لقد عرف الناس منذ فترة طويلة عن المظاهر العفوية للطاقة العملاقة المخبأة في الأعماق الكرة الأرضية. تحتفظ ذاكرة البشرية بأساطير حول الانفجارات البركانية الكارثية التي أودت بحياة الملايين حياة الانسانوالتي غيرت مظهر العديد من الأماكن على الأرض بشكل لا يمكن التعرف عليه. إن قوة ثوران بركان صغير نسبيًا هائلة، فهي أكبر بعدة مرات من قوة البركان الأكبر. محطات توليد الطاقةخلقتها أيدي البشر. صحيح، ليست هناك حاجة للحديث عن الاستخدام المباشر لطاقة الانفجارات البركانية: فالناس ليس لديهم بعد القدرة على كبح هذا العنصر المتمرد، ولحسن الحظ، فإن هذه الانفجارات أحداث نادرة جدًا. ولكن هذه هي مظاهر الطاقة المخبأة في أحشاء الأرض، عندما يتم إطلاق جزء صغير فقط من هذه الطاقة التي لا تنضب من خلال فتحات تنفس البراكين.

إن دولة أيسلندا الأوروبية الصغيرة ("أرض الجليد" في الترجمة الحرفية) تتمتع بالاكتفاء الذاتي التام في الطماطم والتفاح وحتى الموز! تتلقى العديد من الدفيئات الزراعية الأيسلندية الطاقة من حرارة الأرض، ولا توجد مصادر طاقة محلية أخرى في أيسلندا. لكن هذا البلد غني جدًا الينابيع الساخنة والسخانات الشهيرة - نوافير الماء الساخن،بدقة الكرونومتر الذي ينفجر من الأرض. وعلى الرغم من أن الآيسلنديين ليس لديهم الأولوية في استخدام حرارة المصادر الجوفية (حتى الرومان القدماء جلبوا المياه من باطن الأرض إلى الحمامات الشهيرة - حمامات كركلا)، فإن سكان هذا البلد الشمالي الصغير يتم تشغيل غرفة المرجل تحت الأرض بشكل مكثف للغاية. تتم تدفئة العاصمة ريكيافيك، حيث يعيش نصف سكان البلاد، فقط عن طريق مصادر تحت الأرض. ريكيافيك هي نقطة الانطلاق المثالية لاستكشاف أيسلندا: من هنا يمكنك الذهاب في الرحلات الأكثر إثارة للاهتمام والمتنوعة إلى أي ركن من أركان هذا البلد الفريد: السخانات والبراكين والشلالات وجبال الريوليت والمضايق... في كل مكان في ريكيافيك ستشعر بالنقاء الطاقة - الطاقة الحرارية للينابيع الساخنة المنبعثة من تحت الأرض، طاقة النقاء والمساحة لمدينة خضراء تمامًا، طاقة الحياة الليلية المبهجة والنابضة بالحياة في ريكيافيك على مدار السنة.

لكن الناس يستمدون الطاقة من أعماق الأرض ليس فقط للتدفئة. تعمل محطات توليد الطاقة التي تستخدم الينابيع الساخنة تحت الأرض منذ فترة طويلة.تم بناء أول محطة طاقة من هذا النوع، والتي لا تزال منخفضة الطاقة للغاية، في عام 1904 في بلدة لاردريللو الإيطالية الصغيرة، والتي سميت على اسم المهندس الفرنسي لاردريللي، الذي وضع في عام 1827 مشروعًا لاستخدام العديد من الينابيع الساخنة في المنطقة. تدريجيا، نمت قوة محطة توليد الكهرباء، وتم تشغيل المزيد والمزيد من الوحدات الجديدة، وتم استخدام مصادر جديدة للمياه الساخنة، واليوم وصلت قوة المحطة بالفعل إلى قيمة مثيرة للإعجاب - 360 ألف كيلووات. وفي نيوزيلندا توجد مثل هذه المحطة في منطقة وايراكي وتبلغ طاقتها 160 ألف كيلووات. على بعد 120 كيلومترا من سان فرانسيسكو بالولايات المتحدة الأمريكية، توجد محطة للطاقة الحرارية الأرضية بقدرة 500 ألف كيلووات تنتج الكهرباء.

