A energia do calor da Terra como fonte de aquecimento. Trocadores de calor de solo usados ​​e esquemas de fornecimento de calor. energia da terra

Em nosso país rico em hidrocarbonetos, energia geotérmica- uma espécie de recurso exótico que, na situação atual, dificilmente competirá com o petróleo e o gás. No entanto, esta forma alternativa de energia pode ser usada em quase todos os lugares e de forma bastante eficiente.

A energia geotérmica é o calor do interior da Terra. É produzido nas profundezas e vem à superfície da Terra em formas diferentes e com diferentes intensidades.

A temperatura das camadas superiores do solo depende principalmente de fatores externos (exógenos) - iluminação solar e temperatura do ar. No verão e durante o dia, o solo aquece até certas profundidades, e no inverno e à noite esfria acompanhando a mudança da temperatura do ar e com algum atraso, aumentando com a profundidade. A influência das flutuações diárias na temperatura do ar termina em profundidades de algumas a várias dezenas de centímetros. As flutuações sazonais capturam camadas mais profundas do solo - até dezenas de metros.

A uma certa profundidade - de dezenas a centenas de metros - a temperatura do solo é mantida constante, igual à temperatura média anual do ar próximo à superfície da Terra. Isso é fácil de verificar descendo para uma caverna bastante profunda.

Quando temperatura média anual o ar na área está abaixo de zero, isso se manifesta como permafrost (mais precisamente, permafrost). EM Sibéria Oriental A espessura, ou seja, a espessura dos solos congelados durante todo o ano atinge de 200 a 300 m em alguns lugares.

A partir de uma certa profundidade (a própria para cada ponto do mapa), o efeito do Sol e da atmosfera enfraquece tanto que os fatores endógenos (internos) vêm primeiro e o interior da Terra é aquecido por dentro, de modo que a temperatura começa a subir. subir com profundidade.

O aquecimento das camadas profundas da Terra está associado principalmente ao decaimento dos elementos radioativos ali localizados, embora outras fontes de calor também sejam nomeadas, por exemplo, processos físico-químicos tectônicos nas camadas profundas da crosta terrestre e do manto. Mas seja qual for a causa, a temperatura das rochas e substâncias líquidas e gasosas associadas aumenta com a profundidade. Os mineiros enfrentam esse fenômeno - é sempre quente em minas profundas. A uma profundidade de 1 km, o calor de trinta graus é normal e, mais fundo, a temperatura é ainda maior.

O fluxo de calor do interior da Terra, atingindo a superfície da Terra, é pequeno - em média, sua potência é de 0,03 a 0,05 W / m 2, ou aproximadamente 350 W h / m 2 por ano. No contexto do fluxo de calor do Sol e do ar aquecido por ele, este é um valor imperceptível: o Sol dá a cada metro quadrado superfície da Terra cerca de 4.000 kWh anuais, ou seja, 10.000 vezes mais (claro, isso é uma média, com uma enorme dispersão entre latitudes polares e equatoriais e dependendo de outros fatores climáticos e climáticos).

A insignificância do fluxo de calor das profundezas para a superfície na maior parte do planeta está associada à baixa condutividade térmica das rochas e às peculiaridades da estrutura geológica. Mas há exceções - locais onde o fluxo de calor é alto. Estas são, antes de tudo, zonas de falhas tectônicas, aumento da atividade sísmica e vulcanismo, onde a energia do interior da Terra encontra uma saída. Essas zonas são caracterizadas por anomalias térmicas da litosfera, aqui o fluxo de calor que atinge a superfície da Terra pode ser muitas vezes e até ordens de magnitude mais potente do que o "normal". Uma enorme quantidade de calor é trazida à superfície nessas zonas por erupções vulcânicas e fontes termais de água.

São essas áreas as mais favoráveis ​​​​ao desenvolvimento da energia geotérmica. No território da Rússia, estes são, em primeiro lugar, Kamchatka, as Ilhas Curilas e o Cáucaso.

Ao mesmo tempo, o desenvolvimento da energia geotérmica é possível em quase todos os lugares, já que o aumento da temperatura com a profundidade é um fenômeno onipresente, e a tarefa é “extrair” o calor das entranhas, assim como as matérias-primas minerais são extraídas de lá.

Em média, a temperatura aumenta com a profundidade em 2,5–3°C para cada 100 m. A razão da diferença de temperatura entre dois pontos situados em profundidade diferente, à diferença de profundidade entre eles é chamado de gradiente geotérmico.

O recíproco é o passo geotérmico, ou o intervalo de profundidade no qual a temperatura sobe 1°C.

Quanto maior o gradiente e, portanto, menor o degrau, mais próximo o calor das profundezas da Terra se aproxima da superfície e mais promissora é essa área para o desenvolvimento da energia geotérmica.

EM Áreas diferentes, dependendo da estrutura geológica e de outras condições regionais e locais, a taxa de aumento da temperatura com a profundidade pode variar drasticamente. Na escala da Terra, as flutuações nos valores dos gradientes e degraus geotérmicos chegam a 25 vezes. Por exemplo, no estado de Oregon (EUA) o gradiente é de 150°C por 1 km, e na África do Sul é de 6°C por 1 km.

A questão é: qual é a temperatura em grandes profundidades - 5, 10 km ou mais? Se a tendência continuar, as temperaturas a uma profundidade de 10 km devem ficar em torno de 250–300°C. Isso é mais ou menos confirmado por observações diretas em poços ultraprofundos, embora a imagem seja muito mais complicada do que o aumento linear da temperatura.

Por exemplo, no poço superprofundo Kola perfurado no Escudo Cristalino Báltico, a temperatura muda a uma taxa de 10°C/1 km até uma profundidade de 3 km, e então o gradiente geotérmico torna-se 2–2,5 vezes maior. A 7 km de profundidade já foi registrada temperatura de 120°C, a 10 km - 180°C, e a 12 km - 220°C.

Outro exemplo é um poço localizado no norte do Cáspio, onde a uma profundidade de 500 m foi registrada uma temperatura de 42°C, a 1,5 km - 70°C, a 2 km - 80°C, a 3 km - 108°C.

Supõe-se que o gradiente geotérmico diminui a partir de uma profundidade de 20 a 30 km: a uma profundidade de 100 km, as temperaturas estimadas são de cerca de 1300 a 1500 °C, a uma profundidade de 400 km - 1600 °C, na Terra núcleo (profundidades de mais de 6000 km) - 4000–5000° C.

