الطاقة الحرارية الأرضية: كيف تحولت حرارة الأرض إلى مورد فعال للطاقة

المقدمة: هناك جوهر ساخن داخل الأرض ، حيث تحتاج إلى توليد الكهرباء.
السؤال: كيف نفعل هذا؟
الجواب: بناء محطة الطاقة الحرارية الأرضية.
نحن نحدد بالضبط كيف ، من أين يأتي البخار تحت الأرض وكم تستفيد هناك من محطة توليد الطاقة هذه.

الطريقة الأقدم والأكثر شعبية لإنتاج الكهرباء على نطاق صناعي اليوم هي دوران توربينات المولدات مع تيار قوي من البخار الساخن من الماء المغلي بسبب التسخين القسري. إذا فكرت في الأمر ، فإن جوهر العمل في محطة طاقة حرارية للفحم وفي محطة طاقة نووية حديثة هو غليان الماء ، والفرق الوحيد هو أن الفحم يتم حرقه لهذا الغرض ، وفي مفاعل محطة الطاقة النووية يتم غليته بواسطة عناصر التسخين التي يتم تسخينها نتيجة تفاعل سلسلة متحكم فيه.

ولكن لماذا تسخين الماء إذا كان في بعض الأماكن يخرج من الأرض بالفعل ساخنة؟ هل من الممكن استخدامها مباشرة؟ يمكنك: في عام 1904 ، أطلقت الإيطالية Pierrot Ginori Conti أول مولد ، مدعوم من زوج من المصادر الحرارية الأرضية الطبيعية ، الموجودة بكثرة في إيطاليا. هكذا ظهرت أول محطة للطاقة الحرارية الأرضية في العالم ، والتي لا تزال تعمل.

ومع ذلك ، من أجل تزويد محطة الطاقة الحرارية الأرضية بكفاءة وتكلفة مقبولة ، فإنك تحتاج إلى ماء بدرجة حرارة معينة ، وليس أعمق من مستوى معين. إذا كنت ترغب في إنشاء محطة لتوليد الطاقة الحرارية الأرضية (على سبيل المثال ، في كوخك الصيفي) ، فعليك أولاً أن تبدأ في حفر الآبار إلى طبقات المياه الجوفية ، حيث ترتفع درجة حرارة الماء تحت ضغط كبير إلى 150-200 درجة مئوية وتكون جاهزة للظهور على السطح في صورة ماء مغلي ساخن أو بخار. حسنًا ، إذن ، مثل محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري ، فإن البخار الوارد سيدور التوربينات التي ستقود مولدًا يولد الكهرباء. استخدم الحرارة الطبيعية للكوكب لإنتاج البخار - هذه هي الطاقة الحرارية الأرضية. والآن للحصول على التفاصيل.

قليلا عن دفء الأرض

تبلغ درجة حرارة سطح اللب الصلب للأرض على عمق حوالي 5100 كم حوالي 6000 درجة مئوية. عند الاقتراب من قشرة الأرض ، تنخفض درجة الحرارة تدريجيا.


يتغير رسم بياني واضح لدرجة حرارة الصخور أثناء تحركك باتجاه مركز الأرض. المصدر: ويكيبيديا / بكيلي 1

معدل التدرج الجيوحراري المزعوم - وهو تغير في درجة الحرارة في منطقة معينة من سمك الأرض - يبلغ متوسطه 3 درجات مئوية لكل 100 متر. أي أنه في منجم على عمق كيلومتر واحد ستكون هناك حرارة تصل إلى ثلاثين درجة - أي شخص زار مثل هذا المنجم سوف يؤكد ذلك. لكن اعتمادًا على المنطقة ، يتغير التدرج الحراري - على سبيل المثال ، في بئر كولا الفائقة في أفق 12 كم ، تم تسجيل درجة حرارة 220 درجة مئوية ، وفي بعض أماكن الكوكب ، بالقرب من الأعطال التكتونية ومناطق النشاط البركاني ، لتحقيق درجات حرارة مماثلة ، يكفي الحفر من بضع مئات من الأمتار يصل إلى عدة كيلومترات ، عادة من 0.5 إلى 3 كم. في ولاية أوريغون بالولايات المتحدة ، يكون التدرج الحراري الأرضي 150 درجة مئوية لكل كيلومتر ، وفي جنوب أفريقيا 6 درجات مئوية فقط لكل كيلومتر واحد. ومن هنا الاستنتاج: لا يمكنك بناء محطة طاقة حرارية جيدة في أي مكان (قبل البدء في العمل ، تأكد من أن كوخك الصيفي في مكان مناسب). كقاعدة عامة ، الأماكن المناسبة هي تلك التي يوجد فيها نشاط جيولوجي قوي - غالبًا ما تحدث الزلازل وهناك براكين نشطة.

