Innere Wärmequellen der Erde. Wärme der Erde. Geothermische Energie. Woher kommt Energie?
In unserem an Kohlenwasserstoffen reichen Land ist Geothermie eine Art exotische Ressource, die angesichts der aktuellen Lage kaum mit Öl und Gas konkurrieren kann. Allerdings lässt sich diese alternative Energieform nahezu überall und recht effektiv nutzen.
Geothermie ist die Wärme des Erdinneren. Es entsteht in der Tiefe und gelangt in unterschiedlicher Form und Intensität an die Erdoberfläche.
Die Temperatur der oberen Bodenschichten hängt hauptsächlich von äußeren (exogenen) Faktoren ab – Sonneneinstrahlung und Lufttemperatur. Im Sommer und tagsüber erwärmt sich der Boden bis zu bestimmten Tiefen, im Winter und in der Nacht kühlt er sich aufgrund von Änderungen der Lufttemperatur und mit einer mit der Tiefe zunehmenden Verzögerung ab. Der Einfluss täglicher Schwankungen der Lufttemperatur endet in Tiefen von einigen bis mehreren zehn Zentimetern. Saisonale Schwankungen wirken sich auf tiefere Bodenschichten aus – bis zu mehreren zehn Metern.
In einer gewissen Tiefe – von mehreren zehn bis zu Hunderten von Metern – bleibt die Bodentemperatur konstant und entspricht der durchschnittlichen jährlichen Lufttemperatur an der Erdoberfläche. Sie können dies leicht überprüfen, indem Sie in eine ziemlich tiefe Höhle hinabsteigen.
Wenn die durchschnittliche jährliche Lufttemperatur in einem bestimmten Gebiet unter Null liegt, manifestiert sich dies als Permafrost (genauer gesagt Permafrost). In Ostsibirien erreicht die Mächtigkeit, also die Mächtigkeit, ganzjährig gefrorener Böden mancherorts 200–300 m.
Ab einer bestimmten Tiefe (für jeden Punkt auf der Karte unterschiedlich) schwächt sich die Wirkung der Sonne und der Atmosphäre so stark ab, dass endogene (innere) Faktoren in den Vordergrund treten und sich das Erdinnere von innen erwärmt, so dass die Temperatur zu steigen beginnt mit Tiefgang.
Die Erwärmung tiefer Erdschichten ist vor allem mit dem Zerfall dort befindlicher radioaktiver Elemente verbunden, es werden aber auch andere Wärmequellen genannt, beispielsweise physikalisch-chemische, tektonische Prozesse in den tiefen Schichten der Erdkruste und des Erdmantels. Aber was auch immer der Grund sein mag, die Temperatur von Gesteinen und den damit verbundenen flüssigen und gasförmigen Substanzen steigt mit der Tiefe. Bergleute sind mit diesem Phänomen konfrontiert – in tiefen Minen ist es immer heiß. In einer Tiefe von 1 km sind 30 Grad Hitze normal, und tiefer ist die Temperatur sogar noch höher.
Der Wärmefluss aus dem Erdinneren, der die Erdoberfläche erreicht, ist gering – im Durchschnitt beträgt seine Leistung 0,03–0,05 W/m2, also etwa 350 Wh/m2 pro Jahr. Vor dem Hintergrund des Wärmestroms der Sonne und der von ihr erwärmten Luft ist dies ein nicht wahrnehmbarer Wert: Die Sonne gibt jedem Quadratmeter Erdoberfläche jährlich etwa 4000 kWh ab, also 10.000 Mal mehr (das ist natürlich so). im Durchschnitt mit einer großen Spanne zwischen den polaren und äquatorialen Breiten und abhängig von anderen Klima- und Wetterfaktoren).
Die Bedeutungslosigkeit des Wärmeflusses vom Inneren zur Oberfläche in den meisten Teilen des Planeten hängt mit der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine und den Besonderheiten der geologischen Struktur zusammen. Es gibt jedoch Ausnahmen – Orte, an denen der Wärmefluss hoch ist. Dies sind vor allem Zonen tektonischer Verwerfungen, erhöhter seismischer Aktivität und Vulkanismus, in denen die Energie des Erdinneren einen Abfluss findet. Solche Zonen sind durch thermische Anomalien der Lithosphäre gekennzeichnet; hier kann der Wärmefluss, der die Erdoberfläche erreicht, um ein Vielfaches und sogar um Größenordnungen stärker sein als „normal“. Vulkanausbrüche und heiße Quellen bringen in diesen Zonen enorme Hitzemengen an die Oberfläche.
Dies sind die Gebiete, die für die Entwicklung der Geothermie am günstigsten sind. Auf dem Territorium Russlands sind dies vor allem Kamtschatka, die Kurilen und der Kaukasus.
Gleichzeitig ist die Erschließung der Geothermie nahezu überall möglich, da ein Temperaturanstieg mit der Tiefe ein universelles Phänomen ist und die Aufgabe darin besteht, der Tiefe Wärme zu „entziehen“, so wie dort auch mineralische Rohstoffe gefördert werden.
Im Durchschnitt steigt die Temperatur mit der Tiefe alle 100 m um 2,5–3 °C. Das Verhältnis des Temperaturunterschieds zwischen zwei Punkten, die in unterschiedlichen Tiefen liegen, zum Tiefenunterschied zwischen ihnen wird als geothermischer Gradient bezeichnet.
Der Kehrwert ist die geothermische Stufe oder das Tiefenintervall, in dem die Temperatur um 1 °C ansteigt.
Je höher das Gefälle und damit je niedriger die Stufe, desto näher kommt die Wärme aus der Erdtiefe an die Oberfläche und desto vielversprechender ist dieses Gebiet für die Entwicklung der Geothermie.
In verschiedenen Gebieten kann die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs mit der Tiefe je nach geologischer Struktur und anderen regionalen und lokalen Bedingungen dramatisch variieren. Im Erdmaßstab erreichen die Schwankungen in der Größe der geothermischen Gradienten und Stufen das 25-fache. In Oregon (USA) beträgt die Steigung beispielsweise 150°C pro 1 km und in Südafrika 6°C pro 1 km.
Die Frage ist, wie hoch ist die Temperatur in großen Tiefen – 5, 10 km oder mehr? Wenn sich dieser Trend fortsetzt, dürften die Temperaturen in einer Tiefe von 10 km im Durchschnitt etwa 250–300 °C betragen. Dies wird mehr oder weniger durch direkte Beobachtungen in ultratiefen Bohrlöchern bestätigt, obwohl das Bild viel komplizierter ist als ein linearer Temperaturanstieg.
Beispielsweise ändert sich in der Superdeep-Bohrung Kola, die im baltischen Kristallschild gebohrt wurde, die Temperatur bis zu einer Tiefe von 3 km mit einer Rate von 10 °C/1 km, und dann wird der geothermische Gradient 2–2,5-mal größer. In 7 km Tiefe wurde bereits eine Temperatur von 120°C gemessen, in 10 km - 180°C und in 12 km - 220°C.
Ein weiteres Beispiel ist eine Bohrung in der nördlichen Kaspischen Region, wo in 500 m Tiefe eine Temperatur von 42 °C gemessen wurde, in 1,5 km Tiefe - 70 °C, in 2 km Tiefe - 80 °C, in 3 km Tiefe - 108 °C .
Es wird angenommen, dass der geothermische Gradient ab einer Tiefe von 20–30 km abnimmt: In einer Tiefe von 100 km liegen die geschätzten Temperaturen im Erdboden bei etwa 1300–1500 °C, in einer Tiefe von 400 km bei 1600 °C Kern (Tiefen über 6000 km) – 4000–5000° C.
In Tiefen von bis zu 10–12 km wird die Temperatur durch Bohrbrunnen gemessen; wo sie nicht vorhanden sind, wird sie wie in größeren Tiefen durch indirekte Zeichen bestimmt. Solche indirekten Anzeichen können die Art des Durchgangs seismischer Wellen oder die Temperatur der ausbrechenden Lava sein.
Für die Zwecke der Geothermie sind Daten über Temperaturen in Tiefen von mehr als 10 km jedoch noch nicht von praktischem Interesse.
In mehreren Kilometern Tiefe gibt es viel Hitze, aber wie kann man sie steigern? Manchmal löst die Natur selbst dieses Problem für uns mit Hilfe eines natürlichen Kühlmittels – erhitztem Thermalwasser, das an die Oberfläche kommt oder in einer für uns zugänglichen Tiefe liegt. In manchen Fällen wird das Wasser in der Tiefe bis zum Dampfzustand erhitzt.
Es gibt keine strenge Definition des Begriffs „Thermalwasser“. Dabei handelt es sich in der Regel um heißes Grundwasser in flüssigem Zustand oder in Form von Dampf, auch solche, die mit einer Temperatur über 20°C, also in der Regel höher als die Lufttemperatur, an die Erdoberfläche gelangen .
Die Wärme von Grundwasser, Dampf und Dampf-Wasser-Gemischen ist hydrothermale Energie. Dementsprechend wird Energie, die auf ihrer Nutzung basiert, als hydrothermal bezeichnet.
Komplizierter ist die Situation bei der Gewinnung von Wärme direkt aus trockenem Gestein – der petrothermischen Energie, zumal relativ hohe Temperaturen in der Regel ab Tiefen von mehreren Kilometern beginnen.
Auf dem Territorium Russlands ist das Potenzial der petrothermischen Energie hundertmal höher als das der hydrothermischen Energie – 3.500 bzw. 35 Billionen Tonnen Standardbrennstoff. Das ist ganz natürlich – die Wärme der Tiefen der Erde ist überall verfügbar und Thermalwasser gibt es lokal. Aufgrund offensichtlicher technischer Schwierigkeiten werden Thermalwässer derzeit jedoch überwiegend zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt.
Zum Heizen eignen sich Wässer mit Temperaturen von 20–30 bis 100 °C, für die Stromerzeugung in Geothermiekraftwerken eignen sich Temperaturen ab 150 °C.
Im Allgemeinen sind die geothermischen Ressourcen in Russland, ausgedrückt in Tonnen äquivalentem Brennstoff oder einer anderen Energiemaßeinheit, etwa zehnmal höher als die Reserven an fossilen Brennstoffen.
Theoretisch könnte nur Geothermie den Energiebedarf des Landes vollständig decken. In der Praxis ist dies derzeit in den meisten Gebieten des Landes aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht möglich.
Weltweit wird die Nutzung geothermischer Energie am häufigsten mit Island in Verbindung gebracht, einem Land am nördlichen Ende des Mittelatlantischen Rückens, in einer äußerst aktiven tektonischen und vulkanischen Zone. Wahrscheinlich erinnert sich jeder an den gewaltigen Ausbruch des Vulkans Eyjafjallajökull ( Eyjafjallajökull) im 2010-Jahr.
Dieser geologischen Besonderheit ist es zu verdanken, dass Island über riesige Reserven an geothermischer Energie verfügt, darunter heiße Quellen, die an der Erdoberfläche entspringen und sogar in Form von Geysiren hervorsprudeln.
In Island stammen derzeit über 60 % der gesamten verbrauchten Energie aus der Erde. Geothermische Quellen liefern 90 % der Wärme und 30 % der Stromerzeugung. Fügen wir hinzu, dass der restliche Strom des Landes durch Wasserkraftwerke erzeugt wird, also ebenfalls unter Nutzung einer erneuerbaren Energiequelle, was Island wie eine Art globalen Umweltstandard erscheinen lässt.
Die Domestizierung der Geothermie im 20. Jahrhundert brachte Island große wirtschaftliche Vorteile. Bis zur Mitte des letzten Jahrhunderts war es ein sehr armes Land, heute steht es weltweit an erster Stelle in Bezug auf die installierte Kapazität und Produktion von Geothermie pro Kopf und gehört zu den Top Ten in Bezug auf die absolute installierte Leistung von Geothermiekraftwerken . Die Bevölkerungszahl beträgt jedoch nur 300.000 Menschen, was die Umstellung auf umweltfreundliche Energiequellen vereinfacht: Der Bedarf dafür ist im Allgemeinen gering.
Ein hoher Anteil der Geothermie an der Gesamtbilanz der Stromerzeugung wird neben Island auch in Neuseeland und den Inselstaaten Südostasiens (Philippinen und Indonesien), Ländern Mittelamerikas und Ostafrikas bereitgestellt, deren Territorium ebenfalls liegt gekennzeichnet durch hohe seismische und vulkanische Aktivität. Für diese Länder leistet Geothermie bei ihrem derzeitigen Entwicklungsstand und Bedarf einen wesentlichen Beitrag zur sozioökonomischen Entwicklung.
Die Nutzung der Geothermie hat eine sehr lange Geschichte. Eines der ersten bekannten Beispiele ist Italien, ein Ort in der Provinz Toskana, heute Larderello genannt, wo zu Beginn des 19. Jahrhunderts lokales heißes Thermalwasser, das auf natürlichem Wege strömte oder aus flachen Brunnen gewonnen wurde, für Energiezwecke genutzt wurde.
