذاك على حالة التجميع ودرجة حرارة حامل الطاقة.

هدية من اللورد كلفن

إن اختراع المضخة الحرارية في عام 1852 من قبل الفيزيائي ويليام طومسون (المعروف أيضًا باسم اللورد كلفن) أتاح للبشرية فرصة حقيقية لاستخدام الحرارة المنخفضة للطبقات العليا من التربة. يعتمد نظام المضخة الحرارية، أو مضاعف الحرارة كما أطلق عليه طومسون، على العملية الفيزيائية لنقل الحرارة من البيئة إلى مادة التبريد. في الأساس، يستخدم نفس مبدأ الأنظمة النفطية الحرارية. يكمن الاختلاف في مصدر الحرارة، الأمر الذي قد يثير سؤالاً اصطلاحيًا: إلى أي مدى يمكن اعتبار المضخة الحرارية نظامًا للطاقة الحرارية الأرضية؟ والحقيقة هي أنه في الطبقات العليا، على أعماق تتراوح بين عشرات ومئات الأمتار، لا يتم تسخين الصخور والسوائل التي تحتوي عليها بسبب حرارة الأرض العميقة، بل بسبب الشمس. وبالتالي، فإن الشمس في هذه الحالة هي المصدر الأساسي للحرارة، على الرغم من أنها مأخوذة، كما هو الحال في أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية، من الأرض.

تعمل المادة ذات نقطة الغليان المنخفضة كمبرد، مما يسمح لها بأخذ الحرارة من مصدر له درجة حرارة منخفضة نسبيًا.

في الثلاجة، يتدفق سائل التبريد من خلال دواسة الوقود (منظم الضغط) إلى المبخر، حيث يتبخر السائل بسبب الانخفاض الحاد في الضغط. التبخر هو عملية ماصة للحرارة تتطلب امتصاص الحرارة من الخارج. ونتيجة لذلك، تتم إزالة الحرارة من الجدران الداخلية للمبخر، مما يوفر تأثير التبريد في غرفة الثلاجة. بعد ذلك، يتم سحب مادة التبريد من المبخر إلى الضاغط، حيث يتم إعادتها إلى الحالة السائلة. هذه عملية عكسية تؤدي إلى إطلاق الحرارة المزالة في البيئة الخارجية. كقاعدة عامة، يتم إلقاؤها في الداخل، والجدار الخلفي للثلاجة دافئ نسبيا.

تعمل المضخة الحرارية بنفس الطريقة تقريبًا، مع اختلاف أن الحرارة تؤخذ من البيئة الخارجية وتدخل من خلال المبخر إلى البيئة الداخلية - نظام تدفئة الغرفة.

في المبخر، يتم نقل الحرارة إلى دائرة داخلية مملوءة بمادة تبريد ذات نقطة غليان منخفضة، والتي، من خلال المبخر، تتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، مما يؤدي إلى إزالة الحرارة.

بعد ذلك، يدخل المبرد الغازي إلى الضاغط، حيث يتم ضغطه إلى ضغط ودرجة حرارة عالية، ويدخل إلى المكثف، حيث يحدث التبادل الحراري بين الغاز الساخن والمبرد من نظام التدفئة.

حاليا، تستخدم المضخات الحرارية على نطاق واسع لتدفئة الفضاء، وخاصة في البلدان المتقدمة اقتصاديا.

الطاقة البيئية الصحيحة

ولكن لا تزال هناك آثار جانبية سلبية. من بينها، غالبا ما يتم تحديد الضوضاء والتلوث الحراري للغلاف الجوي والتلوث الكيميائي للمياه والتربة، وكذلك تكوين النفايات الصلبة.

المصدر الرئيسي للتلوث الكيميائي للبيئة هو المياه الحرارية نفسها (ذات درجة الحرارة العالية والتمعدن)، والتي تحتوي في كثير من الأحيان على كميات كبيرة من المركبات السامة، وبالتالي هناك مشكلة في التخلص من المياه العادمة والمواد الخطرة.

في مرحلة تشغيل GeoPP، لا تزال مشاكل التلوث البيئي قائمة. تحتوي السوائل الحرارية - الماء والبخار - عادة على ثاني أكسيد الكربون (CO 2)، وكبريتيد الكبريت (H 2 S)، والأمونيا (NH 3)، والميثان (CH 4)، وملح الطعام (NaCl)، والبورون (B)، والزرنيخ (As). )، الزئبق (زئبق). وعندما يتم إطلاقها في البيئة الخارجية، فإنها تصبح مصادر للتلوث. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتسبب البيئة الكيميائية العدوانية في تدمير هياكل محطات الطاقة الحرارية الأرضية بشكل تآكل.

يمكن أن يسبب استخراج المياه الحرارية من طبقات المياه الجوفية (وكذلك ضخ المياه العادية) هبوطًا وحركات للتربة، وتشوهات أخرى للطبقات الجيولوجية، وزلازل صغيرة. عادة ما تكون احتمالية حدوث مثل هذه الظواهر منخفضة، على الرغم من تسجيل حالات معزولة (على سبيل المثال، في GeoPP في Staufen im Breisgau في ألمانيا).

كم تبلغ طاقة الأرض؟

ثاني أكبر بند من بنود النفقات بعد الطاقة (وهو عنصر مهم للغاية) هو، كقاعدة عامة، أجور العاملين في المصانع، والتي يمكن أن تختلف بشكل كبير بين البلدان والمناطق.

تعتمد مؤشرات الكفاءة الاقتصادية لنظام الطاقة الحرارية الأرضية، على سبيل المثال، على ما إذا كان من الضروري التخلص من مياه الصرف الصحي وبأي طرق يتم ذلك، وما إذا كان الاستخدام المشترك للمورد ممكنًا. وبالتالي فإن العناصر والمركبات الكيميائية المستخرجة من المياه الحرارية يمكن أن توفر دخلاً إضافياً. دعونا نتذكر مثال لاردريللو: الشيء الأساسي كان هناك على وجه التحديد الإنتاج الكيميائيوكان استخدام الطاقة الحرارية الأرضية في البداية ذا طبيعة مساعدة.

الطاقة الحرارية الأرضية إلى الأمام

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الطاقة الحرارية الأرضية أقل كثافة من الناحية التكنولوجية مقارنة بطاقة الرياح، وخاصة الطاقة الشمسية: فأنظمة محطات الطاقة الحرارية الأرضية بسيطة للغاية.

من كامتشاتكا إلى القوقاز

ربما، في العقود المقبلة، ستتطور الطاقة الحرارية الأرضية في بلدنا على وجه التحديد في هذه المناطق.

مقالات مماثلة: