Внутрішня будова і склад землі. Мінімальні і максимальні температури глибин Землі. Почім енергія Землі

У нашій країні, багатій вуглеводнями, геотермальна енергія - якийсь екзотичний ресурс, який при сьогоднішньому стані справ навряд чи складе конкуренцію нафти і газу. Проте цей альтернативний вид енергії може використовуватися практично скрізь і досить ефективно.

Геотермальна енергія - це тепло земних надр. Виробляється воно в глибинах і надходить до поверхні Землі в різних формах і з різною інтенсивністю.

Температура верхніх шарів грунту залежить в основному від зовнішніх (екзогенних) факторів - сонячного освітлення і температури повітря. Влітку і вдень грунт до певних глибин прогрівається, а взимку і вночі охолоджується слідом за зміною температури повітря і з деяким запізненням, наростаючим з глибиною. Вплив добових коливань температури повітря закінчується на глибинах від одиниць до декількох десятків сантиметрів. Сезонні коливання захоплюють глибші пласти грунту - до десятків метрів.

На деякій глибині - від десятків до сотень метрів - температура грунту тримається постійної, рівною середньорічній температурі повітря біля поверхні Землі. У цьому легко переконатися, спустившись в досить глибоку печеру.

Коли середньорічна температура повітря в даній місцевості нижче нуля, це проявляється як вічна (точніше, багаторічна) мерзлота. У Східному Сибіру потужність, тобто товщина, цілий рік мерзлих грунтів досягає місцями 200-300 м.

З деякою глибини (своєї для кожної точки на карті) дію Сонця і атмосфери слабшає настільки, що на перше місце виходять ендогенні (внутрішні) фактори і відбувається розігрів земних надр зсередини, так що температура з глибиною починає рости.

Розігрів глибинних шарів Землі пов'язують, головним чином, з розпадом знаходяться там радіоактивних елементів, хоча називають і інші джерела тепла, наприклад фізико-хімічні, тектонічні процеси в глибоких шарах земної кори і мантії. Але чим би це не було обумовлено, температура гірських поріді пов'язаних з ними рідких і газоподібних субстанцій з глибиною зростає. З цим явищем стикаються гірники - в глибоких шахтах завжди жарко. На глибині 1 км тридцятиградусна спека - нормальне явище, а глибше температура ще вище.

Тепловий потік земних надр, що досягає поверхні Землі, невеликий - в середньому його потужність складає 0,03-0,05 Вт / м 2, або приблизно 350 Вт · год / м 2 на рік. На тлі теплового потоку від Сонця і нагрітого їм повітря це непомітна величина: Сонце дає кожному квадратному метру земної поверхніблизько 4000 кВт · год щорічно, тобто в 10 000 разів більше (зрозуміло, це в середньому, при величезному розкиді між полярними і екваторіальними широтами і в залежності від інших кліматичних і погодних факторів).

Незначність теплового потоку з надр до поверхні на більшій частині планети пов'язана з низькою теплопровідністю гірських порід і особливостями геологічної будови. Але є винятки - місця, де тепловий потік великий. Це, перш за все, зони тектонічних розломів, підвищеної сейсмічної активності і вулканізму, де енергія земних надр знаходить вихід. Для таких зон характерні термічні аномалії літосфери, тут тепловий потік, що досягає поверхні Землі, може бути в рази і навіть на порядки потужніший «звичайного». Величезна кількість тепла на поверхню в цих зонах виносять виверження вулканів і гарячі джерела води.

Саме такі райони найбільш сприятливі для розвитку геотермальної енергетики. На території Росії це, перш за все, Камчатка, Курильські острови і Кавказ.

У той же час розвиток геотермальної енергетики можливо практично скрізь, оскільки зростання температури з глибиною - явище повсюдне, і завдання полягає в «видобутку» тепла з надр, подібно до того, як звідти видобувається мінеральна сировина.

В середньому температура з глибиною зростає на 2,5-3 ° C на кожні 100 м. Відношення різниці температур між двома точками, що лежать на різній глибині, до різниці глибин між ними називають геотермічних градієнтом.

Зворотній величина - геотермічна щабель, або інтервал глибин, на якому температура підвищується на 1 ° C.

Чим вище градієнт і відповідно нижче щабель, тим ближче тепло глибин Землі підходить до поверхні і тим більш перспективний даний район для розвитку геотермальної енергетики.

У різних районах, в залежності від геологічної будови і інших регіональних і місцевих умов, швидкість зростання температури з глибиною може різко відрізнятися. У масштабах Землі коливання величин геотермических градієнтів і ступенів досягають 25 крат. Наприклад, в штаті Орегон (США) градієнт становить 150 ° C на 1 км, а в Південній Африці - 6 ° C на 1 км.

Питання, яка температура на великих глибинах - 5, 10 км і більше? При збереженні тенденції температура на глибині 10 км повинна становити в середньому приблизно 250-300 ° C. Це більш-менш підтверджується прямими спостереженнями в надглибоких свердловинах, хоча картина істотно складніше лінійного підвищення температури.