Em profundidades de até 10–12 km, a temperatura é medida por meio de poços perfurados; onde eles não existem, é determinado por sinais indiretos da mesma forma que em profundidades maiores. Tais sinais indiretos podem ser a natureza da passagem das ondas sísmicas ou a temperatura da lava em erupção.

No entanto, para fins de energia geotérmica, dados sobre temperaturas em profundidades superiores a 10 km ainda não são de interesse prático.

Há muito calor em profundidades de vários quilômetros, mas como aumentá-lo? Às vezes, a própria natureza resolve esse problema para nós com a ajuda de um refrigerante natural - águas termais aquecidas que vêm à superfície ou ficam em uma profundidade acessível a nós. Em alguns casos, a água nas profundezas é aquecida ao estado de vapor.

Não existe uma definição estrita do conceito de "águas termais". Via de regra, significam águas subterrâneas quentes em estado líquido ou na forma de vapor, inclusive aquelas que chegam à superfície da Terra com temperatura superior a 20°C, ou seja, via de regra, superior à temperatura do ar.

O calor da água subterrânea, vapor, misturas vapor-água é energia hidrotérmica. Assim, a energia baseada em seu uso é chamada hidrotérmica.

A situação é mais complicada com a produção de calor diretamente de rochas secas - energia petrotérmica, principalmente porque temperaturas suficientemente altas, via de regra, começam em profundidades de vários quilômetros.

No território da Rússia, o potencial da energia petrotérmica é cem vezes maior que o da energia hidrotérmica - 3.500 e 35 trilhões de toneladas, respectivamente. combustível de referência. Isso é bastante natural - o calor das profundezas da Terra está em toda parte e as águas termais são encontradas localmente. No entanto, devido a óbvias dificuldades técnicas, a maioria das águas termais são atualmente utilizadas para geração de calor e eletricidade.

Temperaturas da água de 20-30 a 100°C são adequadas para aquecimento, temperaturas de 150°C e acima - e para geração de eletricidade em usinas geotérmicas.

Em geral, os recursos geotérmicos no território da Rússia, em termos de toneladas de combustível de referência ou qualquer outra unidade de medida de energia, são aproximadamente 10 vezes maiores que as reservas de combustíveis fósseis.

Teoricamente, apenas a energia geotérmica poderia atender plenamente às necessidades energéticas do país. Praticamente em este momento na maior parte de seu território, isso não é viável por razões técnicas e econômicas.

No mundo, o uso de energia geotérmica é mais frequentemente associado à Islândia - um país localizado no extremo norte da Cordilheira do Meio-Atlântico, em uma zona tectônica e vulcânica extremamente ativa. Provavelmente todos se lembram da poderosa erupção do vulcão Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajokull) no ano de 2010.

É graças a esta especificidade geológica que a Islândia possui enormes reservas de energia geotérmica, incluindo fontes termais que vêm à superfície da Terra e até jorram sob a forma de gêiseres.

Na Islândia, mais de 60% de toda a energia consumida é atualmente retirada da Terra. Incluindo devido a fontes geotérmicas, 90% do aquecimento e 30% da geração de eletricidade são fornecidos. Acrescentamos que o restante da eletricidade do país é produzida por usinas hidrelétricas, ou seja, também usando uma fonte de energia renovável, graças à qual a Islândia parece uma espécie de padrão ambiental global.

A "domação" da energia geotérmica no século 20 ajudou a Islândia significativamente economicamente. Até meados do século passado, era um país muito pobre, hoje ocupa o primeiro lugar no mundo em capacidade instalada e produção de energia geotérmica per capita, e está entre os dez primeiros em capacidade instalada absoluta de energia geotérmica plantas. No entanto, sua população é de apenas 300 mil pessoas, o que simplifica a tarefa de mudar para fontes de energia ecologicamente corretas: a necessidade geralmente é pequena.

Além da Islândia, uma grande parcela da energia geotérmica no saldo total da produção de eletricidade é fornecida na Nova Zelândia e nos estados insulares Sudeste da Ásia(Filipinas e Indonésia), os países da América Central e da África Oriental, cujo território também é caracterizado por alta atividade sísmica e vulcânica. Para esses países, em seu atual nível de desenvolvimento e necessidades energia geotérmica contribui significativamente para o desenvolvimento sócio-económico.

O uso da energia geotérmica tem uma longa história. Um dos primeiros exemplos famosos- Itália, um lugar na província da Toscana, agora chamado Larderello, onde mais início do XIX Durante séculos, as águas termais quentes locais, fluindo naturalmente ou extraídas de poços rasos, foram usadas para fins energéticos.

Água de fontes subterrâneas, rica em boro, foi usada aqui para obter ácido bórico. Inicialmente, esse ácido era obtido por evaporação em caldeiras de ferro, e a lenha comum era retirada das florestas próximas como combustível, mas em 1827 Francesco Larderel criou um sistema que funcionava com o calor das próprias águas. Ao mesmo tempo, a energia do vapor d'água natural passou a ser utilizada para a operação de plataformas de perfuração e, no início do século 20, para o aquecimento de casas e estufas locais. No mesmo local, em Larderello, em 1904, o vapor d’água termal tornou-se fonte de energia para geração de eletricidade.

O exemplo da Itália no final do século XIX e início do século XX foi seguido por alguns outros países. Por exemplo, em 1892, as águas termais foram usadas pela primeira vez para aquecimento local nos Estados Unidos (Boise, Idaho), em 1919 - no Japão, em 1928 - na Islândia.

Nos Estados Unidos, a primeira usina hidrotérmica apareceu na Califórnia no início dos anos 1930, na Nova Zelândia - em 1958, no México - em 1959, na Rússia (o primeiro GeoPP binário do mundo) - em 1965 .

Um velho princípio em uma nova fonte

A geração de energia requer mais Temperatura alta fonte de água do que para aquecimento - mais de 150 ° C. O princípio de operação de uma usina geotérmica (GeoES) é semelhante ao princípio de operação de uma usina termelétrica convencional (UTE). Na verdade, uma usina geotérmica é um tipo de usina termelétrica.

