Извержение вулкана

Все мы хорошо знаем, что альтернативная энергия более безопасна для окружающей среды, чем традиционная. Нам известно, что ее источниками являются Солнце, ветер, приливы, биомасса. Однако в современном информационном мире мало внимания уделяется еще одному источнику альтернативной энергии — вулканам. Отчасти от того, что на этом фронте успехи не такие значимые.

Но если бы мы научились использовать мощь вулканов хотя бы процентов на 50, для получения света и тепла нам не нужны были бы ни газ, ни нефть. Дело в том, что вулканы могут дать людям такое количество энергии, которое превышает энергию от мировых запасов газа и нефти в тысячи раз.

Откуда берется энергия вулканов

Нашу планету в какой-то степени можно сравнить с яйцом: сперва идет “твердая скорлупа”, называемая литосферой, затем “вязкий белок” — мантия, и плотный (предположительно) “желток” — ядро.

Толщина “твердой скорлупы” на суше и в океане разнится: в первом случае она достигает 50-70 км, во-втором может составлять 5-20 км. Вся литосфера поделена на блоки, которые все вместе напоминают мозаику, изрезанную разломами и трещинами — ученые называют такие блоки литосферными плитами.

Внутреннее строение Земли

Фото: geographyofrussia.com/ Внутреннее строение Земли

Что касается мантии — она очень горячая, ее температура варьируется от нескольких сотен до нескольких тысяч градусов: чем ближе к ядру, тем температура выше, и, соответственно, чем ближе к литосфере, тем ниже. Разница температур — эта та причина, по которой вещества в мантии перемешиваются: более холодные массы опускаются вниз, а горячие поднимаются вверх. Хотя мантия и разогрета до высоких температур, она не жидкая, а, как мы сказали выше, вязкая из-за сильного давления внутри Земли.

Блоки нашей “твердой скорлупы” лежат на мантии, немного погрузившись в нее под тяжестью своего веса. Когда разогретая масса мантии поднимается вверх к поверхности, она начинает двигаться под литосферными “мозаичными” плитами, заставляя их невольно следовать за ней.

Если при этом часть одной плиты оказывается прижатой сверху другим литосферным блоком, то эта часть постепенно все глубже и глубже погружается в мантию и плавится, в результате чего образуется жидкая магма — расплавленные горные породы с парами воды и газом.

Так как магма легче окружающих ее пород, она начинает медленно подниматься вверх и накапливаться в магматических камерах, расположенных вдоль линий столкновения плит. Ее температура в этот момент составляет приблизительно 900-1200 °C.

Магматическая камера под вулканами

Фото: shilchik.livejournal.com/ Когда магма достигает поверхности, она остывает, теряет газы и становится лавой

Поведение раскаленной магмы в таких очагах в какой-то мере можно сравнить с дрожжевым тестом: магма увеличивается в объеме, занимает все свободное пространство и поднимается из глубин по трещинам, пытаясь вырваться на волю (если магма богата алюминием и кремнием, она может застыть прямо в земной коре и образовать глубинные магматические горные породы). Как тесто приподнимает крышку кастрюли и вытекает через край, так и магма вздымает, а затем прорывает земную кору в самых слабых местах и вырывается на поверхность. Таким образом и происходят извержения.

Когда порода глубоко под землей плавится, в ходе химических реакций и радиоактивного распада элементов выделяется тепло, которое так же как и магма поднимается к земле и выходит наружу. Плотность теплового потока уменьшается по мере приближения к поверхности.

Тепло из земных недр и интересует многих исследователей, ведь с его помощью можно обеспечивать людей энергией на протяжении огромного количества времени. Такой тип энергии в науке называют геотермальным.

