Energía geotérmica y su uso, perspectivas de la energía geotérmica

Hay una enorme energía térmica dentro de la Tierra. Las estimaciones aquí siguen siendo bastante diferentes, pero según las estimaciones más conservadoras, si nos limitamos a una profundidad de 3 km, entonces 8 x 1017 kJ de energía geotérmica. Al mismo tiempo, la escala de su aplicación real en nuestro país y en todo el mundo es insignificante. ¿Cuál es el problema aquí y cuáles son las perspectivas para el uso de la energía geotérmica?

La energía geotérmica es la energía del calor de la Tierra. La energía liberada por el calor natural de la Tierra se llama energía geotérmica. Como fuente de energía, el calor de la Tierra, combinado con las tecnologías existentes, puede satisfacer las necesidades de la humanidad durante muchos, muchos años. Y eso sin mencionar el calor que corre demasiado profundo, en áreas hasta ahora inalcanzables.

¡Durante millones de años, este calor se libera de las entrañas de nuestro planeta, y la tasa de enfriamiento del núcleo no supera los 400 ° C por mil millones de años! Al mismo tiempo, la temperatura del núcleo de la Tierra, según diversas fuentes, actualmente no es inferior a 6650 ° C y disminuye gradualmente hacia su superficie. La Tierra irradia constantemente 42 billones de vatios de calor, de los cuales solo el 2% se encuentra en la corteza.

La energía térmica interna de la Tierra se manifiesta cada cierto tiempo de forma amenazadora en forma de erupciones de miles de volcanes, terremotos, movimientos de la corteza terrestre y otros procesos naturales menos perceptibles, pero no menos globales.

El punto de vista científico sobre las causas de este fenómeno es que el origen del calor de la Tierra está relacionado con el continuo proceso de desintegración radiactiva del uranio, el torio y el potasio en el interior del planeta, así como con la separación gravitatoria de la materia. en su centro.

La capa de granito de la corteza terrestre, a una profundidad de 20.000 metros, es la principal zona de desintegración radiactiva de los continentes, y para los océanos, el manto superior es la capa más activa. Los científicos creen que en los continentes, a una profundidad de unos 10.000 metros, la temperatura en el fondo de la corteza es de unos 700 °C, mientras que en los océanos la temperatura alcanza solo los 200 °C.

El dos por ciento de la energía geotérmica en la corteza terrestre es una constante de 840 mil millones de vatios, y esta es una energía tecnológicamente accesible. Los mejores lugares para extraer esta energía son las áreas cercanas a los bordes de las placas continentales, donde la corteza es mucho más delgada, y las áreas de actividad sísmica y volcánica, donde el calor de la tierra se manifiesta muy cerca de la superficie.

¿Dónde y en qué forma se produce la energía geotérmica?

Actualmente, el desarrollo de la energía geotérmica participa activamente en: EE. UU., Islandia, Nueva Zelanda, Filipinas, Italia, El Salvador, Hungría, Japón, Rusia, México, Kenia y otros países, donde el calor de las entrañas del planeta sube a la superficie en forma de vapor y agua caliente, saliendo, a temperaturas que alcanzan los 300 °C.

Los famosos géiseres de Islandia y Kamchatka, así como el famoso Parque Nacional de Yellowstone, ubicado en los estados estadounidenses de Wyoming, Montana e Idaho, con una superficie de casi 9.000 kilómetros cuadrados, pueden citarse como vívidos ejemplos.

Cuando se habla de energía geotérmica, es muy importante recordar que en su mayoría es de bajo potencial, es decir, la temperatura del agua o vapor que sale del pozo no es alta. Y esto afecta significativamente la eficiencia del uso de dicha energía.

El hecho es que para la producción de electricidad hoy en día es económicamente conveniente que la temperatura del refrigerante sea de al menos 150 ° C. En este caso, se envía directamente a la turbina.

