Température de la Terre à une profondeur de 20 mètres. Dix mythes sur les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques

L'une des techniques les meilleures et les plus rationnelles dans la construction de grandes serres est une serre thermos souterraine.
L'utilisation de ce fait de la constance de la température du sol à une profondeur dans le dispositif de la serre permet d'énormes économies de coûts de chauffage pendant la saison froide, facilite l'entretien, rend le microclimat plus stable..
Une telle serre fonctionne dans les gelées les plus amères, vous permet de produire des légumes, de faire pousser des fleurs toute l'année.
Une serre enterrée correctement équipée permet la culture, y compris les cultures du sud qui aiment la chaleur. Il n'y a pratiquement aucune restriction. Dans la serre, les agrumes et même les ananas peuvent se sentir bien.
Mais pour que tout fonctionne correctement dans la pratique, il est impératif d'observer les technologies éprouvées par le temps par lesquelles les serres souterraines ont été construites. Après tout, cette idée n'est pas nouvelle, même sous le tsar de Russie, des serres enterrées ont donné des récoltes d'ananas, que les marchands entreprenants exportaient vers l'Europe pour les vendre.
Pour une raison quelconque, la construction de telles serres n'a pas été largement utilisée dans notre pays, dans l'ensemble, elle est simplement oubliée, bien que la conception soit idéale juste pour notre climat.
Probablement, le rôle ici a été joué par la nécessité de creuser une fosse de fondation profonde et de remplir la fondation. La construction d'une serre enterrée est assez coûteuse, c'est loin d'être une serre recouverte de polyéthylène, mais le rendement de la serre est bien plus important.
De l'approfondissement dans le sol, l'éclairage interne global n'est pas perdu, cela peut sembler étrange, mais dans certains cas, la saturation lumineuse est encore plus élevée que celle des serres classiques.
Il est impossible de ne pas mentionner la solidité et la fiabilité de la structure, elle est incomparablement plus résistante que l'habituelle, elle tolère plus facilement les rafales d'ouragan, elle résiste bien à la grêle et les tas de neige ne deviendront pas un obstacle.

1. Fosse

La création d'une serre commence par le creusement d'une fosse de fondation. Pour utiliser la chaleur de la terre pour chauffer l'intérieur, la serre doit être suffisamment profonde. Plus la terre est profonde, plus la terre devient chaude.
La température change à peine tout au long de l'année à une distance de 2 à 2,5 mètres de la surface. À une profondeur de 1 m, la température du sol fluctue davantage, mais en hiver, sa valeur reste positive, généralement en voie du milieu la température est de 4 à 10 ° C, selon la saison.
Une serre encastrée est construite en une saison. Autrement dit, en hiver, il pourra déjà fonctionner et générer des revenus. La construction n'est pas bon marché, mais en utilisant de l'ingéniosité, des matériaux de compromis, il est possible d'économiser littéralement tout un ordre de grandeur en faisant une sorte de version économique de la serre, à partir de la fosse.
Par exemple, évitez la participation de matériel de construction. Bien que la partie la plus longue du travail - creuser une fosse de fondation - soit, bien sûr, mieux confiée à une excavatrice. Il est difficile et chronophage de retirer manuellement un tel volume de terre.
La profondeur de la fosse de la fosse de fondation doit être d'au moins deux mètres. À cette profondeur, la terre commencera à partager sa chaleur et fonctionnera comme une sorte de thermos. Si la profondeur est moindre, l'idée fonctionnera en principe, mais beaucoup moins efficacement. Par conséquent, il est recommandé de ne ménager aucun effort ni argent pour approfondir la future serre.
La longueur des serres souterraines peut être quelconque, mais il est préférable de maintenir la largeur à moins de 5 mètres, si la largeur est plus grande, les caractéristiques de qualité du chauffage et de la réflexion de la lumière se détériorent.
Sur les côtés de l'horizon, les serres souterraines doivent être orientées, comme les serres et les serres ordinaires, d'est en ouest, c'est-à-dire que l'un des côtés latéraux soit orienté vers le sud. Dans cette position, les plantes recevront la quantité maximale d'énergie solaire.

2. Murs et toit

Une fondation est coulée ou des blocs sont posés le long du périmètre de la fosse. La fondation sert de base aux murs et au cadre de la structure. Il est préférable de fabriquer des murs à partir de matériaux ayant de bonnes caractéristiques d'isolation thermique; les thermoblocs sont une excellente option.

La charpente du toit est souvent en bois, à partir de barres imprégnées d'agents antiseptiques. La structure du toit est généralement à pignon droit. Une barre faîtière est fixée au centre de la structure; pour cela, des supports centraux sont installés au sol sur toute la longueur de la serre.

La poutre faîtière et les murs sont reliés par une rangée de chevrons. Le cadre peut être réalisé sans supports hauts. Ils sont remplacés par de petits, qui sont placés sur des poutres transversales reliant les côtés opposés de la serre - cette conception rend l'espace intérieur plus libre.

Il est préférable de prendre le polycarbonate cellulaire comme revêtement de toit - un matériau moderne populaire. La distance entre les chevrons pendant la construction est ajustée à la largeur des feuilles de polycarbonate. Il est pratique de travailler avec le matériau. Le revêtement est obtenu avec un petit nombre de joints, puisque les feuilles sont produites dans une longueur de 12 m.

Ils sont fixés au cadre avec des vis autotaraudeuses; mieux vaut les choisir avec une tête en forme de rondelle. Pour éviter de fissurer la feuille, sous chaque vis autotaraudeuse, vous devez percer un trou du diamètre approprié avec une perceuse. Avec un tournevis, ou une perceuse conventionnelle avec un embout Phillips, le travail de vitrage se déroule très rapidement. Afin d'éviter les espaces, il est bon de poser les chevrons sur le dessus à l'avance avec un joint en caoutchouc souple ou d'un autre matériau approprié et de visser ensuite les feuilles. Le sommet du toit le long de la crête doit être posé avec une isolation douce et pressé avec une sorte de coin: plastique, étain ou autre matériau approprié.

Pour une bonne isolation thermique, le toit est parfois réalisé avec une double couche de polycarbonate. Bien que la transparence soit réduite d'environ 10%, cela est couvert par d'excellentes caractéristiques d'isolation thermique. Il convient de noter que la neige sur un tel toit ne fond pas. Par conséquent, la pente doit être à un angle suffisant, d'au moins 30 degrés, pour que la neige ne s'accumule pas sur le toit. De plus, un vibrateur électrique est installé pour secouer, il protégera le toit au cas où la neige s'accumulerait.

Le double vitrage est réalisé de deux manières:

Un profil spécial est inséré entre les deux feuilles, les feuilles sont attachées au cadre par le haut;

Tout d'abord, la couche de vitrage inférieure est fixée au cadre de l'intérieur, à la face inférieure des chevrons. Le toit est recouvert d'une deuxième couche, comme d'habitude, par le haut.

Une fois les travaux terminés, il est conseillé de coller tous les joints avec du ruban adhésif. Le toit fini est très impressionnant: sans joints inutiles, lisse, sans parties saillantes.

3. Isolation et chauffage

L'isolation des murs est réalisée comme suit. Tout d'abord, vous devez soigneusement enduire tous les joints et coutures du mur avec une solution, ici vous pouvez également appliquer de la mousse de polyuréthane. La face intérieure des murs est recouverte d'une feuille d'isolation thermique.

Dans les régions les plus froides du pays, il est bon d'utiliser une feuille épaisse recouvrant le mur d'une double couche.

La température dans le sol profond de la serre est au-dessus du point de congélation, mais plus froide que la température de l'air requise pour la croissance des plantes. La couche supérieure est réchauffée par les rayons du soleil et l'air de la serre, mais le sol éloigne toujours la chaleur, par conséquent, les serres souterraines utilisent souvent la technologie des «planchers chauds»: un élément chauffant - un câble électrique - est protégé par une grille métallique ou coulé avec du béton.

Dans le second cas, la terre pour les plates-bandes est versée sur du béton ou les verts sont cultivés dans des pots et des pots de fleurs.

L'utilisation du chauffage par le sol peut être suffisante pour chauffer toute la serre, s'il y a suffisamment de puissance. Mais il est plus efficace et plus confortable pour les plantes d'utiliser le chauffage combiné: plancher chaud + chauffage à air. Pour une bonne croissance, ils ont besoin d'une température de l'air de 25 à 35 degrés à une température de la terre d'environ 25 C.