Наприклад, в Кольської надглибокої свердловини, пробурені в Балтійському кристалічному щиті, температура до глибини 3 км змінюється зі швидкістю 10 ° C / 1 км, а далі геотермічний градієнт стає в 2-2,5 рази більше. На глибині 7 км зафіксована вже температура 120 ° C, на 10 км - 180 ° C, а на 12 км - 220 ° C.

Інший приклад - свердловина, закладена в Північному Прикаспії, де на глибині 500 м зареєстрована температура 42 ° C, на 1,5 км - 70 ° C, на 2 км - 80 ° C, на 3 км - 108 ° C.

Передбачається, що геотермічний градієнт зменшується починаючи з глибини 20-30 км: на глибині 100 км приблизні температури близько 1300-1500 ° C, на глибині 400 км - 1600 ° C, в ядрі Землі (глибини більше 6000 км) - 4000-5000 ° C.

На глибинах до 10-12 км температуру вимірюють через пробурені свердловини; там же, де їх немає, її визначають за непрямими ознаками так само, як і на більших глибинах. Такими непрямими ознаками можуть бути характер проходження сейсмічних хвиль або температура виливається лави.

Втім, для цілей геотермальної енергетики дані про температури на глибинах понад 10 км поки не становлять практичного інтересу.

На глибинах в кілька кілометрів багато тепла, але як його підняти? Іноді це завдання вирішує за нас сама природа за допомогою природного теплоносія - нагрітих термальних вод, що виходять на поверхню або ж залягають на доступній для нас глибині. У ряді випадків вода в глибинах розігріта до стану пара.

Точного визначення поняття «термальні води» немає. Як правило, під ними мають на увазі гарячі підземні води в рідкому стані або у вигляді пари, в тому числі виходять на поверхню Землі з температурою вище 20 ° C, тобто, як правило, більш високою, ніж температура повітря.

Тепло підземних вод, пара, пароводяних сумішей - це гідротермальних енергія. Відповідно енергетика, заснована на її використанні, називається гідротермальної.

Складніше йде справа з видобутком тепла безпосередньо сухих гірських порід - петротермальной енергії, тим більше що досить високі температури, як правило, починаються з глибин в кілька кілометрів.

На території Росії потенціал петротермальной енергії в сто разів вище, ніж у гідротермальної, - відповідно 3500 і 35 трлн тонн умовного палива. Це цілком природно - тепло глибин Землі є всюди, а термальні води виявляються локально. Однак через очевидних технічних труднощів для отримання тепла і електроенергії в даний час використовуються здебільшого термальні води.

Води температурою від 20-30 до 100 ° C придатні для опалення, температурою від 150 ° C і вище - і для вироблення електроенергії на геотермальних електростанціях.

В цілому ж геотермальні ресурси на території Росії в перерахунку на тонни умовного палива або будь-яку іншу одиницю виміру енергії приблизно в 10 разів вище запасів органічного палива.

Теоретично тільки за рахунок геотермальної енергії можна було б повністю задовольнити енергетичні потреби країни. Практично ж на даний момент на більшій частині її території це нездійсненно з техніко-економічних міркувань.

У світі використання геотермальної енергії асоціюється найчастіше з Ісландією - країною, розташованої на північному закінченні Серединно-Атлантичного хребта, в виключно активної тектонічної і вулканічної зоні. Напевно, всі пам'ятають потужне виверження вулкана Ейяфьятлайокудль ( Eyjafjallajökull) в 2010 році.

Саме завдяки такій геологічної специфіки Ісландія має величезні запаси геотермальної енергії, в тому числі гарячих джерел, що виходять на поверхню Землі і навіть фонтануючих у вигляді гейзерів.

В Ісландії в даний час більше 60% всієї споживаної енергії беруть з Землі. У тому числі за рахунок геотермальних джерел забезпечується 90% опалення і 30% вироблення електроенергії. Додамо, що інша частина електроенергії в країні виробляється на ГЕС, тобто також з використанням поновлюваного джерела енергії, завдяки чому Ісландія виглядає певним світовим екологічним стандартом.

«Приручення» геотермальної енергії в XX столітті помітно допомогло Ісландії в економічних відносинах. До середини минулого століття вона була дуже бідною країною, зараз займає перше місце в світі за встановленою потужністю і виробництва геотермальної енергії на душу населення і знаходиться в першій десятці по абсолютній величинівстановленої потужності геотермальних електростанцій. Однак її населення складає всього 300 тисяч чоловік, що спрощує завдання переходу на екологічно чисті джерела енергії: потреби в ній в цілому невеликі.

Крім Ісландії висока частка геотермальної енергетики в загальному балансі виробництва електроенергії забезпечується в Новій Зеландії і острівних державах Південно-Східної Азії (Філіппіни та Індонезія), країнах Центральної Америки і Східної Африки, територія яких також характеризується високою сейсмічною і вулканічною активністю. Для цих країн при їх нинішньому рівні розвитку і потреби геотермальна енергетика вносить вагомий внесок в соціально-економічний розвиток.

Використання геотермальної енергії має досить давню історію. Один з перших відомих прикладів - Італія, містечко в провінції Тоскана, нині зване Лардерелло, де ще в початку XIXстоліття місцеві гарячі термальні води, виливається природним шляхом або видобуваються з неглибоких свердловин, використовувалися в енергетичних цілях.

