Развитие человеческой цивилизации неразрывно связано с непрерывно возрастающим потреблением энергии. Если на ранних ступенях цивилизации энергия расходовалась только на обогрев жилья и приготовление пищи, то сегодня потребителями энергии являются не только коммунальное хозяйство, но и все отрасли непрерывно развивающегося промышленного и сельскохозяйственного производства.

Примерно до середины 20 века для выработки энергии использовались почти исключительно такие природные энергоносители, как каменный уголь, нефть и природный газ. Позже, по мере истощения их запасов при непрерывном росте потребления энергии, все большее внимание сначала наука, а затем и практика стали обращать на так называемые альтернативные источники энергии.

К ним относится, помимо более известных ветрогенераторов и солнечных батарей, также различные системы использования высокой температуры недр нашей планеты Земли. Этот вид энергии и промышленные технологии ее использования называют геотермальной энергией и геотермальной энергетикой соответственно.

Что такое геотермальная энергия

Использование геотермальной энергии неразрывно связано с изучением физических процессов в недрах Земли. По мере приближения к центру Земли, к ее раскаленному ядру, температура слоев земной коры растет независимо от климата и погоды на поверхности – приблизительно на 2.5-3 °C на 100 м глубины.

Температура в глубинах Земли, по оценкам ученых, составляет порядка 6000 градусов, причем под слоем расплавленной магмы, в которой плавают материковые плиты, находится твердое ядро. Для практического использования в современной геотермальной энергетике имеет значение температура ближайших к поверхности слоев земной коры и находящихся в ней подземных водных резервуаров.

Иногда промышленное использование горячей подземной воды и пара определяют как гидротермальную энергетику, относя к строго геотермальной, или петротермальной, только использование тепла твердых подземных пород.

Очевидно, петротермальное тепло, в отличие от гидротермального, доступно повсеместно, однако его промышленная реализация технологически гораздо сложнее, поэтому в настоящее время используются прежде всего природные источники горячей воды и пара.

Глобальное распределение геотермальной энергетики

Толщина земной коры, зависимость температуры ее внутренних слоев от глубины и, соответственно, доступность геотермальной энергии в различных регионах планеты сильно различаются.

Над границами литосферных плит, в горных районах и на побережьях океанов источники геотермальной энергии гораздо доступнее. В литературе имеется множество карт, схем и рисунков, иллюстрирующих эту неравномерность.

Численным показателем доступности геотермальной энергии может служить градиент роста температуры среды в зависимости от глубины. По этому показателю регионы Земли можно разделить на несколько категорий:

1. Геотермальные, расположенные вблизи границ континентальных плит. Градиент температуры свыше 80°C/км. Примерами могут служить расположенная в итальянской провинции Пиза коммуна Лардерелло, где функционирует построенная первой в мире геотермальная электростанция, районы с горячими гейзерами в Исландии, на Камчатке, долина гейзеров в Йеллоустонском национальном парке Америки.
2. Полутермальные с градиентом температуры 40-80°C/км. Примером могут служить некоторые районы Франции. Обычные, с градиентом температуры менее 40°C/км – большая часть поверхности Земли.

Распределение по поверхности Земли районов с высоким залеганием высокотемпературных слоев коры во многом определяет и концентрацию в определенных регионах использующих природное тепло энергетических промышленных предприятий. Так, помимо уже упоминавшейся Исландии и промышленно развитой Японии, большая доля таких предприятий имеется на Филиппинах.

В России, кроме дальневосточного побережья Сахалина и Курильских островов, районы с более высокой геотермальной активностью можно практически полностью идентифицировать с горными районами вдоль южных границ страны, на Кавказе и в Восточной Сибири.

Как получить геотермальную энергию и где она используется

Наиболее естественный вариант применения геотермальной энергии- это использование ее для отопления. Принцип действия и оборудование такой тепловой станции остаются практически неизменными, отличие состоит в отсутствии или уменьшенной мощности котла для нагрева воды и необходимости химической очистки термальной воды, часто содержащей активные примеси, перед ее направлением в трубы отопления. Так, в нашей стране в Краснодарском крае имеется целый поселок (Мостовской), отапливаемый исключительно геотермальными источниками.

При достаточно высокой температуре термальной воды она может быть использована для выработки электроэнергии по принципу тепловых электростанций. В простейшем случае на турбину подается непосредственно образуемый в термальном источнике пар. При слишком низкой для интенсивного образования вращающего турбину пара температуре термальной воды она дополнительно нагревается.

При недостаточной для интенсивного испарения температуре термальной воды может быть также применен так называемый бинарный принцип: горячая термальная вода используется для нагрева и испарения другой жидкости с низкой температурой кипения, например фреона, который и образует вращающий турбину рабочий пар. Этот принцип воплощен в России в экспериментальной установке, входящей в состав геотермального комплекса на Камчатке.

Тепловой насос

Термальное тепло может быть применено также для обогрева отдельных домохозяйств типа загородного дома. Для этого используется принцип теплового насоса. Хладагент в виде жидкости, находящийся под высоким давлением, попадает в испаритель, где давление резко падает, и испаряется, забирая через стенки тепло у окружающей среды (воды или земли).

Компрессор сжимает поступающий в него в парообразном состоянии хладагент, температура которого при сжатии повышается, и передает его в конденсатор, где хладагент переходит в жидкую фазу, отдавая тепло жидкости контура отопления.

Для объяснения работы теплового насоса его часто сравнивают с «холодильником наоборот»: паразитный нагрев окружающего воздуха, сопровождающий работу холодильника, становится основной целью работы для теплового насоса.

Объяснение принципа действия теплового насоса, методика его расчета и самостоятельной сборки с использованием покупных и самодельных деталей, схемы и фотографии отдельных частей и системы водяного насоса в целом достаточно распространены в русскоязычных изданиях, посвященных самостоятельному обустройству жилища.

Заключение

Геотермальная энергетика, предоставляющая человечеству практически неисчерпаемый запас экологически чистой энергии, несомненно, будет все шире применяться в будущем наряду с другими видами альтернативной энергетики, приходя на смену использованию истощающихся запасов угля, нефти и природного газа.