Nas usinas termelétricas, via de regra, o carvão, o gás ou o óleo combustível atuam como fonte primária de energia e o vapor d’água serve como fluido de trabalho. O combustível, queimando, aquece a água a um estado de vapor, que gira turbina a vapor e gera eletricidade.

A diferença entre o GeoPP é que a fonte primária de energia aqui é o calor do interior da terra e o fluido de trabalho na forma de vapor entra nas pás da turbina do gerador elétrico de forma “pronta” diretamente do poço produtor.

Existem três esquemas principais de operação do GeoPP: direto, utilizando vapor seco (geotérmico); indireta, baseada em água hidrotermal, e mista, ou binária.

O uso de um ou outro esquema depende do estado de agregação e da temperatura do portador de energia.

O mais simples e, portanto, o primeiro dos esquemas dominados é o direto, no qual o vapor proveniente do poço é passado diretamente pela turbina. O primeiro GeoPP do mundo em Larderello em 1904 também operava com vapor seco.

GeoPPs com esquema indireto de operação são os mais comuns em nosso tempo. Eles usam quente água subterrânea, que é injetado sob alta pressão no evaporador, onde parte dele é evaporado, e o vapor resultante gira a turbina. Em alguns casos, são necessários dispositivos e circuitos adicionais para purificar a água geotérmica e o vapor de compostos agressivos.

O vapor de exaustão entra no poço de injeção ou é usado para aquecimento de ambientes - neste caso, o princípio é o mesmo que durante a operação de um CHP.

Nos GeoPPs binários, a água termal quente interage com outro líquido que atua como um fluido de trabalho com ponto de ebulição mais baixo. Ambos os líquidos passam por um trocador de calor, onde a água termal evapora o líquido de trabalho, cujos vapores giram a turbina.

Este sistema é fechado, o que resolve o problema das emissões para a atmosfera. Além disso, fluidos de trabalho com ponto de ebulição relativamente baixo permitem o uso de águas termais não muito quentes como fonte primária de energia.

Todos os três esquemas usam uma fonte hidrotérmica, mas a energia petrotérmica também pode ser usada para gerar eletricidade.

O diagrama do circuito neste caso também é bastante simples. É necessário perfurar dois poços interligados - injeção e produção. A água é bombeada para o poço de injeção. Em profundidade, ele aquece, então água aquecida ou vapor formado como resultado de forte aquecimento é fornecido à superfície por meio de um poço de produção. Além disso, tudo depende de como a energia petrotérmica é usada - para aquecimento ou para produção de eletricidade. Um ciclo fechado é possível com o bombeamento do vapor de exaustão e da água de volta para o poço de injeção ou outro método de descarte.

A desvantagem de tal sistema é óbvia: para obter uma temperatura suficientemente alta do fluido de trabalho, é necessário perfurar poços em grande profundidade. E esse é um custo sério e o risco de perda significativa de calor quando o fluido sobe. Portanto, os sistemas petrotérmicos ainda são menos comuns do que os hidrotérmicos, embora o potencial de energia petrotérmica seja ordens de grandeza maior.

Atualmente, o líder na criação dos chamados sistemas de circulação petrotérmica (PCS) é a Austrália. Além disso, essa direção da energia geotérmica está se desenvolvendo ativamente nos EUA, Suíça, Grã-Bretanha e Japão.

Presente de Lorde Kelvin

A invenção da bomba de calor em 1852 pelo físico William Thompson (também conhecido como Lord Kelvin) deu à humanidade uma oportunidade real de usar o calor de baixo grau das camadas superiores do solo. O sistema de bomba de calor, ou multiplicador de calor como Thompson o chamou, é baseado no processo físico de transferência de calor de ambiente ao refrigerante. Na verdade, ele usa o mesmo princípio dos sistemas petrotérmicos. A diferença está na fonte de calor, a respeito da qual pode surgir uma questão terminológica: até que ponto uma bomba de calor pode ser considerada um sistema geotérmico? O fato é que nas camadas superiores, a profundidades de dezenas ou centenas de metros, as rochas e os fluidos nelas contidos são aquecidos não pelo calor profundo da terra, mas pelo sol. Assim, é o sol neste caso que é a fonte primária de calor, embora seja retirado, como nos sistemas geotérmicos, da terra.

O funcionamento de uma bomba de calor baseia-se no atraso do aquecimento e arrefecimento do solo em relação à atmosfera, pelo que se forma um gradiente de temperatura entre a superfície e as camadas mais profundas, que retêm o calor mesmo no inverno, semelhante ao como isso acontece nos reservatórios. O principal objetivo das bombas de calor é o aquecimento de ambientes. Na verdade, é uma “geladeira às avessas”. Tanto a bomba de calor quanto o refrigerador interagem com três componentes: o ambiente interno (no primeiro caso - uma sala aquecida, no segundo - uma câmara resfriada), o ambiente externo - uma fonte de energia e um refrigerante (refrigerante), que também é um refrigerante que fornece transferência de calor ou frio.

Uma substância com baixo ponto de ebulição atua como um refrigerante, o que lhe permite retirar calor de uma fonte que ainda tem relativamente temperatura baixa.

Na geladeira, o refrigerante líquido entra no evaporador por meio de uma borboleta (regulador de pressão), onde, devido a uma queda brusca de pressão, o líquido evapora. A evaporação é um processo endotérmico que requer que o calor seja absorvido do exterior. Como resultado, o calor é retirado das paredes internas do evaporador, o que proporciona um efeito de resfriamento na câmara do refrigerador. Do evaporador, o refrigerante é sugado para o compressor, onde retorna ao líquido estado de agregação. Este é o processo inverso, levando à liberação do calor extraído durante ambiente externo. Via de regra, ele é jogado na sala e a parede traseira da geladeira fica relativamente quente.

Uma bomba de calor funciona quase da mesma forma, com a diferença de que o calor é retirado do ambiente externo e entra pelo evaporador no ambiente interno- sistema de aquecimento ambiente.

Numa bomba de calor real, a água é aquecida, passando por um circuito externo assente no solo ou num reservatório, entrando depois no evaporador.

No evaporador, o calor é transferido para um circuito interno preenchido com um refrigerante de baixo ponto de ebulição, que, ao passar pelo evaporador, passa do estado líquido para o gasoso, levando calor.

Em seguida, o refrigerante gasoso entra no compressor, onde é comprimido para alta pressão e temperatura, e entra no condensador, onde ocorre a troca de calor entre o gás quente e o refrigerante do sistema de aquecimento.