الطاقة الحرارية الأرضية

لقد عرف الناس منذ فترة طويلة عن المظاهر العفوية للطاقة العملاقة المخبأة في أعماق الكرة الأرضية. تحتوي ذاكرة البشرية على أساطير حول الانفجارات البركانية الكارثية التي أودت بحياة الملايين من البشر وغيرت مظهر العديد من الأماكن على الأرض بشكل لا يمكن التعرف عليه. إن قوة ثوران بركان صغير نسبيًا هائلة، فهي أكبر بعدة مرات من قوة أكبر محطات توليد الطاقة التي أنشأتها الأيدي البشرية. صحيح، ليست هناك حاجة للحديث عن الاستخدام المباشر لطاقة الانفجارات البركانية - فالناس ليس لديهم القدرة بعد على كبح هذا العنصر المتمرد، ولحسن الحظ، هذه الانفجارات أحداث نادرة جدًا. ولكن هذه هي مظاهر الطاقة المخبأة في أحشاء الأرض، عندما يتم إطلاق جزء صغير فقط من هذه الطاقة التي لا تنضب من خلال فتحات تنفس البراكين.

السخان هو ينبوع ساخن يتدفق مياهه على ارتفاع منتظم أو غير منتظم، مثل النافورة. الاسم يأتي من الكلمة الأيسلندية التي تعني "يصب". يتطلب ظهور السخانات بيئة مواتية معينة، والتي يتم إنشاؤها فقط في أماكن قليلة على وجه الأرض، مما يجعلها نادرة جدًا. يقع ما يقرب من 50٪ من السخانات في حديقة يلوستون الوطنية (الولايات المتحدة الأمريكية). قد يتوقف نشاط السخان بسبب التغيرات في باطن الأرض والزلازل وعوامل أخرى. يحدث عمل السخان بسبب ملامسة الماء للصهارة، وبعد ذلك يتم تسخين الماء بسرعة ويتم دفعه لأعلى بقوة تحت تأثير الطاقة الحرارية الأرضية. بعد الثوران، يبرد الماء الموجود في السخان تدريجيًا، ويتسرب مرة أخرى إلى الصهارة، ثم يتدفق مرة أخرى. يختلف تواتر ثورات السخانات المختلفة من عدة دقائق إلى عدة ساعات. ضرورة التوافر طاقة عاليةلعمل السخان - سبب رئيسيندرتهم. قد تحتوي المناطق البركانية على ينابيع ساخنة، وبراكين طينية، وفومارول، ولكن هناك عدد قليل جدًا من الأماكن التي توجد بها ينابيع المياه الساخنة. والحقيقة هي أنه حتى لو تم تشكيل نبع ماء حار في مكان النشاط البركاني، فإن الانفجارات اللاحقة ستدمر سطح الأرض وتغير حالتها، مما سيؤدي إلى اختفاء السخان.

تعتمد طاقة الأرض (الطاقة الحرارية الأرضية) على الاستخدام الدفء الطبيعيأرض. تحتوي أحشاء الأرض على مصدر هائل للطاقة لا ينضب تقريبًا. يبلغ الإشعاع السنوي للحرارة الداخلية على كوكبنا 2.8 * 1014 مليار كيلو واط * ساعة. ويتم تعويضه باستمرار عن طريق التحلل الإشعاعي لبعض نظائر معينة في القشرة الأرضية.

يمكن أن تكون مصادر الطاقة الحرارية الأرضية من نوعين. النوع الأول هو حمامات تحت الأرض من المبردات الطبيعية - الماء الساخن (الينابيع الحرارية المائية)، أو البخار (الينابيع الحرارية البخارية)، أو خليط البخار والماء. وهي في الأساس عبارة عن "غلايات تحت الأرض" جاهزة للاستخدام يمكن استخراج الماء أو البخار منها باستخدام الآبار التقليدية. النوع الثاني هو حرارة الصخور الساخنة. ومن خلال ضخ المياه في مثل هذه الآفاق، من الممكن أيضًا الحصول على البخار أو الماء شديد السخونة لاستخدامه لاحقًا في أغراض الطاقة.

ولكن في كلتا الحالتين الاستخدام العيب الرئيسيربما يكمن في تركيز ضعيف جدًا للطاقة الحرارية الأرضية. ومع ذلك، في الأماكن التي تتشكل فيها شذوذات غريبة في الطاقة الحرارية الأرضية، حيث تقترب الينابيع الساخنة أو الصخور نسبيًا من السطح وحيث ترتفع درجة الحرارة بمقدار 30-40 درجة مئوية عند غمرها بشكل أعمق كل 100 متر، يمكن أن تخلق تركيزات الطاقة الحرارية الأرضية ظروفًا مناسبة استخدامها الاقتصادي. اعتمادًا على درجة حرارة الماء أو البخار أو خليط الماء والبخار، تنقسم مصادر الطاقة الحرارية الأرضية إلى درجة حرارة منخفضة ومتوسطة (مع درجات حرارة تصل إلى 130 - 150 درجة مئوية) ودرجة حرارة عالية (أكثر من 150 درجة مئوية). طبيعة استخدامها تعتمد إلى حد كبير على درجة الحرارة.

