Басқа практикалық түсініктер.

Жоғарыда келтірілген есептеулер OTEC-тің сәтті жұмысы болу мүмкіндігін шектейтін термодинамикалық шектеулер жоқтығын көрсетеді.

14.7 сур. OTEC үшін электрлік қуаты 400 МВт болатын, Lockheed фирмасының мамандарымен ұсынылған су асты платформасы. Платформа барлық тереңдіктегі зәкірде орналасуы мүмкін.

1 - платформа; 2 - салқын судың құбыры; 3 - тірегіш; 4 - бридель; 5 - топса; 6 - трапеция; 7 - зәкір арқаны; 8 - зәкір.

Практикалық, экологиялық және құрылыстық қиыншылықтардың болуына қарамастан, оларды жеңуге болады.

Платформалар. Американдық жасаушылар шығыс электрлік қуаты 400 МВт болатын, ашық теңізде массивті жүзбелі платформаларда орналасатын ірі жүйелерді құрастыруды мақсат етіп отыр. Осындай құрылыс ауыр болғандықтан ағыс, толқындармен туылатын кернеумен байланысты, оларға салқын су құбырларын қосуда үлкен қиыншылықтар пайда болуы мүмкін.

Осы проблеманың бір шешімі - платформаға нейтрал жүзбелілікті беру мен (14.7 сур) су асты күйінде зәкірлеу.

Салқын судың құбырлары. Бұл құбырлар - олардың платформаларға қосылған жердегі күштің ғана әсер нысаны емес, сонымен қатар құбырлар бойымен тарлған күш тізбегі. Олар толқын мен ағыс әсері бар күштерді, мұхиттағы құбырлар ағынындағы құйын кедергісі кезінде пайда болатын, дрейфтер мен платформалардың гармоникалық тербелісі әсерінен болатын күштерді, және құбырлардың өзіндік салмағын қосады. Осы кезде қай материал, қатты немесе иілгіш(мысалы, полиэтилен), осы күштерге төтеп бере алады деген сұрақ туындайды. Одан басқа, тағы бір жағдай - құбырларды құрастыру керектігі бар. Алайда, диаметрі бірнеше метр және ұзындығы 1 км болатын құбырдың бөлігін тасымалдау оңай емес.

Жағамен байланыс. Жоғарывольтті, қуатты тасымалдайтын су асты кабельдер - электрэнергияны өткізетін жүйенің стандартты компоненттері. Олар қымбат (басқа да қиын теңіз құрылыстары сияқты), бірақ осындай, ұзындығы 50 км болатын кабельді жасауға болады.

Тұтынушылар мен жағадан жүздеген километрде орналасатын үлкен OTEC үшін альтернатива ретінде, химиялық заттарды шығаратын борттан алынатын энергияны қолдану идеясы жоспарлануда, қуатталатын энергия ретінде. (мысалы, сутек, §16.3)

Құрлықтағы жүйелер тек түптің терең еңісінде орналасуы мүмкін(сирек кездеседі). Олардың басты артықшылығы арзан болуында. Мұнда салқын су құбырын қосу мен қызмет көрсету арзан. Теңіз дауылы кезінде толқындық қозғалыс 20 м тереңдікке дейін білінуі мүмкін.

Турбиналар. Турбиналардың шынайы өлшемін ескермесек, онда аса мәнді қиыншылықтар тумайды. Бар өңдеулер ғана қолданылуы мүмкін. Басқа да жылу машиналары үшін сияқты, турбиналар КПД-сы жұмыс денесіне сондай жылу беретін идеал Карно машинасымен салыстырғанда 50%-дан аспайды.

Жұмыс денесін таңдау. Аммиак, фреондар немесе су сияқты сәйкес қайнау нүктесі бар сұйықтықтарды қолдануға болатын массалар бар. Егер суды қарастырсақ, қайнау нүктесі судың беткі температурасына дейін төмендеу керек (қысымның төмендеуі есебінен). Жылы беткі су жұмыс денесі ретінде қолданылатын, ашық циклды жүйелерінің қозғалысы осыған негізделген. Осы принциппен құрылған OTEC тек электрэнергияны емес, сонымен қатар тұщы судың айтарлықтай мөлшерін өндіре алады.

Қоршаған ортаға әсері. Теңіздегі өмір формаларының өзгеруі биоөсудің проблемаларына алып келеді. Ол OTEC кезінде фермалардағы балықтарды өсіруге мүмкіндік береді. Теңіз суы станция бойына таратуға болатын нитраттармен бай. Бұлай балдырлардың өсуін күшейтіп және коммерциялық түрде балықтарды өсіруге болатын еді. Алайда, биогендармен байытылған судың көп мөлшерін судың жылы беткі қабатына көтеретін жалпы биологиялық эффект әлі зерттелмеген. Оның керегі де болмауы мүмкін. Алдымен оны кішімасштабты құрылғыларда зерттеп көру керек.

