A temperatura aumenta com a profundidade. Coletores verticais de terra

Kirill Degtyarev, Pesquisador, Moscou Universidade Estadual eles. M. V. Lomonosov.

Em nosso país, rico em hidrocarbonetos, a energia geotérmica é uma espécie de recurso exótico que, no estado 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.

Foto de Igor Konstantinov.

Mudança na temperatura do solo com a profundidade.

Aumento da temperatura das águas termais e das rochas secas que as contêm com a profundidade.

Mudança de temperatura com profundidade em diferentes regiões.

A erupção do vulcão islandês Eyjafjallajökull é uma ilustração de violentos processos vulcânicos que ocorrem em zonas tectônicas e vulcânicas ativas com um poderoso fluxo de calor do interior da Terra.

Capacidades instaladas de usinas geotérmicas por países do mundo, MW.

Distribuição de recursos geotérmicos no território da Rússia. Ações energia geotérmica, segundo especialistas, são várias vezes superiores às reservas energéticas dos combustíveis fósseis orgânicos. De acordo com a Associação da Sociedade de Energia Geotérmica.

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) - 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 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 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. 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, processos físico-químicos, tectônicos em camadas profundas crosta da terrra e vestes. 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 0,03-0,05 W / m 2,
ou cerca de 350 Wh/m 2 por ano. No contexto do fluxo de calor do Sol e do ar aquecido por ele, esse é um valor imperceptível: o Sol dá a cada metro quadrado da superfície da Terra cerca de 4.000 kWh anualmente, ou seja, 10.000 vezes mais (claro, isso é em média, com uma enorme dispersão entre as latitudes polares e equatoriais e dependendo de outros fatores climáticos e meteorológicos).

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 o 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 em África do Sul- 6 o C por 1 km.

A questão é: qual é a temperatura em grandes profundidades - 5, 10 km ou mais? Se a tendência continuar, a temperatura a uma profundidade de 10 km deve ter uma média de cerca 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 um aumento linear na temperatura .

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

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

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

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.

Águas com temperaturas de 20-30 a 100 o C são adequadas para aquecimento, temperaturas de 150 o 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. Na prática, no momento, na maior parte de seu território, isso não é viável por questões 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 Eyjafjallajökull em 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 em termos econômicos. 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 um ambiente ecologicamente correto fontes limpas energia: a necessidade dela é geralmente 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 altas sísmicas e atividade vulcânica. Para esses países, em seu atual nível de desenvolvimento e necessidades energia geotérmica contribui significativamente para o desenvolvimento sócio-económico.

(Segue o final.)

temperatura no interior da terra. A determinação da temperatura nas camadas da Terra é baseada em vários dados, muitas vezes indiretos. Os dados de temperatura mais confiáveis referem-se à parte superior da crosta terrestre, que é exposta por minas e furos até uma profundidade máxima de 12 km (poço Kola).

O aumento da temperatura em graus Celsius por unidade de profundidade é chamado gradiente geotérmico, e a profundidade em metros, durante a qual a temperatura aumenta em 1 0 C - etapa geotérmica. O gradiente geotérmico e, consequentemente, a etapa geotérmica variam de local para local, dependendo das condições geológicas, da atividade endógena em diferentes áreas, bem como da condutividade térmica heterogênea das rochas. Ao mesmo tempo, de acordo com B. Gutenberg, os limites das flutuações diferem em mais de 25 vezes. Um exemplo disso são dois gradientes bem diferentes: 1) 150 o por 1 km em Oregon (EUA), 2) 6 o por 1 km registrado na África do Sul. De acordo com esses gradientes geotérmicos, o passo geotérmico também muda de 6,67 m no primeiro caso para 167 m no segundo. As flutuações mais comuns no gradiente estão dentro de 20-50 o , e o passo geotérmico é de 15-45 m. O gradiente geotérmico médio tem sido considerado há muito tempo a 30 o C por 1 km.

