Geotermální energie a její využití, perspektivy geotermální energie

Uvnitř Země je obrovská tepelná energie. Odhady se zde stále dost liší, ale podle nejkonzervativnějších odhadů, pokud se omezíme na hloubku 3 km, pak 8 x 1017 kJ geotermální energie. Rozsah jeho reálného uplatnění u nás i ve světě je přitom nepatrný. O co zde jde a jaké jsou perspektivy využití geotermální energie?

Geotermální energie je energie zemského tepla. Energie uvolněná z přirozeného tepla Země se nazývá geotermální energie. Jako zdroj energie může teplo Země v kombinaci se stávajícími technologiemi zásobovat potřeby lidstva po mnoho a mnoho let. A to se ani nedotýká tepla, které se táhne příliš hluboko, v oblastech dosud nedosažitelných.

Po miliony let se toto teplo uvolňuje z útrob naší planety a rychlost ochlazování jádra nepřesahuje 400 °C za miliardu let! Teplota zemského jádra přitom podle různých zdrojů v současnosti není nižší než 6650 °C a směrem k povrchu postupně klesá. Ze Země je neustále vyzařováno 42 bilionů wattů tepla, z toho pouze 2 % jsou v kůře.

Vnitřní tepelná energie Země se čas od času hrozivě projevuje v podobě erupcí tisíců sopek, zemětřesení, pohybů zemské kůry a dalších, méně nápadných, ale neméně globálních přírodních procesů.

Vědecké hledisko na příčiny tohoto jevu je takové, že vznik zemského tepla souvisí s nepřetržitým procesem radioaktivního rozpadu uranu, thoria a draslíku v nitru planety a také s gravitační separací hmoty. v jeho jádru.

Žulová vrstva zemské kůry je v hloubce 20 000 metrů hlavní zónou radioaktivního rozpadu kontinentů a pro oceány je nejaktivnější vrstvou svrchní plášť. Vědci se domnívají, že na kontinentech je v hloubce asi 10 000 metrů teplota na dně kůry asi 700 °C, zatímco v oceánech dosahuje teplota pouze 200 °C.

Dvě procenta geotermální energie v zemské kůře jsou konstantních 840 miliard wattů, a to je technologicky dostupná energie. Nejlepšími místy pro extrakci této energie jsou oblasti poblíž okrajů kontinentálních desek, kde je kůra mnohem tenčí, a oblasti seismické a vulkanické aktivity – kde se zemské teplo projevuje velmi blízko povrchu.

Kde a v jaké formě se geotermální energie vyskytuje?

V současné době se rozvojem geotermální energie aktivně zabývají: USA, Island, Nový Zéland, Filipíny, Itálie, Salvador, Maďarsko, Japonsko, Rusko, Mexiko, Keňa a další země, kde teplo z útrob planety vystupuje na povrch ve formě páry a horké vody při teplotách dosahujících 300 °C.

Jako názorné příklady lze uvést slavné gejzíry Islandu a Kamčatky a také slavný Yellowstonský národní park, který se nachází v amerických státech Wyoming, Montana a Idaho a rozkládá se na ploše téměř 9000 kilometrů čtverečních.

Když mluvíme o geotermální energii, je velmi důležité si uvědomit, že má většinou nízký potenciál, to znamená, že teplota vody nebo páry opouštějící vrt není vysoká. A to výrazně ovlivňuje efektivitu využití takové energie.

Faktem je, že pro výrobu elektřiny je dnes ekonomicky účelné, aby teplota chladicí kapaliny byla alespoň 150 ° C. V tomto případě je posílána přímo do turbíny.

Existují instalace, které používají vodu o nižší teplotě. V nich geotermální voda ohřívá sekundární chladivo (například freon), které má nízký bod varu. Vytvořená pára roztáčí turbínu. Kapacita těchto zařízení je však malá (10 – 100 kW), a proto budou náklady na energii vyšší než v elektrárnách využívajících vysokoteplotní vodu.

GeoPP na Novém Zélandu

Geotermální ložiska jsou porézní horniny naplněné horkou vodou. Jsou to v podstatě přírodní geotermální kotle.

Ale co když se voda strávená na povrchu země nevyhodí, ale vrátí se do kotle? Vytvoření oběhového systému? V tomto případě se využije nejen teplo termální vody, ale i okolních hornin. Takový systém zvýší jeho celkový počet 4-5krát. Problém znečištění životního prostředí slanou vodou je odstraněn, protože se vrací do podzemního horizontu.

Ve formě horké vody nebo páry je teplo dodáváno na povrch, kde se využívá buď přímo k vytápění budov a domů, nebo k výrobě elektřiny. Užitečné je také povrchové teplo Země, kterého se obvykle dosahuje vrtáním vrtů, kde se gradient zvyšuje o 1 °C každých 36 metrů.

K absorpci tohoto tepla používají tepelná čerpadla… Horká voda a pára se používají k výrobě elektřiny a k přímému vytápění a teplo soustředěné hluboko v nepřítomnosti vody je přeměňováno na užitečnou formu pomocí tepelných čerpadel. Energie magmatu a teplo, které se hromadí pod sopkami, se získává podobným způsobem.

Obecně existuje řada standardních metod pro výrobu elektřiny v geotermálních elektrárnách, ale opět buď přímo, nebo ve schématu podobném tepelnému čerpadlu.

V nejjednodušším případě je pára jednoduše vedena potrubím k turbíně elektrického generátoru. Ve složitém schématu je pára předčištěna, takže rozpuštěné látky nezničí potrubí. Ve smíšeném schématu jsou plyny rozpuštěné ve vodě eliminovány po kondenzaci páry ve vodě.

