Можливі екологічні прояви геотермальної енергетики

Використання геотермальної енергії для теплопостачання житлових і виробничих будівель

Використання геотермальної енергії для вироблення теплової і електричної енергії

Джерела геотермального тепла.

ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГІЯ

Лекція 7

Під геотермікою (від грецьких слів «гео» - земля і «термо» - тепло) розуміється наука, що вивчає тепловий стан земної кори і Землі в цілому, його залежність від геологічної будови, складу гірських порід, магматичних процесів і цілого ряду інших чинників. Критерієм теплового стану земної кулі є поверхневий градієнт температури, що дозволяє судити про втрати тепло Землі. Екстраполюючи градієнт на великі глибини, можна якоюсь мірою оцінити температурний стан земної кори. Величина, відповідна поглибленню в метрах, при якому температура підвищується на 1° З, називається геотермічним рівнем. У зв'язку із зміною інтенсивності сонячного випромінювання тепловий режим перших 1,5-40 м земної кори характеризується добовими і річними коливаннями. Далі мають місце багатолітні і вікові коливання температури, які з глибиною поступово затухають.

Середня величина геотермічного рівня рівна 33 м, і з поглибленням від зони постійної температури на кожних 33 м температура підвищується на 1 °С. Геотермічні умови надзвичайно всілякі. Це пов'язано з геологічною будовою того або іншого району Землі. Відомі випадки, коли збільшення температури на 1° З відбувається при поглибленні на 2-3 м. Ці аномалії зазвичай знаходяться в областях сучасного вулканізму. На глибині 400-600 м в деяких районах, наприклад Камчатки, температура доходить до 150-200 °С і більш. В даний час отримані дані про досить глибоке промерзання верхньої зони земної кори. Геотермічні спостереження в зоні вічної мерзлоти дозволили встановити, що потужність мерзлих гірських порід досягає 1,5 тис. м. Так, в районі річки Мархи (приплив Вілюя) на глибині 1,8тыс. м температура складає всього лише 3,6 °С. Тут геотермічний рівень складає 500 м на 1 °С. На окремих платформених частинах території (на Російській платформі) температура з глибиною приблизно следующая:500 м – не вище 20° З, 1 тис. м – 25-35° З; 2 тис. м – 40-60° З; 3-4 тис. м –до 100° З і більш.

9.2. Підземні термальні води (гидротермы)