ممكن نقاشها الطاقة الحرارية الأرضيةلديه أربع ميزات مميزة مفيدة.

أولا، احتياطياتها لا تنضب عمليا. وبحسب تقديرات أواخر السبعينيات، تصل قيمة هذه الاحتياطيات إلى عمق 10 كيلومترات إلى 3.5 ألف مرة أعلى من احتياطيات الأنواع التقليدية من الوقود المعدني.

ثانيا، الطاقة الحرارية الأرضية منتشرة على نطاق واسع. ويرتبط تركيزها بشكل أساسي بأحزمة النشاط الزلزالي والبركاني النشطة التي تشغل 1/10 من مساحة الأرض. وضمن هذه الأحزمة، يمكننا التعرف على بعض "المناطق الحرارية الأرضية" الواعدة، ومن الأمثلة عليها كاليفورنيا في الولايات المتحدة الأمريكية، نيوزيلنداواليابان وأيسلندا وكامشاتكا وشمال القوقاز في روسيا. فقط في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية السابقبحلول بداية التسعينيات، تم افتتاح حوالي 50 حوضًا للمياه الساخنة والبخار تحت الأرض.

ثالثا، استخدام الطاقة الحرارية الأرضية لا يتطلب تكاليف كبيرة، لأنه الخامس في هذه الحالةنحن نتحدث عن مصادر الطاقة "الجاهزة للاستخدام" التي خلقتها الطبيعة نفسها.

وأخيرا، رابعا، الطاقة الحرارية الأرضية غير ضارة تماما من الناحية البيئية ولا تلوث البيئة.

يستخدم الإنسان منذ فترة طويلة طاقة الحرارة الداخلية للأرض (تذكر، على سبيل المثال، الحمامات الرومانية الشهيرة)، لكن استخدامها التجاري لم يبدأ إلا في العشرينات من قرننا مع بناء أول محطات الطاقة الجيوكهربائية في إيطاليا، ومن ثم في بلدان أخرى. وبحلول بداية الثمانينات، كان هناك حوالي 20 محطة من هذا القبيل في العالم بسعة إجمالية قدرها 1.5 مليون كيلوواط. وأكبرها محطة السخانات في الولايات المتحدة الأمريكية (500 ألف كيلوواط).

تُستخدم الطاقة الحرارية الأرضية لتوليد الكهرباء وتدفئة المنازل والدفيئات الزراعية وما إلى ذلك. يتم استخدام البخار الجاف أو الماء الساخن أو أي سائل تبريد ذو نقطة غليان منخفضة (الأمونيا والفريون وما إلى ذلك) كمبرد.

تنتمي هذه الطاقة إلى مصادر بديلة. في الوقت الحاضر، يذكرون بشكل متزايد إمكانيات الحصول على الموارد التي يوفرها لنا الكوكب. يمكننا القول أننا نعيش في عصر الموضة للطاقة المتجددة. ويتم إنشاء العديد من الحلول والخطط والنظريات التقنية في هذا المجال.

فهي تقع في أعماق الأرض ولها خصائص التجدد، أي أنها لا نهاية لها. الموارد الكلاسيكية، وفقا للعلماء، بدأت في النفاد، وسوف يجف النفط والفحم والغاز.

محطة نيسجافيلير للطاقة الحرارية الأرضية، أيسلندا

ولذلك، يمكننا أن نستعد تدريجيا لاعتماد الجديد طرق بديلةإنتاج الطاقة. تحت القشرة الأرضية يوجد نواة قوية. تتراوح درجة حرارته من 3000 إلى 6000 درجة. تُظهر حركة صفائح الغلاف الصخري قوتها الهائلة. يتجلى في شكل انفجار بركاني للصهارة. ويحدث التحلل الإشعاعي في الأعماق، مما يؤدي في بعض الأحيان إلى حدوث مثل هذه الكوارث الطبيعية.

عادةً ما تقوم الصهارة بتسخين السطح دون تجاوزه. وهذا يخلق السخانات أو برك المياه الدافئة. لذلك يمكنك استخدام العمليات الفيزيائيةللأغراض الضرورية للإنسانية.

