Новые технологии и геотермальная энергия

Мировое сообщество, как никогда прежде, сосредоточено на поиске чистых, возобновляемых источников энергии для замены ископаемого топлива. Нефтяные и угольные запасы, как и природный газ играли ключевую роль в экономическом росте со времён первой промышленной революции. Эта модель, основанная на кажущейся неограниченной доступности этих ресурсов, впоследствии была принята развивающимися странами, что привело к резкому увеличению вредных выбросов, которые теперь представляют глобальную угрозу для человечества. Существуют экологически чистые альтернативы, такие как солнечная, ветровая, гидродинамическая и геотермальная энергия. Солнечное излучение и ветер — естественные явления, но их недостаток — непостоянство и непредсказуемость. Аккумуляторные батареи могут помочь сгладить эти колебания, накапливая энергию для использования в периоды отсутствия интенсивного солнечного света или достаточно мощного ветра. Однако использование аккумуляторных батарей сопряжено с рядом сложностей, включая необходимость использования редкого и дорогостоящего сырья, а также утилизацией и переработкой.

Геотермальная энергия, напротив, надёжна и экологична, но пока традиционно ограничена определёнными геологически-активными регионами. До сих пор настоящей проблемой был доступ к огромному теплу, заключённому глубоко в недрах Земли. Но уже появляются новые технологии, позволяющие бурить скважины достаточно глубоко, чтобы использовать потенциально неограниченные запасы геотермальной энергии.

Тепловая энергия, сохраняемая Землёй, имеет два источника. Первый – остаточное тепло после образования планеты. Когда Земля формировалась около 4,5 миллиардов лет назад, то в результате столкновений и сжатия колоссальная гравитационная энергия преобразовалась в тепловую. Ещё одним источником тепла является радиоактивный распад таких элементов, как уран-238 и -235, торий-232 и калий-40 в мантии земной коры, которое со временем приводит к выделению тепла. Без этого процесса распада недра Земли остывали бы гораздо быстрее, что существенно изменило бы её геодинамические свойства и повлияло бы на жизнь всех обитателей и растений. Это тепло непрерывно течёт из недр Земли к поверхности, но теплопередача происходит очень медленно. Плотность теплового потока, измеряемая в милливаттах на квадратный метр и показывающая количество тепла, выходящего из Земли через единицу её поверхности, составляет около 87 мВт на метр квадратный.

Земная кора, в области которой работает большинство геотермальных электростанций, простирается до глубины 70 километров. Верхняя мантия располагается на глубинах от 70 до 660 км, являясь источником огромного неиспользованного геотермального тепла. Продвигаясь ещё глубже, мы обнаруживаем нижнюю мантию (чрезвычайно горячую, но недоступную для современных технологий), внешнее ядро ​​из жидкого железа (с температурой более 4000 °C) и внутреннее ядро ​​(полное твёрдого металла с температурой, схожей с температурой поверхности Солнца, и давлением около 3,6 миллиона атмосфер, или 360 ГПа). Геотермический градиент в континентальной коре составляет около 25–30 °C на километр глубины, но в вулканических или тектонически активных областях он может достигать 60–100 °C/км. В стабильных континентальных недрах его значение колеблется от 20 до 5 °C/км.

Помимо простого применения пара для выработки электроэнергии существует несколько способов использования геотермальной энергии, например, на паросиловых электростанциях. В парогенераторах горячая вода (выше 180°C) под высоким давлением подаётся на поверхность. При падении давления вода «вскипает» в пар, который приводит в движение турбины, вырабатывающие электроэнергию.

