2.1 Общие положения

Геотермика (от греческих слов «гео» – земля и «термо» – тепло)  наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород, магматических процессов и ряда других факторов.

Критерием теплового состояния земного шара является поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1° С, называется геотермической ступенью.

В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловой режим первых 1,5 – 40 м земной коры характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают. На любой глубине температура горных пород (T ) приближенно может быть определена по формуле:

(2.1)

где t_в – средняя температура воздуха данной местности, °С; H – глубина, для которой определяется температура, м; h – глубина слоя постоянных годовых температур, м; σ – геотермическая ступень.

Геотермальная электростанция (ГеоТЭС) – вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например, гейзеров) (рис. 1.1).

Рис. 2.1. Структура геотермальной электростанции с бинарным циклом

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 °C каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира. Задача посвящена

оценке теплового потенциала геотермальной энергии, со­средоточенной в естественных водоносных горизонтах на глубине z (км) от земной поверхности. Обычно толщина водоносного слоя h (км) меньше глубины его залегания. Слой имеет пористую структуру  в скальных породах есть поры, заполненные водой (пористость оценивается коэффициентом α).

2.2 Задание

1. Определить начальную температуру водоносного пласта перед началом его эксплуатации (T_п).

2. Определить количество геотермальной энергии (тепловую мощность), извлекаемой первоначально из пласта (E₀).

3. Определить постоянную времени извлечения тепловой энергии (τ_o, лет) при закачивании воды в пласт.

4. Какова будет тепловая мощность, извлекаемая первоначально (dE/dτ)_τ=0 и через 10 лет (dE/dτ)_τ=10?

2.3 Исходные данные для расчета

Водоносный пласт толщиной h км при глубине залегания z км, если заданы характеристики породы пласта: плотность _гр = 2700 кг/м³; пористость  = 5 %; удельная теплоемкость С_гр = 840 Дж/(кг·К). Температурный градиент (dT/dz)=40 °С/км.

Среднюю температуру поверхности t₀ принять равной 10 °С. Удельная теп­лоемкость воды С_в = 4200 Дж/(кг · К); плотность воды ρ = 1·10³ кг/м³ . Расчет произвести по отношению к площади поверхности F = 1 км². Минимально допусти­мую температуру пласта t₁ принять равной 40 ° С.

Расход воды, закачиваемой в пласт, V = 0,1 м³/с. Глубина слоя постоянных годовых температур h=0.7км. Глубина от земной поверхности z=2 км.