Energi panas bumi
- ini adalah energi panas yang dilepaskan zona dalam Bumi selama ratusan juta tahun. Menurut studi geologi dan geofisika, suhu di inti bumi mencapai 3.000-6.000 °C, secara bertahap menurun searah dari pusat planet ke permukaannya. Letusan ribuan gunung berapi, pergerakan balok-balok kerak bumi, gempa bumi menandakan aksi yang dahsyat energi dalam Bumi. Para ilmuwan percaya bahwa medan termal planet kita disebabkan oleh peluruhan radioaktif di kedalamannya, serta pemisahan gravitasi materi inti.
Sumber utama pemanasan interior planet ini adalah uranium, thorium, dan potasium radioaktif. Proses peluruhan radioaktif di benua mereka terjadi terutama di lapisan granit kerak bumi pada kedalaman 20-30 km atau lebih, di lautan - di mantel atas. Diasumsikan bahwa di dasar kerak bumi pada kedalaman 10-15 km, kemungkinan nilai suhu di benua adalah 600-800 °C, dan di lautan - 150-200 °C.
Manusia dapat menggunakan energi panas bumi hanya jika energi tersebut muncul dekat dengan permukaan bumi, yaitu. di daerah vulkanik dan aktivitas seismik. Sekarang energi panas bumi digunakan secara efektif oleh negara-negara seperti Amerika Serikat, Italia, Islandia, Meksiko, Jepang, Selandia Baru, Rusia, Filipina, Hongaria, El Salvador. Di sini panas bagian dalam bumi naik ke permukaan dalam bentuk air panas dan uap dengan suhu mencapai 300 ° C dan sering menyembur keluar sebagai panas dari sumber yang memancar (geyser), misalnya geyser terkenal di Yellowstone Park di AS, geyser di Kamchatka, Islandia.
Mata air panas bumi energi dibagi menjadi uap panas kering, uap panas basah, dan air panas. Sumur yang merupakan sumber energi penting untuk listrik kereta api di Italia (dekat kota Larderello), sejak tahun 1904 telah menghasilkan uap panas kering. Dua lokasi uap panas kering terkenal lainnya di dunia adalah Lapangan Matsukawa di Jepang dan Lapangan Geyser dekat San Francisco, yang juga memiliki penggunaan energi panas bumi yang lama dan efektif. Uap panas paling lembab di dunia terdapat di Selandia Baru (Wairakei), ladang panas bumi dengan daya yang sedikit lebih kecil terdapat di Meksiko, Jepang, El Salvador, Nikaragua, dan Rusia.
Dengan demikian, empat jenis utama sumber daya energi panas bumi dapat dibedakan:
panas permukaan tanah yang digunakan oleh pompa panas;
sumber energi uap, air panas dan hangat di permukaan bumi, yang kini digunakan dalam produksi energi listrik;
panas terkonsentrasi jauh di bawah permukaan bumi (mungkin karena tidak adanya air);
energi magma dan panas yang terakumulasi di bawah gunung berapi.
Cadangan panas bumi (~8*1030J) 35 miliar kali lebih besar dari konsumsi energi global tahunan. Hanya 1% dari energi panas bumi di kerak bumi (kedalaman 10 km) dapat menyediakan jumlah energi yang 500 kali lebih besar dari seluruh cadangan minyak dan gas dunia. Namun, saat ini hanya sebagian kecil dari sumber daya tersebut yang dapat digunakan, dan hal ini terutama disebabkan oleh alasan ekonomi. Pengembangan industri sumber daya panas bumi (energi perairan dalam dan uap panas) dimulai pada tahun 1916, ketika pembangkit listrik tenaga panas bumi pertama dengan kapasitas 7,5 MW ditugaskan di Italia. Selama ini, banyak pengalaman telah dikumpulkan di bidang pengembangan praktis sumber daya energi panas bumi. Total kapasitas terpasang pembangkit listrik tenaga panas bumi (GeoTES) yang ada adalah: 1975 - 1.278 MW, tahun 1990 - 7.300 MW. Kemajuan terbesar dalam hal ini telah dicapai oleh Amerika Serikat, Filipina, Meksiko, Italia, dan Jepang.
Parameter teknis dan ekonomi pembangkit listrik tenaga panas bumi bervariasi dalam rentang yang cukup luas dan bergantung pada karakteristik geologi daerah tersebut (kedalaman kejadian, parameter fluida kerja, komposisinya, dll). Untuk sebagian besar pembangkit listrik tenaga panas bumi yang dioperasikan, biaya listrik sama dengan biaya listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik tenaga batu bara dan berjumlah 1200...2000 dolar AS/MW.
Di Islandia, 80% rumah dipanaskan menggunakan air panas yang diambil dari sumur panas bumi dekat kota Reykjavik. Di Amerika Serikat bagian barat, sekitar 180 rumah dan peternakan dipanaskan menggunakan air panas bumi. Menurut para ahli, antara tahun 1993 dan 2000, pembangkitan listrik global dari energi panas bumi meningkat lebih dari dua kali lipat. Ada begitu banyak cadangan panas bumi di Amerika Serikat sehingga secara teoritis dapat menyediakan energi 30 kali lebih banyak daripada yang dikonsumsi negara bagian tersebut saat ini.
Di masa depan, panas magma dapat dimanfaatkan di daerah yang letaknya dekat dengan permukaan bumi, serta panas kering batuan kristal yang dipanaskan. Dalam kasus terakhir, sumur dibor sepanjang beberapa kilometer dan dipompa ke bawah air dingin, dan membuatnya kembali panas.
2. Rezim termal bumi
Bumi adalah benda kosmik yang dingin. Suhu permukaan terutama bergantung pada panas yang berasal dari luar. 95% panas lapisan atas bumi adalah luar (matahari) panas, dan hanya 5% yang merupakan panas intern , yang berasal dari perut bumi dan mencakup beberapa sumber energi. Di bagian dalam bumi, suhu meningkat seiring kedalaman dari 1300 o C (di mantel atas) hingga 3700 o C (di tengah inti).
Panas luar. Panas datang ke permukaan bumi terutama dari Matahari. Setiap sentimeter persegi permukaan menerima sekitar 2 kalori panas dalam satu menit. Besaran ini disebut konstanta matahari dan mendefinisikan total panas yang datang ke Bumi dari Matahari. Selama setahun jumlahnya mencapai 2,26·10 21 kalori. Kedalaman penetrasi panas matahari ke dalam perut bumi terutama bergantung pada jumlah panas yang jatuh per satuan luas permukaan dan konduktivitas termal. batu. Kedalaman maksimum penetrasi panas eksternal adalah 200 m di lautan, dan sekitar 40 m di darat.
Kehangatan batin. Dengan kedalaman, terjadi peningkatan suhu, yang terjadi sangat tidak merata di berbagai daerah. Kenaikan suhu mengikuti hukum adiabatik dan bergantung pada kompresi zat di bawah tekanan ketika pertukaran panas dengan lingkungan tidak mungkin dilakukan.
Sumber utama panas di dalam bumi:
Panas yang dilepaskan selama peluruhan radioaktif unsur-unsur.
Sisa panas yang tertahan sejak pembentukan bumi.
Panas gravitasi yang dilepaskan selama kompresi bumi dan distribusi materi berdasarkan kepadatan.
Panas yang dihasilkan akibat reaksi kimia yang terjadi di kedalaman kerak bumi.
Panas yang dilepaskan oleh gesekan pasang surut bumi.
Ada 3 zona suhu:
SAYA - zona suhu variabel . Perubahan suhu ditentukan oleh iklim daerah tersebut. Fluktuasi harian praktis menghilang pada kedalaman sekitar 1,5 m, dan fluktuasi tahunan pada kedalaman 20...30 m Ia - zona beku.
II – zona suhu konstan , terletak di kedalaman 15...40 m tergantung wilayahnya.
AKU AKU AKU - zona kenaikan suhu .
Rezim suhu batuan di kedalaman kerak bumi biasanya dinyatakan sebagai gradien panas bumi dan langkah panas bumi.
Besarnya kenaikan suhu setiap kedalaman 100 m disebut gradien panas bumi. Di Afrika di ladang Witwatersrand suhunya 1,5 °C, di Jepang (Echigo) - 2,9 °C, di Australia Selatan– 10.9 °С, di Kazakhstan (Samarinda) – 6.3 °С, aktif Semenanjung Kola– 0,65 °C.
