Doutor em Ciências Técnicas NO. Eu juro, professor,
Acadêmico da Academia Russa de Ciências Tecnológicas, Moscou

Nas últimas décadas, o mundo está considerando a direção de mais uso eficaz energia do calor profundo da Terra com o objetivo de substituição parcial de gás natural, petróleo, carvão. Isso se tornará possível não apenas em áreas com altos parâmetros geotérmicos, mas também em qualquer área. o Globo ao perfurar poços de injeção e produção e criar sistemas de circulação entre eles.

O aumento do interesse por fontes alternativas de energia no mundo nas últimas décadas é causado pelo esgotamento das reservas de hidrocarbonetos e pela necessidade de resolver uma série de problemas ambientais. Fatores objetivos (reservas de combustíveis fósseis e urânio, bem como mudanças no meio ambiente causadas pelo fogo tradicional e energia nuclear) permitem afirmar que a transição para novos métodos e formas de produção de energia é inevitável.

A economia mundial caminha atualmente para a transição para uma combinação racional de fontes de energia tradicionais e novas. O calor da Terra ocupa um dos primeiros lugares entre eles.

Os recursos energéticos geotérmicos são divididos em hidrogeológicos e petrogeotérmicos. Os primeiros são representados por refrigerantes (compõem apenas 1% do recursos comuns energia geotérmica) - águas subterrâneas, vapor e misturas vapor-água. A segunda é a energia geotérmica contida nas rochas quentes.

A tecnologia de fonte (self-spill) utilizada em nosso país e no exterior para a extração de vapor natural e águas geotérmicas é simples, mas ineficiente. Com uma baixa vazão de poços autofluxos, sua produção de calor pode recuperar o custo de perfuração apenas em profundidades rasas de reservatórios geotérmicos com altas temperaturas em áreas de anomalias térmicas. A vida útil desses poços em muitos países nem chega a 10 anos.

Ao mesmo tempo, a experiência confirma que na presença de coletores rasos de vapor natural, a construção de uma usina geotérmica é a opção mais lucrativa para o uso de energia geotérmica. A operação de tais GeoTPPs tem mostrado sua competitividade em comparação com outros tipos de usinas. Portanto, o uso de reservas de águas geotérmicas e hidrotermas a vapor em nosso país na Península de Kamchatka e nas ilhas da cadeia Curila, nas regiões do norte do Cáucaso e também possivelmente em outras áreas, é conveniente e oportuno. Mas os depósitos de vapor são uma raridade, suas reservas conhecidas e previstas são pequenas. Depósitos muito mais comuns de calor e água de energia nem sempre estão localizados perto o suficiente do consumidor - o objeto de fornecimento de calor. Isso exclui a possibilidade de uso efetivo em larga escala.

Muitas vezes, as questões de combate ao dimensionamento se transformam em um problema complexo. O uso de fontes geotérmicas, como regra, fontes mineralizadas como transportador de calor leva ao crescimento excessivo de zonas de poços com formações de óxido de ferro, carbonato de cálcio e silicato. Além disso, os problemas de erosão-corrosão e descamação afetam negativamente a operação do equipamento. O problema, também, é o descarte de efluentes mineralizados e contendo impurezas tóxicas. Portanto, a tecnologia de fonte mais simples não pode servir de base para o amplo desenvolvimento de recursos geotérmicos.

De acordo com estimativas preliminares no território Federação Russa As reservas previstas de águas termais com temperatura de 40-250 °C, salinidade de 35-200 g/le profundidade de até 3.000 m são de 21-22 milhões de m3/dia, o que equivale a queimar 30-40 milhões de toneladas de combustível equivalente. no ano.

As reservas previstas da mistura vapor-ar com temperatura de 150-250 °C na Península de Kamchatka e nas Ilhas Curilas são de 500 mil m3/dia. e reservas de águas termais com temperatura de 40-100 ° C - 150 mil m3 / dia.

As reservas de águas termais com caudal de cerca de 8 milhões de m3/dia, com salinidade até 10 g/le temperatura superior a 50 °C são consideradas prioritárias para o desenvolvimento.

De importância muito maior para a energia do futuro é a extração de energia térmica, recursos petrogeotérmicos praticamente inesgotáveis. Esta energia geotérmica, encerrada em rochas sólidas quentes, representa 99% do total de recursos de energia térmica subterrânea. A uma profundidade de até 4-6 km, maciços com temperatura de 300-400 °C podem ser encontrados apenas perto das câmaras intermediárias de alguns vulcões, mas rochas quentes com temperatura de 100-150 °C estão distribuídas em quase todos os lugares em essas profundidades, e com uma temperatura de 180-200 ° C em uma parte bastante significativa do território da Rússia.

Por bilhões de anos, processos nucleares, gravitacionais e outros dentro da Terra geraram e continuam a gerar energia térmica. Parte dele é irradiado para o espaço sideral e o calor é acumulado nas profundezas, ou seja, o conteúdo de calor das fases sólida, líquida e gasosa da matéria terrestre é chamado de energia geotérmica.

A geração contínua de calor intraterrestre compensa suas perdas externas, serve como fonte de acúmulo de energia geotérmica e determina a parte renovável de seus recursos. A remoção total de calor do interior para a superfície terrestre é três vezes maior do que a capacidade atual das usinas no mundo e é estimada em 30 TW.

No entanto, é claro que a renovabilidade só importa para recursos naturais limitados, e o potencial total da energia geotérmica é praticamente inesgotável, pois deve ser definido como a quantidade total de calor disponível para a Terra.

Não é por acaso que nas últimas décadas o mundo vem considerando a direção de um uso mais eficiente da energia do calor profundo da Terra para substituir parcialmente o gás natural, o petróleo e o carvão. Isso se tornará possível não apenas em áreas com altos parâmetros geotérmicos, mas também em qualquer área do globo ao perfurar poços de injeção e produção e criar sistemas de circulação entre eles.