 

Тарау

Геотермальды энергия

Кіріспе

Біздің ғаламшарымыздың ядросындағы максимал температура 4000 -ті құрайды. Қатты құрлық пен мұхит түбі арқылы жылу шығыны көбінесе жылуөткізгіштікпен (геотермальды жылу) және сирек - балқытылған магма мен ыстық судың конвективті ағыны түрінде болады. Жер беті арқылы өтетін геотермальды жылудың орташа ағыны 30 /км-ден төмен болатын температуралық градиентте 0,06 Вт/ -қа тең. Бұл үздіксіз жылу ағынын көбінесе 500 Вт/ орташа сумманы құрайтын және басқа жаңартылған энергия көздерімен байланысты сәйкес өлшемдермен салыстырады. Бірақ шамамен 10-20 Вт/ болатын ағындағы жоғарылаған температура градиентті аудандар бар. Бұл жылулық қуаты 100 МВт/ және эксплуатация мерзімінің ұзақтығы кем дегенде 20 жыл болатын геотермальды станцияларды (ГеоЖЭС) жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

Геотермальды энергияның сапасы үлкен емес, сондықтан оны тікелей ғимараттарды жылуландыру және басқа құрылыстар немесе қарапайым жоғары температуралы жұмыс денелерін шамалап жылыту үшін қолданады. Осыған ұқсас жылуландыру жүйелері әлеміміздің көптеген бөліктерінде қолданылуда, жобалардың қомақты саны зерттеу кезеңінде. 150 -қа жуық температурада қойнаудан жылу алынатын болса, онда оның электрэнергиясына түрлендіруі туралы айта аламыз.

Жылу насостарының көмегімен жылуды қолдану оңайырақ. Бұл да "геотермальды" көз, бірақ бұнда ол қарастырылмайды.

Геотермальды энергия жылуы ыстық гейзерлер сияқты қоршаған ортаға таралатындықтан, бұл энергияны тікелей жаңартылған энергия көздеріне жатқызуға болады. Басқа энергия көздерінде ыстық судың табиғи жинағыштарына жасанды ұңғыма бұрғылап, ажыратылысты тудырып және ыстық таулы тұқымдардың суытылуын іске асырылады. Сондықтан олар ұзақ уақыт аралығында жаңартылған күйінде қала бермек. Мұндай шектелген қолданыстағы жүйелердің қарастырылуы тек оларды басқа "альтернативті" энергия көздерінің қатарында екенін ұмыт қалмауымызға байланысты. Геотермальды энергияның жаңартылған энергияға сай қоршаған ортадағы таралу өзгерісіне қолданылуына қарағанда жанармай қазбасының жануына қолданған тиімдірек. Осыған байланысты геотермальды энергияға мұнда салыстыра қарағанда аз орын бөлінген.

Геофизика

Ғаламшарымыздың ішкі құрылысы 15.1. суретте көрсетілген. Жартылай-сұйық мантиядағы жылуберу 30 /км орташа температура градиентіндегі 1000 жұқа қабатқа қарағандағы ішкі мен сыртқы беттердегі арасындағы температуралар айырмасын ұстап тұрады. Қабықшаға жақын қатты қабаттардың орташа тығыздығы 2700 кг/ ч, жылусыйымдылығы 1000Дж/(кг К) және жылуөткізгіштігі 2 Вт/(м К) болады. Сондықтан орташа геотермальды ағын 0,06 Вт/ құрайды, ал шамамен Дж/ жылу күйінде қабықта шоғырланады. 30 жыл ішінде осы жылудың 0,1% өзгеріске ұшыраса, онда бізге керек 100МВт/ жылулық қуат алуға болады. Бұл шамалар жылулық энергия ресуртарының көрінісін береді және геотермальды көздің үлкен потенциалға ие болатынын көрсетеді.

Жер қабықшасы жылуды алады: ядроның үйкелісі мен табиғи суытылуы кезінде; торий мен уранға ұқсас элементтердің радиактивтивті құлдырауы кезінде; химиялық реакция нәтижесінде. Бұл процесстердің уақыт тұрақтылары Жер уақытына қарағанда соншалықты үлкен, тіпті температураның жоғарылауы мен төмендеуін бағалау мүмкін емес. Радиоактивті элементтер көбінесе гранит құрамында болатын балқытпадан жасалған фракционды рекристаллизация жолымен концентрацияланады. Көптеген миллион жылдар ағынында радияциялық ыдырау мен химиялық реакциялар жалғыз жылу көзі болып табылады (15.2. тапсырманы қара), ал геотермальды энергетика жер қабығы қалың қабатының жылулық қорындағы жылу шығаруын ұйғарады.

Жылуөткізгіштік жылутасымалдаудың жалғыз механизмі болса, онда мантиядан Жер бетіне дейінгі біртекті материалдар арқылы өтетін жылудың температура градиенті тұрақты болады. Ол жылуды әлсіз өткізетін қосылыс зоналарында жоғарылап, конвективті жылу тасымалдау пайда болатын сумен қаныққан тұқымдарда болатын жоғары жылуалмасу зоналарында төмендейді. Ауытқыған жоғары температуралы градиенттер көбінесе радиоактивті немесе экзотермиялық химиялық көздер орналасқан жерлерде байқалады.

