พลังงานความร้อนใต้พิภพและการใช้งาน แนวโน้มของพลังงานความร้อนใต้พิภพ

มีพลังงานความร้อนมหาศาลอยู่ภายในโลก การประมาณค่าที่นี่ยังคงแตกต่างกันมาก แต่จากการประมาณการแบบอนุรักษ์นิยมที่สุด หากเราจำกัดตัวเองไว้ที่ความลึก 3 กม. ก็จะได้พลังงานความร้อนใต้พิภพ 8 x 1017 กิโลจูล ในขณะเดียวกัน ขนาดของการใช้งานจริงในประเทศของเราและทั่วโลกนั้นไม่มีนัยสำคัญ อะไรคือปัญหาที่เกิดขึ้นที่นี่และอะไรคือโอกาสในการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพ?

พลังงานความร้อนใต้พิภพ คือ พลังงานความร้อนของโลก พลังงานที่ปล่อยออกมาจากความร้อนตามธรรมชาติของโลกเรียกว่าพลังงานความร้อนใต้พิภพ ในฐานะที่เป็นแหล่งพลังงาน ความร้อนของโลก เมื่อรวมกับเทคโนโลยีที่มีอยู่แล้ว สามารถจัดหาความต้องการของมนุษยชาติเป็นเวลาหลายปี และนั่นไม่ได้สัมผัสกับความอบอุ่นที่ลึกเกินไปในพื้นที่ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้

เป็นเวลาหลายล้านปีที่ความร้อนนี้ถูกปล่อยออกมาจากลำไส้ของโลกของเราและอัตราการเย็นตัวของแกนกลางไม่เกิน 400 ° C ต่อพันล้านปี! ในขณะเดียวกันอุณหภูมิของแกนโลกตามแหล่งต่าง ๆ ปัจจุบันไม่ต่ำกว่า 6650 ° C และค่อยๆ ลดลงสู่พื้นผิวของมัน ความร้อน 42 ล้านล้านวัตต์แผ่ออกมาจากโลกอย่างต่อเนื่อง มีเพียง 2% เท่านั้นที่อยู่ในเปลือกโลก

พลังงานความร้อนภายในของโลกแสดงออกมาเป็นระยะๆ ในรูปของการปะทุของภูเขาไฟหลายพันลูก แผ่นดินไหว การเคลื่อนที่ของเปลือกโลก และอื่น ๆ ซึ่งสังเกตเห็นได้น้อยกว่า แต่ไม่น้อยไปกว่ากระบวนการทางธรรมชาติระดับโลก

มุมมองทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสาเหตุของปรากฏการณ์นี้คือ ต้นกำเนิดของความร้อนของโลกเกี่ยวข้องกับกระบวนการต่อเนื่องของการสลายกัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียม ทอเรียม และโพแทสเซียมภายในดาวเคราะห์ เช่นเดียวกับการแยกสสารด้วยแรงโน้มถ่วง ที่แกนกลางของมัน

ชั้นหินแกรนิตของเปลือกโลกที่ระดับความลึก 20,000 เมตรเป็นเขตหลักของการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีของทวีปต่างๆ และสำหรับมหาสมุทร เนื้อโลกชั้นบนเป็นชั้นที่มีการเคลื่อนไหวมากที่สุด นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าในทวีปต่างๆ ที่ระดับความลึกประมาณ 10,000 เมตร อุณหภูมิที่ก้นเปลือกโลกจะอยู่ที่ประมาณ 700 ° C ในขณะที่มหาสมุทรมีอุณหภูมิสูงถึง 200 ° C เท่านั้น

สองเปอร์เซ็นต์ของพลังงานความร้อนใต้พิภพในเปลือกโลกมีค่าคงที่ 840 พันล้านวัตต์ และนี่คือพลังงานที่เข้าถึงได้ทางเทคโนโลยี สถานที่ที่ดีที่สุดในการดึงพลังงานนี้คือบริเวณใกล้ขอบแผ่นทวีป ซึ่งเปลือกโลกบางกว่ามาก และบริเวณที่เกิดแผ่นดินไหวและภูเขาไฟ ซึ่งความร้อนของโลกจะแผ่ออกมาใกล้กับพื้นผิวมาก

พลังงานความร้อนใต้พิภพเกิดขึ้นที่ไหนและในรูปแบบใด?

