Другие статьи

Операции с матрицами на C++.   Класс DMatrix

---

Drilling surprise opens door to volcano-powered electricity

Неожиданное открытие на буровой обозначило перспективы вулканической энергетики

Michael Parker

( первоначально этот перевод был размещен на universe-tss.su )

Getting into hot water - one of Iceland’s geothermal power plants

Получение горячей воды. Одна из геотермальных установок в Исландии

Can enormous heat deep in the earth be harnessed to provide energy for us on the surface? A promising report from a geothermal borehole project that accidentally struck magma – the same fiery, molten rock that spews from volcanoes – suggests it could.

Могут ли чудовищно горячие недра Земли быть использованы для добычи энергии? Обнадеживающее сообщение с геотермальной скважины наводит на мысль, что случайно пробитая магма (газоносная, горячая порода, какую извергают вулканы) дает нам такой шанс.

The Icelandic Deep Drilling Project, IDDP, has been drilling shafts up to 5km deep in an attempt to harness the heat in the volcanic bedrock far below the surface of Iceland.

Исландский проект глубокого бурения (Icelandic Deep Drilling Project, IDDP) заключается в бурении шахт на глубину до 5 км для наработки опыта использования тепла, получаемого из глубин вулканических скал Исландии.

But in 2009 their borehole at Krafla, northeast Iceland, reached only 2,100m deep before unexpectedly striking a pocket of magma intruding into the Earth’s upper crust from below, at searing temperatures of 900-1000°C.

В 2009 году скважина в Крапла (Krafla), что на северо-востоке Исландии, достигла глубины в 2100 м, после чего пробила карман с магмой, внедренный снизу в земную кору, с высокими температурами, 900-1000°C.

This borehole, IDDP-1, was the first in a series of wells drilled by the IDDP in Iceland looking for usable geothermal resources. The special report in this month’s Geothermics journal details the engineering feats and scientific results that came from the decision not to the plug the hole with concrete, as in a previous case in Hawaii in 2007, but instead attempt to harness the incredible geothermal heat.

Эта скважина, IDDP-1, была первой из серии водяных источников, сделанной в рамках проекта IDDP в Исландии для поиска геотермальных ресурсов. В отчете, опубликованном в этом месяце в Геотермическом журнале (Geothermics journal), подробно отражены детали инженерной работы и научные результаты, которые удалось получить за счет того, что было принято решение не замуровывать шахту бетоном, как это было сделано в Гавайях в 2007 году, а попытаться использовать огромную геотермальную энергию.

Wilfred Elders, professor emeritus of geology at the University of California, Riverside, co-authored three of the research papers in the Geothermics special issue with Icelandic colleagues.

Wilfred Elders, почетный профессор геологии из Университета Калифорнии, является соавтором (совместно с исландскими коллегами) трех статей в спецвыпуске Геотермического журнала.

“Drilling into magma is a very rare occurrence, and this is only the second known instance anywhere in the world,“ Elders said. The IDDP and Iceland’s National Power Company, which operates the Krafla geothermal power plant nearby, decided to make a substantial investment to investigate the hole further.

«Попадание в магму при бурении – очень редкое происшествие, это всего лишь второй известный случай во всем мире» - говорит Elders. IDDP и Исландская национальная энергетическая компания, управляющие расположенной неподалеку геотермальной электростанцией Крапла, решили серьезно вложиться в дальнейшее исследование скважины.

This meant cementing a steel casing into the well, leaving a perforated section at the bottom closest to the magma. Heat was allowed to slowly build in the borehole, and eventually superheated steam flowed up through the well for the next two years.

Для этого они забетонировали стальную оболочку скважины, оставив перфорированную секцию в нижней части, ближе к магме. Жар начал постепенно заполнять скважину и перегревать пар, поднимавшийся из водяного источника, что продолжалось в течение двух лет.

Elders said that the success of the drilling was “amazing, to say the least”, adding: “This could lead to a revolution in the energy efficiency of high-temperature geothermal projects in the future.”

Elders говорит, что успех бурения был «по меньшей мере, ошеломляющий» и добавляет: «Это может вызвать революцию в энергоэффективности высокотемпературных геотермальных проектов»

The well funnelled superheated, high-pressure steam for months at temperatures of over 450°C – a world record. In comparison, geothermal resources in the UK rarely reach higher than around 60-80°C.

Вода, просачивалась в виде пара, подвергающегося перегреву и высокому давлению в течение месяцев при температуре более 450°C – это рекорд. Для сравнения, геотермальные источники в Великобритании редко имеют температуры более 60-80°C.

The magma-heated steam was measured to be capable of generating 36MW of electrical power. While relatively modest compared to a typical 660MW coal-fired power station, this is considerably more than the 1-3MW of an average wind turbine, and more than half of the Krafla plant’s current 60MW output.