Вода з підземних джерел, багата бором, вживалася тут для отримання борної кислоти. Спочатку цю кислоту отримували методом випарювання в залізних бойлерах, а в якості палива брали звичайні дрова з найближчих лісів, але в 1827 році Франческо Лардерел (Francesco Larderel) створив систему, яка працювала на теплі самих вод. Одночасно енергію природного водяної пари почали використовувати для роботи бурових установок, а на початку XX століття - і для опалення місцевих будинків і теплиць. Там же, в Лардерелло, в 1904 році термальний водяна пара став енергетичним джерелом для отримання електрики.

Наприклад Італії в кінці XIX-початку XX століття пішли деякі інші країни. Наприклад, в 1892 році термальні води вперше були використані для місцевого опалення в США (Бойсе, штат Айдахо), в 1919-му - в Японії, в 1928-м - в Ісландії.

У США перша електростанція, яка працювала на гідротермальної енергії, з'явилася в Каліфорнії на початку 1930-х років, в Новій Зеландії - в 1958 році, в Мексиці - в 1959-му, в Росії (перша в світі бінарна ГеоЕС) - в 1965-му .

Старий принцип на нове джерело

Вироблення електроенергії вимагає більш високої температури гідроісточніка, ніж для опалення, - більше 150 ° C. Принцип роботи геотермальної електростанції (ГеоЕС) схожий з принципом роботи звичайної теплової електростанції (ТЕС). По суті, геотермальна електростанція - різновид ТЕС.

На ТЕС в ролі первинного джерела енергії виступають, як правило, вугілля, газ або мазут, а робочим тілом служить водяна пара. Паливо, згораючи, нагріває воду до стану пари, яка обертає парову турбіну, а вона генерує електрику.

Відмінність ГеоЕС полягає в тому, що первинне джерело енергії тут - тепло земних надр і робоче тіло у вигляді пари надходить на лопаті турбіни електрогенератора в «готовому» вигляді прямо з видобувної свердловини.

Існують три основні схеми роботи ГеоЕС: пряма, з використанням сухого (геотермального) пара; непряма, на основі гідротермальної води, і змішана, або бінарна.

Застосування тієї чи іншої схеми залежить від агрегатного стану і температури енергоносія.

Найпростіша і тому перша з освоєних схем - пряма, в якій пар, що надходить зі свердловини, пропускається безпосередньо через турбіну. На сухому пару працювала і перша в світі ГеоЕС в Лардерелло в 1904 році.

ГеоЕС з непрямою схемою роботи в наш час найпоширеніші. Вони використовують гарячу підземну воду, яка під високим тиском нагнітається в випарник, де частина її випаровується, а отриманий пар обертає турбіну. У ряді випадків потрібні додаткові пристрої і контури для очищення геотермальної води і пара від агресивних з'єднань.

Відпрацьований пар надходить в свердловину нагнітання або використовується для опалення приміщень, - в цьому випадку принцип той же, що при роботі ТЕЦ.

На бінарних ГеоЕС гаряча термальна вода взаємодіє з іншою рідиною, яка виконує функції робочого тіла з більш низькою температурою кипіння. Обидві рідини пропускаються через теплообмінник, де термальна вода випаровує робочу рідину, пари якої обертають турбіну.

Ця система замкнута, що вирішує проблеми викидів в атмосферу. Крім того, робочі рідини з порівняно низькою температурою кипіння дозволяють використовувати в якості первинного джерела енергії і не дуже гарячих термальних вод.

У всіх трьох схемах експлуатується гідротермальний джерело, але для отримання електрики можна використовувати і петротермальную енергію.

Принципова схема в цьому випадку також досить проста. Необхідно пробурити дві з'єднані між собою свердловини - нагнетательную і експлуатаційну. У нагнетательную свердловину закачується вода. На глибині вона нагрівається, потім нагріта вода чи утворився в результаті сильного нагріву пар по експлуатаційної свердловині подається на поверхню. Далі все залежить від того, як використовується петротермальная енергія - для опалення або для виробництва електроенергії. Можливий замкнутий цикл із закачуванням відпрацьованого пара і води назад в нагнетательную свердловину або інший спосіб утилізації.

Недолік такої системи очевидний: для отримання достатньо високої температури робочої рідини потрібно бурити свердловини на велику глибину. А це серйозні витрати і ризик значних збитків тепла при русі флюїду вгору. Тому петротермальние системи поки менш поширені в порівнянні з гідротермальних, хоча потенціал петротермальной енергетики на порядки вище.

В даний час лідер у створенні так званих петротермальних циркуляційних систем (ПЦС) - Австралія. Крім того, цей напрямок геотермальної енергетики активно розвивається в США, Швейцарії, Великобританії, Японії.