CONCLUSION

Bien sûr, la construction d'une serre encastrée sera plus coûteuse et plus facile que la construction d'une serre similaire avec une conception conventionnelle. Mais les fonds investis dans un thermos à effet de serre se justifient dans le temps.

Premièrement, il économise de l'énergie pour le chauffage. Peu importe la façon dont une serre au sol ordinaire est chauffée en hiver, elle sera toujours plus coûteuse et plus difficile qu'une méthode similaire de chauffage dans une serre souterraine. Deuxièmement, les économies d'éclairage. L'isolation en feuille des murs, réfléchissant la lumière, double l'éclairage. Le microclimat dans une serre profonde en hiver sera plus favorable aux plantes, ce qui affectera certainement le rendement. Les jeunes plants s'enracineront facilement, les plantes délicates se sentiront bien. Une telle serre garantit un rendement stable et élevé de toute plante toute l'année.

Dans notre pays, riche en hydrocarbures, la géothermie est une ressource exotique qui, compte tenu de l'état actuel des choses, est peu susceptible de concurrencer le pétrole et le gaz. Néanmoins, cette forme alternative d'énergie peut être utilisée presque partout et est assez efficace.

L'énergie géothermique est la chaleur de l'intérieur de la terre. Il est produit dans les profondeurs et remonte à la surface de la Terre sous différentes formes et avec différentes intensités.

La température des couches supérieures du sol dépend principalement de facteurs externes (exogènes) - la lumière du soleil et la température de l'air. En été et pendant la journée, le sol se réchauffe à certaines profondeurs, et en hiver et la nuit, il se refroidit suite à un changement de température de l'air et avec un certain retard, augmentant avec la profondeur. L'influence des fluctuations quotidiennes de la température de l'air se termine à des profondeurs de quelques à plusieurs dizaines de centimètres. Les fluctuations saisonnières couvrent des couches de sol plus profondes - jusqu'à des dizaines de mètres.

À une certaine profondeur - de plusieurs dizaines à des centaines de mètres - la température du sol est maintenue constante, égale à la température annuelle moyenne de l'air à la surface de la Terre. Ceci est facile à vérifier en descendant dans une grotte suffisamment profonde.

Lorsque la température annuelle moyenne de l'air dans une zone donnée est inférieure à zéro, cela se manifeste par le pergélisol (plus précisément, le pergélisol). En Sibérie orientale, l'épaisseur, c'est-à-dire l'épaisseur, des sols gelés toute l'année atteint 200 à 300 m par endroits.

À partir d'une certaine profondeur (la sienne pour chaque point de la carte), l'action du Soleil et de l'atmosphère s'affaiblit tellement que des facteurs endogènes (internes) viennent au premier plan et que l'intérieur de la Terre se réchauffe de l'intérieur, de sorte que la température commence à monter avec la profondeur.

L'échauffement des couches profondes de la Terre est principalement associé à la désintégration des éléments radioactifs qui s'y trouvent, bien que d'autres sources de chaleur soient également appelées, par exemple, des processus physico-chimiques, tectoniques dans les couches profondes de la croûte terrestre et du manteau. Mais quelle qu'en soit la raison, la température des roches et des substances liquides et gazeuses associées augmente avec la profondeur. Les mineurs sont confrontés à ce phénomène - il fait toujours chaud dans les mines profondes. À une profondeur de 1 km, une chaleur de trente degrés est normale et plus la température est encore plus élevée.

Le flux de chaleur de l'intérieur de la Terre, atteignant la surface de la Terre, est faible - en moyenne, sa puissance est de 0,03 à 0,05 W / m 2, soit environ 350 W · h / m 2 par an. Dans le contexte du flux de chaleur du Soleil et de l'air chauffé par celui-ci, il s'agit d'une valeur imperceptible: le Soleil donne à chaque mètre carré de la surface terrestre environ 4000 kWh par an, soit 10000 fois plus (bien sûr, c'est en moyenne, avec un énorme écart entre les latitudes polaires et équatoriales et en fonction d'autres facteurs climatiques et météorologiques).

L'insignifiance du flux de chaleur des profondeurs vers la surface sur la majeure partie de la planète est associée à la faible conductivité thermique des roches et aux particularités de la structure géologique. Mais il y a des exceptions - des endroits où le flux de chaleur est élevé. Ce sont tout d'abord des zones de failles tectoniques, d'activité sismique accrue et de volcanisme, où l'énergie de l'intérieur de la terre trouve un exutoire. Ces zones sont caractérisées par des anomalies thermiques de la lithosphère, ici le flux thermique atteignant la surface de la Terre peut être plusieurs fois et même des ordres de grandeur plus puissant que celui "habituel". Les éruptions volcaniques et les sources chaudes transportent une énorme quantité de chaleur à la surface de ces zones.

Ce sont ces zones qui sont les plus propices au développement de la géothermie. Sur le territoire de la Russie, ce sont d'abord le Kamtchatka, les îles Kouriles et le Caucase.

Dans le même temps, le développement de la géothermie est possible presque partout, car l'élévation de la température avec la profondeur est un phénomène omniprésent, et la tâche est «d'extraire» la chaleur des intestins, tout comme les matières premières minérales en sont extraites.

En moyenne, la température augmente avec la profondeur de 2,5 à 3 ° C tous les 100 m. Le rapport entre la différence de température entre deux points à des profondeurs différentes et la différence de profondeur entre eux est appelé gradient géothermique.

La réciproque est l'étape géothermique, ou intervalle de profondeur auquel la température augmente de 1 ° C.

Plus le gradient est élevé et, par conséquent, plus le pas est bas, plus la chaleur des profondeurs de la Terre s'approche de la surface et plus cette zone est prometteuse pour le développement de l'énergie géothermique.

Dans différentes zones, en fonction de la structure géologique et d'autres conditions régionales et locales, le taux de montée en température avec la profondeur peut varier considérablement. À l'échelle de la Terre, les fluctuations de l'ampleur des gradients et des marches géothermiques atteignent 25 fois. Par exemple, en Oregon (USA), le gradient est de 150 ° C par km et en Afrique du Sud de 6 ° C par km.

La question est, quelle est la température à de grandes profondeurs - 5, 10 km ou plus? Si la tendance se poursuit, les températures à une profondeur de 10 km devraient en moyenne autour de 250–300 ° C. Ceci est plus ou moins confirmé par des observations directes dans des puits super profonds, bien que l'image soit beaucoup plus compliquée qu'une augmentation linéaire de la température.

Par exemple, dans le puits superprofond de Kola, foré dans le bouclier cristallin de la Baltique, la température à une profondeur de 3 km change à une vitesse de 10 ° C / 1 km, puis le gradient géothermique devient 2 à 2,5 fois plus élevé. À une profondeur de 7 km, une température de 120 ° C a déjà été enregistrée, à une profondeur de 10 km - 180 ° C, et à 12 km - 220 ° C.

Un autre exemple est un puits foré dans la région nord de la Caspienne, où une température de 42 ° C a été enregistrée à une profondeur de 500 m, 70 ° C à 1,5 km, 80 ° C à 2 km et 108 ° C à 3 km.

On suppose que le gradient géothermique diminue à partir d'une profondeur de 20-30 km: à une profondeur de 100 km, les températures supposées sont d'environ 1300-1500 ° C, à une profondeur de 400 km - 1600 ° C, au cœur de la Terre (profondeurs supérieures à 6000 km) - 4000-5000 ° C.

À des profondeurs de 10 à 12 km, la température est mesurée au moyen de puits forés; lorsqu'ils sont absents, il est déterminé par des signes indirects de la même manière qu'à des profondeurs plus importantes. Ces signes indirects peuvent être la nature du passage des ondes sismiques ou la température de la lave qui s'écoule.

Cependant, aux fins de l'énergie géothermique, les données sur les températures à des profondeurs de plus de 10 km ne présentent pas encore d'intérêt pratique.

Il y a beaucoup de chaleur à des profondeurs de plusieurs kilomètres, mais comment la soulever? Parfois, ce problème est résolu pour nous par la nature elle-même à l'aide d'un caloporteur naturel - des eaux thermales chauffées qui remontent à la surface ou se trouvent à une profondeur qui nous est accessible. Dans certains cas, l'eau des profondeurs est chauffée à l'état de vapeur.

