Energia geotermica pulita e rinnovabile. Energia geotermica

Nel nostro Paese, ricco di idrocarburi, l'energia geotermica è una sorta di risorsa esotica che, data la situazione attuale, difficilmente potrà competere con petrolio e gas. Tuttavia, questo tipo di energia alternativa può essere utilizzata quasi ovunque e in modo abbastanza efficace.

L'energia geotermica è il calore dell'interno della terra. Viene prodotto nelle profondità e raggiunge la superficie della Terra in diverse forme e con diverse intensità.

La temperatura degli strati superiori del suolo dipende principalmente da fattori esterni (esogeni): illuminazione solare e temperatura dell'aria. In estate e durante il giorno il terreno si riscalda fino a determinate profondità, mentre in inverno e di notte si raffredda in seguito agli sbalzi della temperatura dell'aria e con un certo ritardo che aumenta con la profondità. L'influenza delle fluttuazioni giornaliere della temperatura dell'aria termina a profondità da poche a diverse decine di centimetri. Le fluttuazioni stagionali colpiscono gli strati più profondi del terreno, fino a decine di metri.

Ad una certa profondità, da decine a centinaia di metri, la temperatura del suolo rimane costante, pari alla temperatura media annuale dell'aria sulla superficie terrestre. Puoi verificarlo facilmente scendendo in una grotta abbastanza profonda.

Quando la temperatura media annuale dell'aria in una determinata area è inferiore allo zero, si manifesta come permafrost (più precisamente, permafrost). Nella Siberia orientale, lo spessore, cioè lo spessore, dei terreni ghiacciati tutto l'anno in alcuni luoghi raggiunge i 200-300 m.

A partire da una certa profondità (diversa per ogni punto della mappa), l'azione del Sole e dell'atmosfera si indebolisce tanto che intervengono prima i fattori endogeni (interni) e l'interno della terra si riscalda dall'interno, tanto che la temperatura comincia a salire con profondità.

Il riscaldamento degli strati profondi della Terra è associato principalmente al decadimento degli elementi radioattivi che vi si trovano, sebbene siano chiamate anche altre fonti di calore, ad esempio processi fisico-chimici e tettonici negli strati profondi della crosta e del mantello terrestre. Ma qualunque sia la ragione, la temperatura delle rocce e delle sostanze liquide e gassose ad esse associate aumenta con la profondità. I minatori devono affrontare questo fenomeno: fa sempre caldo nelle miniere profonde. A una profondità di 1 km, il calore di trenta gradi è normale, e più in profondità la temperatura è ancora più alta.

Il flusso di calore dall'interno della terra che raggiunge la superficie terrestre è piccolo: in media la sua potenza è di 0,03–0,05 W/m2, ovvero circa 350 Wh/m2 all'anno. Sullo sfondo del flusso di calore del Sole e dell'aria da esso riscaldata, questo è un valore impercettibile: il Sole fornisce ogni metro quadrato di superficie terrestre circa 4000 kWh all'anno, cioè 10.000 volte di più (ovviamente, questo è in media, con un'enorme differenza tra le latitudini polari ed equatoriali e in funzione di altri fattori climatici e meteorologici).

L'insignificanza del flusso di calore dall'interno alla superficie nella maggior parte del pianeta è associata alla bassa conduttività termica delle rocce e alle peculiarità della struttura geologica. Ma ci sono delle eccezioni: luoghi in cui il flusso di calore è elevato. Si tratta innanzitutto di zone di faglie tettoniche, di maggiore attività sismica e di vulcanismo, dove trova sbocco l’energia dell’interno della terra. Tali zone sono caratterizzate da anomalie termiche della litosfera; qui il flusso di calore che raggiunge la superficie terrestre può essere molte volte e addirittura ordini di grandezza più potente del “normale”. In queste zone le eruzioni vulcaniche e le sorgenti termali portano in superficie enormi quantità di calore.

Queste sono le aree più favorevoli allo sviluppo dell'energia geotermica. Sul territorio della Russia si tratta, prima di tutto, della Kamchatka, delle Isole Curili e del Caucaso.

Allo stesso tempo, lo sviluppo dell'energia geotermica è possibile quasi ovunque, poiché l'aumento della temperatura con la profondità è un fenomeno universale e il compito è “estrarre” il calore dalle profondità, proprio come da lì vengono estratte le materie prime minerali.

In media, la temperatura aumenta con la profondità di 2,5–3°C ogni 100 m. Il rapporto tra la differenza di temperatura tra due punti che si trovano a profondità diverse e la differenza di profondità tra di loro è chiamato gradiente geotermico.

Il reciproco è il gradino geotermico, ovvero l'intervallo di profondità in cui la temperatura aumenta di 1°C.

Più alto è il gradiente e, di conseguenza, più basso è il livello, più il calore delle profondità della Terra si avvicina alla superficie e più questa zona è promettente per lo sviluppo dell’energia geotermica.

In diverse aree, a seconda della struttura geologica e di altre condizioni regionali e locali, il tasso di aumento della temperatura con la profondità può variare notevolmente. Su scala terrestre, le fluttuazioni nell'entità dei gradienti e dei gradini geotermici raggiungono 25 volte. Ad esempio, in Oregon (USA) la pendenza è di 150°C per 1 km, e in Sud Africa - 6°C per 1 km.

La domanda è: qual è la temperatura a grandi profondità: 5, 10 km o più? Se la tendenza continua, le temperature a una profondità di 10 km dovrebbero avere una media di circa 250–300°C. Ciò è più o meno confermato dalle osservazioni dirette in pozzi ultraprofondi, sebbene il quadro sia molto più complicato di un aumento lineare della temperatura.

Ad esempio, nel pozzo superprofondo di Kola, perforato nello scudo cristallino del Baltico, la temperatura fino a una profondità di 3 km cambia ad una velocità di 10°C/1 km, e quindi il gradiente geotermico diventa 2–2,5 volte maggiore. Ad una profondità di 7 km è stata già registrata una temperatura di 120°C, a 10 km - 180°C e a 12 km - 220°C.

Un altro esempio è un pozzo perforato nella regione del Caspio settentrionale, dove a 500 m di profondità è stata registrata una temperatura di 42°C, a 1,5 km - 70°C, a 2 km - 80°C, a 3 km - 108°C .

Si assume che il gradiente geotermico decresce a partire da una profondità di 20–30 km: a 100 km di profondità le temperature stimate sono di circa 1300–1500°C, a 400 km - 1600°C, nel sottosuolo terrestre nucleo (profondità superiore a 6000 km) - 4000–5000° C.

A profondità fino a 10-12 km, la temperatura viene misurata attraverso pozzi trivellati; dove non sono presenti, è determinata da segni indiretti allo stesso modo che a profondità maggiori. Tali segnali indiretti possono essere la natura del passaggio delle onde sismiche o la temperatura della lava in eruzione.

Tuttavia, ai fini dell’energia geotermica, i dati sulle temperature a profondità superiori a 10 km non sono ancora di interesse pratico.

C'è molto calore a una profondità di diversi chilometri, ma come sollevarlo? A volte la natura stessa risolve questo problema per noi con l'aiuto di un refrigerante naturale: acque termali riscaldate che emergono in superficie o si trovano a una profondità a noi accessibile. In alcuni casi, l'acqua nelle profondità viene riscaldata allo stato di vapore.

Non esiste una definizione rigorosa del concetto di “acque termali”. Si intendono di norma le acque calde sotterranee allo stato liquido o sotto forma di vapore, comprese quelle che giungono alla superficie della Terra con una temperatura superiore a 20°C, cioè di norma superiore alla temperatura dell'aria .

Il calore dell'acqua sotterranea, del vapore e delle miscele vapore-acqua è energia idrotermale. Di conseguenza, l'energia basata sul suo utilizzo è chiamata idrotermale.

La situazione è più complicata con l'estrazione del calore direttamente dalle rocce secche: l'energia petrotermica, soprattutto perché temperature sufficientemente elevate, di regola, iniziano da profondità di diversi chilometri.

Sul territorio della Russia, il potenziale dell'energia petroltermica è cento volte superiore a quello dell'energia idrotermale: rispettivamente 3.500 e 35 trilioni di tonnellate di carburante standard. Questo è del tutto naturale: il calore delle profondità della Terra è disponibile ovunque e le acque termali si trovano localmente. Tuttavia, a causa di evidenti difficoltà tecniche, attualmente le acque termali vengono utilizzate soprattutto per produrre calore ed elettricità.