ปัจจุบันการพัฒนาพลังงานความร้อนใต้พิภพมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันใน: สหรัฐอเมริกา, ไอซ์แลนด์, นิวซีแลนด์, ฟิลิปปินส์, อิตาลี, เอลซัลวาดอร์, ฮังการี, ญี่ปุ่น, รัสเซีย, เม็กซิโก, เคนยาและประเทศอื่น ๆ ซึ่งความร้อนจากลำไส้ของโลก ขึ้นสู่ผิวน้ำในรูปของไอน้ำและน้ำร้อน ออกไปที่อุณหภูมิสูงถึง 300 องศาเซลเซียส

น้ำพุร้อนที่มีชื่อเสียงของไอซ์แลนด์และคัมชัตการวมถึงอุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตนที่มีชื่อเสียงซึ่งตั้งอยู่ในรัฐไวโอมิง มอนทานา และไอดาโฮของอเมริกา ครอบคลุมพื้นที่เกือบ 9,000 ตารางกิโลเมตร สามารถยกตัวอย่างที่ชัดเจนได้

เมื่อพูดถึงพลังงานความร้อนใต้พิภพ สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าพลังงานส่วนใหญ่มีศักยภาพต่ำ กล่าวคือ อุณหภูมิของน้ำหรือไอน้ำที่ออกจากบ่อไม่สูง และสิ่งนี้ส่งผลต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานดังกล่าวอย่างมาก

ความจริงก็คือสำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้าในปัจจุบัน เป็นเรื่องประหยัดสำหรับอุณหภูมิของสารหล่อเย็นอย่างน้อย 150 ° C ในกรณีนี้จะถูกส่งโดยตรงไปยังกังหัน

มีการติดตั้งที่ใช้น้ำที่อุณหภูมิต่ำกว่า ในนั้น น้ำร้อนใต้พิภพจะให้ความร้อนแก่สารหล่อเย็นทุติยภูมิ (เช่น ฟรีออน) ซึ่งมีจุดเดือดต่ำ ไอน้ำที่เกิดขึ้นจะเปลี่ยนกังหัน แต่ความจุของการติดตั้งดังกล่าวมีขนาดเล็ก (10 — 100 กิโลวัตต์) ดังนั้นต้นทุนพลังงานจะสูงกว่าโรงไฟฟ้าที่ใช้น้ำอุณหภูมิสูง

GeoPP ในนิวซีแลนด์

แหล่งความร้อนใต้พิภพเป็นหินที่มีรูพรุนซึ่งเต็มไปด้วยน้ำร้อน โดยพื้นฐานแล้วเป็นหม้อต้มความร้อนใต้พิภพตามธรรมชาติ

แต่จะเกิดอะไรขึ้นถ้าน้ำที่ใช้ไปบนพื้นผิวโลกไม่ได้ถูกโยนทิ้ง แต่กลับไปที่หม้อไอน้ำ? สร้างระบบหมุนเวียน? ในกรณีนี้ ไม่เพียงแต่ความร้อนของน้ำร้อนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงหินที่อยู่รอบๆ ด้วย ระบบดังกล่าวจะเพิ่มจำนวนทั้งหมด 4-5 เท่า ปัญหามลพิษทางสิ่งแวดล้อมจากน้ำเกลือจะถูกขจัดออกไป เมื่อกลับสู่ขอบฟ้าใต้ดิน

ในรูปของน้ำร้อนหรือไอน้ำ ความร้อนจะถูกส่งไปยังพื้นผิว ซึ่งใช้โดยตรงกับอาคารและบ้านเรือน หรือเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ประโยชน์อีกอย่างคือความร้อนที่พื้นผิวโลกซึ่งโดยปกติจะไปถึงได้โดยการเจาะหลุม ซึ่งความชันจะเพิ่มขึ้น 1 °C ทุกๆ 36 เมตร

พวกเขาใช้เพื่อดูดซับความร้อนนี้ ปั๊มความร้อน… น้ำร้อนและไอน้ำถูกใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าและเพื่อให้ความร้อนโดยตรง และความร้อนที่เข้มข้นในส่วนลึกที่ไม่มีน้ำจะถูกแปลงให้อยู่ในรูปแบบที่เป็นประโยชน์โดยปั๊มความร้อน พลังงานของหินหนืดและความร้อนที่สะสมอยู่ใต้ภูเขาไฟถูกสกัดด้วยวิธีเดียวกัน

โดยทั่วไป มีวิธีมาตรฐานมากมายในการผลิตกระแสไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพ แต่ทั้งนี้โดยตรงหรือในรูปแบบปั๊มความร้อน

ในกรณีที่ง่ายที่สุด ไอน้ำจะถูกส่งผ่านท่อไปยังกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ในรูปแบบที่ซับซ้อน ไอน้ำจะถูกทำให้บริสุทธิ์ล่วงหน้าเพื่อให้สารที่ละลายน้ำไม่ทำลายท่อ ในรูปแบบผสม ก๊าซที่ละลายในน้ำจะถูกกำจัดหลังจากการควบแน่นของไอน้ำในน้ำ