Il n'y a pas de définition stricte du terme «eaux thermales». En règle générale, il s'agit des eaux souterraines chaudes à l'état liquide ou sous forme de vapeur, y compris celles qui arrivent à la surface de la Terre avec une température supérieure à 20 ° C, c'est-à-dire, en règle générale, supérieure à la température de l'air.

La chaleur des eaux souterraines, de la vapeur et des mélanges vapeur-eau est une énergie hydrothermale. En conséquence, l'énergie basée sur son utilisation est appelée hydrothermale.

La situation est plus compliquée avec l'extraction de chaleur directement à partir de roches sèches - énergie pétrothermique, d'autant plus que les températures assez élevées, en règle générale, partent de profondeurs de plusieurs kilomètres.

Sur le territoire de la Russie, le potentiel de l'énergie pétrothermique est cent fois plus élevé que celui de l'énergie hydrothermale - respectivement 3500 et 35 billions de tonnes équivalent carburant. C'est tout à fait naturel - la chaleur des profondeurs de la Terre est partout et les eaux thermales se trouvent localement. Cependant, en raison de difficultés techniques évidentes pour produire de la chaleur et de l'électricité, les eaux thermales sont actuellement principalement utilisées.

Les eaux dont la température se situe entre 20-30 ° C et 100 ° C conviennent au chauffage, aux températures comprises entre 150 ° C et plus - et à la production d'électricité dans les centrales géothermiques.

En général, les ressources géothermiques sur le territoire de la Russie, en termes de tonnes de combustible équivalent ou de toute autre unité de mesure énergétique, sont environ 10 fois plus élevées que les réserves de combustibles fossiles.

Théoriquement, seule la géothermie pourrait satisfaire pleinement les besoins énergétiques du pays. Pratiquement sur ce moment sur la majeure partie de son territoire, cela n'est pas possible pour des raisons techniques et économiques.

Dans le monde, l'utilisation de l'énergie géothermique est le plus souvent associée à l'Islande, un pays situé à l'extrémité nord de la dorsale médio-atlantique, dans une zone tectonique et volcanique extrêmement active. Tout le monde se souvient probablement de la puissante éruption du volcan Eyjafjallajokull ( Eyjafjallajökull) en 2010.

C'est grâce à cette spécificité géologique que l'Islande possède d'énormes réserves d'énergie géothermique, notamment des sources chaudes qui remontent à la surface de la Terre et jaillissent même sous forme de geysers.

En Islande, plus de 60% de toute l'énergie consommée provient actuellement de la Terre. Y compris les sources géothermiques fournissent 90% du chauffage et 30% de la production d'électricité. Nous ajoutons que le reste de l'électricité du pays est produit dans des centrales hydroélectriques, c'est-à-dire également à partir d'une source d'énergie renouvelable, grâce à laquelle l'Islande ressemble à une sorte de norme environnementale mondiale.

La «domestication» de l'énergie géothermique au XXe siècle a sensiblement aidé l'Islande sur le plan économique. Jusqu'au milieu du siècle dernier, c'était un pays très pauvre, maintenant il se classe premier au monde en termes de capacité installée et de production d'énergie géothermique par habitant et se trouve dans le top dix en termes de valeur absolue de la capacité installée des centrales géothermiques. Cependant, sa population n'est que de 300 000 habitants, ce qui simplifie la tâche de passer à des sources d'énergie respectueuses de l'environnement: ses besoins sont généralement faibles.

Outre l'Islande, une part importante de l'énergie géothermique dans le bilan total de la production d'électricité est fournie en Nouvelle-Zélande et dans les États insulaires d'Asie du Sud-Est (Philippines et Indonésie), pays d'Amérique centrale et d'Afrique de l'Est, dont le territoire est également caractérisé par une forte activité sismique et volcanique. Pour ces pays, compte tenu de leur niveau actuel de développement et de leurs besoins, la géothermie apporte une contribution significative au développement socio-économique.

L'utilisation de l'énergie géothermique a une très longue histoire. L'un des premiers exemples connus est l'Italie, un endroit de la province de Toscane, maintenant appelée Larderello, où dès le début du XIXe siècle, les eaux thermales chaudes locales, déversées naturellement ou extraites de puits peu profonds, étaient utilisées à des fins énergétiques.

De l'eau souterraine riche en bore a été utilisée ici pour obtenir de l'acide borique. Initialement, cet acide était obtenu par évaporation dans des chaudières en fer et le bois de chauffage ordinaire des forêts voisines était utilisé comme combustible, mais en 1827, Francesco Larderel a créé un système qui fonctionnait sur la chaleur des eaux elles-mêmes. Dans le même temps, l'énergie de la vapeur naturelle a commencé à être utilisée pour le fonctionnement des plates-formes de forage et au début du XXe siècle - pour chauffer les maisons et les serres locales. Au même endroit, à Larderello, en 1904, la vapeur d'eau thermale est devenue une source d'énergie pour produire de l'électricité.

Certains autres pays ont suivi l'exemple de l'Italie à la fin du XIXe et au début du XXe siècle. Par exemple, en 1892, les eaux thermales ont été utilisées pour la première fois pour le chauffage local aux États-Unis (Boise, Idaho), en 1919 - au Japon, en 1928 - en Islande.

Aux États-Unis, la première centrale hydrothermale est apparue en Californie au début des années 1930, en Nouvelle-Zélande en 1958, au Mexique en 1959, en Russie (première centrale géothermique binaire du monde) en 1965 ...

Ancien principe sur une nouvelle source

La production d'électricité nécessite une température de la source hydraulique plus élevée que pour le chauffage - plus de 150 ° C. Le principe de fonctionnement d'une centrale géothermique (GeoPP) est similaire au principe de fonctionnement d'une centrale thermique conventionnelle (TPP). En fait, une centrale géothermique est une sorte de centrale thermique.

Dans les TPP, en règle générale, le charbon, le gaz ou le mazout constituent la principale source d'énergie et la vapeur d'eau sert de fluide de travail. Le carburant, brûlant, chauffe l'eau à l'état de vapeur, ce qui fait tourner la turbine à vapeur, et génère de l'électricité.

La différence entre les GeoPPs est que la principale source d'énergie ici est la chaleur de l'intérieur de la terre et que le fluide de travail sous forme de vapeur est fourni aux aubes de turbine d'un générateur électrique sous une forme «finie» directement à partir du puits de production.

Il existe trois principaux schémas de fonctionnement GeoPP: direct, utilisant de la vapeur sèche (géothermique); indirecte, à base d'eau hydrothermale, et mixte, ou binaire.

L'application de tel ou tel schéma dépend de l'état d'agrégation et de la température du vecteur d'énergie.

Le plus simple et donc le premier des schémas maîtrisés est la ligne droite, dans laquelle la vapeur provenant du puits passe directement à travers la turbine. Le premier GeoPP au monde à Larderello fonctionnait également à la vapeur sèche en 1904.

Les GeoPP avec un schéma de travail indirect sont les plus courants à notre époque. Ils utilisent de l'eau souterraine chaude, qui est pompée dans un évaporateur sous haute pression, où une partie de celle-ci est évaporée, et la vapeur qui en résulte fait tourner une turbine. Dans certains cas, des dispositifs et des circuits supplémentaires sont nécessaires pour purifier l'eau géothermique et la vapeur des composés agressifs.

La vapeur résiduelle entre dans le puits d'injection ou est utilisée pour le chauffage des locaux - dans ce cas, le principe est le même que dans le fonctionnement d'une cogénération.

Aux GeoPP binaires, l'eau thermale chaude interagit avec un autre liquide qui agit comme un fluide de travail avec un point d'ébullition plus bas. Les deux liquides passent à travers un échangeur de chaleur, où l'eau thermale évapore le fluide de travail, dont la vapeur fait tourner la turbine.

Ce système est fermé, ce qui résout le problème des émissions dans l'atmosphère. De plus, des fluides de travail à point d'ébullition relativement bas permettent d'utiliser des eaux thermales peu chaudes comme source primaire d'énergie.

Les trois systèmes utilisent une source hydrothermale, mais l'énergie pétrothermique peut également être utilisée pour produire de l'électricité.

Le diagramme schématique dans ce cas est également assez simple. Il est nécessaire de forer deux puits interconnectés - injection et production. L'eau est pompée dans le puits d'injection. En profondeur, il se réchauffe, puis de l'eau chauffée ou de la vapeur formée à la suite d'un fort chauffage est fournie à la surface par le puits de production. En outre, tout dépend de la manière dont l'énergie pétrothermique est utilisée - pour le chauffage ou pour la production d'électricité. Un cycle fermé est possible avec l'injection de vapeur et d'eau résiduaires dans le puits d'injection ou par un autre moyen d'élimination.