Как человек пытается приручить энергию вулканов

Тепловой поток, который достигает поверхности в большинстве областей планеты, невелик: его мощность приблизительно составляет 0,06 ватт на квадратный метр, или что-то в районе 355 Вт·ч/м2 в год. Ученые связывают это с особым геологическим строением и, возможно, низкой теплопроводностью горных пород на значительной части Земли. Но если эти потоки тепла выходят через трещины и разломы, а также существующие вулканы в зонах повышенной вулканической и сейсмической активности планеты, они, как правило, в сотни раз мощнее обычных, так как на их пути встречается менее толстая “скорлупа”, а следовательно, температурное распыление не такое сильное. Выносят на поверхность потоки тепла как сами извержения, так и горячие подземные воды, иногда это происходит в виде пара (воды залегают на глубинах, до которых мы можем добраться, там они разогреваются магмой, обычно до состояния пара).

Такие активные районы и привлекают внимание геологов всего мира, и именно здесь, вблизи вулканов, строят специальные геотермальные станции, чтобы приручить подземное тепло и вырабатывать из него электроэнергию и энергию для отопления домов.

Принцип работы геотермальной электростанции

Фото: elementy.ru/ Принцип работы геотермальной электростанции на сухом пару

Как мы говорили ранее, чем ближе к ядру планеты, тем температура становится выше, а значит, увеличивается мощность теплового потока. Например, в магматической камере, которая находится на глубине чуть более 5 километров под вулканом Авачинский на Камчатке, накоплено приблизительно 7 x 10(в 14 степени) ккал/км3 тепла, что позволило бы обеспечивать энергией сотни тысяч домов.

Поэтому, когда строят геотермальные станции, инженеры стараются бурить скважины как можно глубже, это позволяет добраться до более высоких температур и получить более мощные тепловые потоки в виде сухого и влажного пара или горячей воды, которые затем в “готовом” виде попадают в испарители или турбины, а после в генераторы.

Во время бурения температура с каждым километром растет в среднем на 20-30 °C, причем, в зависимости от геологического строения, в разных районах Земли скорость роста температуры может различаться.

Интересно, что для отопления помещений пригодна горячая вода температурой от 20–30 до 100°C, а для выработки электроэнергии — от 150°C.

В настоящей момент самые глубокие геотермальные скважины, которые удалось пробурить человеку, составляют всего 2-4 км. Благодаря им и геотермальным электростанциям, например, в России и в США за 2010 год, удалось получить установленную мощность электроэнергии чуть больше 80 МВт и 3086 МВт, соответственно. Интересно, что обычная атомная электростанция в среднем производит 1000-2000 МВт в год.

Сейчас рассматриваются проекты, позволяющие прорубать скважины глубиной до 5 километров прямо в вулканах и извлекать энергию из магмы (помним, что температура на такой глубине в магматических камерах может достигать 900-1200 °C). Эксперименты показывают, что сегодня имеются строительные изделия, которые могут успешно использоваться в магматических очагах, в частности, жаропрочные сплавы Inconel 718 и 310 (их можно использовать до температуры 980°C).

Бурение геотермальной скважины в Исландии

Фото: gazeta.ru/ Бурение геотермальной скважины в Исландии

В 2000 году в Исландии был запущен проект глубокого бурения Iceland Deep Drilling Project. Спустя девять лет во время бурения первой скважины специалистам удалось достичь магматической камеры на глубине 2 километров и создать самый горячий геотермальный поток в 450°C.

В 2016 году в Исландии начали делать вторую скважину на глубине 5-ти километров при помощи бурильной установки “Тор” (названа в честь скандинавского бога грома и бури). Работы шли на полуострове Рейкьянес и закончились через год. С помощью этой установки исландцы смогли проникнуть вниз на 4659 метров в глубокие водные пласты, контактирующие с магмой, и получить поток в 427°C.

На такой глубине вода находится в сверхкритическом состоянии (то есть ведет себя не как жидкость и не как газ), может сохранять огромное количество тепла и производить в несколько раз больше энергии, чем сухой и влажный пар или подземные горячие воды.

Эта скважина, по заявлениям некоторых ученых, способна выдавать до 50 МВт мощности, то есть в 10 раз выше мощности обычной геотермальной скважины, и обеспечивать энергией на 50 тысяч домов больше.