Beras. 3. Zona suhu di kerak bumi: I – zona suhu variabel, Ia – zona beku; II – zona suhu konstan; III – zona kenaikan suhu.
Kedalaman dimana suhu naik sebesar 1 derajat disebut tahap panas bumi. Nilai numerik tahap panas bumi tidak konstan tidak hanya pada garis lintang yang berbeda, tetapi juga pada kedalaman yang berbeda pada titik yang sama di wilayah tersebut. Ukuran langkah panas bumi bervariasi dari 1,5 hingga 250 m. Di Arkhangelsk adalah 10 m, di Moskow - 38,4 m, dan di Pyatigorsk - 1,5 m. Secara teoritis, nilai rata-rata langkah ini adalah 33 m.
Di sumur yang dibor di Moskow hingga kedalaman 1630 m, suhu di dasar adalah 41 °C, dan di tambang yang dibor di Donbass hingga kedalaman 1545 m, suhunya 56,3 °C. Suhu tertinggi yang tercatat di AS terjadi di dalam sumur sedalam 7.136 m, yaitu 224 °C. Peningkatan suhu seiring dengan kedalaman harus diperhitungkan saat merancang struktur dalam. Menurut perhitungan, pada kedalaman 400 km suhu akan mencapai 1400...1700 °C. Suhu tertinggi (sekitar 5000 °C) diperoleh untuk inti bumi.
Di negara kita yang kaya akan hidrokarbon, energi panas bumi adalah salah satu sumber daya eksotik yang, mengingat keadaan saat ini, kemungkinan besar tidak dapat bersaing dengan minyak dan gas. Namun ini pandangan alternatif energi dapat digunakan hampir di mana saja dan cukup efisien.
Energi panas bumi adalah panas yang ada di dalam bumi. Itu diproduksi di kedalaman dan mencapai permukaan bumi di dalamnya bentuk yang berbeda dan dengan intensitas berbeda.
Suhu lapisan atas tanah terutama bergantung pada faktor eksternal (eksogen) - sinar matahari dan suhu udara. Di musim panas dan siang hari, tanah menghangat hingga kedalaman tertentu, dan di musim dingin dan malam hari, tanah menjadi dingin mengikuti perubahan suhu udara dan dengan beberapa penundaan yang meningkat seiring dengan kedalaman. Pengaruh fluktuasi harian suhu udara berakhir pada kedalaman beberapa hingga beberapa puluh sentimeter. Fluktuasi musiman mempengaruhi lapisan tanah yang lebih dalam - hingga puluhan meter.
Pada kedalaman tertentu - dari puluhan hingga ratusan meter - suhu tanah tetap konstan, sama dengan suhu udara rata-rata tahunan di permukaan bumi. Anda dapat dengan mudah memverifikasi ini dengan turun ke dalam gua yang cukup dalam.
Ketika suhu udara rata-rata tahunan di suatu wilayah berada di bawah nol, hal itu memanifestasikan dirinya sebagai permafrost (lebih tepatnya, permafrost). Di Siberia Timur, ketebalan tanah beku sepanjang tahun di beberapa tempat mencapai 200–300 m.
Dari kedalaman tertentu (berbeda untuk setiap titik di peta), aksi Matahari dan atmosfer semakin melemah sehingga faktor endogen (internal) menjadi yang utama dan interior bumi memanas dari dalam, sehingga suhu mulai meningkat. dengan kedalaman.
Pemanasan lapisan dalam bumi terutama disebabkan oleh disintegrasi unsur radioaktif, meskipun sumber panas lain juga disebut, misalnya, proses fisiko-kimia, tektonik lapisan dalam kerak dan mantel bumi. Namun apapun alasannya, suhu batuan dan zat cair dan gas yang terkait dengannya meningkat seiring dengan kedalaman. Para penambang menghadapi fenomena ini - di tambang yang dalam selalu panas. Pada kedalaman 1 km, suhu panas tiga puluh derajat adalah normal, dan suhu lebih dalam bahkan lebih tinggi.
Aliran panas interior bumi yang mencapai permukaan bumi kecil - rata-rata kapasitasnya 0,03–0,05 W/m2, atau sekitar 350 Wh/m2 per tahun. Dengan latar belakang aliran panas dari Matahari dan udara yang dipanaskan olehnya, ini adalah nilai yang tidak terlalu mencolok: Matahari memberi semua orang meter persegi permukaan bumi menghasilkan sekitar 4000 kWh per tahun, yaitu 10.000 kali lebih banyak (tentu saja, ini rata-rata, dengan penyebaran yang sangat besar antara garis lintang kutub dan khatulistiwa dan bergantung pada faktor iklim dan cuaca lainnya).
Kecilnya aliran panas dari bagian dalam ke permukaan di sebagian besar planet ini disebabkan oleh rendahnya konduktivitas termal batuan dan kekhasan struktur geologi. Namun ada pengecualian - tempat yang aliran panasnya tinggi. Pertama-tama, ini adalah zona patahan tektonik, peningkatan aktivitas seismik, dan vulkanisme, tempat energi interior bumi menemukan saluran keluarnya. Zona seperti itu dicirikan oleh anomali termal litosfer; di sini aliran panas yang mencapai permukaan bumi bisa beberapa kali lipat dan bahkan lipat lebih kuat dari “biasanya”. Letusan gunung berapi dan sumber air panas membawa panas dalam jumlah besar ke permukaan di zona tersebut.
Daerah-daerah inilah yang paling menguntungkan untuk pengembangan energi panas bumi. Di wilayah Rusia, pertama-tama, Kamchatka, Kepulauan Kuril, dan Kaukasus.
Pada saat yang sama, pengembangan energi panas bumi dimungkinkan hampir di mana-mana, karena peningkatan suhu seiring dengan kedalaman adalah fenomena universal, dan tugasnya adalah “mengekstraksi” panas dari kedalaman, seperti halnya bahan mentah mineral diekstraksi dari sana.
Rata-rata, suhu meningkat seiring kedalaman sebesar 2,5–3°C untuk setiap 100 m. Rasio perbedaan suhu antara dua titik yang terletak pada kedalaman berbeda dengan perbedaan kedalaman di antara keduanya disebut gradien panas bumi.
Kebalikannya adalah tahap panas bumi, atau interval kedalaman saat suhu naik sebesar 1°C.
Semakin tinggi gradiennya dan semakin rendah tingkatnya, semakin dekat panas dari kedalaman bumi ke permukaan dan semakin menjanjikan kawasan tersebut untuk pengembangan energi panas bumi.
Di berbagai wilayah, bergantung pada struktur geologi dan kondisi regional dan lokal lainnya, laju kenaikan suhu seiring kedalaman dapat bervariasi secara dramatis. Pada skala Bumi, fluktuasi besaran gradien dan langkah panas bumi mencapai 25 kali lipat. Misalnya, di Oregon (AS) gradiennya adalah 150°C per 1 km, dan di Afrika Selatan- 6°C per 1 km.
Pertanyaannya adalah, berapa suhu di kedalaman yang sangat dalam - 5, 10 km atau lebih? Jika tren ini terus berlanjut, suhu pada kedalaman 10 km seharusnya rata-rata sekitar 250–300°C. Hal ini kurang lebih dikonfirmasi oleh pengamatan langsung di sumur ultra-dalam, meskipun gambarannya jauh lebih rumit daripada peningkatan suhu secara linier.
Misalnya, di sumur super dalam Kola, yang dibor di Baltik perisai kristal, suhu hingga kedalaman 3 km berubah dengan kecepatan 10°C/1 km, dan kemudian gradien panas bumi menjadi 2–2,5 kali lebih besar. Pada kedalaman 7 km sudah tercatat suhu 120°C, pada kedalaman 10 km - 180°C, dan pada kedalaman 12 km - 220°C.
Contoh lainnya adalah sumur yang dibor di wilayah Kaspia Utara, dimana pada kedalaman 500 m tercatat suhu 42°C, pada 1,5 km - 70°C, pada 2 km - 80°C, pada 3 km - 108°C .
Diasumsikan bahwa gradien panas bumi menurun mulai dari kedalaman 20–30 km: pada kedalaman 100 km, perkiraan suhu sekitar 1300–1500°C, pada kedalaman 400 km - 1600°C, pada suhu bumi inti (kedalaman lebih dari 6000 km) - 4000–5000° C.
Pada kedalaman hingga 10–12 km, suhu diukur melalui sumur bor; jika tidak ada, hal itu ditentukan oleh tanda tidak langsung dengan cara yang sama seperti di kedalaman yang lebih dalam. Seperti tanda-tanda tidak langsung mungkin sifat aliran gelombang seismik atau suhu aliran lava.