L'inconvénient d'un tel système est évident: pour obtenir une température du fluide de travail suffisamment élevée, il est nécessaire de forer des puits à une grande profondeur. Et ce sont des coûts importants et le risque de perte de chaleur importante lorsque le fluide monte. Par conséquent, les systèmes pétrothermiques sont encore moins courants que les systèmes hydrothermaux, bien que le potentiel de l'énergie pétrothermique soit d'un ordre de grandeur plus élevé.

Actuellement, l'Australie est le leader dans la création des soi-disant systèmes de circulation pétrothermique (PCS). De plus, cette direction de la géothermie se développe activement aux États-Unis, en Suisse, en Grande-Bretagne et au Japon.

Le cadeau de Lord Kelvin

L'invention en 1852 d'une pompe à chaleur par le physicien William Thompson (alias Lord Kelvin) a fourni à l'humanité une réelle opportunité d'utiliser la chaleur à faible potentiel des couches supérieures du sol. Le système de pompe à chaleur, ou, comme l'a appelé Thompson, le multiplicateur de chaleur, est basé sur le processus physique de transfert de la chaleur de l'environnement vers le réfrigérant. En fait, il utilise le même principe que dans les systèmes pétrothermiques. La différence réside dans la source de chaleur, à propos de laquelle une question terminologique peut se poser: dans quelle mesure une pompe à chaleur peut-elle être considérée comme un système géothermique? Le fait est que dans les couches supérieures, à des profondeurs de dizaines à centaines de mètres, les roches et les fluides qu'elles contiennent ne sont pas chauffés par la chaleur profonde de la terre, mais par le soleil. Ainsi, c'est le soleil dans ce cas qui est la principale source de chaleur, bien qu'il soit prélevé, comme dans les systèmes géothermiques, sur la terre.

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur est basé sur un retard dans le chauffage et le refroidissement du sol par rapport à l'atmosphère, à la suite duquel un gradient de température se forme entre la surface et les couches plus profondes, qui retiennent la chaleur même en hiver, comme ce qui se passe dans les plans d'eau. Le principal objectif des pompes à chaleur est le chauffage des locaux. En fait, c'est un «réfrigérateur inversé». La pompe à chaleur et le réfrigérateur interagissent tous deux avec trois composants: l'environnement interne (dans le premier cas - la pièce chauffée, dans le second - la chambre réfrigérée du réfrigérateur), l'environnement extérieur - la source d'énergie et le réfrigérant (réfrigérant), c'est aussi le caloporteur qui assure le transfert de chaleur ou du froid.

Une substance à bas point d'ébullition agit comme un réfrigérant, ce qui lui permet de capter la chaleur d'une source qui a même une température relativement basse.

Dans le réfrigérateur, le réfrigérant liquide pénètre dans l'évaporateur par un étranglement (régulateur de pression), où, en raison d'une forte diminution de la pression, le liquide s'évapore. L'évaporation est un processus endothermique qui nécessite une absorption de chaleur externe. En conséquence, la chaleur est prélevée sur les parois internes de l'évaporateur, ce qui fournit un effet de refroidissement dans la chambre du réfrigérateur. En outre, à partir de l'évaporateur, le réfrigérant est aspiré dans le compresseur, où il revient à l'état liquide d'agrégation. Il s'agit d'un processus inverse conduisant à la libération de la chaleur évacuée dans l'environnement extérieur. En règle générale, il est jeté dans la pièce et l'arrière du réfrigérateur est relativement chaud.

Une pompe à chaleur fonctionne à peu près de la même manière, à la différence que la chaleur est extraite de l'environnement extérieur et pénètre par l'évaporateur dans l'environnement interne - le système de chauffage de la pièce.

Dans une vraie pompe à chaleur, l'eau se réchauffe, passant le long d'un circuit extérieur, posée dans le sol ou dans un réservoir, puis entre dans l'évaporateur.

Dans l'évaporateur, la chaleur est transférée à un circuit interne rempli d'un réfrigérant à bas point d'ébullition, qui, en passant par l'évaporateur, passe d'un état liquide à un état gazeux, en éliminant la chaleur.

En outre, le réfrigérant gazeux entre dans le compresseur, où il est comprimé à haute pression et température, et entre dans le condenseur, où un échange de chaleur a lieu entre le gaz chaud et le liquide de refroidissement du système de chauffage.

Le compresseur nécessite de l'électricité pour fonctionner, cependant, le rapport de transformation (rapport d'énergie consommée et d'énergie produite) dans les systèmes modernes est suffisamment élevé pour garantir leur efficacité.

Aujourd'hui, les pompes à chaleur sont largement utilisées pour le chauffage des locaux, principalement dans les pays économiquement développés.

Énergie éco-correcte

L'énergie géothermique est considérée comme respectueuse de l'environnement, ce qui est généralement vrai. Tout d'abord, il utilise une ressource renouvelable et pratiquement inépuisable. La géothermie ne nécessite pas de grandes surfaces, contrairement aux grandes centrales hydroélectriques ou aux parcs éoliens, et ne pollue pas l'atmosphère, contrairement à l'énergie des hydrocarbures. En moyenne, un GeoPP occupe 400 m 2 pour 1 GW d'électricité produite. Le même chiffre pour une centrale électrique au charbon, par exemple, est de 3600 m 2. Les avantages écologiques des GeoPP incluent également une faible consommation d'eau - 20 litres d'eau douce pour 1 kW, tandis que les TPP et les centrales nucléaires nécessitent environ 1000 litres. Notez que ce sont des indicateurs environnementaux du GeoPP «moyen».

Mais il y a encore des effets secondaires négatifs. Parmi eux, on distingue le plus souvent le bruit, la pollution thermique de l'atmosphère et la pollution chimique - eau et sol, ainsi que la formation de déchets solides.

La principale source de pollution chimique de l'environnement est l'eau thermale proprement dite (à haute température et minéralisée), contenant souvent grandes quantités composés toxiques, en rapport avec lesquels il existe un problème d'élimination des eaux usées et des substances dangereuses.

Les effets négatifs de la géothermie peuvent être tracés à plusieurs étapes, à commencer par le forage de puits. Ici, les mêmes dangers surviennent que lors du forage de tout puits: destruction du sol et du couvert végétal, pollution des sols et des eaux souterraines.

Au stade de l'exploitation du GeoPP, les problèmes de pollution environnementale persistent. Les fluides thermiques - eau et vapeur - contiennent généralement du dioxyde de carbone (CO 2), du sulfure de soufre (H 2 S), de l'ammoniac (NH 3), du méthane (CH 4), du sel de table (NaCl), du bore (B), de l'arsenic (As ), le mercure (Hg). Lorsqu'ils sont rejetés dans l'environnement, ils deviennent des sources de sa pollution. De plus, un environnement chimique agressif peut causer des dommages par corrosion aux structures du GeoTPP.

Dans le même temps, les émissions de polluants aux GeoPP sont en moyenne inférieures à celles des TPP. Par exemple, les émissions de dioxyde de carbone pour chaque kilowattheure d'électricité produite peuvent atteindre 380 g aux GeoPP, 1042 g - aux TPP au charbon, 906 g - au mazout et 453 g - aux TPP au gaz.

La question se pose: que faire des eaux usées? Avec une faible salinité, il peut être rejeté dans les eaux de surface après refroidissement. Une autre façon est de le réinjecter dans l'aquifère à travers un puits d'injection, ce qui est préféré et principalement utilisé aujourd'hui.

L'extraction de l'eau thermale des aquifères (ainsi que le pompage de l'eau ordinaire) peut provoquer des affaissements et des mouvements du sol, d'autres déformations des couches géologiques, des micro-tremblements de terre. En règle générale, la probabilité de tels phénomènes est faible, bien que des cas individuels aient été enregistrés (par exemple, au GeoPP de Staufen im Breisgau en Allemagne).

Il convient de souligner que la plupart des GeoPP sont situés dans des zones relativement peu peuplées et dans les pays du tiers monde, où les exigences environnementales sont moins strictes que dans les pays développés. De plus, pour le moment, le nombre de GeoPP et leurs capacités sont relativement faibles. Avec un développement plus étendu de la géothermie, les risques environnementaux peuvent augmenter et se multiplier.

Quelle est l'énergie de la Terre?

