Тепловое поле Земли. Источники тепловой энергии.

Характеристики запасов тепла Земли

Даже один процент данной мощности приравнивается к не одной сотне электростанций. Но низкая плотность теплового потока затрудняет сбор и переработку этой энергии.

Классификация геотермальной энергии

Главный источник получения геотермальной энергии — это тепловой поток недр планеты, который направлен к поверхности. Эта теплота вырабатывается за счет химических реакций, радиоактивных распадов и трений ядра. Геотермальную теплоту можно получить различными способами.

Типы используемых ресурсов

Для добычи геотермальной энергии используют следующие типы ресурсов:

• тепло поверхности планеты на расстоянии до сотен метров к ядру;
• гидротермальные (природные резервуары с водой) и парогидротермальные (места появления пара и смеси водяного пара) системы;
• энергия от сухой горной породы (петротермальная);
• магма.

Гидротермальная энергетика

Этот вид энергетики направлен на производство электроэнергии из теплоты подземных вод. Источники теплоты бывают следующими:

• водяные — для существования необходим пласт горной породы для передачи тепла, при этом давление выше атмосферного;
• пароводяные — между двумя пластами находится вода, через нижний происходит передача теплоты, а верхний слой не дает воде просочиться наружу, для получения теплоты нужно высвободить воду или пар, для этого нужно бурить скважину;
• паровые — схема работы аналогичная с предыдущим, но при этом тепло переносит только пар.

Петротермальная энергетика

Этот вид энергетики занимается добычей электричества через подземное тепло от горячей горной породы. Однако этот вид энергетики менее распространен: для производства энергии необходима нагретая порода, которая даже в областях с высокой температурой залегает на глубине не менее двух километров.

Способы извлечения ресурсов

Для получения энергии задействуют один из способов:

• традиционный; фонтанный — благодаря давлению в земле происходит самоизливание ресурса;
• насосный — способ применяется, когда образование фонтана невозможно;

Температура в недрах Земли

Планета Земля состоит из нескольких частей-слоев, начиная из центра: ядра (внутреннего и внешнего), мантии и коры. Каждый слой имеет уникальные химические и физические свойства. Если поверхность планеты твердая, то под корой располагается вязкий слой мантии.

Примечательно, что наша планета является единственной среди всех известных, у которой происходит беспрерывное движение тектонических плит(по версии одноименной гипотезы). При этом они могут сдвигаться, расходиться, находить одна на другую и т.п., образуя новые формы рельефа. Конечно, все эти процессы происходят медленно, на протяжении огромного количества времени.

Существует понятие геотермальной энергии или тепла земных недр. Известно, что температура и давление увеличиваются с глубиной. Например, температура мантии – около 2000-2500℃. За счет чего земные недра нагреваются до таких показателей?

Основным температурным фактором является распад радиоактивных элементов. Также повышению температуры способствуют тектонические, физические и химические процессы, которые происходят на больших глубинах. Долю тепла Земля получила еще в момент своего образования, согласно мнению ученых.

Интересный факт: по данным научных исследований, в результате 7-летнего распада радиоактивных элементов (калия, урана и тория) образовалось 24 Тераватта энергии или тепла.

Тепло Земли имеет огромнейшее значение для существования нашей планеты. От него зависит, как двигаются тектонические плиты, как в далеком будущем могут измениться очертания материков и объемы Мирового океана.

Интересно: В морской глубине — фото и видео

Также оно влияет и на вулканическую активность. Каким же именно образом связаны вулканы, радиоактивные элементы и тепло земных недр?

Основные сферы применения энергии

Геотермальная энергетика применяется все шире, хоть и не является ключевым для всей энергетики. В силу специфики добычи геотермальная энергия используется в следующих случаях.

Использование в промышленности

Промышленность — это та сфера, которой необходим такой источник энергии, который не будет зависеть от внешних факторов, таких как время суток. Это способна обеспечить геотермальная энергетика, поэтому промышленность является одним из главных потребителей этого вида энергии. В крупных масштабах добыча производится в Исландии, Новой Зеландии, России, Соединенных Штатах Америки и так далее.