أنواع محطات الطاقة الحرارية الأرضية

بناءً على مصدر الطاقة الحرارية الأرضية المتاح (على سبيل المثال ، في DSC) ، ستختار نوع محطة الطاقة. سوف نفهم ما هم عليه.

محطة الحرارية المائية

سيكون المخطط المبسط لمحطة الطاقة الحرارية المائية ذات الدورة المباشرة واضحًا حتى بالنسبة للطفل: يرتفع البخار الساخن من الأرض عبر أنبوب ، والذي يدور التوربينات الخاصة بالمولد ، ثم يندفع في الجو. إنه حقًا بهذه البساطة إذا كنا محظوظين لإيجاد مصدر مناسب للبخار.


GeoTES دورة مباشرة. المصدر: انقاذ على الطاقة

إذا كان البخار المتاح لديك لا يتفوق على البخار ، ولكن يمزج ماء البخار مع درجات حرارة أعلى من 150 درجة مئوية ، فستكون هناك حاجة إلى محطة دورة مشتركة. أمام التوربينات ، سيفصل الفاصل البخار عن الماء - يذهب البخار إلى التوربينات ، وسيتم تصريف الماء الساخن إلى البئر أو نقله إلى الموسع ، حيث سيؤدي ذلك ، في ظل ظروف الضغط المنخفض ، إلى إطلاق البخار الإضافي للتوربين.

إذا لم تكن قرية عطلتك محظوظًا بالينابيع الحارة - على سبيل المثال ، إذا كانت درجة حرارة المياه الجوفية أقل من 100 درجة مئوية على عمق مقبول اقتصاديًا - وكنت تريد حقًا الحصول على GeoTES ، فستحتاج إلى إنشاء محطة طاقة حرارية ثنائية معقدة ، تم اختراعها في الاتحاد السوفيتي . في ذلك ، لا يتم توفير السائل من البئر للتوربين على الإطلاق بأي شكل من الأشكال. بدلاً من ذلك ، في المبادل الحراري ، يقوم بتسخين سائل عمل آخر بنقطة غليان أقل ، والتي تتحول إلى بخار وتدور التوربين وتتكثف وتعود إلى غرفة التبادل الحراري. قد تكون سوائل العمل هذه ، على سبيل المثال ، الفريون ، حيث يغلي أحد هذه الأنواع (فلورو داي كلورو بروميثان) حتى عند درجة حرارة 51.9 درجة مئوية. يمكن الجمع بين الدورة الثنائية والدورة المركبة ، عندما يتم تزويد البخار بالتوربينات ، وسيتم إرسال المياه المنفصلة إلى دائرة أخرى لتسخين سائل التبريد بنقطة غليان منخفضة.


GeoTES الدورة الثنائية. المصدر: انقاذ على الطاقة

محطة البترول الحراري

تُعد المصادر المدفونة تحت الأرض ظاهرة نادرة جدًا على نطاق الكواكب ، كما قد تلاحظ ، وهو ما يحد بشدة من المساحة المحتملة لإدخال الطاقة الحرارية الأرضية ، لذلك تم تطوير نهج بديل: إذا لم يكن هناك ماء في الأعماق الساخنة لقشرة الأرض ، فيجب ضخه هناك. يتضمن مبدأ البترول الحراري ضخ الماء في بئر عميق مع الصخور الساخنة ، حيث يتحول السائل إلى بخار ويعود مرة أخرى إلى التوربينات في محطة توليد الكهرباء.


مخطط مبسط لمحطة توليد الطاقة الحرارية

من الضروري حفر بئرين على الأقل: سيتم تزويد المياه بواحد من السطح حتى تتحول حرارة الصخور إلى بخار وتخرج عبر بئر أخرى. وبعد ذلك ستكون عملية توليد الكهرباء مشابهة تمامًا لمحطة الطاقة المائية.

بطبيعة الحال ، من غير الواقعي ربط بئرين تحت الأرض على عمق عدة كيلومترات - الماء بينهما يتواصل بسبب الكسور الناتجة عن ضخ السوائل تحت ضغط هائل (التكسير الهيدروليكي). لمنع إغلاق الشقوق والفراغات بمرور الوقت ، تضاف الحبيبات ، مثل الرمال ، إلى الماء.