Les coûts d'investissement pour la construction de systèmes géothermiques varient dans une très large gamme - de 200 $ à 5000 $ pour 1 kW de capacité installée, c'est-à-dire que les options les moins chères sont comparables au coût de construction d'une centrale thermique. Ils dépendent tout d'abord des conditions d'apparition des eaux thermales, de leur composition et de la conception du système. En forant à de grandes profondeurs, en créant un système fermé avec deux puits, la nécessité d'un traitement de l'eau peut augmenter les coûts multiples.

Par exemple, les investissements dans la création d'un système de circulation pétrothermique (PCS) sont estimés entre 1,6 et 4 000 dollars pour 1 kW de capacité installée, ce qui dépasse le coût de construction d'une centrale nucléaire et est comparable au coût de construction de centrales éoliennes et solaires.

L'avantage économique évident de GeoTPP est un vecteur d'énergie gratuit. À titre de comparaison, dans la structure des coûts d'un PTP ou d'une centrale nucléaire en exploitation, le carburant représente 50 à 80% ou même plus, selon les prix actuels des vecteurs énergétiques. D'où un autre avantage du système géothermique: les coûts d'exploitation sont plus stables et prévisibles, car ils ne dépendent pas de la conjoncture externe des prix de l'énergie. En général, les coûts d'exploitation du GeoTPP sont estimés entre 2 et 10 cents (60 kopecks - 3 roubles) pour 1 kWh de capacité produite.

Le deuxième poste de dépense le plus important (après le vecteur d'énergie) (et très important) est, en règle générale, les salaires du personnel de l'usine, qui peuvent varier radicalement selon les pays et les régions.

En moyenne, le coût de 1 kWh d'énergie géothermique est comparable à celui des TPP (dans les conditions russes - environ 1 RUB / 1 kWh) et dix fois plus élevé que le coût de la production d'électricité aux HPP (5-10 kopecks / 1 kWh ).

Le coût élevé s'explique en partie par le fait que, contrairement aux centrales thermiques et hydrauliques, le GeoTPP a une capacité relativement faible. De plus, il est nécessaire de comparer des systèmes situés dans la même région et dans des conditions similaires. Par exemple, au Kamtchatka, selon les experts, 1 kWh d'électricité géothermique coûte 2 à 3 fois moins cher que l'électricité produite dans les centrales thermiques locales.

Les indicateurs de l'efficacité économique d'un système géothermique dépendent, par exemple, de la nécessité de se débarrasser des eaux usées et de la manière dont cela est fait, si une utilisation combinée de la ressource est possible. Ainsi, les éléments chimiques et les composés extraits de l'eau thermale peuvent apporter un revenu supplémentaire. Rappelons l'exemple de Larderello: c'était la production chimique qui y était primaire, et l'utilisation de l'énergie géothermique était initialement auxiliaire.

L'énergie géothermique en avant

La géothermie se développe un peu différemment de l'éolien et du solaire. À l'heure actuelle, cela dépend beaucoup plus de la nature de la ressource elle-même, qui diffère fortement selon les régions, et les concentrations les plus élevées sont liées à des zones étroites d'anomalies géothermiques, associées, en règle générale, à des zones de failles tectoniques et de volcanisme.

De plus, la géothermie est moins volumineuse technologiquement que l'éolien, et encore plus avec l'énergie solaire: les systèmes de stations géothermiques sont assez simples.

Dans la structure totale de la production mondiale d'électricité, la composante géothermique représente moins de 1%, mais dans certaines régions et certains pays, sa part atteint 25-30%. En raison du lien avec les conditions géologiques, une partie importante de la capacité d'énergie géothermique est concentrée dans les pays du tiers monde, où se distinguent trois groupes du plus grand développement de l'industrie - les îles d'Asie du Sud-Est, d'Amérique centrale et d'Afrique de l'Est. Les deux premières régions font partie de la "ceinture de feu de la Terre" du Pacifique, la troisième est liée au Rift est-africain. L'énergie géothermique est plus susceptible de se développer davantage dans ces ceintures. Une perspective plus lointaine est le développement de l'énergie pétrothermique, utilisant la chaleur des couches terrestres situées à une profondeur de plusieurs kilomètres. C'est une ressource presque omniprésente, mais son extraction nécessite des coûts élevés; par conséquent, l'énergie pétrothermique se développe principalement dans les pays les plus puissants économiquement et technologiquement.

En général, compte tenu de la répartition omniprésente des ressources géothermiques et d'un niveau acceptable de sécurité environnementale, il y a lieu de croire que la géothermie a de bonnes perspectives de développement. Surtout avec la menace croissante de pénurie de ressources énergétiques traditionnelles et la hausse des prix de celles-ci.

Du Kamtchatka au Caucase

En Russie, le développement de la géothermie a une histoire assez longue et, à plusieurs postes, nous figurons parmi les leaders mondiaux, même si la part de la géothermie dans le bilan énergétique total d'un immense pays est encore négligeable.

Deux régions sont devenues des pionniers et des centres pour le développement de l'énergie géothermique en Russie - Kamchatka Caucase du Nord, et si dans le premier cas, nous parlons principalement de l'industrie de l'énergie électrique, alors dans le second - de l'utilisation de l'énergie thermique de l'eau thermale.

Dans le Caucase du Nord - en Territoire de Krasnodar, Tchétchénie, Daghestan - la chaleur des eaux thermales à des fins énergétiques était utilisée avant même la Grande Guerre patriotique. Dans les années 80 et 90, le développement de la géothermie dans la région pour des raisons évidentes a stagné et n'est pas encore sorti d'un état de stagnation. Néanmoins, l'approvisionnement en eau géothermique dans le Caucase du Nord fournit de la chaleur à environ 500 000 personnes et, par exemple, la ville de Labinsk, dans le territoire de Krasnodar, qui compte 60 000 habitants, est entièrement chauffée par les eaux géothermiques.

Au Kamtchatka, l'histoire de la géothermie est principalement associée à la construction de centrales géothermiques. La première d'entre elles, toujours en service dans les stations Pauzhetskaya et Paratunskaya, a été construite en 1965-1967, tandis que la Paratunskaya GeoPP d'une capacité de 600 kW est devenue la première station au monde à cycle binaire. C'est le développement des scientifiques soviétiques S.S.Kutateladze et A.M. Rosenfeld de l'Institut de thermophysique de la branche sibérienne de l'Académie des sciences de Russie, qui ont reçu en 1965 un certificat d'auteur pour l'extraction d'électricité à partir de l'eau à une température de 70 ° C. Cette technologie est devenue plus tard un prototype pour plus de 400 GeoPP binaires dans le monde.

La capacité du GeoPP Pauzhetskaya, mis en service en 1966, était initialement de 5 MW et a ensuite été portée à 12 MW. Actuellement, un bloc binaire est en construction à la station, ce qui augmentera sa capacité de 2,5 MW supplémentaires.

Le développement de l'énergie géothermique en URSS et en Russie a été entravé par la disponibilité des sources d'énergie traditionnelles - pétrole, gaz, charbon, mais ne s'est jamais arrêté. Les plus grandes installations d'énergie géothermique à l'heure actuelle sont Verkhne-Mutnovskaya GeoPP d'une capacité totale de 12 MW, mises en service en 1999, et Mutnovskaya GeoPP d'une capacité de 50 MW (2002).

Les GeoPPs de Mutnovskaya et Verkhne-Mutnovskaya sont des objets uniques non seulement pour la Russie, mais aussi à l'échelle mondiale. Les stations sont situées au pied du volcan Mutnovsky, à une altitude de 800 mètres au-dessus du niveau de la mer, et fonctionnent à l'extrême conditions climatiquesoù 9 à 10 mois par an est l'hiver. L'équipement des GeoPP de Mutnovsky, actuellement l'un des plus modernes au monde, est entièrement créé dans des entreprises nationales de génie électrique.

À l'heure actuelle, la part des usines de Mutnovskie dans la structure totale de la consommation énergétique du centre énergétique du Kamtchatka central est de 40%. Une augmentation de capacité est prévue dans les années à venir.

Séparément, il convient de parler des développements pétrothermiques russes. Nous n'avons pas encore de grands DSP, mais il existe des technologies avancées pour le forage à de grandes profondeurs (environ 10 km), qui n'ont pas non plus d'analogues dans le monde. Leur développement ultérieur permettra de réduire drastiquement les coûts de création de systèmes pétrothermiques. Les développeurs de ces technologies et projets sont N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Institut géologique, RAS), A. S. Nekrasov (Institut de prévision économique, RAS) et des spécialistes de l'usine de turbines de Kaluga. Le projet de système de circulation pétrothermique en Russie est actuellement à un stade expérimental.