Namun, untuk keperluan energi panas bumi, data suhu pada kedalaman lebih dari 10 km belum menjadi kepentingan praktis.
Ada banyak panas di kedalaman beberapa kilometer, tapi bagaimana cara menaikkannya? Terkadang alam sendiri memecahkan masalah ini bagi kita dengan bantuan pendingin alami - air panas panas yang muncul ke permukaan atau terletak pada kedalaman yang dapat kita akses. Dalam beberapa kasus, air di kedalaman dipanaskan hingga menjadi uap.
Tidak ada definisi tegas tentang konsep “air panas”. Biasanya yang dimaksud dengan air bawah tanah yang panas dalam keadaan cair atau berbentuk uap, termasuk yang muncul ke permukaan bumi dengan suhu di atas 20°C, yaitu biasanya lebih tinggi dari suhu udara. .
Panas air bawah tanah, uap, campuran uap-air merupakan energi hidrotermal. Oleh karena itu, energi berdasarkan penggunaannya disebut hidrotermal.
Situasinya lebih rumit dengan ekstraksi panas langsung dari batuan kering - energi petrotermal, terutama karena suhu yang cukup tinggi, biasanya, dimulai dari kedalaman beberapa kilometer.
Di wilayah Rusia, potensi energi petrotermal seratus kali lebih tinggi dibandingkan energi hidrotermal - masing-masing 3.500 dan 35 triliun ton bahan bakar standar. Hal ini sangat wajar - kehangatan dari kedalaman bumi tersedia di mana-mana, dan air panas dapat ditemukan secara lokal. Namun, karena kesulitan teknis yang jelas, pemanas dan listrik saat ini digunakan sebagian besar perairan panas.
Perairan dengan suhu 20–30 hingga 100°C cocok untuk pemanas, suhu 150°C ke atas cocok untuk menghasilkan listrik pada pembangkit listrik tenaga panas bumi.
Secara umum, sumber daya panas bumi di Rusia, dalam ton bahan bakar setara atau unit pengukuran energi lainnya, kira-kira 10 kali lebih tinggi daripada cadangan bahan bakar fosil.
Secara teoritis, hanya energi panas bumi yang dapat sepenuhnya memenuhi kebutuhan energi negara ini. Hampir menyala saat ini di sebagian besar wilayahnya hal ini tidak mungkin dilakukan karena alasan teknis dan ekonomi.
Di dunia, penggunaan energi panas bumi paling sering dikaitkan dengan Islandia, sebuah negara yang terletak di ujung utara Punggungan Atlantik Tengah, di zona tektonik dan vulkanik yang sangat aktif. Mungkin semua orang ingat letusan dahsyat gunung berapi Eyjafjallajökull ( Eyjafjallajökull) pada tahun 2010.
Berkat kekhususan geologi inilah Islandia memiliki cadangan energi panas bumi yang sangat besar, termasuk mata air panas yang muncul ke permukaan bumi bahkan menyembur dalam bentuk geyser.
Di Islandia, lebih dari 60% energi yang dikonsumsi saat ini berasal dari bumi. Sumber panas bumi menyediakan 90% pemanas dan 30% pembangkit listrik. Mari kita tambahkan bahwa sisa listrik di negara ini dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga air, yang juga menggunakan sumber energi terbarukan, membuat Islandia terlihat seperti standar lingkungan global.
Domestikasi energi panas bumi pada abad ke-20 sangat membantu Islandia secara ekonomis. Hingga pertengahan abad yang lalu, negara ini merupakan negara yang sangat miskin, kini menempati peringkat pertama di dunia dalam hal kapasitas terpasang dan produksi energi panas bumi per kapita dan masuk sepuluh besar dalam nilai absolut kapasitas terpasang pembangkit listrik tenaga panas bumi. . Namun, populasinya hanya 300 ribu orang, sehingga menyederhanakan tugas peralihan ke sumber energi ramah lingkungan: kebutuhannya umumnya kecil.
Selain Islandia, sebagian besar energi panas bumi dalam total keseimbangan produksi listrik disediakan di Selandia Baru dan negara-negara kepulauan Asia Tenggara(Filipina dan Indonesia), negara-negara Amerika Tengah dan Afrika Timur yang wilayahnya juga ditandai dengan aktivitas seismik dan vulkanik yang tinggi. Bagi negara-negara ini, dengan tingkat perkembangan dan kebutuhannya saat ini, energi panas bumi memberikan kontribusi yang signifikan terhadap pembangunan sosial-ekonomi.
Pemanfaatan energi panas bumi mempunyai sejarah yang sangat panjang. Salah satu contoh pertama yang diketahui adalah Italia, sebuah tempat di provinsi Tuscany, yang sekarang disebut Larderello, di mana pada awal abad ke-19 air panas lokal, yang mengalir secara alami atau diambil dari sumur dangkal, digunakan untuk keperluan energi.
Air dari mata air bawah tanah, kaya akan boron, digunakan di sini untuk memperoleh asam borat. Awalnya, asam ini diperoleh dengan cara penguapan dalam ketel besi, dan kayu biasa dari hutan terdekat diambil sebagai bahan bakar, tetapi pada tahun 1827 Francesco Larderel menciptakan sistem yang bekerja dengan panas dari air itu sendiri. Pada saat yang sama, energi uap air alami mulai digunakan untuk mengoperasikan rig pengeboran, dan pada awal abad ke-20 - untuk memanaskan rumah dan rumah kaca setempat. Di sana, di Larderello, pada tahun 1904, uap air panas menjadi sumber energi untuk menghasilkan listrik.
Contoh Italia diikuti oleh beberapa negara lain pada akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20. Misalnya, pada tahun 1892, air panas pertama kali digunakan untuk pemanasan lokal di Amerika Serikat (Boise, Idaho), pada tahun 1919 di Jepang, dan pada tahun 1928 di Islandia.
Di AS, pembangkit listrik tenaga hidrotermal pertama muncul di California pada awal tahun 1930-an, di Selandia Baru - pada tahun 1958, di Meksiko - pada tahun 1959, di Rusia (GeoPP biner pertama di dunia) - pada tahun 1965.
Prinsip lama pada sumber baru
Pembangkitan listrik memerlukan suhu sumber air yang lebih tinggi dibandingkan untuk pemanasan - lebih dari 150°C. Prinsip pengoperasian pembangkit listrik tenaga panas bumi (GeoPP) mirip dengan prinsip pengoperasian pembangkit listrik tenaga panas bumi (CHP) konvensional. Padahal, pembangkit listrik tenaga panas bumi merupakan salah satu jenis pembangkit listrik tenaga panas.
Pada pembangkit listrik tenaga panas, sumber energi utama biasanya berupa batu bara, gas atau bahan bakar minyak, dan fluida kerjanya adalah uap air. Bahan bakar, ketika dibakar, memanaskan air menjadi uap, yang memutar turbin uap, yang menghasilkan listrik.
Perbedaan GeoPP adalah sumber energi utama disini adalah panas interior bumi dan fluida kerja berupa uap disuplai ke bilah turbin generator listrik dalam bentuk “siap pakai” langsung dari sumur produksi. .
Ada tiga skema operasi utama untuk GeoPP: langsung, menggunakan uap kering (panas bumi); tidak langsung, berdasarkan air hidrotermal, dan campuran, atau biner.
Penggunaan skema tertentu tergantung pada keadaan agregasi dan suhu pembawa energi.
Skema paling sederhana dan pertama yang dikuasai adalah skema langsung, di mana uap yang berasal dari sumur dialirkan langsung melalui turbin. Pembangkit listrik geolistrik pertama di dunia di Larderello pada tahun 1904 juga beroperasi dengan tenaga uap kering.
GeoPP dengan skema operasi tidak langsung adalah yang paling umum saat ini. Mereka menggunakan air panas bawah tanah, yang dipompa dengan tekanan tinggi ke dalam evaporator, di mana sebagiannya diuapkan, dan uap yang dihasilkan memutar turbin. Dalam beberapa kasus, perangkat dan sirkuit tambahan diperlukan untuk memurnikan air panas bumi dan uap dari senyawa agresif.
Uap buangan masuk ke sumur injeksi atau digunakan untuk memanaskan ruangan - dalam hal ini prinsipnya sama seperti saat mengoperasikan pembangkit listrik termal.