Le acque con temperature comprese tra 20–30 e 100°C sono adatte per il riscaldamento, temperature da 150°C e superiori sono adatte per la produzione di elettricità nelle centrali geotermiche.

In generale, le risorse geotermiche in Russia, in termini di tonnellate di combustibile equivalente o di qualsiasi altra unità di misura dell’energia, sono circa 10 volte superiori alle riserve di combustibili fossili.

Teoricamente solo l'energia geotermica potrebbe soddisfare pienamente il fabbisogno energetico del Paese. In pratica, al momento, nella maggior parte del suo territorio ciò non è fattibile per ragioni tecniche ed economiche.

Nel mondo, l’uso dell’energia geotermica è spesso associato all’Islanda, un paese situato all’estremità settentrionale della dorsale medio-atlantica, in una zona tettonica e vulcanica estremamente attiva. Probabilmente tutti ricordano la potente eruzione del vulcano Eyjafjallajökull ( Eyjafjallajökull) nell'anno 2010.

È grazie a questa specificità geologica che l'Islanda dispone di enormi riserve di energia geotermica, tra cui sorgenti termali che emergono sulla superficie della Terra e sgorgano anche sotto forma di geyser.

In Islanda, oltre il 60% di tutta l’energia consumata proviene attualmente dalla Terra. Le fonti geotermiche forniscono il 90% del riscaldamento e il 30% della produzione di elettricità. Aggiungiamo che il resto dell’elettricità del Paese è prodotta da centrali idroelettriche, cioè utilizzando anche una fonte di energia rinnovabile, facendo sembrare l’Islanda una sorta di standard ambientale globale.

L’addomesticamento dell’energia geotermica nel 20° secolo ha portato grandi benefici economici all’Islanda. Fino alla metà del secolo scorso era un Paese molto povero, ora è al primo posto al mondo per capacità installata e produzione di energia geotermica pro capite ed è tra i primi dieci per capacità installata assoluta di centrali geotermiche . Tuttavia, la sua popolazione conta solo 300mila persone, il che semplifica il compito di passare a fonti energetiche rispettose dell'ambiente: il suo fabbisogno è generalmente ridotto.

Oltre all'Islanda, una quota elevata dell'energia geotermica nel bilancio complessivo della produzione di elettricità è fornita in Nuova Zelanda e nei paesi insulari del sud-est asiatico (Filippine e Indonesia), nei paesi dell'America centrale e dell'Africa orientale, il cui territorio è anche caratterizzato da un’elevata attività sismica e vulcanica. Per questi paesi, al loro attuale livello di sviluppo e di fabbisogno, l’energia geotermica fornisce un contributo significativo allo sviluppo socio-economico.

L’utilizzo dell’energia geotermica ha una storia molto lunga. Uno dei primi esempi conosciuti è l'Italia, una località della provincia della Toscana, oggi chiamata Larderello, dove all'inizio del XIX secolo le acque termali calde locali, che sgorgavano naturalmente o estratte da pozzi poco profondi, venivano utilizzate a fini energetici.

Qui veniva utilizzata l'acqua delle sorgenti sotterranee, ricca di boro, per ottenere l'acido borico. Inizialmente questo acido veniva ottenuto per evaporazione in caldaie di ferro, e come combustibile veniva presa legna ordinaria dei boschi vicini, ma nel 1827 Francesco Larderel creò un sistema che lavorava sul calore delle acque stesse. Allo stesso tempo, l'energia del vapore acqueo naturale cominciò ad essere utilizzata per il funzionamento degli impianti di perforazione e, all'inizio del XX secolo, per il riscaldamento di case e serre locali. Lì, a Larderello, nel 1904, il vapore acqueo termale divenne fonte di energia per la generazione di energia elettrica.

L'esempio dell'Italia fu seguito da molti altri paesi tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo. Ad esempio, nel 1892, le acque termali furono utilizzate per la prima volta per il riscaldamento locale negli Stati Uniti (Boise, Idaho), nel 1919 in Giappone e nel 1928 in Islanda.

Negli Stati Uniti, la prima centrale elettrica funzionante con energia idrotermale è apparsa in California all'inizio degli anni '30, in Nuova Zelanda - nel 1958, in Messico - nel 1959, in Russia (il primo GeoPP binario al mondo) - nel 1965.

Vecchio principio su una nuova fonte

La produzione di elettricità richiede una temperatura della fonte idroelettrica più elevata rispetto a quella per il riscaldamento: oltre 150°C. Il principio di funzionamento di una centrale geotermica (GeoPP) è simile al principio di funzionamento di una centrale termica convenzionale (CHP). In effetti, una centrale geotermica è un tipo di centrale termica.

Nelle centrali termoelettriche, la fonte di energia primaria è solitamente carbone, gas o olio combustibile e il fluido di lavoro è il vapore acqueo. Il carburante, quando brucia, riscalda l'acqua trasformandola in vapore, che fa ruotare una turbina a vapore, che genera elettricità.

La differenza tra un GeoPP è che qui la fonte primaria di energia è il calore dell'interno della terra e il fluido di lavoro sotto forma di vapore viene fornito alle pale della turbina del generatore elettrico in forma “pronta” direttamente dal pozzo di produzione .

Esistono tre principali schemi operativi per i GeoPP: diretto, utilizzando vapore secco (geotermico); indiretto, a base di acqua idrotermale, e misto o binario.

L'uso dell'uno o dell'altro schema dipende dallo stato di aggregazione e dalla temperatura del vettore energetico.

Lo schema più semplice e quindi il primo tra quelli padroneggiati è quello diretto, in cui il vapore proveniente dal pozzo viene fatto passare direttamente attraverso la turbina. Anche la prima centrale geoelettrica del mondo, a Larderello nel 1904, funzionava con vapore secco.

I GeoPP con uno schema operativo indiretto sono i più comuni ai nostri tempi. Utilizzano acqua calda sotterranea, che viene pompata ad alta pressione in un evaporatore, dove parte di essa viene evaporata e il vapore risultante fa ruotare una turbina. In alcuni casi sono necessari dispositivi e circuiti aggiuntivi per purificare l'acqua geotermica e il vapore dai composti aggressivi.

Il vapore di scarico entra nel pozzo di iniezione o viene utilizzato per riscaldare i locali: in questo caso il principio è lo stesso di quando si utilizza una centrale termoelettrica.

Nei GeoPP binari, l'acqua termale calda interagisce con un altro liquido che svolge le funzioni di un fluido di lavoro con un punto di ebollizione inferiore. Entrambi i fluidi vengono fatti passare attraverso uno scambiatore di calore, dove l'acqua termale fa evaporare il fluido di lavoro, i cui vapori fanno ruotare la turbina.

Questo sistema è chiuso, il che risolve il problema delle emissioni nell'atmosfera. Inoltre, fluidi di lavoro con punto di ebollizione relativamente basso consentono di utilizzare acque termali non molto calde come fonte primaria di energia.

Tutti e tre gli schemi utilizzano una fonte idrotermale, ma l’energia petrotermica può essere utilizzata anche per generare elettricità.

Anche lo schema elettrico in questo caso è abbastanza semplice. È necessario perforare due pozzi interconnessi: iniezione e produzione. L'acqua viene pompata nel pozzo di iniezione. In profondità viene riscaldato, quindi l'acqua riscaldata o il vapore formato a seguito del forte riscaldamento vengono forniti in superficie attraverso il pozzo di produzione. Quindi tutto dipende da come viene utilizzata l'energia petrotermica: per il riscaldamento o per generare elettricità. È possibile un ciclo chiuso pompando il vapore di scarico e l'acqua nel pozzo di iniezione o in un altro metodo di smaltimento.

Lo svantaggio di un tale sistema è evidente: per ottenere una temperatura del fluido di lavoro sufficientemente elevata, è necessario perforare pozzi a grandi profondità. E questi sono costi gravi e il rischio di perdite di calore significative quando il fluido si muove verso l'alto. Pertanto i sistemi petrotermici sono ancora meno diffusi rispetto a quelli idrotermali, anche se le potenzialità dell’energia petrotermica sono ordini di grandezza superiori.

Attualmente, il leader nella creazione dei cosiddetti sistemi di circolazione petrotermica (PCS) è l'Australia. Inoltre, quest'area dell'energia geotermica si sta sviluppando attivamente negli Stati Uniti, in Svizzera, in Gran Bretagna e in Giappone.