O compressor requer energia elétrica para funcionar, porém, a taxa de transformação (a relação entre a energia consumida e a gerada) em sistemas modernos alto o suficiente para ser eficaz.

Atualmente, as bombas de calor são amplamente utilizadas para aquecimento de ambientes, principalmente em países economicamente desenvolvidos.

energia eco correta

A energia geotérmica é considerada ecologicamente correta, o que geralmente é verdade. Em primeiro lugar, utiliza um recurso renovável e praticamente inesgotável. A energia geotérmica não requer grandes áreas, ao contrário das grandes hidrelétricas ou parques eólicos, e não polui a atmosfera, ao contrário da energia de hidrocarbonetos. Em média, o GeoPP ocupa 400 m 2 em termos de 1 GW de eletricidade gerada. O mesmo valor para uma usina termelétrica a carvão, por exemplo, é de 3600 m2. Os benefícios ambientais do GeoPP também incluem baixo consumo de água - 20 litros água fresca por 1 kW, enquanto usinas termelétricas e usinas nucleares requerem cerca de 1000 litros. Observe que esses são os indicadores ambientais do GeoPP “médio”.

Mas negativo efeitos colaterais ainda existem. Entre eles, destacam-se o ruído, a poluição térmica da atmosfera e a poluição química da água e do solo, bem como a formação de resíduos sólidos.

A principal fonte de poluição química do meio ambiente é a própria água termal (com alta temperatura e mineralização), muitas vezes contendo grandes quantidades compostos tóxicos, em relação aos quais existe um problema de descarte de águas residuais e substâncias perigosas.

Os efeitos negativos da energia geotérmica podem ser rastreados em vários estágios, começando com a perfuração de poços. Aqui, surgem os mesmos perigos da perfuração de qualquer poço: destruição do solo e da cobertura vegetal, poluição do solo e das águas subterrâneas.

Na fase de operação do GeoPP, persistem os problemas de poluição ambiental. Fluidos térmicos - água e vapor - normalmente contêm dióxido de carbono (CO 2), sulfeto de enxofre (H 2 S), amônia (NH 3), metano (CH 4), sal de mesa(NaCl), boro (B), arsênico (As), mercúrio (Hg). Quando liberados no meio ambiente, tornam-se fontes de poluição. Além disso, um ambiente químico agressivo pode causar danos por corrosão às estruturas do GeoTPP.

Ao mesmo tempo, as emissões de poluentes nas GeoPPs são, em média, menores do que nas UTEs. Por exemplo, as emissões de dióxido de carbono por quilowatt-hora de eletricidade gerada são de até 380 g em GeoPPs, 1.042 g em usinas termelétricas a carvão, 906 g em óleo combustível e 453 g em usinas termelétricas a gás.

Surge a pergunta: o que fazer com as águas residuais? Com baixa salinidade, após o resfriamento, pode ser descartado em águas superficiais. A outra maneira é bombeá-lo de volta para o aqüífero por meio de um poço de injeção, que é a prática preferida e predominante atualmente.

A extração de água termal de aquíferos (assim como o bombeamento de água comum) pode causar subsidência e movimentos do solo, outras deformações de camadas geológicas e micro-terremotos. A probabilidade de tais fenômenos é geralmente baixa, embora casos individuais tenham sido registrados (por exemplo, no GeoPP em Staufen im Breisgau na Alemanha).

Deve-se enfatizar que a maioria das GeoPPs está localizada em áreas relativamente pouco povoadas e em países do terceiro mundo, onde os requisitos ambientais são menos rigorosos do que nos países desenvolvidos. Além disso, no momento o número de GeoPPs e suas capacidades são relativamente pequenos. Com um maior desenvolvimento da energia geotérmica riscos ambientais pode crescer e se multiplicar.

Quanto vale a energia da Terra?

Os custos de investimento para a construção de sistemas geotérmicos variam em uma faixa muito ampla - de 200 a 5.000 dólares por 1 kW de capacidade instalada, ou seja, o mais opções baratas comparável ao custo de construção de uma usina termelétrica. Dependem, antes de tudo, das condições de ocorrência das águas termais, de sua composição e do desenho do sistema. Perfurando grandes profundidades, criando um sistema fechado com dois poços, a necessidade de tratamento de água pode multiplicar o custo.

Por exemplo, os investimentos na criação de um sistema de circulação petrotérmica (PTS) são estimados em 1,6 a 4 mil dólares por 1 kW de capacidade instalada, o que excede os custos de construção de uma usina nuclear e é comparável aos custos de construção de energia eólica e usinas de energia solar.

A óbvia vantagem econômica do GeoTPP é um portador de energia livre. Para efeito de comparação, na estrutura de custos de uma usina termelétrica ou nuclear em operação, o combustível representa 50 a 80% ou até mais, dependendo dos preços atuais da energia. Daí, outra vantagem do sistema geotérmico: os custos operacionais são mais estáveis ​​e previsíveis, pois não dependem da conjuntura externa de preços de energia. Em geral, os custos operacionais do GeoTPP são estimados em 2 a 10 centavos (60 copeques a 3 rublos) por 1 kWh de capacidade gerada.

O segundo maior (e muito significativo) item de gasto depois do portador de energia é, via de regra, remuneração pessoal da fábrica, que pode variar drasticamente entre países e regiões.

Em média, o custo de 1 kWh de energia geotérmica é comparável ao das usinas termelétricas (nas condições russas - cerca de 1 rublo / 1 kWh) e dez vezes maior que o custo da geração de eletricidade em usinas hidrelétricas (5 a 10 copeques / 1 kWh ).

Parte do motivo do alto custo é que, ao contrário das usinas termelétricas e hidráulicas, a GeoTPP tem uma capacidade relativamente pequena. Além disso, é necessário comparar sistemas localizados na mesma região e em condições semelhantes. Assim, por exemplo, em Kamchatka, de acordo com especialistas, 1 kWh de eletricidade geotérmica custa 2 a 3 vezes mais barato do que a eletricidade produzida em usinas termelétricas locais.

Os indicadores de eficiência econômica do sistema geotérmico dependem, por exemplo, se é necessário descartar as águas residuais e de que forma isso é feito, se é possível o uso combinado do recurso. Assim, os elementos e compostos químicos extraídos da água termal podem proporcionar uma renda adicional. Lembre-se do exemplo de Larderello: era a produção química que era primária ali, e o uso da energia geotérmica era inicialmente de natureza auxiliar.