Применение в сельском хозяйстве

В хозяйстве геотермальная энергия может использоваться для обогрева растений в оранжерее или теплице, для полива культур, а также для обеспечения отопления комплексов, ответственных за содержание животных и птиц. Однако эксплуатация также зависит от состава воды. Применение этого вида энергетики в сельском хозяйстве наблюдается в Греции, Мексике, Кении, Израиле, Гватемале.

Для отопления домов

Добывать геотермальную энергию в небольших объемах можно самостоятельно и организовывать в качестве централизованного или частного отопления. Например, в частных домах такие системы действуют автономно.

Реализуется принцип работы как у кондиционера, настроенного на обогрев помещения. Но кондиционер перестает работать, если температура за окном ниже 5 градусов Цельсия, но это не является преградой для геотермальной системы. В недрах нужно установить коллекторы, по ним будет течь антифриз, поглощающий теплоту и возвращающий в отапливоемое помещение. Расходы при этом составляют только монтаж и само оборудование.

Тепловое поле Земли. Источники тепловой энергии.

На оглавление

Протекающие на поверхности и в недрах планеты геологические процессы в первую очередь обусловлены тепловой энергией. Тепловое поле Земли формируется под действием эндогенных (или внутренних источников), связанных с генерацией тепла в недрах планеты, и экзогенных (или внешних по отношению к планете).

На поверхности планеты важнейшую роль имеет экзогенный источник тепла — солнечное излучение. Температура поверхности Земли определяется главным образом солнечным теплом, поток которого составляет в сред­нем 3,4.10-2 Дж/с.см2. 1 Дк = 10 зрг; 1 кал.= 4,187 Дж. Считается, что поверхность Земли находится в состоянии, близком к тепловому равновесию, и в среднем излучает столько же тепла, сколько получает. Поток тепла меняется по интенсивности и направлению. Темпе­ратурные колебания разного периода проникают на различную глубину. О длиннопериодных вариациях теплового поля Земли свидетельствуют эпохи оледенений.

Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла резко снижается. Уже на небольшой глубине (до 20-30 м) располагается пояс постоянных температур — область глубин, где температура остаётся постоянной и равна среднегодовой температуре района. Ниже пояса постоянных температур тепло связано с эндогенными источниками. Тепловой поток, генерируемый в недрах Земли, оценивается в ~1025 Дж/год. Температура горных пород с глубиной возрастает. Интенсивность поступления тепловой энергии из недр к поверхности отражается в величине геотермического градиента. Геотермический градиент – приращение температуры с глубиной, выраженной в 0С/км. «Обратной» характеристикой является геотермическая ступень — глубина в метрах, при погружении на которую температура повысится на 1 0С. Средняя величина геотермического градиента в верхней части коры составляет 33 0С/км и колеблется от 200 0С/км в областях современного активного магматизма до 5 0С/км в областях со спокойным тектоническим режимом. С глубиной величина геотермического градиента существенно уменьшается, составляя в литосфере, в среднем около 10 0С/км, а в мантии — менее 1 0С/км. Причина этого кроется в распределении источников тепловой энергии и характере теплопереноса.

Источниками эндогенной энергии являются следующие: 1). Энергия глубинной гравитационной дифференциации, т.е. выделение тепла при перераспределении вещества по плотности при его химических и фазовых превращениях. Основным фактором таких превращений служит давление. В качестве главного уровня выделения этой энергии рассматривается граница ядро – мантия. 2). Радиогенное тепло, возникающее при распаде радиоактивных изотопов. Согласно некоторым расчётам, этот источник определяет около 25% теплового потока, излучаемого Землёй. Однако необходимо принимать во внимание, что повышенные содержания главных долгоживущих радиоактивных изотопов – урана, тория и калия отмечаются только в верхней части континентальной коры (зона изотопного обогащения). Например, концентрация урана в гранитах достигает 3,5 • 10-4%, в осадочных породах — 3,2 • 10–4 %, в то время как в океанической коре она ничтожно мала: около 1,66 • 10-7 %. Таким образом, радиогенное тепло является дополнительным источником тепла в верхней части континентальной коры, что и определяет высокую величину геотермического градиента в этой области планеты. 3). Остаточное тепло, сохранившееся в недрах со времени формирования планеты. 4). Твёрдые приливы, обусловленные притяжение Луны. Переход кинетической приливной энергии в тепло происходит вследствие внутреннего трения в толщах горных пород. Доля этого источника в общем тепловом балансе невелика – около 1-2 %.

