Тепловая энергия планеты

     Традиционно  принято считать, что геотермальные  источники энергии, пригодные  для освоения человеком, существуют  лишь в местах вулканической  активности. Ими, например, являются  гейзеры. Ресурсы же геотермальной  энергии, на которые указывают  Кеннеди и ван Суст, берут свое начало не в вулканических зонах, а из потоков горячего вещества мантии, просачивающихся через сетку глубинных разломов в нижних слоях земной коры. Отчет о своей работе ученые опубликовали в последнем выпуске журнала «Science».

Преобразование  геотермальной энергии  в электрическую и тепловую.  
Использовать тепло подземных вод очень выгодно. Например, чтобы нагревать воду, которая крутит турбину генератора тепловой электростанции, надо сжигать огромное количество дорогого топлива. Велики затраты и на его добычу, и на доставку. К тому же большой вред окружающей среде наносит загрязнение от постоянно дымящих труб и гор ядовитой золы. А тут горячая вода и пар сами поднимаются наверх, и нет никаких отходов. Наоборот, потом эту воду можно использовать для отопления, полива. 
Впервые тепло подземных вод для выработки электроэнергии стали использовать в Италии. Сейчас такие электростанции работают уже во многих странах. Они называются геотермальными. Первая такая электростанция в нашей стране — Паужетская — построена на Камчатке. В настоящее время Паужетская ГеоЭС обеспечивает электроэнергией 4 населенных пункта Усть-Большерецкого района, в том числе поселок Озерновский и село Запорожье, где находятся крупные рыбоперерабатывающие предприятия.

В последние годы разработаны  новые способы использования  тепла Земли для получения  электроэнергии. Один из них — геотермальная  электростанция с двойным циклом. Горячие подземные воды нагревают  другую — так называемую «рабочую»  — жидкость с более низкой температурой кипения, которая вращает турбину электрогенератора. Поэтому для выработки электроэнергии могут использоваться подземные воды с температурой уже гораздо ниже 100 °С. 
Другой способ работы гидротермальной электростанции -на гидротермальном пару. Пар поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива). Это старейшие геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная геотермальная электростанция в мире.

На электростанциях на парогидротермах используются перегретые гидротермы (температура выше 182 °С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности. 
Тепло подземных вод часто используют для отопления. Особенно большое значение это имеет для Исландии — островного государства, расположенного рядом с Северным полярным кругом. Там около 30 природных горячих источников и гейзеров, пробурено много скважин. Эти воды отапливают столицу страны Рейкьявик и многие другие города и посёлки, ими заполняют также многочисленные бассейны, используют в теплицах, где выращивают даже бананы. В Японии горячими подземными водами орошают рисовые поля, обогревают пруды, где разводят рыб и аллигаторов.

Впечатляет появившаяся  несколько лет тому назад новая, разработанная австралийской компанией  Geodynamics Ltd., поистине революционная технология строительства ГеоТЭС – так называемая технология Hot-Dry-Rock, существенно повышающая эффективность преобразования энергии геотермальных вод в электроэнергию.

До самого последнего времени  в термоэнергетике незыблемым считался главный принцип работы всех геотермальных станций, заключающийся в использовании естественного выхода пара из подземных резервуаров и источников. Австралийцы отступили от этого принципа и решили сами создать подходящий "гейзер". Для создания такого гейзера австралийские геофизики отыскали в пустыне на юго-востоке Австралии точку, где тектоника и изолированность скальных пород создают аномалию, которая круглогодично поддерживает в округе очень высокую температуру. По оценкам австралийских геологов, залегающие на глубине 4,5 км гранитные породы разогреваются до 270°С, и поэтому, если на такую глубину через скважину закачать под большим давлением воду, то она, повсеместно проникая в трещины горячего гранита, будет их расширять, одновременно нагреваясь, а затем по другой пробуренной скважине будет подниматься на поверхность. После этого нагретую воду можно будет без особого труда собирать в теплообменнике, а полученную от нее энергию использовать для испарения другой жидкости с более низкой температурой кипения, пар которой, в свою очередь, и приведет в действие паровые турбины. Вода, отдавшая геотермальное тепло, вновь будет направлена через скважину на глубину, и цикл таким образом повторится.