De acordo com VN Zharkov, o gradiente geotérmico perto da superfície da Terra é estimado em 20 o C por 1 km. Com base nesses dois valores do gradiente geotérmico e sua invariância nas profundezas da Terra, a uma profundidade de 100 km deveria haver uma temperatura de 3.000 ou 2.000 o C. No entanto, isso está em desacordo com os dados reais. É nestas profundidades que se originam periodicamente as câmaras de magma, de onde a lava flui para a superfície, com uma temperatura máxima de 1200-1250º. Considerando esse tipo de "termômetro", vários autores (V. A. Lyubimov, V. A. Magnitsky) acreditam que a uma profundidade de 100 km a temperatura não pode exceder 1300-1500 o C.

Em temperaturas mais altas, as rochas do manto estariam completamente fundidas, o que contraria a passagem livre de ondas sísmicas transversais. Assim, o gradiente geotérmico médio pode ser rastreado apenas até uma profundidade relativamente pequena da superfície (20-30 km) e, então, deve diminuir. Mas mesmo neste caso, no mesmo local, a variação de temperatura com a profundidade não é uniforme. Isso pode ser visto no exemplo da mudança de temperatura com a profundidade Kola bem localizado dentro do escudo de cristal estável da plataforma. Ao fazer este poço, esperava-se um gradiente geotérmico de 10 o por 1 km e, portanto, na profundidade de projeto (15 km) esperava-se uma temperatura da ordem de 150 o C. No entanto, tal gradiente foi apenas até um profundidade de 3 km, e então começou a aumentar de 1,5 a 2,0 vezes. A 7 km de profundidade a temperatura era de 120 o C, a 10 km -180 o C, a 12 km -220 o C. Supõe-se que na profundidade de projeto a temperatura será próxima a 280 o C. Região do Cáspio, na área de regime endógeno mais ativo. Nele, a 500 m de profundidade, a temperatura era de 42,2 o C, a 1.500 m - 69,9 o C, a 2.000 m - 80,4 o C, a 3.000 m - 108,3 o C.

Qual é a temperatura nas zonas mais profundas do manto e do núcleo da Terra? Dados mais ou menos confiáveis foram obtidos sobre a temperatura da base da camada B no manto superior (ver Fig. 1.6). De acordo com V. N. Zharkov, "estudos detalhados do diagrama de fases de Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 tornaram possível determinar a temperatura de referência em uma profundidade correspondente à primeira zona de transições de fase (400 km)" (ou seja, o transição de olivina para espinélio). A temperatura aqui como resultado desses estudos é de cerca de 1600 50 o C.

A questão da distribuição de temperaturas no manto abaixo da camada B e no núcleo da Terra ainda não foi resolvida e, portanto, várias opiniões são expressas. Só pode ser assumido que a temperatura aumenta com a profundidade com uma diminuição significativa no gradiente geotérmico e um aumento no passo geotérmico. Supõe-se que a temperatura no núcleo da Terra esteja na faixa de 4.000 a 5.000 o C.

A composição química média da Terra. Para julgar a composição química da Terra, estão envolvidos dados de meteoritos, que são as amostras mais prováveis de material protoplanetário a partir do qual os planetas foram formados. grupo terrestre e asteróides. Até o momento, muitos meteoritos que caíram na Terra em diferentes épocas e em diferentes lugares foram bem estudados. De acordo com a composição, distinguem-se três tipos de meteoritos: 1) ferro, consistindo principalmente de ferro níquel (90-91% Fe), com uma pequena mistura de fósforo e cobalto; 2) pedra-ferro(siderolitas), constituídas por minerais de ferro e silicatos; 3) pedra, ou aerólitos, consistindo principalmente de silicatos ferruginosos-magnesianos e inclusões de ferro níquel.

Os mais comuns são meteoritos de pedra - cerca de 92,7% de todos os achados, ferro pedregoso 1,3% e ferro 5,6%. Os meteoritos de pedra são divididos em dois grupos: a) condritos com pequenos grãos arredondados - côndrulos (90%); b) acondritos que não contêm côndrulos. A composição dos meteoritos rochosos é próxima à das rochas ígneas ultramáficas. De acordo com M. Bott, eles contêm cerca de 12% de fase ferro-níquel.