Il y a des perspectives pour la géothermie en Russie, bien que relativement éloignées: pour le moment, le potentiel est assez important et les positions de l'énergie traditionnelle sont fortes. Dans le même temps, dans un certain nombre de régions éloignées du pays, l'utilisation de l'énergie géothermique est économiquement rentable et est actuellement en demande. Ce sont des territoires à fort potentiel géoénergétique (Tchoukotka, Kamtchatka, Kouriles - la partie russe de la «ceinture de feu de la Terre» du Pacifique, les montagnes du sud de la Sibérie et du Caucase) et en même temps éloignés et coupés de l'approvisionnement énergétique centralisé.

Probablement, dans les décennies à venir, l'énergie géothermique dans notre pays se développera dans ces régions.

Kirill Degtyarev, chercheur, Université d'État de Moscou. M.V. Lomonosov.

Dans notre pays, riche en hydrocarbures, la géothermie est une ressource exotique qui, compte tenu de l'état actuel des choses, est peu susceptible de concurrencer le pétrole et le gaz. Néanmoins, cette forme alternative d'énergie peut être utilisée presque partout et est assez efficace.

Photo par Igor Konstantinov.

Changement de la température du sol avec la profondeur.

Augmentation de la température des eaux thermales et de leurs roches sèches hôtes avec la profondeur.

Changement de température avec la profondeur dans différentes régions.

L'éruption du volcan islandais Eyjafjallajokull est une illustration de violents processus volcaniques se produisant dans des zones tectoniques et volcaniques actives avec un puissant flux de chaleur provenant de l'intérieur de la Terre.

Capacités installées des centrales géothermiques par les pays du monde, MW.

Répartition des ressources géothermiques en Russie. Les réserves d'énergie géothermique, selon les experts, sont plusieurs fois supérieures à celles des énergies fossiles organiques. Selon l'Association "Geothermal Energy Society".

L'énergie géothermique est la chaleur de l'intérieur de la terre. Il est produit dans les profondeurs et remonte à la surface de la Terre sous différentes formes et avec différentes intensités.

La température des couches supérieures du sol dépend principalement de facteurs externes (exogènes) - la lumière du soleil et la température de l'air. En été et pendant la journée, le sol se réchauffe à certaines profondeurs, et en hiver et la nuit, il se refroidit suite à un changement de température de l'air et avec un certain retard, augmentant avec la profondeur. L'influence des fluctuations quotidiennes de la température de l'air se termine à des profondeurs de quelques à plusieurs dizaines de centimètres. Les fluctuations saisonnières couvrent des couches de sol plus profondes - jusqu'à des dizaines de mètres.

À une certaine profondeur - de plusieurs dizaines à des centaines de mètres - la température du sol est maintenue constante, égale à la température annuelle moyenne de l'air à la surface de la Terre. Ceci est facile à vérifier en descendant dans une grotte suffisamment profonde.

Lorsque la température annuelle moyenne de l'air dans une zone donnée est inférieure à zéro, cela se manifeste par le pergélisol (plus précisément, le pergélisol). En Sibérie orientale, l'épaisseur, c'est-à-dire l'épaisseur, des sols gelés toute l'année atteint 200 à 300 m par endroits.

À partir d'une certaine profondeur (la sienne pour chaque point de la carte), l'action du Soleil et de l'atmosphère s'affaiblit tellement que des facteurs endogènes (internes) viennent au premier plan et que l'intérieur de la Terre se réchauffe de l'intérieur, de sorte que la température commence à monter avec la profondeur.

L'échauffement des couches profondes de la Terre est principalement associé à la désintégration des éléments radioactifs qui s'y trouvent, bien que d'autres sources de chaleur soient également appelées, par exemple, des processus physico-chimiques, tectoniques dans les couches profondes de la croûte terrestre et du manteau. Mais quelle qu'en soit la raison, la température des roches et des substances liquides et gazeuses associées augmente avec la profondeur. Les mineurs sont confrontés à ce phénomène - il fait toujours chaud dans les mines profondes. À une profondeur de 1 km, une chaleur de trente degrés est normale et plus la température est encore plus élevée.

Le flux de chaleur de l'intérieur de la Terre, atteignant la surface de la Terre, est faible - en moyenne, sa puissance est de 0,03-0,05 W / m 2,
soit environ 350 Wh / m 2 par an. Dans le contexte du flux de chaleur du Soleil et de l'air qu'il chauffe, c'est une valeur imperceptible: le Soleil donne à chaque mètre carré de la surface terrestre environ 4000 kWh par an, soit 10000 fois plus (bien sûr, c'est en moyenne, avec un énorme écart entre les latitudes polaires et équatoriales et en fonction d'autres facteurs climatiques et météorologiques).

L'insignifiance du flux de chaleur des profondeurs vers la surface sur la majeure partie de la planète est associée à la faible conductivité thermique des roches et aux particularités de la structure géologique. Mais il y a des exceptions - des endroits où le flux de chaleur est élevé. Ce sont tout d'abord des zones de failles tectoniques, d'activité sismique accrue et de volcanisme, où l'énergie de l'intérieur de la terre trouve un exutoire. Ces zones sont caractérisées par des anomalies thermiques de la lithosphère, ici le flux thermique atteignant la surface de la Terre peut être plusieurs fois et même des ordres de grandeur plus puissant que celui "habituel". Les éruptions volcaniques et les sources chaudes transportent une énorme quantité de chaleur à la surface de ces zones.

Ce sont ces zones qui sont les plus propices au développement de la géothermie. Sur le territoire de la Russie, ce sont d'abord le Kamtchatka, les îles Kouriles et le Caucase.

Dans le même temps, le développement de la géothermie est possible presque partout, car l'élévation de la température avec la profondeur est un phénomène omniprésent, et la tâche est «d'extraire» la chaleur des intestins, tout comme les matières premières minérales en sont extraites.

En moyenne, la température augmente avec la profondeur de 2,5 à 3 ° C tous les 100 m. Le rapport entre la différence de température entre deux points à des profondeurs différentes et la différence de profondeur entre eux est appelé gradient géothermique.

L'inverse est une étape géothermique, ou un intervalle de profondeur auquel la température augmente de 1 ° C.

Plus le gradient est élevé et, par conséquent, plus le pas est bas, plus la chaleur des profondeurs de la Terre s'approche de la surface et plus cette zone est prometteuse pour le développement de l'énergie géothermique.

Dans différentes zones, en fonction de la structure géologique et d'autres conditions régionales et locales, le taux de montée en température avec la profondeur peut varier considérablement. À l'échelle de la Terre, les fluctuations des magnitudes des gradients et des marches géothermiques atteignent 25 fois. Par exemple, dans l'état de l'Oregon (USA), le gradient est de 150 ° C par km, et en Afrique du Sud - 6 ° C par km.

La question est, quelle est la température à de grandes profondeurs - 5, 10 km ou plus? Si la tendance se poursuit, la température à une profondeur de 10 km devrait en moyenne d'environ 250 à 300 o C. Ceci est plus ou moins confirmé par des observations directes dans des puits super profonds, bien que le tableau soit beaucoup plus compliqué qu'une élévation linéaire de température.

Par exemple, dans le puits super-profond de Kola foré dans le bouclier cristallin de la Baltique, la température à une profondeur de 3 km change à une vitesse de 10 ° C / 1 km, puis le gradient géothermique devient 2 à 2,5 fois plus grand. À une profondeur de 7 km, une température de 120 o C était déjà enregistrée, à 10 km - 180 o C, et à 12 km - 220 o C.

Un autre exemple est un puits foré dans la région nord de la mer Caspienne, où à une profondeur de 500 m une température de 42 o C a été enregistrée, à 1,5 km - 70 o C, à 2 km - 80 o C, à 3 km - 108 o C.

On suppose que le gradient géothermique diminue à partir d'une profondeur de 20-30 km: à une profondeur de 100 km, les températures supposées sont d'environ 1300-1500 o С, à une profondeur de 400 km - 1600 o С, au cœur de la Terre (profondeurs supérieures à 6000 km) - 4000-5000 o DE.

