Energia geotermica e suo utilizzo, prospettive della geotermia
C'è un'enorme energia termica all'interno della Terra. Le stime qui sono ancora abbastanza diverse, ma secondo le stime più prudenti, se ci limitiamo a una profondità di 3 km, allora 8 x 1017 kJ di energia geotermica. Allo stesso tempo, la portata della sua reale applicazione nel nostro paese e nel mondo è insignificante. Qual è il problema qui e quali sono le prospettive per l'utilizzo dell'energia geotermica?
L'energia geotermica è l'energia del calore terrestre. L'energia liberata dal calore naturale della Terra è chiamata energia geotermica. Come fonte di energia, il calore della Terra, combinato con le tecnologie esistenti, può soddisfare i bisogni dell'umanità per molti, molti anni. E non si tratta nemmeno di toccare il calore che scorre troppo in profondità, in zone fino ad allora irraggiungibili.
Per milioni di anni, questo calore viene rilasciato dalle viscere del nostro pianeta e la velocità di raffreddamento del nucleo non supera i 400 ° C per miliardo di anni! Allo stesso tempo, la temperatura del nucleo terrestre, secondo varie fonti, attualmente non è inferiore a 6650 ° C e diminuisce gradualmente verso la sua superficie. 42 trilioni di watt di calore vengono costantemente irradiati dalla Terra, di cui solo il 2% nella crosta.
L'energia termica interna della Terra di volta in volta si manifesta minacciosamente sotto forma di eruzioni di migliaia di vulcani, terremoti, movimenti della crosta terrestre e altri processi naturali meno evidenti, ma non per questo meno globali.
Il punto di vista scientifico sulle cause di questo fenomeno è che l'origine del calore terrestre è legata al continuo processo di decadimento radioattivo di uranio, torio e potassio all'interno del pianeta, nonché alla separazione gravitazionale della materia al suo centro.
Lo strato granitico della crosta terrestre, a una profondità di 20.000 metri, è la principale zona di decadimento radioattivo dei continenti e, per gli oceani, il mantello superiore è lo strato più attivo. Gli scienziati ritengono che nei continenti, a una profondità di circa 10.000 metri, la temperatura sul fondo della crosta sia di circa 700 °C, mentre negli oceani la temperatura raggiunge solo i 200 °C.
Il due percento dell'energia geotermica nella crosta terrestre è di 840 miliardi di watt costanti, e questa è energia tecnologicamente accessibile. I posti migliori per estrarre questa energia sono le aree vicino ai bordi delle placche continentali, dove la crosta è molto più sottile, e le aree di attività sismica e vulcanica, dove il calore della terra si manifesta molto vicino alla superficie.
Dove e in che forma si produce l'energia geotermica?
Attualmente, lo sviluppo dell'energia geotermica è attivamente impegnato in: USA, Islanda, Nuova Zelanda, Filippine, Italia, El Salvador, Ungheria, Giappone, Russia, Messico, Kenya e altri paesi, dove il calore dalle viscere del pianeta sale in superficie sotto forma di vapore e acqua calda, uscendo, a temperature che raggiungono i 300°C.
I famosi geyser dell'Islanda e della Kamchatka, così come il famoso Parco Nazionale di Yellowstone, situato negli stati americani del Wyoming, del Montana e dell'Idaho, che coprono un'area di quasi 9.000 chilometri quadrati, possono essere citati come vividi esempi.
Quando si parla di energia geotermica è molto importante ricordare che è per lo più a basso potenziale, cioè la temperatura dell'acqua o del vapore in uscita dal pozzo non è elevata. E questo influisce in modo significativo sull'efficienza dell'utilizzo di tale energia.
Il fatto è che per la produzione di energia elettrica oggi è economicamente conveniente che la temperatura del liquido di raffreddamento sia di almeno 150 ° C. In questo caso viene inviato direttamente alla turbina.
Esistono impianti che utilizzano acqua a temperatura inferiore. In essi, l'acqua geotermica riscalda il refrigerante secondario (ad esempio Freon), che ha un basso punto di ebollizione. Il vapore generato fa girare la turbina. Ma la capacità di tali impianti è piccola (10 - 100 kW) e quindi il costo dell'energia sarà superiore a quello delle centrali elettriche che utilizzano acqua ad alta temperatura.