В литосфере преобладает кондуктивный (молекулярный) механизм теплопереноса, в подлитосферной мантии Земли происходит переход к преимущественно конвективному механизму теплопереноса. Расчёты температур в недрах планеты дают следующие значения: в литосфере на глубине около 100 км температура составляет около 1300 0С, на глубине 410 км – 1500 0С, на глубине 670 км – 1800 0С, на границе ядра и мантии – 2500 0С, на глубине 5150 км – 3300 0С, в центе Земли – 3400 0С. При этом в расчёт принимался только главный (и наиболее вероятный для глубинных зон) источник тепла – энергия

Рис.1.6. Изменение температуры с глубиной

Дата добавления: 2015-09-12; просмотров: 109 | Нарушение авторских прав
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ | СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ | ВВЕДЕНИЕ | Диагностика компетенции студента | Объекты изучения, методы и науки геологического цикла | Общие сведения о Земле | Строение Земли | Методы изучения внутреннего строения и состава Земли | Сейсмическая модель Земли | Вещественный состав мантии и ядра Земли | lektsii.net — Лекции.Нет — 2014-2020 год. (0.007 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав

Геотермальные электростанции

Температура тем выше, чем глубже буровая скважина. Однако в сейсмически опасных зонах температура при погружении в скважину поднимается быстрее в силу разрыва тектонических плит. Высокое значение геотермического градиента удешевляет добычу энергию, так как приходится бурить не так глубоко. Лучший вариант — гейзеры, у которых воды на поверхности и так достигают необходимой температуры.

Устройство и конструкция

Схему электростанции можно представить так: воду закачивают в недры Земли, жидкость, просачиваясь в трещины, нагревается до появления водяного пара, а после поднимается по второй скважине, расположенной параллельно. Нагревшуюся воду доставляют на станцию, энергию перерабатывают в элетрическую с помощью генератора и турбин.

По устройству эти электростанции бывают:

• на парогидротермах — для добычи энергии эксплуатируют нагретую еще в природе воду;
• двухконтурная на водяном паре — специальный парогенератор создает дополнительный пар.

Принцип работы

В геотермальной энергетике используется несколько способов работы.

• Прямой способ. Для этого метода берут сухой пар, который поступает через турбину;
• Непрямой способ. Метод подразумевает работу с водяным паром при температуре выше 180 градусов Цельсия. Вызываемое давление заставляет воду течь через скважину, а последующее его уменьшение приводит к образованию пара в турбине. Остатки водного ресурса стекает обратно в скважину;
• Бинарный (смешанный) способ. Воды применяют с дополнительной жидкостью, к примеру, хладагентом.

Источники тепла земных недр

Предыдущая2Следующая

Тепловое поле земной коры формируется в результате процесса теплообмена при наличии источников тепла. Теплообмен в земной коре осуществляется посредством теплопроводности, конвекции и излучения.

В зависимости от природы процессов, приводящих к выделению тепла в недрах Земли, источники тепла можно подразделить на два типа: первичные и вторичные.

К первичным источникам относятся те, которые преобразуют в тепло энергию внеземного происхождения (энергию радиоактивного распада, энергию солнечной радиации, энергию земных приливов, гравитационную энергию). К вторичным источникам относятся те, которые преобразуют в тепло энергию внутриземного происхождения (энергию фазовых переходов и химических превращений, энергию тектонических движений). Первичные источники формируют тепловой режим Земли в целом, а вторичные – тепловые аномалии. Первичные источники длительны по времени – тепловые аномалии. Первичные источники длительны по времени (практически бесконечны) и значительны по мощности, вторичные – относительно кратковременны и маломощны.