Com base na análise da composição de vários meteoritos, bem como nos dados geoquímicos e geofísicos experimentais obtidos, vários pesquisadores fornecem uma estimativa moderna da composição elementar bruta da Terra, apresentada na Tabela. 1.3.

Como pode ser visto pelos dados da tabela, a distribuição aumentada refere-se aos quatro elementos mais importantes - O, Fe, Si, Mg, constituindo mais de 91%. O grupo de elementos menos comuns inclui Ni, S, Ca, A1. Outros elementos do sistema periódico de Mendeleev em escala global na distribuição geral são de importância secundária. Se compararmos os dados fornecidos com a composição da crosta terrestre, podemos ver claramente uma diferença significativa que consiste em uma diminuição acentuada de O, Al, Si e um aumento significativo de Fe, Mg e o aparecimento de S e Ni em quantidades notáveis .

A forma da Terra é chamada de geóide. A estrutura profunda da Terra é julgada por ondas sísmicas longitudinais e transversais, que, se propagando dentro da Terra, experimentam refração, reflexão e atenuação, o que indica a estratificação da Terra. Existem três áreas principais:

Crosta da terrra;

manto: superior a uma profundidade de 900 km, inferior a uma profundidade de 2900 km;

o núcleo da Terra é externo a uma profundidade de 5.120 km, interno a uma profundidade de 6.371 km.

O calor interno da Terra está associado ao decaimento de elementos radioativos - urânio, tório, potássio, rubídio, etc. O valor médio do fluxo de calor é de 1,4-1,5 μkal / cm 2. s.

1. Qual é a forma e o tamanho da Terra?

2. Quais são os métodos para estudar a estrutura interna da Terra?

3. Qual é a estrutura interna da Terra?

4. Quais seções sísmicas de primeira ordem são claramente distinguidas ao analisar a estrutura da Terra?

5. Quais são os limites das seções de Mohorovic e Gutenberg?

6. Qual é a densidade média da Terra e como ela muda na fronteira entre o manto e o núcleo?

7. Como o fluxo de calor muda em diferentes zonas? Como é entendida a mudança no gradiente geotérmico e na etapa geotérmica?

8. Que dados são usados para determinar a composição química média da Terra?

Literatura

Voytkevich G.V. Fundamentos da teoria da origem da Terra. M., 1988.
Zharkov V.N. Estrutura interna Terra e planetas. M., 1978.
Magnitsky V.A. Estrutura interna e física da Terra. M., 1965.
Ensaios planetologia comparativa. M., 1981.
Ringwood A.E. Composição e origem da Terra. M., 1981.

Isso poderia parecer fantasia se não fosse verdade. Acontece que nas duras condições da Sibéria, você pode obter calor diretamente do solo. Os primeiros objetos com sistemas de aquecimento geotérmico surgiram na região de Tomsk no ano passado e, embora permitam reduzir o custo do calor em cerca de quatro vezes em comparação com as fontes tradicionais, ainda não há circulação de massa "sob o solo". Mas a tendência é perceptível e, o mais importante, está ganhando força. Na verdade, esta é a fonte de energia alternativa mais acessível para a Sibéria, onde painéis solares ou geradores eólicos, por exemplo, nem sempre podem mostrar sua eficácia. A energia geotérmica, na verdade, está apenas sob nossos pés.

“A profundidade do congelamento do solo é de 2 a 2,5 metros. A temperatura do solo abaixo dessa marca permanece a mesma tanto no inverno quanto no verão, variando de mais um a mais cinco graus Celsius. O trabalho da bomba de calor é construído nesta propriedade, diz o engenheiro de energia do departamento de educação da administração da região de Tomsk Roman Alekseenko. - Os tubos de conexão são enterrados no contorno da terra a uma profundidade de 2,5 metros, a uma distância de cerca de um metro e meio um do outro. Um refrigerante - etilenoglicol - circula no sistema de tubulação. O circuito de terra horizontal externo comunica com a unidade de refrigeração, na qual circula o refrigerante - freon, um gás com baixo ponto de ebulição. A mais de três graus Celsius, esse gás começa a ferver e, quando o compressor comprime bruscamente o gás em ebulição, a temperatura deste sobe para mais de 50 graus Celsius. O gás aquecido é enviado para um trocador de calor no qual circula água destilada comum. O líquido aquece e espalha o calor por todo o sistema de aquecimento colocado no chão.

