Характеристика источников геотермальной энергии [1, С. 90–95], [2, С. 503–504]
Геотермальной энергией называют тепловую энергию, запасенную в твердых породах или термальных водах внутри земной коры.
Земля состоит из нескольких слоев, различающихся температурой, плотностью и давлением (см. табл. 5.1).
Таблица 5.1
Характеристики слоев Земли
| Слой | Толщина, км | Температура, °C |
| Кора | до 1000 | |
| Мантия | 1000…3000 | |
| Ядро (расплавленное) | 3000…4000 | |
| Ядро (твердое железо), p = 3·105 МПа | 4000…4700 |
Выделение теплоты в недрах Земли связано с совокупностью следующих процессов.
1. Радиоактивный распад элементов: элементы с периодом полураспада, меньшим периода формирования Земли, распались при первоначальном разогреве планетного вещества; распад долгоживущих элементов продолжается в настоящее время.
2. Воздействие притяжения Солнца и Луны, приводящее к земным приливам и торможению Земли.
3. Гравитационная деформация материала Земли с образованием плотного ядра и менее плотной оболочки.
4. Тектонические процессы, вызывающие вертикальные и горизонтальные смещения крупных блоков земной коры и ее упругие деформации.
5. Химические превращения в недрах Земли.
Плотность теплового потока из внутренних областей Земли к ее поверхности в среднем по земному шару составляет 60·10–3 Вт/м2. Этому соответствует температурный градиент около 30 °C/км. В районах молодых складчатых областей плотность теплового потока может доходить до 0,3 Вт/м2 при температурном градиенте 200 °C/км и более.
Наиболее перспективными зонами с большими геотермальными ресурсами являются зоны тихоокеанского и средиземноморского вулканического пояса, где сосредоточено до 80 % всех действующих вулканов на Земле. В отмеченных районах на глубине 1…2 км исследовано более 100 геотермальных систем, в большинстве из которых температура около 450 К.
В редких случаях геотермальная теплота сама выносится на поверхность в гейзерах или горячих источниках. В большинстве случаев необходимо бурение скважин, глубина которых обычно колеблется от 300 м до 2 км и более в зависимости от местных условий. Из экономических соображений желательно, чтобы глубина скважин не превышала 2,5 км.
Бурение скважины – наиболее дорогостоящая часть освоения геотермального источника. Скважина представляет собой сложное инженерное сооружение. Ее диаметр обычно ступенчато убывает с увеличением глубины (от величины около 450 мм). Одна скважина в зависимости от параметров пара или воды может обеспечить электрическую мощность от 2 до 7 МВт. Скважины нельзя располагать близко одну от другой, так как при этом их производительность будет снижаться. На одну скважину должна приходиться площадь примерно 100 000 м2.
Классификация источников геотермальной энергии [1, С. 92–95], [2, С. 504]
Все пригодные для практического использования источники геотермальной энергии можно разделить на гидротермальные и петротермальные.
В свою очередь гидротермальные источники делятся на:
– источники сухого пара – ресурсы сравнительно легко осваиваются, но встречаются редко;
– месторождения влажного пара – распространены в большей степени, в частности на Камчатке в России, в долине гейзеров в США и в других местах;
– горячая (термальная) вода – ресурсы большие, используются главным образом для отопления и в тепличном хозяйстве.
Основным условием существования водяных геотермальных источников является наличие непроницаемого для воды слоя горных пород, который передает тепло от мантии или магмы к формациям, содержащим в больших количествах воду. Находясь под давлением выше атмосферного, вода может нагреваться до температуры, превышающей 100 °С, и выходить вверх на поверхность через трещины в породе, причем, часто, в виде пароводяной смеси.
В пароводяных и паровых месторождениях водоносные слои находятся между двумя водонепроницаемыми прослойками. Нижняя передает тепло от мантии или магмы к воде, а верхняя не допускает ее выход на поверхность. Вода в таких местах превращается в пар, а при высоких давлениях – в перегретую воду. Извлечение пара из таких слоев возможно только при бурении скважин. Такие источники являются самоизливающимися, т.е. пар самостоятельно выходит через скважину на поверхность.
Температура воды или пара в гидротермальных источниках может составлять от 30 до 300…350 °С и зависит от их расстояния до мантии Земли, а также от близости к раскаленной или расплавленной магме. Термальные подземные источники, позволяющие получать на выходе из скважины воду или перегретый пар с температурами, необходимыми для производства электроэнергии (150 °С и выше), часто располагаются на глубине 2…6 км (иногда на глубинах несколько сотен метров).
Петротермальные источники связаны с теплотой сухих горных пород. Они располагаются в тех районах земной коры, в которых отсутствует вода. Температуры, достаточные для подогрева воды или получения пара, достигаются на глубине свыше 3 км. Поэтому если на такую глубину пробурить две скважины и закачать в одну из них воду, то из другой скважины могут быть получены пар или горячая вода. Практическое освоение таких источников еще не начато.
Вопросы для самопроверки
1. Какую энергию называют геотермальной?
2. С протеканием каких процессов связано выделение теплоты в недрах Земли?
3. Какова в среднем по земному шару величина плотности теплового потока из внутренних областей Земли к ее поверхности?
4. Какие районы планеты Земля наиболее перспективны с точки зрения получения геотермальной энергии?
5. Что представляет собой скважина в системах геотермального энергоснабжения? Каковы особенности ее устройства?
6. Что представляют собой гидротермальные источники геотермальной энергии?
7. Назовите основное условие существования водяных геотермальных источников.
8. Назовите основное условие существования пароводяных и паровых геотермальных источников.
9. Что представляют собой петротермальные источники геотермальной энергии?
Литература
1. Баранов, Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов / Н.Н. Баранов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 384 с.
2. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 564 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).