Тепло радиоактивного распада называют радиогенным. Количество тепла, образующегося в единицу времени в результате распада одного грамма радиоактивного вещества, называется удельным радиогенным теплом. Оно образуется в результате того, что при распаде происходит излучение α- и β- частиц и γ- фотонов, которые поглощаются окружающими породами и передают им свою энергию. При этом вся энергия превращается в тепло. Все радиоактивные источники выделяют внутри Земли 4∙1020-4∙1021 Дж ежегодно.

Тепло, доставляемое на поверхность Земли солнечным излучением, формирует тепловой режим поверхностного слоя пород, расположенных выше нейтрального слоя. Суточные колебания температуры воздуха оказывают влияние на температурный режим поверхностного слоя Земли толщиной не более 0,5 м, а годовые – не более 20 м. Учитывая, что в году около 3∙107 с, и принимая во внимание, что под воздействием солнечного излучения находится постоянно только половина поверхности Земли, то количество тепла, передаваемое Солнцем верхним слоям атмосферы Земли за год примерно составляет 27∙1023 Дж/год. Примерно половина этого тепла поглощается атмосферой и рассеивается в мировое пространство, а вторая половина поглощается на Земле.

Выделение тепла в Земле в результате земных приливов обусловлено вертикальным смещением ее поверхности под действием притяжения Солнца и луны. Такие смещения возможны вследствие того, что Земля не является абсолютно твердым телом, а земная кора разбита на блоки.

Вертикальные смещения поверхности Земли за счет земных приливов и отливов достигают 0,5 м. Суммарное количество тепла, выделяющееся в Земле за время ее существования за счет приливов и отливов, составляет примерно 36∙1026 Дж.

Гравитационная составляющая первичных источников тепла обусловлена выпадением на Землю мелких частиц и метеоритов и переходом их кинетической энергии в тепловую. Кроме того, под действием сил гравитации в глубь Земли перемещаются более тяжелые вещества, что также сопровождается выделением тепла. Если предположить, что ядро Земли состоит из железа, которое стекалось к центру, то количество тепла, выделенного при этом, составит около 1030 Дж.

Основными вторичным источником тепла является энергия тектонических движений, которая выделяется при землетрясениях в результате трения блоков земной коры друг о друга.

Тепловая энергия, образующаяся в результате фазовых переходов и химических реакций в Земле, вносит свой вклад в формирование теплового режима локальных районов.

Предыдущая2Следующая

Дата добавления: 2018-05-10; просмотров: 315; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Похожие статьи:

Крупные источники энергоресурса

Главный производитель геотермальной теплоты — Исландия, на долю которой приходится 30% мировой энергии. На второе место выходят Филиппины с показателем 27% от международного значения. Коста-Рика и Сальвадор производят 14 процентов, занимая третье место. На долю Кении приходится 11,2 процента, а на Никарагуа — 10 процентов.

В России перспективными регионами для добычи геотермальной энергии являются юг и Дальний Восток. На юге для разведывания вод с температурным диапазоном 70-126 градусов Цельсия подходит любая точке области. Например, в Дагестане 30% жилого фонда обеспечиваются геотермальной энергией, хотя специалисты считают, что значение можно поднять до 70%. В Чеченской республике была заготовлена почва для добычи теплоты, но война временно прервала работу над этим.

Современное использование геотермальной энергии

Суммарная мощность геотермальных систем в мире меньше, чем мощность других возобновляемых систем. Несмотря на это геотермальная энергетика получает большое развитие, особенно в районах, где нет топлива либо оно дорогое.

В России

В России сейчас есть три действующих электростанции.

Мутновская геотермальная энергетическая станция насчитывает мощность 50 Мегаватт,сейчас составляет 30%. Для увеличения мощности монтируется бинарный блок на 13 мегаватт.

Верхне-мутновская геотермальная электростанция обладает мощностью в 12 мегаватт, а выработкой в размере 65 миллионов киловатт*час. Работает в комплексе с предыдущей электростанцией.

Паужетская геотермальная электростанция также обладает 12 мегаватт мощности. Сейчас не введён в эксплуатацию.