Dalam GeoPP biner, air panas panas berinteraksi dengan cairan lain yang menjalankan fungsi fluida kerja dengan titik didih lebih rendah. Kedua fluida dilewatkan melalui penukar panas, di mana air panas menguapkan fluida kerja, yang uapnya memutar turbin.
 Prinsip operasi GeoPP biner. Air panas panas berinteraksi dengan cairan lain yang menjalankan fungsi fluida kerja dan memiliki titik didih lebih rendah. Kedua fluida dilewatkan melalui penukar panas, di mana air panas menguapkan fluida kerja, yang uapnya kemudian memutar turbin. |
Sistem ini bersifat tertutup, yang memecahkan masalah emisi ke atmosfer. Selain itu, fluida kerja dengan titik didih yang relatif rendah memungkinkan penggunaan air panas yang tidak terlalu panas sebagai sumber energi utama.
Secara keseluruhan tiga skema Sumber hidrotermal dieksploitasi, namun energi petrotermal juga dapat digunakan untuk menghasilkan listrik.
Diagram rangkaian dalam hal ini juga cukup sederhana. Penting untuk mengebor dua sumur yang saling berhubungan - injeksi dan produksi. Air dipompa ke dalam sumur injeksi. Di kedalaman dipanaskan, kemudian air atau uap panas yang terbentuk akibat pemanasan kuat disuplai ke permukaan melalui sumur produksi. Kemudian semuanya tergantung pada bagaimana energi petrotermal digunakan - untuk pemanasan atau untuk menghasilkan listrik. Siklus tertutup dimungkinkan dengan memompa limbah uap dan air kembali ke sumur injeksi atau metode pembuangan lainnya.
 Skema pengoperasian sistem petrotermal. Sistem ini didasarkan pada penggunaan gradien suhu antara permukaan bumi dan bagian dalamnya, yang suhunya lebih tinggi. Air dari permukaan dipompa ke dalam sumur injeksi dan dipanaskan di kedalaman, kemudian air panas atau uap yang dihasilkan dari pemanasan dialirkan ke permukaan melalui sumur produksi. |
Kerugian dari sistem seperti itu jelas: untuk mendapatkan suhu fluida kerja yang cukup tinggi, perlu dilakukan pengeboran sumur di kedalaman yang lebih besar. Dan ini adalah biaya yang serius dan risiko kehilangan panas yang signifikan ketika cairan bergerak ke atas. Oleh karena itu, sistem petrotermal masih kurang tersebar luas dibandingkan sistem hidrotermal, meskipun potensi energi petrotermal jauh lebih tinggi.
Saat ini, pemimpin dalam penciptaan sistem sirkulasi petrotermal (PCS) adalah Australia. Selain itu, bidang energi panas bumi ini aktif berkembang di Amerika Serikat, Swiss, Inggris Raya, dan Jepang.
Hadiah dari Lord Kelvin
Penemuan pompa kalor pada tahun 1852 oleh fisikawan William Thompson (alias Lord Kelvin) memberi umat manusia peluang nyata untuk menggunakan panas tingkat rendah dari lapisan atas tanah. Sistem pompa kalor, atau pengganda panas sebagaimana Thompson menyebutnya, didasarkan pada proses fisik perpindahan panas dari lingkungan ke zat pendingin. Pada dasarnya, sistem ini menggunakan prinsip yang sama dengan sistem petrotermal. Perbedaannya terletak pada sumber panasnya, yang mungkin menimbulkan pertanyaan terminologis: sejauh mana pompa kalor dapat dianggap sebagai sistem panas bumi? Intinya adalah di lapisan atas, hingga kedalaman puluhan hingga ratusan meter, batuan dan cairan yang dikandungnya dipanaskan bukan oleh panas bumi, melainkan oleh matahari. Jadi, mataharilah yang masuk pada kasus ini- sumber panas utama, meskipun diambil, seperti dalam sistem panas bumi, dari tanah.
Pengoperasian pompa kalor didasarkan pada keterlambatan pemanasan dan pendinginan tanah dibandingkan dengan atmosfer, yang mengakibatkan terbentuknya gradien suhu antara permukaan dan lapisan yang lebih dalam, yang menahan panas bahkan di musim dingin, seperti yang terjadi di waduk. Tujuan utama pompa kalor adalah pemanas ruangan. Intinya, ini adalah “kulkas terbalik”. Baik pompa kalor dan lemari es berinteraksi dengan tiga komponen: lingkungan internal(dalam kasus pertama - ruangan berpemanas, yang kedua - kompartemen lemari es yang didinginkan), lingkungan eksternal - sumber energi dan zat pendingin (pendingin), yang juga merupakan cairan pendingin yang memastikan perpindahan panas atau dingin .
Suatu zat dengan titik didih rendah bertindak sebagai zat pendingin, yang memungkinkannya mengambil panas dari sumber yang suhunya relatif rendah sekalipun.
Di dalam lemari es, refrigeran cair dialirkan melalui throttle (pengatur tekanan) menuju evaporator, dimana akibat penurunan tekanan yang tajam maka cairan tersebut menguap. Penguapan merupakan proses endotermik yang memerlukan penyerapan panas dari luar. Akibatnya, panas dikeluarkan dari dinding bagian dalam evaporator, yang memberikan efek pendinginan pada ruang lemari es. Selanjutnya, zat pendingin dialirkan dari evaporator ke kompresor, lalu dikembalikan ke keadaan cair. Ini adalah proses sebaliknya yang menyebabkan pelepasan panas yang dibuang ke lingkungan luar. Biasanya dibuang ke dalam ruangan, dan dinding belakang lemari es relatif hangat.
Pompa kalor bekerja dengan cara yang hampir sama, bedanya panas diambil dari lingkungan luar dan melalui evaporator masuk ke lingkungan internal - sistem pemanas ruangan.
Dalam pompa kalor nyata, air dipanaskan dengan melewati sirkuit eksternal yang ditempatkan di tanah atau reservoir, dan kemudian masuk ke evaporator.
Di dalam evaporator, panas dipindahkan ke sirkuit internal yang diisi dengan zat pendingin dengan titik didih rendah, yang melewati evaporator, mengalir dari keadaan cair menjadi gas, menghilangkan panas.
Selanjutnya, refrigeran berbentuk gas memasuki kompresor, di mana ia dikompresi hingga tekanan dan suhu tinggi, dan memasuki kondensor, di mana terjadi pertukaran panas antara gas panas dan cairan pendingin dari sistem pemanas.
Kompresor memerlukan listrik untuk beroperasi, namun rasio transformasi (rasio energi yang dikonsumsi terhadap energi yang dihasilkan) dalam sistem modern cukup tinggi untuk menjamin efisiensinya.
Saat ini, pompa kalor cukup banyak digunakan untuk pemanas ruangan, terutama di negara-negara maju secara ekonomi.
Energi yang ramah lingkungan
Energi panas bumi dianggap ramah lingkungan, dan hal ini secara umum memang benar adanya. Pertama-tama, ia menggunakan sumber daya terbarukan dan hampir tidak ada habisnya. Energi panas bumi tidak memerlukan wilayah yang luas, tidak seperti pembangkit listrik tenaga air besar atau ladang angin, dan tidak mencemari atmosfer, tidak seperti energi hidrokarbon. Rata-rata, GeoPP menempati 400 m 2 dalam kaitannya dengan 1 GW listrik yang dihasilkan. Angka yang sama untuk pembangkit listrik tenaga panas berbahan bakar batubara, misalnya, adalah 3600 m2. KE manfaat lingkungan GeoPP juga memiliki konsumsi air yang rendah - 20 liter air tawar per 1 kW, sedangkan pembangkit listrik tenaga panas dan pembangkit listrik tenaga nuklir membutuhkan sekitar 1000 liter. Perhatikan bahwa ini adalah indikator lingkungan dari GeoPP “rata-rata”.
Namun masih ada efek samping negatifnya. Diantaranya, kebisingan, polusi termal di atmosfer dan polusi kimiawi air dan tanah, serta pembentukan limbah padat, paling sering diidentifikasi.
Sumber utama polusi kimia lingkungan - air panas itu sendiri (dengan suhu dan mineralisasi tinggi), seringkali mengandung senyawa beracun dalam jumlah besar, dan oleh karena itu terdapat masalah pembuangan air limbah dan zat berbahaya.
Dampak negatif energi panas bumi dapat ditelusuri dalam beberapa tahap, dimulai dari pengeboran sumur. Bahaya yang sama muncul di sini seperti ketika mengebor sumur apa pun: rusaknya tanah dan tutupan vegetasi, pencemaran tanah dan air tanah.