Regalo di Lord Kelvin

L'invenzione della pompa di calore nel 1852 da parte del fisico William Thompson (alias Lord Kelvin) fornì all'umanità una reale opportunità di utilizzare il calore di bassa qualità degli strati superiori del suolo. Un sistema a pompa di calore, o moltiplicatore di calore come lo chiamava Thompson, si basa sul processo fisico di trasferimento del calore dall'ambiente a un refrigerante. In sostanza, utilizza lo stesso principio dei sistemi petrotermici. La differenza sta nella fonte di calore, che può sollevare una questione terminologica: fino a che punto una pompa di calore può essere considerata un sistema geotermico? Il fatto è che negli strati superiori, a profondità da decine a centinaia di metri, le rocce e i fluidi in esse contenuti vengono riscaldati non dal calore profondo della terra, ma dal sole. È quindi il sole in questo caso la fonte primaria di calore, sebbene esso venga prelevato, come nei sistemi geotermici, dal suolo.

Il funzionamento di una pompa di calore si basa sul ritardo nel riscaldamento e raffreddamento del suolo rispetto all'atmosfera, con conseguente formazione di un gradiente di temperatura tra la superficie e gli strati più profondi che trattengono il calore anche in inverno, proprio come avviene nei serbatoi . Lo scopo principale delle pompe di calore è il riscaldamento degli ambienti. In sostanza, è un “frigorifero al contrario”. Sia la pompa di calore che il frigorifero interagiscono con tre componenti: l'ambiente interno (nel primo caso - una stanza riscaldata, nel secondo - la camera raffreddata del frigorifero), l'ambiente esterno - una fonte di energia e un refrigerante (refrigerante) , che è anche un liquido refrigerante che garantisce il trasferimento di calore o freddo.

Una sostanza con un punto di ebollizione basso agisce come un refrigerante, che gli consente di prelevare calore da una fonte che ha anche una temperatura relativamente bassa.

Nel frigorifero, il refrigerante liquido scorre attraverso una valvola a farfalla (regolatore di pressione) nell'evaporatore, dove a causa di una forte diminuzione della pressione, il liquido evapora. L'evaporazione è un processo endotermico che richiede l'assorbimento di calore dall'esterno. Di conseguenza, il calore viene rimosso dalle pareti interne dell'evaporatore, garantendo un effetto rinfrescante nella camera del frigorifero. Successivamente, il refrigerante viene aspirato dall'evaporatore nel compressore, dove viene riportato allo stato liquido. Si tratta di un processo inverso che porta al rilascio del calore rimosso nell'ambiente esterno. Di norma, viene gettato in casa e la parete posteriore del frigorifero è relativamente calda.

Una pompa di calore funziona quasi allo stesso modo, con la differenza che il calore viene prelevato dall'ambiente esterno e attraverso l'evaporatore entra nell'ambiente interno - il sistema di riscaldamento ambientale.

In una vera pompa di calore, l'acqua viene riscaldata passando attraverso un circuito esterno posto nel terreno o nel serbatoio, per poi entrare nell'evaporatore.

Nell'evaporatore il calore viene ceduto ad un circuito interno riempito con un refrigerante a basso punto di ebollizione, il quale, passando attraverso l'evaporatore, passa dallo stato liquido a quello gassoso, sottraendo calore.

Successivamente, il refrigerante gassoso entra nel compressore, dove viene compresso ad alta pressione e temperatura, ed entra nel condensatore, dove avviene lo scambio di calore tra il gas caldo e il liquido refrigerante proveniente dall'impianto di riscaldamento.

Il compressore necessita di energia elettrica per funzionare, ma il rapporto di trasformazione (il rapporto tra energia consumata ed energia prodotta) nei sistemi moderni è sufficientemente elevato da garantirne l'efficienza.

Attualmente, le pompe di calore sono ampiamente utilizzate per il riscaldamento degli ambienti, soprattutto nei paesi economicamente sviluppati.

Energia eco-corretta

L’energia geotermica è considerata rispettosa dell’ambiente, il che è generalmente vero. Innanzitutto utilizza una risorsa rinnovabile e praticamente inesauribile. L’energia geotermica non richiede grandi superfici, a differenza delle grandi centrali idroelettriche o dei parchi eolici, e non inquina l’atmosfera, a differenza dell’energia da idrocarburi. In media, un GeoPP occupa 400 m 2 in termini di 1 GW di elettricità generata. La stessa cifra per una centrale termoelettrica a carbone, ad esempio, è di 3600 m2. I vantaggi ambientali dei GeoPP includono anche il basso consumo di acqua: 20 litri di acqua dolce per 1 kW, mentre le centrali termoelettriche e nucleari richiedono circa 1000 litri. Si noti che questi sono gli indicatori ambientali del GeoPP “medio”.

Ma ci sono ancora effetti collaterali negativi. Tra questi vengono spesso identificati il rumore, l'inquinamento termico dell'atmosfera e l'inquinamento chimico dell'acqua e del suolo, nonché la formazione di rifiuti solidi.

La principale fonte di inquinamento chimico dell'ambiente è l'acqua termale stessa (ad alta temperatura e mineralizzazione), spesso contenente grandi quantità di composti tossici, e quindi esiste un problema di smaltimento delle acque reflue e delle sostanze pericolose.

Gli effetti negativi dell’energia geotermica possono essere rintracciati in diverse fasi, a cominciare dalla perforazione dei pozzi. Qui sorgono gli stessi pericoli della perforazione di qualsiasi pozzo: distruzione del suolo e della copertura vegetale, contaminazione del suolo e delle falde acquifere.

Nella fase di funzionamento del GeoPP permangono problemi di inquinamento ambientale. I fluidi termici - acqua e vapore - contengono solitamente anidride carbonica (CO 2), solfuro di zolfo (H 2 S), ammoniaca (NH 3), metano (CH 4), sale da cucina (NaCl), boro (B), arsenico (As ), mercurio (Hg). Quando rilasciati nell’ambiente esterno diventano fonti di inquinamento. Inoltre, un ambiente chimico aggressivo può causare la distruzione corrosiva delle strutture delle centrali geotermiche.

Allo stesso tempo, le emissioni di sostanze inquinanti delle centrali geoelettriche sono in media inferiori rispetto a quelle delle centrali termiche. Ad esempio, le emissioni di anidride carbonica per ogni kilowattora di elettricità generata arrivano fino a 380 g nei GeoPP, 1042 g nelle centrali termoelettriche alimentate a carbone, 906 g nelle centrali elettriche alimentate a petrolio e 453 g nelle centrali termoelettriche alimentate a gas. .

La domanda sorge spontanea: cosa fare con le acque reflue? Se la mineralizzazione è bassa può essere scaricato nelle acque superficiali dopo il raffreddamento. Un'altra possibilità è quella di pomparlo nuovamente nella falda acquifera attraverso un pozzo di iniezione, che attualmente viene utilizzato preferibilmente e prevalentemente.

L'estrazione dell'acqua termale dalle falde acquifere (così come l'estrazione dell'acqua ordinaria) può causare cedimenti e movimenti del suolo, altre deformazioni degli strati geologici e micro-terremoti. La probabilità che si verifichino tali fenomeni è generalmente bassa, anche se sono stati registrati casi isolati (ad esempio presso il GeoPP a Staufen im Breisgau in Germania).

Va sottolineato che la maggior parte dei GeoPP sono situati in aree relativamente scarsamente popolate e nei paesi del terzo mondo, dove i requisiti ambientali sono meno rigorosi rispetto ai paesi sviluppati. Inoltre, al momento il numero di GeoPP e le loro capacità sono relativamente piccoli. Con lo sviluppo su larga scala dell’energia geotermica, i rischi ambientali potrebbero aumentare e moltiplicarsi.

Quanto vale l'energia della Terra?

I costi di investimento per la costruzione di sistemi geotermici variano in un intervallo molto ampio: da 200 a 5.000 dollari per 1 kW di capacità installata, ovvero le opzioni più economiche sono paragonabili al costo di costruzione di una centrale termica. Dipendono innanzitutto dalle condizioni di presenza delle acque termali, dalla loro composizione e dalla progettazione del sistema. La perforazione a grandi profondità, la creazione di un sistema chiuso con due pozzi e la necessità di purificare l'acqua possono aumentare notevolmente i costi.

Ad esempio, gli investimenti nella creazione di un sistema di circolazione petrotermica (PCS) sono stimati a 1,6-4 mila dollari per 1 kW di capacità installata, che supera i costi di costruzione di una centrale nucleare ed è paragonabile ai costi di costruzione di impianti eolici e di energia elettrica. centrali solari.