في المتوسط ​​، تنتج بئر واحد لعملية بترولية حرارية خليط بخار ماء يكفي لتوليد 3-5 ميجاوات من الطاقة. حتى الآن ، لم يتم تنفيذ مثل هذه الأنظمة في أي مكان على المستوى الصناعي ، لكن العمل مستمر ، خاصة في اليابان وأستراليا.

فوائد الطاقة الحرارية الأرضية

مما تقدم ، فإن استخدام حرارة الأرض لتوليد الكهرباء على نطاق صناعي ، فإن الشركة ليست رخيصة. لكن مفيد جدا لعدد من الأسباب.

لا ينضب. تعتمد محطات الطاقة التي تستخدم الوقود الأحفوري - الغاز الطبيعي والفحم وزيت الوقود - اعتمادًا كبيرًا على إمدادات هذا الوقود نفسه. علاوة على ذلك ، فإن الخطر لا يكمن فقط في وقف الإمدادات بسبب الكوارث أو التغيرات في الوضع السياسي ، ولكن أيضًا في الزيادة العشوائية غير المخطط لها في أسعار المواد الخام. في أوائل سبعينيات القرن الماضي ، بسبب الاضطرابات السياسية في الشرق الأوسط ، اندلعت أزمة الوقود ، مما أدى إلى زيادة أربعة أضعاف في أسعار النفط. أعطت الأزمة زخما جديدا لتطوير النقل الكهربائي وأنواع الطاقة البديلة. واحدة من مزايا استخدام الحرارة الأرضية هي عدم استنفادها العملي (نتيجة تصرفات الإنسان ، على الأقل). يبلغ التدفق الحراري السنوي للأرض على سطح الأرض حوالي 400000 تيراوات في الساعة سنويًا ، وهو ما يزيد 17 مرة عن نفس الفترة التي تنتجها جميع محطات توليد الطاقة في العالم. درجة حرارة قلب الأرض هي 6000 درجة مئوية ، ويقدر معدل التبريد في 300-500 درجة مئوية لمدة مليار سنة. لا تقلق من أن البشرية قادرة على تسريع هذه العملية من خلال حفر الآبار وضخ المياه هناك - انخفاض في درجة الحرارة الأساسية بمقدار 1 درجة الإطلاقات 2 · 1020 كيلو واط ساعة من الطاقة ، أي أكثر بملايين المرات من الاستهلاك السنوي للكهرباء من قبل جميع البشر.

الاستقرار الرياح والطاقة الشمسية حساسة للغاية للطقس والوقت من اليوم. لا يوجد ضوء الشمس - لا يوجد جيل ، المحطة تتخلى عن احتياطي من البطاريات. ضعفت الريح - مرة أخرى لا يوجد جيل ، مرة أخرى البطاريات التي ليست لها قدرة لا حصر لها على الإطلاق. مع مراعاة العمليات الفنية لإعادة المياه إلى البئر ، ستعمل محطة الطاقة الحرارية المائية بشكل مستمر على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.

الضغط والراحة للمناطق الصعبة. لا يعد تشغيل المناطق النائية بهياكل أساسية معزولة مهمة سهلة. إنه أكثر تعقيدًا إذا كانت المنطقة تعاني من ضعف وصول وسائل النقل ، والتضاريس غير مناسبة لبناء محطات توليد الطاقة التقليدية. واحدة من المزايا المهمة لمحطات الطاقة الحرارية الأرضية هي انضغاطها: بما أن المبرد مأخوذ حرفيًا من الأرض ، فإن قاعة التوربينات والمولد وبرج التبريد مبنيان على السطح ، وهما يشغلان مساحة صغيرة جدًا.

سوف تشغل محطة طاقة حرارية أرضية تبلغ 1 جيجاوات في الساعة مساحة 400 متر مربع - حتى في المرتفعات لمحطة طاقة حرارية أرضية ، ستكون هناك حاجة إلى مساحة صغيرة للغاية وطريق سريع. للمحطة الشمسية ذات نفس الناتج ، ستكون هناك حاجة إلى 3240 متر مربع ، لمحطة الرياح - 1340 متر مربع.

الود البيئي. إن تشغيل محطة الطاقة الحرارية الأرضية نفسها غير ضار من الناحية العملية: تقدر انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بحوالي 45 كجم من ثاني أكسيد الكربون لكل 1 كيلو واط من الطاقة المولدة. للمقارنة: في محطات الفحم ، يمثل نفس كيلو واط ساعة من 1000 كجم من CO2 ، في محطات النفط - 840 كجم ، الغاز - 469 كجم. ومع ذلك ، فإن المحطات النووية لا تمثل سوى 16 كجم - وهو ما ينتج عنه الحد الأدنى من ثاني أكسيد الكربون.