Permasalahan polusi pada tahap pengoperasian GeoPP lingkungan disimpan. Cairan termal - air dan uap - biasanya mengandung karbon dioksida (CO 2), sulfur sulfida (H 2 S), amonia (NH 3), metana (CH 4), garam meja (NaCl), boron (B), arsenik (As ), merkuri (Hg). Ketika dilepaskan ke lingkungan luar, mereka menjadi sumber polusi. Selain itu, lingkungan kimia yang agresif dapat menyebabkan kerusakan korosif pada struktur pembangkit listrik tenaga panas bumi.
Pada saat yang sama, emisi polutan dari GeoPP rata-rata lebih rendah dibandingkan dari pembangkit listrik tenaga panas. Misalnya saja emisi karbon dioksida untuk setiap kilowatt-jam listrik yang dihasilkan mencapai hingga 380 g di GeoPP, 1042 g di pembangkit listrik tenaga panas berbahan bakar batubara, 906 g di pembangkit listrik berbahan bakar minyak, dan 453 g di pembangkit listrik tenaga panas berbahan bakar gas.
Timbul pertanyaan: apa yang harus dilakukan dengan air limbah? Jika mineralisasinya rendah, maka dapat dibuang ke perairan permukaan setelah pendinginan. Cara lain adalah dengan memompanya kembali ke akuifer melalui sumur injeksi, yang lebih disukai dan banyak digunakan saat ini.
Ekstraksi air panas dari akuifer (serta pemompaan air biasa) dapat menyebabkan penurunan permukaan tanah dan pergerakan tanah, deformasi lapisan geologi lainnya, dan gempa bumi mikro. Kemungkinan terjadinya fenomena seperti itu biasanya rendah, meskipun kasus-kasus terisolasi telah tercatat (misalnya, di GeoPP di Staufen im Breisgau di Jerman).
Perlu ditekankan bahwa sebagian besar GeoPP berlokasi di wilayah yang relatif jarang penduduknya dan di negara-negara dunia ketiga, yang persyaratan lingkungannya tidak seketat di negara-negara maju. Selain itu, saat ini jumlah GeoPP dan kapasitasnya masih relatif sedikit. Dengan pengembangan energi panas bumi dalam skala yang lebih besar, risiko lingkungan dapat meningkat dan berlipat ganda.
Berapa energi bumi?
Biaya investasi untuk pembangunan sistem panas bumi sangat bervariasi jangkauan luas- dari 200 hingga 5.000 dolar per 1 kW kapasitas terpasang, yaitu opsi termurah yang sebanding dengan biaya pembangunan pembangkit listrik tenaga panas. Pertama-tama, mereka bergantung pada kondisi terjadinya air panas, komposisinya, dan desain sistem. Pengeboran sangat dalam, pembuatan sistem tertutup dengan dua sumur, dan kebutuhan untuk menjernihkan air dapat meningkatkan biaya berkali-kali lipat.
Misalnya, investasi dalam pembuatan sistem sirkulasi petrotermal (PCS) diperkirakan mencapai 1,6–4 ribu dolar per 1 kW kapasitas terpasang, yang melebihi biaya pembangunan pembangkit listrik tenaga nuklir dan sebanding dengan biaya pembangunan pembangkit listrik tenaga angin dan pembangkit listrik tenaga angin. pembangkit listrik tenaga surya.
Keuntungan ekonomi yang nyata dari GeoTES adalah energi bebas. Sebagai perbandingan, dalam struktur biaya pembangkit listrik termal atau pembangkit listrik tenaga nuklir yang beroperasi, jumlah bahan bakar mencapai 50–80% atau bahkan lebih, bergantung pada harga energi saat ini. Oleh karena itu, keuntungan lain dari sistem panas bumi: biaya operasional lebih stabil dan dapat diprediksi, karena tidak bergantung pada kondisi harga energi eksternal. Secara umum, biaya pengoperasian pembangkit listrik tenaga panas bumi diperkirakan mencapai 2–10 sen (60 kopeck–3 rubel) per 1 kWh listrik yang dihasilkan.
Item pengeluaran terbesar kedua setelah energi (dan sangat signifikan), pada umumnya, adalah gaji personel pabrik, yang dapat sangat bervariasi antar negara dan wilayah.
Rata-rata, biaya 1 kWh energi panas bumi sebanding dengan biaya pembangkit listrik tenaga panas (dalam kondisi Rusia - sekitar 1 rubel/1 kWh) dan sepuluh kali lebih tinggi daripada biaya pembangkitan listrik di pembangkit listrik tenaga air (5–10 kopek/1 kWh ).
Salah satu alasan tingginya biaya ini adalah, tidak seperti pembangkit listrik termal dan hidrolik, pembangkit listrik tenaga panas bumi memiliki kapasitas yang relatif kecil. Selain itu, perlu untuk membandingkan sistem yang terletak di wilayah yang sama dan dalam kondisi yang serupa. Misalnya, di Kamchatka, menurut para ahli, biaya listrik panas bumi sebesar 1 kWh 2–3 kali lebih murah dibandingkan listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga panas setempat.
Indikator efisiensi ekonomi Pengoperasian sistem panas bumi bergantung, misalnya, pada apakah air limbah perlu dibuang dan bagaimana cara membuangnya, serta apakah pemanfaatan sumber daya secara gabungan dapat dilakukan. Jadi, unsur kimia dan senyawa yang diekstrak dari air panas dapat memberikan penghasilan tambahan. Mari kita ingat contoh Larderello: produksi bahan kimia merupakan hal utama di sana, dan penggunaan energi panas bumi pada awalnya bersifat tambahan.
Energi panas bumi ke depan
Energi panas bumi berkembang agak berbeda dibandingkan energi angin dan matahari. Saat ini, konsentrasi tersebut sangat bergantung pada sifat sumber daya itu sendiri, yang sangat bervariasi menurut wilayah, dan konsentrasi tertinggi dikaitkan dengan zona sempit anomali panas bumi, biasanya terkait dengan area patahan tektonik dan vulkanisme.
Di samping itu, energi panas bumi kurang intensif secara teknologi dibandingkan dengan energi angin dan terlebih lagi energi matahari: sistem stasiun panas bumi cukup sederhana.
DI DALAM struktur umum Komponen panas bumi menyumbang kurang dari 1% produksi listrik global, namun di beberapa kawasan dan negara pangsanya mencapai 25–30%. Karena kaitannya dengan kondisi geologi, sebagian besar kapasitas energi panas bumi terkonsentrasi di negara-negara dunia ketiga, dimana tiga kelompok dibedakan perkembangan terbesar industri - pulau-pulau di Asia Tenggara, Amerika Tengah dan Afrika Timur. Dua wilayah pertama termasuk dalam “sabuk api Bumi” Pasifik, wilayah ketiga terikat dengan Celah Afrika Timur. Kemungkinan besar energi panas bumi akan terus berkembang di sabuk ini. Prospek yang lebih jauh adalah pengembangan energi petrotermal yang memanfaatkan panas lapisan bumi yang terletak di kedalaman beberapa kilometer. Ini adalah sumber daya yang hampir ada di mana-mana, namun ekstraksinya memerlukan biaya tinggi, sehingga energi petrotermal berkembang terutama di negara-negara yang paling kuat secara ekonomi dan teknologi.
Secara umum, mengingat tersebar luasnya sumber daya panas bumi dan tingkat keamanan lingkungan yang dapat diterima, terdapat alasan untuk meyakini bahwa energi panas bumi memiliki prospek pengembangan yang baik. Terutama dengan meningkatnya ancaman kekurangan sumber daya energi tradisional dan kenaikan harga sumber daya tersebut.
Dari Kamchatka hingga Kaukasus
Di Rusia, pengembangan energi panas bumi memiliki sejarah yang cukup panjang, dan dalam beberapa posisi kami termasuk pemimpin dunia, meskipun dalam neraca energi keseluruhan negara besar tersebut, porsi energi panas bumi masih dapat diabaikan.
Dua wilayah menjadi pionir dan pusat pengembangan energi panas bumi di Rusia - Kamchatka dan Kaukasus Utara, dan jika dalam kasus pertama kita berbicara terutama tentang tenaga listrik, maka dalam kasus kedua - tentang penggunaan energi panas dari air panas.