À des profondeurs allant jusqu'à 10 à 12 km, la température est mesurée au moyen de puits forés; là où ils sont absents, il est déterminé par des signes indirects, ainsi qu'à des profondeurs plus importantes. Ces signes indirects peuvent être la nature du passage des ondes sismiques ou la température de la lave qui s'écoule.

Cependant, aux fins de l'énergie géothermique, les données sur les températures à des profondeurs de plus de 10 km ne présentent pas encore d'intérêt pratique.

Il y a beaucoup de chaleur à des profondeurs de plusieurs kilomètres, mais comment la soulever? Parfois, ce problème est résolu pour nous par la nature elle-même à l'aide d'un caloporteur naturel - des eaux thermales chauffées qui remontent à la surface ou se trouvent à une profondeur qui nous est accessible. Dans certains cas, l'eau des profondeurs est chauffée à l'état de vapeur.

Il n'existe pas de définition stricte du terme «eaux thermales». En règle générale, il s'agit des eaux souterraines chaudes à l'état liquide ou sous forme de vapeur, y compris celles qui sortent à la surface de la Terre avec une température supérieure à 20 ° C, c'est-à-dire, en règle générale, supérieure à la température de l'air.

La chaleur des eaux souterraines, de la vapeur et des mélanges vapeur-eau est une énergie hydrothermale. En conséquence, l'énergie basée sur son utilisation est appelée hydrothermale.

La situation est plus compliquée avec l'extraction de chaleur directement à partir de roches sèches - énergie pétrothermique, d'autant plus que les températures assez élevées, en règle générale, partent de profondeurs de plusieurs kilomètres.

Sur le territoire de la Russie, le potentiel de l'énergie pétrothermique est cent fois plus élevé que celui de l'énergie hydrothermale - respectivement 3500 et 35 billions de tonnes équivalent carburant. C'est tout à fait naturel - la chaleur des profondeurs de la Terre est partout et les eaux thermales se trouvent localement. Cependant, en raison de difficultés techniques évidentes pour produire de la chaleur et de l'électricité, les eaux thermales sont actuellement principalement utilisées.

Les eaux avec des températures de 20-30 à 100 ° C conviennent pour le chauffage, les températures de 150 ° C et plus - et pour la production d'électricité dans les centrales géothermiques.

En général, les ressources géothermiques sur le territoire de la Russie, en termes de tonnes de combustible équivalent ou de toute autre unité de mesure énergétique, sont environ 10 fois plus élevées que les réserves de combustibles fossiles.

Théoriquement, seule la géothermie pourrait satisfaire pleinement les besoins énergétiques du pays. En pratique, à l'heure actuelle, sur la majeure partie de son territoire, cela n'est pas possible pour des raisons techniques et économiques.

Dans le monde, l'utilisation de l'énergie géothermique est le plus souvent associée à l'Islande - un pays situé à l'extrémité nord de la dorsale médio-atlantique, dans une zone tectonique et volcanique extrêmement active. Tout le monde se souvient probablement de la puissante éruption du volcan Eyjafjallajökull en 2010.

C'est grâce à cette spécificité géologique que l'Islande possède d'énormes réserves d'énergie géothermique, notamment des sources chaudes qui remontent à la surface de la Terre et jaillissent même sous forme de geysers.

En Islande, plus de 60% de toute l'énergie consommée provient actuellement de la Terre. Y compris les sources géothermiques fournissent 90% du chauffage et 30% de la production d'électricité. Nous ajoutons que le reste de l'électricité du pays est produit dans des centrales hydroélectriques, c'est-à-dire également à partir d'une source d'énergie renouvelable, grâce à laquelle l'Islande ressemble à une sorte de norme environnementale mondiale.

La «domestication» de l'énergie géothermique au XXe siècle a sensiblement aidé l'Islande sur le plan économique. Jusqu'au milieu du siècle dernier, c'était un pays très pauvre, maintenant il se classe premier au monde en termes de capacité installée et de production d'énergie géothermique par habitant et se trouve dans le top dix en termes de valeur absolue de la capacité installée des centrales géothermiques. Cependant, sa population n'est que de 300 000 habitants, ce qui simplifie la tâche de passer à des sources d'énergie respectueuses de l'environnement: ses besoins sont généralement faibles.

Outre l'Islande, une part importante de l'énergie géothermique dans le bilan total de la production d'électricité est fournie en Nouvelle-Zélande et dans les États insulaires d'Asie du Sud-Est (Philippines et Indonésie), pays d'Amérique centrale et d'Afrique de l'Est, dont le territoire est également caractérisé par une forte activité sismique et volcanique. Pour ces pays, compte tenu de leur niveau actuel de développement et de leurs besoins, la géothermie apporte une contribution significative au développement socio-économique.

(La fin suit.)

Imaginez une maison toujours prise en charge température confortableet aucun système de chauffage et de refroidissement n'est visible. Ce système fonctionne efficacement, mais ne nécessite pas de maintenance complexe ou de connaissances particulières de la part des propriétaires.

De l'air frais, on entend le chant des oiseaux et le vent jouer paresseusement avec les feuilles dans les arbres. La maison reçoit l'énergie du sol, comme les feuilles, qui reçoivent l'énergie des racines. Belle photo, non?

Les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques font de cette image une réalité. Le système HVAC géothermique (chauffage, ventilation et climatisation) utilise la température du sol pour fournir du chauffage en hiver et du refroidissement en été.

Comment fonctionnent le chauffage et le refroidissement géothermiques

La température ambiante change avec les saisons, mais la température souterraine ne change pas autant en raison des propriétés isolantes de la terre. À une profondeur de 1,5 à 2 mètres, la température reste relativement constante tout au long de l'année. Un système géothermique se compose généralement d'un équipement de traitement interne, d'un système de canalisations souterraines appelé boucle souterraine et / ou d'une pompe pour faire circuler l'eau. Le système utilise une température du sol constante pour fournir une énergie «propre et gratuite».

(Ne confondez pas le concept de système géothermique NWC avec «l'énergie géothermique», un processus dans lequel l'électricité est produite directement à partir de la chaleur du sol. Dans ce dernier cas, différents types d'équipements et d'autres processus sont utilisés, dont le but est généralement de chauffer l'eau jusqu'à son point d'ébullition.)

Les tuyaux qui composent la boucle souterraine sont généralement en polyéthylène et peuvent être placés horizontalement ou verticalement sous terre, selon le terrain. Si un aquifère est disponible, les ingénieurs peuvent concevoir un système en «boucle ouverte» en forant un puits jusqu'aux eaux souterraines. L'eau est pompée, passée dans un échangeur de chaleur, puis injectée dans le même aquifère par «réinjection».

En hiver, l'eau, passant par une boucle souterraine, absorbe la chaleur de la terre. L'équipement intérieur augmente encore la température et la répartit dans tout le bâtiment. C'est comme un climatiseur fonctionnant dans l'autre sens. En été, le système géothermique NWC tire l'eau à haute température du bâtiment et la transporte à travers une boucle / pompe souterraine jusqu'à un puits de réinjection, d'où l'eau pénètre dans le sol / aquifère plus frais.

Contrairement aux systèmes de chauffage et de refroidissement conventionnels, les systèmes de CVC géothermiques n'utilisent pas de combustibles fossiles pour produire de la chaleur. Ils prennent simplement la chaleur du sol. En règle générale, l'électricité n'est utilisée que pour faire fonctionner le ventilateur, le compresseur et la pompe.

Un système de refroidissement et de chauffage géothermique comprend trois composants principaux: une pompe à chaleur, un fluide caloporteur (système ouvert ou fermé) et un système d'alimentation en air (système de tuyauterie).

Pour les pompes à chaleur géothermiques, ainsi que pour tous les autres types de pompes à chaleur, le rapport entre leur efficacité et l'énergie dépensée pour cette action (efficacité) a été mesuré. La plupart des systèmes de pompe à chaleur géothermique ont des rendements entre 3,0 et 5,0. Cela signifie que le système convertit une unité d'énergie en 3 à 5 unités de chaleur.

Les systèmes géothermiques sont faciles à entretenir. Correctement installée, ce qui est très important, la boucle souterraine peut fonctionner correctement pendant plusieurs générations. Le ventilateur, le compresseur et la pompe sont logés dans un espace clos et protégés des conditions météorologiques changeantes, de sorte que leur durée de vie peut durer de nombreuses années, souvent des décennies. Des contrôles périodiques de routine, le remplacement du filtre en temps opportun et le nettoyage annuel du serpentin sont le seul entretien requis.