Hay instalaciones que utilizan agua a menor temperatura. En ellos, el agua geotérmica calienta el refrigerante secundario (por ejemplo, freón), que tiene un punto de ebullición bajo. El vapor generado hace girar la turbina. Pero la capacidad de tales instalaciones es pequeña (10 - 100 kW) y, por lo tanto, el costo de la energía será más alto que en las centrales eléctricas que utilizan agua a alta temperatura.

GeoPP en Nueva Zelanda

Los depósitos geotérmicos son rocas porosas llenas de agua caliente. Son esencialmente calderas geotérmicas naturales.

Pero, ¿y si el agua gastada en la superficie de la tierra no se tira, sino que se devuelve a la caldera? ¿Crear un sistema de circulación? En este caso, no solo se aprovechará el calor del agua termal, sino también de las rocas circundantes. Tal sistema aumentará su número total en 4-5 veces. El tema de la contaminación ambiental con agua salada se elimina, ya que vuelve al horizonte subterráneo.

En forma de agua caliente o vapor, el calor se entrega a la superficie, donde se usa directamente para calentar edificios y casas o para generar electricidad. También es útil el calor superficial de la Tierra, que suele alcanzarse mediante la perforación de pozos, donde el gradiente aumenta 1 °C cada 36 metros.

Para absorber este calor, utilizan bombas de calor… El agua caliente y el vapor se utilizan para generar electricidad y para calefacción directa, y el calor concentrado profundamente en ausencia de agua se convierte en una forma útil mediante bombas de calor. La energía del magma y el calor que se acumula debajo de los volcanes se extrae de manera similar.

En general, hay una serie de métodos estándar para generar electricidad en plantas de energía geotérmica, pero nuevamente, ya sea directamente o en un esquema similar a una bomba de calor.

En el caso más simple, el vapor simplemente se dirige a través de una tubería a la turbina de un generador eléctrico. En un esquema complejo, el vapor es pre-purificado para que las sustancias disueltas no destruyan las tuberías. En un esquema mixto, los gases disueltos en agua se eliminan después de la condensación del vapor en agua.

Finalmente, existe un esquema binario donde otro líquido con un punto de ebullición bajo (esquema de intercambiador de calor) actúa como refrigerante (para tomar calor y hacer girar la turbina del generador).

Las más prometedoras son las bombas de calor de absorción al vacío con agua y cloruro de litio. Los primeros aumentan la temperatura del agua termal debido al consumo de electricidad en la bomba de agua de vacío.

El agua de pozo con una temperatura de 60 - 90 ° C ingresa al evaporador de vacío. El vapor generado es comprimido por un turbocompresor. La presión se selecciona en función de la temperatura del refrigerante requerida.

Si el agua va directamente al sistema de calefacción, entonces es de 90 a 95 ° C, si va a las redes de calefacción, entonces de 120 a 140 ° C. En el condensador, el vapor condensado cede su calor al agua que circula en la calefacción de la ciudad. Redes, sistemas de calefacción y agua caliente.

¿Qué otras opciones hay para aumentar el uso de la energía geotérmica?

Una de las direcciones está relacionada con el uso de depósitos de petróleo y gas en gran parte agotados.

Como saben, la producción de esta materia prima en los campos viejos se lleva a cabo por el método de inundación con agua, es decir, se bombea agua a los pozos, lo que desplaza el petróleo y el gas de los poros del yacimiento.

A medida que avanza el agotamiento, los yacimientos porosos se llenan de agua, que adquiere la temperatura de las rocas circundantes, y así los yacimientos se transforman en una caldera geotérmica, de la que es posible extraer simultáneamente petróleo y obtener agua para calefacción.

Por supuesto, se deben perforar pozos adicionales y crear un sistema de circulación, pero esto será mucho más económico que desarrollar un nuevo campo geotérmico.

Otra opción es extraer calor de rocas secas formando zonas permeables artificiales. La esencia del método es crear porosidad usando explosiones en rocas secas.

