Geothermie en het gebruik ervan, vooruitzichten voor geothermie
Er is een enorme thermische energie in de aarde. Schattingen lopen hier nog behoorlijk uiteen, maar volgens de meest conservatieve schattingen, als we ons beperken tot een diepte van 3 km, dan is dat 8 x 1017 kJ aardwarmte. Tegelijkertijd is de schaal van de werkelijke toepassing ervan in ons land en over de hele wereld onbeduidend. Wat is hier aan de hand en wat zijn de vooruitzichten voor het gebruik van geothermie?
Geothermische energie is de energie van de aardwarmte. Energie die vrijkomt uit de natuurlijke warmte van de aarde wordt geothermische energie genoemd. Als energiebron kan de warmte van de aarde, in combinatie met bestaande technologieën, vele, vele jaren in de behoeften van de mensheid voorzien. En dan hebben we het nog niet eens over de warmte die te diep zit, in gebieden die tot nu toe onbereikbaar waren.
Miljoenen jaren lang komt deze warmte vrij uit de ingewanden van onze planeet, en de afkoelsnelheid van de kern is niet hoger dan 400°C per miljard jaar! Tegelijkertijd is de temperatuur van de kern van de aarde volgens verschillende bronnen momenteel niet lager dan 6650 ° C en neemt deze geleidelijk af naar het oppervlak toe. Er wordt constant 42 biljoen watt warmte uitgestraald door de aarde, waarvan slechts 2% in de aardkorst.
De interne thermische energie van de aarde manifesteert zich van tijd tot tijd dreigend in de vorm van uitbarstingen van duizenden vulkanen, aardbevingen, bewegingen van de aardkorst en andere, minder opvallende, maar niet minder globale, natuurlijke processen.
Het wetenschappelijke standpunt over de oorzaken van dit fenomeen is dat de oorsprong van de aardwarmte verband houdt met het continue proces van radioactief verval van uranium, thorium en kalium in het binnenste van de planeet, evenals met de zwaartekrachtscheiding van materie in de kern.
De granietlaag van de aardkorst, op een diepte van 20.000 meter, is de belangrijkste zone van radioactief verval van de continenten, en voor de oceanen is de bovenmantel de meest actieve laag. Wetenschappers geloven dat op de continenten, op een diepte van ongeveer 10.000 meter, de temperatuur op de bodem van de korst ongeveer 700 ° C is, terwijl de temperatuur in de oceanen slechts 200 ° C bereikt.
Twee procent van de geothermische energie in de aardkorst is een constante 840 miljard watt, en dit is technologisch toegankelijke energie. De beste plaatsen om deze energie te onttrekken zijn gebieden nabij de randen van continentale platen, waar de korst veel dunner is, en gebieden met seismische en vulkanische activiteit, waar de aardwarmte zich zeer dicht bij het oppervlak manifesteert.
Waar en in welke vorm komt aardwarmte voor?
Momenteel is de ontwikkeling van geothermische energie actief betrokken bij: de VS, IJsland, Nieuw-Zeeland, de Filippijnen, Italië, El Salvador, Hongarije, Japan, Rusland, Mexico, Kenia en andere landen, waar de hitte van de ingewanden van de planeet stijgt naar de oppervlakte in de vorm van stoom en heet water, uitgaand, bij temperaturen tot 300 ° C.
De beroemde geisers van IJsland en Kamchatka, evenals het beroemde Yellowstone National Park, gelegen in de Amerikaanse staten Wyoming, Montana en Idaho, met een oppervlakte van bijna 9.000 vierkante kilometer, kunnen als levendige voorbeelden worden genoemd.
Als we het hebben over geothermische energie, is het erg belangrijk om te onthouden dat het meestal een laag potentieel heeft, dat wil zeggen dat de temperatuur van het water of de stoom die de put verlaat niet hoog is. En dit heeft een aanzienlijke invloed op de efficiëntie van het gebruik van dergelijke energie.
Feit is dat het voor de productie van elektriciteit tegenwoordig economisch voordelig is dat de temperatuur van het koelmiddel minimaal 150 ° C is. In dit geval wordt het rechtstreeks naar de turbine gestuurd.
Er zijn installaties die water van een lagere temperatuur gebruiken. Daarin verwarmt geothermisch water het secundaire koelmiddel (bijvoorbeeld Freon), dat een laag kookpunt heeft. De gegenereerde stoom laat de turbine draaien. Maar de capaciteit van dergelijke installaties is klein (10 - 100 kW) en daarom zullen de energiekosten hoger zijn dan in energiecentrales die water van hoge temperatuur gebruiken.