Di Kaukasus Utara - masuk wilayah Krasnodar, Chechnya, Dagestan - panas air panas digunakan untuk tujuan energi bahkan sebelum zaman Agung Perang Patriotik. Pada tahun 1980-1990an, pengembangan energi panas bumi di wilayah tersebut, karena alasan yang jelas, terhenti dan belum keluar dari stagnasi. Namun demikian, pasokan air panas bumi di Kaukasus Utara menyediakan panas bagi sekitar 500 ribu orang, dan, misalnya, kota Labinsk di Wilayah Krasnodar dengan populasi 60 ribu orang sepenuhnya dipanaskan oleh air panas bumi.
Di Kamchatka, sejarah energi panas bumi terutama terkait dengan pembangunan GeoPP. Yang pertama, stasiun Pauzhetskaya dan Paratunka yang masih beroperasi, dibangun pada tahun 1965–1967, sedangkan GeoPP Paratunka berkapasitas 600 kW menjadi stasiun pertama di dunia dengan siklus biner. Ini adalah pengembangan ilmuwan Soviet S.S. Kutateladze dan A.M. Rosenfeld dari Institut Termofisika SB RAS, yang pada tahun 1965 menerima sertifikat penulis untuk ekstraksi listrik dari air dengan suhu 70°C. Teknologi ini kemudian menjadi prototipe lebih dari 400 GeoPP biner di dunia.
Kapasitas GeoPP Pauzhetskaya, yang ditugaskan pada tahun 1966, awalnya sebesar 5 MW dan kemudian ditingkatkan menjadi 12 MW. Saat ini, unit biner sedang dibangun di stasiun tersebut, yang akan meningkatkan kapasitasnya sebesar 2,5 MW lagi.
Pengembangan energi panas bumi di Uni Soviet dan Rusia terhambat oleh ketersediaan sumber energi tradisional - minyak, gas, batu bara, namun tidak pernah berhenti. Fasilitas energi panas bumi terbesar saat ini adalah GeoPP Verkhne-Mutnovskaya dengan total kapasitas unit pembangkit 12 MW, ditugaskan pada tahun 1999, dan GeoPP Mutnovskaya dengan kapasitas 50 MW (2002).
GeoPP Mutnovskaya dan Verkhne-Mutnovskaya adalah objek unik tidak hanya untuk Rusia, tetapi juga dalam skala global. Stasiun-stasiun tersebut terletak di kaki gunung berapi Mutnovsky, pada ketinggian 800 meter di atas permukaan laut, dan beroperasi dalam kondisi iklim ekstrem, di mana terdapat musim dingin selama 9-10 bulan dalam setahun. Peralatan GeoPP Mutnovsky, yang saat ini merupakan salah satu yang paling modern di dunia, seluruhnya dibuat di perusahaan teknik tenaga dalam negeri.
Saat ini, pangsa stasiun Mutnovsky dalam keseluruhan struktur konsumsi energi pusat energi Kamchatka Tengah adalah 40%. Ada rencana untuk meningkatkan kapasitas di tahun-tahun mendatang.
Perhatian khusus harus diberikan pada pengembangan petrotermal Rusia. Kami belum memiliki pusat pengeboran yang besar, namun kami memiliki teknologi canggih untuk pengeboran hingga kedalaman yang sangat dalam (sekitar 10 km), yang juga tidak memiliki analog di dunia. Milik mereka pengembangan lebih lanjut akan secara radikal mengurangi biaya pembuatan sistem petrotermal. Pengembang teknologi dan proyek ini adalah N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Institut Geologi Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia), A. S. Nekrasov (Institut Peramalan Ekonomi Nasional Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia) dan spesialis dari Pabrik Turbin Kaluga. Saat ini, proyek sistem sirkulasi petrotermal di Rusia sedang dalam tahap percobaan.
Energi panas bumi memiliki prospek di Rusia, meskipun prospeknya relatif jauh: saat ini potensinya cukup besar dan posisi energi tradisional kuat. Pada saat yang sama, di sejumlah daerah terpencil di tanah air, penggunaan energi panas bumi menguntungkan secara ekonomi dan sudah diminati. Ini adalah wilayah dengan potensi geoenergi yang tinggi (Chukotka, Kamchatka, Kepulauan Kuril - bagian Rusia dari “Sabuk Api Bumi” Pasifik, pegunungan Siberia Selatan dan Kaukasus) dan pada saat yang sama terpencil dan terputus dari dunia. pasokan energi terpusat.
Mungkin dalam beberapa dekade mendatang, energi panas bumi di negara kita justru akan berkembang di kawasan seperti itu.
Kirill Degtyarev,
Peneliti, Universitas Negeri Moskow M.V.Lomonosova
“Ilmu Pengetahuan dan Kehidupan” No. 9, No. 10 Tahun 2013
Sumber utama energi panas bumi adalah [, ]:
Sampai saat ini, hanya empat sumber pertama yang telah dihitung. Di negara kita, penghargaan utama untuk hal ini diberikan kepada OG. Sorokhtin Dan S.A. Ushakov. Data di bawah ini sebagian besar didasarkan pada perhitungan para ilmuwan tersebut.
Panasnya diferensiasi gravitasi bumi
Satu dari pola yang paling penting Perkembangan bumi adalah diferensiasi substansinya, yang berlanjut hingga saat ini. Karena diferensiasi ini, terjadilah pembentukan inti dan kerak, perubahan komposisi primer mantel, sambil membagi zat yang awalnya homogen menjadi pecahan berbagai kepadatan disertai keluarnya cairan energi termal, dan pelepasan panas maksimum terjadi selama pemisahan masalah duniawi pada inti padat dan berat dan sisa lebih ringan cangkang silikat - mantel bumi. Saat ini, sebagian besar panas dilepaskan di perbatasan mantel - inti.
Energi diferensiasi gravitasi bumi selama seluruh periode keberadaannya, itu menonjol - 1,46*10 38 erg (1,46*10 31 J). Energi ini untuk sebagian besar pertama kali masuk ke energi kinetik arus konvektif materi mantel, dan kemudian masuk hangat; bagian lainnya dihabiskan untuk tambahan kompresi interior bumi, timbul karena konsentrasi fase padat di bagian tengah bumi. Dari 1,46*10 38 misalnya energi diferensiasi gravitasi bumi digunakan untuk kompresi tambahan 0,23*10 38 misalnya (0,23*10 31J), dan dilepaskan dalam bentuk panas 1,23*10 38 misalnya (1,23*10 31J). Besarnya komponen termal ini secara signifikan melebihi total pelepasan semua jenis energi lainnya di Bumi. Distribusi waktu dari nilai total dan laju pelepasan komponen termal energi gravitasi ditunjukkan pada Gambar. 3.6 .
Beras. 3.6.
Tingkat modern pembangkitan panas selama diferensiasi gravitasi bumi - 3*10 20 erg/dtk (3*10 13W), yang bergantung pada besarnya aliran panas modern yang melewati permukaan planet di ( 4.2-4.3)*10 20 erg/dtk ((4.2-4.3)*10 13 W), adalah ~ 70%
.
Panas radiogenik
Disebabkan oleh peluruhan radioaktif yang tidak stabil isotop. Yang paling boros energi dan berumur panjang ( dengan waktu paruh, sepadan dengan umur bumi) adalah isotop 238 kamu, 235 kamu, 232 Th Dan 40 K. Volume utama mereka terkonsentrasi di kerak benua . Tingkat generasi saat ini panas radiogenik:
- oleh ahli geofisika Amerika V.Vaquier - 1,14*10 20 erg/dtk (1,14*10 13W) ,
- oleh ahli geofisika Rusia OG. Sorokhtin Dan S.A. Ushakov - 1,26*10 20 erg/dtk(1,26*10 13W) .
Ini adalah ~ 27-30% dari aliran panas saat ini.
Dari total panas peluruhan radioaktif di 1,26*10 20 erg/dtk (1,26*10 13W) menonjol di kerak bumi - 0,91*10 20 erg/dtk, dan di dalam mantel - 0,35*10 20 erg/dtk. Oleh karena itu, pangsa panas radiogenik mantel tidak melebihi 10% dari total kehilangan panas bumi saat ini, dan tidak dapat menjadi sumber energi utama untuk proses tektono-magmatik aktif, yang kedalamannya dapat mencapai 2.900 km; dan panas radiogenik yang dilepaskan di kerak bumi relatif cepat hilang melalui permukaan bumi dan praktis tidak ikut memanaskan bagian dalam planet.