ในที่สุด มีรูปแบบไบนารีที่ของเหลวอื่นที่มีจุดเดือดต่ำ (รูปแบบการแลกเปลี่ยนความร้อน) ทำหน้าที่เป็นสารหล่อเย็น (เพื่อรับความร้อนและหมุนกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า)

สิ่งที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือปั๊มความร้อนแบบดูดกลืนสุญญากาศด้วยน้ำและลิเธียมคลอไรด์ อดีตเพิ่มอุณหภูมิของน้ำร้อนเนื่องจากการใช้ไฟฟ้าในปั๊มน้ำสุญญากาศ

น้ำที่อุณหภูมิ 60 — 90 ° C เข้าสู่เครื่องระเหยสุญญากาศ ไอน้ำที่สร้างขึ้นจะถูกบีบอัดโดยเทอร์โบชาร์จเจอร์ แรงดันจะถูกเลือกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิน้ำหล่อเย็นที่ต้องการ

หากน้ำไปที่ระบบทำความร้อนโดยตรงก็จะอยู่ที่ 90 — 95 ° C ถ้าไปที่เครือข่ายความร้อนก็จะอยู่ที่ 120 — 140 ° C ในคอนเดนเซอร์ไอน้ำที่ควบแน่นจะให้ความร้อนแก่น้ำที่ไหลเวียนอยู่ในเครื่องทำความร้อนในเมือง เครือข่าย ระบบทำความร้อน และน้ำร้อน

มีตัวเลือกอื่นใดอีกบ้างเพื่อเพิ่มการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพ?

ทิศทางหนึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้คราบน้ำมันและก๊าซที่หมดไปมาก

อย่างที่คุณทราบ การผลิตวัตถุดิบนี้ในทุ่งเก่านั้นดำเนินการโดยวิธีน้ำท่วมนั่นคือน้ำถูกสูบเข้าไปในบ่อซึ่งแทนที่น้ำมันและก๊าซจากรูขุมขนของอ่างเก็บน้ำ

เมื่อการลดลงดำเนินไป อ่างเก็บน้ำที่มีรูพรุนจะเต็มไปด้วยน้ำ ซึ่งรับอุณหภูมิของหินที่อยู่รอบๆ และดังนั้น ตะกอนเหล่านี้จึงถูกเปลี่ยนเป็นหม้อต้มความร้อนใต้พิภพ ซึ่งเป็นไปได้ที่จะสกัดน้ำมันและรับน้ำเพื่อให้ความร้อนได้พร้อมๆ กัน

แน่นอนว่าต้องมีการเจาะหลุมเพิ่มเติมและสร้างระบบหมุนเวียน แต่จะถูกกว่าการพัฒนาแหล่งความร้อนใต้พิภพใหม่มาก

อีกทางเลือกหนึ่งคือการดึงความร้อนออกจากหินแห้งโดยสร้างเขตซึมผ่านเทียม สาระสำคัญของวิธีการนี้คือการสร้างรูพรุนโดยใช้การระเบิดในหินแห้ง

การสกัดความร้อนออกจากระบบดังกล่าวดำเนินการดังนี้: เจาะสองหลุมในระยะห่างจากกัน น้ำถูกสูบเข้าไปในน้ำหนึ่ง ซึ่งเคลื่อนที่ผ่านรูพรุนและรอยร้าวที่เกิดขึ้นไปยังน้ำที่สอง ดึงความร้อนออกจากหิน ทำให้ร้อนขึ้นแล้วลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ

ระบบทดลองดังกล่าวเริ่มดำเนินการแล้วในสหรัฐอเมริกาและอังกฤษ ในลอสอาลามอส (สหรัฐอเมริกา) หลุมสองหลุม - หลุมหนึ่งมีความลึก 2,700 ม. และอีกหลุมหนึ่ง - 2,300 ม. เชื่อมต่อกันด้วยการแตกร้าวด้วยระบบไฮดรอลิกและเติมด้วยน้ำหมุนเวียนที่ให้ความร้อนถึงอุณหภูมิ 185 ° C ในอังกฤษใน Rosemenius เหมืองหิน น้ำร้อนถึง 80 °C

โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพ

ความร้อนของโลกเป็นแหล่งพลังงาน

ใกล้เมือง Larederello ของอิตาลี มีทางรถไฟไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยไอน้ำแห้งจากบ่อน้ำ ระบบนี้ใช้งานมาตั้งแต่ปี 1904