Подарунок лорда Кельвіна

Винахід в 1852 році теплового насоса фізиком Вільямом Томпсоном (він же - лорд Кельвін) надало людству реальну можливість використання низько потенційного тепла верхніх шарів грунту. Теплонасосна система, або, як її називав Томпсон, умножитель тепла, заснована на фізичному процесі передачі тепла від довкіллядо холодоагенту. По суті, в ній використовують той же принцип, що і в петротермальних системах. Відмінність - в джерелі тепла, в зв'язку з чим може виникнути термінологічний питання: наскільки тепловий насос можна вважати саме геотермальної системою? Справа в тому, що у верхніх шарах, до глибин в десятки-сотні метрів, породи і що містяться в них флюїди нагрівають не глибинним теплом землі, а сонцем. Таким чином, саме сонце в даному випадку - первинне джерело тепла, хоча забирається воно, як і в геотермальних системах, з землі.

Робота теплового насоса заснована на запізненні прогріву і охолодження грунту в порівнянні з атмосферою, в результаті чого утворюється градієнт температур між поверхнею і глибшими шарами, які зберігають тепло навіть взимку, подібно до того, як це відбувається у водоймах. Основне призначення теплових насосів - обігрів приміщень. По суті - це «холодильник навпаки». І тепловий насос, і холодильник взаємодіють з трьома складовими: внутрішнім середовищем (в першому випадку - опалювальне приміщення, в другому - охлаждаемая камера холодильника), зовнішнім середовищем - джерелом енергії і холодильним агентом (холодоагентом), він же - теплоносій, що забезпечує передачу тепла або холоду.

У ролі хладагента виступає речовина з низькою температурою кипіння, що дозволяє йому відбирати тепло у джерела, що має навіть порівняно низьку температуру.

У холодильнику рідкий холодоагент через дросель (регулятор тиску) надходить у випарник, де через різке зменшення тиску відбувається випаровування рідини. Випаровування - ендотермічний процес, що вимагає поглинання тепла ззовні. В результаті тепло з внутрішніх стінок випарника забирається, що і забезпечує охолоджуючий ефект в камері холодильника. Далі з випарника холодоагент засмоктується в компресор, де він повертається в рідке агрегатний стан. Це зворотний процес, що веде до викиду забраного тепла в зовнішнє середовище. Як правило, воно викидається в приміщення, і задня стінка холодильника порівняно тепла.

Тепловий насос працює практично так само, з тією різницею, що тепло забирається із зовнішнього середовища і через випарник надходить у внутрішнє середовище - систему опалення приміщення.

У реальному тепловому насосі вода нагрівається, проходячи по зовнішньому контуру, покладеному в землю або водойму, далі надходить у випарник.

У випарнику тепло передається у внутрішній контур, заповнений холодоагентом з низькою температурою кипіння, який, проходячи через випарник, переходить з рідкого стану в газоподібний, забираючи тепло.

Далі газоподібний холодоагент потрапляє в компресор, де стискається до високого тиску і температури, і надходить в конденсатор, де відбувається теплообмін між гарячим газом і теплоносієм із системи опалення.

Для роботи компресора потрібна електроенергія, проте коефіцієнт трансформації (співвідношення споживаної і вироблюваної енергії) в сучасних системахдосить високий, щоб забезпечити їх ефективність.

В даний час теплові насоси досить широко використовуються для опалення приміщень, головним чином, в економічно розвинених країнах.

Екокорректная енергетика

Геотермальна енергетика вважається екологічно чистою, що в цілому справедливо. Перш за все, в ній використовується поновлюваний і практично невичерпний ресурс. Геотермальна енергетика не вимагає великих площ, на відміну від великих ГЕСабо вітропарків, і не забруднює атмосферу, на відміну від вуглеводневої енергетики. В середньому ГеоЕС займає 400 м 2 в перерахунку на 1 ГВт електроенергії, що виробляється. Той же показник для вугільної ТЕС, наприклад, становить 3600 м 2. До екологічних переваг ГеоЕС відносять також низьке водоспоживання - 20 літрів прісної води на 1 кВт, тоді як для ТЕС і АЕС потрібно близько 1000 літрів. Відзначимо, що це екологічні показники «середньостатистичної» ГеоЕС.

Але негативні побічні ефекти все ж є. Серед них найчастіше виділяють шум, теплове забруднення атмосфери та хімічна - води і грунту, а також утворення твердих відходів.

Головне джерело хімічного забруднення середовища - власне термальна вода (з високою температурою і мінералізацією), нерідко містить великі кількостітоксичних сполук, в зв'язку з чим існує проблема утилізації відпрацьованої води і небезпечних речовин.

Негативні ефекти геотермальної енергетики можуть простежуватися на декількох етапах, починаючи з буріння свердловин. Тут виникають ті ж небезпеки, що і при бурінні будь свердловини: руйнування грунтово-рослинного покриву, забруднення грунту та грунтових вод.

На стадії експлуатації ГеоЕС проблеми забруднення навколишнього середовища зберігаються. Термальні флюїди - вода і пар - зазвичай містять вуглекислий газ (CO 2), сульфід сірки (H 2 S), аміак (NH 3), метан (CH 4), кухонну сіль(NaCl), бор (B), миш'як (As), ртуть (Hg). При викидах в навколишнє середовище вони стають джерелами її забруднення. Крім того, агресивна хімічна середу може викликати корозійні руйнування конструкцій ГеоТЕС.