Forwards de energia geotérmica

A energia geotérmica está se desenvolvendo de maneira um pouco diferente da eólica e solar. Atualmente, depende muito da natureza do próprio recurso, que difere acentuadamente por região, e as maiores concentrações estão ligadas a zonas estreitas de anomalias geotérmicas, geralmente associadas a áreas de falhas tectônicas e vulcanismo.

Além disso, a energia geotérmica é menos abrangente tecnologicamente em comparação com o vento e ainda mais com a energia solar: os sistemas das estações geotérmicas são bastante simples.

Na estrutura geral da produção mundial de eletricidade, o componente geotérmico representa menos de 1%, mas em algumas regiões e países sua participação chega a 25–30%. Devido à ligação às condições geológicas, uma parte significativa das capacidades de energia geotérmica está concentrada em países do terceiro mundo, onde se distinguem três clusters maior desenvolvimento indústrias - as ilhas do Sudeste Asiático, América Central E este de África. As duas primeiras regiões fazem parte do "Cinturão de Fogo da Terra" do Pacífico, a terceira está ligada ao Rift da África Oriental. Com a maior probabilidade, a energia geotérmica continuará a se desenvolver nesses cinturões. Uma perspectiva mais distante é o desenvolvimento da energia petrotérmica, usando o calor das camadas da Terra situadas a vários quilômetros de profundidade. Este é um recurso quase onipresente, mas sua extração requer altos custos, por isso a energia petrotérmica está se desenvolvendo principalmente nos países mais poderosos econômica e tecnologicamente.

Em geral, dada a ubiquidade dos recursos geotérmicos e um nível aceitável de segurança ambiental, há razões para acreditar que a energia geotérmica tem boas perspectivas de desenvolvimento. Especialmente com a crescente ameaça de escassez de transportadores de energia tradicionais e aumento de preços para eles.

De Kamchatka ao Cáucaso

Na Rússia, o desenvolvimento da energia geotérmica tem uma história bastante longa e, em várias posições, estamos entre os líderes mundiais, embora no balanço energético geral país enorme a parcela de energia geotérmica ainda é insignificante.

Os pioneiros e centros para o desenvolvimento da energia geotérmica na Rússia foram duas regiões - Kamchatka e o norte do Cáucaso, e se no primeiro caso estamos falando principalmente sobre a indústria de energia elétrica, no segundo - sobre o uso de energia térmica de Água termal.

No norte do Cáucaso - no território de Krasnodar, Chechênia, Daguestão - o calor das águas termais para fins energéticos era utilizado antes mesmo do Grande guerra patriótica. Nas décadas de 1980 a 1990, o desenvolvimento da energia geotérmica na região, por razões óbvias, estagnou e ainda não se recuperou do estado de estagnação. No entanto, o abastecimento de água geotérmica no norte do Cáucaso fornece calor para cerca de 500 mil pessoas e, por exemplo, a cidade de Labinsk, no território de Krasnodar, com uma população de 60 mil pessoas, é totalmente aquecida por águas geotérmicas.

Em Kamchatka, a história da energia geotérmica está associada principalmente à construção do GeoPP. O primeiro deles, ainda operando as estações Pauzhetskaya e Paratunskaya, foi construído em 1965-1967, enquanto o Paratunskaya GeoPP com capacidade de 600 kW se tornou a primeira estação do mundo com um ciclo binário. Foi o desenvolvimento dos cientistas soviéticos S. S. Kutateladze e A. M. Rosenfeld do Instituto de Física Térmica da Seção Siberiana da Academia Russa de Ciências, que receberam em 1965 um certificado de direitos autorais para extrair eletricidade da água com uma temperatura de 70 ° C. Essa tecnologia posteriormente se tornou o protótipo de mais de 400 GeoPPs binários no mundo.

A capacidade do Pauzhetskaya GeoPP, comissionado em 1966, era inicialmente de 5 MW e posteriormente aumentada para 12 MW. Atualmente, a estação está em construção de um bloco binário, que aumentará sua capacidade em mais 2,5 MW.

O desenvolvimento da energia geotérmica na URSS e na Rússia foi prejudicado pela disponibilidade de fontes de energia tradicionais - petróleo, gás, carvão, mas nunca parou. As maiores instalações de energia geotérmica no momento são Verkhne-Mutnovskaya GeoPP com uma capacidade total de unidades de energia de 12 MW, comissionadas em 1999, e Mutnovskaya GeoPP com capacidade de 50 MW (2002).

Mutnovskaya e Verkhne-Mutnovskaya GeoPP - objetos únicos não apenas para a Rússia, mas também em escala global. As estações estão localizadas no sopé do vulcão Mutnovsky, a uma altitude de 800 metros acima do nível do mar, e operam em condições climáticas extremas, onde é inverno de 9 a 10 meses por ano. Os equipamentos dos GeoPPs Mutnovsky, atualmente um dos mais modernos do mundo, foram totalmente criados em empresas nacionais de engenharia de energia.

Atualmente, a participação das estações Mutnovsky na estrutura geral do consumo de energia do hub de energia Central Kamchatka é de 40%. Um aumento de capacidade está previsto para os próximos anos.

Separadamente, deve ser dito sobre os desenvolvimentos petrotérmicos russos. Ainda não temos grandes PDS, porém, existem tecnologias avançadas para perfuração em grandes profundidades (cerca de 10 km), que também não possuem análogos no mundo. Seu maior desenvolvimento permitirá reduzir drasticamente os custos de criação de sistemas petrotérmicos. Os desenvolvedores dessas tecnologias e projetos são N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Instituto Geológico da Academia Russa de Ciências), A. S. Nekrasov (Instituto de Previsão Econômica da Academia Russa de Ciências) e especialistas da Usina de Turbina Kaluga. Atualmente, o projeto do sistema de circulação petrotérmica na Rússia está em fase piloto.

Existem perspectivas de energia geotérmica na Rússia, embora sejam relativamente distantes: no momento, o potencial é bastante grande e a posição da energia tradicional é forte. Ao mesmo tempo, em várias regiões remotas do país, o uso da energia geotérmica é economicamente lucrativo e ainda está em demanda. São territórios com alto potencial geoenergético (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - a parte russa do Pacífico "Fire Belt of the Earth", montanhas Sul da Sibéria e o Cáucaso) e ao mesmo tempo distantes e isoladas do fornecimento centralizado de energia.