Obviamente, com baixa condutividade térmica das rochas, para o funcionamento eficaz dos sistemas de circulação, é necessário ter ou criar uma superfície de troca de calor suficientemente desenvolvida na zona de extração de calor. Tal superfície é frequentemente encontrada em formações porosas e zonas de resistência natural à fratura, que são frequentemente encontradas nas profundidades acima, cuja permeabilidade permite organizar a filtração forçada do refrigerante com extração eficiente de energia da rocha, bem como a criação artificial de uma extensa superfície de troca de calor em maciços porosos de baixa permeabilidade por fraturamento hidráulico (ver figura).

Atualmente, o fraturamento hidráulico é utilizado na indústria de petróleo e gás como forma de aumentar a permeabilidade dos reservatórios para melhorar a recuperação de petróleo no desenvolvimento de campos de petróleo. Tecnologia moderna permite criar uma fenda estreita, mas longa, ou curta, mas larga. São conhecidos exemplos de fraturas hidráulicas com fraturas de até 2-3 km de comprimento.

A ideia doméstica de extrair os principais recursos geotérmicos contidos em rochas sólidas foi expressa já em 1914 por K.E. Obruchev.

Em 1963, foi criado em Paris o primeiro GCC para extrair calor de rochas de formação porosa para aquecimento e ar condicionado nas instalações do complexo Broadcasting Chaos. Em 1985, 64 GCCs já operavam na França com capacidade térmica total de 450 MW, com uma economia anual de aproximadamente 150.000 toneladas de óleo. No mesmo ano, o primeiro GCC foi criado na URSS no vale de Khankala, perto da cidade de Grozny.

Em 1977, de acordo com o projeto do Laboratório Nacional de Los Alamos dos EUA, começaram os testes de um GCC experimental com fraturamento hidráulico de um maciço quase impermeável no sítio de Fenton Hill, no estado do Novo México. A água doce fria injetada pelo poço (injeção) foi aquecida devido à troca de calor com um maciço rochoso (185 OC) em uma fratura vertical com área de 8000 m2, formada por fraturamento hidráulico a uma profundidade de 2,7 km. Em outro poço (produção), também atravessando essa fenda, a água superaquecida veio à superfície na forma de jato de vapor. Ao circular em um circuito fechado sob pressão, a temperatura da água superaquecida na superfície atingiu 160-180 ° C e a potência térmica do sistema - 4-5 MW. Vazamentos de refrigerante no maciço circundante totalizaram cerca de 1% do fluxo total. A concentração de impurezas mecânicas e químicas (até 0,2 g/l) correspondia às condições da água doce água potável. A fratura hidráulica não exigiu fixação e foi mantida aberta pela pressão hidrostática do fluido. A livre convecção que se desenvolve nele garantiu participação efetiva na troca de calor de quase toda a superfície do afloramento do maciço rochoso quente.

A extração de energia térmica subterrânea de rochas impermeáveis ​​quentes, com base nos métodos de perfuração inclinada e fraturamento hidráulico há muito dominados e praticados na indústria de petróleo e gás, não provocou atividade sísmica, nem qualquer outra efeitos nocivos no ambiente.

Em 1983, cientistas britânicos repetiram a experiência americana criando um GCC experimental com fraturamento hidráulico de granitos em Carnwell. Trabalho semelhante foi realizado na Alemanha, Suécia. Mais de 224 projetos de aquecimento geotérmico foram implementados nos EUA. Supõe-se, no entanto, que os recursos geotérmicos podem fornecer a maior parte das necessidades futuras de energia térmica não elétrica dos EUA. No Japão, a capacidade do GeoTPP em 2000 atingiu aproximadamente 50 GW.

Atualmente, a pesquisa e exploração de recursos geotérmicos é realizada em 65 países. No mundo, com base na energia geotérmica, foram criadas estações com capacidade total de cerca de 10 GW. As Nações Unidas estão apoiando ativamente o desenvolvimento da energia geotérmica.

A experiência acumulada em muitos países do mundo no uso de refrigerantes geotérmicos mostra que, em condições favoráveis, eles são 2 a 5 vezes mais rentáveis ​​do que as usinas térmicas e nucleares. Os cálculos mostram que um poço geotérmico pode substituir 158 mil toneladas de carvão por ano.

Assim, o calor da Terra é talvez o único grande recurso de energia renovável, cujo desenvolvimento racional promete reduzir o custo da energia em comparação com a energia dos combustíveis modernos. Com um potencial energético igualmente inesgotável, as instalações solares e termonucleares, infelizmente, serão mais caras do que as de combustível existentes.

Apesar da longa história do desenvolvimento do calor da Terra, hoje a tecnologia geotérmica ainda não atingiu seu alto desenvolvimento. O desenvolvimento da energia térmica da Terra passa por grandes dificuldades na construção de poços profundos, que são um canal para trazer o refrigerante à superfície. Devido à alta temperatura no fundo do poço (200-250 °C), as ferramentas tradicionais de corte de rochas são inadequadas para trabalhar em tais condições, existem requisitos especiais para a escolha de tubos de perfuração e revestimento, pastas de cimento, tecnologia de perfuração, revestimento de poço e conclusão. Equipamentos de medição domésticos, acessórios e equipamentos operacionais em série são produzidos em um design que permite temperaturas não superiores a 150-200 ° C. A perfuração mecânica profunda tradicional de poços às vezes é adiada por anos e requer custos financeiros significativos. Nos principais ativos de produção, o custo dos poços é de 70 a 90%. Este problema pode e deve ser resolvido apenas com a criação de uma tecnologia progressiva para o desenvolvimento da maior parte dos recursos geotérmicos, ou seja, extração de energia de rochas quentes.