У земній корі існує рухливий і надзвичайно теплоємний енергоносій – вода, що грає важливу роль в тепловому балансі верхніх геосфер. Вода насичує всі породи осадового чохла. Вона міститься в породах гранітної і осадової оболонок, а ймовірно, і у верхніх частинах мантії. Рідка вода існує лише до глибин 10-15 км., нижче при температурі близько 700 °С вода знаходиться виключно в газоподібному стані. На глибині 50-60 км. при тисках близько 3·104 атм зникає кордон фазовости, тобто водяний газ набуває такої ж щільності, що і рідка вода. У будь-якій точці земної поверхні, на певній глибині, залежній від геотермічних особливостей району, залягають пласти гірських порід, що містять термальні води (гидротермы). У зв'язку з цим в земній корі слід виділяти ще одну зону, умовно звану «гидротермальной оболонкою». Вона просліджується повсюдно по всій земній кулі лише на різній глибині. У районах сучасного вулканізму гидротермальная оболонка інколи виходить на поверхню. Тут можна виявити не лише гарячі джерела, киплячих грифонів і гейзери, але і парогазовые струмені з температурою 180-200° З і вище. Температура підземних вод вагається в широких межах, обумовлюючи їх стан, впливаючи на склад і властивості. Відповідно до температури теплоносія всі геотермальні джерела підрозділяють на эпитермальные, мезотермальные і гипотермальные. До эпитермальным джерел зазвичай відносять джерела гарячої води з температурою 50-90°С, розташовані у верхніх шарах осадових порід, куди проникають грунтові води. До мезотермальным джерел відносять джерела з температурою води 100-200 °С. У гипотермальных джерелах температура у верхніх шарах перевищує 200 °С і практично не залежить від грунтових вод. Походження термальних вод може бути пов'язане з діяльністю теплових вогнищ, але найчастіше вода, тим або іншим способом потрапляючи в пласт породи, здійснює довгу дорогу, поки не приходить в контакт з тепловим потоком або поступово розігрівається, відбираючи тепло в порід. Рідка фаза води і тепло можуть походити з одного джерела лише в тому випадку, якщо таким є остигаючий магматичний розплав. Перегріта вода у вигляді парових струменів виділяється з розплаву разом з газами і легколетучими компонентами, спрямовуючись у верхніх, холодніші горизонти. Вже при температурах 425-375 °С пара може конденсуватися в рідку воду; у ній розчиняються більшість летких компонентов– так з'являється гидротермальный розчин «ювенільного» (первозданного) типа. Під терміном «ювенільні» геологи мають на увазі води, які ніколи раніше не брали участь у водозвороті; такі гидротермы у прямому розумінні слова є первинними, новоутвореними. Вважають, що так само сформувалася вся поверхнева гідросфера Морея і океанів в епоху молодої магматичної активності планети, коли лише-лише зароджувалися тверді консолідовані «острови» материкових платформ. Прямою протилежністю «ювенільних» вод є води інфільтраційного походження. Якщо «ювенільні» води, відділяючись від магматичного розплаву, піднімаються до поверхні, то переважаючий рух інфільтраційних вод – від поверхні углиб. Джерело вод цього типа є атмосферними осіданнями або взагалі поверхневі водотоки. По поровому простору порід або зонам тріщин ці води проникають (инфильтруются) в глибші горизонти. По шляху руху вони насичуються різними солями, розчиняють підземні гази, нагріваються, відбираючи тепло у водопровідних порід. Залежно від глибини проникнення інфільтраційних вод вони стають більш менш нагрітими. За середніх геотермічних умов для того, щоб інфільтраційні води стали термальними (тобто з температурою більше 37 °С), необхідне їх занурення на глибину 800-1000 м. Інфільтраційні гидротермы здатні виливатися на поверхню у вигляді гарячих джерел, якщо існує можливість розвантаження води на поверхню по розломах, виклинюваннях шарів, що відбувається в нижчих відносно області живлення ділянках. Причому, аби вода залишалася термальною, під'їм її до поверхні повинен відбуватися дуже швидко, наприклад, по широких тріщинах розломів. При повільному підйомі гидротермы остигають, віддаючи закумульоване тепло вміщаючим породам. Проте, якщо пробурити свердловину на глибину 3-4 тис. м і забезпечити швидкий підйом води, можна отримати термальний розчин з температурою до 100 °С. Все це стосується областей з середніми геотермічними показниками і не відноситься до вулканічних районів або зон недавнього горнообразования.

Вулканічного типа термальних вод слід виділити особливо. Як вже говорилося, гарячі джерела вулканічних районів не можна цілком вважати «ювенільними», тобто магматичними. Досвід досліджень показує, що в переважному випадку вода вулканічних терм має поверхневе інфільтраційне походження. Окрім гейзерів вулканічний тип гидротерм включає грязьових грифонів і казани, парові струмені і газові фумаролы. Всі перераховані типи термальних вод мають всілякий хімічний і газовий склад. Їх загальна мінералізація вагається від ультрапресных категорій (менше 0,1 г/л) до категорій надміцних рассолов(більше 600 г/л). Гидротерми містять в розчиненому стані різні гази: активні (агресивні), такі, як вуглекислота, сірководень, атомарний водень, і малоактивні – азот, метан, водень. У геотермальній енергетиці можуть бути використані практично всі види термальних вод: перегріті води – при видобутку електроенергії, прісні термальні води – в комунальному теплообеспечении, солоноватые води – в бальнеологічних цілях, рассолы – як промислова сировина.