Zur Gewinnung von Borsäure wurde hier borreiches Wasser aus unterirdischen Quellen genutzt. Ursprünglich wurde diese Säure durch Verdampfung in Eisenkesseln gewonnen und als Brennstoff wurde gewöhnliches Holz aus den umliegenden Wäldern verwendet, doch 1827 schuf Francesco Larderel ein System, das mit der Wärme des Wassers selbst arbeitete. Gleichzeitig begann man, die Energie des natürlichen Wasserdampfs zum Betrieb von Bohrinseln und zu Beginn des 20. Jahrhunderts zum Heizen lokaler Häuser und Gewächshäuser zu nutzen. Dort, in Larderello, wurde 1904 Thermalwasserdampf zu einer Energiequelle zur Stromerzeugung.
Dem Beispiel Italiens folgten Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts mehrere andere Länder. Beispielsweise wurde Thermalwasser erstmals 1892 in den USA (Boise, Idaho), 1919 in Japan und 1928 in Island zur Nahheizung genutzt.
In den USA entstand Anfang der 1930er Jahre in Kalifornien das erste hydrothermale Kraftwerk, 1958 in Neuseeland, 1959 in Mexiko und 1965 in Russland (das weltweit erste binäre GeoPP).
Altes Prinzip auf einer neuen Quelle
Für die Stromerzeugung ist eine höhere Temperatur der Wasserquelle erforderlich als für die Heizung – mehr als 150 °C. Das Funktionsprinzip eines Geothermiekraftwerks (GeoPP) ähnelt dem Funktionsprinzip eines konventionellen Wärmekraftwerks (BHKW). Tatsächlich handelt es sich bei einem Geothermiekraftwerk um eine Art Wärmekraftwerk.
In Wärmekraftwerken ist der primäre Energieträger meist Kohle, Gas oder Heizöl, das Arbeitsmedium ist Wasserdampf. Beim Verbrennen von Brennstoff wird Wasser zu Dampf erhitzt, der eine Dampfturbine antreibt, die Strom erzeugt.
Der Unterschied zwischen einem GeoPP besteht darin, dass die primäre Energiequelle hier die Wärme des Erdinneren ist und das Arbeitsmedium in Form von Dampf den Turbinenschaufeln des elektrischen Generators in „fertiger“ Form direkt aus der Förderbohrung zugeführt wird .
Es gibt drei Hauptbetriebsarten für GeoPPs: direkt, mit trockenem (geothermischen) Dampf; indirekt, basierend auf hydrothermalem Wasser und gemischt oder binär.
Die Verwendung des einen oder anderen Schemas hängt vom Aggregatzustand und der Temperatur des Energieträgers ab.
Das einfachste und daher erste der beherrschten Schemata ist das Direktverfahren, bei dem der aus dem Bohrloch kommende Dampf direkt durch die Turbine geleitet wird. Das weltweit erste geoelektrische Kraftwerk in Larderello wurde 1904 ebenfalls mit Trockendampf betrieben.
GeoPPs mit indirektem Betriebsschema sind in unserer Zeit am weitesten verbreitet. Sie nutzen heißes Grundwasser, das unter hohem Druck in einen Verdampfer gepumpt wird, wo ein Teil davon verdampft und der entstehende Dampf eine Turbine in Rotation versetzt. In einigen Fällen sind zusätzliche Geräte und Kreisläufe erforderlich, um geothermisches Wasser und Dampf von aggressiven Verbindungen zu reinigen.
Der Abdampf gelangt in den Injektionsbrunnen oder wird zur Beheizung der Räumlichkeiten genutzt – in diesem Fall ist das Prinzip das gleiche wie beim Betrieb eines Wärmekraftwerks.
Bei binären GeoPPs interagiert heißes Thermalwasser mit einer anderen Flüssigkeit, die die Funktionen eines Arbeitsmediums mit niedrigerem Siedepunkt übernimmt. Beide Flüssigkeiten werden durch einen Wärmetauscher geleitet, wo Thermalwasser das Arbeitsmedium verdampft, dessen Dämpfe die Turbine drehen.
Dieses System ist geschlossen, was das Problem der Emissionen in die Atmosphäre löst. Darüber hinaus ermöglichen Arbeitsflüssigkeiten mit relativ niedrigem Siedepunkt die Nutzung nicht sehr heißer Thermalwässer als primäre Energiequelle.
Alle drei Systeme nutzen eine hydrothermale Quelle, aber auch petrothermische Energie kann zur Stromerzeugung genutzt werden.
Auch der Schaltplan ist in diesem Fall recht einfach. Es ist notwendig, zwei miteinander verbundene Brunnen zu bohren – Injektions- und Förderbrunnen. Wasser wird in den Injektionsbrunnen gepumpt. In der Tiefe wird es erhitzt, dann wird das durch die starke Erwärmung entstehende erhitzte Wasser oder der Dampf durch den Produktionsbrunnen an die Oberfläche geleitet. Dann kommt es darauf an, wie petrothermische Energie genutzt wird – zum Heizen oder zur Stromerzeugung. Ein geschlossener Kreislauf ist möglich, indem Abdampf und Wasser zurück in den Injektionsbrunnen gepumpt oder auf andere Weise entsorgt werden.
Der Nachteil eines solchen Systems liegt auf der Hand: Um eine ausreichend hohe Temperatur des Arbeitsmediums zu erreichen, ist es notwendig, Brunnen in große Tiefen zu bohren. Und das sind erhebliche Kosten und das Risiko eines erheblichen Wärmeverlusts, wenn die Flüssigkeit nach oben wandert. Deshalb sind petrothermische Systeme im Vergleich zu hydrothermalen noch weniger verbreitet, obwohl das Potenzial der petrothermalen Energie um Größenordnungen höher ist.
Derzeit ist Australien führend bei der Schaffung sogenannter petrothermischer Zirkulationssysteme (PCS). Darüber hinaus entwickelt sich dieser Bereich der Geothermie in den USA, der Schweiz, Großbritannien und Japan aktiv weiter.
Geschenk von Lord Kelvin
Die Erfindung der Wärmepumpe im Jahr 1852 durch den Physiker William Thompson (alias Lord Kelvin) bot der Menschheit eine echte Möglichkeit, die minderwertige Wärme der oberen Erdschichten zu nutzen. Ein Wärmepumpensystem oder Wärmevervielfacher, wie Thompson es nannte, basiert auf dem physikalischen Prozess der Übertragung von Wärme aus der Umgebung auf ein Kältemittel. Im Wesentlichen nutzt es das gleiche Prinzip wie petrothermische Systeme. Der Unterschied liegt in der Wärmequelle, was eine terminologische Frage aufwerfen kann: Inwieweit kann eine Wärmepumpe als geothermisches System betrachtet werden? Tatsache ist, dass in den oberen Schichten, bis zu einer Tiefe von mehreren zehn bis hundert Metern, das Gestein und die darin enthaltenen Flüssigkeiten nicht durch die Tiefenwärme der Erde, sondern durch die Sonne erhitzt werden. Somit ist in diesem Fall die Sonne die primäre Wärmequelle, obwohl sie wie bei Geothermieanlagen dem Erdreich entnommen wird.
Der Betrieb einer Wärmepumpe basiert auf der Verzögerung der Erwärmung und Abkühlung des Bodens im Vergleich zur Atmosphäre, was zur Bildung eines Temperaturgradienten zwischen der Oberfläche und tieferen Schichten führt, der die Wärme auch im Winter speichert, genau wie es in Stauseen der Fall ist . Der Hauptzweck von Wärmepumpen ist die Raumheizung. Im Wesentlichen handelt es sich um einen „Rückwärtskühlschrank“. Sowohl die Wärmepumpe als auch der Kühlschrank interagieren mit drei Komponenten: der inneren Umgebung (im ersten Fall ein beheizter Raum, im zweiten Fall der gekühlten Kammer des Kühlschranks), der äußeren Umgebung – einer Energiequelle und einem Kältemittel (Kältemittel). , das auch ein Kühlmittel ist, das für die Wärmeübertragung bzw. Kälte sorgt.
Ein Stoff mit einem niedrigen Siedepunkt fungiert als Kältemittel, wodurch er Wärme aus einer Quelle aufnehmen kann, die auch eine relativ niedrige Temperatur hat.
Im Kühlschrank strömt flüssiges Kältemittel durch eine Drossel (Druckregler) in den Verdampfer, wo die Flüssigkeit aufgrund eines starken Druckabfalls verdampft. Verdunstung ist ein endothermer Prozess, der die Aufnahme von Wärme von außen erfordert. Dadurch wird den Innenwänden des Verdampfers Wärme entzogen, was für einen Kühleffekt im Kühlraum sorgt. Anschließend wird das Kältemittel vom Verdampfer in den Kompressor gesaugt, wo es wieder in einen flüssigen Zustand übergeht. Dabei handelt es sich um einen umgekehrten Prozess, der zur Abgabe der entzogenen Wärme an die Außenumgebung führt. In der Regel wird es in Innenräumen geworfen und die Rückwand des Kühlschranks ist relativ warm.
Eine Wärmepumpe funktioniert fast auf die gleiche Weise, mit dem Unterschied, dass der Außenumgebung Wärme entnommen wird und über den Verdampfer in die Innenumgebung – das Raumheizsystem – gelangt.
In einer echten Wärmepumpe wird Wasser erhitzt, indem es durch einen externen Kreislauf im Erdreich oder in einem Reservoir geleitet wird, und gelangt dann in den Verdampfer.
Im Verdampfer wird Wärme an einen internen Kreislauf übertragen, der mit einem Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt gefüllt ist, das beim Durchströmen des Verdampfers vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht und dabei Wärme abführt.
Anschließend gelangt das gasförmige Kältemittel in den Kompressor, wo es auf hohen Druck und hohe Temperatur komprimiert wird, und gelangt in den Kondensator, wo ein Wärmeaustausch zwischen dem heißen Gas und dem Kühlmittel aus dem Heizsystem stattfindet.
Der Kompressor benötigt zum Betrieb Strom, aber das Umwandlungsverhältnis (das Verhältnis von verbrauchter zu erzeugter Energie) ist in modernen Systemen hoch genug, um ihre Effizienz sicherzustellen.
Derzeit werden Wärmepumpen vor allem in wirtschaftlich entwickelten Ländern weit verbreitet zur Raumheizung eingesetzt.
Öko-korrekte Energie
Geothermie gilt als umweltfreundlich, was im Allgemeinen zutrifft. Erstens nutzt es eine erneuerbare und nahezu unerschöpfliche Ressource. Geothermie benötigt im Gegensatz zu großen Wasserkraftwerken oder Windparks keine großen Flächen und belastet die Atmosphäre im Gegensatz zur Kohlenwasserstoffenergie nicht. Im Durchschnitt nimmt ein GeoPP 400 m 2 ein, bezogen auf 1 GW erzeugten Stroms. Die gleiche Zahl beträgt beispielsweise für ein Kohlekraftwerk 3600 m2. Zu den Umweltvorteilen von GeoPPs gehört auch der geringe Wasserverbrauch – 20 Liter Frischwasser pro 1 kW, während Wärmekraftwerke und Kernkraftwerke etwa 1000 Liter benötigen. Beachten Sie, dass es sich hierbei um die Umweltindikatoren des „durchschnittlichen“ GeoPP handelt.
Aber es gibt immer noch negative Nebenwirkungen. Unter ihnen werden am häufigsten Lärm, thermische Verschmutzung der Atmosphäre und chemische Verschmutzung von Wasser und Boden sowie die Bildung fester Abfälle genannt.
Die Hauptquelle der chemischen Verschmutzung der Umwelt ist Thermalwasser selbst (mit hoher Temperatur und Mineralisierung), das oft große Mengen giftiger Verbindungen enthält, weshalb es ein Problem bei der Entsorgung von Abwasser und gefährlichen Stoffen gibt.
Die negativen Auswirkungen der Geothermie lassen sich in mehreren Phasen verfolgen, beginnend mit dem Bohren von Brunnen. Hier entstehen die gleichen Gefahren wie beim Bohren eines Brunnens: Zerstörung des Bodens und der Vegetationsdecke, Kontamination von Boden und Grundwasser.
In der Betriebsphase des GeoPP bestehen weiterhin Probleme der Umweltverschmutzung. Thermoflüssigkeiten – Wasser und Dampf – enthalten üblicherweise Kohlendioxid (CO 2), Schwefelsulfid (H 2 S), Ammoniak (NH 3), Methan (CH 4), Speisesalz (NaCl), Bor (B), Arsen (As). ), Quecksilber (Hg). Wenn sie in die äußere Umgebung gelangen, werden sie zu Verschmutzungsquellen. Darüber hinaus kann eine aggressive chemische Umgebung zu einer korrosiven Zerstörung der Strukturen von Geothermiekraftwerken führen.
Gleichzeitig sind die Schadstoffemissionen von Geokraftwerken im Durchschnitt geringer als von thermischen Kraftwerken. Beispielsweise beträgt der Kohlendioxidausstoß pro erzeugter Kilowattstunde Strom bei GeoPPs bis zu 380 g, bei kohlebefeuerten Wärmekraftwerken 1042 g, bei Ölkraftwerken 906 g und bei gasbefeuerten Wärmekraftwerken 453 g .