É provável que nas próximas décadas a energia geotérmica em nosso país se desenvolva precisamente nessas regiões.

energia geotérmica- esta é a energia do calor que é liberada das zonas internas da Terra ao longo de centenas de milhões de anos. De acordo com estudos geológicos e geofísicos, a temperatura no núcleo da Terra atinge 3.000-6.000 °C, diminuindo gradualmente na direção do centro do planeta para sua superfície. A erupção de milhares de vulcões, o movimento de blocos da crosta terrestre, terremotos testemunham a ação de um poderoso energia interna Terra. Os cientistas acreditam que o campo térmico do nosso planeta se deve ao decaimento radioativo em suas profundezas, bem como à separação gravitacional da matéria central.
As principais fontes de aquecimento das entranhas do planeta são urânio, tório e potássio radioativo. Os processos de decaimento radioativo nos continentes ocorrem principalmente na camada granítica da crosta terrestre a uma profundidade de 20 a 30 km ou mais, nos oceanos - no manto superior. Supõe-se que no fundo da crosta terrestre a uma profundidade de 10-15 km, o valor provável da temperatura nos continentes seja de 600-800 ° C e nos oceanos - 150-200 ° C.
Uma pessoa pode usar a energia geotérmica apenas onde ela se manifesta perto da superfície da Terra, ou seja, em áreas de atividade vulcânica e sísmica. Agora a energia geotérmica é efetivamente usada por países como EUA, Itália, Islândia, México, Japão, Nova Zelândia, Rússia, Filipinas, Hungria, El Salvador. Aqui, o calor interno da terra sobe até a superfície na forma de água quente e vapor com temperatura de até 300 ° C e muitas vezes irrompe na forma de calor de fontes jorrantes (gêiseres), por exemplo, os famosos gêiseres do Parque Yellowstone nos EUA, gêiseres de Kamchatka, Islândia.
Fontes de energia geotérmica dividido em vapor quente seco, vapor quente úmido e água quente. O poço, que é uma importante fonte de energia para a estrada de ferro na Itália (perto da cidade de Larderello), desde 1904 alimenta vapor quente seco. Dois outros lugares bem conhecidos no mundo com vapor quente e seco são o campo de Matsukawa no Japão e o campo de gêiseres perto de São Francisco, onde a energia geotérmica também é usada de forma eficaz há muito tempo. Acima de tudo, no mundo, o vapor quente úmido está localizado na Nova Zelândia (Wairakei), campos geotérmicos de potência ligeiramente menor - no México, Japão, El Salvador, Nicarágua, Rússia.
Assim, quatro tipos principais de recursos de energia geotérmica podem ser distinguidos:
calor da superfície da terra usado por bombas de calor;
recursos energéticos de vapor, água quente e morna perto da superfície da terra, que agora são usados ​​na produção energia elétrica;
calor concentrado bem abaixo da superfície da terra (talvez na ausência de água);
energia magmática e calor que se acumula sob os vulcões.

Ações calor geotérmico(~ 8 * 1030J) é 35 bilhões de vezes o consumo anual de energia global. Apenas 1% da energia geotérmica da crosta terrestre (10 km de profundidade) pode fornecer uma quantidade de energia 500 vezes maior do que todas as reservas mundiais de petróleo e gás. No entanto, hoje apenas uma pequena parte desses recursos pode ser utilizada, e isso se deve principalmente a razões econômicas. O início do desenvolvimento industrial de recursos geotérmicos (energia de águas quentes profundas e vapor) foi estabelecido em 1916, quando a primeira usina geotérmica com capacidade de 7,5 MW foi colocada em operação na Itália. Ao longo do tempo, uma experiência considerável foi acumulada no campo do desenvolvimento prático de recursos de energia geotérmica. A capacidade instalada total das usinas geotérmicas em operação (GeoTPP) foi: 1975 - 1.278 MW, em 1990 - 7.300 MW. Os Estados Unidos, as Filipinas, o México, a Itália e o Japão alcançaram o maior progresso nessa questão.
Os parâmetros técnicos e econômicos do GeoTPP variam em uma faixa bastante ampla e dependem das características geológicas da área (profundidade de ocorrência, parâmetros do fluido de trabalho, sua composição, etc.). Para a maioria das GeoTPPs comissionadas, o custo da eletricidade é semelhante ao custo da eletricidade produzida em UTEs a carvão e chega a 1200 ... 2000 dólares americanos / MW.
Na Islândia, 80% dos edifícios residenciais são aquecidos com água quente extraída de poços geotérmicos sob a cidade de Reykjavik. No oeste dos Estados Unidos, cerca de 180 casas e fazendas são aquecidas por água quente geotérmica. De acordo com especialistas, entre 1993 e 2000, a geração global de eletricidade a partir da energia geotérmica mais que dobrou. Existem tantas reservas de calor geotérmico nos Estados Unidos que teoricamente poderiam fornecer 30 vezes mais energia do que o estado consome atualmente.
No futuro, é possível aproveitar o calor do magma nas áreas onde ele está localizado próximo à superfície da Terra, bem como o calor seco das rochas cristalinas aquecidas. Neste último caso, os poços são perfurados por vários quilômetros, a água fria é bombeada e a água quente é devolvida.

O termo “energia geotérmica” vem das palavras gregas terra (geo) e térmica (térmica). Na verdade, energia geotérmica vem da própria terra. O calor do núcleo da Terra, cuja temperatura média é de 3600 graus Celsius, é irradiado para a superfície do planeta.

O aquecimento de nascentes e gêiseres subterrâneos a vários quilômetros de profundidade pode ser realizado por meio de poços especiais através dos quais a água quente (ou vapor dela) flui para a superfície, onde pode ser usada diretamente como calor ou indiretamente para gerar eletricidade ligando turbinas rotativas.

Como a água abaixo da superfície da Terra é constantemente reabastecida, e o núcleo da Terra continuará a gerar calor relativamente vida humana infinitamente, energia geotérmica, em em última análise limpo e renovável.

