الطاقة الحرارية الأرضية واستخدامها ، آفاق الطاقة الحرارية الأرضية

توجد طاقة حرارية هائلة داخل الأرض. لا تزال التقديرات هنا مختلفة تمامًا ، ولكن وفقًا لأكثر التقديرات تحفظًا ، إذا قصرنا أنفسنا على عمق 3 كم ، فإن 8 × 1017 كيلو جول من الطاقة الحرارية الأرضية. في الوقت نفسه ، فإن نطاق تطبيقه الحقيقي في بلدنا وحول العالم ضئيل. ما هي المشكلة هنا وما هي احتمالات استخدام الطاقة الحرارية الجوفية؟

الطاقة الحرارية الأرضية هي طاقة حرارة الأرض. تسمى الطاقة المنبعثة من الحرارة الطبيعية للأرض الطاقة الحرارية الأرضية. كمصدر للطاقة ، يمكن لحرارة الأرض ، جنبًا إلى جنب مع التقنيات الحالية ، تلبية احتياجات البشرية لسنوات عديدة. وهذا لا يمس حتى الدفء السائد في الأعماق ، في المناطق التي لم يكن من الممكن الوصول إليها حتى الآن.

لملايين السنين ، يتم إطلاق هذه الحرارة من أحشاء كوكبنا ، ولا يتجاوز معدل تبريد اللب 400 درجة مئوية لكل مليار سنة! في الوقت نفسه ، لا تقل درجة حرارة نواة الأرض ، وفقًا لمصادر مختلفة ، عن 6650 درجة مئوية وتنخفض تدريجياً باتجاه سطح الأرض. تشع 42 تريليون واط من الحرارة باستمرار من الأرض ، 2٪ منها فقط في القشرة.

تتجلى الطاقة الحرارية الداخلية للأرض من وقت لآخر بشكل خطير في شكل ثورات بركانية لآلاف البراكين والزلازل وحركات قشرة الأرض وغيرها من العمليات الطبيعية الأقل شهرة ، ولكن ليس أقلها عالمية.

وجهة النظر العلمية حول أسباب هذه الظاهرة هي أن أصل حرارة الأرض مرتبط بعملية التحلل الإشعاعي المستمرة لليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم في باطن الكوكب ، وكذلك بفصل الجاذبية للمادة. في الصميم.

طبقة الجرانيت من قشرة الأرض ، على عمق 20000 متر ، هي المنطقة الرئيسية للاضمحلال الإشعاعي للقارات ، وبالنسبة للمحيطات ، فإن الوشاح العلوي هو الطبقة الأكثر نشاطًا. يعتقد العلماء أنه في القارات ، على عمق حوالي 10000 متر ، تبلغ درجة الحرارة في قاع القشرة حوالي 700 درجة مئوية ، بينما تصل درجة الحرارة في المحيطات إلى 200 درجة مئوية فقط.

2٪ من الطاقة الحرارية الجوفية في القشرة الأرضية تساوي 840 مليار واط ، وهذه طاقة يمكن الوصول إليها من الناحية التكنولوجية. أفضل الأماكن لاستخراج هذه الطاقة هي المناطق القريبة من حواف الصفائح القارية ، حيث تكون القشرة أرق بكثير ، ومناطق النشاط الزلزالي والبركاني - حيث تظهر حرارة الأرض بالقرب من السطح.

أين وبأي شكل تحدث الطاقة الحرارية الأرضية؟

حاليًا ، يتم تطوير الطاقة الحرارية الأرضية بنشاط في: الولايات المتحدة الأمريكية وأيسلندا ونيوزيلندا والفلبين وإيطاليا والسلفادور والمجر واليابان وروسيا والمكسيك وكينيا ودول أخرى ، حيث الحرارة من أحشاء الكوكب يرتفع إلى السطح على شكل بخار وماء ساخن يخرج عند درجات حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية.

يمكن ذكر السخانات الشهيرة في أيسلندا وكامتشاتكا ، فضلاً عن منتزه يلوستون الوطني الشهير ، الواقع في ولايات وايومنغ ومونتانا وأيداهو الأمريكية ، والتي تغطي مساحة تقارب 9000 كيلومتر مربع ، كأمثلة حية.

عند الحديث عن الطاقة الحرارية الأرضية ، من المهم جدًا أن نتذكر أنها في الغالب ذات إمكانات منخفضة ، أي أن درجة حرارة الماء أو البخار الخارج من البئر ليست عالية. وهذا يؤثر بشكل كبير على كفاءة استخدام هذه الطاقة.

والحقيقة هي أنه من المناسب اقتصاديًا لإنتاج الكهرباء اليوم أن تكون درجة حرارة المبرد 150 درجة مئوية على الأقل ، وفي هذه الحالة ، يتم إرسالها مباشرة إلى التوربين.