Es stellt sich die Frage: Wohin mit dem Abwasser? Bei geringer Mineralisierung kann es nach Abkühlung in Oberflächengewässer eingeleitet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, es über eine Injektionsbohrung in den Grundwasserleiter zurückzupumpen, was derzeit bevorzugt und überwiegend genutzt wird.
Die Entnahme von Thermalwasser aus Grundwasserleitern (sowie das Abpumpen von gewöhnlichem Wasser) kann zu Bodensenkungen und Bodenbewegungen, anderen Verformungen geologischer Schichten und Mikroerdbeben führen. Die Wahrscheinlichkeit für solche Phänomene ist in der Regel gering, es wurden jedoch vereinzelte Fälle registriert (z. B. am GeoPP in Staufen im Breisgau in Deutschland).
Es sollte betont werden, dass sich die meisten GeoPPs in relativ dünn besiedelten Gebieten und in Ländern der Dritten Welt befinden, wo die Umweltanforderungen weniger streng sind als in entwickelten Ländern. Darüber hinaus sind die Anzahl der GeoPPs und deren Kapazitäten derzeit relativ gering. Mit der groß angelegten Entwicklung der Geothermie können die Umweltrisiken zunehmen und sich vervielfachen.
Wie hoch ist die Energie der Erde?
Die Investitionskosten für den Bau von Geothermieanlagen schwanken in einem sehr breiten Spektrum – von 200 bis 5000 Dollar pro 1 kW installierter Leistung, d. h. die günstigsten Optionen sind vergleichbar mit den Kosten für den Bau eines Wärmekraftwerks. Sie hängen in erster Linie von den Vorkommensbedingungen des Thermalwassers, seiner Zusammensetzung und der Gestaltung des Systems ab. Das Bohren in große Tiefen, die Schaffung eines geschlossenen Systems mit zwei Brunnen und die Notwendigkeit, Wasser zu reinigen, können die Kosten um ein Vielfaches erhöhen.
Beispielsweise werden die Investitionen in die Schaffung eines petrothermischen Zirkulationssystems (PCS) auf 1,6–4.000 Dollar pro 1 kW installierter Leistung geschätzt, was die Kosten für den Bau eines Kernkraftwerks übersteigt und mit den Kosten für den Bau von Windkraftanlagen und Windkraftanlagen vergleichbar ist Solarkraftwerke.
Der offensichtliche wirtschaftliche Vorteil von GeoTES ist kostenlose Energie. Zum Vergleich: In der Kostenstruktur eines in Betrieb befindlichen thermischen Kraftwerks oder Kernkraftwerks macht der Brennstoff je nach aktuellen Energiepreisen 50–80 % oder sogar mehr aus. Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil der Geothermieanlage: Die Betriebskosten sind stabiler und vorhersehbarer, da sie nicht von externen Energiepreisbedingungen abhängen. Im Allgemeinen werden die Betriebskosten von Geothermiekraftwerken auf 2–10 Cent (60 Kopeken–3 Rubel) pro 1 kWh erzeugtem Strom geschätzt.
Der zweitgrößte Kostenposten nach Energie (und ein sehr bedeutender) sind in der Regel die Löhne des Anlagenpersonals, die je nach Land und Region stark variieren können.
Im Durchschnitt sind die Kosten für 1 kWh Geothermie vergleichbar mit denen für Wärmekraftwerke (in russischen Verhältnissen etwa 1 Rubel/1 kWh) und zehnmal höher als die Kosten für die Stromerzeugung in einem Wasserkraftwerk (5–10). Kopeken/1 kWh ).
Ein Grund für die hohen Kosten liegt unter anderem darin, dass Geothermiekraftwerke im Gegensatz zu thermischen und hydraulischen Kraftwerken eine relativ geringe Kapazität haben. Darüber hinaus ist es notwendig, Anlagen zu vergleichen, die sich in derselben Region und unter ähnlichen Bedingungen befinden. In Kamtschatka beispielsweise kostet 1 kWh geothermischer Strom laut Experten zwei- bis dreimal weniger als Strom, der in lokalen Wärmekraftwerken erzeugt wird.
Indikatoren für die Wirtschaftlichkeit einer Geothermieanlage hängen beispielsweise davon ab, ob und auf welche Weise Abwasser entsorgt werden muss und ob eine kombinierte Nutzung der Ressource möglich ist. Somit können aus Thermalwasser gewonnene chemische Elemente und Verbindungen für zusätzliche Einnahmen sorgen. Erinnern wir uns an das Beispiel von Larderello: Dort stand die chemische Produktion im Vordergrund, die Nutzung der Erdwärme hatte zunächst Hilfscharakter.
Geothermie voran
Die Geothermie entwickelt sich etwas anders als Wind und Sonne. Derzeit hängt es in viel größerem Maße von der Art der Ressource selbst ab, die je nach Region stark variiert, und die höchsten Konzentrationen sind mit schmalen Zonen geothermischer Anomalien verbunden, die normalerweise mit Gebieten mit tektonischen Verwerfungen und Vulkanismus verbunden sind.
Darüber hinaus ist Geothermie im Vergleich zu Wind- und insbesondere Solarenergie weniger technologieintensiv: Geothermie-Stationssysteme sind recht einfach.
Im Gesamtgefüge der weltweiten Stromerzeugung macht der geothermische Anteil weniger als 1 % aus, in einigen Regionen und Ländern erreicht er jedoch 25–30 %. Aufgrund des Zusammenhangs mit den geologischen Bedingungen ist ein erheblicher Teil der Geothermiekapazität in Ländern der Dritten Welt konzentriert, wo es drei Cluster mit der größten Entwicklung der Industrie gibt – die Inseln Südostasiens, Mittelamerikas und Ostafrikas. Die ersten beiden Regionen gehören zum pazifischen „Feuergürtel der Erde“, die dritte ist mit dem Ostafrikanischen Graben verbunden. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich die Geothermie in diesen Gürteln weiter entwickeln wird. Eine weiter entfernte Perspektive ist die Entwicklung petrothermischer Energie, bei der die Wärme der in mehreren Kilometern Tiefe liegenden Erdschichten genutzt wird. Dabei handelt es sich um eine fast allgegenwärtige Ressource, deren Gewinnung jedoch mit hohen Kosten verbunden ist, weshalb sich die petrothermische Energie vor allem in den wirtschaftlich und technologisch stärksten Ländern entwickelt.
Generell gibt es angesichts der weiten Verbreitung geothermischer Ressourcen und eines akzeptablen Niveaus der Umweltsicherheit Grund zu der Annahme, dass die Geothermie gute Entwicklungsaussichten hat. Insbesondere angesichts der wachsenden Gefahr einer Verknappung traditioneller Energieressourcen und steigender Preise dafür.
Von Kamtschatka bis zum Kaukasus
In Russland hat die Entwicklung der Geothermie eine ziemlich lange Geschichte und in einigen Positionen gehören wir zu den weltweit führenden Unternehmen, obwohl der Anteil der Geothermie an der Gesamtenergiebilanz des riesigen Landes immer noch vernachlässigbar ist.
Zwei Regionen sind zu Pionieren und Zentren für die Entwicklung der Geothermie in Russland geworden – Kamtschatka und der Nordkaukasus, und wenn es im ersten Fall hauptsächlich um die Elektrizitätswirtschaft geht, dann im zweiten Fall um die Nutzung von Wärmeenergie aus Thermalwasser.
Im Nordkaukasus – in der Region Krasnodar, Tschetschenien, Dagestan – wurde die Wärme des Thermalwassers bereits vor dem Großen Vaterländischen Krieg zu Energiezwecken genutzt. In den 1980er und 1990er Jahren geriet die Entwicklung der Geothermie in der Region aus offensichtlichen Gründen ins Stocken und konnte den Zustand der Stagnation noch nicht überwinden. Dennoch versorgt die geothermische Wasserversorgung im Nordkaukasus etwa 500.000 Menschen mit Wärme, und beispielsweise wird die Stadt Labinsk in der Region Krasnodar mit einer Bevölkerung von 60.000 Menschen vollständig durch geothermisches Wasser beheizt.
In Kamtschatka ist die Geschichte der Geothermie vor allem mit dem Bau von GeoPPs verbunden. Die ersten davon, die noch in Betrieb befindlichen Stationen Pauzhetskaya und Paratunka, wurden bereits in den Jahren 1965–1967 gebaut, während das GeoPP Paratunka mit einer Leistung von 600 kW die erste Station der Welt mit einem binären Kreislauf wurde. Dies war die Entwicklung der sowjetischen Wissenschaftler S.S. Kutateladze und A.M. Rosenfeld vom Institut für Thermophysik SB RAS, die 1965 ein Autorenzertifikat für die Gewinnung von Elektrizität aus Wasser mit einer Temperatur von 70°C erhielten. Diese Technologie wurde später zum Prototyp für mehr als 400 binäre GeoPPs weltweit.
Die Kapazität des 1966 in Betrieb genommenen GeoPP Pauzhetskaya betrug zunächst 5 MW und wurde anschließend auf 12 MW erhöht. Derzeit wird an der Station ein Binärblock gebaut, der die Kapazität um weitere 2,5 MW erhöhen wird.
Die Entwicklung der Geothermie in der UdSSR und in Russland wurde durch die Verfügbarkeit traditioneller Energiequellen – Öl, Gas, Kohle – behindert, aber nie gestoppt. Die derzeit größten Geothermieanlagen sind das 1999 in Betrieb genommene Verkhne-Mutnovskaya GeoPP mit einer Gesamtkapazität von Kraftwerksblöcken von 12 MW und das Mutnovskaya GeoPP mit einer Kapazität von 50 MW (2002).
Die GeoPPs Mutnovskaya und Verkhne-Mutnovskaya sind einzigartige Objekte nicht nur für Russland, sondern auch auf globaler Ebene. Die Stationen befinden sich am Fuße des Mutnovsky-Vulkans auf einer Höhe von 800 Metern über dem Meeresspiegel und werden unter extremen klimatischen Bedingungen betrieben, wo neun bis zehn Monate im Jahr Winter herrscht. Die Ausrüstung der Mutnovsky GeoPPs, derzeit eine der modernsten der Welt, wurde vollständig von inländischen Energietechnikunternehmen hergestellt.
Derzeit beträgt der Anteil der Mutnovsky-Stationen an der Gesamtenergieverbrauchsstruktur des Energieknotenpunkts Zentralkamtschatka 40 %. Für die kommenden Jahre ist eine Kapazitätserweiterung geplant.
Besonders hervorzuheben sind die russischen petrothermischen Entwicklungen. Wir haben noch keine großen Bohrzentren, aber wir verfügen über fortschrittliche Technologien zum Bohren in große Tiefen (ca. 10 km), die weltweit ihresgleichen suchen. Ihre Weiterentwicklung wird die Kosten für die Schaffung petrothermischer Systeme radikal senken. Die Entwickler dieser Technologien und Projekte sind N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geologisches Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften), A. S. Nekrasov (Institut für nationale Wirtschaftsprognosen der Russischen Akademie der Wissenschaften) und Spezialisten des Turbinenwerks Kaluga. Derzeit befindet sich das Projekt eines petrothermischen Zirkulationssystems in Russland im Versuchsstadium.
Geothermie hat in Russland Perspektiven, auch wenn sie relativ weit entfernt sind: Das Potenzial ist derzeit recht groß und die Position der traditionellen Energie ist stark. Gleichzeitig ist die Nutzung der Geothermie in einigen abgelegenen Gebieten des Landes wirtschaftlich rentabel und bereits gefragt. Dies sind Gebiete mit hohem Geoenergiepotenzial (Tschukotka, Kamtschatka, die Kurilen – der russische Teil des pazifischen „Feuergürtels der Erde“, die Berge Südsibiriens und des Kaukasus) und gleichzeitig abgelegen und von der Zentralisierung abgeschnitten Energievorräte.
Wahrscheinlich wird sich die Geothermie in unserem Land in den kommenden Jahrzehnten genau in solchen Regionen entwickeln.
Der Begriff „Geothermie“ setzt sich aus den griechischen Wörtern für Erde (geo) und Wärme (thermisch) zusammen. Tatsächlich, Geothermie stammt aus der Erde selbst. Die Wärme aus dem Erdkern, die durchschnittlich 3.600 Grad Celsius beträgt, strahlt zur Planetenoberfläche.
Die Beheizung von unterirdischen Quellen und Geysiren in mehreren Kilometern Tiefe kann über spezielle Brunnen erfolgen, durch die heißes Wasser (oder daraus Dampf) an die Oberfläche strömt, wo es direkt als Wärme oder indirekt durch Einschalten zur Stromerzeugung genutzt werden kann rotierende Turbinen.
Da das Wasser unter der Erdoberfläche ständig erneuert wird und der Erdkern im Verhältnis zum menschlichen Leben auf unbestimmte Zeit Wärme produzieren wird, wird dies letztendlich auch die Geothermie tun sauber und erneuerbar.