В мире

Картина современного пользования геотермальной теплотой выглядит так:

• США. Штаты выделяются как крупнейший производитель геотермальной теплоты. Самая мощная группа станций расположена между Сономой и Лейком и носит название “Гейзерс”. Геотермальная энергетика в стране получает господдержку;
• Филиппины. В 2003 году мощность станций составляла 1930 Мегаватт;
• Мексика. Установленная мощность этого государства — 953 мегаватт. А Серро Прието при этом производит 750 Мегаватт;
• Италия. Общая мощность на начало тысячелетия для страны — 790 мегаватт;
• Исландия. В стране работают пять теплофикационных электростанций, одна из которых содержит Рейкьявик;
• Кения. В 2005 общая мощность была 160 мегаватт;
• Япония. В стране по данным прошлого десятилетия есть информация, что Япония также пытается улучшить экологию посредством введения альтернативных источников энергии, хоть и геотермальная энергия занимает малую долю.

Неуловимые частицы

Радиоактивным материалам присущи атомы с нестабильными ядрами, которые способны расщепиться, выбрасывая радиацию, частично преобразующуюся в тепло. Состав радиации может быть различен в зависимости от вида излучающего ее материала, в том числе нейтрино. При распаде в земной коре и мантии радиоактивные частицы порождают «геонейтрино». Ежесекундно наша планета испускает многочисленные триллионы этих частиц в космическое пространство. Измерив их энергию, можно больше узнать об их производящем веществе, а следовательно, о том, что находится в земных недрах.

Уран, торий и калий — основные нестабильные источники радиоактивности на нашей планете. Это стало известно благодаря исследованию образцов пород на глубине Земли в 200 км. Что находится ниже этого уровня — узнать невозможно, просто уровень технического прогресса не позволяет. Известно, что, распадаясь, уран излучает геонейтрино, которым присуще большое количество энергии. Это значит, что, измерив энергию этой загадочной частицы, ученые смогут определить из какого материала они образовались. Согласитесь, это проще, чем просверлить сотни километров вглубь Земли.

Как уже было сказано, геонейтрино найти практически нереально. Все потому, что взаимодействие с обычными веществами у него отсутствует, частица просто пролетает через них. Впервые данная частица была зафиксирована в 2003 году, и сделано это было с помощью гигантского подземного детектора, наполненного 1 тыс. тонн жидкости. Детектор измеряет нейтрино путем регистрации их столкновения с атомами в жидкости.

С той поры эта неуловимая частица наблюдалась лишь единожды с применением аналогичной технологии. Из обоих измерений можно сделать вывод, что лишь половина тепла Земли, образованного радиоактивностью, получается вследствие распада урана и тория. Что приводит к излучению оставшейся части тепла — неясно.

Перспективы развития геотермальной энергетики

0,5 процентов (8,5 гигаватт) — столько сейчас составляет геотермальная энергия от всей остальной в мире, хотя и могут достигать по мощности 50% от международной энергетики. На глубине от трех до пяти километров сконцентрировалась энергия, которая могла бы обеспечить всем необходимым человечество на тысячелетия. Каждый год потенциал геотермических ресурсов растёт на два-три процента.

В России геотермальная энергетика не может стать ведущей отрасль, так как источники ресурсов в стране не подходят для признания этого вида основным. Однако развитие в этом направлением является приоритетным.

Экономический потенциал геоэнергетики

Запасы, которые были разведаны учёными, на глубине 3,5 километра при температуре вод от 40 градусов Цельсия до 200 градусов способны дать 14 миллионов кубических метров горячей воды. Это равно 30 миллионам тонн условного топлива. Геотермальный ресурс превосходит топливный в 10-15 раз.

Больше половины территории РФ обладает хорошим потенциалом для развития геотермальной электроэнергии. Экономическая выгода Геотермальный энергетики видна на примере: в Паужете тарифы не колеблются, они постоянные вне зависимости от погоды и времени дня.

Почему никто не знает, откуда берется половина тепла в недрах Земли

Мало кто знает, что солидная часть тепла испускается не только Солнцем, но и земными глубинами. Если сравнить количество тепла из недр с потреблением энергии во всем мире, окажется, что первое превышает второе в три раза. Многие геологические процессы происходят благодаря такому источнику тепла, например, движения тектоники и течение магмы под Землей. Тем не менее, ученые не могут понять, что является источником этой половины тепла.