هناك منشآت تستخدم الماء بدرجة حرارة منخفضة. في نفوسهم ، تقوم المياه الجوفية بتسخين المبرد الثانوي (على سبيل المثال ، الفريون) ، الذي يحتوي على نقطة غليان منخفضة. يدير البخار المتولد التوربين. لكن قدرة هذه التركيبات صغيرة (10 - 100 كيلوواط) وبالتالي فإن تكلفة الطاقة ستكون أعلى من تكلفة محطات توليد الطاقة التي تستخدم مياه ذات درجة حرارة عالية.

GeoPP في نيوزيلندا

الرواسب الحرارية الجوفية هي صخور مسامية مملوءة بالماء الساخن. إنها في الأساس غلايات طاقة حرارية طبيعية.

ولكن ماذا لو لم يتم التخلص من الماء المنفق على سطح الأرض ، بل عاد إلى المرجل؟ إنشاء نظام تداول؟ في هذه الحالة ، لن يتم استخدام حرارة المياه الحرارية فحسب ، بل سيتم استخدام الصخور المحيطة أيضًا. سيؤدي هذا النظام إلى زيادة العدد الإجمالي بمقدار 4-5 مرات. إزالة مشكلة تلوث البيئة بالمياه المالحة ، حيث تعود إلى الأفق الجوفي.

في شكل ماء ساخن أو بخار ، يتم توصيل الحرارة إلى السطح ، حيث يتم استخدامها إما مباشرة لتدفئة المباني والمنازل ، أو لتوليد الكهرباء. من المفيد أيضًا حرارة سطح الأرض ، والتي يتم الوصول إليها عادةً عن طريق حفر الآبار ، حيث يزيد التدرج بمقدار 1 درجة مئوية كل 36 مترًا.

يستخدمونها لامتصاص هذه الحرارة مضخات حرارية… يتم استخدام الماء الساخن والبخار لتوليد الكهرباء وللتدفئة المباشرة ، ويتم تحويل الحرارة المركزة بعمق في حالة عدم وجود الماء إلى شكل مفيد بواسطة المضخات الحرارية. يتم استخراج طاقة الصهارة والحرارة التي تتراكم تحت البراكين بطرق مماثلة.

بشكل عام ، هناك عدد من الطرق القياسية لتوليد الكهرباء في محطات الطاقة الحرارية الأرضية ، ولكن مرة أخرى إما بشكل مباشر أو في مخطط يشبه المضخة الحرارية.

في أبسط الحالات ، يتم توجيه البخار ببساطة عبر خط أنابيب إلى توربين مولد كهربائي. في مخطط معقد ، يتم تنقية البخار مسبقًا بحيث لا تدمر المواد الذائبة الأنابيب. في نظام مختلط ، يتم التخلص من الغازات المذابة في الماء بعد تكثيف البخار في الماء.

أخيرًا ، هناك مخطط ثنائي حيث يعمل سائل آخر بنقطة غليان منخفضة (مخطط مبادل حراري) كمبرد (لأخذ الحرارة وتشغيل توربين المولد).

أكثرها واعدة هي مضخات الحرارة بامتصاص الفراغ بالماء وكلوريد الليثيوم. السابق يزيد من درجة حرارة الماء الحراري نتيجة استهلاك الكهرباء في مضخة الماء الفراغية.

يدخل ماء الآبار بدرجة حرارة 60-90 درجة مئوية في مبخر الفراغ. يتم ضغط البخار المتولد بواسطة شاحن توربيني. يتم تحديد الضغط وفقًا لدرجة حرارة سائل التبريد المطلوبة.

إذا كان الماء ينتقل مباشرة إلى نظام التدفئة ، فهو 90-95 درجة مئوية ، إذا كان لشبكات التدفئة ، ثم 120-140 درجة مئوية.في المكثف ، يعطي البخار المكثف حرارته إلى الماء المتداول في تدفئة المدينة الشبكات وأنظمة التدفئة والمياه الساخنة.

ما هي الخيارات الأخرى المتاحة لزيادة استخدام الطاقة الحرارية الأرضية؟

يتعلق أحد الاتجاهات باستخدام رواسب النفط والغاز المستنفدة إلى حد كبير.

كما تعلم ، يتم إنتاج هذه المادة الخام في الحقول القديمة بطريقة غمر المياه ، أي يتم ضخ المياه في الآبار ، مما يؤدي إلى إزاحة النفط والغاز من مسام الخزان.

مع تقدم النضوب ، تمتلئ الخزانات المسامية بالماء ، الذي يكتسب درجة حرارة الصخور المحيطة ، وبالتالي تتحول الرواسب إلى غلاية حرارية أرضية ، يمكن من خلالها استخراج الزيت والحصول على الماء للتدفئة في نفس الوقت.

بالطبع ، يجب حفر آبار إضافية وإنشاء نظام دوران ، لكن هذا سيكون أرخص بكثير من تطوير حقل جديد للطاقة الحرارية الأرضية.

خيار آخر هو استخراج الحرارة من الصخور الجافة عن طريق تشكيل مناطق نفاذية اصطناعية. جوهر هذه الطريقة هو خلق المسامية باستخدام الانفجارات في الصخور الجافة.

