Dado: existe um núcleo quente no interior da Terra, com ele é necessário gerar eletricidade.
Pergunta: como fazer isso?
Resposta: construa uma usina geotérmica.
Nós descobrimos como, exatamente, de onde vem o subsolo e qual o uso dessa usina.
Atualmente, o método mais antigo e mais popular para produzir eletricidade em escala industrial é a rotação da turbina do gerador com um poderoso fluxo de vapor quente da água fervente devido ao aquecimento forçado. Se você pensar bem, a essência do trabalho em uma usina termelétrica a carvão e em uma usina nuclear moderna é a água fervente, com a única diferença de que o carvão é queimado para esse fim, e no reator da usina nuclear é fervido por elementos de aquecimento aquecidos como resultado de uma reação em cadeia controlada.
Mas por que aquecer a água se em alguns lugares ela já sai do chão quente? É possível usá-lo diretamente? Você pode: em 1904, o italiano Pierrot Ginori Conti lançou o primeiro gerador, alimentado por um par de fontes geotérmicas naturais, abundantemente presente na Itália. Foi assim que apareceu a primeira usina geotérmica do mundo, que ainda funciona.
No entanto, para fornecer à usina geotérmica eficiência e custo aceitáveis, você precisa de água com uma certa temperatura, não mais profunda que um determinado nível. Se você deseja construir uma usina geotérmica (por exemplo, em sua casa de veraneio), primeiro precisa perfurar poços para aqüíferos, onde a água sob grande pressão aquece até 150-200 ° C e está pronta para aparecer na superfície na forma de água fervente ou vapor superaquecido. Bem, então, como as usinas de combustível fóssil, o vapor que entra girará uma turbina que acionará um gerador que gera eletricidade. Use o calor natural do planeta para produzir vapor - isso é energia geotérmica. E agora para os detalhes.
Um pouco sobre o calor da Terra
A temperatura da superfície do núcleo sólido da Terra a uma profundidade de cerca de 5100 km é de aproximadamente 6000 ° C. Ao se aproximar da crosta terrestre, a temperatura diminui gradualmente.
Um gráfico claro da temperatura das rochas muda à medida que você se move em direção ao centro da terra. Fonte: Wikimedia / Bkilli1O chamado gradiente geotérmico - uma mudança de temperatura em uma área específica da espessura da Terra - calcula a média de 3 ° C a cada 100 metros. Ou seja, em uma mina a 1 km de profundidade, haverá um calor de trinta graus - quem já visitou essa mina confirmará isso. Mas, dependendo da região, o gradiente de temperatura muda - por exemplo, no poço super profundo de Kola, a um horizonte de 12 km, foi registrada uma temperatura de 220 ° C e, em alguns lugares do planeta, perto de falhas tectônicas e zonas de atividade vulcânica, para atingir temperaturas semelhantes, basta perfurar a algumas centenas de metros até vários quilômetros, geralmente de 0,5 a 3 km. No estado americano de Oregon, o gradiente geotérmico é de 150 ° C por 1 km e, na África do Sul, apenas 6 ° C por 1 km. Daí a conclusão: você não pode construir uma boa estação geotérmica em nenhum lugar (antes de começar o trabalho, verifique se a sua casa de verão está em um local adequado). Como regra, lugares adequados são aqueles onde há uma forte atividade geológica - terremotos geralmente ocorrem e existem vulcões ativos.
Tipos de usinas geotérmicas
Dependendo da fonte de energia geotérmica disponível (por exemplo, no seu DSC), você escolherá o tipo de estação de energia. Vamos entender o que são.
Estação hidrotérmicaUm diagrama simplificado de uma usina hidrotérmica de ciclo direto ficará claro até para uma criança: o vapor quente sobe do solo através de um cano, que gira a turbina do gerador e depois corre para a atmosfera. É realmente simples assim, se tivermos sorte de encontrar uma fonte adequada de vapor.
Ciclo direto do GeoTES. Fonte: Economia de energiaSe o vapor que você tem disponível não bater, mas misturar água e vapor com temperaturas acima de 150 ° C, será necessária uma estação de ciclo combinado. Na frente da turbina, o separador separará o vapor da água - o vapor irá para a turbina e a água quente será descarregada no poço ou transferida para o expansor, onde, sob condições de baixa pressão, liberará vapor adicional para a turbina.
