Energia geotérmica e sua utilização, perspectivas para a energia geotérmica

Existe uma enorme energia térmica dentro da Terra. As estimativas aqui ainda são bastante diferentes, mas de acordo com as estimativas mais conservadoras, se nos limitarmos a uma profundidade de 3 km, então 8 x 1017 kJ de energia geotérmica. Ao mesmo tempo, a escala de sua aplicação real em nosso país e no mundo é insignificante. Qual é o problema aqui e quais são as perspectivas de uso da energia geotérmica?

A energia geotérmica é a energia do calor da Terra. A energia liberada do calor natural da Terra é chamada de energia geotérmica. Como fonte de energia, o calor da Terra, combinado com as tecnologias existentes, pode suprir as necessidades da humanidade por muitos e muitos anos. E isso sem falar no calor que corre muito fundo, em áreas até então inacessíveis.

Por milhões de anos, esse calor é liberado das entranhas de nosso planeta, e a taxa de resfriamento do núcleo não ultrapassa 400 ° C por bilhão de anos! Ao mesmo tempo, a temperatura do núcleo da Terra, segundo várias fontes, não é inferior a 6650 ° C e diminui gradualmente em direção à sua superfície. 42 trilhões de watts de calor são constantemente irradiados da Terra, apenas 2% dos quais estão na crosta.

A energia térmica interna da Terra de tempos em tempos se manifesta ameaçadoramente na forma de erupções de milhares de vulcões, terremotos, movimentos da crosta terrestre e outros processos naturais menos perceptíveis, mas não menos globais.

O ponto de vista científico sobre as causas desse fenômeno é que a origem do calor da Terra está relacionada ao processo contínuo de decaimento radioativo do urânio, tório e potássio no interior do planeta, bem como à separação gravitacional da matéria em seu núcleo.

A camada de granito da crosta terrestre, a 20.000 metros de profundidade, é a principal zona de decaimento radioativo dos continentes, e para os oceanos, o manto superior é a camada mais ativa. Os cientistas acreditam que nos continentes, a uma profundidade de cerca de 10.000 metros, a temperatura no fundo da crosta é de cerca de 700 ° C, enquanto nos oceanos a temperatura chega a apenas 200 ° C.

Dois por cento da energia geotérmica na crosta terrestre é uma constante de 840 bilhões de watts, e esta é uma energia tecnologicamente acessível. Os melhores lugares para extrair essa energia são áreas próximas às bordas das placas continentais, onde a crosta é muito mais fina, e áreas de atividade sísmica e vulcânica – onde o calor da Terra se manifesta muito próximo à superfície.

Onde e de que forma ocorre a energia geotérmica?

Atualmente, o desenvolvimento da energia geotérmica está ativamente engajado em: EUA, Islândia, Nova Zelândia, Filipinas, Itália, El Salvador, Hungria, Japão, Rússia, México, Quênia e outros países, onde o calor das entranhas do planeta sobe à superfície na forma de vapor e água quente, extinguindo-se, a temperaturas que chegam aos 300°C.

Os famosos gêiseres da Islândia e Kamchatka, bem como o famoso Parque Nacional de Yellowstone, localizado nos estados americanos de Wyoming, Montana e Idaho, cobrindo uma área de quase 9.000 quilômetros quadrados, podem ser citados como exemplos vívidos.

Quando se fala em energia geotérmica, é muito importante lembrar que ela é em sua maioria de baixo potencial, ou seja, a temperatura da água ou do vapor que sai do poço não é elevada. E isso afeta significativamente a eficiência do uso dessa energia.

O fato é que para a produção de eletricidade hoje é economicamente conveniente que a temperatura do refrigerante seja de pelo menos 150 ° C. Nesse caso, ele é enviado diretamente para a turbina.

Existem instalações que utilizam água a uma temperatura mais baixa. Neles, a água geotérmica aquece o refrigerante secundário (por exemplo, Freon), que tem baixo ponto de ebulição. O vapor gerado gira a turbina. Mas a capacidade dessas instalações é pequena (10 a 100 kW) e, portanto, o custo da energia será maior do que nas usinas que usam água em alta temperatura.

GeoPP na Nova Zelândia

Os depósitos geotérmicos são rochas porosas preenchidas com água quente. São essencialmente caldeiras geotérmicas naturais.

Mas e se a água gasta na superfície da terra não for jogada fora, mas devolvida à caldeira? Criar um sistema de circulação? Neste caso, não só será utilizado o calor da água termal, mas também as rochas circundantes. Tal sistema aumentará seu número total em 4-5 vezes. A questão da poluição ambiental com água salgada é removida, pois ela retorna ao horizonte subterrâneo.

Na forma de água quente ou vapor, o calor é entregue à superfície, onde é usado diretamente para aquecer edifícios e casas ou para gerar eletricidade. Também é útil o calor da superfície da Terra, que geralmente é alcançado pela perfuração de poços, onde o gradiente aumenta 1 °C a cada 36 metros.

Para absorver esse calor, eles usam bombas de calor… Água quente e vapor são usados ​​para gerar eletricidade e para aquecimento direto, e o calor concentrado profundamente na ausência de água é convertido em uma forma útil por bombas de calor. A energia do magma e o calor que se acumula sob os vulcões são extraídos de maneiras semelhantes.

Em geral, existem vários métodos padrão para gerar eletricidade em usinas geotérmicas, mas novamente diretamente ou em um esquema semelhante a uma bomba de calor.

No caso mais simples, o vapor é simplesmente direcionado através de uma tubulação para a turbina de um gerador elétrico. Em um esquema complexo, o vapor é pré-purificado para que as substâncias dissolvidas não destruam os canos. No esquema misto, os gases dissolvidos na água são eliminados após a condensação do vapor na água.