Física pura e sem milagres

Um jardim de infância equipado com um moderno sistema de aquecimento geotérmico dinamarquês foi inaugurado na vila de Turuntaevo, perto de Tomsk, no verão passado. Segundo o diretor da empresa Tomsk Ecoclimat Jorge Granin, o sistema de eficiência energética permitiu várias vezes reduzir o pagamento pelo fornecimento de calor. Por oito anos, esta empresa de Tomsk já equipou cerca de duzentos objetos em diferentes regiões da Rússia com sistemas de aquecimento geotérmico e continua a fazê-lo na região de Tomsk. Portanto, não há dúvida nas palavras de Granin. Um ano antes da abertura de um jardim de infância em Turuntayevo, a Ecoclimat equipou outro jardim de infância com um sistema de aquecimento geotérmico, que custou 13 milhões de rublos. coelho do sol" no microdistrito de Tomsk "Green Hills". Na verdade, foi a primeira experiência desse tipo. E ele foi bastante bem sucedido.

Já em 2012, durante uma visita à Dinamarca, organizada no âmbito do programa Euro Info Correspondence Centre (região EICC-Tomsk), a empresa conseguiu fechar um acordo de cooperação com a empresa dinamarquesa Danfoss. E hoje, o equipamento dinamarquês ajuda a extrair o calor das entranhas de Tomsk e, como dizem os especialistas sem muita modéstia, é bastante eficiente. O principal indicador de eficiência é a economia. “O sistema de aquecimento para um jardim de infância de 250 metros quadrados em Turuntayevo custou 1,9 milhão de rublos”, diz Granin. “E a taxa de aquecimento é de 20 a 25 mil rublos por ano.” Este valor é incomparável com o que o jardim de infância pagaria pelo calor com fontes tradicionais.

O sistema funcionou sem problemas nas condições do inverno siberiano. Foi feito um cálculo da conformidade do equipamento térmico com os padrões SanPiN, segundo os quais deve manter uma temperatura de pelo menos + 19 ° C no prédio do jardim de infância a uma temperatura externa de -40 ° C. No total, cerca de quatro milhões de rublos foram gastos na reconstrução, reparo e reequipamento do edifício. Juntamente com a bomba de calor, o valor era pouco menos de seis milhões. Graças às bombas de calor de hoje, o aquecimento do jardim de infância é completamente isolado e sistema independente. Já não existem baterias tradicionais no edifício, e o espaço é aquecido através do sistema de "chão quente".

O jardim de infância Turuntayevsky é isolado, como se costuma dizer, “de” e “para” - isolamento térmico adicional é equipado no prédio: uma camada de isolamento de 10 cm equivalente a dois ou três tijolos é instalada no topo da parede existente (três tijolos espesso). Atrás do isolamento há um espaço de ar, seguido por revestimento de metal. O telhado é isolado da mesma maneira. A principal atenção dos construtores estava voltada para o "piso quente" - o sistema de aquecimento do prédio. Descobriu-se várias camadas: um piso de concreto, uma camada de espuma plástica de 50 mm de espessura, um sistema de canos por onde circula água quente e linóleo. Embora a temperatura da água no trocador de calor possa atingir +50°C, o aquecimento máximo do revestimento do piso real não excede +30°C. A temperatura real de cada sala pode ser ajustada manualmente - sensores automáticos permitem que você defina a temperatura do piso de forma que a sala do jardim de infância aqueça até os graus exigidos pelos padrões sanitários.