У той же час викиди забруднюючих речовин на ГеоЕС в середньому нижче, ніж на ТЕС. Наприклад, викиди вуглекислого газуна кожен кіловат-годину виробленої електроенергії складають до 380 г на ГеоЕС, 1042 г - на вугільних ТЕС, 906 г - на мазутних і 453 г - на газових ТЕС.

Виникає питання: що робити з відпрацьованою водою? При невисокій мінералізації вона після охолодження може бути скинута в поверхневі води. Інший шлях - закачування її назад у водоносний пласт через нагнетательную свердловину, що переважно і переважно застосовується в даний час.

Видобуток термальної води з водоносних пластів (як і викачування звичайної води) може викликати просідання і переміщення грунту, інші деформації геологічних шарів, мікроземлетрясенія. Імовірність таких явищ, як правило, невелика, хоча окремі випадки зафіксовані (наприклад, на ГеоЕС в Штауфен-ім-Брайсгау в Німеччині).

Слід підкреслити, що велика частина ГеоЕС розташована на порівняно малонаселених територіях і в країнах третього світу, де екологічні вимоги бувають менш жорсткими, ніж в розвинених країнах. Крім того, на даний момент кількість ГеоЕС і їх потужності порівняно невеликі. При більш масштабному розвитку геотермальної енергетики екологічні ризики можуть зрости і помножитися.

Почім енергія Землі?

Інвестиційні витрати на будівництво геотермальних систем варіюють в дуже широкому діапазоні - від 200 до 5000 доларів на 1 кВт встановленої потужності, тобто найдешевші варіанти можна порівняти з вартістю будівництва ТЕС. Залежать вони, перш за все, від умов залягання термальних вод, їх складу, конструкції системи. Буріння на більшу глибину, створення замкнутої системи з двома свердловинами, необхідність очищення води можуть багаторазово збільшувати вартість.

Наприклад, інвестиції в створення петротермальной циркуляційної системи (ПЦС) оцінюються в 1,6-4 тис. Доларів на 1 кВт встановленої потужності, що перевищує витрати на будівництво атомної електростанції і порівняти з витратами на будівництво вітряних і сонячних електростанцій.

Очевидне економічну перевагу ГеоТЕС - безкоштовний енергоносій. Для порівняння - в структурі витрат працюючої ТЕС або АЕС на паливо доводиться 50-80% або навіть більше, в залежності від поточних цін на енергоносії. Звідси ще одна перевага геотермальної системи: витрати при експлуатації більш стабільні і передбачувані, оскільки не залежать від зовнішньої кон'юнктури цін на енергоносії. В цілому експлуатаційні витрати ГеоТЕС оцінюються в 2-10 центів (60 коп.-3 руб.) На 1 кВт · год виробленої потужності.

Друга за величиною після енергоносія (і вельми істотна) стаття витрат - це, як правило, заробітня платаперсоналу станції, яка може кардинально відрізнятися по країнах і регіонах.

В середньому собівартість 1 кВт · год геотермальної енергії порівнянна з такою для ТЕС (в російських умовах - близько 1 руб. / 1 ​​кВт · год) і в десять разів вища за собівартість вироблення електроенергії на ГЕС (5-10 коп. / 1 ​​кВт · год ).

Почасти причина високої собівартості полягає в тому, що, на відміну від теплових і гідравлічних електростанцій, ГеоТЕС має порівняно невелику потужність. Крім того, необхідно порівнювати системи, що знаходяться в одному регіоні і в подібних умовах. Так, наприклад, на Камчатці, за оцінками експертів, 1 кВт · год геотермальної електроенергії обходиться в 2-3 рази дешевше електроенергії, виробленої на місцевих ТЕС.

Показники економічної ефективності роботи геотермальної системи залежать, наприклад, і від того, чи потрібно утилізувати відпрацьовану воду і якими способами це робиться, чи можливо комбіноване використання ресурсу. так, хімічні елементиі з'єднання, витягнуті з термальної води, можуть дати додатковий дохід. Згадаймо приклад Лардерелло: первинним там було саме хімічне виробництво, а використання геотермальної енергії спочатку носило допоміжний характер.

Форварди геотермальної енергетики

Геотермальна енергетика розвивається дещо інакше, ніж вітряна і сонячна. В даний час вона значно більшою мірою залежить від характеру самого ресурсу, який різко відрізняється по регіонах, а максимальні концентрації прив'язані до вузьких зонах геотермических аномалій, пов'язаних, як правило, з районами розвитку тектонічних розломів і вулканізму.

Крім того, геотермальна енергетика менш технологічно ємна в порівнянні з вітряної і тим більше з сонячною енергетикою: системи геотермальних станцій досить прості.