Nosso grupo de cientistas e especialistas russos lida com o problema de extrair e usar a energia térmica profunda inesgotável e renovável das rochas quentes da Terra no território da Federação Russa há mais de um ano. O objetivo do trabalho é criar, com base em altas tecnologias domésticas, meios técnicos para penetração profunda nas entranhas da crosta terrestre. Atualmente, foram desenvolvidas diversas variantes de ferramentas de perfuração (BS), que não possuem análogos na prática mundial.

A operação da primeira versão do BS está vinculada à atual tecnologia convencional de perfuração de poços. Velocidade de perfuração de rocha dura (densidade média 2500-3300 kg/m3) até 30 m/h, diâmetro do furo 200-500 mm. A segunda variante do BS realiza a perfuração de poços de forma autônoma e automática. O lançamento é realizado a partir de uma plataforma especial de lançamento e aceitação, a partir da qual é controlado o seu movimento. Mil metros de BS em rochas duras poderão passar em poucas horas. Diâmetro do poço de 500 a 1000 mm. As variantes de BS reutilizáveis ​​têm uma ótima relação custo-benefício e um enorme valor potencial. A introdução do BS na produção abrirá novo palco na construção de poços e dar acesso às inesgotáveis ​​fontes de energia térmica da Terra.

Para as necessidades de fornecimento de calor, a profundidade necessária dos poços em todo o país está na faixa de até 3-4,5 mil metros e não excede 5-6 mil metros. A temperatura do transportador de calor para habitação e fornecimento de calor comunitário não não ultrapasse os 150 °C. Para instalações industriais, a temperatura, como regra, não excede 180-200 °C.

O objetivo da criação do GCC é fornecer calor constante, acessível e barato para regiões remotas, de difícil acesso e subdesenvolvidas da Federação Russa. A duração da operação do GCS é de 25 a 30 anos ou mais. O período de retorno das estações (levando em consideração as mais recentes tecnologias de perfuração) é de 3 a 4 anos.

A criação na Federação Russa nos próximos anos de capacidades adequadas para o uso de energia geotérmica para necessidades não elétricas substituirá cerca de 600 milhões de toneladas de combustível equivalente. A economia pode chegar a 2 trilhões de rublos.

Até 2030, torna-se possível criar capacidades de energia substituir a energia do fogo em até 30% e, até 2040, eliminar quase completamente as matérias-primas orgânicas como combustível do balanço energético da Federação Russa.

Literatura

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As principais fontes de energia térmica da Terra são [ , ]:

• diferenciação gravitacional de calor;
• calor radiogênico;
• calor de atrito de maré;
• calor de acreção;
• calor de atrito liberado devido à rotação diferencial do núcleo interno em relação ao núcleo externo, o núcleo externo em relação ao manto e camadas individuais dentro do núcleo externo.

Até o momento, apenas as quatro primeiras fontes foram quantificadas. Em nosso país, o principal mérito nisso pertence a O.G. Sorokhtin e S.A. Ushakov. Os dados a seguir são baseados principalmente nos cálculos desses cientistas.

Calor da diferenciação gravitacional da Terra

Uma das regularidades mais importantes no desenvolvimento da Terra é diferenciação sua substância, que continua no presente. Essa diferenciação resultou na formação núcleo e crosta, mudança na composição do primário vestes, enquanto a separação de uma substância inicialmente homogênea em frações de diferentes densidades é acompanhada pela liberação energia térmica, e a liberação máxima de calor ocorre quando a matéria terrestre é dividida em núcleo denso e pesado e residual isqueiro concha de silicato manto de terra. Atualmente, a maior parte desse calor é gerado na fronteira manto - núcleo.

Energias de Diferenciação Gravitacional da Terra durante todo o tempo de sua existência se destacou - 1,46 * 10 38 erg (1,46 * 10 31 J). Dada energia na maior parte, primeiro vai para energia cinética correntes convectivas da substância do manto, e então em caloroso; outra parte é gasta em despesas adicionais compressão do interior da terra, surgindo devido à concentração de fases densas na parte central da Terra. A partir de 1,46*10 38 erg energia da diferenciação gravitacional da Terra foi para sua compressão adicional 0,23*10 38 erg (0,23*10 31J), e na forma de calor liberado 1,23*10 38 erg (1,23*10 31J). A magnitude deste componente térmico excede significativamente a liberação total na Terra de todos os outros tipos de energia. A distribuição temporal do valor total e da taxa de liberação do componente térmico da energia gravitacional é mostrada na Fig. 3.6 .

Arroz. 3.6.

O nível atual de geração de calor durante a diferenciação gravitacional da Terra - 3*10 20 erg/s (3*10 13W), que depende do valor do fluxo de calor moderno que passa pela superfície do planeta em ( 4,2-4,3) * 10 20 erg/s ((4,2-4,3)*10 13W), é ~ 70% .

calor radiogênico

Causada pelo decaimento radioativo de instáveis isótopos. O mais intensivo em energia e de longa duração ( com meia vida proporcional à idade da Terra) são isótopos 238 U, 235 U, 232º e 40K. A maioria está concentrada em crosta continental. Nível moderno de geração calor radiogênico:

• pelo geofísico americano V. Vakye - 1,14*10 20 erg/s (1,14*10 13W) ,
• de acordo com geofísicos russos O.G. Sorokhtin e S.A. Ushakov - 1,26*10 20 erg/s(1,26*10 13 W) .

Do valor do fluxo de calor moderno, isso é ~ 27-30%.

Do calor total de decaimento radioativo em 1,26*10 20 erg/s (1,26*10 13 W) na crosta terrestre se destaca - 0,91*10 20 erg/s, e no manto - 0,35*10 20 erg/s. Segue-se que a proporção de calor radiogênico do manto não excede 10% da perda total de calor moderna da Terra, e não pode ser a principal fonte de energia para processos tectono-magmáticos ativos, cuja profundidade pode chegar a 2900 km ; e o calor radiogênico liberado na crosta se perde com relativa rapidez pela superfície terrestre e praticamente não participa do aquecimento do interior profundo do planeta.