Нагретый магмой пар, по оценке, способен генерировать 36 МВт электроэнегрии. Хотя это довольно скромный результат по сравнению с 660-мегаваттной электростанцией на угле, но зато этот результат лучше, чем 1-3 МВт среднего ветрогенератора и составляет более более половины от мощности электростанции Крапла, вырабатывающей 60 МВт.

Most importantly it demonstrated that it could be done. “Essentially, IDDP-1 is the world’s first magma-enhanced geothermal system, the first to supply heat directly from molten magma,” Elders said. The borehole was being set up to deliver steam directly into the Krafla power plant when a valve failed which required the borehole to be stoppered. Elders added that although the borehole had to plugged, the aim is to repair it or drill another well nearby.

Важно, что теперь понятно, что делать дальше. «По существу, IDDP-1 – первая в мире магматическая геотермальная система, первая, получающая тепло непосредственно от раскаленной магмы» - говорит Elders. Скважина была установлена с целью подачи пара непосредственно на электростанцию Крапла, хотя клапан вышел из строя, после чего следовало скважину закупорить. Elders добавляет, что, хотя это и было сделано, стоит задача восстановить ее или построить другую рядом.

Gillian Foulger, professor of geophysics at Durham University, worked at the Kravla site in the 1980s during a period of volcanic activity. “A well at this depth can’t have been expected to hit magma, but at the same time it can’t have been that surprising,” she said. “At one point when I was there we had magma gushing out of one of the boreholes,” she recalled.

Gillian Foulger, профессор геофизики Даремского университета, работала в Крапла в 80-х годах в период вулканической активности. «Раньше считалось, что источники с такой глубины не нагреваются магмой, но теперь мы знаем, что так бывает. Однажды, когда я была там, мы наблюдали прорыв магмы из одной из скважин», сказала она.

Volcanic regions such as Iceland are not active most of the time, but can suddenly be activated by movement in the earth tens of kilometres below that fill chambers above with magma. “They can become very dynamic, raised in pressure, and even force magma to the surface. But if it’s not activated, then there’s no reason to expect a violent eruption, even if you drill into it,” she said.

Вулканические регионы, такие, как Исландия, не отличаются постоянной активностью, но могут внезапно активироваться из-за подвижек на глубине в десятки километров, из-за чего полости наполняются магмой. «Они становятся очень динамичными, с повышенным давлением, и даже выплескивают магму на поверхность. Но если они не активны, не стоит ожидать внезапного извержения, даже если вы забуритесь в них»

“Having said that, with only one experimental account to go on, it wouldn’t be a good idea to drill like this in a volcanic region anywhere near a city,” she added.

«С другой стороны, имея лишь расчет, основанный на одном эксперименте, не стоит бурить подобную скважину в вулканическом регионе где-нибудь рядом с городом», добавляет она.

The team, she said, deserved credit for using the opportunity to do research. “Most people faced with tapping into a magma chamber would pack their bags and leave,” she said. “But when life gives you lemons, you make lemonade.”

«Команда заслужила кредит доверия для того, чтобы использовать удобный случай и продолжить исследования. Большинство людей, наткнувшись на полость с магмой, соберут вещи и уедут. Но когда жизнь дарит вам лимоны, вы делаете лимонад»

Water and heat = power

Вода + тепло = энергия

In Iceland, around 90% of homes are heated from geothermal sources. According to the International Geothermal Association, 10,700MW of geothermal electricity was generated worldwide in 2010. Typically, these enhanced or engineered geothermal systems are created by pumping cold water into hot, dry rocks at depths of between 4-5km. The heated water is pumped up again as hot water or steam from production wells. The trend in recent decades has been steady growth in geothermal power, with Iceland, the Philippines and El Salvador leading the way, producing between 25-30% of their power from geothermal sources. Considerable effort invested in elsewhere including Europe, Australia, the US, and Japan, has typically had uneven results, and the cost is high.

В Исландии около 90% домов отапливаются с помощью геотермальной энергии. По данным Международной Геотермальной Ассоциации, в 2010 году было выработано 10700 МВт геотермальной энергии. Как правило, современные геотермальные системы создаются накачкой холодной воды в сухую, горячую скальную породу на глубину в 4-5 км. Нагретая вода выкачивается назад в виде горячей воды или пара. В последние десятилетия наблюдается устойчивый рост производства геотермальной энергии; в лидерах идут Исландия, Филиппины и Сальвадор, у которых 25-30% энергии берется из геотермальных источников. Достаточные усилия предпринимают в этом направлении другие страны, включая Европу, Австралию, США и Японию, имеющие, впрочем, непостоянный результат и высокую цену.

