Природа геотермальных явлений
Геотермальная энергия представляет собой естественное тепло нашей планеты. О колоссальных запасах тепловой энергии свидетельствуют горячие источники, гейзеры, извержения расплавленной магмы из вулканов. С давних пор люди научились использовать эту энергию для своих нужд. Известно, что еще древние римляне на горячих геотермальных источниках строили бани, а также обогревали горячей водой жилые помещения.
Впервые геотермальная энергия была поставлена на службу человеку в промышленных масштабах в Италии. Еще в XVIII в. в районе Лардерелло начала добываться борная кислота, а в 1904 г. здесь же была построена первая электростанция, использующая геотермальный пар. В настоящее время ее мощность доведена до 390 МВт.
Сейчас около 20 геотермальных электростанций работают в Исландии, Италии, Мексике, СССР, США и Японии, однако их общая мощность невелика и составляет примерно 1,5 тыс. МВт.
Геотермальная энергия находит широкое применение для обогрева жилых помещений и теплиц, в промышленных и лечебных целях. Во всех этих случаях на поверхность Земли самостоятельно или через пробуренные скважины выходит горячая вода или пар.
В настоящее время внимание ученых и инженеров все больше концентрируется на извлечении глубинного тепла земной коры, или, как его называют, «сухого» тепла Земли. Уже в XVIII в. было замечено, что по мере углубления в угольных шахтах температура породы повышается. Впоследствии было установлено, что с ростом глубины температура земных недр увеличивается примерно на 20—40° С на каждый километр. Следовательно, на глубине 5 км существуют температуры, достаточные для образования пара, что открывает новые перспективы для использования тепла. Однако возникает вопрос: откуда берется эта энергия? Чтобы ответить на него, необходимо рассмотреть строение пашей планеты.
Земля состоит из нескольких слоев, различающихся температурой, плотностью и давлением. Верхний слой — кора — имеет толщину не более 35 км на суше и около 5 км в Мировом океане. Континентальная кора состоит в основном из гранитных пород, океаническая — из базальтовых,
Ниже располагается мантия толщиной 2900 км, что примерно равняется половине радиуса земного шара. Мантия занимает почти 80% объема нашей планеты и отделяется от земной коры поверхностью Мохоровичича. На этой границе наблюдается резкое изменение плотности материалов земных недр. Мантию слагают преимущественно тяжелые минералы, богатые магнием и железом. Температура здесь достигает столь высоких значений, что ее материал сильно размягчен. Однако жидкими являются только верхние слои мантии, внутри же при температурах 3000—4000° С и сверхвысоких давлениях вещество находится в состоянии ползучести.
На глубине 2900 км наблюдается резкий переход к сверхплотному расплавленному ядру. Еще ниже располагается внутреннее ядро радиусом около 1350 км, состоящее из твердого железа. Здесь температуры достигают 4000° С, а давление свыше 3 млн атм.
Как видно из описания структуры Земли, ее недра обладают высокими температурами, а следовательно, и огромными запасами энергии. За счет каких же источников они поддерживаются? Если предположить, что во время формирования нашей планеты образовался тепловой запас, оцениваемый в 18·109 ТВт/год, то для полного ее охлаждения нужно примерно 500 млн лет (Земля теряет 32 ТВт/год энергии, излучая ее в космос). Вместе с тем известно, что возраст Земли составляет 4,5 млрд лет.
Следовательно, энергии, накопленной ею во время образования, недостаточно, чтобы поддержать как высокие температуры, так и процессы, требующие колоссальных затрат энергии (например, передвижение материков, геотермальные извержения и т. д.). Вероятно, в недрах Земли существует дополнительный источник энергии, который и обеспечивает тепловой баланс планеты и высокоэнергетические процессы. Таким источником может быть энергия распада радиоактивных элементов. Удельная тепловая мощность этого источника мала. Она составляет 10-6 Вт/т для гранитной породы, около 10-7 Вт/т для базальтовой породы и примерно 10-9 Вт/т для материала мантии.
Зная массу пород Земли и ее возраст, можно определить запасы тепловой энергии за счет радиоактивности нашей планеты. Они оцениваются в 200-109 ТВт/год. Этой энергии достаточно для передвижения на поверхности мантии материков, границы которых и являются районами (геотермальными поясами) повышенной геотермальной активности (рис. 19), наиболее перспективными для использования тепла Земли в различных целях.
Рис. 19. Геотермальные пояса Земли (заштрихованные области)
1 — районы с повышенными тепловыми потоками, исходящими из Земли; 2 — участки с геотермальными проявлениями
Источники геотермальной энергии
Все источники геотермальной энергии можно подразделить на гидротермальные и петротермальные. Гидротермальные источники, в свою очередь, делятся на водяные, пароводяные и паровые.
Водяные геотермальные источники залегают на различной глубине. Одно из основных условий их существования — наличие непроницаемого для воды слоя горных пород, который передает тепло от мантии к формациям, содержащим в больших количествах воду. Находясь под давлением выше атмосферного, вода здесь может нагреваться до температуры выше 100° С и выходить на поверхность обычно в виде пароводяной смеси.
В пароводяных и паровых месторождениях водоносные слои находятся между двумя водонепроницаемыми прослойками. Нижняя передает тепло от мантии к воде, а верхняя не допускает ее выхода на поверхность Земли. Вода в таких местах превращается в пар, а при высоких давлениях — в перегретую поду, извлечение же пара на поверхность Земли возможно лишь при помощи бурения. При этом пар сам выходит на поверхность через скважину. Эти источники самоизливающиеся.
Температуры воды или пара во всех геотермальных источниках зависят от их расстояния до мантии Земли, а также от близости к раскаленной или расплавленной магме. Термальные подземные воды, подогретые до температур, необходимых для энергетического использования, часто встречаются на глубинах 2—6 км.
Петротермальные месторождения расположены в районах земной коры, где нет воды. При температурном градиенте 20—40° С на 1 км в толще Земли па глубинах свыше 3 км достигаются температуры, достаточные для подогрева воды или получения пара. Поэтому если на такую глубину пробурить две скважины и закачать в одну из них воду, то через другую можно получить пар или горячую воду. На этом основан принцип использования «сухого» тепла Земли.