أنواع مصادر الطاقة الحرارية الأرضية

وتنقسم عادة إلى نوعين: الطاقة الحرارية المائية والطاقة الحرارية النفطية. الأول يتشكل بسبب المصادر الدافئة، والنوع الثاني هو اختلاف درجات الحرارة على السطح وفي أعماق الأرض. اشرح بكلماتك الخاصة أن المصدر الحراري المائي يتكون من البخار والماء الساخن، في حين أن المصدر الحراري النفطي مخفي في أعماق الأرض.

خريطة إمكانيات تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في العالم

للحصول على الطاقة الحرارية النفطية، من الضروري حفر بئرين، وملء أحدهما بالماء، وبعد ذلك ستحدث عملية تبخير، والتي ستأتي إلى السطح. هناك ثلاث فئات من المناطق الحرارية الأرضية:

• الطاقة الحرارية الأرضية – تقع بالقرب من الصفائح القارية. - التدرج في درجة الحرارة أكثر من 80 درجة مئوية/كم. على سبيل المثال، بلدية لارديريلو الإيطالية. هناك محطة للطاقة هناك
• شبه حراري – درجة الحرارة 40 – 80 درجة مئوية/كم. وهي طبقات مياه جوفية طبيعية تتكون من صخور مجزأة. وفي بعض الأماكن في فرنسا، يتم تدفئة المباني بهذه الطريقة.
• عادي – انحدار أقل من 40 درجة مئوية/كم. تمثيل هذه المناطق هو الأكثر شيوعا

فهي مصدر ممتاز للاستهلاك. وهي تقع في الصخر على عمق معين. دعونا نلقي نظرة على التصنيف بمزيد من التفصيل:

• فوق الحراري - درجة الحرارة من 50 إلى 90 درجة مئوية
• الحرارة المتوسطة – 100 – 120 ثانية
• انخفاض الحرارة - أكثر من 200 ثانية

وتتكون هذه الأنواع من تركيبات كيميائية مختلفة. اعتمادا على ذلك، يمكن استخدام المياه لأغراض مختلفة. على سبيل المثال، في إنتاج الكهرباء، وإمدادات الحرارة (طرق الحرارة)، وقاعدة المواد الخام.

فيديو: الطاقة الحرارية الأرضية

عملية التسخين

درجة حرارة الماء هي 50 -60 درجة، وهي مثالية للتدفئة والإمداد الساخن للمناطق السكنية. تعتمد الحاجة إلى أنظمة التدفئة على الموقع الجغرافي والظروف المناخية. ويحتاج الناس باستمرار إلى إمدادات المياه الساخنة. ولهذه العملية، يتم إنشاء محطات GTS (المحطات الحرارية الأرضية).

إذا كان بيت المرجل الذي يستهلك مادة صلبة أو وقود الغاز، ثم يستخدم هذا الإنتاج مصدر السخان. العملية الفنية بسيطة للغاية، نفس الاتصالات والطرق الحرارية والمعدات. ويكفي حفر بئر وتنظيفه من الغازات ثم إرساله بالمضخات إلى غرفة الغلاية، حيث سيتم الحفاظ على جدول درجات الحرارة، ومن ثم يدخل إلى مصدر التدفئة الرئيسي.

والفرق الرئيسي هو أنه ليست هناك حاجة لاستخدام غلاية الوقود. وهذا يقلل بشكل كبير من تكلفة الطاقة الحرارية. في فصل الشتاء، يتلقى المشتركون إمدادات الحرارة والمياه الساخنة، وفي الصيف فقط إمدادات المياه الساخنة.

توليد الطاقة

تعتبر الينابيع الساخنة والسخانات بمثابة المكونات الرئيسية في إنتاج الكهرباء. ولهذا الغرض، يتم استخدام العديد من المخططات، ويتم بناء محطات طاقة خاصة. جهاز جي تي اس:

• خزان الماء الساخن
• مضخة
• فاصل الغاز
• فاصل البخار
• توليد التوربينات
• مكثف
• مضخة تعزيز
• مبرد الخزان

كما نرى، العنصر الرئيسي في الدائرة هو محول البخار. يتيح لك ذلك الحصول على بخار منقى لأنه يحتوي على أحماض تدمر معدات التوربينات. من الممكن استخدام مخطط مختلط في الدورة التكنولوجية، أي أن الماء والبخار يشاركان في العملية. يمر السائل بمرحلة التنقية الكاملة من الغازات، تمامًا مثل البخار.