Электрогенерирующие установки с бинарным циклом используют умеренно горячую воду (обычно от 70°C до 170°C) для нагрева вторичной жидкости с более низкой температурой кипения. Испаряясь, эта вторичная жидкость вращает турбину. Этот метод применяется в случаях, когда геотермальная вода недостаточно горячая для прямого производства пара. Геотермальную энергию также можно использовать непосредственно для отопления. Горячая вода циркулирует по трубопроводам, обеспечивая теплом частные дома, здания, теплицы, спа-салоны или промышленные процессы. Эту же энергию можно использовать не только для нагрева, но и для процессов охлаждения, например, небольших дата-центров.

В перспективе сверхкритические геотермальные системы смогут генерировать до 10 раз больше энергии, чем традиционные методы. Для достижения глубин, где температура превышает 500°C, требуется очень глубокое бурение. На таких глубинах вода может перегреваться, производя высокоэффективный пар, идеально подходящий для производства электроэнергии. Именно для таких систем сейчас разрабатываются системы бурения посредством миллиметровых волн — это бесконтактный метод бурения, при котором для испарения подземной породы используются высокочастотные электромагнитные волны, в частности, в миллиметровом диапазоне электромагнитного спектра (30–300 ГГц). Испарение горных пород изначально требует большого количества энергии — значительно больше, чем их плавление. Например, для испарения гранита требуется примерно 2000–3000 кВт·ч/м³. Этот процесс предполагает нагрев горных пород специальным устройством гиротрон до температуры более 2000 °C, в зависимости от их состава.

Эти новейшие системы использует мощную вакуумную трубку, создающую сфокусированный пучок миллиметровых волн. Эти волны, направляемые в скважину по специальным волноводам, точно направляются на забойную породу. При воздействии миллиметровых волн на породу она поглощает энергию, и её температура быстро повышается. Достигнув точки испарения, порода сублимируется, превращаясь в пар. Поскольку этот процесс создаёт плазмоподобную зону, испарённая порода удаляется либо потоком инертного газа, либо системой управления давлением. В последнем случае в верхней части скважины создаётся небольшой вакуум, который поднимает газ из породы вверх за счёт градиента давления.

Поскольку метод бурения не предполагает физического контакта, отсутствует механический износ буровых долот. Это позволяет быстрее и глубже бурить сверхтвёрдые материалы, где традиционные методы часто дают сбой или буры быстро выходят из строя. Достижение более глубоких и горячих зон позволяет использовать сверхкритическую геотермальную энергию, которая содержит в 5–10 раз больше тепла на единицу, чем обычно в верхних слоях земной коры.

Ещё одним существенным преимуществом является возможность перепрофилирования старых электростанций, работающих на ископаемом топливе, путём замены источников тепла глубокими геотермальными скважинами. Наконец, геотермальные электростанции занимают меньшую площадь на поверхности, чем другие возобновляемые источники энергии, такие как ветровые или солнечные электростанции.

Гиротрон можно рассматривать как устройство, преобразующее кинетическую энергию электронов в электромагнитное излучение. Сначала электроны испускаются из нагретого катода в вакууме. Сильное магнитное поле заставляет их закручиваться в тугие спирали под действием силы Лоренца, что приводит к движению с угловой частотой, известной как циклотронный резонанс. Когда эти спиральные электроны проходят через резонансную полость, их движение взаимодействует с электромагнитным полем полости. Такое взаимодействие приводит к передаче энергии от электронов полю, усиливая электромагнитные волны с частотой, определяемой скоростью электронов, напряжённостью магнитного поля и геометрией полости. Результатом является когерентное микроволновое излучение в миллиметровом диапазоне. Эти волны затем направляются в волноводы, которые передают энергию к цели, например, к забою скважины для геотермального бурения.

Технология может сыграть решающую роль в глобальном переходе к чистой энергетике, потенциально создавая новые рабочие места и стимулируя экономический рост — возможности, которые в равной степени доступны любой стране. Помимо выработки электричества и тепла, глубинная геотермальная энергия может также поддерживать крупномасштабные промышленные процессы, требующие высоких температур, такие как опреснение, что является жизненно важным решением в ответ на сокращение ресурсов пресной воды.