Энергия Земли

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 
 

«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

(НИУ  «БелГУ») 
 
 

Факультет бизнеса и сервиса

Кафедра экономики и управления на предприятии (в городском хозяйстве) 
 
 

Дисциплина: Основы прогрессивных технологий 
 
 
 

Реферат 
 

Тема: «Энергия Земли» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила:

171108 Ситникова  Дарья

Преподаватель: Ткаченко Г. И. 
 
 
 
 

Белгород 2011

Содержание 
 

1.Введение .............................................................................................3

2.Природа геотермальной энергии …..................................................4

3.Источники геотермальной  энергии …..............................................6

4.Геотермальные  электростанции.........................................................9

   4.1.Способы  использования геотермальной энергии......................10

   4.2.Источники  геотермальной энергии.............................................12

5.Принципы работы...............................................................................12

   5.1.ГеоЭС,  работающие на сухом пару..............................................13

   5.2.ГеоЭС,  работающие на парогидротермах...................................13

   5.3.ГеоЭС  с бинарным циклом производства  электроэнергии.......14

6.Применение..........................................................................................15

7.Заключение...........................................................................................16

8.Список литературы..............................................................................17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

    Говоря  просто геотермальная энергия —  это энергия внутренних областей Земли. Извержение вулканов наглядно свидетельствует  об огромном жаре внутри планеты Ученые оценивают температуру ядра Земли  в тысячи градусов Цельсия Эта  температура постепенно снижается  от горячего внутреннего ядра где  как полагают металлы и породы могут существовать только в расплавленном  состоянии до поверхности Земли.

Геотермальные ресурсы огромны. Истоки их освоения уходят еще в глубокую древность. Тепло Земли уже сейчас вносит вклад в современную энергетику, но он не соответствует ни экономической  и экологической эффективности, ни ресурсам, пригодным для освоения имеющимися техническими средствами. Остается надеяться, что повсеместное введение новой интенсивной циркуляционной технологии для производства геотермальной  энергии приведет к более широкому ее использованию.

    Издавна люди знают о стихийных проявлениях  гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно  превышает мощность самых крупных  энергетических установок, созданных  руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических  извержений говорить не приходится: нет  пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная  доля этой неисчерпаемой энергии  находит выход через огнедышащие  жерла вулканов. 
 

  2.Природа  геотремальной энергии 

    Еще 150 лет тому назад на нашей планете  использовались исключительно возобновляемые и экологически безопасные источники  энергии: водные потоки рек и морских  приливов – для вращения водяных  колес, ветер – для приведения в действие мельниц и парусов, дрова, торф, отходы сельского хозяйства  – для отопления. Однако с конца XIX века все более и более растущие темпы бурного промышленного  развития вызвали необходимость  сверхинтенсивного освоения и развития сначала топливной, а затем и  атомной энергетики. Это привело  к стремительному истощению углеродных ископаемых и к все более возрастающей опасности радиоактивного заражения  и парникового эффекта земной атмосферы. Поэтому на пороге нынешнего  века пришлось вновь обратиться к  безопасным и возобновляемым энергетическим источникам: ветровой, солнечной, геотермальной, приливной энергии, энергии биомасс  растительного и животного мира и на их основе создавать и успешно  эксплуатировать новые нетрадиционные энергоустановки.

    В то время, как достигнутые успехи в создании ветровых, солнечных и  ряда других типов нетрадиционных энергоустановок  широко освещаются в журнальных публикациях, геотермальным энергоустановкам и, в частности, геотермальным электростанциям  не уделяется того внимания, которого они по праву заслуживают. А между  тем перспективы использования  энергии тепла Земли поистине безграничны, поскольку под поверхностью нашей планеты, являющейся, образно  говоря, гигантским естественным энергетическим котлом, сосредоточены огромнейшие  резервы тепла и энергии, основными  источниками которых являются происходящие в земной коре и мантии радиоактивные  превращения, вызываемые распадом радиоактивных  изотопов. Энергия этих источников столь велика, что она ежегодно на несколько сантиметров сдвигает литосферные пласты Земли, вызывает дрейф материков, землетрясения и извержения вулканов, из которых действующих, т. е. периодически извергавшихся за последние 500 лет, насчитывается 486. Кроме действующих, различают также потухшие или "уснувшие" вулканы, которые могут "проснуться" и начать извергаться в любой момент, как это, например, случилось в 79 году нашей эры с вулканом Везувий, который до этого пребывал в состоянии длительного покоя.