دائرة المصدر الثنائي

مكون العمل هو سائل ذو نقطة غليان منخفضة. وتشارك المياه الحرارية أيضًا في إنتاج الكهرباء وتكون بمثابة مادة خام ثانوية.

بمساعدتها، يتم تشكيل البخار من مصدر منخفض الغليان. يمكن أن تكون GTS مع دورة التشغيل هذه مؤتمتة بالكامل ولا تتطلب موظفي صيانة. تستخدم المحطات الأكثر قوة دائرة مزدوجة. يتيح هذا النوع من محطات توليد الطاقة الوصول إلى قدرة 10 ميجاوات. هيكل الدائرة المزدوجة:

• مولد البخار
• عنفة
• مكثف
• القاذف
• مضخة تغذية
• المقتصد
• المبخر

الاستخدام العملي

الاحتياطيات الضخمة من المصادر أكبر بعدة مرات من استهلاك الطاقة السنوي. ولكن يتم استخدام جزء صغير فقط من قبل البشرية. يعود تاريخ إنشاء المحطات إلى عام 1916. تم إنشاء أول محطة للطاقة الحرارية الأرضية بقدرة 7.5 ميجاوات في إيطاليا. تتطور الصناعة بنشاط في دول مثل الولايات المتحدة الأمريكية وأيسلندا واليابان والفلبين وإيطاليا.

ويجري حاليًا استكشاف نشط للمواقع المحتملة وطرق استخراج أكثر ملاءمة. الطاقة الإنتاجية تنمو من سنة إلى أخرى. إذا أخذنا في الاعتبار المؤشر الاقتصادي، فإن تكلفة هذه الصناعة تساوي محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم. تغطي أيسلندا مخزونها من المساكن بالكامل تقريبًا بمصدر GT. 80% من المنازل تستخدم للتدفئة الماء الساخنمن الآبار. يزعم خبراء من الولايات المتحدة الأمريكية أنه مع التطوير السليم، يمكن لمحطات الطاقة الحرارية الأرضية أن تنتج استهلاكًا سنويًا أكبر بمقدار 30 مرة. إذا تحدثنا عن الإمكانات، فستكون 39 دولة في العالم قادرة على تزويد نفسها بالكهرباء بشكل كامل إذا استخدمت 100 بالمائة من باطن الأرض.

2. النظام الحراري للأرض

الأرض جسم كوني بارد. تعتمد درجة حرارة السطح بشكل أساسي على الحرارة القادمة من الخارج. 95% من حرارة الطبقة العليا للأرض خارجي (الشمسية) والحرارة 5% فقط داخلي الذي يأتي من أحشاء الأرض ويتضمن عدة مصادر للطاقة. وفي باطن الأرض، ترتفع درجة الحرارة مع العمق من 1300 درجة مئوية (في الوشاح العلوي) إلى 3700 درجة مئوية (في وسط النواة).

الحرارة الخارجية. تأتي الحرارة إلى سطح الأرض بشكل رئيسي من الشمس. يتلقى كل سنتيمتر مربع من السطح حوالي 2 سعرة حرارية من الحرارة خلال دقيقة واحدة. تسمى هذه الكمية ثابت الشمسية ويحدد إجمالي كمية الحرارة التي تدخل الأرض من الشمس. لمدة عام يصل إلى 2.26·10 21 سعرة حرارية. يعتمد عمق تغلغل الحرارة الشمسية في أحشاء الأرض بشكل أساسي على كمية الحرارة التي تسقط لكل وحدة مساحة سطحية وعلى التوصيل الحراري للصخور. أقصى عمق تخترقه الحرارة الخارجية هو 200 متر في المحيطات، وحوالي 40 متر على اليابسة.

الدفء الداخلي. مع العمق، لوحظ زيادة في درجة الحرارة، والتي تحدث بشكل غير متساو للغاية في مناطق مختلفة. تتبع الزيادة في درجة الحرارة قانونًا ثابت الحرارة ويعتمد على ضغط المادة تحت الضغط عندما يكون التبادل الحراري مع البيئة مستحيلاً.

المصادر الرئيسية للحرارة داخل الأرض:

الحرارة المنبعثة أثناء التحلل الإشعاعي للعناصر.

الحرارة المتبقية التي تم الاحتفاظ بها منذ تكوين الأرض.

حرارة الجاذبية المنبعثة أثناء ضغط الأرض وتوزيع المادة حسب الكثافة.

الحرارة المتولدة نتيجة التفاعلات الكيميائية التي تحدث في أعماق القشرة الأرضية.

