Тепловая энергия планеты

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

Внутреннее строение Земли………………………………………………...….4

Тепловая энергия планеты……………………………………………………...7

Источники тепла в недрах Земли……………………………………………....9

Геотермальные ресурсы земли. Перспективные способы выявления  потенциальных геотермальных источников энергии………………………..11

Преобразование  геотермальной энергии  в электрическую и тепловую…..14

Заключение……………………………………………………………………..19

Введение 

      На  протяжении  миллионов лет на Земле в  результате фотосинтеза непрерывно  накапливалась лучистая энергия  Солнца. Древние растения и животные, погрузившиеся на дно морей  и водоемов, отдают нам ее теперь  в виде угля, нефти и природного  газа – наших основных источников  энергии.

      Накопленные  огромные природные резервы человечество  тратило постепенно в течение  тысячелетий своего существования.  Технический прогресс непрерывно  увеличивает скорость истощения  этих запасов. Вот почему все  чаще поднимается проблема перспективы  энергетического голода и целесообразности  экономии природных ресурсов. И  это толкает ученых и инженеров  на поиски новых - альтернативных  путей, которые помогут удовлетворить  будущие потребности в энергии.

     Известно, что  объем Земли составляет примерно 1085 млрд. куб.км, и весь этот объем, кроме слоя земной коры, имеет очень большую температуру. Сколько тепла заключено внутри Земли - неизвестно, однако, если судить по извержениям лавы, а также по таким менее явным проявлениям, как термальные источники, гейзеры и фумаролы, его вполне достаточно, чтобы обеспечить большую часть человечества необходимой энергией.

     Если  учесть  объем внутренней части Земли  и теплоемкость пород, то понятно,  что геотермальное тепло представляет  собой один из самых крупных  источников энергии, которым на  данный момент располагает человек.  Причем энергия эта в чистом  виде, потому, что она уже существует  в тепловой энергии, и для  ее получения нет необходимости  в сжигании топлив или создании  реакторов.

Внутреннее строение Земли

Не просто «заглянуть»  в недра Земли. Даже самые глубокие скважины на суше едва преодолевают 10 – километровый рубеж, а под водой  удаётся, пройдя осадочный чехол, проникнуть в базальтовый фундамент не более  чем на 1.5 км. Однако нашёлся другой способ. Как в медицине рентгеновские  лучи позволяют увидеть внутренние органы человека, так при исследовании недр планеты на помощь приходят сейсмические волны. Скорость сейсмических волн зависит  от плотности и упругих свойств  горных пород, через которые они  проходят. Более того, они отражаются от границ между пластами пород разного  типа и преломляются на этих границах.

По записям колебаний земной поверхности при землетрясениях – сейсмограммам – было установлено, что недра Земли состоят из трёх основных частей: коры, оболочки (мантии) и ядра.

Толщина коры непостоянна, она  изменяется от нескольких километров в океанических областях до нескольких десятков километров в горных районах  материков. В самых грубых моделях  Земли кору представляют в виде однородного  слоя толщиной порядка 35 километров. Ниже, до глубины примерно 2900 км, расположена  мантия. Она, как и земная кора, имеет  сложное строение.

Ещё в XIX столетии стало ясно, что у Земли должно быть плотное  ядро. Действительно, плотность наружных пород земной коры составляет около 2800 кг/м³ для гранитов и примерно 3000 кг/м³ для базальтов, а средняя плотность нашей планеты – 5500 кг/м³. В то же время существуют железные метеориты со средней плотностью 7850 кг/м³ и возможна ещё более значительная концентрация железа. Это послужило основанием для гипотезы о железном ядре Земли. А в начале XX в. были получены первые сейсмологические свидетельства его существования.

Граница между ядром и  мантией наиболее отчётливая. Она  сильно отражает продольные (Р) и поперечные (S) сейсмические волны и преломляет Р-волны. Ниже этой границы скорость Р-волны резко падает, а плотность  вещества возрастает: от 5600 кг/м³ до 10000 кг/м³. S-волны ядро вообще не пропускает. Это означает, что вещество там находится в жидком состоянии.