Em épocas geológicas passadas, a quantidade de calor radiogênico liberado no manto deve ter sido maior. Suas estimativas no momento da formação da Terra ( 4,6 bilhões de anos atrás) dar - 6,95*10 20 erg/s. Desde então, tem havido uma diminuição constante na taxa de liberação de energia radiogênica (Fig. 3.7 ).

Por todo o tempo na Terra se destacou ~4,27*10 37 erg(4,27*10 30J) a energia térmica de decaimento radioativo, que é quase três vezes menor que o valor total do calor de diferenciação gravitacional.

Calor de atrito de maré

Ele se destaca durante a interação gravitacional da Terra, principalmente com a Lua, como o grande corpo cósmico mais próximo. Devido à atração gravitacional mútua, ocorrem deformações de maré em seus corpos - inchaço ou corcovas. As corcovas de maré dos planetas, por sua atração adicional, influenciam seu movimento. Assim, a atração de ambas as corcovas da Terra cria um par de forças atuando tanto na própria Terra quanto na Lua. No entanto, a influência do inchaço próximo, voltado para a lua, é um pouco mais forte do que a do distante. Devido ao fato de que a velocidade angular de rotação da Terra moderna ( 7,27*10 -5 s -1) excede a velocidade orbital da Lua ( 2,66*10 -6 s -1), e a substância dos planetas não é idealmente elástica, então as corcovas da Terra são, por assim dizer, levadas por sua rotação para frente e estão visivelmente à frente do movimento da Lua. Isso leva ao fato de que as marés máximas da Terra sempre ocorrem em sua superfície um pouco mais tarde do que o momento clímax Lua, e um momento adicional de forças atua sobre a Terra e a Lua (Fig. 3.8 ) .

Os valores absolutos das forças de interação de maré no sistema Terra-Lua são agora relativamente pequenos e as deformações de maré da litosfera causadas por eles podem atingir apenas algumas dezenas de centímetros, mas levam a uma desaceleração gradual da Terra. rotação e, inversamente, à aceleração do movimento orbital da Lua e seu afastamento da Terra. A energia cinética do movimento das corcovas de maré da Terra é convertida em energia térmica devido ao atrito interno da matéria nas corcovas de maré.

Atualmente, a taxa de liberação de energia das marés por G. McDonaldé ~0,25*10 20 erg/s (0,25*10 13W), enquanto sua parte principal (cerca de 2/3) é presumivelmente dissipa(disperso) na hidrosfera. Consequentemente, a fração da energia das marés causada pela interação da Terra com a Lua e dissipada na Terra sólida (principalmente na astenosfera) não excede 2 % energia térmica total gerada em suas profundidades; uma partilha marés solares Menor que 20 % da influência das marés lunares. Portanto, as marés sólidas agora praticamente não desempenham nenhum papel na alimentação de processos tectônicos com energia, mas em alguns casos podem atuar como " gatilhos, como terremotos.

A magnitude da energia das marés está diretamente relacionada à distância entre os objetos espaciais. E se a distância entre a Terra e o Sol não assume nenhuma mudança significativa na escala de tempo geológica, então no sistema Terra-Lua esse parâmetro é uma variável. Independentemente das idéias sobre, quase todos os pesquisadores admitem que nos estágios iniciais do desenvolvimento da Terra, a distância da Lua era significativamente menor que a moderna, enquanto no processo de desenvolvimento planetário, segundo a maioria dos cientistas, aumenta gradualmente , e de acordo com Yu.N. Avsyuku essa distância sofre mudanças de longo prazo na forma de ciclos "chegada - partida" da lua. Isso implica que em épocas geológicas passadas o papel do calor das marés no balanço global de calor da Terra era mais significativo. Em geral, durante todo o tempo de desenvolvimento da Terra, destacou-se ~3,3*10 37 erg (3,3*10 30 J) energia térmica das marés (esta sujeita à sucessiva remoção da Lua da Terra). A mudança no tempo da taxa de liberação desse calor é mostrada na Fig. 3.10 .

Mais da metade da energia total das marés foi liberada em catarche (hellea)) - 4,6-4,0 bilhões de anos atrás, e naquela época, apenas devido a essa energia, a Terra poderia aquecer adicionalmente ~ 500 0 С. processos endógenos de uso intensivo de energia .

calor de acreção

Este é o calor armazenado pela Terra desde a sua formação. No processo acréscimos, que durou várias dezenas de milhões de anos, devido à colisão planetesimais A Terra experimentou um aquecimento significativo. Ao mesmo tempo, não há consenso sobre a magnitude desse aquecimento. Atualmente, os pesquisadores estão inclinados a acreditar que, no processo de acreção, a Terra experimentou, se não completa, então uma fusão parcial significativa, o que levou à diferenciação inicial da Proto-Terra em um núcleo de ferro pesado e um manto de silicato leve, e para a formação "oceano de magma" em sua superfície ou em profundidades rasas. Embora, mesmo antes da década de 1990, o modelo de uma Terra primária relativamente fria fosse considerado praticamente universalmente reconhecido, que aqueceu gradualmente devido aos processos acima, acompanhados pela liberação de uma quantidade significativa de energia térmica.

Uma estimativa precisa do calor acrecionário primário e sua parcela que sobreviveu até o presente está associada a dificuldades significativas. Por O.G. Sorokhtin e S.A. Ushakov, que são defensores de uma Terra primária relativamente fria, o valor da energia de acreção convertida em calor é - 20,13*10 38 erg (20,13*10 31J). Esta energia na ausência de perda de calor seria suficiente para evaporação completa matéria terrestre, porque temperatura pode subir para 30 000 0 С. Mas o processo de acreção foi relativamente longo, e a energia dos impactos planetesimais foi liberada apenas nas camadas próximas à superfície da Terra em crescimento e foi rapidamente perdida com a radiação térmica, de modo que o aquecimento inicial do planeta não foi grande. A magnitude desta radiação térmica, que vai em paralelo com a formação (acreção) da Terra, é estimada pelos autores indicados como 19,4*10 38 erg (19,4*10 31J) .