У загальній структурі світового виробництва електроенергії на геотермальну складову припадає менше 1%, але в деяких регіонах і країнах її частка досягає 25-30%. Через прив'язки до геологічними умовами значна частина потужностей геотермальної енергетики зосереджена в країнах третього світу, де можна виділити три кластери найбільшого розвитку галузі - острова Південно-Східної Азії, Центральна Америкаі Східна Африка. Два перших регіону входять в Тихоокеанський «вогняний пояс Землі», третій прив'язаний до Східно-Африканському Рифт. З найбільшою ймовірністю геотермальна енергетика і далі буде розвиватися в цих поясах. Більш віддалена перспектива - розвиток петротермальной енергетики, що використовує тепло шарів землі, що лежать на глибині декількох кілометрів. Це практично повсюдно поширений ресурс, але його витяг вимагає високих витрат, тому петротермальная енергетика розвивається перш за все в найбільш економічно і технологічно потужних країнах.

В цілому, враховуючи повсюдне поширення геотермальних ресурсів і прийнятний рівень екологічної безпеки, є підстави припускати, що геотермальна енергетика має хороші перспективи розвитку. Особливо при наростанні загрози дефіциту традиційних енергоносіїв і зростання цін на них.

Від Камчатки до Кавказу

У Росії розвиток геотермальної енергетики має досить давню історію, і по ряду позицій ми знаходимося в числі світових лідерів, хоча в загальному енергобалансі величезної країни частка геотермальної енергії поки мізерно мала.

Піонерами і центрами розвитку геотермальної енергетики в Росії стали два регіони - Камчатка і Північний Кавказ, причому якщо в першому випадку мова йде перш за все про електроенергетику, то в другому - про використання теплової енергії термальної води.

На Північному Кавказі - в Краснодарському краї, Чечні, Дагестані - тепло термальних вод для енергетичних цілей використовувалося ще до Великої Вітчизняної війни. У 1980-1990-і роки розвиток геотермальної енергетики в регіоні зі зрозумілих причин застопорилося і поки зі стану стагнації не вийшло. Проте геотермальне водопостачання на Північному Кавказі забезпечує теплом близько 500 тис. Чоловік, а, наприклад, місто Лабунська в Краснодарському краї з населенням 60 тис. Чоловік повністю опалюється за рахунок геотермальних вод.

На Камчатці історія геотермальної енергетики пов'язана, перш за все, з будівництвом ГеоЕС. Перші з них, до цих пір працюють Паужетская і Пирятинського станції, були побудовані ще в 1965-1967 роках, при цьому Пирятинського ГеоЕС потужністю 600 кВт стала першою станцією в світі з бінарним циклом. Це була розробка радянських учених С. ​​С. Кутателадзе і А. М. Розенфельда з Інституту теплофізики СО РАН, які отримали в 1965 році авторське свідоцтво на витяг електроенергії з води з температурою від 70 ° C. Ця технологія згодом стала прототипом для більш 400 бінарних ГеоЕС в світі.

Потужність Паужетской ГеоЕС, введеної в експлуатацію в 1966 році, спочатку становила 5 МВт і згодом була нарощена до 12 МВт. В даний час на станції йде будівництво бінарного блоку, який збільшить її потужність ще на 2,5 МВт.

Розвиток геотермальної енергетики в СРСР і Росії гальмувалося доступністю традиційних енергоносіїв - нафти, газу, вугілля, але ніколи не припинялося. Найбільші на даний момент об'єкти геотермальної енергетики - Верхньо-Мутновская ГеоЕС з сумарною потужністю енергоблоків 12 МВт, введена в експлуатацію в 1999 році, і Мутновская ГеоЕС потужністю 50 МВт (2002 рік).

Мутновская і Верхньо-Мутновская ГеоЕС - унікальні об'єкти не тільки для Росії, але і в світовому масштабі. Станції розташовані біля підніжжя вулкана Мутновский, на висоті 800 метрів над рівнем моря, і працюють в екстремальних кліматичних умовах, Де 9-10 місяців на рік зима. Устаткування Мутновского ГеоЕС, на даний момент одна з найсучасніших в світі, повністю створено на вітчизняних підприємствах енергетичного машинобудування.

В даний час частка Мутновского станцій в загальній структурі енергоспоживання Центрально-Камчатського енергетичного вузла становить 40%. У найближчі роки планується збільшення потужності.

Окремо слід сказати про російських петротермальних розробках. Великих ПЦС у нас поки немає, проте є передові технології буріння на велику глибину (близько 10 км), які також не мають аналогів в світі. Їх подальший розвиток дозволить кардинально знизити витрати на створення петротермальних систем. Розробники даних технологій і проектів - Н. А. Гнатів, М. Д. Хуторський (Геологічний інститут РАН), А. С. Некрасов (Інститут народногосподарського прогнозування РАН) і фахівці Калузького турбінного заводу. Зараз проект петротермальной циркуляційної системи в Росії знаходиться на експериментальній стадії.

Перспективи у геотермальної енергетики в Росії є, хоча і порівняно віддалені: на даний момент досить великий потенціал і сильні позиції традиційної енергетики. У той же час в ряді віддалених районів країни використання геотермальної енергії економічно вигідно і затребуване вже зараз. Це території з високим геоенергетична потенціалом (Чукотка, Камчатка, Курили - російська частина Тихоокеанського «вогняного поясу Землі», гори Південного Сибіру і Кавказ) і одночасно вилучені і відрізані від централізованого енергопостачання.

Ймовірно, в найближчі десятиліття геотермальна енергетика в нашій країні буде розвиватися саме в таких регіонах.