Pada zaman geologis yang lalu, jumlah panas radiogenik yang dilepaskan di dalam mantel pasti lebih tinggi. Perkiraannya pada saat terbentuknya Bumi ( 4,6 miliar tahun yang lalu) memberi - 6,95*10 20 erg/dtk. Sejak saat ini, telah terjadi penurunan yang stabil dalam laju pelepasan energi radiogenik (Gbr. 2). 3.7 ).
Sepanjang waktu di Bumi, ia telah dilepaskan ~4.27*10 37 misalnya(4,27*10 30J) energi panas peluruhan radioaktif, yang hampir tiga kali lebih rendah dari total panas diferensiasi gravitasi.
Panas Gesekan Pasang Surut
Itu menonjol selama interaksi gravitasi Bumi, terutama dengan Bulan, sebagai yang terbesar terdekat tubuh kosmik. Karena tarik-menarik gravitasi timbal balik, deformasi pasang surut terjadi di tubuh mereka - pembengkakan atau punuk. Pasang surut planet-planet, dengan daya tarik tambahannya, mempengaruhi pergerakannya. Dengan demikian, daya tarik kedua pasang surut Bumi menciptakan sepasang gaya yang bekerja baik di Bumi itu sendiri maupun di Bulan. Namun, pengaruh pembengkakan dekat yang menghadap Bulan agak lebih kuat dibandingkan dengan pembengkakan jauh. Karena kecepatan sudut rotasi Bumi modern (7,27*10 -5 dtk -1) melebihi kecepatan orbit Bulan ( 2,66*10 -6 dtk -1), dan substansi planet-planet tidak idealnya elastis, maka pasang surut bumi tampaknya terbawa oleh rotasi ke depan dan secara nyata memajukan pergerakan Bulan. Hal ini mengarah pada fakta bahwa pasang surut maksimum bumi selalu terjadi di permukaannya lebih lambat dari saat ini klimaks Bulan, dan momen gaya tambahan bekerja pada Bumi dan Bulan (Gbr. 2). 3.8 ) .
Nilai absolut gaya interaksi pasang surut dalam sistem Bumi-Bulan kini relatif kecil dan deformasi pasang surut litosfer yang diakibatkannya hanya dapat mencapai beberapa puluh sentimeter, namun menyebabkan perlambatan bertahap pada rotasi bumi. dan sebaliknya, percepatan pergerakan orbit Bulan dan jaraknya dari Bumi. Energi kinetik pergerakan punuk pasang surut bumi berubah menjadi energi panas akibat adanya gesekan internal zat pada punuk pasang surut.
Saat ini, laju pelepasan energi pasang surut adalah G.MacDonald sebanyak ~0,25*10 20 erg/dtk (0,25*10 13W), sedangkan bagian utamanya (sekitar 2/3) mungkin menghilang(menghilang) di hidrosfer. Akibatnya, sebagian kecil energi pasang surut yang disebabkan oleh interaksi Bumi dengan Bulan dan hilang masuk bumi padat(terutama di astenosfer), tidak melebihi 2 %
total energi panas yang dihasilkan di kedalamannya; dan porsi pasang surut matahari tidak melebihi 20 %
dari pengaruh pasang surut bulan. Oleh karena itu, pasang surut saat ini hampir tidak berperan dalam memberi energi pada proses tektonik, namun dalam beberapa kasus, pasang surut dapat bertindak sebagai “pemicu”, misalnya gempa bumi.
Besarnya energi pasang surut berhubungan langsung dengan jarak antar benda luar angkasa. Dan jika jarak antara Bumi dan Matahari tidak menunjukkan adanya perubahan signifikan dalam skala waktu geologis, maka dalam sistem Bumi-Bulan parameter ini merupakan nilai variabel. Terlepas dari gagasannya, hampir semua peneliti mengakui hal itu tahap awal perkembangan Bumi, jarak ke Bulan jauh lebih kecil daripada jarak modern, tetapi dalam proses perkembangan planet, menurut sebagian besar ilmuwan, jarak tersebut secara bertahap meningkat, dan menurut Yu.N. Avsyuku jarak ini mengalami perubahan jangka panjang dalam bentuk siklus "datang dan pergi" Bulan. Oleh karena itu, pada zaman geologis masa lalu, peran panas pasang surut secara umum berperan keseimbangan panas Tanah itu lebih penting. Secara umum, sepanjang periode perkembangan bumi, bumi mengalami evolusi ~3,3*10 37 misalnya (3,3*10 30J) energi panas pasang surut (ini tergantung pada jarak Bulan dari Bumi secara bertahap). Perubahan laju pelepasan panas ini dari waktu ke waktu ditunjukkan pada Gambar. 3.10 .
Lebih dari separuh total energi pasang surut dilepaskan catarchaea (kotoran)) - 4,6-4,0 miliar tahun yang lalu, dan pada saat itu, hanya berkat energi inilah bumi dapat memanas hingga ~500 0 C. Mulai dari akhir Arkean, pasang surut air laut di bulan hanya memberikan dampak yang dapat diabaikan terhadap perkembangan bumi. energi intensif proses endogen
.
Akresi panas
Ini adalah panas yang ditahan bumi sejak pembentukannya. Sedang berlangsung pertambahan, yang berlangsung selama beberapa puluh juta tahun, akibat tabrakan tersebut planetesimal Bumi mengalami pemanasan yang signifikan. Namun, belum ada konsensus mengenai besarnya pemanasan ini. Saat ini, para peneliti cenderung percaya bahwa selama proses akresi, Bumi mengalami, jika tidak seluruhnya, pencairan sebagian yang signifikan, yang menyebabkan diferensiasi awal Proto-Bumi menjadi inti besi berat dan mantel silikat ringan, dan ke formasi "lautan magma" di permukaannya atau pada kedalaman yang dangkal. Meskipun bahkan sebelum tahun 1990-an, model Bumi primer yang relatif dingin, yang secara bertahap memanas karena proses di atas, disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi panas, dianggap diterima secara universal.
Penilaian akurat terhadap panas akresi primer dan fraksinya yang bertahan hingga saat ini penuh dengan kesulitan yang signifikan. Oleh OG. Sorokhtin Dan S.A. Ushakov, yang merupakan pendukung bumi primer yang relatif dingin, jumlah energi akresi yang diubah menjadi panas adalah - 20.13*10 38 misalnya (20,13*10 31J). Energi ini, jika tidak ada kehilangan panas, akan cukup untuk itu penguapan sempurna masalah duniawi, karena suhu bisa naik menjadi 30.000 0. Namun proses akresinya relatif lama, dan energi tumbukan planetesimal hanya dilepaskan di lapisan dekat permukaan Bumi yang sedang tumbuh dan dengan cepat hilang bersama radiasi termal, sehingga pemanasan awal planet ini tidak terlalu besar. Besarnya radiasi termal ini, yang terjadi bersamaan dengan pembentukan (akresi) Bumi, diperkirakan oleh para penulis sebesar 19,4*10 38 misalnya (19,4*10 31J)
.
Dalam keseimbangan energi bumi saat ini, akresi panas kemungkinan besar hanya memainkan peran kecil.
Bagi Rusia, energi panas bumi dapat menjadi sumber listrik dan panas yang murah dan terjangkau secara konstan dan dapat diandalkan dengan menggunakan teknologi baru yang tinggi dan ramah lingkungan untuk ekstraksi dan pasokannya ke konsumen. Hal ini terutama berlaku saat ini
Keterbatasan sumber bahan baku energi fosil
Permintaan bahan baku energi organik sangat besar di negara-negara industri dan negara berkembang(AS, Jepang, negara-negara Eropa bersatu, Cina, India, dll.). Pada saat yang sama, sumber daya hidrokarbon yang dimiliki negara-negara tersebut tidak mencukupi atau hanya cadangan, dan suatu negara, misalnya Amerika Serikat, membeli bahan mentah energi di luar negeri atau mengembangkan simpanan di negara lain.
Di Rusia, salah satu negara terkaya dalam hal sumber daya energi, kebutuhan ekonomi akan energi sejauh ini dipenuhi oleh kemungkinan penggunaan sumber daya alam. Namun, ekstraksi fosil hidrokarbon dari lapisan tanah bawah terjadi dengan sangat cepat. Jika pada tahun 1940–1960an. daerah penghasil minyak utama adalah “Baku Kedua” di wilayah Volga dan Ural, kemudian dari tahun 1970-an hingga saat ini daerah tersebut telah Siberia Barat. Namun di sini juga terjadi penurunan produksi fosil hidrokarbon yang signifikan. Era gas Cenomanian yang “kering” kini sudah berlalu. Tahap sebelumnya dari pengembangan pertambangan ekstensif gas alam telah berakhir. Pemulihannya dari simpanan raksasa seperti Medvezhye, Urengoyskoe dan Yamburgskoe masing-masing sebesar 84, 65 dan 50%. Porsi cadangan minyak yang bermanfaat untuk pengembangan juga semakin berkurang seiring berjalannya waktu.