Métodos para coletar recursos energéticos da Terra

Hoje, existem três métodos principais para colher energia geotérmica: vapor seco, água quente e ciclo binário. O processo de vapor seco aciona diretamente os acionamentos das turbinas dos geradores de energia. A água quente entra de baixo para cima e depois é pulverizada no tanque para criar vapor para acionar as turbinas. Esses dois métodos são os mais comuns, gerando centenas de megawatts de eletricidade nos EUA, Islândia, Europa, Rússia e outros países. Mas a localização é limitada, pois essas usinas operam apenas em regiões tectônicas onde é mais fácil acessar água aquecida.

Com a tecnologia de ciclo binário, a água morna (não necessariamente quente) é extraída para a superfície e combinada com butano ou pentano, que tem um baixo ponto de ebulição. Esse líquido é bombeado por um trocador de calor, onde evapora e é enviado por uma turbina antes de ser recirculado de volta ao sistema. A tecnologia de ciclo binário fornece dezenas de megawatts de eletricidade nos EUA: Califórnia, Nevada e ilhas havaianas.

O princípio da obtenção de energia

Desvantagens de obter energia geotérmica

Em um nível de utilidade, as usinas geotérmicas são caras para construir e operar. Encontrar um local adequado requer levantamentos de poços caros, sem garantia de atingir um hotspot subterrâneo produtivo. No entanto, os analistas esperam que essa capacidade quase dobre nos próximos seis anos.

Além disso, áreas com alta temperatura de fonte subterrânea estão localizadas em áreas com vulcões geológicos e químicos ativos. Esses "pontos quentes" se formaram nos limites das placas tectônicas em locais onde a crosta é bastante fina. O Pacífico é frequentemente referido como o anel de fogo de muitos vulcões onde existem muitos pontos críticos, incluindo os do Alasca, Califórnia e Oregon. Nevada tem centenas de hotspots cobrindo maioria parte norte dos EUA.

Existem outras áreas sismicamente ativas. Os terremotos e o movimento do magma permitem que a água circule. Em alguns lugares, a água sobe à superfície e ocorrem fontes termais naturais e gêiseres, como em Kamchatka. A água nos gêiseres de Kamchatka chega a 95°C.

Um dos problemas com sistemas de gêiseres abertos é a liberação de certos poluentes atmosféricos. Sulfeto de hidrogênio - um gás tóxico com um odor muito reconhecível de "ovo podre" - pequenas quantidades de arsênico e minerais liberados com o vapor. O sal também pode representar um problema ambiental.

Em usinas geotérmicas offshore, uma quantidade significativa de sal interferente se acumula nas tubulações. Em sistemas fechados, não há emissões e todo o líquido trazido à superfície é devolvido.

Potencial econômico do recurso energético

Pontos sismicamente ativos não são os únicos lugares onde a energia geotérmica pode ser encontrada. Existe um fornecimento constante de calor utilizável para fins de aquecimento direto em profundidades de 4 metros a vários quilômetros abaixo da superfície, praticamente em qualquer lugar da Terra. Mesmo a terra em seu próprio quintal ou em escola local tem um potencial econômico na forma de calor a ser liberado na casa ou em outros edifícios.

Além disso, existe uma enorme quantidade de energia térmica em formações rochosas secas muito profundas abaixo da superfície (4 a 10 km).

Uso nova tecnologia pode expandir sistemas geotérmicos onde as pessoas podem usar esse calor para gerar eletricidade em uma escala muito maior do que a tecnologia convencional. Os primeiros projetos de demonstração desse princípio de geração de eletricidade são mostrados nos Estados Unidos e na Austrália já em 2013.

Se todo o potencial econômico dos recursos geotérmicos puder ser realizado, isso representará uma enorme fonte de eletricidade para a capacidade de produção. Os cientistas sugerem que as fontes geotérmicas convencionais têm um potencial de 38.000 MW, que podem produzir 380 milhões de MW de eletricidade por ano.

Rochas quentes e secas ocorrem em profundidades de 5 a 8 km em todo o subsolo e em profundidades mais rasas em certos lugares. O acesso a esses recursos envolve a introdução água fria circulando através de rochas quentes e drenando água aquecida. Atualmente, não há aplicação comercial dessa tecnologia. As tecnologias existentes ainda não permitem recuperar energia térmica diretamente do magma, muito profundo, mas este é o recurso mais poderoso da energia geotérmica.

Com a combinação de recursos energéticos e sua consistência, a energia geotérmica pode desempenhar um papel indispensável como um sistema energético mais limpo e sustentável.

Construções de usinas geotérmicas

A energia geotérmica é o calor limpo e sustentável da Terra. Ótimos recursos estão na faixa de vários quilômetros abaixo da superfície da terra, e ainda mais fundo, até a alta temperatura da rocha fundida, chamada magma. Mas, como descrito acima, as pessoas ainda não atingiram o magma.

Três projetos de usinas geotérmicas

A tecnologia de aplicação é determinada pelo recurso. Se a água vier do poço como vapor, pode ser usada diretamente. Se a água quente estiver alta o suficiente, ela deve passar pelo trocador de calor.

O primeiro poço para geração de energia foi perfurado antes de 1924. Mais poços profundos foram perfurados na década de 1950, mas o desenvolvimento real ocorre nas décadas de 1970 e 1980.

Uso direto do calor geotérmico

Fontes geotérmicas também podem ser usadas diretamente para fins de aquecimento. A água quente é usada para aquecer edifícios, cultivar plantas em estufas, secar peixes e plantações, melhorar a produção de petróleo, auxiliar processos industriais como pasteurizadores de leite e aquecer água em fazendas de peixes. Nos EUA, Klamath Falls, Oregon e Boise, Idaho usam água geotérmica para aquecer casas e edifícios há mais de um século. Na costa leste, a cidade de Warm Springs, na Virgínia, recebe calor diretamente da água da nascente usando fontes de calor em um dos resorts locais.

Na Islândia, praticamente todos os edifícios do país são aquecidos por água termal. Na verdade, a Islândia obtém mais de 50% de sua energia primária de fontes geotérmicas. Em Reykjavik, por exemplo (pop. 118.000), a água quente é transportada por 25 quilômetros ao longo de um transportador, e os moradores a usam para aquecimento e necessidades naturais.

A Nova Zelândia recebe 10% de sua eletricidade extra. é pouco desenvolvida, apesar da presença de águas termais.

