18.4: אנרגיה גיאותרמית

Last updated
Save as PDF

Page ID: 209278

Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

אנרגיה גיאותרמית מקורה בחום העולה אל פני השטח מליבת הברזל המותכת של כדור הארץ שנוצרה במהלך היווצרותו ודחיסתו של כדור הארץ המוקדם וכן מחום המופק ברציפות על ידי ריקבון רדיואקטיבי של אורניום, תוריום ואשלגן בקרום כדור הארץ. תחנות כוח גיאותרמיות רותמות את אנרגיית החום הזו כדי לייצר חשמל באותה צורה שחום משריפת פחם מייצר אנרגיה (איור\(\PageIndex{a-c}\)). מים מוזרקים מתחת לאדמה ומחוממים. הקיטור העולה יכול לשמש ישירות, החום יכול להיות מועבר למערכת סגורה של נוזל אחר, אשר לאחר מכן רותח (איור\(\PageIndex{c}\)). כך או כך, הקיטור (או גז אחר בלחץ גבוה) הופך בסופו של דבר טורבינה ומפעיל גנרטור.

קיטור יוצא מתחנת כוח גיאותרמית, רשת של מבני מתכת — איור\(\PageIndex{a}\): קיטור משתחרר מתחנת כוח גיאותרמית. תמונה על ידי ממשלת גישה פתוחה (CC-BY).

תרשים תחנת כוח גיאותרמית מראה בארות מרובות לגישה לחום מתחת לאדמה — איור\(\PageIndex{b}\): בתחנת כוח גיאותרמית מוזרק נוזל גיאותרמי מתחת לאדמה. (מים גיאותרמיים מתייחסים למים החמים/אדים המשמשים בתהליך זה.) זה משפר את החדירות של הסלעים מחומם מתחת לאדמה. הוא יוצא אל פני השטח דרך בארות ייצור, שם הוא משמש לייצור חשמל בתחנת הכוח הגיאותרמית. אדי מים משתחררים ממתקן הקירור של תחנת הכוח. כדי למחזר את הנוזל הגיאותרמי, הוא מוחזר למאגר ומוזרק בחזרה לאדמה. תמונה ממשרד היעילות האנרגטית והאנרגיה המתחדשת/משרד האנרגיה האמריקאי (נחלת הכלל).

תחנת כוח גיאותרמית מציגה מים חמים מתחת לאדמה מומרים לאדים והופכים טורבינה — איור\(\PageIndex{c}\): (1) בתחנת כוח גיאותרמית, מים חמים נשאבים עמוק מתחת לאדמה דרך באר בלחץ גבוה. (2) כאשר המים מגיעים לפני השטח, הלחץ יורד, מה שגורם למים להפוך לאדים. (3) הקיטור מסובב טורבינה, המחוברת לגנרטור המייצר חשמל. (4) הקיטור מתקרר במגדל קירור ומתעבה בחזרה למים. (5) המים המקוררים הם נשאב חזרה לכדור הארץ כדי להתחיל את התהליך מחדש. תמונה וכיתוב (שונה) מ - EPA (נחלת הכלל).

משאבות חום גיאותרמיות (משאבות חום ממקור קרקע) מסתמכות על טמפרטורות קרירות מתחת לאדמה כדי לקרר או לחמם בתים (איור). \(\PageIndex{d}\) לפעמים הם נחשבים לסוג שני של אנרגיה גיאותרמית, אך הם גם אמצעי לשימור אנרגיה. משאבות חום גיאותרמיות משתמשות במערכת חילופי חום הפועלת בתת הקרקע כ -5 מטר מתחת לפני השטח, שהיא קרירה בעקביות (סביב 55 מעלות צלזיוס, או 12.5 מעלות צלזיוס). נוזל נשאב מתחת לאדמה ולאחר מכן לאורך צינורות בבית. זה מקרר את הבית במהלך הקיץ, מתנהג כמו גוף קירור. במהלך חורף קר, הוא מחמם את הבית ל 55 מעלות צלזיוס (משמש כמקור חום), ומערכות חימום מסורתיות עושות את השאר. זה מפחית את צריכת האנרגיה הנדרשת להפקת חום מגז, קיטור, מים חמים ומערכות מיזוג אוויר חשמליות קונבנציונאליות.

דיאגרמת משאבת חום מקור קרקע מראה צינור עם נוזל הולך מתחת לאדמה, העברת חום לבניין. — איור\(\PageIndex{d}\): משאבת חום מקור קרקע (משאבת חום גיאותרמית) במצב חימום (במהלך החורף; משמאל) ובמצב קירור (במהלך הקיץ; מימין). ישנם ארבעה שלבים למצב חימום (משמאל). (1) מחזור: משאבת החום מעל הקרקע מעבירה מים או נוזל אחר דרך סדרה של צינורות קבורים או לולאות קרקע. (2) ספיגת חום: כאשר הנוזל עובר דרך לולאת הקרקע, הוא סופג חום מהאדמה החמה יותר, הסלע או מי התהום סביבו. (3) חילופי חום ושימוש: הנוזל המחומם חוזר לבניין שבו הוא משמש לחימום חלל או מים. המערכת משתמשת במחליף חום כדי להעביר חום למערכת הטיפול, ההפצה והאוורור הקיימת של הבניין. (4) מחזור: ברגע שהנוזל מעביר את החום שלו לבניין, הוא חוזר בטמפרטורה נמוכה יותר ללולאת הקרקע כדי להתחמם שוב. תהליך זה חוזר על עצמו, מעביר חום מנקודה אחת לאחרת. ארבעת השלבים למצב קירור (מימין) דומים: (1) חילופי חום וספיגה, (2) מחזור, (3) פריקת חום ו- (4) מחזור. תמונות וכיתוב (שונה) מ - EPA (נחלת הכלל).