With the deeper boreholes, the IDDP are looking for a further prize: supercritical water; at high temperature and under high pressure deep underground, the water enters a supercritical state, when it is neither gas nor liquid. In this state it carries far more energy and, harnessed correctly, this can increase the power output above ground tenfold, from 5MW to 50MW.

IDDP надеется с помощью глубоких скважин получить дополнительную выгоду: воду в сверхкритическом состоянии; при большой температуре и высоком давлении глубоко под землей она переходит в состояние, которое нельзя назвать ни газом, ни жидкостью. В таком состоянии она переносит больше энергии и, при правильном использовании, таким образом можно получить десятикратный прирост выхода энергии, от 5 до 50 МВт.

Elders said: “While the experiment at Krafla suffered various setbacks that pushed personnel and equipment to their limits, the process itself was very instructive. As well as the published scientific articles we’ve prepared comprehensive reports on the practical lessons learned.“ The Icelandic National Power Company will put these towards improving their next drilling operations.

«Пока в эксперименте в Крапла возможны различные неудачи, доводящие персонал и оборудование до ручки, но в целом процесс очень познавательный. Помимо научных статей мы подготовили подробные отчеты для практического обучения», говорит Elders. Исландская национальная энергетическая компания будет использовать их в дальнейшем для правильного проведения бурения.

The IDDP is a collaboration of three energy companies, HS Energy Ltd, National Power Company and Reykjavik Energy, and the National Energy Authority of Iceland, with a consortium of international scientists led by Elders. The next IDDP-2 borehole will be sunk in southwest Iceland at Reykjanes later this year.

IDDP – это совместный проект трех энергетических компаний, HS Energy Ltd, National Power Company и Reykjavik Energy, а также государственного энергетического ведомства Исландии и международного консорциума исследователей под руководством Elders’а. Следующая скважина, IDDP-2, будет пробурена на юго-западе Исландии около Рейкьянес (Reykjanes) в этом году.

Explainer: what is a supercritical fluid?

Комментарий специалиста: что такое сверхкритический флюид?

John Proctor, Senior Lecturer in Physics at University of Salford

Ethane in three forms: subcritical, critical and supercritical

Этан в трех формах: докритической, критической и сверхкритической

When we boil a kettle, we observe what scientists call a phase transition: the water changes from being a liquid to a gas as water becomes less dense. One litre of water boils to give about 1,000 litres of steam at atmospheric pressure.

Когда мы кипятим чайник, мы наблюдаем то, что ученые называют фазовым переходом: вода превращается из жидкости в газ, путем потери водой плотности. Кипячение 1 литра воды дает при атмосферном давлении около 1000 литров пара.

But what if we tried to boil the water at high pressure instead? If we squeezed the water to 1,000 times atmospheric pressure and then tried to boil it?

А что, если мы попробуем вскипятить воду при большем давлении? Если мы сожмем воду до 1000 атмосфер и вскипятим ее?

Until very recently, scientists have been quite clear in their expectations about this. If you squeezed water to 1,000 times atmospheric pressure and then heated it while keeping the pressure on, you would no longer observe boiling as such. The water molecules would whizz around with more energy, and the density would gradually go down, but there would be no boiling. At no point would the water undergo a sudden transition from being a liquid to being a gas. Water (or any other material) under these conditions is called a supercritical fluid.

Лишь совсем недавно исследователи прояснили этот вопрос. Если Вы сожмете воду до 1000 атмосфер и нагреете ее при этом давлении, вскоре Вы сможете увидеть следующее. Молекулы воды станут кружиться с большей энергией, и плотность начнет постепенно падать, но это будет не кипение. При таких условиях вода не может скачкообразно превратиться из жидкости в газ. Вода (или другое вещество) в этом случае называется сверхкритическим флюидом.

The conditions of 1,000 atmospheres pressure and 500°C may seem exotic, but to nature this is pretty everyday stuff. Drop a few hundred kilometres into the atmosphere of Uranus, Neptune, Jupiter or Saturn and that is exactly what it is like. On Earth we use supercritical fluids widely in the food, chemical and power industries in everyday processes such as decaffeinating coffee.

Такие условия, как 1000 атмосфер давления и 500°C могут показаться экзотическими, но в природе это довольно обычное состояние. Например, в атмосфере Урана, Нептуна, Юпитера или Сатурна при высоте их атмосфер в несколько сотен километров. На Земле мы используем сверхкритические флюиды в пищевой, химической промышленности и в энергетике, например, при удалении кофеина из кофе.