GeoPP in Nuova Zelanda
I depositi geotermici sono rocce porose piene di acqua calda. Sono essenzialmente caldaie geotermiche naturali.
Ma cosa succede se l'acqua spesa sulla superficie della terra non viene gettata via, ma restituita alla caldaia? Creazione di un sistema di circolazione? In questo caso verrà utilizzato non solo il calore dell'acqua termale, ma anche le rocce circostanti. Un tale sistema aumenterà il suo numero totale di 4-5 volte. Il problema dell'inquinamento ambientale con l'acqua salata viene rimosso, tornando all'orizzonte sotterraneo.
Sotto forma di acqua calda o vapore, il calore viene trasportato in superficie, dove viene utilizzato direttamente per riscaldare edifici e abitazioni o per generare elettricità. Utile anche il calore superficiale della Terra, che solitamente si raggiunge perforando pozzi, dove la pendenza aumenta di 1 °C ogni 36 metri.
Per assorbire questo calore, usano pompe di calore… L'acqua calda e il vapore vengono utilizzati per generare elettricità e per il riscaldamento diretto, e il calore concentrato in profondità in assenza di acqua viene convertito in forma utile dalle pompe di calore. L'energia del magma e il calore che si accumula sotto i vulcani vengono estratti in modi simili.
In generale, esistono numerosi metodi standard per generare elettricità nelle centrali geotermiche, ma ancora una volta direttamente o in uno schema simile a una pompa di calore.
Nel caso più semplice, il vapore viene semplicemente diretto attraverso una tubazione alla turbina di un generatore elettrico. In uno schema complesso, il vapore viene pre-purificato in modo che le sostanze disciolte non distruggano i tubi. In uno schema misto, i gas disciolti in acqua vengono eliminati dopo la condensazione del vapore in acqua.
Infine, esiste uno schema binario in cui un altro liquido con un basso punto di ebollizione (schema dello scambiatore di calore) funge da refrigerante (per prendere calore e far girare la turbina del generatore).
Le più promettenti sono le pompe di calore ad assorbimento sottovuoto con acqua e cloruro di litio. I primi aumentano la temperatura dell'acqua termale a causa del consumo di energia elettrica nella pompa dell'acqua a vuoto.
L'acqua di pozzo con una temperatura di 60 - 90 ° C entra nell'evaporatore sottovuoto. Il vapore generato viene compresso da un turbocompressore. La pressione viene selezionata in base alla temperatura del liquido di raffreddamento richiesta.
Se l'acqua va direttamente all'impianto di riscaldamento, allora è 90 - 95 ° C, se alle reti di riscaldamento, quindi 120 - 140 ° C. Nel condensatore, il vapore condensato cede il suo calore all'acqua che circola nel riscaldamento cittadino reti, impianti di riscaldamento e acqua calda .
Quali altre opzioni ci sono per aumentare l'uso dell'energia geotermica?
Una delle direzioni è legata all'uso di giacimenti di petrolio e gas in gran parte esauriti.
Come sapete, la produzione di questa materia prima nei vecchi campi viene effettuata con il metodo dell'allagamento dell'acqua, cioè l'acqua viene pompata nei pozzi, che sposta petrolio e gas dai pori del giacimento.
Con il progredire dell'esaurimento, i serbatoi porosi si riempiono d'acqua, che acquista la temperatura delle rocce circostanti, e così i depositi si trasformano in una caldaia geotermica, dalla quale è possibile estrarre contemporaneamente petrolio e ottenere acqua per il riscaldamento.
Naturalmente, è necessario perforare altri pozzi e creare un sistema di circolazione, ma questo sarà molto più economico che sviluppare un nuovo campo geotermico.
Un'altra opzione è quella di estrarre calore dalle rocce secche formando zone artificiali permeabili. L'essenza del metodo è creare porosità usando esplosioni in rocce secche.