إمكانية التعدين الموازي. من المثير للدهشة أنها حقيقة: في بعض وحدات توليد الطاقة من GeoTES ، بالإضافة إلى الكهرباء ، فإنها تنتج أيضًا غازات ومعادن مذابة في خليط ماء بخار قادم من باطن الأرض. يمكن ببساطة إعادتها إلى البئر مع البخار المكثف المستنفد ، ولكن بالنظر إلى كميات العناصر المفيدة التي تمر عبر محطة الطاقة الحرارية الأرضية ، سيكون من المعقول إعداد إنتاجها. في بعض مناطق إيطاليا ، يحتوي البخار من الآبار على 150-700 ملغ من حمض البوريك لكل كيلوغرام من البخار. تستهلك إحدى محطات الطاقة الحرارية المائية المحلية التي تبلغ قدرتها 4 ميجاوات 20 كيلو جرام من البخار في الثانية الواحدة ، لذلك يتم إنتاج حمض البوريك على أساس صناعي هناك.

عيوب الطاقة الحرارية الأرضية

السائل العامل خطير. كما هو مذكور أعلاه ، لا تنتج GePPs انبعاثات سامة إضافية ، فقط كمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون ، بترتيب أصغر من تلك TPPs التي تعمل بالغاز. ومع ذلك ، فإن هذا لا يعني أن المياه الجوفية والبخار هما دائمًا مواد نقية ، تشبه مياه الشرب المعدنية. يتم تشريب خليط من بخار الماء من أعماق الأرض بالغازات والمعادن الثقيلة التي تتميز بجزء معين من قشرة الأرض: الرصاص والكادميوم والزرنيخ والزنك والكبريت والبورون والأمونيا والفينول وما إلى ذلك. في بعض الحالات ، يتدفق مثل هذا الكوكتيل المثير للإعجاب عبر الأنابيب إلى GeoTES بحيث يؤدي إفرازه في الجو أو المسطحات المائية إلى كارثة بيئية محلية على الفور.


نتيجة عمل المياه الحرارية الأرضية على المعادن.

مع مراعاة جميع متطلبات السلامة ، يتم تصفية البخار المرسلة إلى الغلاف الجوي بعناية من المعادن والغازات ، ويتم ضخ المكثفات في البئر مرة أخرى. ولكن في حالات الطوارئ أو الانتهاك المتعمد للوائح الفنية ، قد تسبب محطة الطاقة الحرارية الأرضية بعض الأضرار بالبيئة.

تكلفة عالية لكل كيلو واط. على الرغم من البساطة النسبية لتصميم GeoTES ، فإن الاستثمارات الأولية في بنائها كبيرة. يتم إنفاق الكثير من المال على الاستكشاف والتحليل ، ونتيجة لذلك تتقلب تكلفة محطات الطاقة الحرارية الأرضية عند مستوى 2800 / kW من القدرة المركبة. للمقارنة: TPP - 1000 / kW ، توربينات الرياح - 1600 / kW ، محطة الطاقة الشمسية - 1800-2000 / kW ، محطة الطاقة النووية - حوالي 6000 دولار / kW. علاوة على ذلك ، يتم تقديم متوسط ​​التكلفة لمحطة الطاقة الحرارية الأرضية ، والتي يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا حسب البلد والتضاريس والتركيب الكيميائي لعمق البخار والحفر.

قوة منخفضة نسبيا. لا يمكن مقارنة محطات توليد الطاقة الجيولوجية ، من حيث المبدأ ، من حيث توليد الكهرباء بمحطات الطاقة الكهرومائية ومحطات الطاقة النووية ومحطات الطاقة الحرارية. حتى عند حفر عدد كبير من الآبار ، سيظل تدفق البخار صغيرًا ، وستكون الكهرباء المولدة كافية فقط للمدن الصغيرة.

ينتشر مجمع الطاقة الحرارية الجيولوجية الأكثر قوة في 2019 على مساحة 78 كم 2 في كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية. وتتكون من 22 محطة حرارية مائية و 350 بئرًا بطاقة إنتاجية إجمالية تبلغ 1517 ميجاوات (إنتاج فعلي يبلغ 955 ميجاوات) ، والتي تغطي ما يصل إلى 60٪ من احتياجات الطاقة في الساحل الشمالي للولاية. السعة الإجمالية لـ The Geysers مماثلة لمفاعل RBMK-1500 السوفيتي ، الذي كان يعمل في Ignalina NPP ، حيث كان هناك اثنين ، وتقع NPP نفسها على مساحة 0.75 كيلومتر مربع. تُعتبر محطات TPP ذات القدرة الجغرافية البالغة 200-300 ميجاوات قوية جدًا ، بينما تعمل معظم المحطات في جميع أنحاء العالم بأرقام من رقمين.