Se sua casa de campo de verão não tiver sorte com fontes termais - por exemplo, se a temperatura da água subterrânea for inferior a 100 ° C a uma profundidade economicamente aceitável - e você realmente quiser ter um GeoTES, será necessário construir uma
estação geotérmica binária complexa, cujo ciclo foi inventado na URSS . Nele, o fluido do poço não é fornecido à turbina de forma alguma. Em vez disso, em um trocador de calor, ele aquece outro fluido de trabalho com um ponto de ebulição mais baixo, que, transformando-se em vapor, gira a turbina, condensa e retorna à câmara de troca de calor. Tais fluidos de trabalho podem ser, por exemplo, freon, uma das quais espécies (fluorodiclorobromometano) ferve mesmo a 51,9 ° C. O ciclo binário pode ser combinado com o combinado, quando o vapor será fornecido a uma turbina e a água separada será enviada para outro circuito para aquecer o líquido de refrigeração com um baixo ponto de ebulição.
Ciclo binário do GeoTES. Fonte: Economia de energiaEstação PetrotérmicaAs fontes subterrâneas aquecidas são um fenômeno muito raro em escala planetária, como você provavelmente pode notar, o que limita severamente a área potencial para a introdução de energia geotérmica, então uma abordagem alternativa foi desenvolvida: se não houver água nas profundezas quentes da crosta terrestre, será necessário bombear para lá. O princípio petrotérmico envolve a injeção de água em um poço profundo com rocha aquecida, onde o líquido se transforma em vapor e retorna à turbina da usina.
Diagrama simplificado de uma usina petrotérmicaÉ necessário perfurar pelo menos dois poços: a água será fornecida a um a partir da superfície, para que o calor das rochas se transforme em vapor e saia por outro poço. E então o processo de geração de eletricidade será completamente semelhante à estação hidrotérmica.
Naturalmente, não é realista conectar dois poços no subsolo a uma profundidade de vários quilômetros - a água entre eles se comunica devido a fraturas resultantes do bombeamento de fluido sob tremenda pressão (fraturamento hidráulico). Para impedir que fendas e vazios se fechem com o tempo, grânulos, por exemplo areia, são adicionados à água.
Em média, um poço para um processo petrotérmico produz um fluxo de mistura de água e vapor suficiente para gerar 3-5 MW de energia. Até o momento, esses sistemas não foram implementados em nenhum lugar do nível industrial, mas o trabalho está em andamento, principalmente no Japão e na Austrália.
Os benefícios da energia geotérmica
Pelo exposto, segue-se que o uso do calor da Terra para gerar eletricidade em escala industrial, a empresa não é barata. Mas muito benéfico por várias razões.
Inesgotabilidade. As usinas de energia que utilizam combustíveis fósseis - gás natural, carvão, óleo combustível - são altamente dependentes do suprimento desse mesmo combustível. Além disso, o perigo reside não apenas na cessação de suprimentos devido a desastres ou mudanças na situação política, mas também em um aumento espasmódico não planejado dos preços das matérias-primas. No início dos anos 70, devido à turbulência política no Oriente Médio, uma crise de combustível eclodiu, levando a um aumento de quatro vezes nos preços do petróleo. A crise deu um novo impulso ao desenvolvimento do transporte elétrico e tipos alternativos de energia. Uma das vantagens de usar o calor terrestre é sua inesgotabilidade prática (como resultado de ações humanas, pelo menos). O fluxo anual de calor da Terra para a superfície é de cerca de 400.000 TW · h por ano, 17 vezes mais do que durante o mesmo período que todas as usinas do mundo produzem. A temperatura do núcleo da Terra é de 6000 ° C e a taxa de resfriamento é estimada em 300-500 ° C por 1 bilhão de anos. Não se preocupe, pois a humanidade é capaz de acelerar esse processo perfurando poços e bombeando água para lá - uma queda de 1 grau na temperatura central libera 2 · 1020 kWh de energia, milhões de vezes mais que o consumo anual de eletricidade por toda a humanidade.