L’ovvio vantaggio economico di GeoTES è l’energia gratuita. Per fare un confronto, nella struttura dei costi di una centrale termoelettrica o nucleare in esercizio, il carburante rappresenta il 50-80% o anche di più, a seconda dei prezzi attuali dell’energia. Da qui un altro vantaggio del sistema geotermico: i costi operativi sono più stabili e prevedibili, poiché non dipendono dalle condizioni esterne dei prezzi dell’energia. In generale, i costi operativi delle centrali geotermiche sono stimati tra 2 e 10 centesimi (60 centesimi – 3 rubli) per 1 kWh di energia prodotta.

La seconda voce di spesa più importante dopo l’energia (e molto significativa) è, di norma, la retribuzione del personale degli impianti, che può variare notevolmente da un paese all’altro e da una regione all’altra.

In media, il costo di 1 kWh di energia geotermica è paragonabile a quello delle centrali termoelettriche (in Russia - circa 1 rublo/1 kWh) e dieci volte superiore al costo di generazione di elettricità in una centrale idroelettrica (5-10 centesimi/1 kWh ).

Parte del motivo dei costi elevati è che, a differenza delle centrali termiche e idrauliche, le centrali geotermiche hanno una capacità relativamente piccola. Inoltre, è necessario confrontare sistemi situati nella stessa regione e in condizioni simili. Ad esempio, in Kamchatka, secondo gli esperti, 1 kWh di elettricità geotermica costa 2-3 volte meno dell'elettricità prodotta nelle centrali termoelettriche locali.

Gli indicatori dell’efficienza economica di un sistema geotermico dipendono ad esempio dalla necessità e dalle modalità di smaltimento delle acque reflue e dalla possibilità di un utilizzo combinato delle risorse. Pertanto, gli elementi chimici e i composti estratti dall’acqua termale possono fornire entrate aggiuntive. Ricordiamo l'esempio di Larderello: lì la produzione chimica era primaria, e l'utilizzo dell'energia geotermica inizialmente aveva carattere ausiliario.

L'energia geotermica avanti

L’energia geotermica si sta sviluppando in modo leggermente diverso rispetto all’energia eolica e solare. Attualmente, dipende in misura molto maggiore dalla natura della risorsa stessa, che varia notevolmente da regione a regione, e le concentrazioni più elevate sono associate a zone ristrette di anomalie geotermiche, solitamente associate ad aree di faglie tettoniche e vulcanismo.

Inoltre, l’energia geotermica è meno intensiva dal punto di vista tecnologico rispetto all’energia eolica e, soprattutto, all’energia solare: i sistemi di stazioni geotermiche sono piuttosto semplici.

Nella struttura complessiva della produzione elettrica globale, la componente geotermica rappresenta meno dell’1%, ma in alcune regioni e paesi la sua quota raggiunge il 25-30%. A causa della connessione con le condizioni geologiche, una parte significativa della capacità di energia geotermica è concentrata nei paesi del terzo mondo, dove si trovano tre cluster di maggiore sviluppo del settore: le isole del sud-est asiatico, dell'America centrale e dell'Africa orientale. Le prime due regioni sono comprese nella “cintura di fuoco della Terra” del Pacifico, la terza è legata al Rift dell'Africa Orientale. È molto probabile che l’energia geotermica continuerà a svilupparsi in queste cinture. Una prospettiva più lontana è lo sviluppo dell'energia petrotermica, che sfrutta il calore degli strati della terra che si trovano a diversi chilometri di profondità. Si tratta di una risorsa quasi onnipresente, ma la sua estrazione richiede costi elevati, per questo l’energia petroltermica si sta sviluppando soprattutto nei paesi economicamente e tecnologicamente più potenti.

In generale, data l’ampia distribuzione delle risorse geotermiche e un livello accettabile di sicurezza ambientale, vi è motivo di ritenere che l’energia geotermica abbia buone prospettive di sviluppo. Soprattutto con la crescente minaccia di una carenza di risorse energetiche tradizionali e del loro aumento dei prezzi.

Dalla Kamchatka al Caucaso

In Russia, lo sviluppo dell'energia geotermica ha una storia abbastanza lunga e in numerose posizioni siamo tra i leader mondiali, sebbene la quota dell'energia geotermica nel bilancio energetico complessivo di un vasto paese sia ancora trascurabile.

Due regioni sono diventate pioniere e centri per lo sviluppo dell'energia geotermica in Russia: la Kamchatka e il Caucaso settentrionale, e se nel primo caso parliamo principalmente dell'industria dell'energia elettrica, nel secondo - dell'uso dell'energia termica da acqua termale.

Nel Caucaso settentrionale - nel territorio di Krasnodar, Cecenia, Daghestan - il calore delle acque termali veniva utilizzato per scopi energetici anche prima della Grande Guerra Patriottica. Negli anni 80-90, lo sviluppo dell’energia geotermica nella regione, per ovvi motivi, si è bloccato e non è ancora uscito dallo stato di stagnazione. Tuttavia, l'approvvigionamento di acqua geotermica nel Caucaso settentrionale fornisce calore a circa 500mila persone e, ad esempio, la città di Labinsk nel territorio di Krasnodar con una popolazione di 60mila persone è completamente riscaldata dalle acque geotermiche.

In Kamchatka, la storia dell'energia geotermica è collegata, prima di tutto, alla costruzione di GeoPP. Le prime, le stazioni Pauzhetskaya e Paratunka, ancora in funzione, furono costruite negli anni 1965-1967, mentre la Paratunka GeoPP con una capacità di 600 kW divenne la prima stazione al mondo con un ciclo binario. Questo fu lo sviluppo degli scienziati sovietici S.S. Kutateladze e A.M Rosenfeld dell'Istituto di Termofisica SB RAS, che nel 1965 ricevettero un certificato d'autore per l'estrazione di elettricità dall'acqua con una temperatura di 70°C. Questa tecnologia è successivamente diventata il prototipo di oltre 400 GeoPP binari nel mondo.

La capacità della Pauzhetskaya GeoPP, messa in servizio nel 1966, era inizialmente di 5 MW e successivamente è stata aumentata a 12 MW. Attualmente nella stazione è in costruzione un'unità binaria che aumenterà la sua capacità di altri 2,5 MW.

Lo sviluppo dell'energia geotermica nell'URSS e in Russia è stato ostacolato dalla disponibilità delle fonti energetiche tradizionali: petrolio, gas, carbone, ma non si è mai fermato. I più grandi impianti di energia geotermica al momento sono il Verkhne-Mutnovskaya GeoPP con una capacità totale di unità di potenza di 12 MW, commissionato nel 1999, e il Mutnovskaya GeoPP con una capacità di 50 MW (2002).

I GeoPP Mutnovskaya e Verkhne-Mutnovskaya sono oggetti unici non solo per la Russia, ma anche su scala globale. Le stazioni si trovano ai piedi del vulcano Mutnovsky, ad un'altitudine di 800 metri sul livello del mare, e operano in condizioni climatiche estreme, dove è inverno per 9-10 mesi all'anno. L'attrezzatura dei Mutnovsky GeoPP, attualmente una delle più moderne al mondo, è stata interamente creata presso le imprese nazionali di ingegneria energetica.

Attualmente, la quota delle stazioni Mutnovsky nella struttura complessiva del consumo energetico dell’hub energetico della Kamchatka centrale è del 40%. Ci sono piani per aumentare la capacità nei prossimi anni.

Una menzione speciale meritano gli sviluppi petroltermici russi. Non disponiamo ancora di grandi centri di perforazione, ma disponiamo di tecnologie avanzate per la perforazione a grandi profondità (circa 10 km), che non hanno analoghi al mondo. Il loro ulteriore sviluppo ridurrà radicalmente i costi di creazione dei sistemi petrotermici. Gli sviluppatori di queste tecnologie e progetti sono N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Istituto geologico dell'Accademia russa delle scienze), A. S. Nekrasov (Istituto di previsione economica nazionale dell'Accademia russa delle scienze) e specialisti dell'impianto di turbine di Kaluga. Attualmente il progetto del sistema di circolazione petrotermica in Russia è in fase sperimentale.