محطة المياه الحرارية المشتركة لمجمع السخانات في كاليفورنيا. وهناك 22. المصدر: ويكيميديا ​​/ Stepheng3

أين يعمل كل شيء وكيف هو واعد

اعتبارًا من عام 2018 ، تولد محطات الطاقة الحرارية الأرضية في جميع أنحاء العالم أكثر من 14.3 جيجا وات من الطاقة ، بينما أنتجت في عام 2007 9.7 جيجاوات فقط. نعم ، ليست ثورة حرارية أرضية ، ولكن النمو واضح.

الشركة الرائدة في إنتاج الطاقة الحرارية الأرضية هي الولايات المتحدة الأمريكية ، حيث تبلغ مساحتها 3591 ميغاواط. القيمة المثيرة للإعجاب ، والتي ، مع ذلك ، لا تمثل سوى 0.3 ٪ من إجمالي الناتج في البلاد. ويأتي بعد ذلك إندونيسيا من 1948 ميجاوات و 3.7٪. لكن في المقام الثالث ، تبدأ المتعة: في الفلبين ، تبلغ قدرة محطات الطاقة الحرارية الأرضية 1868 ميجاوات ، بينما تمثل 27٪ من الكهرباء في البلاد. وفي كينيا - 51 ٪! تعد اليابان أيضًا من بين العشرة الأوائل من حيث عدد الكيلووات الناتجة عن Geo-TPP.

تم افتتاح أول محطة لتوليد الطاقة الحرارية الأرضية ، ماتسوكاوا ، في اليابان عام 1966. لقد ولدت 23.5 ميجاوات ، وأنتجت شركة توشيبا التوربينات والمولد لها. في عام 2010 ، أصبحت الطاقة الحرارية الأرضية هي الأكثر طلبًا في بلدان إفريقيا ، حيث بدأ الإبرام النشط للعقود وبناء GeoTPS. في عام 2015 ، افتتحت كينيا محطة Olkaria IV ، وهي واحدة من أربع محطات ، وتقع في منطقة Olkaria على بعد 120 كم من نيروبي ، بسعة 140 ميجاوات. وبمساعدتها ، تقلل الحكومة من اعتمادها على محطات الطاقة الكهرومائية ، وهي تصريف المياه الذي يؤدي غالبًا إلى فيضانات مدمرة.


GeoTES Olkaria IV في كينيا. خطة Olkaria V و Olkaria VI سيتم تكليفهما عام 2021. المصدر: توشيبا

كما يتم بناء مواقع TPP الجغرافية بنشاط في أوغندا وتنزانيا وإثيوبيا وجيبوتي.

في روسيا ، يسير تطوير الطاقة الحرارية الأرضية بخطى سريعة للغاية ، حيث لا توجد حاجة خاصة لبناء محطات طاقة إضافية. في عام 2015 ، مثلت هذه المحطات 82 ميجاوات فقط.

كانت محطة Pauzhet الحرارية الأرضية ، التي بنيت في كامتشاتكا في عام 1966 ، أول محطة في الاتحاد السوفيتي. كانت السعة المثبتة الأولية 5 ميجاوات فقط ، والآن تم رفعها إلى 12 ميجاوات. بعد ذلك ، ظهرت محطة Paratunskaya بسعة 600 كيلوواط فقط - أول GeoTES ثنائي في العالم.

يوجد الآن في روسيا أربع محطات فقط ، ثلاثة منها تغذي كامتشاتكا ، محطة أخرى ، 3.6 ميجاوات منديليف جيوب ، تمد جزيرة كوناشير من سلسلة جبال كوريل.

هناك العديد من الطرق لتوليد الكهرباء على كوكبنا دون مساعدة من الوقود الأحفوري. بعضها ، على سبيل المثال ، الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ، يتم استخدامها بنجاح الآن. البعض ، مثل خلايا الوقود الهيدروجينية ، لا يزال في المرحلة الأولى من التكيف. الطاقة الحرارية الأرضية هي أساسنا للمستقبل ، والإمكانات الكاملة التي لم نطلق العنان لها بعد.