A potência da bomba no jardim Turuntayevsky é de 40 kW de energia térmica gerada, para cuja produção a bomba de calor requer 10 kW de energia elétrica. Assim, de 1 kW consumido energia elétrica A bomba de calor produz 4 kW de calor. “Tínhamos um pouco de medo do inverno - não sabíamos como as bombas de calor se comportariam. Mas mesmo em muito frio estava sempre quente no jardim de infância - de 18 a 23 graus Celsius, - diz o diretor do Turuntaevskaya ensino médio Evgeny Belonogov. - Claro, aqui vale a pena considerar que o prédio em si estava bem isolado. O equipamento é despretensioso na manutenção e, apesar de ser um desenvolvimento ocidental, provou ser bastante eficaz em nossas duras condições siberianas.”

Um projeto abrangente para a troca de experiências no campo da conservação de recursos foi implementado pela região EICC-Tomsk da Câmara de Comércio e Indústria de Tomsk. Seus participantes eram pequenas e médias empresas que desenvolvem e implementam tecnologias de economia de recursos. Em maio do ano passado, especialistas dinamarqueses visitaram Tomsk como parte de um projeto russo-dinamarquês, e o resultado foi, como dizem, óbvio.

A inovação chega à escola

Uma nova escola na aldeia de Vershinino, região de Tomsk, construída por um agricultor Mikhail Kolpakov, é a terceira instalação da região que utiliza o calor da terra como fonte de calor para aquecimento e abastecimento de água quente. A escola também é única porque possui a categoria de maior eficiência energética - "A". O sistema de aquecimento foi projetado e lançado pela mesma empresa Ecoclimat.

“Quando estávamos decidindo que tipo de aquecimento instalar na escola, tínhamos várias opções - uma caldeira a carvão e bombas de calor”, diz Mikhail Kolpakov. - Estudamos a experiência de um jardim de infância com eficiência energética em Zeleny Gorki e calculamos que o aquecimento à moda antiga, a carvão, nos custará mais de 1,2 milhão de rublos por inverno e também precisamos de água quente. E com bombas de calor, o custo será de cerca de 170 mil para o ano todo, junto com a água quente.”

O sistema precisa apenas de eletricidade para produzir calor. Consumindo 1 kW de eletricidade, as bombas de calor em uma escola produzem cerca de 7 kW de energia térmica. Além disso, ao contrário do carvão e do gás, o calor da terra é uma fonte de energia auto-renovável. A instalação de um moderno sistema de aquecimento para a escola custou cerca de 10 milhões de rublos. Para isso, foram perfurados 28 poços no terreno da escola.

“A aritmética aqui é simples. Calculamos que a manutenção da caldeira a carvão, levando em consideração o salário do foguista e o custo do combustível, custará mais de um milhão de rublos por ano, - observa o chefe do departamento de educação Sergey Efimov. - Ao usar bombas de calor, você terá que pagar por todos os recursos cerca de quinze mil rublos por mês. As vantagens indiscutíveis do uso de bombas de calor são sua eficiência e respeito pelo meio ambiente. O sistema de fornecimento de calor permite regular o fornecimento de calor em função do clima externo, o que elimina o chamado "subaquecimento" ou "superaquecimento" da sala.

De acordo com cálculos preliminares, equipamentos dinamarqueses caros se pagarão em quatro a cinco anos. A vida útil das bombas de calor Danfoss, com as quais a Ecoclimat LLC trabalha, é de 50 anos. Recebendo informações sobre a temperatura do ar externo, o computador determina quando aquecer a escola e quando é possível não fazê-lo. Portanto, a questão da data de ligar e desligar o aquecimento desaparece completamente. Independentemente do clima, o controle do clima sempre funcionará fora das janelas dentro da escola para crianças.

“Quando o Embaixador Extraordinário e Plenipotenciário do Reino da Dinamarca veio à reunião totalmente russa no ano passado e visitou nosso jardim de infância em Zeleniye Gorki, ele ficou agradavelmente surpreso com o fato de que essas tecnologias consideradas inovadoras mesmo em Copenhague são aplicadas e funcionam no Tomsk região, - diz o diretor comercial da Ecoclimat Alexandre Granin.