L'energia geotermica ha prospettive in Russia, anche se relativamente distanti: al momento il potenziale è piuttosto ampio e la posizione dell'energia tradizionale è forte. Allo stesso tempo, in numerose aree remote del paese, l'uso dell'energia geotermica è economicamente redditizio ed è già richiesto. Si tratta di territori ad alto potenziale geoenergetico (Chukotka, Kamchatka, Isole Curili - la parte russa della "cintura di fuoco della Terra" del Pacifico, le montagne della Siberia meridionale e del Caucaso) e allo stesso tempo remoti e tagliati fuori dai collegamenti centralizzati forniture energetiche.

Probabilmente, nei prossimi decenni, l'energia geotermica nel nostro Paese si svilupperà proprio in tali regioni.

Man mano che la società si sviluppava e si affermava, l'umanità cominciò a cercare modi sempre più moderni e allo stesso tempo economici per ottenere energia. A questo scopo oggi vengono costruite varie stazioni, ma allo stesso tempo viene ampiamente utilizzata l'energia contenuta nelle viscere della terra. Com'è? Proviamo a capirlo.

Energia geotermica

Già dal nome è chiaro che rappresenta il calore dell’interno della terra. Sotto la crosta terrestre c'è uno strato di magma, che è un silicato liquido infuocato fuso. Secondo i dati della ricerca, il potenziale energetico di questo calore è molto superiore all'energia delle riserve mondiali di gas naturale e di petrolio. Il magma, la lava, emerge in superficie. Inoltre, l'attività maggiore si osserva in quegli strati della terra su cui si trovano i confini delle placche tettoniche, nonché dove la crosta terrestre è caratterizzata da sottigliezza. L'energia geotermica della terra si ottiene come segue: la lava e le risorse idriche del pianeta entrano in contatto, a seguito della quale l'acqua inizia a riscaldarsi bruscamente. Ciò porta all'eruzione del geyser, alla formazione dei cosiddetti laghi caldi e correnti sottomarine. Cioè, proprio quei fenomeni naturali le cui proprietà sono utilizzate attivamente come energia.

Sorgenti geotermiche artificiali

L'energia contenuta nelle viscere della terra deve essere utilizzata con saggezza. Ad esempio, c'è l'idea di creare caldaie sotterranee. Per fare ciò, è necessario perforare due pozzi di profondità sufficiente, che saranno collegati sul fondo. Cioè, si scopre che in quasi ogni angolo del territorio è possibile ottenere energia geotermica utilizzando un metodo industriale: l'acqua fredda verrà pompata nella formazione attraverso un pozzo e l'acqua calda o il vapore verranno estratti attraverso il secondo. Le fonti di calore artificiali saranno redditizie e razionali se il calore risultante produrrà più energia. Il vapore può essere inviato ai generatori a turbina, che genereranno elettricità.

Naturalmente, il calore rimosso è solo una frazione di quello disponibile nelle riserve totali. Ma va ricordato che il calore profondo verrà costantemente reintegrato a causa dei processi di compressione delle rocce e stratificazione del sottosuolo. Come dicono gli esperti, la crosta terrestre accumula calore, la cui quantità totale è 5000 volte maggiore del potere calorifico di tutto il sottosuolo fossile della terra nel suo insieme. Si scopre che il tempo di funzionamento di tali stazioni geotermiche create artificialmente può essere illimitato.

Caratteristiche delle fonti

Le fonti che permettono di ottenere energia geotermica sono quasi impossibili da sfruttare appieno. Esistono in più di 60 paesi in tutto il mondo, con il maggior numero di vulcani terrestri sul territorio dell'anello di fuoco vulcanico del Pacifico. Ma in pratica, si scopre che le fonti geotermiche in diverse regioni del mondo hanno proprietà completamente diverse, vale a dire temperatura media, salinità, composizione del gas, acidità e così via.

I geyser sono fonti di energia sulla Terra, la cui particolarità è che emettono acqua bollente a determinati intervalli. Dopo l'eruzione la vasca si libera dell'acqua; sul fondo si vede un canale che scende in profondità nel terreno. I geyser come fonti di energia vengono utilizzati in regioni come Kamchatka, Islanda, Nuova Zelanda e Nord America, mentre singoli geyser si trovano in alcune altre aree.

Da dove viene l'energia?

Il magma non raffreddato si trova molto vicino alla superficie terrestre. Da esso si liberano gas e vapori che salgono e passano attraverso le fessure. Mescolandosi con l'acqua sotterranea, la fanno riscaldare e si trasformano in acqua calda in cui si disciolgono molte sostanze. Tale acqua viene rilasciata sulla superficie terrestre sotto forma di varie fonti geotermiche: sorgenti termali, sorgenti minerali, geyser e così via. Secondo gli scienziati, le viscere calde della terra sono grotte o camere collegate da passaggi, fessure e canali. Si stanno semplicemente riempiendo di acque sotterranee e molto vicino a loro ci sono sacche di magma. Ecco come viene generata naturalmente l'energia termica della terra.

Campo elettrico terrestre

Esiste un’altra fonte di energia alternativa in natura, che è rinnovabile, rispettosa dell’ambiente e facile da usare. È vero, questa fonte è ancora solo studiata e non utilizzata nella pratica. Pertanto, l'energia potenziale della Terra risiede nel suo campo elettrico. L'energia può essere ottenuta in questo modo studiando le leggi fondamentali dell'elettrostatica e le caratteristiche del campo elettrico terrestre. In sostanza il nostro pianeta, dal punto di vista elettrico, è un condensatore sferico carico fino a 300.000 volt. La sua sfera interna ha una carica negativa, mentre la sua sfera esterna, la ionosfera, ha una carica positiva. è un isolante. Attraverso di esso c'è un flusso costante di correnti ioniche e convettive, che raggiungono una forza di molte migliaia di ampere. Tuttavia, la differenza di potenziale tra le piastre non diminuisce.

Ciò suggerisce che in natura esiste un generatore, il cui ruolo è quello di reintegrare costantemente la perdita di cariche dalle piastre del condensatore. Il ruolo di un tale generatore è il campo magnetico terrestre, che ruota insieme al nostro pianeta nel flusso del vento solare. L'energia del campo magnetico terrestre può essere ottenuta proprio collegando un consumatore di energia a questo generatore. Per fare ciò, è necessario installare una messa a terra affidabile.

Risorse rinnovabili

Poiché la popolazione del nostro pianeta cresce costantemente, abbiamo bisogno di sempre più energia per alimentare la nostra popolazione. L'energia contenuta nelle viscere della terra può essere molto diversa. Ad esempio, ci sono le fonti rinnovabili: eolica, solare e idrica. Sono rispettosi dell'ambiente e quindi possono essere utilizzati senza timore di danneggiare l'ambiente.

Energia dell'acqua

Questo metodo è stato utilizzato per molti secoli. Oggi sono state costruite numerose dighe e bacini artificiali in cui l'acqua viene utilizzata per generare energia elettrica. L'essenza del funzionamento di questo meccanismo è semplice: sotto l'influenza del flusso del fiume, le ruote delle turbine ruotano e, di conseguenza, l'energia dell'acqua viene convertita in elettricità.

Oggi esistono numerose centrali idroelettriche che convertono l'energia del flusso d'acqua in elettricità. La particolarità di questo metodo è che vengono rinnovati e, di conseguenza, tali strutture hanno un costo contenuto. Ecco perché, nonostante il fatto che la costruzione delle centrali idroelettriche richieda molto tempo e il processo stesso sia molto costoso, queste strutture presentano ancora un vantaggio significativo rispetto alle industrie ad alta intensità di elettricità.

Energia solare: moderna e promettente

L'energia solare si ottiene utilizzando i pannelli solari, ma le moderne tecnologie consentono l'uso di nuovi metodi per questo. Il più grande sistema del mondo è costruito nel deserto della California. Fornisce completamente energia a 2.000 case. Il design funziona come segue: i raggi del sole vengono riflessi dagli specchi, che sono diretti nel bollitore centrale. Bolle e si trasforma in vapore, che fa ruotare la turbina. A sua volta è collegato a un generatore elettrico. Il vento può anche essere utilizzato come energia che la Terra ci fornisce. Il vento gonfia le vele e fa girare i mulini. E ora, con il suo aiuto, puoi creare dispositivi che genereranno energia elettrica. Facendo ruotare le pale del mulino a vento, aziona l'albero della turbina, che a sua volta è collegato a un generatore elettrico.

Energia interna della Terra

È apparso come risultato di diversi processi, i principali sono l'accrescimento e la radioattività. Secondo gli scienziati, la formazione della Terra e della sua massa è avvenuta nel corso di diversi milioni di anni, e ciò è avvenuto a causa della formazione dei planetesimi. Si unirono e, di conseguenza, la massa della Terra divenne sempre di più. Dopo che il nostro pianeta iniziò ad avere la sua massa moderna, ma era ancora privo di atmosfera, corpi di meteoroidi e asteroidi caddero su di esso senza ostacoli. Questo processo è chiamato appunto accrescimento e ha portato al rilascio di una notevole energia gravitazionale. E quanto più grandi sono i corpi che colpiscono il pianeta, tanto maggiore è la quantità di energia contenuta nelle viscere della Terra che viene liberata.

Questa differenziazione gravitazionale portò al fatto che le sostanze cominciarono a stratificarsi: le sostanze pesanti semplicemente affondarono, mentre quelle leggere e volatili galleggiarono verso l'alto. La differenziazione ha influenzato anche il rilascio aggiuntivo di energia gravitazionale.

Energia atomica

L'utilizzo dell'energia terrestre può avvenire in diversi modi. Ad esempio, attraverso la costruzione di centrali nucleari, quando l'energia termica viene rilasciata a causa del decadimento delle più piccole particelle di materia atomica. Il combustibile principale è l'uranio, che si trova nella crosta terrestre. Molti credono che questo particolare metodo di generazione di energia sia il più promettente, ma il suo utilizzo è associato a una serie di problemi. Innanzitutto, l’uranio emette radiazioni che uccidono tutti gli organismi viventi. Inoltre, se questa sostanza dovesse penetrare nel suolo o nell'atmosfera, si verificherebbe un vero disastro provocato dall'uomo. Ancora oggi stiamo sperimentando le tristi conseguenze dell’incidente avvenuto nella centrale nucleare di Chernobyl. Il pericolo sta nel fatto che i rifiuti radioattivi possono minacciare tutti gli esseri viventi per un tempo molto, molto lungo, per millenni.

Nuovo tempo - nuove idee

Naturalmente, le persone non si fermano qui e ogni anno vengono fatti sempre più tentativi per trovare nuovi modi per ottenere energia. Se l'energia termica della terra viene ottenuta in modo abbastanza semplice, alcuni metodi non sono così semplici. Ad esempio, è del tutto possibile utilizzare come fonte di energia il gas biologico, ottenuto dalla decomposizione dei rifiuti. Può essere utilizzato per il riscaldamento delle case e per il riscaldamento dell'acqua.

Sempre più spesso, vengono costruiti quando dighe e turbine vengono installate attraverso le bocche dei bacini artificiali, che sono azionati rispettivamente dal flusso e riflusso delle maree, generando elettricità.

Bruciando i rifiuti otteniamo energia

Un altro metodo, già utilizzato in Giappone, è la realizzazione di impianti di incenerimento dei rifiuti. Oggi vengono costruiti in Inghilterra, Italia, Danimarca, Germania, Francia, Paesi Bassi e Stati Uniti, ma solo in Giappone queste imprese hanno iniziato ad essere utilizzate non solo per lo scopo previsto, ma anche per generare elettricità. Le fabbriche locali bruciano 2/3 di tutti i rifiuti e le fabbriche sono dotate di turbine a vapore. Di conseguenza, forniscono calore ed elettricità alle aree vicine. Inoltre, in termini di costi, costruire un'impresa del genere è molto più redditizio che costruire una centrale termica.

La prospettiva di utilizzare il calore della Terra dove sono concentrati i vulcani sembra più allettante. In questo caso non sarà necessario perforare la Terra troppo in profondità, poiché già a una profondità di 300-500 metri la temperatura sarà almeno il doppio del punto di ebollizione dell'acqua.

Esiste anche un modo per generare elettricità poiché l'idrogeno - l'elemento chimico più semplice e leggero - può essere considerato un combustibile ideale, perché si trova dove c'è acqua. Se bruci idrogeno, puoi ottenere acqua, che si decompone in ossigeno e idrogeno. La stessa fiamma dell'idrogeno è innocua, cioè non causerà danni all'ambiente. La particolarità di questo elemento è che ha un elevato potere calorifico.

Cosa c'è nel futuro?

Naturalmente l’energia del campo magnetico terrestre o quella ricavata dalle centrali nucleari non può soddisfare pienamente tutti i bisogni dell’umanità, che crescono ogni anno. Tuttavia, secondo gli esperti, non c’è motivo di preoccuparsi, poiché le risorse di carburante del pianeta sono ancora sufficienti. Inoltre, vengono utilizzate sempre più nuove fonti, rispettose dell'ambiente e rinnovabili.

Il problema dell’inquinamento ambientale rimane e sta crescendo in modo catastrofico e rapido. La quantità di emissioni nocive è fuori scala; di conseguenza, l’aria che respiriamo è dannosa, l’acqua contiene impurità pericolose e il suolo viene gradualmente impoverito. Ecco perché è così importante studiare tempestivamente un fenomeno come l'energia nelle viscere della Terra per cercare modi per ridurre la necessità di combustibili fossili e utilizzare più attivamente fonti energetiche non tradizionali.

2. Regime termico della Terra

La Terra è un corpo cosmico freddo. La temperatura superficiale dipende principalmente dal calore proveniente dall'esterno. Il 95% del calore dello strato superiore della Terra lo è esterno calore (solare), e solo il 5% è calore interno , che proviene dalle viscere della Terra e comprende diverse fonti di energia. All'interno della Terra, la temperatura aumenta con la profondità da 1300 o C (nel mantello superiore) a 3700 o C (al centro del nucleo).

Calore esterno. Il calore arriva alla superficie terrestre principalmente dal Sole. Ogni centimetro quadrato di superficie riceve circa 2 calorie di calore in un minuto. Questa quantità si chiama costante solare e determina la quantità totale di calore che entra nella Terra dal Sole. Per un anno ammonta a 2,26·10 21 calorie. La profondità di penetrazione del calore solare nelle viscere della Terra dipende principalmente dalla quantità di calore che cade per unità di superficie e dalla conduttività termica delle rocce. La profondità massima alla quale penetra il calore esterno è di 200 m negli oceani e di circa 40 m sulla terraferma.

Calore interiore. Con la profondità si osserva un aumento della temperatura, che avviene in modo molto irregolare nelle diverse zone. L'aumento di temperatura segue una legge adiabatica e dipende dalla compressione della sostanza sotto pressione quando lo scambio termico con l'ambiente è impossibile.

Le principali fonti di calore all'interno della Terra:

Calore rilasciato durante il decadimento radioattivo degli elementi.

Calore residuo trattenuto dalla formazione della Terra.

Calore gravitazionale rilasciato durante la compressione della Terra e distribuzione della materia per densità.

Calore generato a causa di reazioni chimiche che avvengono nelle profondità della crosta terrestre.

Calore rilasciato dall'attrito mareale della Terra.

Ci sono 3 zone di temperatura:

IO - zona a temperatura variabile . Le variazioni di temperatura sono determinate dal clima della zona. Le fluttuazioni giornaliere praticamente si estinguono ad una profondità di circa 1,5 m, mentre le fluttuazioni annuali a una profondità di 20...30 m Ia -. zona di congelamento.

II- zona a temperatura costante , situato a una profondità di 15...40 m a seconda della regione.

III – zona di aumento della temperatura .

Il regime di temperatura delle rocce nelle profondità della crosta terrestre è solitamente espresso come gradiente geotermico e gradino geotermico.

Viene chiamata la quantità di aumento della temperatura per ogni 100 m di profondità gradiente geotermico. In Africa presso il campo di Witwatersrand la temperatura è di 1,5 °C, in Giappone (Echigo) - 2,9 °C, nell'Australia meridionale - 10,9 °C, in Kazakistan (Samarinda) - 6,3 °C, nella penisola di Kola – 0,65 °C.

Riso. 3. Zone di temperatura nella crosta terrestre: I – zona a temperatura variabile, Ia – zona di congelamento; II – zona di temperature costanti; III – zona di aumento della temperatura.

Viene chiamata la profondità alla quale la temperatura aumenta di 1 grado fase geotermica. I valori numerici dello stadio geotermico non sono costanti non solo a diverse latitudini, ma anche a diverse profondità dello stesso punto della regione. La dimensione del gradino geotermico varia da 1,5 a 250 m. Ad Arkhangelsk è di 10 m, a Mosca - 38,4 m e a Pyatigorsk - 1,5 m. Teoricamente, il valore medio di questo gradino è di 33 m.

In un pozzo scavato a Mosca a una profondità di 1.630 m la temperatura sul fondo era di 41 °C, mentre in una miniera scavata nel Donbass a una profondità di 1.545 m la temperatura era di 56,3 °C. La temperatura più alta registrata negli Stati Uniti è stata registrata in un pozzo profondo 7.136 m, dove era di 224 °C. Quando si progettano strutture profonde si dovrebbe tenere conto dell'aumento della temperatura con la profondità. Secondo i calcoli, a una profondità di 400 km la temperatura dovrebbe raggiungere 1400...1700 °C. Le temperature più alte (circa 5000 °C) sono state ottenute per il nucleo terrestre.

Il termine “energia geotermica” deriva dalle parole greche per terra (geo) e calore (termico). Infatti, l’energia geotermica proviene dalla terra stessa. Il calore proveniente dal nucleo terrestre, che ha una temperatura media di 3.600 gradi Celsius, si irradia verso la superficie del pianeta.

Il riscaldamento di sorgenti e geyser sotterranei a una profondità di diversi chilometri può essere effettuato utilizzando pozzi speciali attraverso i quali l'acqua calda (o il vapore da essa derivante) scorre in superficie, dove può essere utilizzata direttamente come calore o indirettamente per generare elettricità accendendo turbine rotanti.

Poiché l’acqua sotto la superficie terrestre viene costantemente rifornita e il nucleo della Terra continuerà a produrre calore relativo alla vita umana indefinitamente, l’energia geotermica finirà per pulito e rinnovabile.

Metodi per la raccolta delle risorse energetiche della Terra

Oggi esistono tre metodi principali per raccogliere l'energia geotermica: vapore secco, acqua calda e ciclo binario. Il processo del vapore secco aziona direttamente le turbine dei generatori di elettricità. L'acqua calda scorre dal basso verso l'alto, quindi viene spruzzata nel serbatoio per creare vapore che aziona le turbine. Questi due metodi sono i più comuni e generano centinaia di megawatt di elettricità negli Stati Uniti, in Islanda, in Europa, in Russia e in altri paesi. Ma l’ubicazione è limitata poiché questi impianti operano solo nelle regioni tettoniche dove l’accesso all’acqua riscaldata è più facile.

Con la tecnologia del ciclo binario, l'acqua calda (non necessariamente calda) viene portata in superficie e combinata con butano o pentano, che hanno un basso punto di ebollizione. Questo liquido viene pompato attraverso uno scambiatore di calore dove viene evaporato e inviato attraverso una turbina prima di essere ricircolato nel sistema. Le tecnologie del ciclo binario forniscono decine di megawatt di elettricità negli Stati Uniti: California, Nevada e Hawaii.

Il principio della produzione di energia

Svantaggi dell'energia geotermica

A livello di utilità pubblica, le centrali geotermiche sono costose da costruire e gestire. Trovare un luogo adatto richiede costose indagini sui pozzi senza alcuna garanzia di raggiungere un punto caldo sotterraneo produttivo. Tuttavia, gli analisti prevedono che questa capacità quasi raddoppierà nei prossimi sei anni.

Inoltre, aree con elevate temperature sotterranee si trovano in aree con vulcani geologici e chimici attivi. Questi "punti caldi" si formano ai confini delle placche tettoniche in luoghi dove la crosta è piuttosto sottile. La regione del Pacifico, spesso definita l’anello di fuoco per molti vulcani, ha molti punti caldi, tra cui Alaska, California e Oregon. Il Nevada ha centinaia di punti caldi che coprono gran parte degli Stati Uniti settentrionali.

Ci sono altre zone sismicamente attive. I terremoti e il movimento del magma permettono all'acqua di circolare. In alcuni luoghi, l'acqua sale in superficie e si formano sorgenti termali naturali e geyser, come in Kamchatka. L'acqua nei geyser della Kamchatka raggiunge i 95° C.

Uno dei problemi con un sistema di geyser aperto è il rilascio di alcuni inquinanti atmosferici. L'idrogeno solforato è un gas tossico con un odore di "uovo marcio" molto riconoscibile: piccole quantità di arsenico e minerali rilasciati con il vapore. Il sale può anche rappresentare un problema ambientale.

Nelle centrali geotermiche offshore, nei tubi si accumulano quantità significative di sale interferente. Nei sistemi chiusi non ci sono emissioni e tutto il liquido portato in superficie viene restituito.

Potenziale economico della risorsa energetica

I punti sismicamente attivi non sono gli unici luoghi in cui è possibile trovare energia geotermica. C'è una fornitura costante di calore utile per scopi di riscaldamento diretto a profondità comprese tra 4 metri e diversi chilometri sotto la superficie quasi ovunque sulla terra. Anche il terreno del tuo cortile o della tua scuola locale ha un potenziale economico sotto forma di calore da rilasciare nella tua casa o in altri edifici.

Inoltre, nelle formazioni rocciose secche molto profonde sotto la superficie (4 – 10 km) si trova un'enorme quantità di energia termica.

L’uso della nuova tecnologia potrebbe espandere i sistemi geotermici, dove le persone potrebbero utilizzare quel calore per produrre elettricità su scala molto più ampia rispetto alle tecnologie convenzionali. I primi progetti dimostrativi di questo principio di generazione di elettricità sono stati presentati negli Stati Uniti e in Australia già nel 2013.

Se si riuscisse a sfruttare appieno il potenziale economico delle risorse geotermiche, esse rappresenterebbero un’enorme fonte di elettricità per la capacità produttiva. Gli scienziati stimano che le fonti geotermiche convenzionali abbiano un potenziale di 38.000 MW, in grado di produrre 380 milioni di MW di elettricità all'anno.

Le rocce calde e secche si trovano ovunque nel sottosuolo a profondità comprese tra 5 e 8 km e in alcuni luoghi a profondità minori. L'accesso a queste risorse prevede l'immissione di acqua fredda, la circolazione attraverso rocce calde e la rimozione dell'acqua riscaldata. Al momento non esistono applicazioni commerciali per questa tecnologia. Le tecnologie esistenti non consentono ancora il recupero dell'energia termica direttamente dal magma, molto in profondità, ma questa è la risorsa più potente dell'energia geotermica.

Con la combinazione delle risorse energetiche e la sua consistenza, l’energia geotermica può svolgere un ruolo indispensabile come sistema energetico più pulito e sostenibile.

Strutture di centrali geotermiche

L’energia geotermica è il calore pulito e sostenibile proveniente dalla Terra. Grandi risorse si trovano in un raggio di diversi chilometri sotto la superficie terrestre e anche più in profondità, fino alla roccia fusa ad alta temperatura chiamata magma. Ma come descritto sopra, le persone non hanno ancora raggiunto il magma.

Tre progetti di centrali geotermiche

La tecnologia di applicazione è determinata dalla risorsa. Se l'acqua proviene dal pozzo come vapore, può essere utilizzata direttamente. Se l'acqua calda ha una temperatura sufficientemente elevata, deve passare attraverso uno scambiatore di calore.

Il primo pozzo per la produzione di energia fu perforato prima del 1924. Negli anni '50 furono perforati pozzi più profondi, ma il vero sviluppo si verificò negli anni '70 e '80.

Utilizzo diretto del calore geotermico

Le fonti geotermiche possono essere utilizzate anche direttamente per scopi di riscaldamento. L’acqua calda viene utilizzata per riscaldare gli edifici, coltivare piante in serre, essiccare pesce e colture, migliorare il recupero del petrolio, aiutare nei processi industriali come la pastorizzazione del latte e riscaldare l’acqua negli allevamenti ittici. Negli Stati Uniti, Klamath Falls, Oregon e Boise, Idaho, utilizzano l’acqua geotermica per riscaldare case ed edifici da oltre un secolo. Sulla costa orientale, Warm Springs, in Virginia, ottiene il calore direttamente dall'acqua sorgiva utilizzando fonti di calore in uno dei resort locali.

In Islanda, quasi tutti gli edifici del paese sono riscaldati dall’acqua termale. Infatti, l’Islanda ottiene più del 50% della sua energia primaria da fonti geotermiche. A Reykjavik, ad esempio (118mila abitanti), l'acqua calda viene trasportata tramite un nastro trasportatore per oltre 25 chilometri e i residenti la utilizzano per il riscaldamento e per i bisogni naturali.

La Nuova Zelanda riceve un ulteriore 10% della sua elettricità. è sottosviluppato, nonostante la presenza di acque termali.

Le persone conoscono da tempo le manifestazioni spontanee di un'energia gigantesca nascosta nelle profondità del globo. La memoria dell'umanità contiene leggende su catastrofiche eruzioni vulcaniche che hanno causato milioni di vite umane e hanno cambiato l'aspetto di molti luoghi sulla Terra oltre il riconoscimento. La potenza dell'eruzione anche di un vulcano relativamente piccolo è colossale, molte volte maggiore della potenza delle più grandi centrali elettriche create dalle mani dell'uomo; È vero, non è necessario parlare dell'uso diretto dell'energia delle eruzioni vulcaniche: le persone non hanno ancora la capacità di frenare questo elemento ribelle e, fortunatamente, queste eruzioni sono eventi piuttosto rari. Ma queste sono manifestazioni di energia nascosta nelle viscere della terra, quando solo una piccola frazione di questa inesauribile energia trova liberazione attraverso le bocche sputafuoco dei vulcani.

Il piccolo paese europeo dell'Islanda (“la terra del ghiaccio” nella traduzione letterale) è completamente autosufficiente per quanto riguarda pomodori, mele e persino banane! Numerose serre islandesi ricevono energia dal calore della terra; in Islanda non esistono praticamente altre fonti energetiche locali. Ma questo paese è molto ricco sorgenti termali e famosi geyser - fontane di acqua calda, con la precisione di un cronometro che sbuca dal terreno. E sebbene gli islandesi non abbiano la priorità nell'utilizzare il calore delle fonti sotterranee (anche gli antichi romani portavano l'acqua dal sottosuolo alle famose terme - le Terme di Caracalla), gli abitanti di questo piccolo paese del nord il locale caldaia sotterraneo viene utilizzato in modo molto intenso. La capitale Reykjavik, dove vive metà della popolazione del paese, è riscaldata solo da fonti sotterranee. Reykjavik è il punto di partenza ideale per esplorare l'Islanda: da qui potrai intraprendere le escursioni più interessanti e varie in ogni angolo di questo paese unico: geyser, vulcani, cascate, montagne di riolite, fiordi... Ovunque a Reykjavik ti sentirai PURO ENERGIA - l'energia termica dei geyser che emanano dal sottosuolo, l'energia della purezza e dello spazio di una città perfettamente verde, l'energia della vita notturna allegra e vivace di Reykjavik tutto l'anno.

Ma l’uomo trae energia dalle profondità della terra non solo per il riscaldamento. Le centrali elettriche che utilizzano sorgenti calde sotterranee funzionano da molto tempo. La prima centrale di questo tipo, ancora a bassissima potenza, fu costruita nel 1904 nella cittadina italiana di Larderello, dal nome dell'ingegnere francese Larderelli, che già nel 1827 elaborò un progetto per l'utilizzo delle numerose sorgenti termali della zona. A poco a poco, la potenza della centrale è cresciuta, sono state messe in funzione sempre più nuove unità, sono state utilizzate nuove fonti di acqua calda e oggi la potenza della centrale ha già raggiunto un valore impressionante: 360mila kilowatt. In Nuova Zelanda esiste una centrale elettrica del genere nell'area di Wairakei, la sua capacità è di 160mila kilowatt. A 120 km da San Francisco, negli Stati Uniti, una stazione geotermica con una capacità di 500mila kilowatt produce elettricità.

Energia geotermica

Un geyser è una sorgente termale che vomita l'acqua ad un'altezza regolare o irregolare, come una fontana. Il nome deriva dalla parola islandese che significa "versare". La comparsa dei geyser richiede un certo ambiente favorevole, che si crea solo in pochi posti sulla terra, il che li rende piuttosto rari. Quasi il 50% dei geyser si trova nel Parco Nazionale di Yellowstone (USA). L'attività di un geyser può cessare a causa di cambiamenti nel sottosuolo, terremoti e altri fattori. L'azione del geyser è causata dal contatto dell'acqua con il magma, dopo di che l'acqua si riscalda rapidamente e, sotto l'influenza dell'energia geotermica, viene lanciata con forza verso l'alto. Dopo l'eruzione, l'acqua nel geyser si raffredda gradualmente, ritorna nel magma e sgorga nuovamente. La frequenza delle eruzioni di diversi geyser varia da alcuni minuti a diverse ore. La necessità di elevata energia per il funzionamento dei geyser è la ragione principale della loro rarità. Le aree vulcaniche possono avere sorgenti termali, vulcani di fango, fumarole, ma sono pochissimi i luoghi in cui si trovano i geyser. Il fatto è che anche se un geyser si formasse in un luogo di attività vulcanica, le successive eruzioni distruggeranno la superficie della terra e ne cambieranno le condizioni, il che porterà alla scomparsa del geyser.

L'energia terrestre (energia geotermica) si basa sullo sfruttamento del calore naturale della Terra. Le viscere della Terra contengono una fonte di energia colossale, quasi inesauribile. La radiazione annuale di calore interno sul nostro pianeta è di 2,8 * 1014 miliardi di kW * ora. È costantemente compensato dal decadimento radioattivo di alcuni isotopi della crosta terrestre.

Le fonti di energia geotermica possono essere di due tipi. Il primo tipo sono le piscine sotterranee di refrigeranti naturali: acqua calda (sorgenti idrotermali) o vapore (sorgenti termali a vapore) o una miscela di vapore e acqua. Si tratta essenzialmente di "caldaie sotterranee" pronte all'uso, dalle quali è possibile estrarre acqua o vapore mediante pozzi convenzionali. Il secondo tipo è il calore delle rocce calde. Pompando acqua in tali orizzonti è possibile ottenere anche vapore o acqua surriscaldata da riutilizzare a fini energetici.

Ma in entrambi gli usi, lo svantaggio principale è forse la bassissima concentrazione di energia geotermica. Tuttavia, nei luoghi in cui si formano peculiari anomalie geotermiche, dove sorgenti termali o rocce arrivano relativamente vicine alla superficie e dove, immergendosi più in profondità per ogni 100 m, la temperatura aumenta di 30-40 °C, concentrazioni di energia geotermica possono creare le condizioni per il suo utilizzo economico. A seconda della temperatura dell'acqua, del vapore o della miscela vapore-acqua, le sorgenti geotermiche si suddividono in a bassa e media temperatura (con temperature fino a 130 - 150° C) e ad alta temperatura (oltre 150°). La natura del loro utilizzo dipende in gran parte dalla temperatura.

Si può sostenere che l’energia geotermica ha quattro caratteristiche distintive benefiche.

Innanzitutto, le sue riserve sono praticamente inesauribili. Secondo le stime della fine degli anni '70, ad una profondità di 10 km, ammontano a un valore 3,5 mila volte superiore alle riserve dei combustibili minerali di tipo tradizionale.

In secondo luogo, l’energia geotermica è piuttosto diffusa. La sua concentrazione è principalmente associata a cinture di attività sismica e vulcanica attiva, che occupano 1/10 dell'area terrestre. All’interno di queste cinture, possiamo identificare alcune delle “aree geotermiche” più promettenti, tra cui la California negli Stati Uniti, la Nuova Zelanda, il Giappone, l’Islanda, la Kamchatka e il Caucaso settentrionale in Russia. Solo nell'ex Unione Sovietica, all'inizio degli anni '90, furono aperte circa 50 piscine sotterranee di acqua calda e vapore.

In terzo luogo, l'uso dell'energia geotermica non richiede grandi costi, perché in questo caso parliamo di fonti energetiche “pronte all'uso” create dalla natura stessa.

Infine, in quarto luogo, l'energia geotermica è completamente innocua dal punto di vista ambientale e non inquina l'ambiente.

L'uomo utilizza da tempo l'energia del calore interno della Terra (ricordiamo, ad esempio, le famose terme romane), ma il suo utilizzo commerciale iniziò solo negli anni '20 del nostro secolo con la costruzione delle prime centrali geoelettriche in Italia, e poi in altri paesi. All'inizio degli anni '80 nel mondo esistevano circa 20 stazioni di questo tipo con una capacità totale di 1,5 milioni di kW. La più grande di queste è la stazione Geysers negli Stati Uniti (500mila kW).

L’energia geotermica viene utilizzata per generare elettricità, riscaldare case, serre, ecc. Come refrigerante vengono utilizzati vapore secco, acqua surriscaldata o qualsiasi liquido refrigerante con un basso punto di ebollizione (ammoniaca, freon, ecc.).