GeoPP in Nieuw-Zeeland
Geothermische afzettingen zijn poreuze rotsen gevuld met heet water. Het zijn in wezen natuurlijke geothermische ketels.
Maar wat als het water dat op het aardoppervlak wordt verbruikt niet wordt weggegooid, maar wordt teruggevoerd naar de ketel? Een circulatiesysteem creëren? In dit geval wordt niet alleen de warmte van het thermale water gebruikt, maar ook de omliggende rotsen. Zo'n systeem zal het totale aantal met 4-5 keer verhogen. Het probleem van milieuvervuiling met zout water wordt verwijderd, aangezien het terugkeert naar de ondergrondse horizon.
De warmte wordt in de vorm van heet water of stoom aan het oppervlak afgegeven, waar het direct wordt gebruikt om gebouwen en huizen te verwarmen of om elektriciteit op te wekken. Ook nuttig is de oppervlaktewarmte van de aarde, die meestal wordt bereikt door putten te boren, waarbij de helling elke 36 meter met 1 ° C toeneemt.
Om deze warmte te absorberen, gebruiken ze warmtepompen… Heet water en stoom worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit en voor directe verwarming, en de warmte die diep in afwezigheid van water wordt geconcentreerd, wordt door warmtepompen omgezet in een bruikbare vorm. De energie van magma en de warmte die zich ophoopt onder vulkanen wordt op vergelijkbare manieren onttrokken.
Over het algemeen zijn er een aantal standaard methoden om elektriciteit op te wekken in aardwarmtecentrales, maar dan weer direct of in een warmtepomp-achtig schema.
In het eenvoudigste geval wordt de stoom gewoon door een pijpleiding naar de turbine van een elektrische generator geleid. In een complex schema wordt de stoom voorgezuiverd zodat opgeloste stoffen de leidingen niet vernielen. In een gemengd schema worden in water opgeloste gassen geëlimineerd na condensatie van stoom in water.
Ten slotte is er een binair schema waarbij een andere vloeistof met een laag kookpunt (warmtewisselaarschema) als koelmiddel fungeert (om warmte op te nemen en de generatorturbine te laten draaien).
De meest veelbelovende zijn vacuümabsorptiewarmtepompen met water en lithiumchloride. De eerste verhogen de temperatuur van het thermale water door het elektriciteitsverbruik in de vacuümwaterpomp.
Bronwater met een temperatuur van 60 - 90 ° C komt de vacuümverdamper binnen. De gegenereerde stoom wordt gecomprimeerd door een turbocompressor. De druk wordt gekozen afhankelijk van de vereiste koelvloeistoftemperatuur.
Als het water rechtstreeks naar het verwarmingssysteem gaat, dan is het 90 - 95 ° C, als het naar de verwarmingsnetten gaat, dan 120 - 140 ° C. In de condensor geeft de gecondenseerde stoom zijn warmte af aan het water dat in de stadsverwarming circuleert netwerken, verwarmingssystemen en warm water .
Welke andere mogelijkheden zijn er om het gebruik van geothermie te vergroten?
Een van de aanwijzingen heeft betrekking op het gebruik van grotendeels uitgeputte olie- en gasvoorraden.
Zoals u weet, wordt de productie van deze grondstof in oude velden uitgevoerd door de methode van wateroverstroming, dat wil zeggen dat water in de putten wordt gepompt, waardoor olie en gas uit de poriën van het reservoir worden verdrongen.
Naarmate de uitputting vordert, worden de poreuze reservoirs gevuld met water, dat de temperatuur van de omliggende rotsen verkrijgt, en zo worden de afzettingen omgezet in een geothermische ketel, waaruit het mogelijk is om tegelijkertijd olie te winnen en water voor verwarming te verkrijgen.
Natuurlijk moeten er extra putten worden geboord en een circulatiesysteem worden aangelegd, maar dat is veel goedkoper dan het aanleggen van een nieuw aardwarmteveld.
Een andere mogelijkheid is om warmte te onttrekken aan droog gesteente door kunstmatige doorlatende zones te vormen. De essentie van de methode is het creëren van porositeit door middel van explosies in droog gesteente.