Цілі і завдання уроку:

• познайомити учнів з головними оболонками Землі;
• розглянути особливості внутрішньої будови Землі, властивості земної кори;
• дати уявлення про способи вивчення земної кори.

Навчально - наочний комплекс:

• Глобус,
• схема будови земної кори (мультимедійна презентація),
• підручник для 6 класу " початковий курсгеографії "Герасимова Т.П., Неклюкова Н.П.

Форми проведення уроку:

Знайомство з основними оболонками Землі, їх визначення; робота зі схемою "Внутрішня будова Землі"; робота з таблицею "Земна кора і особливості її будови"; розповідь про способи вивчення земної кори.

Терміни і поняття:

• атмосфера,
• гідросфера,
• літосфера,
• земна кора,
• мантія,
• ядро Землі,
• материкова земна кора,
• океанічна земна кора,
• розділ Мохоровичича,
• сверхглубокие свердловини.

Географічні об'єкти:

Кольський півострів.

Пояснення нового матеріалу:

Пояснювальний читання підручника, конспектування (стор.38). (Використання мультимедійної презентації).

Будова Землі (розглядаємо рис.22, стор.39), коментоване читання, складання малюнка-конспекту в зошиті (використання мультимедійної презентації).

Властивості земної кори. Включення в конспект роботи з рис.23, стор.40. (Використання мультимедійної презентації)

Рішення задач на визначення температури, що змінюється з зануренням в глиб Землі.

Вивчення земної кори. Робота з рис.24, стор.40.

Закріплення нового матеріалу. (Використання мультимедійної презентації).

1.Об'яснітельное читання підручника, конспектування.

Підкреслити олівцем і записати в зошити: (використання мультимедійної презентації).

Зовнішні оболонки землі:

• Повітря - газоподібна оболонка - атмосфера
• вода - водна оболонка - гідросфера
• гірські породи, які складають сушу і дно океанів - земна кора
• живі організми разом з тим середовищем, де вони живуть, становлять біосферу.

2. Будова Землі (розглядаємо рис. 22, стор.39). Використання мультимедійної презентації. Кухня країн читання, складання малюнка-конспекту в зошиті.

Літосфера - це тверда оболонка Землі, що включає земну кору і верхню частину мантії. Потужність літосфери становить в середньому від 70 до 250 км.

Радіус Землі (екваторіальний) = 6378 км

3. Властивості земної кори. Включення в конспект роботи з рис. 23 стор.40 (використання мультимедійної презентації).

Земна кора - тверда кам'яна оболонка Землі, що складається з твердих мінералів і гірських порід.

Земна кора

4. Рішення задач на визначення температури, що змінюється з зануренням в глиб Землі.

Від мантії внутрішнє тепло Землі передається земній корі. Верхній шар земної кори - до глибини 20-30м схильний до впливу зовнішніх температур, а нижче температура поступово підвищується: на кожні 100 м глибини на + 3С. Глибше, температура вже в значній мірі залежить від складу порід.

Завдання: Яка температура гірських порід в шахті, де видобувається кам'яне вугілля, Якщо її глибина 1000м, а температура шару земної кори, який вже не залежить від пори року становить + 10С

Вирішуємо по діям:

Скільки разів відбудеться підвищення температури гірських порід з глибиною?

1. На скільки градусів підвищується температура земної кори в шахті:

1. Якою буде температура шару земної кори в шахті?

10С + (+ 30С) = + 40С

Температура = + 10С + (1000: 100 3С) = 10С + 30С = 40С

Вирішити задачу: Яка температура земної кори в шахті, якщо її глибина 1600м, а температура шару земної кори, що не залежить від пори року -5 С?

Температура повітря = (- 5С) + (1600: 100 3С) = (- 5С) + 48С = + 43С.

Запишіть умову задачі і вирішите її будинку:

Яка температура земної кори в шахті, якщо її глибина 800м, а температура шару земної кори, що не залежить від пори року +8? С?

Вирішіть завдання, наведені в конспекті уроку

5. Вивчення земної кори. Робота з рис. 24 стор.40, текстом підручника.

Буріння Кольської надглибокої свердловини почалося в 1970году, її глибина до 12-15км. Підрахуйте, яку частину земного радіусаце становить.

R Землі = 6378км (екваторіальний)

6356 км (полярний) або меридіональний

530-531 частину екваторіального.

Глибина найглибшої в світі шахти в 4 рази менше. Незважаючи на численні дослідження, ми ще дуже мало знаємо про надра власної планети. Словом, якщо знову звернутися до наведеного порівнянні, ми ще ніяк не можемо "проколоти шкаралупу".

1. Закріплення нового матеріалу. Використання мультимедійної презентації
.

Тести і завдання для перевірки.

1. Визначте оболонку Землі: земна кора.

гідросфера.

атмосфера

біосфера.

А. повітряна

Б. тверда.

Г. водна.