    Таким образом, явные проявления колоссальной энергии тепла Земли наблюдаются  в виде землетрясений и извержений вулканов, вызывающих огромные разрушения, в сотни и даже тысячи раз превосходящие  разрушения от взрыва атомной бомбы. Совсем другая картина наблюдается  в случае, когда тот или иной вулкан не извергает лаву и пепел, а находятся в спокойном состоянии, как это наглядно демонстрируют  приведенные на фотографии Мутновского  вулкана, расположенного на юге Камчатки (Российская Федерация). На этих фотографиях  показано: панорама внутри вулкана (а), в окрестности вулкана (б), в кратере  вулкана (в).

    К сожалению, человечество еще не научилось  использовать энергию вулканов в  мирных целях. А вот рассматриваемые  далее скрытые, на первый взгляд незаметные, проявления энергии земных недр, уже  давно эффективно используются людьми для получения тепловой, а в течение последних почти 100 лет также и электрической энергии. Одним из таких скрытых проявлений этой энергии является рост температуры земной коры и мантии по мере приближения к ядру Земли. Эта температура с глубиной повышается в среднем на 20°С на 1 км, достигая на уровне 2–3 км от поверхности Земли более 100, а на глубине 100 км даже 1300–1500ºС, что вызывает нагрев воды, циркулирующей на больших глубинах, до значительных температур. В вулканических регионах нашей планеты эта вода поднимается на поверхность по трещинам в земной коре, а в сейсмически спокойных регионах ее можно выводить на поверхность по пробуренным скважинам. Для этого достаточно закачивать в эти скважины вниз холодную воду, получая при этом по рядом пробуренным скважинам поднимающуюся вверх перегретую геотермальную воду и образовавшийся из нее пар.  

    3.Источники  геотермальной энергии

    Источники геотермальной энергии могут  быть двух типов.Первый тип – это  подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальные  источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно  готовые к  использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно  добыть с     помощью обычных  буровых скважин. Второй тип –  это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты  воду, можно также получить пар  или перегретую воду для дальнейшего  использования в энергетических целях.

    Но  в обоих вариантах использования  главный недостаток заключается, пожалуй, в очень слабой концентрации геотермальной  энергии. Впрочем, в местах образования  своеобразных геотермических аномалий, где горячие источники или породы подходят сравнительно близко к поверхности и где при погружении вглубь на каждые 100 м температура повышается на 30- 40°С, концентрации геотермальной энергии могут создавать условия и для хозяйственного её использования. В зависимости от температуры воды, пара или пароводяной смеси геотермальные источники подразделяются на низко- и среднетемпературные (с температурой до 130 – 150° С) и высокотемпературные (свыше 150°). От температуры во многом зависит характер их использования.

Можно утверждать, что геотермальная энергия  имеет четыре выгодных отличительных  черты.

Во-первых, её запасы практически неисчерпаемы. По оценкам конца 70-х годов до глубины 10 км они составляют такую величину, которая в 3,5 тысячи раз превышает запасы традиционных видов минерального топлива.

Во-вторых, геотермальная энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана в основном с поясами  активной сейсмической и вулканической  деятельности, которые занимают 1/10 площади Земли. В пределах этих поясов можно выделить отдельные наиболее перспективные «геотермальные районы», примерами которых могут служить  Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, Исландия, Камчатка, Северный Кавказ в России. Только в бывшем СССР к  началу 90-х годов было открыто  около 50 подземных бассейнов горячей  воды и пара.

В-третьих, использование геотермальной энергии  не требует больших издержек, т.к. в данном случае речь идет об уже  «готовых к употреблению», созданных  самой природой источниках энергии.

Наконец, в-четвертых, геотермальная энергия  в экологическом отношении совершенно безвредна и не загрязняет окружающую среду.

    Человек издавна использует энергию внутреннего  тепла Земли (вспомним хотя бы знаменитые Римские бани), но её коммерческое использование началось только в 20-х годах нашего века со строительством первых геоЭС в Италии, а затем и в других странах. К началу 80-х годов в мире действовало около 20 таких станций общей мощностью 1,5 млн. кВт. Самая крупная из них – станция Гейзерс в США (500 тыс. кВт).