Безусловно, реализовать  эту технологию можно не в любом  месте, а только там, где залегающий на глубине гранит нагревается до температуры не менее 250–270°С. При  применении такой технологии ключевую роль играет температура, понижение  которой на 50°С по оценкам ученых вдвое повысит стоимость электроэнергии.

Для подтверждения прогнозов  специалисты компании Geodynamics Ltd. уже пробурили две скважины глубиной по 4,5 км каждая и получили доказательство того, что на этой глубине температура достигает искомых 270–300°С. В настоящее время проводятся работы по оценке общих запасов геотермальной энергии в этой аномальной точке юга Австралии. По предварительным расчетам в этой аномальной точке можно получать электроэнергию мощностью более 1 ГВт, причем стоимость этой энергии будет вдвое дешевле стоимости ветровой энергии и в 8 – 10 раз дешевле солнечной.

Геотермальные ресурсы разведаны  в 80 странах мира и в 58 из них активно  используются. Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, где геотермальная электроэнергетика, как один из альтернативных источников энергии, имеет особую правительственную  поддержку. В США в 2005 году на ГеоТЭС было выработано около 16 млрд. кВт·ч электроэнергии в таких основных промышленных зонах, как зона Больших гейзеров, расположенная в 100 км к северу от Сан-Франциско (1360 МВт установленной мощности), северная часть Соленого моря в центральной Калифорнии (570 МВт установленной мощности), Невада (235 МВт установленной мощности) и др. Геотермальная электроэнергетика бурно развивается также в ряде других стран, в том числе:

• на Филиппинах, где на ГеоТЭС на начало 2003 года было установлено 1930 МВт электрической мощности, что позволило обеспечить около 27% потребностей страны в электроэнергии;
• в Италии, где в 2003 году действовали геотермальные энергоустановки общей мощностью в 790 МВт;
• в Исландии, где действуют пять теплофикационных ГеоТЭС общей электрической мощностью 420 МВт, вырабатывающие 26,5% всей электроэнергии в стране;
• в Кении, где в 2005 году действовали три ГеоТЭС общей электрической мощностью в 160 МВт и были разработаны планы по доведению этих мощностей до 576 МВт [3,7].

Характеризуя развитие мировой  геотермальной электроэнергетики  как неотъемлемой составной части  возобновляемой энергетики на более  отдаленную перспективу, отметим следующее. Согласно прогнозным расчетам в 2030 году ожидается некоторое (до 12,5% по сравнению  с 13,8% в 2000 году) снижение доли возобновляемых источников энергии в общемировом  объеме производства энергии. При этом энергия солнца, ветра и геотермальных  вод будет развиваться ускоренными  темпами, ежегодно увеличиваясь в среднем  на 4,1%, однако вследствие "низкого" старта их доля в структуре возобновляемых источников и в 2030 году будет оставаться наименьшей.

Заключение

Повсеместно на планете на глубине 5-10 км под поверхностью земли протекают геотермальные воды, которые возможно использовать для получения энергии. Нагретые (иногда до температуры 6 тыс. градусов по шкале Цельсия) подземные воды выходят на поверхность земли в виде горячих источников или гейзеров, это тепло и может быть трансформировано в электрическую энергию или использоваться непосредственно для обогрева домов и теплиц. Энергия, полученная из геотермального источника сама по себе не может решить энергетическую проблему, но она позволит снизить зависимость от использования ископаемого топлива.

К достоинствам этого метода получения энергии относится  ее дешевизна и экологическая  чистота. К недостаткам - невозможность  строительства геотермальных станций  в большинстве регионов планеты. Кроме того, есть пример того, когда  построенная электростанция годами простаивала без дела, поскольку  источник горячих вод неожиданно иссяк.

Источники

1. Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М.: Наука. 2006.
2. Викулин А.В. Физика Земли и геодинамика. Петропавловск-Камчатский: КГУ. 2009.
3. «Наука и Жизнь» №9, Тепло Земли, Кирилл Дегтярев, научный сотрудник, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова.2013.
4. Альтернативная энергетика. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Магомедов Абук Магомедович.
5. http://pochemy.net/?n=1193