Жер қабығы үлкен платформалардан құрылады(15.2. сурет). Платформа шекараларының зоналарына сейсмикалық активтілікпен, жанартаулар, гейзерлер, фумаролдар мен ыстық көздердің бар болуымен қамтамасыз етілген мантияның қабықпен жылулық әрекеттесуінің күшеюіне сәйкес келеді. Бұл ауданның геотермальды энергия потенциалы өте үлкен, оларға көбінесе үлкен қысым астында болатын температуралық градиенттердің 100 -қа дейін жоғарылауы, бу немесе қыздырылған сұйықтық күйіндегі судың босатылуының активизациясы сай келеді. Қабық құрамының аномалиясының салдарынан температуралық градиенттердің біркелкі жоғарылауы (шамамен 50 -қа дейін) платформа шекараларынан айтарлықтай алыс жерлерде де кездеседі. Мұндай аудандарда жылу интенсивті-конвективті жылуалмасумен қамтамасыз етілетін қыздыру зоналарына судың енуі болатын табиғи жолмен шығарылады. Нәтижесінде көбінесе пайдалы болатын химиялық заттардың ерітінділері концентрациясының жоғарылаған ыстық көздер пайда болады. Терең жатқан қыздыру зоналары бұрғылау көмегімен температурасы 50 -тан 200 -қа дейінгі жылу көздері бола алады. Егер ұқсас аномалиялар мысалы құрғақ жартас жыныстарында болатын төмен жылуөткізгіштікті материалдармен байланысты болса, онда температуралық градиенттер жылу жыныстарында жиналған қорының қатысты жоғарылауымен байланысты.

Геотермальды құрылымдар туралы мәліметтерді геологиялық түсірілімдерден,шахта өткізуден, мұнай ұңғымаларынан аламыз. Ең маңызды параметр өлшеу нақтылығы ұңғымадағы бұрғылау процесінде температуралық шектердің сақталуы болатын температуралық градиент болып табылады. Терең бұрғылауда ұңғымалар әдетте 6км белгісіне жетеді, бірақ бұрғылау технологиясы 15км тереңдікте болып қала береді.

Геотермальды аудандардың үш классын белгілеу қабылданған.

Гипертермальды. Температуралық градиент - 80 /км-ден аса. Бұл аудандар континентальды плиталар шекараларына жақын тектоникалық зоналарда орналасқан. Осындай алғаш аудан 1964жылы Лардерелло маңында (Тоскана,Италия) электроэнегия өндіру үшін іске қосылды. Барлық ГеоЖЭС дерлік осындай аудандарда орналасқан.

Жартылай-термальды. Температуралық градиент - шамамен 40-тан 80 -қа дейін. Осындай аудандар платформа шекаралыарынан алыстау жатқан аномалиялармен негізінде тығыз байланысты. Табиғи сулы пласттар мен ұсақталған құрғақ жыныстардан табиғи жылу алынады. Мұндай ауданның белгілі мысалы Париж маңында орналасқан және ғимараттардың жылытылуы үшін қолданылады.

Нормальды. Температуралық градиент - 40 -тан төмен. Мұндай аудандар көп таралған, жылулық ағын орташа шамамен 0,06Вт/ құрайды. Болашақта мұндай аудандарда жерастынан жылудың экономды алынуы екіталай.

Айтылған әрбір класстарда негізі құрғақ буға айналатын сулы-бу қоспасы немесе белгілі температураға дейін қыздыру болатын судың жыныс орындарына терең енетін табиғи гидротермальды циркуляция есебінен жылу алуға болады. Осыған сәйкес шығындар табиғи шарттарда байқалады. Егер бутүзілу нәтижесінде тереңдікте қысым артса, онда Калифорниядағы(США) Сакраменто маңында, Уайракея (Жаңа Зеландия) ауданында, Камчаткада көре алатын эффекті гейзерлер пайда болуы мүмкін. Бу емес, ыстық судың эжектрленетінін түсіну керек; лава түрінде суытылатын, жартылай балқытылған магманың суытылуымен байланысты жасанды қыздыру. 1982 жылы Гавайяда салынған қуаттылығы 3МВт станция ең алғаш осы принципті қолданған ГеоЖЭС болып табылады; құрғақ жартас жыныстарының суытылуы. Айтарлықтай төмен жылуөткізгіш құрғақ жартас жыныстары (мысалы гранит) миллион жылдар бойы жылу жинады. Жыныстардағы жасанды ажыраулар тууы жылу ала отырып олар арқылы суды тартуды қамтамасыз етеді.

ГеоЖЭС практикасында гипертермальды аудандар табиғи гидротермальды циркуляцияда жұмыс істейді; жартылай-термальды аудандарда табиғи гидротермальды циркуляция, сонымен қатар құрғақ тау жыныстарынан алынан жылу есебінен болатын жасанды қыздыру қолданылады. Нормальды аудандар коммерциялық қызығушылық үшін тым аз температуралық градиенттерге ие.