Геотермальные проекты России и США

Исландия не единственная страна в мире, где используется энергия вулканов. Геотермальные источники осваиваются в Италии, Японии, Мексике, России, США, на Гавайях, в странах Африки, то есть в тех местах, где есть вулканическая и сейсмическая активность.

В России существует 5 геотермальных электростанций, расположенных преимущественно на Камчатке. Самая мощная из них — Мутновская. В 2016 году ее установленная энергетическая мощность составила 50 МВт.

Однако это лишь малая доля, свой потенциал в этой области Россия практически не использует. Согласно исследованиям ученых, в нашей стране геотермальных ресурсов в 10 раз больше, чем запасов нефти и газа. Только за счет одного геотермального вида энергии Россия могла бы полностью удовлетворить свой “энергетический аппетит”. Но в силу экономических и технических причин это сделать невозможно. Сегодня доля геотермальной энергии в общей энергетике страны остается ничтожно малой.

В США дела обстоят намного лучше. Там геотермальная энергетика развивается. К примеру, в 116 километрах от Сан-Франциско, на границе калифорнийских округов Лейк и Сонома, одна только группа геотермальных электростанций (всего их 22), способна получать установленную мощность до 1520 МВт в год.

Американские компании являются мировыми лидерами в отрасли геотермальной энергетики, даже несмотря на то, что этот сектор начал активно выделяться в США лишь недавно. Согласно данным Министерства Торговли США, экспорта геотермальной энергии из этой страны больше, чем импорта (такая же ситуация и с технологиями для этого вида энергии).

Проблемы с добычей энергии из недр Земли

Геотермальная энергия относится к экологически чистым источникам и специальные электростанции по ее добыче не требуют огромных площадей (в среднем, одна станция занимает 400 кв.метров на 1 ГВт выработаной энергии).

Однако у нее все же есть некоторые экологичные минусы. В частности, образование твердых отходов, определенное химическое загрязнение воды и почвы, а также тепловое загрязнение атмосферы.

Главным источником химического загрязнения являются горячие подводные воды, которые довольно часто содержат большое количество токсичных соединений, что в свою очередь создает проблему для утилизации отработанной воды.

Или, к примеру, бурение скважин. Во время этого процесса возникает та же опасность, что и при бурении обычной скважины: разрушается почвенно-растительный покров.

Шлейф газа от вулкана Августин в 2006 году

Фото: wikipedia.org/ Шлейф газа от вулкана Августин в 2006 году, находится на одноименном острове недалеко от Аляски

Также пар, участвующий в работе геотермальных электростанций, может содержать аммиак, углекислый газ и другие вещества, и при выбросе в атмосферу становиться источником ее загрязнения.

Правда, эти выбросы гораздо ниже, чем на тепловых электростанциях. Если сравнить с выбросами углекислого газа, то на КВт/ч выработанной электроэнергии они составляют до 380 г. на геотермальной станции против 1042 г. на угольных и 453 г. газовых.

Проблема же с отработанной водой уже получила простое решение. При невысокой минерализации после охлаждения вода закачивается обратно в водоносный пласт через нагнетательную скважину без ущерба природе, что и применяется в настоящее время.

Геотермальная энергетика в будущем в России

Вулканы — это огромный источник энергии у нас под носом, которого хватит на всех с лихвой. Чтобы овладеть теплом недр Земли, нам нужно научиться бурить глубокие скважины и без каких-либо проблем переносить подземное тепло на поверхность. Без инвестиций, взаимопомощи государств, внедрения новаторских идей сделать это будет сложно.

Природа дарит нам огромные запасы подземного тепла — альтернативный источник энергии, который можно использовать во благо человека и не в ущерб планете, а мы, к большому сожалению, этот подарок игнорируем по двум простым причинам: жадности и нежеланию брать ответственность за то, что мы делаем с окружающей средой.

Нашли ошибку? Пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter

Источник: britannica.com, businessinsider.com, elementy.ru, sciencedirect.com

Всего комментариев: 0

ДОБАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваш email не будет опубликован.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: