Năng lượng địa nhiệt và việc sử dụng nó, triển vọng của năng lượng địa nhiệt

Có năng lượng nhiệt khổng lồ bên trong Trái đất. Các ước tính ở đây vẫn còn khá khác nhau, nhưng theo các ước tính bảo thủ nhất, nếu chúng ta giới hạn bản thân ở độ sâu 3 km, thì 8 x 1017 kJ năng lượng địa nhiệt. Đồng thời, quy mô ứng dụng thực tế của nó ở nước ta và trên thế giới là không đáng kể. Vấn đề ở đây là gì và triển vọng sử dụng năng lượng địa nhiệt là gì?

Năng lượng địa nhiệt là năng lượng nhiệt của Trái đất. Năng lượng giải phóng từ sức nóng tự nhiên của Trái đất được gọi là năng lượng địa nhiệt. Là một nguồn năng lượng, sức nóng của Trái đất, kết hợp với các công nghệ hiện có, có thể cung cấp cho nhu cầu của nhân loại trong nhiều năm. Và điều đó thậm chí còn chưa chạm đến hơi ấm chạy quá sâu, ở những khu vực cho đến nay không thể tiếp cận được.

Trong hàng triệu năm, lượng nhiệt này được giải phóng từ ruột hành tinh của chúng ta và tốc độ làm mát của lõi không vượt quá 400 ° C mỗi tỷ năm! Đồng thời, nhiệt độ của lõi Trái đất, theo nhiều nguồn khác nhau, hiện không thấp hơn 6650 ° C và giảm dần về phía bề mặt của nó. 42 nghìn tỷ watt nhiệt liên tục tỏa ra từ Trái đất, chỉ 2% trong số đó là ở lớp vỏ.

Năng lượng nhiệt bên trong của Trái đất theo thời gian biểu hiện một cách đe dọa dưới dạng phun trào của hàng nghìn ngọn núi lửa, động đất, chuyển động của vỏ trái đất và các quá trình tự nhiên khác, ít đáng chú ý hơn nhưng không kém phần toàn cầu.

Quan điểm khoa học về nguyên nhân của hiện tượng này là nguồn gốc của sức nóng Trái đất có liên quan đến quá trình phân rã phóng xạ liên tục của uranium, thorium và kali ở bên trong hành tinh, cũng như sự phân tách vật chất bằng lực hấp dẫn. cốt lõi của nó.

Lớp đá granit của vỏ Trái đất, ở độ sâu 20.000 mét, là khu vực phân rã phóng xạ chính của các lục địa và đối với các đại dương, lớp phủ trên là lớp hoạt động mạnh nhất. Các nhà khoa học cho rằng ở các lục địa, ở độ sâu khoảng 10.000m, nhiệt độ ở đáy lớp vỏ khoảng 700°C, trong khi ở các đại dương nhiệt độ chỉ đạt 200°C.

Hai phần trăm năng lượng địa nhiệt trong vỏ trái đất là một hằng số 840 tỷ watt, và đây là năng lượng có thể tiếp cận bằng công nghệ. Những nơi tốt nhất để khai thác năng lượng này là các khu vực gần rìa của các mảng lục địa, nơi lớp vỏ mỏng hơn nhiều và các khu vực có hoạt động địa chấn và núi lửa—nơi nhiệt của trái đất được biểu hiện rất gần bề mặt.

Năng lượng địa nhiệt xảy ra ở đâu và ở dạng nào?

Hiện tại, sự phát triển của năng lượng địa nhiệt đang được tích cực tham gia: Hoa Kỳ, Iceland, New Zealand, Philippines, Ý, El Salvador, Hungary, Nhật Bản, Nga, Mexico, Kenya và các quốc gia khác, nơi nhiệt từ lòng hành tinh nổi lên bề mặt dưới dạng hơi nước và nước nóng, đi ra ngoài, ở nhiệt độ đạt tới 300 ° C.

Các mạch nước phun nổi tiếng của Iceland và Kamchatka, cũng như Công viên quốc gia Yellowstone nổi tiếng, nằm ở các bang Wyoming, Montana và Idaho của Mỹ, có diện tích gần 9.000 km2, có thể được coi là những ví dụ sinh động.

Khi nói về năng lượng địa nhiệt, điều quan trọng cần nhớ là nó chủ yếu có tiềm năng thấp, tức là nhiệt độ của nước hoặc hơi nước rời khỏi giếng không cao. Và điều này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả sử dụng năng lượng đó.

Thực tế là để sản xuất điện ngày nay, nhiệt độ của chất làm mát ít nhất phải là 150 ° C. Trong trường hợp này, nó được gửi trực tiếp đến tuabin.

Có những cài đặt sử dụng nước ở nhiệt độ thấp hơn. Trong đó, nước địa nhiệt làm nóng chất làm mát thứ cấp (ví dụ Freon), chất có nhiệt độ sôi thấp. Hơi nước được tạo ra làm quay tuabin. Nhưng công suất lắp đặt như vậy là nhỏ (10 - 100 kW) và do đó chi phí năng lượng sẽ cao hơn so với các nhà máy điện sử dụng nước có nhiệt độ cao.

GeoPP ở New Zealand

Tiền gửi địa nhiệt là đá xốp chứa đầy nước nóng. Chúng thực chất là nồi hơi địa nhiệt tự nhiên.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu nước dành cho bề mặt trái đất không bị vứt bỏ mà quay trở lại nồi hơi? Tạo ra một hệ thống lưu thông? Trong trường hợp này, không chỉ nhiệt của nước nóng mà cả những tảng đá xung quanh sẽ được sử dụng. Một hệ thống như vậy sẽ tăng tổng số lượng của nó lên 4-5 lần. Vấn đề ô nhiễm môi trường với nước mặn được gỡ bỏ, khi nó trở lại chân trời ngầm.

Ở dạng nước nóng hoặc hơi nước, nhiệt được truyền lên bề mặt, nơi nó được sử dụng trực tiếp để sưởi ấm các tòa nhà và nhà ở hoặc để tạo ra điện. Cũng hữu ích là nhiệt bề mặt của Trái đất, thường đạt được bằng cách khoan giếng, nơi độ dốc tăng 1 ° C cứ sau 36 mét.

Để hấp thụ nhiệt này, họ sử dụng máy bơm nhiệt… Nước nóng và hơi nước được sử dụng để tạo ra điện và để sưởi ấm trực tiếp, và nhiệt tập trung sâu khi không có nước được chuyển đổi thành dạng hữu ích bằng máy bơm nhiệt. Năng lượng của magma và nhiệt tích tụ bên dưới núi lửa được chiết xuất theo những cách tương tự.

Nói chung, có một số phương pháp tiêu chuẩn để tạo ra điện trong các nhà máy điện địa nhiệt, nhưng lại trực tiếp hoặc theo sơ đồ giống như bơm nhiệt.

Trong trường hợp đơn giản nhất, hơi nước được dẫn đơn giản qua một đường ống dẫn đến tuabin của máy phát điện. Trong một sơ đồ phức tạp, hơi nước được làm sạch trước để các chất hòa tan không phá hủy đường ống. Trong sơ đồ hỗn hợp, các khí hòa tan trong nước được loại bỏ sau khi ngưng tụ hơi nước trong nước.

Cuối cùng, có một sơ đồ nhị phân trong đó một chất lỏng khác có nhiệt độ sôi thấp (sơ đồ trao đổi nhiệt) hoạt động như một chất làm mát (để lấy nhiệt và quay tuabin máy phát điện).

Hứa hẹn nhất là bơm nhiệt hấp thụ chân không với nước và lithium clorua. Cái trước làm tăng nhiệt độ của nước nóng do tiêu thụ điện trong máy bơm nước chân không.

Nước giếng có nhiệt độ 60 – 90°C đi vào thiết bị cô đặc chân không. Hơi nước tạo ra được nén bởi bộ tăng áp. Áp suất được chọn tùy thuộc vào nhiệt độ chất làm mát cần thiết.

Nếu nước đi trực tiếp vào hệ thống sưởi ấm thì 90 — 95 ° C, nếu vào mạng sưởi ấm thì 120 — 140 ° C. Trong bình ngưng, hơi nước ngưng tụ cung cấp nhiệt cho nước tuần hoàn trong thành phố sưởi ấm mạng lưới, hệ thống sưởi ấm và nước nóng.

Có những lựa chọn nào khác để tăng cường sử dụng năng lượng địa nhiệt?

Một trong những hướng có liên quan đến việc sử dụng các mỏ dầu và khí đã cạn kiệt.

Như bạn đã biết, việc sản xuất nguyên liệu thô này ở các cánh đồng cũ được thực hiện bằng phương pháp bơm nước, nghĩa là nước được bơm vào giếng, làm thay thế dầu và khí từ các lỗ của bể chứa.

Khi quá trình cạn kiệt diễn ra, các hồ chứa xốp chứa đầy nước, thu được nhiệt độ của các loại đá xung quanh, và do đó, các lớp trầm tích được chuyển thành nồi hơi địa nhiệt, từ đó có thể đồng thời chiết xuất dầu và lấy nước để sưởi ấm.

Tất nhiên, các giếng bổ sung phải được khoan và tạo ra một hệ thống tuần hoàn, nhưng điều này sẽ rẻ hơn nhiều so với việc phát triển một lĩnh vực địa nhiệt mới.

Một lựa chọn khác là trích xuất nhiệt từ đá khô bằng cách hình thành các vùng thấm nhân tạo. Bản chất của phương pháp là tạo ra độ xốp bằng cách sử dụng các vụ nổ trong đá khô.

Việc khai thác nhiệt từ các hệ thống như vậy được thực hiện như sau: hai giếng được khoan ở một khoảng cách nhất định với nhau. Nước được bơm vào một cái, di chuyển sang cái thứ hai thông qua các lỗ và vết nứt đã hình thành, loại bỏ nhiệt từ đá, nóng lên và sau đó nổi lên trên bề mặt.

Các hệ thống thử nghiệm như vậy đã hoạt động ở Hoa Kỳ và Anh. Ở Los Alamos (Mỹ), hai giếng - một có độ sâu 2.700 m và giếng kia - 2.300 m, được nối với nhau bằng phương pháp bẻ gãy thủy lực và chứa đầy nước tuần hoàn được đun nóng đến nhiệt độ 185 ° C. Ở Anh, ở Rosemenius mỏ đá, nước được đun nóng đến 80°C.

nhà máy điện địa nhiệt

Sức nóng của hành tinh như một nguồn năng lượng

Gần thị trấn Larederello của Ý chạy một tuyến đường sắt điện chạy bằng hơi nước khô từ giếng. Hệ thống đã hoạt động từ năm 1904.

Các mạch nước phun ở Nhật Bản và San Francisco là hai địa điểm nổi tiếng khác trên thế giới cũng sử dụng hơi nước nóng khô để tạo ra điện. Đối với hơi ẩm, các lĩnh vực rộng lớn hơn của nó là ở New Zealand và diện tích nhỏ hơn - ở Nhật Bản, Nga, El Salvador, Mexico, Nicaragua.

Nếu coi địa nhiệt là một nguồn năng lượng, thì trữ lượng của nó gấp hàng chục tỷ lần so với mức tiêu thụ năng lượng hàng năm của nhân loại trên toàn thế giới.

Chỉ cần 1% nhiệt năng của vỏ Trái đất lấy từ độ sâu 10.000 mét cũng đủ chồng lên hàng trăm lần trữ lượng nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ và khí đốt do nhân loại liên tục sản xuất, dẫn đến sự cạn kiệt không thể đảo ngược của lòng đất và ô nhiễm môi trường.

Điều này là do lý do kinh tế. Nhưng các nhà máy điện địa nhiệt có lượng khí thải carbon dioxide rất vừa phải, khoảng 122 kg mỗi megawatt giờ điện được tạo ra, ít hơn đáng kể so với lượng khí thải từ sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch.

GeoPE công nghiệp và triển vọng năng lượng địa nhiệt

GeoPE công nghiệp đầu tiên có công suất 7,5 MW được xây dựng vào năm 1916 tại Ý. Kể từ đó, kinh nghiệm vô giá đã được tích lũy.

Tính đến năm 1975, tổng công suất lắp đặt của GeoPP trên thế giới là 1278 MW, đến năm 1990 đã là 7300 MW. Khối lượng phát triển năng lượng địa nhiệt lớn nhất là ở Hoa Kỳ, Mexico, Nhật Bản, Philippines và Ý.

GeoPE đầu tiên trên lãnh thổ Liên Xô được xây dựng tại Kamchatka vào năm 1966, công suất của nó là 12 MW.

Từ năm 2003, nhà máy điện địa lý Mutnovskaya đã hoạt động ở Nga, công suất hiện tại là 50 MW - đây là nhà máy điện địa điện mạnh nhất ở Nga vào thời điểm hiện tại.

GeoPP lớn nhất thế giới là Olkaria IV ở Kenya, với công suất 140 MW.

Trong tương lai, rất có thể năng lượng nhiệt của magma sẽ được sử dụng ở những vùng trên hành tinh nơi nó không nằm quá sâu dưới bề mặt Trái đất, cũng như năng lượng nhiệt của đá kết tinh nóng lên khi nước lạnh. được bơm vào lỗ khoan ở độ sâu vài km và nước nóng được đưa trở lại bề mặt hoặc hơi nước, sau đó chúng được sưởi ấm hoặc tạo ra điện.

Câu hỏi đặt ra - tại sao hiện nay có quá ít dự án đã hoàn thành sử dụng năng lượng địa nhiệt? Trước hết, bởi vì chúng nằm ở những nơi thuận lợi, nơi nước đổ trên bề mặt trái đất, hoặc nằm rất nông. Trong những trường hợp như vậy, không cần thiết phải khoan giếng sâu, đây là phần tốn kém nhất trong quá trình phát triển năng lượng địa nhiệt.

Việc sử dụng nước nóng để cung cấp nhiệt lớn hơn nhiều so với sản xuất điện, nhưng chúng vẫn còn nhỏ và không đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực năng lượng.

Năng lượng nhiệt mới chỉ đang thực hiện những bước đầu tiên và nghiên cứu hiện tại, công việc thử nghiệm-công nghiệp sẽ đưa ra câu trả lời cho quy mô phát triển hơn nữa của nó.