Есть и другие свидетельства  в пользу гипотезы о жидком железном ядре планеты. Так, открытое в 1905г. изменение  магнитного поля Земли в пространстве и по интенсивности привело к  заключению, что оно зарождается  в глубинах планеты. Там сравнительно быстрые движения могут происходить, не вызывая катастрофических последствий. Наиболее вероятный источник такого поля – жидкое железо (т.е. проводящее токи) ядро, где возникают движения, действующие по механизму самовозбуждающегося  динамо. В нём должны существовать токовые петли, грубо напоминающие витки провода в электромагните, которые и генерируют различные  составляющие геомагнитного поля.

В 30–е гг. сейсмологи установили, что у Земли есть и внутреннее, твёрдое ядро. Современное значение глубины границы между внутренним и внешним ядрами примерно 5150 км.

Граница наружной зоны Земли  – расположена на глубине порядка 70 км. Литосфера включает в себя как  земную кору, так и часть верхней  мантии. Этот жёсткий слой объединяется в единое целое его механическими  свойствами. Литосфера расколота  примерно на десять больших плит, на границах которых случается подавляющее  число землетрясений.

Под литосферой на глубинах от 70 до 250 км существует слой повышенной текучести – так называемая астеносфера  Земли. Жёсткие литосферные плиты  плавают в «астеносферном океане».

В астеносфере температура  мантийного вещества приближается к  температуре его плавления. Чем  глубже, тем выше давление и температура. В ядре Земли давление превышает 3600 кбар, а температура – 6000 С⁰.

Тепловая энергия  планеты

О высокой температуре  земных недр учёные догадывались давно. Об этом свидетельствовали и вулканические  извержения, и рост температуры при  погружении в глубокие шахты. В среднем  у поверхности Земли её увеличение составляет 20 градусов на километр.

Тепловая энергия земных недр выделяется с поверхности планеты  в виде теплового потока, который  измеряется количеством тепла, выделяемого  с единицы площади за  единицу времени. Измерить тепловой поток Земли с достаточной точностью удалось только во второй половине XX века.

Континентальную земную кору можно представить в виде 15 –  километрового слоя гранита, лежащего на слое базальта такой же толщины. Концентрация радиоактивных изотопов, служащих источниками тепла, в гранитах и базальтах хорошо изучена. Это прежде всего радиоактивный калий, уран и торий. Подсчитано, что при их распаде выделяется примерно 130 Дж/(см год). В тоже время средний тепловой поток, который равен 130 – 170 Дж/(см год). Следовательно, он почти полностью определяется тепловыделением в гранитном и базальтовом слоях.

С океанической корой всё  обстоит иначе. Она значительно  тоньше континентальной, и основу её составляет 5 – 6 –километровый базальтовый  слой. Распад содержащихся в нём  радиоактивных элементов даёт всего  около 10 Дж/(см год). Однако, когда специалисты измерили тепловой поток на океанах, он оказался примерно таким же, как и на материках.

Сегодня установлено, что  основная часть тепла поступает  в океаническую кору через литосферную  плиту из мантии. Вещество мантии постоянно  находится в движении. Неравенство  температур различных слоёв в  ней приводит к активному перемешиванию  вещества: более холодное и, соответственно, более плотное тонет, более горячее всплывает. Это так называемая тепловая конвекция.

Большинство современных  исследователей указывают на три  возможных источника энергии  для поддержания тепловой конвекции  в мантии. Во – первых, мантия всё ещё сохраняет большое количество тепла, накопленного в период формирования планеты. Его достаточно, чтобы поверхностный тепловой поток сохранялся на его теперешнем уровне в течение срока, в несколько раз превышающего нынешний возраст Земли. При этом планета должна остывать, но её остывание происходит очень медленно. Во – вторых, определённое количество тепла, по-видимому, поставляется в мантию из ядра. И, наконец, третий источник – это распад радиоактивных элементов (их содержание в мантии в настоящее время трудно оценить).

Источники тепла в недрах земли.         

В центре Земли температура находится  в пределах 4000-5000 К, в магматических очагах, сравнительно близких к поверхности, достигает 1200-1500 К. Плотность теплового потока из внутренних областей Земли к ее поверхности в среднем составляет 6-3 Вт/м2. Этому соответствует температурный градиент около 30 К/км. В районах молодых складчатых областей тепловой поток может доходить до 0,3 Вт/м2 при температурном градиенте 200 К/км и более.