Expérience dans l'utilisation de systèmes géothermiques NVK

Les systèmes géothermiques NVC sont utilisés depuis plus de 60 ans dans le monde entier. Ils travaillent avec la nature, pas contre elle, et ils n'émettent pas de gaz à effet de serre (comme indiqué précédemment, ils utilisent moins d'électricité car ils utilisent une température de la terre constante).

Les systèmes HVAC géothermiques deviennent de plus en plus des attributs des maisons vertes dans le cadre du mouvement croissant de construction écologique. Les projets verts représentaient 20% de toutes les maisons construites aux États-Unis l'année dernière... Un article du Wall Street Journal indique que le budget de la construction écologique passera de 36 milliards de dollars par an à 114 milliards de dollars d'ici 2016. Cela représentera 30 à 40% du marché immobilier total.

Mais la plupart des informations sur le chauffage et le refroidissement géothermiques sont basées sur des données obsolètes ou des mythes infondés.

Briser les mythes sur les systèmes géothermiques NVC

1. Les systèmes NVC géothermiques ne sont pas une technologie renouvelable car ils utilisent l'électricité.

Réalité: Les systèmes CVC géothermiques n'utilisent qu'une seule unité d'électricité pour générer jusqu'à cinq unités de refroidissement ou de chauffage.

2. Les énergies solaire et éolienne sont des technologies renouvelables plus favorables que les systèmes géothermiques NVC.

Réalité: Les systèmes de CVC géothermiques recyclent quatre fois plus de kilowattheures pour un dollar que l'énergie solaire ou éolienne pour le même dollar. Ces technologies peuvent, bien entendu, jouer un rôle important pour l'environnement, mais un système de CNV géothermique est souvent le moyen le plus efficace et le plus rentable de réduire l'impact environnemental.

3. Le système géothermique NVC nécessite beaucoup d'espace pour accueillir les tuyaux en polyéthylène de la boucle souterraine.

Fait: Selon le terrain, la boucle souterraine peut être positionnée verticalement, ce qui signifie qu'une petite surface est nécessaire. S'il y a un aquifère accessible, alors seulement quelques pieds carrés sont nécessaires à la surface. Notez que l'eau retourne dans le même aquifère d'où elle a été prélevée après avoir traversé l'échangeur de chaleur. Ainsi, l'eau n'est pas des eaux usées et ne pollue pas l'aquifère.

4. Les pompes à chaleur géothermiques NVK sont bruyantes.

Fait: Les systèmes sont très silencieux et il n'y a aucun équipement à l'extérieur pour ne pas déranger les voisins.

5. Les systèmes géothermiques seront finalement effacés.

Réalité: les boucles souterraines peuvent durer des générations. L'équipement de transfert de chaleur dure généralement des décennies car il est protégé à l'intérieur. Lorsque vient le temps du remplacement nécessaire des équipements, le coût d'un tel remplacement est bien inférieur à celui d'un nouveau système géothermique, puisque la boucle souterraine et le forage sont ses parties les plus coûteuses. De nouvelles solutions techniques éliminent le problème de la rétention de chaleur dans le sol, de sorte que le système peut échanger des températures de manière illimitée. Dans le passé, il y a eu des cas de systèmes mal calculés qui ont effectivement surchauffé ou surrefroidi le sol à un point tel qu'il n'y avait plus la différence de température requise pour que le système fonctionne.

6. Les systèmes HVAC géothermiques fonctionnent uniquement pour le chauffage.

Réalité: Ils fonctionnent tout aussi efficacement pour le refroidissement et peuvent être conçus pour éliminer le besoin d'une source de chaleur d'appoint supplémentaire. Bien que certains clients décident qu'il est plus économique d'avoir un petit système de secours pour les périodes les plus froides. Cela signifie que leur boucle souterraine sera plus petite et donc moins chère.

7. Les systèmes HVAC géothermiques ne peuvent pas simultanément chauffer l'eau domestique, chauffer l'eau de piscine et chauffer une maison.

Réalité: Les systèmes peuvent être conçus pour exécuter de nombreuses fonctions en même temps.

8. Les systèmes géothermiques NVH polluent le sol avec des réfrigérants.

Réalité: la plupart des systèmes n'utilisent que de l'eau dans les charnières.

9. Les systèmes géothermiques NWC utilisent beaucoup d'eau.

Réalité: les systèmes géothermiques ne consomment pas réellement d'eau. Si l'eau souterraine est utilisée pour échanger la température, alors toute l'eau est renvoyée dans le même aquifère. Dans le passé, il y avait en effet des systèmes qui gaspillaient de l'eau après son passage dans un échangeur de chaleur, mais de tels systèmes sont à peine utilisés aujourd'hui. D'un point de vue commercial, les systèmes géothermiques NVC économisent en fait des millions de litres d'eau qui se seraient évaporés dans les systèmes traditionnels.

10. La technologie NVK géothermique n'est pas viable financièrement sans incitations fiscales nationales et régionales.

Réalité: Les incitations nationales et régionales vont généralement de 30 à 60 pour cent du coût total d'un système géothermique, ce qui peut souvent ramener le prix initial à près du prix de l'équipement conventionnel. Les systèmes d'air CVC standard coûtent environ 3 000 $ par tonne de chaleur ou de froid (les maisons utilisent généralement une à cinq tonnes). Le prix des systèmes géothermiques NVK varie d'environ 5 000 dollars la tonne à 8 000 à 9 000 dollars. Cependant, les nouvelles méthodes d'installation réduisent considérablement les coûts, jusqu'au prix des systèmes conventionnels.

Vous pouvez également réduire les coûts grâce à des remises sur les équipements à usage public ou commercial, ou même pour les commandes importantes de nature domestique (en particulier de grandes marques telles que Bosch, Carrier et Trane). Les boucles ouvertes, utilisant une pompe et des puits de réinjection, sont moins chères à installer que les systèmes fermés.

Basé sur des matériaux: energyblog.nationalgeographic.com

La couche superficielle du sol terrestre est un accumulateur de chaleur naturel. La principale source d'énergie thermique qui pénètre dans les couches supérieures de la Terre est le rayonnement solaire. À une profondeur d'environ 3 m ou plus (sous le niveau de congélation), la température du sol ne change pratiquement pas au cours de l'année et est approximativement égale à la température annuelle moyenne de l'air extérieur. À une profondeur de 1,5 à 3,2 m en hiver, la température varie de +5 à + 7 ° C, et en été de +10 à + 12 ° C.Avec cette chaleur, vous pouvez empêcher la maison de geler en hiver, et l'empêcher de surchauffer au-dessus de 18 en été. -20 ° C

Le plus de manière simple l'utilisation de la chaleur de la terre est l'utilisation d'un échangeur de chaleur du sol (PHE). Sous le sol, en dessous du niveau de congélation du sol, un système de conduits d'air est posé, qui remplissent la fonction d'échangeur de chaleur entre le sol et l'air qui traverse ces conduits d'air. En hiver, l'air froid entrant qui entre et passe à travers les tuyaux est chauffé et en été, il est refroidi. Avec un placement rationnel des conduits d'air, une quantité importante d'énergie thermique peut être extraite du sol avec une faible consommation d'électricité.

Un échangeur de chaleur pipe-in-pipe peut être utilisé. Les conduits d'air internes en acier inoxydable agissent ici comme des récupérateurs.

Refroidissement en été

Travail hors saison

Économies en hiver

Comment sont calculés les coûts de chauffage et de climatisation de l'air

En basse saison, dans les 180 jours, la température moyenne quotidienne est de + 5 ° C - elle doit être chauffée à + 20 ° C.Les coûts prévus sont de 3305 kWh, et les systèmes géothermiques réduiront les coûts de 1322 ou 1102 kWh.

En été, pendant 60 jours, la température moyenne journalière est d'environ + 20 ° C, mais pendant 8 heures, elle est de + 26 ° C. Les coûts de refroidissement seront de 206 kWh et le système géothermique réduira les coûts de 137 kWh.

Tout au long de l'année, le fonctionnement d'un tel système géothermique est évalué à l'aide du coefficient - SPF (facteur de puissance saisonnier), qui est défini comme le rapport entre la quantité d'énergie thermique reçue et la quantité d'électricité consommée, en tenant compte des variations saisonnières de la température air / sol.

Pour obtenir 2634 kWh de puissance thermique du sol, l'unité de ventilation dépense 635 kWh d'électricité par an. SPF \u003d 2634/635 \u003d 4,14.
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