Karena konsumsi aktif bahan bakar hidrokarbon, cadangan minyak dan gas alam di darat telah berkurang secara signifikan. Sekarang cadangan utama mereka terkonsentrasi di landas kontinen. Meskipun bahan baku industri minyak dan gas masih mencukupi untuk produksi minyak dan gas di Rusia dalam jumlah yang dibutuhkan, dalam waktu dekat bahan baku tersebut akan semakin tersedia melalui pengembangan ladang-ladang dengan kondisi pertambangan dan geologi yang sulit. Biaya produksi hidrokarbon akan meningkat.
Sebagian besar diekstraksi dari lapisan tanah bawah sumber daya yang tidak terbarukan digunakan sebagai bahan bakar untuk pembangkit listrik. Pertama-tama, ini adalah , yang bagiannya dalam struktur bahan bakar adalah 64%.
Di Rusia, 70% listrik dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga panas. Perusahaan energi negara ini membakar sekitar 500 juta ton batu bara setiap tahunnya. t. untuk menghasilkan listrik dan panas, sedangkan produksi panas mengkonsumsi bahan bakar hidrokarbon 3-4 kali lebih banyak daripada pembangkitan listrik.
Jumlah panas yang diperoleh dari pembakaran bahan baku hidrokarbon bervolume tersebut setara dengan penggunaan ratusan ton bahan bakar nuklir– perbedaannya sangat besar. Namun, energi nuklir memerlukan jaminan keselamatan lingkungan (untuk mencegah terulangnya peristiwa Chernobyl) dan perlindungannya dari kemungkinan tindakan teroris, serta penonaktifan unit pembangkit listrik tenaga nuklir yang sudah usang dan kadaluwarsa secara aman dan mahal. Cadangan uranium yang terbukti dapat diperoleh di dunia adalah sekitar 3 juta 400 ribu ton. Selama seluruh periode sebelumnya (hingga 2007), sekitar 2 juta ton telah ditambang.
RES sebagai masa depan energi global
Dibesarkan di dekade terakhir Di dunia, ketertarikan terhadap sumber energi alternatif terbarukan (RES) tidak hanya disebabkan oleh semakin menipisnya cadangan bahan bakar hidrokarbon, namun juga oleh adanya kebutuhan untuk mengatasi permasalahan lingkungan. Faktor obyektif(cadangan bahan bakar fosil dan uranium, serta perubahan lingkungan yang terkait dengan penggunaan api tradisional dan energi nuklir) dan tren perkembangan energi menunjukkan bahwa transisi ke metode dan bentuk produksi energi baru tidak dapat dihindari. Sudah di paruh pertama abad ke-21. Akan terjadi transisi menyeluruh atau hampir menyeluruh ke sumber energi non-tradisional.
Semakin cepat suatu terobosan dilakukan ke arah ini, maka akan semakin tidak merugikan seluruh masyarakat dan akan semakin bermanfaat bagi negara dimana langkah-langkah tegas akan diambil ke arah ini.
Perekonomian dunia kini telah menetapkan arah transisi menuju kombinasi rasional antara sumber energi tradisional dan baru. Konsumsi energi dunia pada tahun 2000 berjumlah lebih dari 18 miliar tce. t., dan konsumsi energi pada tahun 2025 dapat meningkat menjadi 30–38 miliar tce. t., menurut perkiraan, pada tahun 2050 konsumsi pada tingkat 60 miliar tce mungkin terjadi. t. Tren karakteristik dalam perkembangan perekonomian dunia pada periode yang ditinjau adalah penurunan sistematis dalam konsumsi bahan bakar fosil dan peningkatan penggunaan sumber daya energi non-tradisional. Energi panas bumi menempati salah satu tempat pertama di antara mereka.
Saat ini, Kementerian Energi Federasi Rusia telah mengadopsi program pengembangan energi non-tradisional, termasuk 30 proyek-proyek besar penggunaan unit pompa kalor (HPU), yang prinsip pengoperasiannya didasarkan pada konsumsi energi panas bumi tingkat rendah.
Energi panas bumi dan pompa panas tingkat rendah
Sumber energi potensial rendah Panas bumi adalah radiasi matahari dan radiasi panas dari bagian dalam planet kita yang memanas. Saat ini pemanfaatan energi tersebut merupakan salah satu bidang energi yang paling dinamis berkembang berdasarkan sumber energi terbarukan.
Panas bumi dapat dimanfaatkan berbagai jenis bangunan dan struktur untuk pemanas, penyediaan air panas, pendingin ruangan (pendinginan), serta untuk jalur pemanas masuk waktu musim dingin tahun, mencegah lapisan es, pemanasan lapangan di stadion terbuka, dll. Dalam literatur teknis Inggris, sistem yang memanfaatkan panas bumi dalam sistem pemanas dan pendingin udara disebut sebagai GHP - “pompa panas bumi” (pompa panas bumi). Karakteristik iklim negara-negara Tengah dan Eropa Utara, yang, bersama dengan Amerika Serikat dan Kanada, merupakan wilayah utama penggunaan panas tingkat rendah dari bumi, menentukan hal ini terutama untuk tujuan pemanasan; Pendinginan udara relatif jarang diperlukan bahkan di musim panas. Oleh karena itu, tidak seperti Amerika, pompa panas masuk negara-negara Eropa Mereka beroperasi terutama dalam mode pemanasan. Di AS, mereka lebih sering digunakan dalam sistem pemanas udara yang dikombinasikan dengan ventilasi, yang memungkinkan pemanasan dan pendinginan udara luar. Di negara-negara Eropa, pompa kalor biasanya digunakan dalam sistem pemanas air. Karena efisiensinya meningkat seiring dengan penurunan perbedaan suhu antara evaporator dan kondensor, sistem pemanas di bawah lantai sering digunakan untuk memanaskan bangunan, di mana cairan pendingin bersirkulasi pada suhu yang relatif rendah (35–40 o C).
Jenis sistem yang menggunakan energi panas berpotensi rendah dari bumi
Secara umum, dua jenis sistem penggunaan energi panas potensial rendah dari bumi dapat dibedakan:
– sistem terbuka: air tanah yang disuplai langsung ke pompa kalor digunakan sebagai sumber energi panas tingkat rendah;
– sistem tertutup: penukar panas terletak di massa tanah; ketika pendingin dengan suhu lebih rendah relatif terhadap tanah bersirkulasi melaluinya, energi panas “dipilih” dari tanah dan ditransfer ke evaporator pompa panas (atau saat menggunakan pendingin dengan suhu lebih tinggi relatif terhadap tanah, itu adalah didinginkan).
Minus sistem terbuka apakah sumur memerlukan pemeliharaan. Selain itu, penggunaan sistem seperti ini tidak mungkin dilakukan di semua wilayah. Persyaratan utama tanah dan air tanah adalah sebagai berikut:
– permeabilitas tanah yang cukup, memungkinkan cadangan air terisi kembali;
– komposisi kimia air tanah yang baik (misalnya, kandungan besi yang rendah), sehingga menghindari masalah yang terkait dengan pembentukan endapan pada dinding pipa dan korosi.
Sistem tertutup untuk menggunakan energi panas berpotensi rendah dari bumi
Sistem tertutup dapat bersifat horizontal atau vertikal (Gambar 1).
Beras. 1. Skema instalasi pompa kalor panas bumi dengan : a – horizontal
dan b – penukar panas tanah vertikal.
Penukar panas tanah horizontal
Di Barat dan Eropa Tengah penukar panas tanah horizontal biasanya berupa pipa individual yang dipasang relatif rapat dan dihubungkan satu sama lain secara seri atau paralel (Gbr. 2).
Beras. 2. Penukar panas tanah horizontal dengan: a – serial dan
b – koneksi paralel.
Untuk menghemat area pembuangan panas, jenis penukar panas yang lebih baik telah dikembangkan, misalnya penukar panas berbentuk spiral (Gbr. 3), terletak secara horizontal atau vertikal. Bentuk penukar panas ini umum digunakan di AS.