Methoden zur Sammlung der Energieressourcen der Erde
Heutzutage gibt es drei Hauptmethoden zur Gewinnung geothermischer Energie: Trockendampf, Heißwasser und den binären Kreislauf. Der Trockendampfprozess treibt direkt die Turbinenantriebe von Stromgeneratoren an. Heißes Wasser fließt von unten nach oben und wird dann in den Tank gesprüht, um Dampf zum Antrieb der Turbinen zu erzeugen. Diese beiden Methoden sind die gebräuchlichsten und erzeugen in den USA, Island, Europa, Russland und anderen Ländern Hunderte Megawatt Strom. Der Standort ist jedoch begrenzt, da diese Anlagen nur in tektonischen Regionen betrieben werden, in denen der Zugang zu erwärmtem Wasser einfacher ist.
Bei der binären Kreislauftechnologie wird warmes (nicht unbedingt heißes) Wasser an die Oberfläche gebracht und mit Butan oder Pentan kombiniert, die einen niedrigen Siedepunkt haben. Diese Flüssigkeit wird durch einen Wärmetauscher gepumpt, wo sie verdampft und durch eine Turbine geleitet wird, bevor sie wieder in das System zurückgeführt wird. Binäre Kreislauftechnologien liefern in den Vereinigten Staaten Dutzende Megawatt Strom: Kalifornien, Nevada und Hawaii.
Das Prinzip der Energieerzeugung
Nachteile der Geothermie
Auf Versorgungsebene sind Geothermiekraftwerke teuer in der Errichtung und im Betrieb. Um einen geeigneten Standort zu finden, sind kostspielige Bohrlochuntersuchungen erforderlich, ohne dass garantiert werden kann, dass ein produktiver unterirdischer Hotspot gefunden wird. Analysten gehen jedoch davon aus, dass sich diese Kapazität in den nächsten sechs Jahren nahezu verdoppeln wird.
Darüber hinaus liegen Gebiete mit hohen unterirdischen Quelltemperaturen in Gebieten mit aktiven geologischen und chemischen Vulkanen. Diese „Hot Spots“ bilden sich an den Grenzen tektonischer Platten an Stellen, an denen die Kruste recht dünn ist. In der Pazifikregion, die oft als Feuerring vieler Vulkane bezeichnet wird, gibt es viele Hotspots, unter anderem in Alaska, Kalifornien und Oregon. In Nevada gibt es Hunderte von Hotspots, die einen Großteil des Nordens der Vereinigten Staaten abdecken.
Es gibt andere seismisch aktive Gebiete. Erdbeben und die Bewegung von Magma sorgen dafür, dass das Wasser zirkulieren kann. An manchen Orten steigt Wasser an die Oberfläche und es entstehen natürliche heiße Quellen und Geysire, beispielsweise in Kamtschatka. Das Wasser in den Geysiren Kamtschatkas erreicht eine Temperatur von 95° C. 
Eines der Probleme bei einem offenen Geysirsystem ist die Freisetzung bestimmter Luftschadstoffe. Schwefelwasserstoff ist ein giftiges Gas mit einem deutlich erkennbaren „faulen Eier“-Geruch – kleine Mengen Arsen und Mineralien werden mit dem Dampf freigesetzt. Auch Salz kann ein Umweltproblem darstellen.
In Offshore-Geothermiekraftwerken sammeln sich in den Rohren erhebliche Mengen an Störsalzen an. In geschlossenen Systemen gibt es keine Emissionen und die gesamte an die Oberfläche gebrachte Flüssigkeit wird zurückgeführt.
Wirtschaftliches Potenzial der Energieressource
Seismisch aktive Orte sind nicht die einzigen Orte, an denen geothermische Energie gefunden werden kann. Fast überall auf der Erde steht in Tiefen von 4 Metern bis zu mehreren Kilometern unter der Erdoberfläche ständig nutzbare Wärme für direkte Heizzwecke zur Verfügung. Sogar der Boden in Ihrem eigenen Hinterhof oder in der örtlichen Schule hat wirtschaftliches Potenzial in Form von Wärme, die an Ihr Haus oder andere Gebäude abgegeben werden kann.
Darüber hinaus gibt es in trockenen Gesteinsformationen sehr tief unter der Oberfläche (4 – 10 km) eine enorme Menge an Wärmeenergie.
Durch den Einsatz der neuen Technologie könnten Geothermiesysteme erweitert werden, sodass Menschen diese Wärme in viel größerem Umfang als mit herkömmlichen Technologien zur Stromerzeugung nutzen könnten. Erste Demonstrationsprojekte dieses Prinzips der Stromerzeugung wurden bereits 2013 in den USA und Australien gezeigt.
Wenn das volle wirtschaftliche Potenzial der geothermischen Ressourcen ausgeschöpft werden kann, wird sie eine riesige Stromquelle für die Produktionskapazität darstellen. Wissenschaftler schätzen, dass konventionelle Geothermiequellen ein Potenzial von 38.000 MW haben, wodurch 380 Millionen MW Strom pro Jahr erzeugt werden können.
Heißes, trockenes Gestein kommt in Tiefen von 5 bis 8 km überall unter der Erde und an bestimmten Stellen in geringeren Tiefen vor. Der Zugang zu diesen Ressourcen erfordert die Einführung von kaltem Wasser, die Zirkulation durch heißes Gestein und die Entfernung von erhitztem Wasser. Derzeit gibt es keine kommerziellen Anwendungen für diese Technologie. Bestehende Technologien erlauben noch nicht die Gewinnung von Wärmeenergie direkt aus Magma, sehr tief, aber dies ist die leistungsstärkste Ressource der Geothermie.
Durch die Kombination der Energieressourcen und ihre Konsistenz kann Geothermie eine unverzichtbare Rolle als saubereres und nachhaltigeres Energiesystem spielen.
Geothermische Kraftwerksstrukturen
Geothermie ist saubere, nachhaltige Wärme aus der Erde. Große Ressourcen finden sich in einem Bereich von mehreren Kilometern unter der Erdoberfläche und sogar noch tiefer in geschmolzenem Gestein mit hoher Temperatur, dem sogenannten Magma. Doch wie oben beschrieben, haben die Menschen das Magma noch nicht erreicht.
Drei Bauformen von Geothermiekraftwerken
Die Anwendungstechnologie wird durch die Ressource bestimmt. Kommt das Wasser als Dampf aus dem Brunnen, kann es direkt genutzt werden. Wenn heißes Wasser eine ausreichend hohe Temperatur hat, muss es einen Wärmetauscher durchlaufen.
Der erste Brunnen zur Energiegewinnung wurde bereits vor 1924 gebohrt. In den 1950er Jahren wurden tiefere Brunnen gebohrt, doch in den 1970er und 1980er Jahren kam es zu einer echten Entwicklung.
Direkte Nutzung der Erdwärme
Geothermische Quellen können auch direkt zu Heizzwecken genutzt werden. Heißes Wasser wird zum Heizen von Gebäuden, zum Pflanzenanbau in Gewächshäusern, zum Trocknen von Fisch und Feldfrüchten, zur Verbesserung der Ölrückgewinnung, zur Unterstützung industrieller Prozesse wie Milchpasteurisierungsanlagen und zum Erhitzen von Wasser in Fischfarmen verwendet. In den Vereinigten Staaten nutzen Klamath Falls (Oregon) und Boise (Idaho) seit über einem Jahrhundert geothermisches Wasser zum Heizen von Häusern und Gebäuden. An der Ostküste bezieht Warm Springs, Virginia, seine Wärme direkt aus Quellwasser und nutzt Wärmequellen in einem der örtlichen Resorts.
In Island wird fast jedes Gebäude im Land mit heißem Quellwasser beheizt. Tatsächlich bezieht Island mehr als 50 Prozent seiner Primärenergie aus geothermischen Quellen. In Reykjavik beispielsweise (118.000 Einwohner) wird Warmwasser per Förderband über 25 Kilometer transportiert und die Bewohner nutzen es zum Heizen und für den Naturbedarf.
Neuseeland erhält zusätzlich 10 % seines Stroms. ist trotz des Vorhandenseins von Thermalwasser unterentwickelt.
Für Russland kann die Wärmeenergie der Erde durch neue hochwertige, umweltfreundliche Technologien für ihre Gewinnung und Lieferung an den Verbraucher zu einer konstanten, zuverlässigen Quelle für billigen und erschwinglichen Strom und Wärme werden. Dies gilt insbesondere heutzutage
Begrenzte Ressourcen an fossilen Energierohstoffen
Die Nachfrage nach organischen Energierohstoffen ist in Industrie- und Entwicklungsländern (USA, Japan, Länder des vereinten Europas, China, Indien usw.) groß. Gleichzeitig sind die eigenen Kohlenwasserstoffressourcen dieser Länder entweder unzureichend oder reserviert, und ein Land, beispielsweise die Vereinigten Staaten, kauft Energierohstoffe im Ausland oder erschließt Vorkommen in anderen Ländern.
In Russland, einem der energiereichsten Länder, wird der wirtschaftliche Energiebedarf bisher durch die Möglichkeiten der Nutzung natürlicher Ressourcen gedeckt. Allerdings erfolgt die Gewinnung fossiler Kohlenwasserstoffe aus dem Untergrund sehr schnell. Wenn in den 1940–1960er Jahren. Die wichtigsten Ölfördergebiete waren „Zweites Baku“ in der Wolgaregion und im Ural, von den 1970er Jahren bis heute war ein solches Gebiet Westsibirien. Aber auch hier ist ein deutlicher Rückgang der Produktion fossiler Kohlenwasserstoffe zu verzeichnen. Die Ära des „trockenen“ Cenoman-Gases gehört der Vergangenheit an. Die bisherige Phase des umfangreichen Ausbaus der Erdgasförderung ist abgeschlossen. Seine Ausbeute aus riesigen Lagerstätten wie Medvezhye, Urengoyskoye und Yamburgskoye betrug 84, 65 bzw. 50 %. Auch der Anteil der für die Entwicklung günstigen Ölreserven nimmt im Laufe der Zeit ab.
Aufgrund des aktiven Verbrauchs von Kohlenwasserstoffbrennstoffen sind die Öl- und Erdgasreserven an Land erheblich zurückgegangen. Jetzt konzentrieren sich ihre Hauptreserven auf dem Festlandsockel. Und obwohl die Rohstoffbasis der Öl- und Gasindustrie immer noch ausreicht, um in Russland Öl und Gas in den erforderlichen Mengen zu fördern, wird sie in naher Zukunft zunehmend durch die Erschließung von Feldern mit schwierigen bergbaulichen und geologischen Bedingungen bereitgestellt. Die Kosten der Kohlenwasserstoffproduktion werden steigen.
Der Großteil der aus dem Untergrund gewonnenen nicht erneuerbaren Ressourcen wird als Brennstoff für Kraftwerke verwendet. Dies ist zunächst einmal der Fall, dessen Anteil an der Kraftstoffstruktur 64 % beträgt.
In Russland werden 70 % des Stroms in Wärmekraftwerken erzeugt. Die Energieunternehmen des Landes verbrennen jährlich etwa 500 Millionen Tonnen Kohle. t. um Strom und Wärme zu erzeugen, während die Wärmeerzeugung drei- bis viermal mehr Kohlenwasserstoff-Brennstoff verbraucht als die Stromerzeugung.
Die bei der Verbrennung dieser Mengen an Kohlenwasserstoff-Rohstoffen gewonnene Wärmemenge entspricht dem Einsatz von Hunderten Tonnen Kernbrennstoff – der Unterschied ist riesig. Allerdings erfordert die Kernenergie die Gewährleistung der Umweltsicherheit (um eine Wiederholung von Tschernobyl zu verhindern) und den Schutz vor möglichen Terroranschlägen sowie die sichere und kostspielige Stilllegung veralteter und abgelaufener Kernkraftwerksblöcke. Die nachgewiesenen förderbaren Uranreserven auf der Welt belaufen sich auf etwa 3 Millionen 400.000 Tonnen. Im gesamten Vorzeitraum (bis 2007) wurden etwa 2 Millionen Tonnen gefördert.
RES als die Zukunft der globalen Energie
Das weltweit wachsende Interesse an alternativen erneuerbaren Energiequellen (RES) in den letzten Jahrzehnten ist nicht nur auf die Erschöpfung der Kohlenwasserstoffreserven zurückzuführen, sondern auch auf die Notwendigkeit, Umweltprobleme zu lösen. Objektive Faktoren (Fossile Brennstoff- und Uranreserven sowie Umweltveränderungen im Zusammenhang mit der Nutzung traditioneller Feuer- und Kernenergie) und Energieentwicklungstrends legen nahe, dass der Übergang zu neuen Methoden und Formen der Energieerzeugung unvermeidlich ist. Bereits in der ersten Hälfte des 21. Jahrhunderts. Es wird eine vollständige oder fast vollständige Umstellung auf nicht-traditionelle Energiequellen geben.
Je früher ein Durchbruch in dieser Richtung gelingt, desto weniger schmerzhaft wird es für die gesamte Gesellschaft sein und desto vorteilhafter wird es für das Land sein, in dem entscheidende Schritte in diese Richtung unternommen werden.