ทุ่งน้ำพุร้อนในญี่ปุ่นและซานฟรานซิสโกเป็นสถานที่ที่มีชื่อเสียงอีกสองแห่งในโลกที่ใช้ไอน้ำร้อนแห้งเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าเช่นกัน สำหรับไอน้ำชื้นนั้นพื้นที่กว้างขวางกว่านั้นอยู่ในนิวซีแลนด์และพื้นที่เล็กกว่า - ในญี่ปุ่น, รัสเซีย, เอลซัลวาดอร์, เม็กซิโก, นิการากัว

หากเราถือว่าความร้อนใต้พิภพเป็นทรัพยากรพลังงาน ปริมาณสำรองจะสูงกว่าการใช้พลังงานต่อปีของมนุษยชาติทั่วโลกหลายหมื่นล้านเท่า

เพียง 1% ของพลังงานความร้อนของเปลือกโลก ซึ่งนำมาจากความลึก 10,000 เมตร ก็เพียงพอที่จะทับซ้อนกับพลังงานสำรองหลายร้อยเท่าของเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น น้ำมันและก๊าซ ที่มนุษย์ผลิตขึ้นอย่างต่อเนื่อง ดินดานและมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม

นี่เป็นเพราะเหตุผลทางเศรษฐกิจ แต่โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพมีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในระดับปานกลางมาก โดยผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 122 กิโลกรัมต่อเมกะวัตต์ชั่วโมง ซึ่งน้อยกว่าการปล่อยก๊าซจากการผลิตไฟฟ้าจากเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างมาก

แนวโน้มอุตสาหกรรม GeoPE และพลังงานความร้อนใต้พิภพ

geoPE อุตสาหกรรมเครื่องแรกที่มีกำลังการผลิต 7.5 MW สร้างขึ้นในปี 1916 ในอิตาลี ตั้งแต่นั้นมา ประสบการณ์อันล้ำค่าได้สั่งสมมา

ในปี 1975 กำลังการผลิตติดตั้งทั้งหมดของ GeoPP ในโลกคือ 1278 MW และในปี 1990 มีอยู่แล้ว 7300 MW ปริมาณการพัฒนาพลังงานความร้อนใต้พิภพที่ใหญ่ที่สุดอยู่ในสหรัฐอเมริกา เม็กซิโก ญี่ปุ่น ฟิลิปปินส์ และอิตาลี

geoPE แห่งแรกในดินแดนของสหภาพโซเวียตสร้างขึ้นใน Kamchatka ในปี 2509 กำลังการผลิต 12 เมกะวัตต์

ตั้งแต่ปี 2546 โรงไฟฟ้าทางภูมิศาสตร์ Mutnovskaya ได้เปิดดำเนินการในรัสเซีย ซึ่งปัจจุบันมีกำลังการผลิต 50 เมกะวัตต์ ซึ่งเป็นโรงไฟฟ้าพลังงานธรณีที่ทรงพลังที่สุดในรัสเซียในขณะนี้

GeoPP ที่ใหญ่ที่สุดในโลกคือ Olkaria IV ในเคนยา โดยมีกำลังการผลิต 140 เมกะวัตต์

ในอนาคต มีแนวโน้มสูงว่าพลังงานความร้อนของหินหนืดจะถูกนำไปใช้ในพื้นที่เหล่านั้นของโลกซึ่งไม่ลึกเกินไปใต้พื้นผิวโลก เช่นเดียวกับพลังงานความร้อนของหินผลึกร้อนเมื่อน้ำเย็น ถูกสูบเข้าไปในรูเจาะที่ความลึกหลายกิโลเมตร และน้ำร้อนจะถูกส่งกลับคืนสู่พื้นผิวหรือไอน้ำ หลังจากนั้นจะได้รับความร้อนหรือผลิตกระแสไฟฟ้า

คำถามเกิดขึ้น - ทำไมปัจจุบันมีโครงการที่ใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพที่สร้างเสร็จแล้วน้อยมาก ประการแรกเนื่องจากตั้งอยู่ในสถานที่ที่เหมาะสมซึ่งน้ำจะไหลลงบนพื้นผิวโลกหรือตั้งอยู่ที่ตื้นมาก ในกรณีเช่นนี้ ไม่จำเป็นต้องเจาะลึกบ่อน้ำซึ่งเป็นส่วนที่แพงที่สุดของการพัฒนาพลังงานความร้อนใต้พิภพ

การใช้น้ำร้อนเพื่อจ่ายความร้อนนั้นมากกว่าการผลิตไฟฟ้า แต่ก็ยังมีขนาดเล็กและไม่มีบทบาทสำคัญในภาคพลังงาน

Gพลังงานความร้อนเป็นเพียงขั้นตอนแรกและการวิจัยในปัจจุบัน งานเชิงทดลองและอุตสาหกรรมควรให้คำตอบสำหรับระดับการพัฒนาต่อไป