Em geral, o uso de fontes locais de energia renovável em várias indústrias economia, neste caso esfera social, que integra escolas e infantários, é uma das principais áreas implementadas na região no âmbito do programa de poupança e eficiência energética. O desenvolvimento de energia renovável é ativamente apoiado pelo governador da região Sergey Zhvachkin. e três instituições orçamentárias com sistema de aquecimento geotérmico - apenas os primeiros passos para a implementação de um grande e promissor projeto.

O jardim de infância em Zelenye Gorki foi reconhecido como a melhor instalação de eficiência energética da Rússia em uma competição em Skolkovo. Depois veio a escola Vershininskaya com aquecimento geotérmico, também da mais alta categoria de eficiência energética. O próximo objeto, não menos significativo para a região de Tomsk, é um jardim de infância em Turuntaevo. EM este ano Gazhimstroyinvest e Stroygarant já começaram a construção de jardins de infância para 80 e 60 crianças nos assentamentos da região de Tomsk, Kopylovo e Kandinka, respectivamente. Ambas as novas instalações serão aquecidas por sistemas de aquecimento geotérmico - de bombas de calor. No total, este ano a administração distrital pretende gastar quase 205 milhões de rublos na construção de novos jardins de infância e na reparação dos existentes. Está prevista a reconstrução e reequipamento do edifício para um jardim de infância na aldeia de Takhtamyshevo. Neste edifício, o aquecimento também será implementado por meio de bombas de calor, uma vez que o sistema tem se mostrado bom.

A temperatura do solo muda continuamente com a profundidade e o tempo. Depende de uma série de fatores, muitos dos quais são difíceis de explicar. Estes últimos, por exemplo, incluem: a natureza da vegetação, a exposição da encosta aos pontos cardeais, o sombreamento, a cobertura de neve, a natureza dos próprios solos, a presença de águas suprapermafrost, etc. influência aqui permanece com a temperatura do ar.

Temperatura do solo em diferentes profundidades e em diferentes períodos do ano podem ser obtidas por medições diretas em poços termais, que são colocados em processo de levantamento. Mas esse método requer observações de longo prazo e despesas significativas, o que nem sempre se justifica. Os dados obtidos de um ou dois poços se espalham por grandes áreas e comprimentos, distorcendo significativamente a realidade de forma que os dados calculados sobre a temperatura do solo em muitos casos acabam sendo mais confiáveis.

Temperatura do solo permafrost em qualquer profundidade (até 10 m da superfície) e para qualquer período do ano pode ser determinado pela fórmula:

tr = mt°, (3,7)

onde z é a profundidade medida a partir do VGM, m;

tr é a temperatura do solo na profundidade z, deg.

τr – tempo igual a um ano (8760 h);

τ é o tempo contado para frente (até 1º de janeiro) do momento do início do congelamento outonal do solo até o momento em que a temperatura é medida, em horas;

exp x é o expoente (a função exponencial exp é retirada das tabelas);

m - coeficiente dependendo do período do ano (para o período de outubro a maio m = 1,5-0,05z e para o período de junho a setembro m = 1)

A temperatura mais baixa em uma determinada profundidade será quando o cosseno na fórmula (3.7) for -1, ou seja, a temperatura mínima do solo para o ano em uma determinada profundidade será

tr min = (1,5-0,05z) t°, (3,8)

Temperatura máxima solo a uma profundidade de z, será quando o cosseno assumir o valor, igual a um aqueles.

tr máx = t°, (3,9)

Em todas as três fórmulas, o valor da capacidade térmica volumétrica C m deve ser calculado para a temperatura do solo t ° usando a fórmula (3.10).

С 1 m = 1/W, (3.10)

Temperatura do solo na camada de degelo sazonal também pode ser determinado por cálculo, levando em consideração que a mudança de temperatura nesta camada é aproximada com bastante precisão por uma dependência linear para os seguintes gradientes de temperatura (Tabela 3.1).

Tendo calculado de acordo com uma das fórmulas (3.8) - (3.9) a temperatura do solo ao nível do VGM, ou seja, colocando Z=0 nas fórmulas, então, usando a Tabela 3.1, determinamos a temperatura do solo em uma determinada profundidade na camada de degelo sazonal. Nas camadas superiores do solo, até cerca de 1 m da superfície, a natureza das flutuações de temperatura é muito complexa.