Russian endeavour

Русское усилие

Historically, our understanding of liquids and supercritical fluids has involved treating them like a gas, but with a few tweaks. However, in the 1930s Russian physicist Yakov Ilyich Frenkel was reflecting on the fact that the density of liquids is much closer to solids than that of gases. Surely then, Frenkel thought, it would be beneficial to understand liquids using some concepts from our understanding of solids?

Исторически наше представление о жидкостях и сверхкритических флюидах основано на отношении к ним как к газам, но с некоторой натяжкой. Однако в 1930-х годах русский физик Яков Ильич Френкель раздумался над тем фактом, что плотность жидкостей гораздо ближе к плотности твердых тел, чем к плотности газов. Следовательно, подумал Френкель, имеет смысл рассматривать жидкость с позиций нашего понимания того, как устроено твердое тело.

While liquids and solids are similar in terms of density there are also some major differences – particularly in the amount of disorder. In most solids the atoms occupy regular positions in what physicists call a crystal lattice, a bit like pool balls racked up ready to break or Ferrero Rocher piled high on a plate. In liquids however, the positions of the atoms are nearly random.

Хотя жидкости и твердые тела схожи в смысле их плотности, между ними есть немало серьезных различий – особенно в степени неупорядоченности. У большинства твердых тел атомы находятся на своих постоянных местах, что называется кристаллической решеткой и немного напоминает бильярдные шары, сложенные для разбивки или конфеты Ферреро Роше, сложенные в пирамидку на блюде. У жидкостей, в свою очередь, позиции атомов почти произвольны.

Frenkel’s work resulted in a book, the Kinetic Theory of Liquids, which was written in difficult conditions at the height of World War II. In it, Frenkel takes then recently developed quantum mechanical ideas to describe solids, and applies them instead to liquids.

Результаты исследований Френкеля собраны в книгу «Кинетическая теория жидкостей», которая была издана в тяжелых условиях II Мировой войны. В ней Френкель изложил последние достижения квантовой механики в области твердого тела и применил их к жидкости.

At the time, Frenkel’s ideas on this subject were ignored by the wider scientific community. Not because they were felt to be wrong, but simply because they were difficult to prove or disprove experimentally. As Frenkel noted in the book, “the realization of high positive pressures and the investigation of…bodies under such pressures has been no easy task”. But now there has been a revival of interest in Frenkel’s work. Why has it taken so long to explore the consequences of Frenkel’s ideas?

В тот период времени идеи Френкеля были проигнорированы широким научным сообществом. Не потому, что они казались неправильными, а оттого, что их сложно было экспериментально доказать или опровергнуть. Как сам Френкель замечает в своей книге, «получение искусственного высокого давления и исследование … тел, находящихся под таким давлением – непростая задача». В наше время интерес к работам Френкеля возродился. Почему же прошло столько времени, чтобы исследовать выводы из идей Френкеля?

When Frenkel wrote Kinetic Theory of Liquids, high-pressure science was in its infancy. Nowadays, however, the situation is quite different. We can now generate 1,000 atmospheres of pressure quite easily and make useful experimental measurements on materials under those conditions.

Когда Френкель писал «Кинетическую теорию жидкостей», наука о высоких давлениях находилась в зачаточном состоянии. Сейчас ситуация совершенно другая. Теперь мы можем запросто создавать давление в 1000 атмосфер и делать при этом необходимые измерения материалов, находящихся в таких условиях.

Drawing lines

Границы

Based on these studies, physicists have recently predicted that there may be no such thing as a supercritical fluid after all. Even at arbitrarily high pressure, there will always be some firm dividing line between a gas and a liquid – dubbed the Frenkel Line.

Отталкиваясь от исследований Френкеля, физики недавно предположили, что, возможно, сверхкритического флюида, как такового, не существует. Даже при сколь угодно большом давлении существует четкая граница между газом и жидкостью – линия Френкеля.

If this prediction is correct then if we were to squeeze water (or any other liquid) to 1,000 times atmospheric pressure and then heat it, we would still be able to see a sudden change between a liquid-like and a gas-like state, with some subtle but important changes in the properties of the material.

Если это предположение верно, то, когда мы сжимаем воду или иную жидкость до 1000 атмосфер и нагреваем ее, мы должны ожидать резкого изменения ее состояния с жидкого на газообразное, выраженного в некоторых тонких, но важных свойствах материала.

The implication here is that if the commonly used supercritical fluids are not what physicists thought them to be, then we might be able to find other interesting properties that could be exploited. After nearly a century of being sure, physicists will now have to rethink how to interpret supercritical fluids.

Вывод: если сверхкритические флюиды – не то, что о них думают физики, мы должны быть готовы к обнаружению новых интересных свойств. После приблизительно столетнего существования определенной точки зрения, ученые должны пересмотреть свой взгляд на сверхкритические флюиды.