В соответствии с современными представлениями выделение теплоты  в недрах Земли связано с совокупностью  следующих процессов:      

1. Радиоактивный распад  элементов: элементы с периодом  полураспада, меньшим периода  формирования Земли, распались  при первоначальном разогреве  планетного вещества; распад долгоживущих  элементов продолжается в настоящее  время. Общее количество теплоты,  выделившейся за счет радиоактивного  распада, оценивается в (0,6-2,0)-1031 Дж.      

2.  Воздействие притяжения Солнца и Луны, приводящее к земным приливам и торможению Земли. За счет этого фактора за время существования Земли выделилось до 30% теплоты радиогенного происхождения.       

3.   Гравитационная деформация материала Земли с образованием

плотного  ядра и менее плотной оболочки вызвала (по оценкам) выделение (1,5-2,0)- 1031 Дж теплоты.      

4.   Тектонические процессы, вызывающие вертикальные и горизонтальные смещения крупных блоков земной коры и ее упругие деформации, приводят к ежегодному выделению 3-1018 Дж теплоты.      

5.   Предполагается, что химические превращения в недрах Земли могли привести к выделению 1,2-1031 Дж теплоты.  

Геотермальные ресурсы  Земли. Перспективные способы выявления потенциальных геотермальных источников энергии.

      Геотермальные  ресурсы классифицируются по  четырем  группам: 

1. Месторождения сухого  пара – ресурсы сравнительно  легко осваиваются, но встречаются  редко;

2. Месторождения влажного пара – распространены в большей степени, однако при освоении возникают проблемы, связанные с коррозией и повышенным содержанием солей;

3. Горячая вода – ресурсы большие, используются главным образом для отопления в тепличном хозяйстве;

4. Теплота сухих горных пород – ресурсы большие, однако технология использования находится в ранней стадии освоения.

По  характеру скопления термальные воды делят на:

– трещинно-жильные,

– пластовые.

Трещинно-жильные  термальные воды встречаются в горно-складчатых областях и характеризуются локальными выходами термальных источников и парогидротерм с температурой до 370 К и выше.

Пластовые термальные воды залегают в пределах континентальных  платформ, краевых прогибов и горных впадин. Такие бассейны могут занимать площади в сотни тысяч и  миллионы квадратных километров.

По  степени минерализации  различают:

– термальные воды с низкой минерализацией (до 10 г/л), которые могут  использоваться без предварительной  подготовки;

– термальные воды со средней  минерализацией (10-35 г/л), требующие  очистки;

– термальные воды с высокой минерализацией (35-200 г/л и более), которые могут использоваться в двухконтурных схемах.

Геотермальные источники  – огромный резервуар энергии, способный  удовлетворить энергетические потребности  Земли. Ранее считалось, что геотермальная  энергия является реальной альтернативой  только для определённых регионов, расположенных в зонах вулканической  активности. Поиски в других странах  и областях считались дорогими, сложными и бесперспективными.

Однако  недавно исследователями  был предложен принципиально  новый способ поиска.

Учёные установили, что  указать  горячие недра может  концентрация  гелия. По мнению авторов  идеи, необходимые человеку ресурсы  могут встречаться и в других  местах, поскольку происходят из  горячего вещества мантии, которые  просачиваются через сетку глубинных  разломов в нижних слоях земной  коры.

Авторы разработки – ученые-геохимики, Мак Кеннеди из Национальной лаборатории  имени Лоуренса в Беркли и Маттейс ван Суст из университета Аризоны открыли новый способ выявления потенциальных геотермальных источников энергии в процессе изучения геологической структуры в Провинции бассейнов и хребтов на северо-западе США.

 Исследователи  определяют  три условия, которым должны  соответствовать все источники.  Во-первых, они должны обладать  большим температурным градиентом, то есть потоки мантии должны  близко подходить к скальной  породе. Во-вторых, источник должен иметь пополняемый подземный резервуар с жидкой средой, которой, как правило, является вода - именно она будет выносить тепло и давление на поверхность, где мы можем их использовать. Кроме того, под источником должна существовать сеть глубинных пор, по которым потоки из мантии смогут добираться до горячей зоны источника, принося с собой тепло.

       Предполагается, что данный способ  поиска обеспечит  обнаружение  источников, соответствующих  всем  трём указанным показателям.