Die Weltwirtschaft hat bereits jetzt die Weichen für den Übergang zu einer sinnvollen Kombination traditioneller und neuer Energiequellen gestellt. Der weltweite Energieverbrauch belief sich im Jahr 2000 auf mehr als 18 Milliarden Tonnen SKE. Der Energieverbrauch könnte bis 2025 auf 30 bis 38 Milliarden Tonnen SKE ansteigen. Prognosen zufolge könnte der Verbrauch bis 2050 60 Milliarden Tonnen SKE erreichen. t. Charakteristische Trends in der Entwicklung der Weltwirtschaft im Berichtszeitraum sind ein systematischer Rückgang des Verbrauchs fossiler Brennstoffe und ein entsprechender Anstieg des Einsatzes nichttraditioneller Energieressourcen. Einen der ersten Plätze unter ihnen nimmt die Wärmeenergie der Erde ein.
Derzeit hat das Energieministerium der Russischen Föderation ein Programm zur Entwicklung nicht-traditioneller Energieträger verabschiedet, das 30 große Projekte zur Nutzung von Wärmepumpeneinheiten (HPU) umfasst, deren Funktionsprinzip auf dem Verbrauch von Niedrigenergie basiert -potenzielle Wärmeenergie der Erde.
Minderwertige Wärmeenergie der Erde und Wärmepumpen
Die Quellen niederpotentialiger Wärmeenergie der Erde sind Sonnenstrahlung und Wärmestrahlung aus dem erhitzten Inneren unseres Planeten. Derzeit ist die Nutzung dieser Energie einer der sich am dynamischsten entwickelnden Energiebereiche auf Basis erneuerbarer Energiequellen.
Die Wärme der Erde kann in verschiedenen Arten von Gebäuden und Bauwerken zur Heizung, Warmwasserversorgung, Klimatisierung (Kühlung) sowie zur Beheizung von Wegen im Winter, zur Verhinderung von Vereisung, zur Beheizung von Feldern in offenen Stadien usw. genutzt werden In der englischen Fachliteratur werden Systeme, die die Erdwärme in Heizungs- und Klimaanlagen nutzen, als GHP – „Geothermal Heat Pumps“ (Geothermie-Wärmepumpen) bezeichnet. Die klimatischen Eigenschaften der Länder Mittel- und Nordeuropas, die neben den USA und Kanada die Hauptgebiete für die Nutzung minderwertiger Erdwärme sind, bestimmen dies hauptsächlich zu Heizzwecken; Auch im Sommer ist eine Luftkühlung relativ selten erforderlich. Daher arbeiten Wärmepumpen in europäischen Ländern im Gegensatz zu den USA hauptsächlich im Heizbetrieb. In den USA werden sie häufiger in Luftheizungssystemen in Kombination mit Belüftung eingesetzt, die sowohl eine Erwärmung als auch eine Kühlung der Außenluft ermöglichen. In europäischen Ländern werden Wärmepumpen üblicherweise in Warmwasserbereitungssystemen eingesetzt. Da ihre Effizienz mit abnehmender Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator zunimmt, werden Fußbodenheizungen häufig zur Beheizung von Gebäuden eingesetzt, in denen ein Kühlmittel mit relativ niedriger Temperatur (35–40 °C) zirkuliert.
Arten von Systemen zur Nutzung von Wärmeenergie mit niedrigem Potenzial aus der Erde
Generell lassen sich zwei Arten von Systemen zur Nutzung niederpotentialiger Wärmeenergie aus der Erde unterscheiden:
– offene Systeme: Das den Wärmepumpen direkt zugeführte Grundwasser wird als Quelle minderwertiger Wärmeenergie genutzt.
– geschlossene Systeme: Wärmetauscher befinden sich in der Bodenmasse; Wenn ein Kühlmittel mit einer im Vergleich zum Erdreich niedrigeren Temperatur durch sie zirkuliert, wird Wärmeenergie aus dem Erdreich „ausgewählt“ und an den Verdampfer der Wärmepumpe übertragen (bzw. bei Verwendung eines Kühlmittels mit einer im Verhältnis zum Erdreich höheren Temperatur). abgekühlt).
Der Nachteil offener Systeme besteht darin, dass Brunnen gewartet werden müssen. Zudem ist der Einsatz solcher Systeme nicht in allen Bereichen möglich. Die wesentlichen Anforderungen an Boden und Grundwasser sind:
– ausreichende Durchlässigkeit des Bodens, um die Wasserreserven wieder aufzufüllen;
– gute chemische Zusammensetzung des Grundwassers (z. B. niedriger Eisengehalt), wodurch Probleme im Zusammenhang mit der Bildung von Ablagerungen an den Rohrwänden und Korrosion vermieden werden.
Geschlossene Systeme zur Nutzung niederpotentialiger Wärmeenergie aus der Erde
Geschlossene Systeme können horizontal oder vertikal sein (Abbildung 1).
Reis. 1. Schema einer Erdwärmepumpenanlage mit: a – horizontal
und b – vertikale Erdwärmetauscher.
Horizontaler Erdwärmetauscher
Horizontale Erdwärmetauscher sind in West- und Mitteleuropa meist Einzelrohre, die relativ dicht verlegt und in Reihe oder parallel miteinander verbunden sind (Abb. 2).
Reis. 2. Horizontale Erdwärmetauscher mit: a – seriell und
b – Parallelschaltung.
Um den Bereich der Wärmeabfuhr einzusparen, wurden verbesserte Arten von Wärmetauschern entwickelt, beispielsweise Wärmetauscher in Form einer Spirale (Abb. 3), die horizontal oder vertikal angeordnet sind. Diese Form von Wärmetauschern ist in den USA üblich.
In unserem an Kohlenwasserstoffen reichen Land ist Geothermie eine Art exotische Ressource, die angesichts der aktuellen Lage kaum mit Öl und Gas konkurrieren kann. Allerdings lässt sich diese alternative Energieform nahezu überall und recht effektiv nutzen.
Geothermie ist die Wärme des Erdinneren. Es entsteht in der Tiefe und gelangt in unterschiedlicher Form und Intensität an die Erdoberfläche.
Die Temperatur der oberen Bodenschichten hängt hauptsächlich von äußeren (exogenen) Faktoren ab – Sonneneinstrahlung und Lufttemperatur. Im Sommer und tagsüber erwärmt sich der Boden bis zu bestimmten Tiefen, im Winter und in der Nacht kühlt er sich aufgrund von Änderungen der Lufttemperatur und mit einer mit der Tiefe zunehmenden Verzögerung ab. Der Einfluss täglicher Schwankungen der Lufttemperatur endet in Tiefen von einigen bis mehreren zehn Zentimetern. Saisonale Schwankungen wirken sich auf tiefere Bodenschichten aus – bis zu mehreren zehn Metern.
In einer gewissen Tiefe – von mehreren zehn bis zu Hunderten von Metern – bleibt die Bodentemperatur konstant und entspricht der durchschnittlichen jährlichen Lufttemperatur an der Erdoberfläche. Sie können dies leicht überprüfen, indem Sie in eine ziemlich tiefe Höhle hinabsteigen.
Wenn die durchschnittliche jährliche Lufttemperatur in einem bestimmten Gebiet unter Null liegt, manifestiert sich dies als Permafrost (genauer gesagt Permafrost). In Ostsibirien erreicht die Mächtigkeit, also die Mächtigkeit, ganzjährig gefrorener Böden mancherorts 200–300 m.
Ab einer bestimmten Tiefe (für jeden Punkt auf der Karte unterschiedlich) schwächt sich die Wirkung der Sonne und der Atmosphäre so stark ab, dass endogene (innere) Faktoren in den Vordergrund treten und sich das Erdinnere von innen erwärmt, so dass die Temperatur zu steigen beginnt mit Tiefgang.
Die Erwärmung tiefer Erdschichten ist vor allem mit dem Zerfall dort befindlicher radioaktiver Elemente verbunden, es werden aber auch andere Wärmequellen genannt, beispielsweise physikalisch-chemische, tektonische Prozesse in den tiefen Schichten der Erdkruste und des Erdmantels. Aber was auch immer der Grund sein mag, die Temperatur von Gesteinen und den damit verbundenen flüssigen und gasförmigen Substanzen steigt mit der Tiefe. Bergleute sind mit diesem Phänomen konfrontiert – in tiefen Minen ist es immer heiß. In einer Tiefe von 1 km sind 30 Grad Hitze normal, und tiefer ist die Temperatur sogar noch höher.
Der Wärmefluss aus dem Erdinneren, der die Erdoberfläche erreicht, ist gering – im Durchschnitt beträgt seine Leistung 0,03–0,05 W/m2, also etwa 350 Wh/m2 pro Jahr. Vor dem Hintergrund des Wärmestroms der Sonne und der von ihr erwärmten Luft ist dies ein nicht wahrnehmbarer Wert: Die Sonne gibt jedem Quadratmeter Erdoberfläche jährlich etwa 4000 kWh ab, also 10.000 Mal mehr (das ist natürlich so). im Durchschnitt mit einer großen Spanne zwischen den polaren und äquatorialen Breiten und abhängig von anderen Klima- und Wetterfaktoren).
Die Bedeutungslosigkeit des Wärmeflusses vom Inneren zur Oberfläche in den meisten Teilen des Planeten hängt mit der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine und den Besonderheiten der geologischen Struktur zusammen. Es gibt jedoch Ausnahmen – Orte, an denen der Wärmefluss hoch ist. Dies sind vor allem Zonen tektonischer Verwerfungen, erhöhter seismischer Aktivität und Vulkanismus, in denen die Energie des Erdinneren einen Abfluss findet. Solche Zonen sind durch thermische Anomalien der Lithosphäre gekennzeichnet; hier kann der Wärmefluss, der die Erdoberfläche erreicht, um ein Vielfaches und sogar um Größenordnungen stärker sein als „normal“. Vulkanausbrüche und heiße Quellen bringen in diesen Zonen enorme Hitzemengen an die Oberfläche.
Dies sind die Gebiete, die für die Entwicklung der Geothermie am günstigsten sind. Auf dem Territorium Russlands sind dies vor allem Kamtschatka, die Kurilen und der Kaukasus.
Gleichzeitig ist die Erschließung der Geothermie nahezu überall möglich, da ein Temperaturanstieg mit der Tiefe ein universelles Phänomen ist und die Aufgabe darin besteht, der Tiefe Wärme zu „entziehen“, so wie dort auch mineralische Rohstoffe gefördert werden.
Im Durchschnitt steigt die Temperatur mit der Tiefe alle 100 m um 2,5–3 °C. Das Verhältnis des Temperaturunterschieds zwischen zwei Punkten, die in unterschiedlichen Tiefen liegen, zum Tiefenunterschied zwischen ihnen wird als geothermischer Gradient bezeichnet.
Der Kehrwert ist die geothermische Stufe oder das Tiefenintervall, in dem die Temperatur um 1 °C ansteigt.
Je höher das Gefälle und damit je niedriger die Stufe, desto näher kommt die Wärme aus der Erdtiefe an die Oberfläche und desto vielversprechender ist dieses Gebiet für die Entwicklung der Geothermie.
In verschiedenen Gebieten kann die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs mit der Tiefe je nach geologischer Struktur und anderen regionalen und lokalen Bedingungen dramatisch variieren. Im Erdmaßstab erreichen die Schwankungen in der Größe der geothermischen Gradienten und Stufen das 25-fache. In Oregon (USA) beträgt die Steigung beispielsweise 150°C pro 1 km und in Südafrika 6°C pro 1 km.
Die Frage ist, wie hoch ist die Temperatur in großen Tiefen – 5, 10 km oder mehr? Wenn sich dieser Trend fortsetzt, dürften die Temperaturen in einer Tiefe von 10 km im Durchschnitt etwa 250–300 °C betragen. Dies wird mehr oder weniger durch direkte Beobachtungen in ultratiefen Bohrlöchern bestätigt, obwohl das Bild viel komplizierter ist als ein linearer Temperaturanstieg.
Beispielsweise ändert sich in der Superdeep-Bohrung Kola, die im baltischen Kristallschild gebohrt wurde, die Temperatur bis zu einer Tiefe von 3 km mit einer Rate von 10 °C/1 km, und dann wird der geothermische Gradient 2–2,5-mal größer. In 7 km Tiefe wurde bereits eine Temperatur von 120°C gemessen, in 10 km - 180°C und in 12 km - 220°C.
Ein weiteres Beispiel ist eine Bohrung in der nördlichen Kaspischen Region, wo in 500 m Tiefe eine Temperatur von 42 °C gemessen wurde, in 1,5 km Tiefe - 70 °C, in 2 km Tiefe - 80 °C, in 3 km Tiefe - 108 °C .
Es wird angenommen, dass der geothermische Gradient ab einer Tiefe von 20–30 km abnimmt: In einer Tiefe von 100 km liegen die geschätzten Temperaturen im Erdboden bei etwa 1300–1500 °C, in einer Tiefe von 400 km bei 1600 °C Kern (Tiefen über 6000 km) – 4000–5000° C.