Finalmente, existe um esquema binário onde outro líquido com baixo ponto de ebulição (esquema de trocador de calor) atua como refrigerante (para receber calor e girar a turbina do gerador).

As mais promissoras são as bombas de calor de absorção a vácuo com água e cloreto de lítio. Os primeiros aumentam a temperatura da água termal devido ao consumo de eletricidade na bomba de água a vácuo.

Água de poço com temperatura de 60 a 90 ° C entra no evaporador a vácuo. O vapor gerado é comprimido por um turbocompressor. A pressão é selecionada dependendo da temperatura necessária do líquido de arrefecimento.

Se a água for diretamente para o sistema de aquecimento, então é 90 - 95 ° C, se para as redes de aquecimento, então 120 - 140 ° C. No condensador, o vapor condensado cede seu calor à água que circula no aquecimento da cidade redes, sistemas de aquecimento e água quente .

Que outras opções existem para aumentar o uso de energia geotérmica?

Uma das direções está relacionada ao uso de depósitos de petróleo e gás amplamente esgotados.

Como você sabe, a produção dessa matéria-prima em campos antigos é realizada pelo método de inundação, ou seja, a água é bombeada para os poços, o que desloca o óleo e o gás dos poros do reservatório.

À medida que o esgotamento avança, os reservatórios porosos são preenchidos com água, que adquire a temperatura das rochas circundantes, e assim os depósitos são transformados em uma caldeira geotérmica, da qual é possível simultaneamente extrair óleo e obter água para aquecimento.

Claro, poços adicionais devem ser perfurados e um sistema de circulação criado, mas isso será muito mais barato do que desenvolver um novo campo geotérmico.

Outra opção é extrair calor de rochas secas formando zonas artificiais permeáveis. A essência do método é criar porosidade usando explosões em rochas secas.

A extração de calor de tais sistemas é realizada da seguinte forma: dois poços são perfurados a uma certa distância um do outro. A água é bombeada para um, que, passando para o segundo através dos poros e rachaduras formados, retira o calor das rochas, aquece e depois sobe à superfície.

Esses sistemas experimentais já estão operando nos Estados Unidos e na Inglaterra. Em Los Alamos (EUA), dois poços — um com profundidade de 2.700 m e outro — 2.300 m, são conectados por fraturamento hidráulico e preenchidos com água circulante aquecida a uma temperatura de 185 ° C. Na Inglaterra, no Rosemenius pedreira, a água é aquecida a 80 °C.

Usina geotérmica

O calor do planeta como recurso energético

Perto da cidade italiana de Larederello opera uma ferrovia elétrica movida a vapor seco de um poço. O sistema está em operação desde 1904.

Os campos de gêiseres no Japão e em São Francisco são outros dois lugares famosos no mundo que também usam vapor quente seco para gerar eletricidade. Quanto ao vapor úmido, seus campos mais extensos estão na Nova Zelândia e menores em área - no Japão, Rússia, El Salvador, México, Nicarágua.

Se considerarmos o calor geotérmico como um recurso energético, suas reservas são dezenas de bilhões de vezes maiores que o consumo anual de energia da humanidade em todo o mundo.

Apenas 1% da energia térmica da crosta terrestre, captada de uma profundidade de 10.000 metros, seria suficiente para sobrepor centenas de vezes as reservas de combustíveis fósseis, como petróleo e gás, produzidas continuamente pelo homem, levando ao esgotamento irreversível da subsolo e da poluição ambiental.

Isso se deve a razões econômicas. Mas as usinas geotérmicas têm emissões de dióxido de carbono muito moderadas, cerca de 122 kg por megawatt-hora de eletricidade gerada, o que é significativamente menor do que as emissões da geração de energia de combustível fóssil.

GeoPE Industrial e Perspectivas de Energia Geotérmica

O primeiro geoPE industrial com capacidade de 7,5 MW foi construído em 1916 na Itália. Desde então, uma experiência inestimável foi acumulada.

A partir de 1975, a capacidade total instalada da GeoPP no mundo era de 1278 MW, e em 1990 já era de 7300 MW. Os maiores volumes de desenvolvimento de energia geotérmica estão nos Estados Unidos, México, Japão, Filipinas e Itália.

O primeiro geoPE no território da URSS foi construído em Kamchatka em 1966, sua capacidade é de 12 MW.

Desde 2003, a usina geográfica Mutnovskaya está em operação na Rússia, cuja potência agora é de 50 MW - é a usina geoelétrica mais poderosa da Rússia no momento.

O maior GeoPP do mundo é Olkaria IV no Quênia, com capacidade de 140 MW.

No futuro, é muito provável que a energia térmica do magma seja utilizada nas regiões do planeta onde não está muito abaixo da superfície da Terra, assim como a energia térmica das rochas cristalinas aquecidas, quando a água fria é bombeada para um furo perfurado a vários quilômetros de profundidade e a água quente é devolvida à superfície ou vapor, após o que recebem aquecimento ou geram eletricidade.

Surge a pergunta - por que atualmente existem tão poucos projetos concluídos usando energia geotérmica? Em primeiro lugar, porque estão localizados em locais favoráveis, onde a água ou se derrama na superfície da terra, ou se situa muito rasa. Nesses casos, não é necessário perfurar poços profundos, que são a parte mais cara do desenvolvimento da energia geotérmica.

A utilização das águas termais para o abastecimento de calor é muito maior do que para a produção de eletricidade, mas ainda é pequena e não tem um papel significativo no setor energético.

A energia térmica está apenas dando os primeiros passos e a pesquisa atual, o trabalho experimental-industrial deve dar uma resposta para a escala de seu desenvolvimento posterior.