       Изобретение  появилось из анализа  соотношения  изотопов гелия в  образцах, полученных методами бурения,  из поверхностных источников, а   так же из открытых дренажных   отверстий на поверхности. 

  Высокое содержание  гелия-3 означает, что подземные воды  омывают мантийные породы, низкое  же служит индикатором того, что  вода или другие жидкости и  близко не подходят к границе  раздела кора-мантия.

     Традиционно  принято считать, что геотермальные  источники энергии, пригодные  для освоения человеком, существуют  лишь в местах вулканической  активности. Ими, например, являются  гейзеры. Ресурсы же геотермальной  энергии, на которые указывают  Кеннеди и ван Суст, берут свое начало не в вулканических зонах, а из потоков горячего вещества мантии, просачивающихся через сетку глубинных разломов в нижних слоях земной коры. Отчет о своей работе ученые опубликовали в последнем выпуске журнала «Science».

Преобразование  геотермальной энергии  в электрическую и тепловую.  
Использовать тепло подземных вод очень выгодно. Например, чтобы нагревать воду, которая крутит турбину генератора тепловой электростанции, надо сжигать огромное количество дорогого топлива. Велики затраты и на его добычу, и на доставку. К тому же большой вред окружающей среде наносит загрязнение от постоянно дымящих труб и гор ядовитой золы. А тут горячая вода и пар сами поднимаются наверх, и нет никаких отходов. Наоборот, потом эту воду можно использовать для отопления, полива. 
Впервые тепло подземных вод для выработки электроэнергии стали использовать в Италии. Сейчас такие электростанции работают уже во многих странах. Они называются геотермальными. Первая такая электростанция в нашей стране — Паужетская — построена на Камчатке. В настоящее время Паужетская ГеоЭС обеспечивает электроэнергией 4 населенных пункта Усть-Большерецкого района, в том числе поселок Озерновский и село Запорожье, где находятся крупные рыбоперерабатывающие предприятия.

В последние годы разработаны  новые способы использования  тепла Земли для получения  электроэнергии. Один из них — геотермальная  электростанция с двойным циклом. Горячие подземные воды нагревают  другую — так называемую «рабочую»  — жидкость с более низкой температурой кипения, которая вращает турбину электрогенератора. Поэтому для выработки электроэнергии могут использоваться подземные воды с температурой уже гораздо ниже 100 °С. 
Другой способ работы гидротермальной электростанции -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.

На электростанциях на парогидротермах 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. 
Тепло подземных вод часто используют для отопления. Особенно большое значение это имеет для Исландии — островного государства, расположенного рядом с Северным полярным кругом. Там около 30 природных горячих источников и гейзеров, пробурено много скважин. Эти воды отапливают столицу страны Рейкьявик и многие другие города и посёлки, ими заполняют также многочисленные бассейны, используют в теплицах, где выращивают даже бананы. В Японии горячими подземными водами орошают рисовые поля, обогревают пруды, где разводят рыб и аллигаторов.

Впечатляет появившаяся  несколько лет тому назад новая, разработанная австралийской компанией  Geodynamics Ltd., поистине революционная технология строительства ГеоТЭС – так называемая технология Hot-Dry-Rock, существенно повышающая эффективность преобразования энергии геотермальных вод в электроэнергию.

До самого последнего времени  в термоэнергетике незыблемым считался главный принцип работы всех геотермальных станций, заключающийся в использовании естественного выхода пара из подземных резервуаров и источников. Австралийцы отступили от этого принципа и решили сами создать подходящий "гейзер". Для создания такого гейзера австралийские геофизики отыскали в пустыне на юго-востоке Австралии точку, где тектоника и изолированность скальных пород создают аномалию, которая круглогодично поддерживает в округе очень высокую температуру. По оценкам австралийских геологов, залегающие на глубине 4,5 км гранитные породы разогреваются до 270°С, и поэтому, если на такую глубину через скважину закачать под большим давлением воду, то она, повсеместно проникая в трещины горячего гранита, будет их расширять, одновременно нагреваясь, а затем по другой пробуренной скважине будет подниматься на поверхность. После этого нагретую воду можно будет без особого труда собирать в теплообменнике, а полученную от нее энергию использовать для испарения другой жидкости с более низкой температурой кипения, пар которой, в свою очередь, и приведет в действие паровые турбины. Вода, отдавшая геотермальное тепло, вновь будет направлена через скважину на глубину, и цикл таким образом повторится.