Разрешить эту загадку, как полагают специалисты, могут нейтрино, обладающие крайне небольшой массой, которые излучаются вследствие радиоактивных процессов недр планет. Сложность состоит в практической невозможности их поимки. Журнал Nature Communications опубликовал статью, где изложен новый способ, у которого есть все шансы поймать частицу.

Неуловимые частицы

Радиоактивным материалам присущи атомы с нестабильными ядрами, которые способны расщепиться, выбрасывая радиацию, частично преобразующуюся в тепло. Состав радиации может быть различен в зависимости от вида излучающего ее материала, в том числе нейтрино. При распаде в земной коре и мантии радиоактивные частицы порождают «геонейтрино». Ежесекундно наша планета испускает многочисленные триллионы этих частиц в космическое пространство. Измерив их энергию, можно больше узнать об их производящем веществе, а следовательно, о том, что находится в земных недрах.

Уран, торий и калий – основные нестабильные источники радиоактивности на нашей планете. Это стало известно благодаря исследованию образцов пород на глубине Земли в 200 км. Что находится ниже этого уровня – узнать невозможно, просто уровень технического прогресса не позволяет. Известно, что, распадаясь, уран излучает геонейтрино, которым присуще большое количество энергии. Это значит, что, измерив энергию этой загадочной частицы, ученые смогут определить из какого материала они образовались. Согласитесь, это проще, чем просверлить сотни километров вглубь Земли.

Как уже было сказано, геонейтрино найти практически нереально. Все потому, что взаимодействие с обычными веществами у него отсутствует, частица просто пролетает через них. Впервые данная частица была зафиксирована в 2003 году, и сделано это было с помощью гигантского подземного детектора, наполненного 1 тыс. тонн жидкости. Детектор измеряет нейтрино путем регистрации их столкновения с атомами в жидкости.

С той поры эта неуловимая частица наблюдалась лишь единожды с применением аналогичной технологии. Из обоих измерений можно сделать вывод, что лишь половина тепла Земли, образованного радиоактивностью, получается вследствие распада урана и тория. Что приводит к излучению оставшейся части тепла – неясно.

Новые технологии

Эксперты предположили, что тепловые потоки земных внутренностей можно положить на карту, измерив направления прохождения геонейтрино и х энергии. Это достижимо, если вложить большое количество сил и создать новые методы обнаружения частиц.

Специалисты склоняются в сторону газовых камер с детекторами «временной проекции», строящими трехмерные изображения геонейтрино, которые сталкиваются с газами внутри камеры и выбивают электроны из газовых атомов. Тем временем можно было бы следить за перемещениями электрона, дабы воссоздать одно измерение процесса (время). Рекострукция двух пространственных измерений перемещения электрона возможна благодаря технологии визуализации. Сейчас применяются такие жидкостные детекторы, где сталкивающиеся и разлетающиеся частицы проделывают небольшой путь из-за нахождения в жидкостной среде, что не позволяет отследить их направление.

Более компактные версии таких детекторов нашли применение в измерении нейтринных взаимодействий и поиске темной материи. Эксперты вычислили, что обнаружить геонейтрино из калия можно при помощи детектора весом в 20 тонн. Картирование состава мантии с первого раза возможно лишь в том случае, если он будет весить в 10 раз больше. Строительство образца подобного детектора уже завершено, сейчас ученые ведут работы по его масштабированию.

Измерив геонейтрино, можно получить отображение теплового потока в земных недрах. Оценка содержания радиоактивных элементов поспособствует пониманию эволюционных процессов ядра. Кроме того, это можно использовать при разгадке тайны теплового источника, обеспечивающего конвекционные процессы во внешнем ядре, которое является источником геомагнитного поля планеты. Понимание процессов поля важно для защиты атмосферных слоев Земли, оберегающих организмы от воздействия губительного солнечного излучения.

Источник

Добавляйте в свои контакты наш номер WhatsApp «Находка News». Мы ждем ваших комментариев, советов и новостей. Если вы хотите, чтобы о каком-то событии или происшествии узнали все, нажмите на зелёный квадратик справа (в мобильной версии сайта) или напишите в чате