In Tiefen von bis zu 10–12 km wird die Temperatur durch Bohrbrunnen gemessen; wo sie nicht vorhanden sind, wird sie wie in größeren Tiefen durch indirekte Zeichen bestimmt. Solche indirekten Anzeichen können die Art des Durchgangs seismischer Wellen oder die Temperatur der ausbrechenden Lava sein.
Für die Zwecke der Geothermie sind Daten über Temperaturen in Tiefen von mehr als 10 km jedoch noch nicht von praktischem Interesse.
In mehreren Kilometern Tiefe gibt es viel Hitze, aber wie kann man sie steigern? Manchmal löst die Natur selbst dieses Problem für uns mit Hilfe eines natürlichen Kühlmittels – erhitztem Thermalwasser, das an die Oberfläche kommt oder in einer für uns zugänglichen Tiefe liegt. In manchen Fällen wird das Wasser in der Tiefe bis zum Dampfzustand erhitzt.
Es gibt keine strenge Definition des Begriffs „Thermalwasser“. Dabei handelt es sich in der Regel um heißes Grundwasser in flüssigem Zustand oder in Form von Dampf, auch solche, die mit einer Temperatur über 20°C, also in der Regel höher als die Lufttemperatur, an die Erdoberfläche gelangen .
Die Wärme von Grundwasser, Dampf und Dampf-Wasser-Gemischen ist hydrothermale Energie. Dementsprechend wird Energie, die auf ihrer Nutzung basiert, als hydrothermal bezeichnet.
Komplizierter ist die Situation bei der Gewinnung von Wärme direkt aus trockenem Gestein – der petrothermischen Energie, zumal relativ hohe Temperaturen in der Regel ab Tiefen von mehreren Kilometern beginnen.
Auf dem Territorium Russlands ist das Potenzial der petrothermischen Energie hundertmal höher als das der hydrothermischen Energie – 3.500 bzw. 35 Billionen Tonnen Standardbrennstoff. Das ist ganz natürlich – die Wärme der Tiefen der Erde ist überall verfügbar und Thermalwasser gibt es lokal. Aufgrund offensichtlicher technischer Schwierigkeiten werden Thermalwässer derzeit jedoch überwiegend zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt.
Zum Heizen eignen sich Wässer mit Temperaturen von 20–30 bis 100 °C, für die Stromerzeugung in Geothermiekraftwerken eignen sich Temperaturen ab 150 °C.
Im Allgemeinen sind die geothermischen Ressourcen in Russland, ausgedrückt in Tonnen äquivalentem Brennstoff oder einer anderen Energiemaßeinheit, etwa zehnmal höher als die Reserven an fossilen Brennstoffen.
Theoretisch könnte nur Geothermie den Energiebedarf des Landes vollständig decken. In der Praxis ist dies derzeit in den meisten Gebieten des Landes aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht möglich.
Weltweit wird die Nutzung geothermischer Energie am häufigsten mit Island in Verbindung gebracht, einem Land am nördlichen Ende des Mittelatlantischen Rückens, in einer äußerst aktiven tektonischen und vulkanischen Zone. Wahrscheinlich erinnert sich jeder an den gewaltigen Ausbruch des Vulkans Eyjafjallajökull ( Eyjafjallajökull) im 2010-Jahr.
Dieser geologischen Besonderheit ist es zu verdanken, dass Island über riesige Reserven an geothermischer Energie verfügt, darunter heiße Quellen, die an der Erdoberfläche entspringen und sogar in Form von Geysiren hervorsprudeln.
In Island stammen derzeit über 60 % der gesamten verbrauchten Energie aus der Erde. Geothermische Quellen liefern 90 % der Wärme und 30 % der Stromerzeugung. Fügen wir hinzu, dass der restliche Strom des Landes durch Wasserkraftwerke erzeugt wird, also ebenfalls unter Nutzung einer erneuerbaren Energiequelle, was Island wie eine Art globalen Umweltstandard erscheinen lässt.
Die Domestizierung der Geothermie im 20. Jahrhundert brachte Island große wirtschaftliche Vorteile. Bis zur Mitte des letzten Jahrhunderts war es ein sehr armes Land, heute steht es weltweit an erster Stelle in Bezug auf die installierte Kapazität und Produktion von Geothermie pro Kopf und gehört zu den Top Ten in Bezug auf die absolute installierte Leistung von Geothermiekraftwerken . Die Bevölkerungszahl beträgt jedoch nur 300.000 Menschen, was die Umstellung auf umweltfreundliche Energiequellen vereinfacht: Der Bedarf dafür ist im Allgemeinen gering.
Ein hoher Anteil der Geothermie an der Gesamtbilanz der Stromerzeugung wird neben Island auch in Neuseeland und den Inselstaaten Südostasiens (Philippinen und Indonesien), Ländern Mittelamerikas und Ostafrikas bereitgestellt, deren Territorium ebenfalls liegt gekennzeichnet durch hohe seismische und vulkanische Aktivität. Für diese Länder leistet Geothermie bei ihrem derzeitigen Entwicklungsstand und Bedarf einen wesentlichen Beitrag zur sozioökonomischen Entwicklung.
Die Nutzung der Geothermie hat eine sehr lange Geschichte. Eines der ersten bekannten Beispiele ist Italien, ein Ort in der Provinz Toskana, heute Larderello genannt, wo zu Beginn des 19. Jahrhunderts lokales heißes Thermalwasser, das auf natürlichem Wege strömte oder aus flachen Brunnen gewonnen wurde, für Energiezwecke genutzt wurde.
Zur Gewinnung von Borsäure wurde hier borreiches Wasser aus unterirdischen Quellen genutzt. Ursprünglich wurde diese Säure durch Verdampfung in Eisenkesseln gewonnen und als Brennstoff wurde gewöhnliches Holz aus den umliegenden Wäldern verwendet, doch 1827 schuf Francesco Larderel ein System, das mit der Wärme des Wassers selbst arbeitete. Gleichzeitig begann man, die Energie des natürlichen Wasserdampfs zum Betrieb von Bohrinseln und zu Beginn des 20. Jahrhunderts zum Heizen lokaler Häuser und Gewächshäuser zu nutzen. Dort, in Larderello, wurde 1904 Thermalwasserdampf zu einer Energiequelle zur Stromerzeugung.
Dem Beispiel Italiens folgten Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts mehrere andere Länder. Beispielsweise wurde Thermalwasser erstmals 1892 in den USA (Boise, Idaho), 1919 in Japan und 1928 in Island zur Nahheizung genutzt.
In den USA entstand Anfang der 1930er Jahre in Kalifornien das erste hydrothermale Kraftwerk, 1958 in Neuseeland, 1959 in Mexiko und 1965 in Russland (das weltweit erste binäre GeoPP).
Altes Prinzip auf einer neuen Quelle
Für die Stromerzeugung ist eine höhere Temperatur der Wasserquelle erforderlich als für die Heizung – mehr als 150 °C. Das Funktionsprinzip eines Geothermiekraftwerks (GeoPP) ähnelt dem Funktionsprinzip eines konventionellen Wärmekraftwerks (BHKW). Tatsächlich handelt es sich bei einem Geothermiekraftwerk um eine Art Wärmekraftwerk.
In Wärmekraftwerken ist der primäre Energieträger meist Kohle, Gas oder Heizöl, das Arbeitsmedium ist Wasserdampf. Beim Verbrennen von Brennstoff wird Wasser zu Dampf erhitzt, der eine Dampfturbine antreibt, die Strom erzeugt.
Der Unterschied zwischen einem GeoPP besteht darin, dass die primäre Energiequelle hier die Wärme des Erdinneren ist und das Arbeitsmedium in Form von Dampf den Turbinenschaufeln des elektrischen Generators in „fertiger“ Form direkt aus der Förderbohrung zugeführt wird .
Es gibt drei Hauptbetriebsarten für GeoPPs: direkt, mit trockenem (geothermischen) Dampf; indirekt, basierend auf hydrothermalem Wasser und gemischt oder binär.
Die Verwendung des einen oder anderen Schemas hängt vom Aggregatzustand und der Temperatur des Energieträgers ab.
Das einfachste und daher erste der beherrschten Schemata ist das Direktverfahren, bei dem der aus dem Bohrloch kommende Dampf direkt durch die Turbine geleitet wird. Das weltweit erste geoelektrische Kraftwerk in Larderello wurde 1904 ebenfalls mit Trockendampf betrieben.
GeoPPs mit indirektem Betriebsschema sind in unserer Zeit am weitesten verbreitet. Sie nutzen heißes Grundwasser, das unter hohem Druck in einen Verdampfer gepumpt wird, wo ein Teil davon verdampft und der entstehende Dampf eine Turbine in Rotation versetzt. In einigen Fällen sind zusätzliche Geräte und Kreisläufe erforderlich, um geothermisches Wasser und Dampf von aggressiven Verbindungen zu reinigen.
Der Abdampf gelangt in den Injektionsbrunnen oder wird zur Beheizung der Räumlichkeiten genutzt – in diesem Fall ist das Prinzip das gleiche wie beim Betrieb eines Wärmekraftwerks.
Bei binären GeoPPs interagiert heißes Thermalwasser mit einer anderen Flüssigkeit, die die Funktionen eines Arbeitsmediums mit niedrigerem Siedepunkt übernimmt. Beide Flüssigkeiten werden durch einen Wärmetauscher geleitet, wo Thermalwasser das Arbeitsmedium verdampft, dessen Dämpfe die Turbine drehen.
 Funktionsprinzip des binären GeoPP. Heißes Thermalwasser interagiert mit einer anderen Flüssigkeit, die die Funktion eines Arbeitsmediums übernimmt und einen niedrigeren Siedepunkt hat. Beide Flüssigkeiten werden durch einen Wärmetauscher geleitet, wo Thermalwasser das Arbeitsmedium verdampft, dessen Dämpfe wiederum die Turbine drehen |
Dieses System ist geschlossen, was das Problem der Emissionen in die Atmosphäre löst. Darüber hinaus ermöglichen Arbeitsflüssigkeiten mit relativ niedrigem Siedepunkt die Nutzung nicht sehr heißer Thermalwässer als primäre Energiequelle.
Alle drei Systeme nutzen eine hydrothermale Quelle, aber auch petrothermische Energie kann zur Stromerzeugung genutzt werden.
Auch der Schaltplan ist in diesem Fall recht einfach. Es ist notwendig, zwei miteinander verbundene Brunnen zu bohren – Injektions- und Förderbrunnen. Wasser wird in den Injektionsbrunnen gepumpt. In der Tiefe wird es erhitzt, dann wird das durch die starke Erwärmung entstehende erhitzte Wasser oder der Dampf durch den Produktionsbrunnen an die Oberfläche geleitet. Dann kommt es darauf an, wie petrothermische Energie genutzt wird – zum Heizen oder zur Stromerzeugung. Ein geschlossener Kreislauf ist möglich, indem Abdampf und Wasser zurück in den Injektionsbrunnen gepumpt oder auf andere Weise entsorgt werden.
 Funktionsschema eines petrothermischen Systems. Das System basiert auf der Nutzung eines Temperaturgradienten zwischen der Erdoberfläche und dem Erdinneren, wo die Temperatur höher ist. Wasser von der Oberfläche wird in einen Injektionsbrunnen gepumpt und in der Tiefe erhitzt. Anschließend wird das erhitzte Wasser oder der durch die Erwärmung erzeugte Dampf durch den Produktionsbrunnen an die Oberfläche geleitet. |
Der Nachteil eines solchen Systems liegt auf der Hand: Um eine ausreichend hohe Temperatur des Arbeitsmediums zu erreichen, ist es notwendig, Brunnen in große Tiefen zu bohren. Und das sind erhebliche Kosten und das Risiko eines erheblichen Wärmeverlusts, wenn die Flüssigkeit nach oben wandert. Deshalb sind petrothermische Systeme im Vergleich zu hydrothermalen noch weniger verbreitet, obwohl das Potenzial der petrothermalen Energie um Größenordnungen höher ist.
Derzeit ist Australien führend bei der Schaffung sogenannter petrothermischer Zirkulationssysteme (PCS). Darüber hinaus entwickelt sich dieser Bereich der Geothermie in den USA, der Schweiz, Großbritannien und Japan aktiv weiter.
Geschenk von Lord Kelvin
Die Erfindung der Wärmepumpe im Jahr 1852 durch den Physiker William Thompson (alias Lord Kelvin) bot der Menschheit eine echte Möglichkeit, die minderwertige Wärme der oberen Erdschichten zu nutzen. Ein Wärmepumpensystem oder Wärmevervielfacher, wie Thompson es nannte, basiert auf dem physikalischen Prozess der Übertragung von Wärme aus der Umgebung auf ein Kältemittel. Im Wesentlichen nutzt es das gleiche Prinzip wie petrothermische Systeme. Der Unterschied liegt in der Wärmequelle, was eine terminologische Frage aufwerfen kann: Inwieweit kann eine Wärmepumpe als geothermisches System betrachtet werden? Tatsache ist, dass in den oberen Schichten, bis zu einer Tiefe von mehreren zehn bis hundert Metern, das Gestein und die darin enthaltenen Flüssigkeiten nicht durch die Tiefenwärme der Erde, sondern durch die Sonne erhitzt werden. Somit ist in diesem Fall die Sonne die primäre Wärmequelle, obwohl sie wie bei Geothermieanlagen dem Erdreich entnommen wird.