Estabilidade A energia eólica e solar são extremamente sensíveis ao clima e à hora do dia. Não há luz solar - não há geração, a estação renuncia a uma reserva de baterias. O vento enfraqueceu - novamente não há geração, novamente baterias com capacidade infinita não entram em jogo. Sujeita aos processos técnicos para o retorno da água ao poço, a usina hidrotérmica operará continuamente 24/7.
Compacidade e conveniência para áreas difíceis. Ativar áreas remotas com infraestrutura isolada não é uma tarefa fácil. É ainda mais complicado se a área tiver pouco acesso ao transporte e o terreno não for adequado para a construção de usinas tradicionais. Uma das vantagens importantes das usinas geotérmicas é a sua compacidade: como o líquido de arrefecimento é literalmente retirado do solo, uma sala de turbinas e um gerador e uma torre de resfriamento são construídos na superfície, que ocupam muito pouco espaço.
Uma estação geotérmica com uma geração de 1 GWh / ano ocupará uma área de 400 m2 - mesmo nas terras altas de uma usina geotérmica, será necessária uma área muito pequena e uma rodovia. Para uma estação solar com a mesma produção, serão necessários 3240 m2, para uma estação eólica - 1340 m2.
Simpatia ambiental. O funcionamento da própria estação geotérmica é praticamente inofensivo: sua emissão de dióxido de carbono na atmosfera é estimada em 45 kg de CO2 por 1 kWh de energia gerada. Para comparação: nas estações de carvão, o mesmo quilowatt-hora é responsável por 1000 kg de CO2, nas estações de petróleo - 840 kg, no gás - 469 kg. No entanto, as usinas nucleares representam apenas 16 kg - algo e produzem um mínimo de dióxido de carbono.
A possibilidade de mineração paralela. Surpreendentemente, é um fato: em algumas unidades de energia do GeoTES, além da eletricidade, eles também produzem gases e metais dissolvidos em uma mistura de vapor e água vinda do subsolo. Eles poderiam simplesmente ser colocados de volta no poço junto com o vapor condensado gasto, mas, dados os volumes de elementos úteis que passam pela usina geotérmica, seria mais razoável configurar sua produção. Em algumas áreas da Itália, o vapor dos poços contém 150-700 mg de ácido bórico por quilograma de vapor. Uma das usinas hidrotérmicas locais de 4 MW consome 20 kg de vapor por segundo; portanto, a produção de ácido bórico é colocada lá em uma base industrial.
Desvantagens da energia geotérmica
O fluido de trabalho é perigoso. Como observado acima, os Geo-TPPs não produzem emissões tóxicas adicionais, apenas uma pequena quantidade de dióxido de carbono, uma ordem de magnitude menor que a dos TPPs a gás. O que, no entanto, não significa que a água subterrânea e o vapor sejam sempre substâncias puras, semelhantes à água potável mineral. Uma mistura de vapor e água das profundezas da Terra está saturada de gases e metais pesados, característicos de uma parte específica da crosta terrestre: chumbo, cádmio, arsênico, zinco, enxofre, boro, amônia, fenol e assim por diante. Em alguns casos, um coquetel tão impressionante flui através dos canos para o GeoTES que sua descarga na atmosfera ou nos corpos d'água causará imediatamente um desastre ambiental local.
O resultado da ação da água geotérmica nos metais.Sujeito a todos os requisitos de segurança, o vapor enviado para a atmosfera é cuidadosamente filtrado de metais e gases, e o condensado é bombeado de volta para o poço. Porém, em situações de emergência ou violação intencional de regulamentos técnicos, a estação geotérmica pode causar alguns danos ao meio ambiente.
Alto custo por quilowatt. Apesar da relativa simplicidade do design do GeoTES, os investimentos iniciais em sua construção são consideráveis. Muito dinheiro é gasto em exploração e análise, como resultado do custo das estações geotérmicas no nível de US $ 2800 / kW de capacidade instalada. Para comparação: TPP - US $ 1000 / kW, turbinas eólicas - US $ 1600 / kW, usina de energia solar - US $ 1800-2000 / kW, usina nuclear - cerca de US $ 6000 / kW. Além disso, o custo médio é dado para a usina geotérmica, que pode variar bastante, dependendo do país, topografia, composição química do vapor e profundidade da perfuração.