Безусловно, реализовать  эту технологию можно не в любом  месте, а только там, где залегающий на глубине гранит нагревается до температуры не менее 250–270°С. При  применении такой технологии ключевую роль играет температура, понижение  которой на 50°С по оценкам ученых вдвое повысит стоимость электроэнергии.

Для подтверждения прогнозов  специалисты компании Geodynamics Ltd. уже пробурили две скважины глубиной по 4,5 км каждая и получили доказательство того, что на этой глубине температура достигает искомых 270–300°С. В настоящее время проводятся работы по оценке общих запасов геотермальной энергии в этой аномальной точке юга Австралии. По предварительным расчетам в этой аномальной точке можно получать электроэнергию мощностью более 1 ГВт, причем стоимость этой энергии будет вдвое дешевле стоимости ветровой энергии и в 8 – 10 раз дешевле солнечной.

Геотермальные ресурсы разведаны  в 80 странах мира и в 58 из них активно  используются. Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, где геотермальная электроэнергетика, как один из альтернативных источников энергии, имеет особую правительственную  поддержку. В США в 2005 году на ГеоТЭС было выработано около 16 млрд. кВт·ч электроэнергии в таких основных промышленных зонах, как зона Больших гейзеров, расположенная в 100 км к северу от Сан-Франциско (1360 МВт установленной мощности), северная часть Соленого моря в центральной Калифорнии (570 МВт установленной мощности), Невада (235 МВт установленной мощности) и др. Геотермальная электроэнергетика бурно развивается также в ряде других стран, в том числе:

• на Филиппинах, где на ГеоТЭС на начало 2003 года было установлено 1930 МВт электрической мощности, что позволило обеспечить около 27% потребностей страны в электроэнергии;
• в Италии, где в 2003 году действовали геотермальные энергоустановки общей мощностью в 790 МВт;
• в Исландии, где действуют пять теплофикационных ГеоТЭС общей электрической мощностью 420 МВт, вырабатывающие 26,5% всей электроэнергии в стране;
• в Кении, где в 2005 году действовали три ГеоТЭС общей электрической мощностью в 160 МВт и были разработаны планы по доведению этих мощностей до 576 МВт [3,7].

Характеризуя развитие мировой  геотермальной электроэнергетики  как неотъемлемой составной части  возобновляемой энергетики на более  отдаленную перспективу, отметим следующее. Согласно прогнозным расчетам в 2030 году ожидается некоторое (до 12,5% по сравнению  с 13,8% в 2000 году) снижение доли возобновляемых источников энергии в общемировом  объеме производства энергии. При этом энергия солнца, ветра и геотермальных  вод будет развиваться ускоренными  темпами, ежегодно увеличиваясь в среднем  на 4,1%, однако вследствие "низкого" старта их доля в структуре возобновляемых источников и в 2030 году будет оставаться наименьшей.

Заключение

Повсеместно на планете на глубине 5-10 км под поверхностью земли протекают геотермальные воды, которые возможно использовать для получения энергии. Нагретые (иногда до температуры 6 тыс. градусов по шкале Цельсия) подземные воды выходят на поверхность земли в виде горячих источников или гейзеров, это тепло и может быть трансформировано в электрическую энергию или использоваться непосредственно для обогрева домов и теплиц. Энергия, полученная из геотермального источника сама по себе не может решить энергетическую проблему, но она позволит снизить зависимость от использования ископаемого топлива.

К достоинствам этого метода получения энергии относится  ее дешевизна и экологическая  чистота. К недостаткам - невозможность  строительства геотермальных станций  в большинстве регионов планеты. Кроме того, есть пример того, когда  построенная электростанция годами простаивала без дела, поскольку  источник горячих вод неожиданно иссяк.

Источники

1. Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М.: Наука. 2006.
2. Викулин А.В. Физика Земли и геодинамика. Петропавловск-Камчатский: КГУ. 2009.
3. «Наука и Жизнь» №9, Тепло Земли, Кирилл Дегтярев, научный сотрудник, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова.2013.
4. Альтернативная энергетика. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Магомедов Абук Магомедович.
5. http://pochemy.net/?n=1193