Der Betrieb einer Wärmepumpe basiert auf der Verzögerung der Erwärmung und Abkühlung des Bodens im Vergleich zur Atmosphäre, was zur Bildung eines Temperaturgradienten zwischen der Oberfläche und tieferen Schichten führt, der die Wärme auch im Winter speichert, genau wie es in Stauseen der Fall ist . Der Hauptzweck von Wärmepumpen ist die Raumheizung. Im Wesentlichen handelt es sich um einen „Rückwärtskühlschrank“. Sowohl die Wärmepumpe als auch der Kühlschrank interagieren mit drei Komponenten: der inneren Umgebung (im ersten Fall ein beheizter Raum, im zweiten Fall der gekühlten Kammer des Kühlschranks), der äußeren Umgebung – einer Energiequelle und einem Kältemittel (Kältemittel). , das auch ein Kühlmittel ist, das für die Wärmeübertragung bzw. Kälte sorgt.
Ein Stoff mit einem niedrigen Siedepunkt fungiert als Kältemittel, wodurch er Wärme aus einer Quelle aufnehmen kann, die auch eine relativ niedrige Temperatur hat.
Im Kühlschrank strömt flüssiges Kältemittel durch eine Drossel (Druckregler) in den Verdampfer, wo die Flüssigkeit aufgrund eines starken Druckabfalls verdampft. Verdunstung ist ein endothermer Prozess, der die Aufnahme von Wärme von außen erfordert. Dadurch wird den Innenwänden des Verdampfers Wärme entzogen, was für einen Kühleffekt im Kühlraum sorgt. Anschließend wird das Kältemittel vom Verdampfer in den Kompressor gesaugt, wo es wieder in einen flüssigen Zustand übergeht. Dabei handelt es sich um einen umgekehrten Prozess, der zur Abgabe der entzogenen Wärme an die Außenumgebung führt. In der Regel wird es in Innenräumen geworfen und die Rückwand des Kühlschranks ist relativ warm.
Eine Wärmepumpe funktioniert fast auf die gleiche Weise, mit dem Unterschied, dass der Außenumgebung Wärme entnommen wird und über den Verdampfer in die Innenumgebung – das Raumheizsystem – gelangt.
In einer echten Wärmepumpe wird Wasser erhitzt, indem es durch einen externen Kreislauf im Erdreich oder in einem Reservoir geleitet wird, und gelangt dann in den Verdampfer.
Im Verdampfer wird Wärme an einen internen Kreislauf übertragen, der mit einem Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt gefüllt ist, das beim Durchströmen des Verdampfers vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht und dabei Wärme abführt.
Anschließend gelangt das gasförmige Kältemittel in den Kompressor, wo es auf hohen Druck und hohe Temperatur komprimiert wird, und gelangt in den Kondensator, wo ein Wärmeaustausch zwischen dem heißen Gas und dem Kühlmittel aus dem Heizsystem stattfindet.
Der Kompressor benötigt zum Betrieb Strom, aber das Umwandlungsverhältnis (das Verhältnis von verbrauchter zu erzeugter Energie) ist in modernen Systemen hoch genug, um ihre Effizienz sicherzustellen.
Derzeit werden Wärmepumpen vor allem in wirtschaftlich entwickelten Ländern weit verbreitet zur Raumheizung eingesetzt.
Öko-korrekte Energie
Geothermie gilt als umweltfreundlich, was im Allgemeinen zutrifft. Erstens nutzt es eine erneuerbare und nahezu unerschöpfliche Ressource. Geothermie benötigt im Gegensatz zu großen Wasserkraftwerken oder Windparks keine großen Flächen und belastet die Atmosphäre im Gegensatz zur Kohlenwasserstoffenergie nicht. Im Durchschnitt nimmt ein GeoPP 400 m 2 ein, bezogen auf 1 GW erzeugten Stroms. Die gleiche Zahl beträgt beispielsweise für ein Kohlekraftwerk 3600 m2. Zu den Umweltvorteilen von GeoPPs gehört auch der geringe Wasserverbrauch – 20 Liter Frischwasser pro 1 kW, während Wärmekraftwerke und Kernkraftwerke etwa 1000 Liter benötigen. Beachten Sie, dass es sich hierbei um die Umweltindikatoren des „durchschnittlichen“ GeoPP handelt.
Aber es gibt immer noch negative Nebenwirkungen. Unter ihnen werden am häufigsten Lärm, thermische Verschmutzung der Atmosphäre und chemische Verschmutzung von Wasser und Boden sowie die Bildung fester Abfälle genannt.
Die Hauptquelle der chemischen Verschmutzung der Umwelt ist Thermalwasser selbst (mit hoher Temperatur und Mineralisierung), das oft große Mengen giftiger Verbindungen enthält, weshalb es ein Problem bei der Entsorgung von Abwasser und gefährlichen Stoffen gibt.
Die negativen Auswirkungen der Geothermie lassen sich in mehreren Phasen verfolgen, beginnend mit dem Bohren von Brunnen. Hier entstehen die gleichen Gefahren wie beim Bohren eines Brunnens: Zerstörung des Bodens und der Vegetationsdecke, Kontamination von Boden und Grundwasser.
In der Betriebsphase des GeoPP bestehen weiterhin Probleme der Umweltverschmutzung. Thermoflüssigkeiten – Wasser und Dampf – enthalten üblicherweise Kohlendioxid (CO 2), Schwefelsulfid (H 2 S), Ammoniak (NH 3), Methan (CH 4), Speisesalz (NaCl), Bor (B), Arsen (As). ), Quecksilber (Hg). Wenn sie in die äußere Umgebung gelangen, werden sie zu Verschmutzungsquellen. Darüber hinaus kann eine aggressive chemische Umgebung zu einer korrosiven Zerstörung der Strukturen von Geothermiekraftwerken führen.
Gleichzeitig sind die Schadstoffemissionen von Geokraftwerken im Durchschnitt geringer als von thermischen Kraftwerken. Beispielsweise beträgt der Kohlendioxidausstoß pro erzeugter Kilowattstunde Strom bei GeoPPs bis zu 380 g, bei kohlebefeuerten Wärmekraftwerken 1042 g, bei Ölkraftwerken 906 g und bei gasbefeuerten Wärmekraftwerken 453 g .
Es stellt sich die Frage: Wohin mit dem Abwasser? Bei geringer Mineralisierung kann es nach Abkühlung in Oberflächengewässer eingeleitet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, es über eine Injektionsbohrung in den Grundwasserleiter zurückzupumpen, was derzeit bevorzugt und überwiegend genutzt wird.
Die Entnahme von Thermalwasser aus Grundwasserleitern (sowie das Abpumpen von gewöhnlichem Wasser) kann zu Bodensenkungen und Bodenbewegungen, anderen Verformungen geologischer Schichten und Mikroerdbeben führen. Die Wahrscheinlichkeit für solche Phänomene ist in der Regel gering, es wurden jedoch vereinzelte Fälle registriert (z. B. am GeoPP in Staufen im Breisgau in Deutschland).
Es sollte betont werden, dass sich die meisten GeoPPs in relativ dünn besiedelten Gebieten und in Ländern der Dritten Welt befinden, wo die Umweltanforderungen weniger streng sind als in entwickelten Ländern. Darüber hinaus sind die Anzahl der GeoPPs und deren Kapazitäten derzeit relativ gering. Mit der groß angelegten Entwicklung der Geothermie können die Umweltrisiken zunehmen und sich vervielfachen.
Wie hoch ist die Energie der Erde?
Die Investitionskosten für den Bau von Geothermieanlagen schwanken in einem sehr breiten Spektrum – von 200 bis 5000 Dollar pro 1 kW installierter Leistung, d. h. die günstigsten Optionen sind vergleichbar mit den Kosten für den Bau eines Wärmekraftwerks. Sie hängen in erster Linie von den Vorkommensbedingungen des Thermalwassers, seiner Zusammensetzung und der Gestaltung des Systems ab. Das Bohren in große Tiefen, die Schaffung eines geschlossenen Systems mit zwei Brunnen und die Notwendigkeit, Wasser zu reinigen, können die Kosten um ein Vielfaches erhöhen.
Beispielsweise werden die Investitionen in die Schaffung eines petrothermischen Zirkulationssystems (PCS) auf 1,6–4.000 Dollar pro 1 kW installierter Leistung geschätzt, was die Kosten für den Bau eines Kernkraftwerks übersteigt und mit den Kosten für den Bau von Windkraftanlagen und Windkraftanlagen vergleichbar ist Solarkraftwerke.
Der offensichtliche wirtschaftliche Vorteil von GeoTES ist kostenlose Energie. Zum Vergleich: In der Kostenstruktur eines in Betrieb befindlichen thermischen Kraftwerks oder Kernkraftwerks macht der Brennstoff je nach aktuellen Energiepreisen 50–80 % oder sogar mehr aus. Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil der Geothermieanlage: Die Betriebskosten sind stabiler und vorhersehbarer, da sie nicht von externen Energiepreisbedingungen abhängen. Im Allgemeinen werden die Betriebskosten von Geothermiekraftwerken auf 2–10 Cent (60 Kopeken–3 Rubel) pro 1 kWh erzeugtem Strom geschätzt.
Der zweitgrößte Kostenposten nach Energie (und ein sehr bedeutender) sind in der Regel die Löhne des Anlagenpersonals, die je nach Land und Region stark variieren können.
Im Durchschnitt sind die Kosten für 1 kWh Geothermie vergleichbar mit denen für Wärmekraftwerke (in russischen Verhältnissen etwa 1 Rubel/1 kWh) und zehnmal höher als die Kosten für die Stromerzeugung in einem Wasserkraftwerk (5–10). Kopeken/1 kWh ).
Ein Grund für die hohen Kosten liegt unter anderem darin, dass Geothermiekraftwerke im Gegensatz zu thermischen und hydraulischen Kraftwerken eine relativ geringe Kapazität haben. Darüber hinaus ist es notwendig, Anlagen zu vergleichen, die sich in derselben Region und unter ähnlichen Bedingungen befinden. In Kamtschatka beispielsweise kostet 1 kWh geothermischer Strom laut Experten zwei- bis dreimal weniger als Strom, der in lokalen Wärmekraftwerken erzeugt wird.
Indikatoren für die Wirtschaftlichkeit einer Geothermieanlage hängen beispielsweise davon ab, ob und auf welche Weise Abwasser entsorgt werden muss und ob eine kombinierte Nutzung der Ressource möglich ist. Somit können aus Thermalwasser gewonnene chemische Elemente und Verbindungen für zusätzliche Einnahmen sorgen. Erinnern wir uns an das Beispiel von Larderello: Dort stand die chemische Produktion im Vordergrund, die Nutzung der Erdwärme hatte zunächst Hilfscharakter.
Geothermie voran
Die Geothermie entwickelt sich etwas anders als Wind und Sonne. Derzeit hängt es in viel größerem Maße von der Art der Ressource selbst ab, die je nach Region stark variiert, und die höchsten Konzentrationen sind mit schmalen Zonen geothermischer Anomalien verbunden, die normalerweise mit Gebieten mit tektonischen Verwerfungen und Vulkanismus verbunden sind.
Darüber hinaus ist Geothermie im Vergleich zu Wind- und insbesondere Solarenergie weniger technologieintensiv: Geothermie-Stationssysteme sind recht einfach.
Im Gesamtgefüge der weltweiten Stromerzeugung macht der geothermische Anteil weniger als 1 % aus, in einigen Regionen und Ländern erreicht er jedoch 25–30 %. Aufgrund des Zusammenhangs mit den geologischen Bedingungen ist ein erheblicher Teil der Geothermiekapazität in Ländern der Dritten Welt konzentriert, wo es drei Cluster mit der größten Entwicklung der Industrie gibt – die Inseln Südostasiens, Mittelamerikas und Ostafrikas. Die ersten beiden Regionen gehören zum pazifischen „Feuergürtel der Erde“, die dritte ist mit dem Ostafrikanischen Graben verbunden. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich die Geothermie in diesen Gürteln weiter entwickeln wird. Eine weiter entfernte Perspektive ist die Entwicklung petrothermischer Energie, bei der die Wärme der in mehreren Kilometern Tiefe liegenden Erdschichten genutzt wird. Dabei handelt es sich um eine fast allgegenwärtige Ressource, deren Gewinnung jedoch mit hohen Kosten verbunden ist, weshalb sich die petrothermische Energie vor allem in den wirtschaftlich und technologisch stärksten Ländern entwickelt.
Generell gibt es angesichts der weiten Verbreitung geothermischer Ressourcen und eines akzeptablen Niveaus der Umweltsicherheit Grund zu der Annahme, dass die Geothermie gute Entwicklungsaussichten hat. Insbesondere angesichts der wachsenden Gefahr einer Verknappung traditioneller Energieressourcen und steigender Preise dafür.