Tabela 3.1

Gradiente de temperatura na camada de degelo sazonal a uma profundidade abaixo de 1 m da superfície do solo

Observação. O sinal do gradiente é mostrado em direção à superfície.

Para obter a temperatura calculada do solo em uma camada de metro da superfície, você pode proceder da seguinte forma. Calcule a temperatura a uma profundidade de 1 m e a temperatura da superfície diurna do solo e, a seguir, por interpolação desses dois valores, determine a temperatura a uma determinada profundidade.

A temperatura na superfície do solo t p em período frio anos podem ser levados igual à temperatura ar. EM período de verão:

t p \u003d 2 + 1,15 t em, (3,11)

onde t p é a temperatura da superfície em graus.

t in - temperatura do ar em graus.

Temperatura do solo com permafrost não confluente é calculado de forma diferente do que na fusão. Na prática, podemos assumir que a temperatura no nível WGM será de 0°C ao longo do ano. A temperatura calculada do solo permafrost em uma determinada profundidade pode ser determinada por interpolação, assumindo que varia em profundidade de acordo com uma lei linear de t° a uma profundidade de 10 m a 0°C na profundidade do VGM. A temperatura na camada descongelada h t pode ser medida de 0,5 a 1,5°C.

Na camada de congelamento sazonal h p, a temperatura do solo pode ser calculada da mesma forma que para a camada de degelo sazonal da zona de fusão do permafrost, ou seja, na camada h p - 1 m ao longo do gradiente de temperatura (Tabela 3.1), considerando a temperatura na profundidade h p igual a 0 ° C na estação fria e 1 ° C na horário de verão. Na camada superior do solo, a temperatura é determinada pela interpolação entre a temperatura a 1 m de profundidade e a temperatura na superfície.

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

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

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, esse é um valor imperceptível: o Sol dá a cada metro quadrado da superfície da Terra cerca de 4.000 kWh anualmente, ou seja, 10.000 vezes mais (claro, isso é em média, com uma enorme dispersão entre as latitudes polares e equatoriais e dependendo de outros fatores climáticos e meteorológicos).

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.

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 sobe 1°C.

Em diferentes áreas, 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 500 m de profundidade 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.

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

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 de combustível padrão, respectivamente. 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.

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 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 na África Oriental, cujo território também é caracterizado pela alta atividade sísmica e vulcânica. Para esses países, em seu atual nível de desenvolvimento e necessidades, a energia geotérmica contribui significativamente para o desenvolvimento socioeconômico.

O uso da energia geotérmica tem uma longa história. Um dos primeiros exemplos famosos- Itália, localidade da província da Toscana, hoje Larderello, onde, no início do século XIX, se utilizavam para fins energéticos as águas termais quentes locais, naturais ou extraídas de poços rasos.

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 de 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 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.

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 fluido de trabalho poços profundos precisam ser perfurados. 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 chamava, baseia-se 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, 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 tem uma temperatura relativamente 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. Além do evaporador, o refrigerante é sugado para o compressor, onde retorna ao estado líquido 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 dos GeoPPs também incluem baixo consumo de água - 20 litros de água doce 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, são mais frequentemente distinguidos 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 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 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 aquífero 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 ser enfatizado que o máximo de O GeoPP está localizado 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, os riscos ambientais podem aumentar e se multiplicar.

Quanto vale 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, 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 despesa depois da transportadora de energia é, via de regra, o salário do pessoal da estação, que pode variar drasticamente por país e região.

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. 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.

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.

EM estrutura geral O componente geotérmico representa menos de 1% da produção global de eletricidade, 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 África Oriental. 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 a participação da energia geotérmica no balanço energético geral de um grande país ainda seja 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, em Território de Krasnodar, Chechênia, Daguestão - o calor das águas termais para fins energéticos era usado antes mesmo da 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 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 extremas. condições climáticas, onde o inverno é 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. Deles 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 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.