Ключ перевірки:

2. Визначте, про яку оболонці Землі йде мова: Земна кора

мантія

ядро

а / найближче до центру Землі

б / товщина від 5 до 70 км

в / в перекладі з латині "покривало"

г / температура речовини +4000 С + 5000 С

д / верхня оболонка Землі

е / товщина близько 2900км

ж / стан речовини особливе: тверде та пластичне

з / складається з материкової і океанічної частин

і / основний елемент складу - залізо.

Ключ перевірки:

3. Землю по її внутрішньою будовоюіноді порівнюють з курячим яйцем. Що хочуть показати цим порівнянням?

Домашнє завдання: §16, завдання і питання після параграфа, завдання в зошиті.

Матеріал, який використовується вчителем під час пояснення нової теми.

Земна кора.

Земна кора в масштабі всієї Землі представляє найтоншу плівку і в порівнянні з радіусом Землі незначна. Вона досягає максимальної товщини 75км під гірськими масивами Паміру, Тибету, Гімалаїв. незважаючи на маленьку потужність, земна кора має складну будову.

Верхні її горизонти досить добре вивчені за допомогою буріння свердловин.

Будова і склад земної кори під океанами і на континентах дуже сильно розрізняються. Тому і прийнято виділяти два основних типи земної кори - океанічну і континентальну.

Земна кора океанів займає прімерно56% поверхні планети, і головною її рисою є невелика товщина - в середньому близько 5-7 км. Але навіть така тонка земна кора підрозділяється на два шари.

Перший шар - осадовий, представлений глинами, вапняними мулами. Другий шар складний базальтами - продуктами вивержень вулканів. Потужність базальтового шару на дні океанів не перевищує 2 км.

Континентальна (материкова) земна кора займає площу менше, ніж океанічна, близько 44% поверхні планети. Континентальна кора товщі океанічної, її середня потужність 35-40км, а в області гір досягає 70-75 км. Вона складається з трьох шарів.

Верхній шар складають різноманітні опади, їх потужність в деяких западинах, наприклад, в Прикаспійської низовини, становить 20-22 км. Переважають відкладення мілководь - вапняки, глини, піски, солі і гіпс. Вік порід 1,7 млрд.лет.

Другий шар - гранітний - він добре вивчений геологами, тому що є виходи його на поверхню, а також робилися спроби пробурити його, хоча спроби пробурити весь шар граніту виявилися невдалими.

Склад третього шару не дуже ясний. Припускають, що він повинен бути складний породами типу базальтів. Потужність його складає 20-25 км. У підставі третього шару простежується поверхню Мохоровичича.

Повехность Мохо.

У 1909р. на Балканському півострові, близько г.Загреба, стався сильний землетрус. Хорватсякій геофізик Андрія Мохоровичич, вивчаючи сейсмограму, записану в момент цієї події, зауважив, що на глибині приблизно 30 км швидкість хвиль істотно збільшується. Дане спостереження підтвердили і інші сейсмологи. Значить, існує якийсь розділ, що обмежує знизу земну кору. Для його позначення ввели спеціальний термін - поверхня Мохоровичича (або розділ Мохо).

Під корою на глибинах від 30-50 до 2900 км розташована мантія Землі. З чого ж вона складається? Головним чином з гірських порід, багатих магнієм і залізом.

Мантія займає до 82% об'єму планети і підрозділяється на верхню і нижню. Перша залягає нижче поверхні Мохо до глибини 670 км. Швидке падіння тиску у верхній частині мантії і висока температура призводять до плавлення її речовини.

На глибині від 400 км під материками і 10-150 км під океанами, тобто у верхній мантії, був виявлений шар, де сейсмічні хвилі поширюються порівняно повільно. Цей шар назвали астеносферой (від грец. "Астенес" - слабкий). Тут частка розплаву становить 1-3%, більш пластична. Чим решта мантії, астеносфера служить "мастилом", по якій переміщаються жорсткі плити літосфери.

У порівнянні з породами, що складають земну кору, породи мантії відрізняються великою щільністю і швидкість поширення сейсмічних хвиль в них помітно вище.

У самому "підвалі" нижній мантії - на глибині 1000 км і до поверхні ядра - щільність поступово збільшується. З чого складається нижня мантія, поки залишається загадкою.

Припускають, що поверхня ядра складається з речовини, що володіє властивостями рідини. Кордон ядра знаходиться на глибині 2900км.

А ось внутрішня область, що починається з глибини 5100км, поводиться як тверде тіло. Це обумовлено дуже високим тиском. Навіть на верхній межі ядра теоретично розрахований тиск складає близько 1,3 млн.атм. а в центрі досягає 3 млн.атм. Температура тут може перевищувати 10000С. Кожен куб. см речовини земного ядра важить 12 -14 м

Очевидно, речовина зовнішнього ядра Землі гладке, майже як гарматне ядро. Але виявилося, що перепади "кордону" досягають 260км.

Знайдіть відповідності:

1. земна кора океанічного типу.
2. материкова земна кора
3. мантія
4. ядро

а. складається з граніту, базальту та осадових порід.

б. температура +2000, стан в'язке, ближче до твердого.

в. товщина шару 3-7 км.

м температура від 2000 до 5000С, тверде, складається з двох шарів.

_______________________________________________________________________________

1. Виріши завдання:

________________________________________________________________________________