О геотермальной энергии

Эндрю Олден — геолог из Окленда, Калифорния. Он работает научным руководителем Геологической службы США.

Поскольку стоимость топлива и электроэнергии растет, геотермальная энергия имеет многообещающее будущее. Подземное тепло можно найти где угодно на Земле, а не только там, где добывают нефть, добывают уголь, где светит солнце или где дует ветер. И он производит круглосуточно, все время, с относительно небольшими потребностями в управлении. Вот как работает геотермальная энергия.

Геотермальные градиенты

Независимо от того, где вы находитесь, если вы просверлите земную кору, вы в конечном итоге наткнетесь на раскаленную скалу. Горняки впервые заметили в Средние века, что глубокие шахты имеют тепло на дне, и тщательные измерения с того времени показали, что, как только вы преодолеваете поверхностные колебания, твердая порода становится все теплее с глубиной. В среднем это геотермический градиент составляет примерно один градус Цельсия на каждые 40 метров глубины или 25 градусов Цельсия на километр.

Но средние — это всего лишь средние. В частности, геотермальный градиент намного выше и ниже в разных местах. Высокие градиенты требуют одного из двух: горячей магмы, поднимающейся близко к поверхности, или обильных трещин, позволяющих грунтовым водам эффективно переносить тепло на поверхность. Любого из них достаточно для производства энергии, но лучше иметь оба.

Зоны распространения

Магма поднимается там, где кора растягивается, чтобы позволить ей подняться, — в расходящихся зонах. Это происходит, например, в вулканических дугах над большинством зон субдукции и в других областях растяжения земной коры.Самая большая в мире зона распространения — система срединно-океанических хребтов, где водятся знаменитые раскаленные черные курильщики. Было бы здорово, если бы мы могли получать тепло от раскидистых хребтов, но это возможно только в двух местах: в Исландии и Солтон-Трог в Калифорнии (и на Земле Ян-Майен в Северном Ледовитом океане, где никто не живет).

Области континентального распространения — следующая лучшая возможность. Хорошими примерами являются регион бассейна и хребта на западе Америки и Великая рифтовая долина в Восточной Африке. Здесь много участков горячих пород, перекрывающих молодые магматические интрузии. Тепло доступно, если мы сможем получить его путем бурения, а затем начнем извлекать тепло, прокачивая воду через горячую породу.

Зоны перелома

Горячие источники и гейзеры по всему бассейну и хребту указывают на важность трещин. Без трещин нет горячего источника, есть только скрытый потенциал. Разломы поддерживают горячие источники во многих других местах, где земная кора не растягивается. Примером тому являются знаменитые Теплые источники в Грузии, место, где лава не текла 200 миллионов лет.

Паровые поля

Самые лучшие места для использования геотермального тепла имеют высокие температуры и обильные трещины. Глубоко в земле трещины заполнены чистым перегретым паром, а грунтовые воды и полезные ископаемые в более холодной зоне выше уплотняют давление. Подключение к одной из этих зон сухого пара похоже на наличие под рукой гигантского парового котла, который вы можете подключить к турбине для выработки электроэнергии.

Лучшее место в мире для этого закрыто — Йеллоустонский национальный парк. Сегодня есть только три месторождения сухого пара: Лардарелло в Италии, Вайракей в Новой Зеландии и Гейзеры в Калифорнии.

Другие паровые поля влажные — они производят не только пар, но и кипящую воду. Их эффективность меньше, чем у сухопаровых полей, но сотни из них все же приносят прибыль. Основным примером является геотермальное поле Косо в восточной Калифорнии.

Геотермальные электростанции можно запустить в горячих сухих породах, просто пробурив их и раздробив. Затем в него закачивается вода, а тепло собирается в виде пара или горячей воды.

Электричество вырабатывается либо путем мгновенного превращения горячей воды под давлением в пар при поверхностном давлении, либо с использованием второй рабочей жидкости (например, воды или аммиака) в отдельной водопроводной системе для извлечения и преобразования тепла. В настоящее время разрабатываются новые соединения в качестве рабочих жидкостей, которые могут повысить эффективность настолько, чтобы изменить правила игры.

Меньшие источники

Обычная горячая вода полезна для получения энергии, даже если она не подходит для производства электроэнергии. Само тепло полезно в производственных процессах или просто для обогрева зданий. Вся Исландия почти полностью обеспечивает себя энергией благодаря геотермальным источникам, как горячим, так и теплым, которые делают все, от привода турбин до обогрева теплиц.

Геотермальные возможности всех этих видов показаны на национальной карте геотермального потенциала, опубликованной в Google Earth в 2011 году. Исследование, в ходе которого была создана эта карта, показало, что геотермальный потенциал Америки в десять раз превышает энергию всех ее угольных пластов.

Полезную энергию можно получить даже в неглубоких ямах, где земля не горячая. Тепловые насосы могут охлаждать здание летом и обогревать его зимой, просто перемещая тепло из того места, где теплее. Подобные схемы работают и в озерах, где на дне лежит плотная холодная вода. Ярким примером является система охлаждения источника из озера Корнельского университета.

Источник тепла Земли

В первом приближении тепло Земли происходит от радиоактивного распада трех элементов: урана, тория и калия. Мы думаем, что в железном ядре их почти нет, а в вышележащей мантии их очень мало. Кора, составляющая всего 1 процент массы Земли, содержит примерно вдвое меньше этих радиогенных элементов, чем вся мантия под ней (что составляет 67 % Земли).По сути, кора действует как электрическое одеяло на остальную часть планеты.

Меньшее количество тепла производится различными физико-химическими способами: замерзанием жидкого железа во внутреннем ядре, минеральными фазовыми изменениями, ударами из космоса, трением от земных приливов и т. д. А значительное количество тепла уходит из Земли просто потому, что планета остывает, как это было с момента ее рождения 4,6 миллиарда лет назад.

Точные цифры для всех этих факторов весьма неопределенны, потому что тепловой баланс Земли зависит от деталей структуры планеты, которые все еще открываются. Кроме того, Земля эволюционировала, и мы не можем предположить, какой была ее структура в глубоком прошлом. Наконец, плито-тектонические движения земной коры веками меняли это электрическое одеяло. Тепловой баланс Земли является спорной темой среди специалистов. К счастью, мы можем использовать геотермальную энергию без этих знаний.