No balanço energético moderno da Terra, o calor de acreção provavelmente desempenha um papel insignificante.

O calor da terra. Possíveis fontes de calor interno

Geotermia- ciência que estuda o campo térmico da Terra. A temperatura média da superfície da Terra tem uma tendência geral a diminuir. Três bilhões de anos atrás, a temperatura média na superfície da Terra era de 71 o, agora é de 17 o. Fontes de calor (térmicas ) Os campos da Terra são processos internos e externos. O calor da Terra é causado pela radiação solar e tem origem nas entranhas do planeta. Os valores de influxo de calor de ambas as fontes são quantitativamente extremamente diferentes e seus papéis na vida do planeta são diferentes. O aquecimento solar da Terra é 99,5% do total de calor recebido por sua superfície, e o aquecimento interno responde por 0,5%. Além disso, o influxo de calor interno é distribuído de forma muito desigual na Terra e se concentra principalmente em locais de manifestação de vulcanismo.

A fonte externa é a radiação solar . Metade da energia solar é absorvida pela superfície, vegetação e camada próxima à superfície da crosta terrestre. A outra metade é refletida no espaço do mundo. Radiação solar mantém a temperatura da superfície da Terra em uma média de cerca de 0 0 C. O sol aquece a camada próxima à superfície da Terra a uma profundidade média de 8 - 30 m, com uma profundidade média de 25 m, o efeito do calor solar cessa e a temperatura se torna constante (camada neutra). Esta profundidade é mínima em áreas com clima marítimo e máxima na região subpolar. Abaixo deste limite existe um cinturão de temperatura constante correspondente à temperatura média anual da área. Assim, por exemplo, em Moscou, no território agrícola. Academia. Timiryazev, a uma profundidade de 20 m, a temperatura permaneceu invariavelmente igual a 4,2 o C desde 1882. Em Paris, a uma profundidade de 28 m, o termômetro mostrou consistentemente 11,83 o C por mais de 100 anos. temperatura constante é a mais profunda onde perene ( permafrost. Abaixo do cinturão de temperatura constante está a zona geotérmica, caracterizada pelo calor gerado pela própria Terra.

As fontes internas são as entranhas da Terra. A terra irradia para o espaço mais calor do que recebe do sol. As fontes internas incluem o calor residual do momento em que o planeta foi derretido, o calor das reações termonucleares que ocorrem nas entranhas da Terra, o calor da compressão gravitacional da Terra sob a ação da gravidade, o calor das reações químicas e processos de cristalização , etc. (por exemplo, atrito de maré). O calor das entranhas vem principalmente das zonas móveis. Um aumento da temperatura com a profundidade está associado à existência de fontes internas de calor - o decaimento de isótopos radioativos - U, Th, K, diferenciação gravitacional da matéria, atrito de maré, reações químicas redox exotérmicas, metamorfismo e transições de fase. A taxa de aumento da temperatura com a profundidade é determinada por vários fatores - condutividade térmica, permeabilidade das rochas, proximidade de câmaras vulcânicas, etc.

Abaixo da faixa de temperaturas constantes há um aumento de temperatura, em média 1 o por 33 m ( estágio geotérmico) ou 3 o a cada 100 m ( gradiente geotérmico). Esses valores são indicadores do campo térmico da Terra. É claro que esses valores são médios e diferentes em magnitude em diferentes áreas ou zonas da Terra. A etapa geotérmica é diferente em diferentes pontos da Terra. Por exemplo, em Moscou - 38,4 m, em Leningrado - 19,6, em Arkhangelsk - 10. Então, ao perfurar poço profundo no Península de Kola a uma profundidade de 12 km, foi assumida uma temperatura de 150 °, na realidade acabou sendo cerca de 220 graus. Ao perfurar poços no norte do Cáspio a uma profundidade de 3.000 m, a temperatura foi assumida em 150 graus, mas acabou sendo 108 graus.

Deve-se notar que características climáticas terreno e a temperatura média anual não afetam a variação do valor do degrau geotérmico, as razões são as seguintes:

1) nas diferentes condutividades térmicas das rochas que compõem uma determinada área. Sob a medida de condutividade térmica entende-se a quantidade de calor em calorias transferidas em 1 segundo. Através de uma seção de 1 cm 2 com gradiente de temperatura de 1 o C;

2) na radioatividade das rochas, quanto maior a condutividade térmica e radioatividade, menor o degrau geotérmico;

3) em diferentes condições de ocorrência das rochas e a idade de sua ocorrência; as observações mostraram que a temperatura aumenta mais rapidamente nas camadas coletadas em dobras, muitas vezes apresentam violações (rachaduras), através das quais é facilitado o acesso do calor das profundezas;

4) a natureza das águas subterrâneas: as águas subterrâneas quentes correm rochas quentes, as frias esfriam;

5) afastamento do oceano: próximo ao oceano devido ao resfriamento das rochas por uma massa de água, o passo geotérmico é maior e no contato é menor.

Conhecer o valor específico da etapa geotérmica é de grande importância prática.

1. Isso é importante ao projetar minas. Em alguns casos, será necessário tomar medidas para diminuir artificialmente a temperatura em trabalhos profundos (temperatura - 50 ° C é o limite para uma pessoa em ar seco e 40 ° C em ar úmido); em outros, será possível trabalhar em grande profundidade.