Von Kamtschatka bis zum Kaukasus
In Russland hat die Entwicklung der Geothermie eine ziemlich lange Geschichte und in einigen Positionen gehören wir zu den weltweit führenden Unternehmen, obwohl der Anteil der Geothermie an der Gesamtenergiebilanz des riesigen Landes immer noch vernachlässigbar ist.
Zwei Regionen sind zu Pionieren und Zentren für die Entwicklung der Geothermie in Russland geworden – Kamtschatka und der Nordkaukasus, und wenn es im ersten Fall hauptsächlich um die Elektrizitätswirtschaft geht, dann im zweiten Fall um die Nutzung von Wärmeenergie aus Thermalwasser.
Im Nordkaukasus – in der Region Krasnodar, Tschetschenien, Dagestan – wurde die Wärme des Thermalwassers bereits vor dem Großen Vaterländischen Krieg zu Energiezwecken genutzt. In den 1980er und 1990er Jahren geriet die Entwicklung der Geothermie in der Region aus offensichtlichen Gründen ins Stocken und konnte den Zustand der Stagnation noch nicht überwinden. Dennoch versorgt die geothermische Wasserversorgung im Nordkaukasus etwa 500.000 Menschen mit Wärme, und beispielsweise wird die Stadt Labinsk in der Region Krasnodar mit einer Bevölkerung von 60.000 Menschen vollständig durch geothermisches Wasser beheizt.
In Kamtschatka ist die Geschichte der Geothermie vor allem mit dem Bau von GeoPPs verbunden. Die ersten davon, die noch in Betrieb befindlichen Stationen Pauzhetskaya und Paratunka, wurden bereits in den Jahren 1965–1967 gebaut, während das GeoPP Paratunka mit einer Leistung von 600 kW die erste Station der Welt mit einem binären Kreislauf wurde. Dies war die Entwicklung der sowjetischen Wissenschaftler S.S. Kutateladze und A.M. Rosenfeld vom Institut für Thermophysik SB RAS, die 1965 ein Autorenzertifikat für die Gewinnung von Elektrizität aus Wasser mit einer Temperatur von 70°C erhielten. Diese Technologie wurde später zum Prototyp für mehr als 400 binäre GeoPPs weltweit.
Die Kapazität des 1966 in Betrieb genommenen GeoPP Pauzhetskaya betrug zunächst 5 MW und wurde anschließend auf 12 MW erhöht. Derzeit wird an der Station ein Binärblock gebaut, der die Kapazität um weitere 2,5 MW erhöhen wird.
Die Entwicklung der Geothermie in der UdSSR und in Russland wurde durch die Verfügbarkeit traditioneller Energiequellen – Öl, Gas, Kohle – behindert, aber nie gestoppt. Die derzeit größten Geothermieanlagen sind das 1999 in Betrieb genommene Verkhne-Mutnovskaya GeoPP mit einer Gesamtkapazität von Kraftwerksblöcken von 12 MW und das Mutnovskaya GeoPP mit einer Kapazität von 50 MW (2002).
Die GeoPPs Mutnovskaya und Verkhne-Mutnovskaya sind einzigartige Objekte nicht nur für Russland, sondern auch auf globaler Ebene. Die Stationen befinden sich am Fuße des Mutnovsky-Vulkans auf einer Höhe von 800 Metern über dem Meeresspiegel und werden unter extremen klimatischen Bedingungen betrieben, wo neun bis zehn Monate im Jahr Winter herrscht. Die Ausrüstung der Mutnovsky GeoPPs, derzeit eine der modernsten der Welt, wurde vollständig von inländischen Energietechnikunternehmen hergestellt.
Derzeit beträgt der Anteil der Mutnovsky-Stationen an der Gesamtenergieverbrauchsstruktur des Energieknotenpunkts Zentralkamtschatka 40 %. Für die kommenden Jahre ist eine Kapazitätserweiterung geplant.
Besonders hervorzuheben sind die russischen petrothermischen Entwicklungen. Wir haben noch keine großen Bohrzentren, aber wir verfügen über fortschrittliche Technologien zum Bohren in große Tiefen (ca. 10 km), die weltweit ihresgleichen suchen. Ihre Weiterentwicklung wird die Kosten für die Schaffung petrothermischer Systeme radikal senken. Die Entwickler dieser Technologien und Projekte sind N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geologisches Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften), A. S. Nekrasov (Institut für nationale Wirtschaftsprognosen der Russischen Akademie der Wissenschaften) und Spezialisten des Turbinenwerks Kaluga. Derzeit befindet sich das Projekt eines petrothermischen Zirkulationssystems in Russland im Versuchsstadium.
Geothermie hat in Russland Perspektiven, auch wenn sie relativ weit entfernt sind: Das Potenzial ist derzeit recht groß und die Position der traditionellen Energie ist stark. Gleichzeitig ist die Nutzung der Geothermie in einigen abgelegenen Gebieten des Landes wirtschaftlich rentabel und bereits gefragt. Dies sind Gebiete mit hohem Geoenergiepotenzial (Tschukotka, Kamtschatka, die Kurilen – der russische Teil des pazifischen „Feuergürtels der Erde“, die Berge Südsibiriens und des Kaukasus) und gleichzeitig abgelegen und von der Zentralisierung abgeschnitten Energievorräte.
Wahrscheinlich wird sich die Geothermie in unserem Land in den kommenden Jahrzehnten genau in solchen Regionen entwickeln.
Kirill Degtyarev,
Forscher, Staatliche Universität Moskau M. V. Lomonosova
„Wissenschaft und Leben“ Nr. 9, Nr. 10 2013
Diese Energie gehört zu alternativen Quellen. Heutzutage erwähnen sie zunehmend die Möglichkeiten, an die Ressourcen zu gelangen, die uns der Planet bietet. Wir können sagen, dass wir in einer Ära leben, in der erneuerbare Energien im Trend liegen. In diesem Bereich entstehen viele technische Lösungen, Pläne und Theorien.
Es liegt tief in den Tiefen der Erde und hat die Eigenschaften der Erneuerung, das heißt, es ist endlos. Wissenschaftlern zufolge beginnen die klassischen Ressourcen zur Neige zu gehen, Öl, Kohle und Gas werden versiegen.
Geothermiekraftwerk Nesjavellir, Island
Daher können wir uns schrittweise auf die Einführung neuer alternativer Methoden der Energieerzeugung vorbereiten. Unter der Erdkruste befindet sich ein mächtiger Kern. Seine Temperatur liegt zwischen 3000 und 6000 Grad. Die Bewegung der Lithosphärenplatten zeigt ihre enorme Kraft. Es äußert sich in Form eines vulkanischen Magmaausbruchs. In der Tiefe kommt es zu radioaktivem Zerfall, der manchmal zu solchen Naturkatastrophen führt.
Typischerweise erwärmt Magma die Oberfläche, ohne darüber hinauszugehen. Dadurch entstehen Geysire oder warme Wasserbecken. Auf diese Weise können physikalische Prozesse für sinnvolle Zwecke für die Menschheit genutzt werden.
Arten geothermischer Energiequellen
Es wird normalerweise in zwei Arten unterteilt: hydrothermale und petrothermische Energie. Der erste Typ entsteht durch warme Quellen, und der zweite Typ ist der Temperaturunterschied an der Oberfläche und tief in der Erde. Erklären Sie es mit Ihren eigenen Worten: Eine hydrothermale Quelle besteht aus Dampf und heißem Wasser, während eine petrothermische Quelle tief unter der Erde verborgen ist.
Karte des Entwicklungspotenzials der Geothermie in der Welt
Für petrothermische Energie ist es notwendig, zwei Brunnen zu bohren, einen mit Wasser zu füllen, woraufhin ein Dampfprozess stattfindet, der an die Oberfläche gelangt. Es gibt drei Klassen von Geothermiegebieten:
- Geothermie – in der Nähe von Kontinentalplatten gelegen. Temperaturgradient mehr als 80 °C/km. Als Beispiel die italienische Gemeinde Larderello. Dort gibt es ein Kraftwerk
- Halbthermisch – Temperatur 40 – 80 C/km. Dabei handelt es sich um natürliche Grundwasserleiter, die aus fragmentierten Gesteinen bestehen. An manchen Orten in Frankreich werden Gebäude auf diese Weise beheizt.
- Normal – Steigung weniger als 40 C/km. Die Darstellung solcher Gebiete ist am häufigsten
Sie sind eine ausgezeichnete Quelle zum Verzehr. Sie befinden sich in einer bestimmten Tiefe im Gestein. Schauen wir uns die Klassifizierung genauer an:
- Epithermal – Temperatur von 50 bis 90 °C
- Mesotherm – 100 – 120 s
- Hypothermisch – mehr als 200 s
Diese Arten bestehen aus unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen. Abhängig davon kann Wasser für verschiedene Zwecke verwendet werden. Beispielsweise bei der Stromerzeugung, Wärmebereitstellung (Wärmewege), Rohstoffbasis.
Video: Geothermie
Heizvorgang
Die Wassertemperatur beträgt 50-60 Grad, was optimal für die Beheizung und Warmversorgung von Wohngebieten ist. Der Bedarf an Heizsystemen hängt von der geografischen Lage und den klimatischen Bedingungen ab. Und die Menschen brauchen ständig Warmwasserversorgung. Für diesen Prozess werden GTS (Geothermie-Thermalstationen) errichtet.
Wenn für die klassische Erzeugung von Wärmeenergie ein Kesselhaus verwendet wird, das feste oder gasförmige Brennstoffe verbraucht, wird bei dieser Erzeugung eine Geysirquelle verwendet. Der technische Prozess ist sehr einfach, die gleichen Kommunikationsmittel, thermischen Routen und Geräte. Es reicht aus, einen Brunnen zu bohren, ihn von Gasen zu reinigen, ihn dann mit Pumpen in den Heizraum zu schicken, wo der Temperaturplan eingehalten wird, und dann in die Heizungsleitung einzuspeisen.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass kein Brennstoffkessel erforderlich ist. Dadurch werden die Kosten für thermische Energie deutlich gesenkt. Im Winter erhalten die Abonnenten Wärme und Warmwasserversorgung, im Sommer nur Warmwasserversorgung.
Energieerzeugung
Heiße Quellen und Geysire dienen als Hauptkomponenten bei der Stromerzeugung. Zu diesem Zweck werden mehrere Schemata genutzt und spezielle Kraftwerke gebaut. GTS-Gerät:
- Warmwasserspeicher
- Pumpe
- Gasabscheider
- Dampfabscheider
- Generatorturbine
- Kondensator
- Verstärkerpumpe
- Tankkühler
Wie wir sehen können, ist der Dampfkonverter das Hauptelement des Kreislaufs. Dadurch erhalten Sie gereinigten Dampf, da dieser Säuren enthält, die die Turbinenausrüstung zerstören. Es ist möglich, im technologischen Kreislauf ein gemischtes Schema zu verwenden, das heißt, Wasser und Dampf sind am Prozess beteiligt. Die Flüssigkeit durchläuft wie Dampf die gesamte Reinigungsstufe von Gasen.
Binärquellenschaltung
Die Arbeitskomponente ist eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt. Thermalwasser ist auch an der Stromerzeugung beteiligt und dient als Sekundärrohstoff.
Mit seiner Hilfe entsteht Dampf aus einer niedrigsiedenden Quelle. GTS mit einem solchen Betriebszyklus können vollständig automatisiert werden und erfordern kein Wartungspersonal. Leistungsstärkere Stationen verwenden eine Zweikreisschaltung. Mit diesem Kraftwerkstyp kann eine Leistung von 10 MW erreicht werden. Doppelkreisstruktur:
- Dampfgenerator
- Turbine
- Kondensator
- Auswerfer
- Förderpumpe
- Economizer
- Verdampfer
Praktischer Nutzen
Die riesigen Reserven der Quellen sind um ein Vielfaches größer als der jährliche Energieverbrauch. Doch nur ein kleiner Bruchteil wird von der Menschheit genutzt. Der Bau der Bahnhöfe geht auf das Jahr 1916 zurück. In Italien entstand das erste Geothermiekraftwerk mit einer Leistung von 7,5 MW. Die Branche entwickelt sich aktiv in Ländern wie den USA, Island, Japan, den Philippinen und Italien.
Die aktive Erkundung potenzieller Standorte und bequemerer Gewinnungsmethoden ist im Gange. Die Produktionskapazität wächst von Jahr zu Jahr. Wenn wir den Wirtschaftsindikator berücksichtigen, entsprechen die Kosten einer solchen Industrie denen von Kohlekraftwerken. Island deckt seinen Wohnungsbestand fast vollständig mit einer GT-Quelle. 80 % der Häuser nutzen Warmwasser aus Brunnen zum Heizen. Experten aus den USA behaupten, dass Geothermiekraftwerke bei richtiger Entwicklung einen 30-mal höheren Jahresverbrauch erzeugen können. Wenn wir von Potenzial sprechen, können sich 39 Länder der Welt vollständig mit Strom versorgen, wenn sie 100 Prozent des Erduntergrunds nutzen.