Het onttrekken van warmte aan dergelijke systemen wordt als volgt uitgevoerd: twee putten worden op een bepaalde afstand van elkaar geboord. Water wordt in de ene gepompt, die door de gevormde poriën en scheuren naar de tweede beweegt, warmte van de rotsen verwijdert, opwarmt en vervolgens naar de oppervlakte stijgt.
Dergelijke experimentele systemen werken al in de Verenigde Staten en Engeland. In Los Alamos (VS) zijn twee putten - een met een diepte van 2.700 m en de andere - 2.300 m - verbonden door hydrofracturering en gevuld met circulerend water dat is verwarmd tot een temperatuur van 185 ° C. In Engeland, in de Rosemenius steengroeve wordt het water verwarmd tot 80 °C.
Geothermische elektriciteitscentrale
De hitte van de planeet als energiebron
In de buurt van het Italiaanse stadje Larederello loopt een elektrische spoorlijn die wordt aangedreven door droge stoom uit een put. Het systeem is in gebruik sinds 1904.
Geiservelden in Japan en San Francisco zijn twee andere bekende plaatsen in de wereld die ook droge hete stoom gebruiken om elektriciteit op te wekken. Wat vochtige stoom betreft, zijn de meer uitgestrekte velden in Nieuw-Zeeland en kleiner in oppervlakte - in Japan, Rusland, El Salvador, Mexico, Nicaragua.
Als we geothermische warmte als energiebron beschouwen, dan zijn de reserves ervan tientallen miljarden malen hoger dan het jaarlijkse energieverbruik van de mensheid wereldwijd.
Slechts 1% van de thermische energie van de aardkorst, genomen vanaf een diepte van 10.000 meter, zou voldoende zijn om honderden keren de reserves van fossiele brandstoffen, zoals olie en gas, continu geproduceerd door de mensheid, te overlappen, wat zou leiden tot een onomkeerbare uitputting van de aardkorst. de ondergrond en van milieuverontreiniging.
Dit vanwege economische redenen. Maar geothermische energiecentrales hebben een zeer matige uitstoot van koolstofdioxide, ongeveer 122 kg per megawattuur opgewekte elektriciteit, wat aanzienlijk minder is dan de uitstoot van energieopwekking met fossiele brandstoffen.
Industriële GeoPE en geothermische energievooruitzichten
De eerste industriële geoPE met een vermogen van 7,5 MW werd in 1916 in Italië gebouwd. Sindsdien is er onschatbare ervaring opgedaan.
Vanaf 1975 bedroeg het totale geïnstalleerde vermogen van GeoPP in de wereld 1278 MW en in 1990 was dit al 7300 MW. De grootste volumes aan ontwikkeling van geothermische energie bevinden zich in de Verenigde Staten, Mexico, Japan, de Filippijnen en Italië.
De eerste geoPE op het grondgebied van de USSR werd gebouwd in Kamchatka in 1966, de capaciteit is 12 MW.
Sinds 2003 is de geografische energiecentrale van Mutnovskaya actief in Rusland, met een vermogen van nu 50 MW - het is momenteel de krachtigste geo-elektrische energiecentrale in Rusland.
De grootste GeoPP ter wereld is Olkaria IV in Kenia, met een capaciteit van 140 MW.
In de toekomst is het zeer waarschijnlijk dat de thermische energie van magma zal worden gebruikt in die delen van de planeet waar het niet te diep onder het aardoppervlak is, evenals de thermische energie van verwarmde kristallijne rotsen, wanneer koud water wordt op een diepte van enkele kilometers in een geboord gat gepompt en het hete water wordt teruggevoerd naar de oppervlakte of stoom, waarna ze worden verwarmd of elektriciteit opwekken.
De vraag rijst - waarom zijn er momenteel zo weinig voltooide projecten die aardwarmte gebruiken? Allereerst omdat ze zich op gunstige plaatsen bevinden, waar het water op het aardoppervlak stroomt of erg ondiep is. In dergelijke gevallen is het niet nodig om diepe putten te boren, die het duurste onderdeel zijn van de ontwikkeling van geothermische energie.
Het gebruik van thermaal water voor warmtevoorziening is veel groter dan voor de productie van elektriciteit, maar het is nog steeds klein en speelt geen rol van betekenis in de energiesector.
GThermische energie zet nog maar de eerste stappen en huidig onderzoek, experimenteel-industrieel werk zou een antwoord moeten geven op de omvang van de verdere ontwikkeling ervan.