    Геотермальную энергию используют для выработки  электроэнергии, обогрева жилья, теплиц и т.п. В качестве теплоносителя  используют сухой пар, перегретую воду или какой-либо теплоноситель с  низкой температурой кипения (аммиак, фреон и т.п.)

    Маленькая европейская страна Исландия («страна  льда» в дословном переводе) полностью  обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла  земли, других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками  и знаменитыми гейзерами - фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла подземных источников (еще древние римляне к знаменитым баням - термам Каракаллы - подвели воду из-под земли), жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно. Столица город Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников.

      Но не только для отопления  черпают люди энергию из глубин  земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные  источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена  в 1904 году в небольшом итальянском  городке Лардерелло, названном так  в честь французского инженера  Лардерелли, который еще в 1827 году  составил проект использования  многочисленных в этом районе  горячих источников. Постепенно  мощность электростанции росла,  в строй вступали все новые  агрегаты, использовались новые  источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины - 360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч киловатт. В 120 км от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч киловатт. 
 

     4.Геотермальные  электростанции

    Геотермальная электростанция (ГеоТЭС) — вид электростанций, которые вырабатывают электрическую  энергию из тепловой энергии  подземных  источников (например,гейзеров).

     Геотермальные воды с наиболее высокой температурой и пар используют для получения  электроэнергии. Энергия, полученная таким  способом, дешевле, чем энергия тепловых, атомных и гидроэлектростанций. Наличие больших запасов геотермальной  энергии в земной коре дает надежду  на то, что у этой отрасли энергетики большое будущее.

    На  Камчатке уже работают две геотермальные  электростанции. А также такие  электростанции построены в районе Махачкалы и Южно-Курильска.

    Недостатком всех имеющихся геотермальных электростанций является то, что располагать их возможно только там, где есть горячие  источники. Но ученые всерьез задумались о технологиях, которые позволят использовать тепло земных недр повсеместно.

    Ученые  выдвинули идею бурения скважин  на глубину в 4-6 километров, для того чтобы в одну скважину закачивать холодную воду, а из другой получать разогретый пар. Температура в глубине  скважин будет достигать 150-200°C. Полученный пар можно использовать для получения  электроэнергии или отопления. Данный способ назвали технологией "горячих  сухих горных пород". Сейчас его  испытывают в рамках экспериментального проекта, реализуемого совместно немецкими, французскими и британскими учеными  в Эльзасе. В ходе испытаний уже  удалось получить геотермальный  пар, и в скором будущем ученые надеются получить с помощью него электрический ток.

    Благодаря изобретению советского инженера Александра Калины, наряду с традиционными геотермальными электростанциями появились электростанции использующие "цикл Калины". Их особенностью является то, что горячая вода из земных недр передает свою энергию  другой жидкости. Такая схема называется бинарной или двухконтурной. В качестве второй жидкости используют двухкомпонентную водно-аммиачную смесь. Свойства этой смеси позволяют оптимизировать перенос тепла при ее испарении  и конденсации. Поэтому "цикл Калины" оказался эффективней других бинарных схем. КПД таких электростанций гораздо  выше по сравнению с традиционными  геотермальными электростанциями и  это несомненно большой прогресс. 

4.1.Способы  использования геотермальной  энергии

    Существует  два основных способа использования  геотермальной энергии: прямое использование  тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла  широко распространенна в высоких  широтах на границах тектонических  плит, например в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется  непосредственно в глубинные  скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и  жилых строений. Способ производства электричества из геотермальной  энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в  более высокой температуре (более 150 0С).

    В Калифорнии, Неваде и некоторых других местах геотермальная энергия используется на больших электростанциях, Так, в  Калифорнии около 5% электричества вырабатывается за счет геотермальной энергии, в  Сальвадоре геотермальная энергия  производит около 1/3 электроэнергии. В  Айдахо и Исландии геотермальное  тепло используется в различных  сферах, в том числе и для  обогрева жилья. В тысячах домах  геотермальные тепловые насосы используются для получения экологически чистого  и недорогого тепла. 

     4.2.Источники  геотермальной энергии

    Сухая нагретая порода – Для того, чтобы использовать энергию в геотермальных электростанциях, содержащуюся в сухой скальной породе, воду при высоком давлении закачивают в породу. Таким образом, расширяются существующие в породе изломы, и создается подземный резервуар пара или горячей воды.