Nakonec existuje binární schéma, kde jiná kapalina s nízkým bodem varu (schéma výměníku tepla) působí jako chladivo (k odběru tepla a otáčení turbíny generátoru).

Nejslibnější jsou vakuová absorpční tepelná čerpadla s vodou a chloridem lithným. Ty první zvyšují teplotu termální vody v důsledku spotřeby elektrické energie ve vakuové vodní pumpě.

Studniční voda o teplotě 60 — 90 °C vstupuje do vakuové odparky. Vzniklá pára je stlačována turbodmychadlem. Tlak se volí v závislosti na požadované teplotě chladicí kapaliny.

Jde-li voda přímo do topného systému, pak má 90 — 95 °C, pokud do topných sítí, pak 120 — 140 °C. V kondenzátoru předává zkondenzovaná pára své teplo vodě cirkulující v městském vytápění sítě, topné systémy a teplá voda .

Jaké další možnosti existují pro zvýšení využití geotermální energie?

Jeden ze směrů souvisí s využíváním značně vyčerpaných ložisek ropy a zemního plynu.

Jak víte, výroba této suroviny na starých polích se provádí metodou zaplavení vodou, to znamená, že se do vrtů čerpá voda, která vytlačuje ropu a plyn z pórů nádrže.

S postupujícím vyčerpáním se pórovité zásobníky plní vodou, která získává teplotu okolních hornin, a tím se ložiska přeměňují na geotermální kotel, ze kterého je možné současně těžit ropu a získávat vodu pro vytápění.

Samozřejmě se musí vyvrtat další vrty a vytvořit cirkulační systém, ale to bude mnohem levnější než vývoj nového geotermálního pole.

Další možností je získávat teplo ze suchých hornin vytvořením umělých propustných zón. Podstatou metody je vytvoření pórovitosti pomocí výbuchů v suchých horninách.

Extrakce tepla z takových systémů se provádí následovně: v určité vzdálenosti od sebe jsou vyvrtány dvě studny. Do jednoho se čerpá voda, která se přes vytvořené póry a trhliny pohybuje do druhého, odebírá teplo z hornin, zahřívá se a pak stoupá na povrch.

Takové experimentální systémy již fungují ve Spojených státech a Anglii. V Los Alamos (USA) jsou dva vrty — jeden o hloubce 2 700 m a druhý — 2 300 m, propojeny hydraulickým štěpením a naplněny cirkulující vodou ohřátou na teplotu 185 °C. V Anglii v Rosemenius lomu se voda ohřívá na 80 °C.

Geotermální elektrárna

Teplo planety jako zdroj energie

Poblíž italského města Larederello vede elektrická dráha poháněná suchou párou ze studny. Systém je v provozu od roku 1904.

Gejzírová pole v Japonsku a San Franciscu jsou další dvě známá místa na světě, která také využívají suchou horkou páru k výrobě elektřiny. Pokud jde o vlhkou páru, její rozsáhlejší pole jsou na Novém Zélandu, rozlohou menší - v Japonsku, Rusku, Salvadoru, Mexiku, Nikaragui.

Pokud považujeme geotermální teplo za zdroj energie, pak jeho zásoby jsou desítky miliardkrát vyšší než roční spotřeba energie lidstva na celém světě.

Pouhé 1 % tepelné energie zemské kůry, odebrané z hloubky 10 000 metrů, by stačilo na stonásobné překrytí zásob fosilních paliv, jako je ropa a plyn, nepřetržitě produkovaných lidstvem, což by vedlo k nevratnému vyčerpání podloží a znečištění životního prostředí.

Je to z ekonomických důvodů. Geotermální elektrárny však mají velmi mírné emise oxidu uhličitého, asi 122 kg na megawatthodinu vyrobené elektřiny, což je výrazně méně než emise z výroby energie z fosilních paliv.

Průmyslové GeoPE a vyhlídky geotermální energie

První průmyslový geoPE s kapacitou 7,5 MW byl postaven v roce 1916 v Itálii. Od té doby se nasbíraly neocenitelné zkušenosti.

K roku 1975 byl celkový instalovaný výkon GeoPP ve světě 1278 MW a v roce 1990 to bylo již 7300 MW. Největší objemy rozvoje geotermální energie jsou ve Spojených státech, Mexiku, Japonsku, na Filipínách a v Itálii.

První geoPE na území SSSR byla postavena na Kamčatce v roce 1966, její kapacita je 12 MW.

Od roku 2003 funguje v Rusku geografická elektrárna Mutnovskaja, jejíž výkon je nyní 50 MW — je to v současnosti nejvýkonnější geoelektrárna v Rusku.

Největší GeoPP na světě je Olkaria IV v Keni s kapacitou 140 MW.

V budoucnu je velmi pravděpodobné, že tepelná energie magmatu bude využívána v těch oblastech planety, kde není příliš hluboko pod povrchem Země, stejně jako tepelná energie zahřátých krystalických hornin, kdy studená voda se čerpá do vyvrtané díry v hloubce několika kilometrů a horká voda se vrací na povrch nebo pára, po které se ohřívá nebo vyrábí elektřinu.

Nabízí se otázka – proč je v současnosti tak málo dokončených projektů využívajících geotermální energii? Především proto, že se nacházejí na příznivých místech, kde se voda buď nalévá na povrch země, nebo se nachází velmi mělce. V takových případech není nutné vrtat hlubinné vrty, které jsou nejnákladnější součástí rozvoje geotermální energie.

Využití termálních vod pro zásobování teplem je mnohem větší než pro výrobu elektřiny, ale stále jsou malé a nehrají v energetice významnou roli.

GTepelná energetika dělá pouze první kroky a aktuální výzkum, experimentálně-průmyslová práce by měla dát odpověď na rozsah jejího dalšího rozvoje.