2. A avaliação das condições de temperatura durante a abertura de túneis em áreas montanhosas é de grande importância.

3. O estudo das condições geotérmicas do interior da Terra permite a utilização de vapor e fontes termais emergentes na superfície terrestre. O calor subterrâneo é usado, por exemplo, na Itália, Islândia; na Rússia, uma usina industrial experimental foi construída com calor natural em Kamchatka.

Usando dados sobre o tamanho da etapa geotérmica, podemos fazer algumas suposições sobre condições de temperatura zonas profundas da terra. Se tomarmos o valor médio da etapa geotérmica como 33 m e assumirmos que o aumento da temperatura com a profundidade ocorre de maneira uniforme, a uma profundidade de 100 km haverá uma temperatura de 3000 ° C. Essa temperatura excede os pontos de fusão de todos substâncias conhecidas na Terra, portanto, nesta profundidade deve haver massas fundidas. Mas devido à enorme pressão de 31.000 atm. As massas superaquecidas não possuem as características dos líquidos, mas são dotadas das características de um corpo sólido.

Com a profundidade, o degrau geotérmico aparentemente deve aumentar significativamente. Se assumirmos que o passo não muda com a profundidade, a temperatura no centro da Terra deve ser de cerca de 200.000 graus e, de acordo com os cálculos, não pode exceder 5.000 a 10.000 graus.

No nosso país, rico em hidrocarbonetos, a energia geotérmica é uma espécie de recurso exótico que, na situação atual, dificilmente concorrerá com o petróleo e o gás. No entanto, essa forma alternativa de energia pode ser usada em quase todos os lugares e com bastante eficiência.

energia geotérmicaé o calor do interior da Terra. É produzido nas profundezas e chega à superfície da Terra em diferentes formas e com diferentes intensidades.

A temperatura das camadas superiores do solo depende principalmente de fatores externos (exógenos) - luz 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 em uma caverna bastante profunda.

Quando a temperatura média anual do ar em uma determinada área está abaixo de zero, isso se manifesta como permafrost (mais precisamente, permafrost). NO Leste da Sibéria A espessura, ou seja, a espessura, dos solos congelados durante todo o ano atinge 200-300 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 com profundidade.

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

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 todos metro quadrado a superfície da Terra é de cerca de 4.000 kWh por ano, ou seja, 10.000 vezes mais (claro, isso é em média, com uma grande dispersão entre as 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 - lugares onde o fluxo de calor é alto. São, em primeiro lugar, zonas de falhas tectónicas, aumento da actividade sísmica e vulcanismo, onde a energia do interior da Terra encontra uma saída. Tais 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 poderoso 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 que são mais favoráveis ​​para o desenvolvimento da energia geotérmica. No território da Rússia, 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, pois o aumento da temperatura com a profundidade é um fenômeno onipresente, e a tarefa é “extrair” calor das entranhas, assim como as matérias-primas minerais são extraídas de lá.

Em média, a temperatura aumenta com a profundidade de 2,5 a 3°C a cada 100 m. A razão entre a diferença de temperatura entre dois pontos situados em diferentes profundidades e a diferença de profundidade entre eles é chamada de gradiente geotérmico.

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

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

NO 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 o quadro seja muito mais complicado do que o aumento linear da temperatura.

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

Outro exemplo é um poço colocado 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 superfície da Terra. núcleo (profundidades de mais de 6000 km) - 4000–5000° C.

Em profundidades de até 10–12 km, a temperatura é medida através de poços perfurados; onde eles não existem, é determinado por sinais indiretos da mesma forma que em maiores profundidades. 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, os 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 a 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". Em regra, significam águas subterrâneas quentes em estado líquido ou na forma de vapor, incluindo aquelas que chegam à superfície da Terra com uma temperatura superior a 20 ° C, ou seja, em regra, superior à temperatura do ar.

O calor das águas subterrâneas, vapor, misturas de água e vapor é energia hidrotérmica. Assim, a energia baseada em seu uso é chamada de hidrotermal.

A situação é mais complicada com a produção de calor diretamente de rochas secas - energia petrotérmica, especialmente porque temperaturas suficientemente altas, como 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, o calor e a eletricidade são atualmente usados em geraláguas termais.

Temperaturas da água de 20-30 a 100°C são adequadas para aquecimento, temperaturas de 150°C e acima - e para a 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 as necessidades energéticas do país. Na prática, no momento, na maior parte de seu território, isso não é viável por questões técnicas e econômicas.

No mundo, o uso da energia geotérmica é mais frequentemente associado à Islândia - um país localizado no extremo norte da Dorsal Meso-Atlântica, 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 essa especificidade geológica que a Islândia possui enormes reservas de energia geotérmica, incluindo fontes termais que chegam à superfície da Terra e até jorram na forma de gêiseres.

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

A "domesticação" da energia geotérmica no século 20 ajudou a Islândia significativamente economicamente. Até meados do século passado, era um país muito pobre, agora ocupa o primeiro lugar no mundo em termos de capacidade instalada e produção de energia geotérmica per capita, e está entre os dez primeiros em termos de 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 limpas energia: a necessidade é geralmente pequena.

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

O uso da energia geotérmica tem uma longa história. Um dos primeiros exemplos conhecidos é a Itália, um lugar na província da Toscana, agora chamado Larderello, onde, já no início do século XIX, as águas termais quentes locais, fluindo naturalmente ou extraídas de poços rasos, eram usadas para energia propósitos.

A 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 como combustível das florestas próximas, mas em 1827 Francesco Larderel criou um sistema que funcionava com o calor das próprias águas. Ao mesmo tempo, a energia do vapor de água natural começou a ser utilizada para o funcionamento das sondas de perfuração e, no início do século XX, para o aquecimento de casas e estufas locais. No mesmo local, em Larderello, em 1904, o vapor de água termal tornou-se uma 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 hidrotermal apareceu na Califórnia no início da década de 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 eletricidade requer uma temperatura da fonte de água mais alta do que o aquecimento, acima 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.