    Магма – расплавленная масса, образующаяся под корой Земли. Температура магмы достигает 1200 С. Несмотря на то, что небольшие объемы магмы находятся на доступных глубинах, практические методы получения энергии из магмы находятся на стадии разработки.

    Горячие, находящиеся под  давлением, подземные  воды, содержащие растворенный метан. В производстве электроэнергии используются и тепло, и газ.

    5.Принципы  работы

    В настоящее время существует три  схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных  ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема  производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар  или вода) и ее температуры. Первыми  были освоены электростанции на сухом  пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через  турбину/генератор. Электростанции с  непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0С) которая закачивается при  высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные  электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

    5.1.ГеоЭС,работающие  на сухом пару

    Паровые электростанции работают преимущественно  на гидротермальном пару. Пар поступает  непосредственно в турбину, которая  питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также  отпадает необходимость в транспортировке  и хранении топлива). Это старейшие  геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена  в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она  действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная  геотермальная электростанция в  мире.

    5.2.ГеоЭС  на парогидротермах

    Для производства электричества на таких  заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 182 °С). Гидротермальный  раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого  часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.

    5.3.ГеоЭС  с бинарным циклом  производства электроэнергии

    Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 200 0С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. Горячая  геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через  теплообменник. Тепло геотермальной  воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически  отсутствуют. Воды умеренной температуры  являются наиболее распространенным геотермальным  ресурсом, поэтому большинство геотермальных  электростанций будущего будут работать на этом принципе.

     6.Применение 

     Применение  геотермальных вод не может рассматриваться  как экологически чистое, потому что  пар часто сопровождается газообразными  выбросами, включая сероводород  и радон - оба считаются опасными. На геотермальных станциях пар, вщающий  турбину, должен быть конденсирован, что  требует источника охлаждающей  воды, точно так же как этого  требуют электростанции на угле или  ядерном топливе. В результате сброса как охлаждающей, так и конденсационной  горячей воды возможно тепловное  загрязнение среды. Кроме того, там, где смесь воды и пара извлекается  из земли для электростанций, работающих на влажном паре, и там, где горячая  вода извлекается для станций  с бинарным циклом, воду необходимо удалять. Эта вода может быть необычно соленой (до 20% соли), и тогда потребуется  перекачка ее в океан или нагнетание в землю. Сброс такой воды в  реки или озера мог бы уничтожить в них пресноводные формы жизни. В геотермальных водах нередко  содержатся также значительные количества сероводорода—дурно пахнущего газа, опасного в больших концентрациях.  

    7.Заключение

    Резервуары  с паром и горячей водой  являются лишь малой частью геотермальных  ресурсов. Земная магма и сухая  твердая порода обеспечат дешевой, чистой практически неиссякаемой энергией, как только будут разработаны  соответствующие технологии по их утилизации. До тех пор, самыми распространенными  производителями геотермальной  электроэнергии будут электростанции с бинарным циклом.

    Геотермальная энергетика развивается достаточно интенсивно в США, на Филиппинах, в  Мексике, Италии, Японии, России. Самая  мощная ГеоТЭС (50 МВт) построена в  США — ГеоТЭС Хебер.

    Запасы  геотермальной энергии составляют 200 ГВт. Геотермальные ресурсы распределены неравномерно, и основная их часть  сосредоточена в районе Тихого океана.

    В России геотермальные источники  экономически расположены невыгодно. Камчатка, Сахалин и Курильские острова  отличаются слабой инфраструктурой, высокой  сейсмичностью, малонаселенностью, сложным  рельефом местности. Общие запасы этого  вида энергии в России оцениваются  в 2000 МВт. В настоящее время в  России действует Паужетская ГеоТЭС на Камчатке мощностью 11 МВт. 
 
 
 
 
 
 

8.Список  литературы

1. Выморков Б.М.  Геотермальные электростанции. –  М.-Л., 1966.

2. Конеченков  А., Остапенко С. Энергия тепла  Земли // Электропанорама. – 2003. – №7-8.

3. Гетермальная энергетика.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Гетермальная_энергетика.

4. Геотермальные  электростанции http://www.manbw.ru/analitycs/geothermal_power_stations_plant.html

5. Саламов А.А. Геотермические электростанции  в энергетике мира. -  М.: Теплоэнергетика, 2000.

6. Володин В., Хазановский П. Энергия, век  двадцать первый — М.: 1989