Esta energia pertence a fontes alternativas. Hoje em dia, cada vez mais se mencionam as possibilidades de obtenção de recursos que o planeta nos oferece. Podemos dizer que vivemos na era da moda das energias renováveis. Muitas soluções técnicas, planos, teorias nesta área estão sendo criadas.

Está nas entranhas da terra e tem propriedades de renovação, ou seja, é infinito. Os recursos clássicos, segundo os cientistas, estão começando a acabar, o petróleo, o carvão, o gás vão acabar.

Usina geotérmica de Nesjavellir, Islândia

Portanto, pode-se preparar gradualmente para adotar novos métodos alternativos de produção de energia. Sob a crosta terrestre existe um núcleo poderoso. Sua temperatura varia de 3.000 a 6.000 graus. O movimento das placas litosféricas demonstra seu tremendo poder. Manifesta-se na forma de respingos vulcânicos de magma. Nas profundezas, ocorre o decaimento radioativo, às vezes provocando tais desastres naturais.

Normalmente o magma aquece a superfície sem ir além dela. É assim que os gêiseres ou piscinas quentes de água são obtidos. Desta forma, os processos físicos podem ser usados ​​para os propósitos certos para a humanidade.

Tipos de fontes de energia geotérmica

Geralmente é dividida em dois tipos: energia hidrotérmica e petrotérmica. O primeiro é formado por fontes quentes, e o segundo tipo é a diferença de temperatura na superfície e nas profundezas da terra. Para colocar em suas próprias palavras, uma nascente hidrotermal é composta de vapor e água quente, enquanto uma nascente petrotérmica está escondida no subsolo.

Mapa do potencial de desenvolvimento da energia geotérmica no mundo

Para a energia petrotérmica, é necessário perfurar dois poços, encher um com água, após o que ocorrerá um processo de subida, que virá à superfície. Existem três classes de áreas geotérmicas:

• Geotérmica - localizada próxima às placas continentais. Gradiente de temperatura acima de 80C/km. Como exemplo, a comuna italiana de Larderello. Existe uma usina
• Semi-térmico - temperatura 40 - 80 C / km. Estes são aquíferos naturais, constituídos por rochas britadas. Em alguns lugares da França, os edifícios são aquecidos dessa maneira.
• Normal - gradiente inferior a 40 C/km. A representação de tais áreas é mais comum

São uma excelente fonte de consumo. Eles estão na rocha, a uma certa profundidade. Vamos dar uma olhada mais de perto na classificação:

• Epitermal - temperatura de 50 a 90 s
• Mesotérmico - 100 - 120 s
• Hipotérmica - mais de 200 s

Estas espécies são compostas por composição química. Dependendo dela, a água pode ser utilizada para diversos fins. Por exemplo, na produção de eletricidade, fornecimento de calor (vias térmicas), base de matérias-primas.

Vídeo: Energia geotérmica

Processo de fornecimento de calor

A temperatura da água é de 50 a 60 graus, o que é ideal para aquecimento e aquecimento de uma área residencial. A necessidade de sistemas de aquecimento depende da localização geográfica e das condições climáticas. E as pessoas precisam constantemente das necessidades de abastecimento de água quente. Para este processo, estão sendo construídas GTS (estações geotérmicas térmicas).

Se para a produção clássica de energia térmica é utilizada uma caldeira que consome combustíveis sólidos ou gasosos, então com esta produção uma fonte de gêiser é usada. O processo técnico é muito simples, as mesmas comunicações, rotas termais e equipamentos. Basta perfurar um poço, limpá-lo dos gases, depois encaminhá-lo para a sala das caldeiras com bombas, onde será mantida a programação de temperatura, e então entrará na rede de aquecimento.

A principal diferença é que não há necessidade de usar uma caldeira de combustível. Isso reduz significativamente o custo da energia térmica. No inverno, os assinantes recebem aquecimento e abastecimento de água quente e, no verão, apenas abastecimento de água quente.

Geração de energia

Fontes termais, gêiseres são os principais componentes na produção de eletricidade. Para isso, vários esquemas são utilizados, usinas especiais estão sendo construídas. Dispositivo GTS:

• Tanque de AQS
• Bombear
• separador de gás
• separador de vapor
• turbina geradora
• Capacitor
• bomba de reforço
• Tanque - resfriador

Como você pode ver, o elemento principal do circuito é um conversor de vapor. Isso possibilita a obtenção de vapor purificado, pois contém ácidos que destroem os equipamentos da turbina. É possível utilizar um esquema misto no ciclo tecnológico, ou seja, água e vapor estão envolvidos no processo. O líquido passa por todo o estágio de purificação dos gases, assim como do vapor.

Circuito com fonte binária

O componente de trabalho é um líquido com baixo ponto de ebulição. A água termal também está envolvida na produção de eletricidade e serve como matéria-prima secundária.

Com sua ajuda, forma-se vapor de fonte de baixo ponto de ebulição. O GTS com esse ciclo de trabalho pode ser totalmente automatizado e não requer a presença de pessoal de manutenção. Estações mais poderosas usam um esquema de dois circuitos. Este tipo de usina permite atingir uma capacidade de 10 MW. Estrutura de circuito duplo:

• gerador de vapor
• Turbina
• Capacitor
• ejetor
• Bomba de alimentação
• Economizador
• Evaporador

Uso pratico

Enormes reservas de fontes são muitas vezes maiores que o consumo anual de energia. Mas apenas uma pequena fração é usada pela humanidade. A construção das estações remonta a 1916. Na Itália, foi criada a primeira GeoTPP com capacidade de 7,5 MW. A indústria está se desenvolvendo ativamente em países como: EUA, Islândia, Japão, Filipinas, Itália.

A exploração ativa de locais potenciais e métodos de extração mais convenientes estão em andamento. A capacidade de produção está crescendo de ano para ano. Se levarmos em consideração o indicador econômico, o custo de tal indústria é igual ao das usinas termelétricas a carvão. A Islândia cobre quase completamente o estoque comunitário e habitacional com uma fonte GT. 80% das casas usam água quente de poços para aquecimento. Especialistas dos EUA afirmam que, com o desenvolvimento adequado, as GeoTPPs podem produzir 30 vezes mais do que o consumo anual. Se falarmos sobre o potencial, então 39 países do mundo serão capazes de se abastecer totalmente de eletricidade se usarem 100% das entranhas da terra.