L'estrazione del calore da tali sistemi viene effettuata come segue: due pozzi vengono perforati a una certa distanza l'uno dall'altro. L'acqua viene pompata in una che, passando alla seconda attraverso i pori e le fessure formate, sottrae calore alle rocce, si riscalda e poi sale in superficie.
Tali sistemi sperimentali sono già operativi negli Stati Uniti e in Inghilterra. A Los Alamos (USA), due pozzi - uno con una profondità di 2.700 me l'altro - 2.300 m, sono collegati mediante fratturazione idraulica e riempiti con acqua circolante riscaldata a una temperatura di 185 ° C. In Inghilterra, nel Rosemenius cava, l'acqua viene riscaldata a 80 °C.
Centrale geotermica
Il calore del pianeta come risorsa energetica
Vicino alla città italiana di Larederello corre una ferrovia elettrica alimentata da vapore secco proveniente da un pozzo. Il sistema è in funzione dal 1904.
I campi di geyser in Giappone e San Francisco sono altri due luoghi famosi al mondo che utilizzano anche vapore caldo secco per generare elettricità. Per quanto riguarda il vapore umido, i suoi campi più estesi si trovano in Nuova Zelanda e quelli più piccoli in Giappone, Russia, El Salvador, Messico, Nicaragua.
Se consideriamo il calore geotermico come una risorsa energetica, le sue riserve sono decine di miliardi di volte superiori al consumo energetico annuo dell'umanità in tutto il mondo.
Basterebbe solo l'1% dell'energia termica della crosta terrestre, prelevata da una profondità di 10.000 metri, per sovrapporre centinaia di volte le riserve di combustibili fossili, come petrolio e gas, continuamente prodotte dall'uomo, portando a un esaurimento irreversibile di del sottosuolo e di inquinamento ambientale.
Ciò è dovuto a motivi economici. Ma le centrali geotermiche hanno emissioni di anidride carbonica molto moderate, circa 122 kg per megawattora di elettricità generata, che è significativamente inferiore alle emissioni della produzione di energia da combustibili fossili.
GeoPE industriale e prospettive di energia geotermica
Il primo geoPE industriale con una capacità di 7,5 MW fu costruito nel 1916 in Italia. Da allora, è stata accumulata un'esperienza inestimabile.
Nel 1975 la capacità totale installata di GeoPP nel mondo era di 1278 MW e nel 1990 era già di 7300 MW. I maggiori volumi di sviluppo di energia geotermica sono negli Stati Uniti, Messico, Giappone, Filippine e Italia.
Il primo geoPE sul territorio dell'URSS è stato costruito in Kamchatka nel 1966, la sua capacità è di 12 MW.
Dal 2003 in Russia è operativa la centrale elettrica geografica Mutnovskaya, la cui potenza è ora di 50 MW: è la più potente centrale geoelettrica in Russia al momento.
Il più grande GeoPP al mondo è Olkaria IV in Kenya, con una capacità di 140 MW.
In futuro, è molto probabile che l'energia termica del magma venga utilizzata in quelle regioni del pianeta dove non è troppo profonda sotto la superficie della Terra, così come l'energia termica delle rocce cristalline riscaldate, quando l'acqua fredda viene pompato in un foro praticato a una profondità di diversi chilometri e l'acqua calda viene restituita in superficie o vapore, dopodiché si riscaldano o generano elettricità.
Sorge la domanda: perché attualmente ci sono così pochi progetti completati che utilizzano l'energia geotermica? Prima di tutto, perché si trovano in luoghi favorevoli, dove l'acqua si riversa sulla superficie della terra o si trova molto poco profonda. In tali casi, non è necessario perforare pozzi profondi, che sono la parte più costosa dello sviluppo dell'energia geotermica.
L'utilizzo delle acque termali per l'approvvigionamento termico è molto maggiore che per la produzione di energia elettrica, ma sono ancora esigue e non svolgono un ruolo significativo nel settore energetico.
L'energia termica sta solo muovendo i primi passi e la ricerca attuale, il lavoro sperimentale-industriale dovrebbe dare una risposta per la portata del suo ulteriore sviluppo.