Геотермальная энергия: возобновляемый источник энергии будущего

Геотермальная энергия — это тепловая энергия, содержащаяся в недрах Земли. Она образуется за счёт распада радиоактивных элементов и остаточного тепла от формирования планеты. Эту энергию можно использовать для выработки электроэнергии и непосредственного теплоснабжения. Рассмотрим подробней, что из себя представляет геотермальная энергия и как её можно применять на практике.

Определение геотермальной энергии

Геотермальная энергия — это тепловая энергия, заключённая в недрах Земли. Она формируется за счёт:

1) Распада радиоактивных элементов. В земной коре и мантии содержатся радиоактивные изотопы урана, тория и калия. Их распад сопровождается выделением тепла.

2) Остаточного тепла от формирования Земли. На заре своего существования наша планета была раскаленным шаром. Часть этого первозданного тепла всё ещё сохраняется в её недрах.

Таким образом, Земля может рассматриваться как огромный тепловой реактор, непрерывно генерирующий тепло в своих глубинах. Геотермальная энергия — это тепловая энергия земных недр, которую человек научился использовать в своих целях.

Температура земных недр

Температура внутри Земли повышается с глубиной. Это называется геотермическим градиентом. В среднем температура повышается на 3°C при погружении на 100 метров вглубь.

Однако геотермический градиент может существенно различаться в зависимости от региона:

• В областях с повышенной вулканической активностью он выше среднего уровня. Например, в зоне Исландского геотермального пояса температура увеличивается до 5°C на 100 м;
• В древних докембрийских щитах со слабой тектонической активностью градиент ниже — порядка 1-2°C на 100 м.

На глубине 10 км температура горных пород достигает 250-500°C. А на глубине 100 км она превышает 1200°C. Такое огромное количество тепловой энергии и представляет интерес для человека.

Причины неравномерного распределения тепла

Неравномерность распределения тепла в недрах Земли объясняется следующими причинами:

1) Наличие конвекционных потоков в мантии. Они перераспределяют тепло между различными участками мантии.

2) Неравномерность выделения тепла из радиоактивных элементов. В одних породах их больше, в других — меньше.

3) Наличие гидротермальных систем — зон циркуляции подземных флюидов (воды и пара), переносящих тепло по породам земной коры.

4) Тектонические процессы, ведущие к нагреву отдельных участков земной коры за счёт трения пород.

В итоге в одних регионах скапливается большее количество тепла, чем в других. Именно такие аномальные геотермальные зоны и представляют наибольший интерес для практического использования.

Виды геотермальной энергии

Существует два основных вида геотермальной энергии:

1) Гидротермальная энергия. Она связана с наличием в недрах пластов горячих подземных вод (термальных вод) и пара, которые заполняют трещиноватые породы.

Температура таких геотермальных флюидов может достигать 350°C и выше. Их движение образует гидротермальные системы — своего рода природные тепловые машины.

2) Петротермальная энергия «сухих» горных пород. Она заключена непосредственно в твёрдых породах земной коры, разогретых до высоких температур на глубине.

Гидротермальная энергия более доступна для освоения. Но запасы петротермальной энергии значительно больше. Поэтому учёные работают над технологиями её извлечения.

Месторождения геотермальной энергии

Промышленный интерес представляют месторождения высокопотенциальной геотермальной энергии. К ним относятся:

• Геотермальные аномалии — зоны со значительным превышением среднего геотермического градиента (более 10°C на 100 м);
• Гидротермальные резервуары — естественные подземные коллекторы, насыщенные нагретыми до высоких температур водами;
• Геотермальные месторождения пара — участки земной коры, где в её трещинах циркулирует перегретый водяной пар.

Такие месторождения всегда приурочены к зонам активной разломной тектоники и магматизма. Это объясняется большим количеством трещин для движения флюидов и повышенным тепловым потоком из мантии.

Использование геотермальной энергии

Устойчивый и возобновляемый характер делает геотермальную энергию идеальным решением для обеспечения человечества тепловой и электрической энергией. Она активно используется во многих странах мира.

Основные направления использования геотермальной энергии:

1. Производство электроэнергии. Пар из скважин приводит в действие турбогенераторы геотермальных станций. Мировая геотермальная энергетика вырабатывает свыше 70 миллиардов кВт/ч электроэнергии в год.
2. Теплоснабжение жилых и промышленных объектов. Горячая вода из геотермальных скважин подаётся непосредственно потребителям через тепловые сети.
3. Термальный туризм. Многочисленные курорты используют горячие источники в лечебных и рекреационных целях. Такие курорты есть в Исландии, Венгрии, России, Японии и других странах.
4. Тепличное хозяйство. Геотермальное отопление позволяет круглый год выращивать теплолюбивые культуры даже в суровых климатических условиях.
5. Промышленные технологии. Горячие геотермальные флюиды нашли применение для сушки древесины, выпаривания солей и минералов, пастеризации молочной продукции и др.

Таким образом, спектр применения геотермальной энергии очень широк. А технические инновации постоянно расширяют его новыми перспективными направлениями.

Перспективы развития геотермальной энергетики

Несмотря на то, что лидером по использованию геотермальной энергии является Исландия (там она обеспечивает 66% всей выработки электроэнергии!), потенциал этого возобновляемого ресурса в мировом масштабе используется слабо — менее 1%.

Объясняется это следующими причинами:

• Сложность разведки: геотермальные месторождения разбросаны по планете неравномерно. Найти перспективный участок непросто.
• Значительные начальные вложения в бурение и инфраструктуру. Строительство ГеоТЭС требует больших инвестиций до получения отдачи.
• Ограниченный срок эксплуатации месторождения (20-50 лет). Это накладывает риски по окупаемости проектов.

Однако по мере совершенствования технологий эти проблемы решаются. Разведка месторождений становится всё эффективней с применением геофизических и геохимических методов, данных дистанционного зондирования Земли. Повышается производительность геотермальных скважин за счёт оптимизации их конструкций.

Кроме того, ведутся разработки перспективных петротермальных технологий извлечения энергии из сухих пород — ГРС, ГРП и др. Они позволят увеличить мировой геотермальный потенциал в сотни раз!

Учитывая исчерпаемость традиционных ископаемых топлив, а также риск глобального потепления от сжигания углеводородов, геотермальная энергетика обладает колоссальным потенциалом развития. Её вклад в мировой энергобаланс будет только расти.