Em usinas termelétricas, como regra, carvão, gás ou óleo combustível atuam como fonte primária de energia e o vapor de água serve como fluido de trabalho. O combustível, queimando, aquece a água a um estado de vapor, que gira a 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, usando vapor seco (geotérmico); indireta, à base de 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 passa diretamente pela turbina. O primeiro GeoPP do mundo em Larderello em 1904 também operava a 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 ambiente - 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 fluido de trabalho com um ponto de ebulição mais baixo. Ambos os líquidos passam por um trocador de calor, onde a água térmica 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, os fluidos de trabalho com um ponto de ebulição relativamente baixo possibilitam 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 de 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 e, em seguida, a água aquecida ou o vapor formado como resultado do forte aquecimento é fornecido à superfície através de um poço de produção. Além disso, tudo depende de como a energia petrotérmica é usada - para aquecimento ou para a produção de eletricidade. Um ciclo fechado é possível com o bombeamento de vapor de exaustão e água de volta ao 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 a uma grande profundidade. E este 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 hidrotermais, embora o potencial da energia petrotérmica seja de ordem de magnitude maior.

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

Presente de Lord Kelvin

A invenção da bomba de calor em 1852 pelo físico William Thompson (também conhecido como Lord Kelvin) proporcionou 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 do ambiente para o refrigerante. Na verdade, ele usa o mesmo princípio dos sistemas petrotérmicos. A diferença está na fonte de calor, em relação à 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 no 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 calor mesmo no inverno, semelhante ao como isso acontece nos reservatórios. O principal objetivo das bombas de calor é o aquecimento do ambiente. Na verdade, é uma “geladeira ao contrário”. 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 refrigerada), o ambiente externo - uma fonte de energia e um refrigerante (refrigerante), que é também um refrigerante que fornece transferência de calor ou frio.

Uma substância com baixo ponto de ebulição atua como um refrigerante, o que permite que ela receba calor de uma fonte que tenha uma temperatura relativamente baixa.

No refrigerador, o refrigerante líquido entra no evaporador através de um acelerador (regulador de pressão), onde, devido a uma queda acentuada na 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. Além do evaporador, o refrigerante é sugado para dentro do compressor, onde retorna ao estado líquido de agregação. Este é o processo inverso, levando à liberação do calor captado para o ambiente externo. Como regra, ele é jogado na sala e a parede traseira da geladeira é relativamente quente.

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

Em uma bomba de calor real, a água é aquecida, passando por um circuito externo colocado no solo ou em um reservatório, e depois entra no evaporador.

No evaporador, o calor é transferido para um circuito interno preenchido com um refrigerante de baixo ponto de ebulição, que, passando pelo evaporador, passa do estado líquido para o gasoso, recebendo 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 necessita de energia elétrica para funcionar, porém, a relação de transformação (relação de energia consumida e produzida) em sistemas modernos é alta o suficiente para garantir sua eficiência.

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 m 2. Os benefícios ambientais do GeoPP também incluem baixo consumo de água - 20 litros água fresca por 1 kW, enquanto as centrais térmicas e as centrais nucleares requerem cerca de 1000 litros. Observe que esses são os indicadores ambientais do GeoPP "médio".

Mas ainda há efeitos colaterais negativos. Entre eles, o ruído é mais frequentemente distinguido, poluição térmica atmosfera e química - água e 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 salinidade), que muitas vezes contém grandes quantidades de compostos tóxicos e, portanto, há um problema de descarte de águas residuais e substâncias perigosas.

Os efeitos negativos da energia geotérmica podem ser rastreados em várias etapas, 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, os problemas de poluição ambiental persistem. 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 comum (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 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 descarregado em águas superficiais. A outra maneira é bombeá-lo de volta ao aquífero através de um poço de injeção, que é a prática preferida e predominante no momento.

A extração de água termal de aquíferos (bem como o bombeamento de água comum) pode causar subsidência e movimentos do solo, outras deformações de camadas geológicas e micro-sismos. 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 dos GeoPPs está localizada em áreas relativamente pouco povoadas e em países do terceiro mundo, onde as exigências ambientais são menos rigorosas do que em países desenvolvidos. Além disso, no momento o número de GeoPPs e suas capacidades são relativamente pequenos. Com um maior desenvolvimento da energia geotérmica, os riscos ambientais podem aumentar e se multiplicar.

Quanto é a energia da Terra?

Os custos de investimento para a construção de sistemas geotérmicos variam muito. ampla variedade- de 200 a 5.000 dólares por 1 kW de capacidade instalada, ou seja, as opções mais baratas são comparáveis ​​ao custo de construção de uma usina termelétrica. Dependem, em primeiro lugar, das condições de ocorrência das águas termais, da sua composição e do desenho do sistema. Perfurando a 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 supera os custos de construção de uma usina nuclear e é comparável aos custos de construção eólica e usinas de energia solar.

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

O segundo maior (e muito significativo) item de despesa depois do transportador de energia é, em 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 de usinas termelétricas (em condições russas - cerca de 1 rublo / 1 kWh) e dez vezes maior que o custo de geração de eletricidade em usinas hidrelétricas (5 a 10 copeques / 1 kWh).

Parte do motivo do alto custo é que, diferentemente das usinas termelétricas e hidráulicas, o 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 2-3 vezes mais barato que a eletricidade produzida em usinas térmicas locais.

Os indicadores de eficiência econômica do sistema geotérmico dependem, por exemplo, da necessidade de disposição das águas residuais e de que formas isso é feito, se o uso combinado do recurso é possível. Então, elementos químicos e compostos extraídos da água termal podem proporcionar 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.

Energia geotérmica para a frente

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 muito por região, e as maiores concentrações estão ligadas a estreitas zonas de anomalias geotérmicas, geralmente associadas a áreas de falhas tectônicas e vulcanismo.