الحرارة المنبعثة من الاحتكاك المد والجزر للأرض.

هناك 3 مناطق درجة الحرارة:

أنا - منطقة درجة حرارة متغيرة . يتم تحديد التغيرات في درجات الحرارة حسب مناخ المنطقة. التقلبات اليومية تموت عمليا على عمق حوالي 1.5 متر، والتقلبات السنوية على أعماق 20...30 م.أ - منطقة التجميد.

ثانيا – منطقة درجة حرارة ثابتة ، وتقع على أعماق 15...40 م حسب المنطقة.

ثالثا – منطقة ارتفاع درجة الحرارة .

عادة ما يتم التعبير عن نظام درجة حرارة الصخور في أعماق القشرة الأرضية على أنه تدرج للطاقة الحرارية الأرضية وخطوة للطاقة الحرارية الأرضية.

تسمى كمية الزيادة في درجة الحرارة لكل 100 متر عمق التدرج الحراري الأرضي. في أفريقيا في حقل ويتواترسراند تبلغ 1.5 درجة مئوية، في اليابان (إيتشيغو) - 2.9 درجة مئوية، في جنوب أستراليا - 10.9 درجة مئوية، في كازاخستان (ساماريندا) - 6.3 درجة مئوية، في شبه جزيرة كولا - 0.65 درجة مئوية.

أرز. 3. المناطق الحرارية في القشرة الأرضية: I – منطقة درجات الحرارة المتغيرة، Ia – منطقة التجمد؛ II – منطقة درجات الحرارة الثابتة؛ III – منطقة ارتفاع درجة الحرارة.

يسمى العمق الذي ترتفع عنده درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة مرحلة الطاقة الحرارية الأرضية.إن القيم العددية لمرحلة الطاقة الحرارية الأرضية ليست ثابتة ليس فقط عند خطوط العرض المختلفة، ولكن أيضًا عند أعماق مختلفة لنفس النقطة في المنطقة. يتراوح حجم خطوة الطاقة الحرارية الأرضية من 1.5 إلى 250 م، وفي أرخانجيلسك 10 م، وفي موسكو - 38.4 م، وفي بياتيغورسك - 1.5 م، ومن الناحية النظرية، يبلغ متوسط ​​قيمة هذه الخطوة 33 م.

وفي بئر تم حفره في موسكو على عمق 1630 م، كانت درجة الحرارة في القاع 41 درجة مئوية، وفي منجم تم حفره في دونباس على عمق 1545 م، كانت درجة الحرارة 56.3 درجة مئوية. أعلى درجة حرارة سجلت في الولايات المتحدة الأمريكية كانت في بئر بعمق 7136 م حيث بلغت 224 درجة مئوية. يجب أن تؤخذ الزيادة في درجة الحرارة مع العمق في الاعتبار عند تصميم الهياكل العميقة، ووفقا للحسابات، على عمق 400 كم يجب أن تصل درجة الحرارة إلى 1400...1700 درجة مئوية. تم الحصول على أعلى درجات الحرارة (حوالي 5000 درجة مئوية) لقلب الأرض.

دفء الأرض. المصادر المحتملة الدفء الداخلي

الطاقة الحرارية الأرضية- علم يدرس المجال الحراري للأرض. يميل متوسط ​​درجة حرارة سطح الأرض بشكل عام إلى الانخفاض. منذ ثلاثة مليارات سنة معدل الحرارةعلى سطح الأرض كان 71 درجة، الآن – 17 درجة. 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. وترتبط الزيادة في درجة الحرارة مع العمق بوجودها مصادر داخليةالحرارة - 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 مختلفةحدوث الصخور وعمر الاضطراب في 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. أهمية عظيمةلديه تقييم لظروف درجة الحرارة أثناء حفر الأنفاق في المناطق الجبلية.

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.

وتستخدم معظم الموارد غير المتجددة المستخرجة من باطن الأرض كوقود لمحطات 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. العوامل الموضوعية (الوقود الأحفوري واحتياطيات اليورانيوم وكذلك التغيرات بيئةالمرتبطة باستخدام الحرائق التقليدية والطاقة النووية) وتشير اتجاهات 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 فيها وقت الشتاءالعام، ومنع الجليد، وتدفئة الحقول في الملاعب المفتوحة، وما إلى ذلك. في الأدبيات الفنية الإنجليزية، تم تصنيف الأنظمة التي تستخدم حرارة الأرض في أنظمة التدفئة 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.