Виникнення геотермальної теплоти

Температура ядра нашої планети близько 6000 ⁰С. Теплопередача від напіврідкої мантії підтримує температурну різницю між зовнішньою і внутрішньою поверхнями порівняно тонкої кори біля 1000°С при середньому градієнті температур біля 30°С/км. Тверді породи, що складають кору, мають середню щільність 2700 кг/м³, теплоємність 1000 Дж/(кг∙К) і теплопровідність 2 Вт/(м∙К).

Тому середній геотермальний потік і складає приблизно 0,06 Вт/м², а приблизно 10²⁰ Дж/км² у вигляді тепла закумульовано в корі. Якщо за 30 років перетворити лише 0,1% цього тепла, то теплова потужність, яку можна отримати, складе 100 МВт/км². Ці оцінки дають уявлення про ресурси теплової енергії і показують, що геотермальне джерело володіє величезним потенціалом.

Земна кора отримує тепло в результаті: природного охолоджування і тертя ядра; радіоактивного розпаду елементів, подібних до торія і урану; хімічних реакцій. Постійні часу цих процесів настільки великі по відношенню до часу існування Землі, що неможливо навіть оцінити, збільшується температура її або зменшується. Радіоактивні елементи концентруються в корі шляхом фракційної рекристалізації з розплавів, особливо багато їх в граніті. Протягом багатьох мільйонів років радіаційний розпад і хімічні реакції є єдиним істотним джерелом тепла, а геотермальна енергетика передбачає виведення тепла, запасеного в теплових сховищах в товщі кори. Аномально високі температурні градієнти часто спостерігаються в місцях розташування радіоактивних або екзотермічних хімічних джерел. Земна кора складається з величезних платформ. Зонам кордонів платформ відповідає посилення теплової взаємодії кори з мантією, що супроводжується сейсмічною активністю, наявністю вулканів, гейзерів, фумарол і гарячих ключів. Потенціал геотермальної енергії цих районів дуже великий, їм відповідає збільшення температурних градієнтів до 100°С/км і активізації вивільнення води у вигляді пари або перегрітої рідини, що часто знаходяться під підвищеним тиском.

Через аномалії в структурі кори райони з помірним збільшенням температурних градієнтів (приблизно до 50°С) зустрічаються і на достатньому віддаленні від меж платформ. У таких районах тепло може вивільнятися природним чином із-за проникнення води в зону підігрівання, що супроводжується інтенсивним конвективним теплообміном. В результаті виникають гарячі джерела з підвищеною концентрацією розчинених хімічних речовин, часто відомих як цілющі. Глибоко залягаючі зони підігрівання за допомогою буріння можуть стати джерелами тепла з температурою від 50 до 200°С. Якщо подібні аномалії пов'язані з матеріалами, що мають низьку теплопровідність, наприклад сухими скальними породами, то підвищення температурних градієнтів досягається за рахунок відносного збільшення запасеного в породах тепла.

Відомості про геотермальні структури отримують при геологічній зйомці, проходці шахт, нафтових свердловин. Найбільш важливим параметром є температурний градієнт. При глибокому бурінні свердловини зазвичай досягають відмітки 6 км., але технологія буріння залишається такою ж до глибини 15 км. Технологія здійснення таких свердловин сповна відпрацьована, так що стосовно будівництва ГеоТЕС ця проблема може вважатися вирішеною.

Прийнято виділяти три класи геотермальних районів.

Гіпертермальний. Температурний градієнт — більш 80°С/км. Ці райони розташовані в тектонічній зоні поблизу меж континентальних плит. Перший такий район був задіяний для виробництва електроенергії в 1904 р. поблизу Лардерелло (Тоскана, Італія). Майже всі з існуючих ГеоТЕС розміщено саме в таких районах.

Напівтермальний. Температурний градієнт — приблизно від 40 до 80°С/км. Подібні райони пов'язані головним чином з аномаліями, що лежать в стороні від меж платформ. Добування тепла здійснюється з природних водоносних пластів або з роздроблених сухих порід. Добре відомий приклад такого району знаходиться поблизу Парижа і використовується для обігріву будівель.

Нормальний. Температурний градієнт — менш 40°С/км. Такі райони найбільш поширені, саме тут теплові потоки в середньому складають приблизно 0,06 Вт/м². Маловірогідно, аби в таких районах навіть в майбутньому стало економічно вигідно добувати тепло з надр.

У кожному з перерахованих класів в принципі можна отримувати тепло за рахунок: природної гідротермальної циркуляції, при якій вода проникає в глибоко залягаючі породи, де перетворюється на суху пару, пароводяну суміш або просто нагрівається до досить високої температури. Відповідні виходи спостерігаються в природних умовах. Якщо на глибині тиск зростає в результаті паротворення, то можуть виникнути ефектні гейзери, подібні тим, які можна побачити недалеко від Сакраменто в Каліфорнії (США), в районі Уайракея (Нова Зеландія), на Камчатці. Слід розуміти, проте, що ежектується в цьому випадку саме гаряча вода, а не пара; штучного перегріву, пов'язаного з охолоджуванням напіврозплавленої магми, що застигає у вигляді лави. Першою ГеоТЕС, що використовує цей принцип, була станція потужністю 3 МВт, побудована на Гаваях в 1982р.; охолоджування сухих скальних порід. Сухі скальні породи, що мають досить низьку теплопровідність (наприклад, граніт) протягом мільйонів років нагромаджували тепло. Створення штучних розривів в породах дозволяє прокачувати через них воду, відбираючи тепло.

На практиці ГеоТЕС в гіпертермальних районах працюють на природній гідротермальній циркуляції; у напівтермальних районах використовується як природна гідротермальна циркуляція, так і штучний перегрів за рахунок витягання тепла з сухих гірських порід. Нормальні ж райони мають дуже малі температурні градієнти, аби представляти комерційний інтерес.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
ПРАКТИЧНЕ ЗАНЯТТЯ №10	\|	Використання геотермальних ресурсів

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.