Além disso, a energia geotérmica é tecnologicamente menos abrangente em comparação com a eólica e ainda mais com a energia solar: os sistemas de 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 vinculação às condições geológicas, uma parte significativa da capacidade de energia geotérmica está concentrada em países do terceiro mundo, onde existem três clusters de maior desenvolvimento do setor - 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 exige altos custos, de modo que a energia petrotérmica está se desenvolvendo principalmente nos países mais poderosos econômica e tecnologicamente.

Em geral, dada a onipresença 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 a participação da energia geotérmica no balanço energético geral de um país enorme ainda seja insignificante.

Duas regiões, Kamchatka e Norte do Cáucaso, e se no primeiro caso estamos falando principalmente sobre o setor 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 era usado para fins energéticos mesmo antes da Grande Guerra Patriótica. Nos anos 1980-1990, 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 completamente aquecida pelas 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 tornou-se 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 do Ramo Siberiano da Academia Russa de Ciências, que receberam em 1965 um certificado de direitos autorais para extrair eletricidade da água com temperatura de 70 ° C. Essa tecnologia posteriormente se tornou o protótipo para mais de 400 GeoPPs binários no mundo.

A capacidade do GeoPP Pauzhetskaya, 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 dificultado pela disponibilidade de fontes de energia tradicionais - petróleo, gás, carvão, mas nunca parou. As maiores instalações de energia geotérmica no momento são o Verkhne-Mutnovskaya GeoPP com uma capacidade total de 12 MW unidades de energia, comissionadas em 1999, e o Mutnovskaya GeoPP com uma capacidade de 50 MW (2002).

Mutnovskaya e Verkhne-Mutnovskaya GeoPP são 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 por 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%. Está previsto um aumento da capacidade nos próximos anos.

Separadamente, deve ser dito sobre os desenvolvimentos petrotérmicos russos. Ainda não temos grandes PDS, no entanto, existem tecnologias avançadas para perfuração a grandes profundidades (cerca de 10 km), que também não possuem análogos no mundo. Eles desenvolvimento adicional reduzirá drasticamente o custo 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 Turbinas Kaluga. Atualmente, o projeto do sistema de circulação petrotérmica na Rússia está em fase piloto.

Há perspectivas para a 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 de energia geotérmica é economicamente lucrativo e está em demanda até agora. São territórios com alto potencial geoenergético (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - a parte russa do Pacífico "Fire Belt of the Earth", montanhas Sul da Sibéria e Cáucaso) e ao mesmo tempo distantes e desconectados do fornecimento centralizado de energia.

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

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

Está nas profundezas da terra e tem as propriedades de renovação, ou seja, é interminável. Os recursos clássicos, segundo os cientistas, estão começando a se esgotar, o petróleo, o carvão, o gás acabarão.

Usina geotérmica Nesjavellir, Islândia

Portanto, pode-se preparar gradualmente para adotar novos métodos alternativos de produção de energia. Debaixo a crosta terrestre existe um núcleo poderoso. Sua temperatura varia de 3000 a 6000 graus. O movimento das placas litosféricas demonstra seu tremendo poder. Manifesta-se sob a forma de esguicho vulcânico de magma. Nas profundezas, ocorre o decaimento radioativo, às vezes provocando esses desastres naturais.

Normalmente o magma aquece a superfície sem ir além dela. É assim que os gêiseres ou piscinas de água morna 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 dividido em dois tipos: energia hidrotérmica e petrotérmica. O primeiro é formado devido a 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 fonte hidrotermal é composta de vapor e água quente, enquanto uma fonte petrotermal está escondida no subsolo.

Mapa do potencial de desenvolvimento da energia geotérmica no mundo

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

• Geotérmica - localizada perto das 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. 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 na classificação:

• Epitérmica - temperatura de 50 a 90 s
• Mesotérmico - 100 - 120 s
• Hipotérmico - mais de 200 s

Essas espécies são compostas por composição química. Dependendo disso, a água pode ser usada para diversos fins. Por exemplo, na produção de eletricidade, fornecimento de calor (rotas 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 fornecimento de água quente de uma área residencial. A necessidade de sistemas de aquecimento depende da localização geográfica e condições climáticas. E as pessoas precisam constantemente das necessidades de abastecimento de água quente. Para este processo, estão sendo construídas GTS (estações térmicas geotérmicas).

Se para a produção clássica de energia térmica é usada uma casa de caldeira que consome combustível sólido ou gasoso, então uma fonte de gêiser é usada nessa produção. O processo técnico é muito simples, as mesmas comunicações, rotas térmicas e equipamentos. Basta perfurar um poço, limpá-lo dos gases e enviá-lo para a sala das caldeiras com bombas, onde o cronograma de temperatura será mantido e, em seguida, ele entrará no aquecimento principal.

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 fornecimento de água quente e no verão apenas fornecimento de água quente.

Geração de energia

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

• tanque de água quente
• Bombear
• Separador de gás
• Separador de vapor
• turbina geradora
• Capacitor
• bomba de reforço
• Tanque - refrigerador

Como você pode ver, o principal elemento 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 toda a etapa de purificação dos gases, bem 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, o vapor da fonte de baixo ponto de ebulição é formado. 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 do 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 criado o primeiro 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 vem crescendo ano a ano. Se levarmos em conta o indicador econômico, o custo de tal indústria é igual às usinas termelétricas a carvão. A Islândia cobre quase completamente o parque comunitário e habitacional com uma fonte de GT. 80% das casas usam água quente de poços para aquecimento. Especialistas dos EUA afirmam que, com o desenvolvimento adequado, os GeoTPPs podem produzir 30 vezes mais do que o consumo anual. Se falarmos sobre o potencial, então 39 países do mundo poderão se abastecer totalmente de eletricidade se usarem as entranhas da terra a 100%.