La extracción de calor de dichos sistemas se lleva a cabo de la siguiente manera: se perforan dos pozos a cierta distancia entre sí. Se bombea agua en uno, que, moviéndose hacia el segundo a través de los poros y grietas formadas, elimina el calor de las rocas, se calienta y luego sube a la superficie.

Tales sistemas experimentales ya están operando en los Estados Unidos e Inglaterra. En Los Álamos (EE. UU.), dos pozos, uno con una profundidad de 2.700 m y otro con 2.300 m, se conectan mediante fracturación hidráulica y se llenan con agua circulante calentada a una temperatura de 185 ° C. En Inglaterra, en Rosemenius cantera, el agua se calienta a 80 °C.

Planta de energía geotérmica

El calor del planeta como recurso energético

Cerca de la ciudad italiana de Larederello corre un ferrocarril eléctrico impulsado por vapor seco de un pozo. El sistema ha estado en funcionamiento desde 1904.

Los campos de géiseres en Japón y San Francisco son otros dos lugares famosos en el mundo que también utilizan vapor seco y caliente para generar electricidad. En cuanto al vapor húmedo, sus campos más extensos se encuentran en Nueva Zelanda y en un área más pequeña: en Japón, Rusia, El Salvador, México, Nicaragua.

Si consideramos el calor geotérmico como un recurso energético, entonces sus reservas son decenas de miles de millones de veces más altas que el consumo anual de energía de la humanidad en todo el mundo.

Solo el 1% de la energía térmica de la corteza terrestre, tomada desde una profundidad de 10.000 metros, sería suficiente para superponer cientos de veces las reservas de combustibles fósiles, como el petróleo y el gas, que produce continuamente la humanidad, lo que provocaría un agotamiento irreversible de el subsuelo y de la contaminación ambiental.

Esto se debe a razones económicas. Pero las plantas de energía geotérmica tienen emisiones de dióxido de carbono muy moderadas, alrededor de 122 kg por megavatio hora de electricidad generada, que es significativamente menor que las emisiones de la generación de energía con combustibles fósiles.

GeoPE industrial y perspectivas de energía geotérmica

El primer geoPE industrial con una capacidad de 7,5 MW se construyó en 1916 en Italia. Desde entonces, se ha acumulado una experiencia invaluable.

A partir de 1975, la capacidad total instalada de GeoPP en el mundo era de 1278 MW, y en 1990 ya era de 7300 MW. Los mayores volúmenes de desarrollo de energía geotérmica se encuentran en los Estados Unidos, México, Japón, Filipinas e Italia.

El primer geoPE en el territorio de la URSS se construyó en Kamchatka en 1966, su capacidad es de 12 MW.

Desde 2003, la planta de energía geográfica Mutnovskaya ha estado operando en Rusia, cuya potencia ahora es de 50 MW; es la planta de energía geoeléctrica más poderosa en Rusia en este momento.

El GeoPP más grande del mundo es Olkaria IV en Kenia, con una capacidad de 140 MW.

En el futuro, es muy probable que la energía térmica del magma se utilice en aquellas regiones del planeta donde no está demasiado profundo bajo la superficie de la Tierra, así como la energía térmica de las rocas cristalinas calentadas, cuando el agua fría se bombea en un pozo perforado a una profundidad de varios kilómetros y el agua caliente se devuelve a la superficie o vapor, después de lo cual obtienen calefacción o generan electricidad.

Surge la pregunta: ¿por qué actualmente hay tan pocos proyectos completados que utilizan energía geotérmica? En primer lugar, porque están ubicados en lugares favorables, donde el agua se vierte sobre la superficie de la tierra o se encuentra muy poco profunda. En tales casos, no es necesario perforar pozos profundos, que son la parte más costosa del desarrollo de la energía geotérmica.

El uso de aguas termales para el suministro de calor es mucho mayor que para la producción de electricidad, pero aún son pequeños y no juegan un papel significativo en el sector energético.

La energía térmica solo está dando los primeros pasos y la investigación actual, el trabajo industrial experimental debería dar una respuesta a la escala de su desarrollo posterior.