Potência relativamente baixa. As geop TPPs, em princípio, ainda não podem ser comparadas em termos de geração de eletricidade com usinas hidrelétricas, usinas nucleares e termelétricas. Mesmo ao perfurar um grande número de poços, o fluxo de vapor ainda será pequeno e a eletricidade gerada será suficiente apenas para pequenas cidades.
O mais poderoso complexo de energia geotérmica do Geysers para 2019 está espalhado por uma área de 78 km2 na Califórnia, EUA. É composto por 22 estações hidrotérmicas e 350 poços com capacidade instalada total de 1.517 MW (produção real de 955 MW), que cobrem até 60% das necessidades de energia da costa norte do estado. A capacidade total do The Geysers é comparável ao reator soviético RBMK-1500, que já trabalhou no NPP de Ignalina, onde havia dois, e o próprio NPP estava localizado em uma área de 0,75 km2. Os geo-TPPs com geração de 200 a 300 MW são considerados muito poderosos, enquanto a maioria das estações em todo o mundo opera com números de dois dígitos.
A estação hidrotérmica combinada do complexo The Geysers, na Califórnia. E há 22. Fonte: Wikimedia / Stepheng3Onde tudo funciona e quão promissor é
A partir de 2018, as usinas geotérmicas em todo o mundo geram mais de 14,3 GW de energia, enquanto em 2007 elas produziam apenas 9,7 GW. Sim, não uma revolução geotérmica, mas o crescimento é evidente.
O líder em produção geotérmica são os Estados Unidos, com seus 3.591 MW. Valor impressionante, que, no entanto, representa apenas 0,3% da produção total do país. Em seguida, vem a Indonésia de 1948 MW e 3,7%. Mas em terceiro lugar, começa a diversão: nas Filipinas, as usinas geotérmicas têm uma capacidade instalada de 1868 MW, enquanto representam 27% da eletricidade do país. E no Quênia - 51%! O Japão também está entre os dez primeiros em termos de número de quilowatts gerados pelo Geo-TPP.
A primeira usina geotérmica, Matsukawa, abriu no Japão em 1966. Gerou 23,5 MW e a Toshiba produziu a turbina e o gerador para ela. Nos anos 2010, a energia geotérmica tornou-se a mais demandada nos países da África, onde começaram a conclusão ativa dos contratos e a construção do GeoTPS. Em 2015, o Quênia abriu a estação Olkaria IV, uma das quatro, localizada na área de Olkaria, a 120 km de Nairóbi, com uma capacidade de 140 MW. Com sua ajuda, o governo reduz sua dependência de usinas hidrelétricas, cuja descarga de água geralmente leva a inundações devastadoras.
GeoTES Olkaria IV no Quênia. Olkaria V e Olkaria VI planejam ser comissionados em 2021. Fonte: ToshibaTPPs geográficos também estão sendo construídos ativamente no Uganda, Tanzânia, Etiópia e Djibuti.
Na Rússia, o desenvolvimento de energia geotérmica está ocorrendo em um ritmo muito lento, pois não há necessidade especial para a construção de usinas adicionais. Em 2015, essas estações representavam apenas 82 MW.
A estação geotérmica de Pauzhet, construída em Kamchatka em 1966, foi a primeira na URSS. Sua capacidade instalada inicial era de apenas 5 MW, agora foi ampliada para 12 MW. Em seguida, apareceu a estação Paratunskaya, com capacidade de apenas 600 kW - o primeiro GeoTES binários do mundo.
Agora, na Rússia, existem apenas quatro estações, três delas alimentam Kamchatka, uma mais de 3,6 MW Mendeleev GeoPP, abastece a ilha Kunashir da cordilheira Kuril.
Existem muitas maneiras de gerar eletricidade em nosso planeta sem a ajuda de combustíveis fósseis. Alguns deles, por exemplo, energia solar e eólica, são usados com sucesso agora. Algumas, como as células a combustível de hidrogênio, ainda estão no estágio inicial de adaptação. A energia geotérmica é a nossa base para o futuro, cujo potencial total ainda temos para liberar.