דיאגרמת משאבת חום מקור קרקע מראה צינור עם נוזל יורד מתחת לאדמה, מסיר חום מהבניין. — איור\(\PageIndex{d}\): משאבת חום מקור קרקע (משאבת חום גיאותרמית) במצב חימום (במהלך החורף; משמאל) ובמצב קירור (במהלך הקיץ; מימין). ישנם ארבעה שלבים למצב חימום (משמאל). (1) מחזור: משאבת החום מעל הקרקע מעבירה מים או נוזל אחר דרך סדרה של צינורות קבורים או לולאות קרקע. (2) ספיגת חום: כאשר הנוזל עובר דרך לולאת הקרקע, הוא סופג חום מהאדמה החמה יותר, הסלע או מי התהום סביבו. (3) חילופי חום ושימוש: הנוזל המחומם חוזר לבניין שבו הוא משמש לחימום חלל או מים. המערכת משתמשת במחליף חום כדי להעביר חום למערכת הטיפול, ההפצה והאוורור הקיימת של הבניין. (4) מחזור: ברגע שהנוזל מעביר את החום שלו לבניין, הוא חוזר בטמפרטורה נמוכה יותר ללולאת הקרקע כדי להתחמם שוב. תהליך זה חוזר על עצמו, מעביר חום מנקודה אחת לאחרת. ארבעת השלבים למצב קירור (מימין) דומים: (1) חילופי חום וספיגה, (2) מחזור, (3) פריקת חום ו- (4) מחזור. תמונות וכיתוב (שונה) מ - EPA (נחלת הכלל).

סרטון זה מסביר את הבנייה והמנגנון של משאבות חום גיאותרמיות.

לא רק שלאנרגיה גיאותרמית יש יישומים מרובים (ייצור חשמל, חימום וקירור), אלא שהיא אמינה. בעוד שאנרגיית השמש והרוח לסירוגין, החום מוקרן בעקביות עמוק מתחת לאדמה. בנוסף, הטמפרטורות הקרירות קרובות יותר לפני השטח הדרושות למשאבות חום גיאותרמיות קיימות בכל ימות השנה ובכל המקומות. תחנות כוח גיאותרמיות לייצור חשמל, לעומת זאת, ניתן לבנות רק במקומות ספציפיים שבהם מאגמה חמה קרובה מספיק לפני כדור הארץ. מיקומים אלה קשורים בדרך כלל לגייזרים, מעיינות חמים או הרי געש (איור\(\PageIndex{e}\)). בנוסף, תחנות כוח גיאותרמיות יקרות לבנייה.

משולשים על מפת העולם מסמנים את מיקומי הרי הגעש בעולם. — איור\(\PageIndex{e}\): מיקומי הרי הגעש בעולם. הם מרוכזים לאורך החופים המערביים של צפון אמריקה ודרום אמריקה, כמו גם ממזרח לאסיה ואוסטרליה. אזורים אלה, העוטפים את האוקיאנוס השקט, יוצרים את מה שמכונה טבעת האש. תמונה מאת Salazar, S.S., Muñoz, Y & Ospino, A. ניתוח אנרגיה גיאותרמית כמקור חלופי לחשמל בקולומביה. *אנרגיה גיאותרמית* 5, 27 (2017). (CC-BY)

ההשפעה הסביבתית של אנרגיה גיאותרמית תלויה באופן השימוש בה. השימוש במשאבות חום גיאותרמיות כמעט ואין לו השפעה שלילית על הסביבה. תחנות כוח גיאותרמיות אינן שורפות דלק לייצור חשמל, ולכן הן מייצרות זיהום אוויר מינימלי. הם משחררים פחות מ -1% מפליטת הפחמן הדו-חמצני של מפעל דלק מאובנים. צמחים גיאותרמיים משתמשים במערכות קרצוף כדי לנקות את האוויר ממימן גופרתי שנמצא באופן טבעי בקיטור ובמים החמים. הם פולטים 97% פחות תרכובות גופרית (גורם אחד לתצהיר חומצה/גשם חומצי) מאשר נפלטים על ידי מפעלי דלק מאובנים. לאחר השימוש באדים ובמים ממאגר גיאותרמי, הם מוזרקים חזרה לכדור הארץ. דאגה סביבתית אחת הקשורה לתחנות כוח גיאותרמיות היא קידוח גיאותרמי במהלך בנייתם גרם לרעידות אדמה, בדומה להשפעות של בארות הזרקה לשבירה.

ייחוס

שונה על ידי מליסה הא מאנרגיה מתחדשת ואתגרים והשפעות של שימוש באנרגיה מביולוגיה סביבתית על ידי מתיו ר 'פישר (מורשה תחת CC-BY