地熱エネルギーの数学

地熱エネルギーの数学 地熱エネルギーの数学は、地球内部の熱をエネルギー生産や暖房に利用するための探査と最適化に様々な数学的手法を応用する分野です。 地熱エネルギーは、地球の形成と継続的な放射性崩壊によって生成される熱に由来し、深度が増すにつれて温度が著しく上昇します。これは地熱勾配として知られています。特に環太平洋火山帯のようなプレート境界沿いの高勾配地域は、地熱エネルギープロジェクトの主要な場所となります。 数学者やエンジニアは、ラグランジュ・オイラー流モデルのようなモデルを用いて流体の移動とその地熱貯留層への影響を理解し、確率モデルや幾何モデルはエネルギー抽出プロセスの最適化に役立ちます。さらに、建物の暖房や冷房のために熱を移動させる地熱ヒートポンプシステムも開発されていますが、大規模な水の移動は地盤沈下のような地質学的な懸念を引き起こす可能性があります。 地熱資源から発電することも可能で、発電所では蒸気を利用してタービンを駆動します。地熱エネルギーは、他の再生可能エネルギー源と比較して温室効果ガス排出量が少なく信頼性が高いという利点があるにもかかわらず、適した場所の制約や高い初期資本コストの認識から、その普及は遅れています。 それにもかかわらず、特に地球温暖化に関する世界的な懸念の中で、地熱エネルギーへの関心が再燃していることは明らかです。 著者: Churchill, Jason L. 発表年: 2022 関連トピック: 地熱発電;地球温暖化;神経外科;原子力発電所;オールドフェイスフル (間欠泉);放射性崩壊;環太平洋火山帯;ウランと原子力;風力発電 関連論文: チベット地熱田における熱性能、経済分析、および炭酸カルシウムスケールを考慮した地熱発電システムの研究。 太陽熱、地熱、風力エネルギーを補完するクリーン暖房システムの結合特性の分析。 地熱熱交換器のための相乗的に強化された熱力学的および機械的特性を持つ複合材料。 要約: 地熱エネルギーは、家庭用暖房や蒸気タービンを介した発電に利用できます。「地熱」とは、地球の創造をもたらした力と、熱活動を継続的に生成する継続的なゆっくりとした放射性崩壊によって生成される地球内部の熱を指します。地球の表面は比較的冷たいですが、深度が増すにつれて温度は劇的に上昇し、これは地域の「地熱勾配」として知られています。大陸の内部は、「広がる中心」地域、つまり大陸プレートがゆっくりと分離している地域よりも勾配が低い傾向があります。主要な地熱地域は、太平洋の東部、北部、西部の海岸を囲む環太平洋火山帯に沿っています。高い地熱勾配は、地熱エネルギープロジェクトの主要な候補となります。しかし、平均勾配は約100メートルあたり2.5〜3度摂氏です。地表から約6000キロメートルの深さでは、溶岩は約5000度摂氏に達します。この極端な熱の一部は、亀裂や裂け目を通して蒸気として地表に到達します。地熱の漏出は、劇的な火山噴火や、温泉や間欠泉の形成につながります。地熱で温められたミネラル豊富な水は、古くから多くの人々によって神聖なもの、あるいは癒しの特性を持つものと考えられてきました。イエローストーンの間欠泉であるオールドフェイスフルは、世界中から観光客を引きつけ続けています。 数学者、地熱エンジニア、地質学者、その他の科学者は、地熱熱が地表に到達することを可能にする土壌や岩石の変形可能な多孔質特性など、地熱プロセスの様々な側面を研究するために数学的手法を使用しています。これらの研究は、神経外科中の脳の変形方法や工業用射出成形など、多くの科学分野に応用されています。他のケースでは、ジョセフ・ラグランジュとレオンハルト・オイラーにちなんで名付けられたラグランジュ・オイラー流モデルが、地熱貯留層の工学や放射性廃棄物の隔離に応用される降水と輸送のような特性をモデル化するために使用されています。システム最適化と制御のための確率モデルや幾何モデルも、数学者が地熱熱を理解するのに役立ちます。多くの人々が、1984年に初めて公開され、研究および産業用途で広く使用されている米国地質調査所のMODFLOW、3次元有限差分地下水流モデルを更新、統合、拡張するためのコンピュータモデルに取り組んでいます。 地熱暖房 19世紀初頭には、科学者やエンジニアが化学や暖房のための地熱ベースの応用を開発し始めていましたが、先史時代の人々でさえ、自然に発生する地熱源の周りに住居を建てていた証拠があります。豊富な地熱資源を持つアイスランドは、1920年代後半までに家庭用暖房および冷房のための地熱エネルギーの使用において世界のリーダーとして台頭し始めました。その後の進歩により、地熱ヒートポンプシステムが開発されました。寒い時期には、ヒートポンプは地中（霜線の下）または池の底から建物に熱を移動させます。暖かい時期には、プロセスは逆転し、建物から熱を取り出して地面または池に入れます。しかし、大規模な水の意図的な移動は地質学的な結果をもたらす可能性があります。例えば、ベネチアでは、地下水の除去が地盤沈下（緩く多孔質な土壌の沈下）を引き起こし、一部の建物を低くしました。地熱フィールドの1つの部分に水を加えたり減らしたりすることは、システムの圧力や地表の噴出口を含む、フィールドのすべての側面に影響を与える可能性があります。地震学者は、水の汲み上げ活動の結果として地震のような出来事がどこで発生する可能性があるかを予測するために、変形可能な多孔質岩石や土壌の挙動を記述する数学モデルを使用しています。 地熱発電 地熱資源は発電にも使用できます。最初の地熱発電所は、1904年にイタリアのラデルロに建設されました。日本と米国はそれぞれ1910年と1921年に続きました。地熱エネルギーの普及は、それ以降数十年間で遅れています。しかし、地球温暖化への懸念と、温室効果ガス（GHG）を排出しないエネルギー技術を開発しようとする探求のために、地熱発電はより注目を集めています。地熱発電所には2つのタイプがあり、どちらも従来のタービンを駆動して電力を生成するための蒸気の生産に依存しています。温度が最低95度摂氏（華氏200度）であれば直接蒸気から電力を生産でき、温度が175度摂氏（華氏350度）を超えるとより高い出力が可能になります。カリフォルニアのガイザー地熱発電所では、約235度摂氏（華氏455度）の温度の蒸気を使用してタービンを直接駆動しています。より低い温度でも地熱熱を使用できますが、高圧を生成できる特殊な低沸点流体に依存しており、天然蒸気ではありません。資本コストは高いですが