يتم استخراج الحرارة من هذه الأنظمة على النحو التالي: يتم حفر بئرين على مسافة معينة من بعضهما البعض. يتم ضخ الماء في واحد ، والذي ينتقل إلى الثاني من خلال المسام والشقوق المتكونة ، ويزيل الحرارة من الصخور ، ثم يسخن ثم يرتفع إلى السطح.

تعمل مثل هذه الأنظمة التجريبية بالفعل في الولايات المتحدة وإنجلترا. في لوس ألاموس (الولايات المتحدة الأمريكية) ، يوجد بئرين - أحدهما بعمق 2700 متر ، والآخر - 2300 متر ، متصلان عن طريق التكسير الهيدروليكي ومليئين بمياه متداولة مسخنة لدرجة حرارة 185 درجة مئوية. المحجر ، يتم تسخين المياه إلى 80 درجة مئوية.

محطة لتوليد الطاقة الحرارية الجوفية

حرارة الكوكب كمصدر للطاقة

بالقرب من بلدة لارديريللو الإيطالية ، يوجد سكة حديد كهربائية تعمل بالبخار الجاف من بئر. يعمل النظام منذ عام 1904.

تعد حقول السخانات في اليابان وسان فرانسيسكو مكانين مشهورين آخرين في العالم يستخدمان أيضًا البخار الجاف الساخن لتوليد الكهرباء. بالنسبة للبخار الرطب ، توجد حقوله الأكثر اتساعًا في نيوزيلندا ، وأصغر في المنطقة - في اليابان وروسيا والسلفادور والمكسيك ونيكاراغوا.

إذا اعتبرنا الحرارة الجوفية مصدرًا للطاقة ، فإن احتياطياتها أعلى بعشرات المليارات من استهلاك الطاقة السنوي للبشرية في جميع أنحاء العالم.

1٪ فقط من الطاقة الحرارية لقشرة الأرض ، المأخوذة من عمق 10000 متر ، ستكون كافية لتتداخل مئات المرات مع احتياطيات الوقود الأحفوري ، مثل النفط والغاز ، التي تنتجها البشرية باستمرار ، مما يؤدي إلى نضوب لا رجعة فيه التربة الجوفية والتلوث البيئي.

هذا يرجع لأسباب اقتصادية. لكن محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية لها انبعاثات معتدلة جدًا من ثاني أكسيد الكربون ، حوالي 122 كجم لكل ميغاواط / ساعة من الكهرباء المولدة ، وهو أقل بكثير من الانبعاثات الناتجة عن توليد طاقة الوقود الأحفوري.

GeoPE الصناعية وآفاق الطاقة الحرارية الجوفية

تم بناء أول جيوب صناعي بسعة 7.5 ميجاوات في عام 1916 في إيطاليا. منذ ذلك الحين ، تراكمت خبرة لا تقدر بثمن.

اعتبارًا من عام 1975 ، كان إجمالي السعة المركبة لـ GeoPP في العالم 1278 ميجاوات ، وفي عام 1990 كانت بالفعل 7300 ميجاوات. توجد أكبر كميات من تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في الولايات المتحدة والمكسيك واليابان والفلبين وإيطاليا.

تم بناء أول geoPE على أراضي اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في كامتشاتكا في عام 1966 ، وقدرتها 12 ميجاوات.

منذ عام 2003 ، تعمل محطة موتنوفسكايا الجغرافية للطاقة في روسيا ، والتي تبلغ قوتها الآن 50 ميجاوات - وهي أقوى محطة لتوليد الطاقة الكهروضوئية في روسيا في الوقت الحالي.

أكبر GeoPP في العالم هو Olkaria IV في كينيا ، بسعة 140 ميجاوات.

في المستقبل ، من المحتمل جدًا أن يتم استخدام الطاقة الحرارية للصهارة في تلك المناطق من الكوكب حيث لا تكون عميقة جدًا تحت سطح الأرض ، وكذلك الطاقة الحرارية للصخور البلورية الساخنة ، عندما يكون الماء باردًا يتم ضخه في حفرة محفورة على عمق عدة كيلومترات ويعاد الماء الساخن إلى السطح أو البخار ، وبعد ذلك يتم تسخينه أو توليد الكهرباء.

السؤال الذي يطرح نفسه - لماذا يوجد حاليًا عدد قليل جدًا من المشاريع المكتملة التي تستخدم الطاقة الحرارية الأرضية؟ بادئ ذي بدء ، لأنها تقع في أماكن مواتية ، حيث يصب الماء على سطح الأرض ، أو يقع في مكان ضحل للغاية. في مثل هذه الحالات ، ليس من الضروري حفر الآبار العميقة ، والتي تعد أغلى جزء من تطوير الطاقة الحرارية الأرضية.

إن استخدام المياه الحرارية للتدفئة أكبر بكثير من استخدامها لإنتاج الكهرباء ، لكنها لا تزال صغيرة ولا تلعب دورًا مهمًا في قطاع الطاقة.

تتخذ الطاقة الحرارية فقط الخطوات الأولى والبحوث الحالية ، يجب أن تعطي الأعمال التجريبية والصناعية إجابة لمقياس تطويرها الإضافي.