Меню Рубрики

Геотермальная энергетика: особенности

геоэлектростанция

Особенностью и отличием геотермальных ресурсов от других возобновляемых источников энергии является возможность их добычи в любом месте планеты, нужно лишь оптимизировать цель использования и выбор технологий, учитывая особенности конкретного месторождения. Рассмотрим тенденции развития геотермальной энергетики, ее преимущества и недостатки.

Первые геоэлектростанции появились еще в XIX веке и эта отрасль альтернативной энергетики продолжает развиваться. Как известно, существует два пути экономического развития: экстенсивный и интенсивный. Что касается экстенсивного, то он предполагает построение новых ГеоЭС (геотермальная электростанция) и ГеоТЕС (геотермальная тепловая электростанция). Что касается интенсивного, то он предполагает развитие в направлении качества, а не количества. В применении к геотермальной энергетике это означает усовершенствование существующих установок, проектирование новых, более эффективных их конструкций с целью повышения КПД и мощности установок, повышения экономичности и надежности.

Как известно, стоимость геоэнергии зависит от особенностей конкретного месторождения: геотемпературного градиента, глубины залегания, геологических и географических условий, степени развития хозяйственной и экономической инфраструктуры региона, размера разведанных запасов и т. д. Использовать геоэнергию возможно для выработки электроэнергии,  обеспечения отопления, водоснабжения и кондиционирования воздуха в жилых и общественных зданиях и сооружениях в городах и сельской местности, технологическое использование глубинного тепла Земли в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства (например, тепловая обработка материалов и продукции с целью производства и хранения пищевой продукции, обеспечение условий для выращивания растительной продукции в теплично-парниковых хозяйствах).

Краткая историческая справка

Римские термы — прекрасный пример использования геотермальных источников в древние времена. Тепло земли человечество использовало всегда, но несмотря на это, промышленное использование термальной энергии началось лишь в ХIХ веке.

            римские термы история          римские термы

 

Итальянским фермерам геотермальная энергетика известна давно, они с ее помощью отапливали свои дома и теплицы, подогревали воду. Первое промышленное использование геотермальной энергии в больших масштабах началось в 1904 году именно в Италии, Лордерелло, что и неудивительно, впервые с помощью подземной пары вырабатывается электроэнергия. К 1923 году в Тоскании было установлено два турбогенератора мощностью 3,5 МВт, использующих бинарный цикл, и это было практически всей установленной мощностью мировой геотермальной энергетики того времени.

Первая пилотная турбина мощностью 23 кВт, которая работала в прямом цикле, то есть направления использовала естественную пару, полученную из геотермального источника, была установлена ​​в 1923 году в Серразано. За ней заработали установки прямого цикла в Кастельнуово (600 кВт и 800 кВт), а также в Лардерелло (3,5 МВт). Таким образом, на начало 1930 года в регионе Борацифероус работали геотермальные электростанции суммарной мощностью 12,15 МВт, из которых 7,25 МВт мощности производилось установками бинарного цикла и 4,90 МВт — установками прямого цикла. До конца 1943 года установленная мощность геотермальных электростанций региона достигла уже 132 МВт, из которых 107 МВт приходилось на установки бинарного цикла (будучи стратегически важными военными объектами, поскольку они обеспечивали электроэнергией всю железнодорожную сеть центральной Италии, электростанции Лардерелло в 1944 году были практически уничтожены в результате бомбардировки со стороны союзных войск). К 1950 году электрогенерирующие мощности региона были восстановлены и доведены до уровня 300 МВт. Начиная с 1945 года прирост мощностей геотермальной энергетики составляет 7% годовых. Сейчас получило широкое распространение геотермальное теплоснабжение.

Освоение геотермального региона в Уайракеи (Новая Зеландия), где используется пар, началось примерно в 1950 году, где был создан первый резервуар горячей воды, использованный для производства электрической энергии.

В середине XX века в России также приметили новый альтернативный источник геотермальной энергии. Так в 1966 году на Камчатке была введена в эксплуатацию Паужетская ГеоЭС, а еще через год введена в действие Пирятинскую ГеоЭС (600 кВт) с первым в мире бинарным энергоблоком. Верхне-Мутновская ГеоЭС (12 МВт) заработала в 1999 году. Не так давно к ним добавилась три ГеоЭС, которые также располагаются на Камчатке и Курильских островах. Как известно, это наиболее богатые геотермальными ресурсами регионы России.

США на сегодняшний день являются бесспорным лидером в сфере геоэнергетики.

Первая коммерческая геотермальная электростанция в США  начала производить электроэнергию в 1960 году. Чего только стоит огромный американский комплекс «Гейзерс» (штат Калифорния), мощностью 1517 МВт и состоящий из 22 станций.

геотермальная электростанция США

Суммарная установленная мощность ГеоЭС в мире на данный момент составляет порядка 15 ГВт. Около 700 МВт новых геотермальных генерирующих мощностей вводится ежегодно. К странам лидерам геотермальной энергетики с наибольшим количеством геотермальных электромощностей относятся Соединенные Штаты, Филиппины, Индонезии, Мексика, Новая Зеландия, Италия, Исландия, Турция, Кения и Япония.

Физическая основа

Тепловое состояние да и тепловую историю земных недр изучает раздел физики, который называется геотермики или геотермия. По современным представлениям земля состоит из ряда геозон: земная кора, верхняя и нижняя мантия и ядро. Тепловое состояние земной коры зависит от количества внутриземное источников тепла.

Источниками теплового поля земной коры и Земли в целом является

  • внутренние — процессы, сопровождающиеся выделением тепла, относятся распад радиоактивных элементов, приточный трения, релаксация упругих напряжений, гравитационная дифференциация, кристаллизационные и полиморфическое преобразования, фазовые переходы, химические реакции.
  • внешние (космические) процессы — солнечная радиация, корпускулярные и другие излучения Солнца, звезд и галактик.

Из всех внутренних источников тепла большинство исследователей считают основным распад радиоактивных элементов, залегающие в земной коре и мантии. Однако, это не цепная реакция, которая задействована в атомных электростанциях и содержит в себе угрозу взрыва, так как плотность и давление, существующие в условиях земных недр, ниже критических значений, обеспечивающих протекание таких реакций.

Вследствие увеличения температуры с глубиной в земной коре возникает поток тепла, направленный в сторону земной поверхности. Величина этого теплового потока в 4000 раз меньше тепла, падающего на земную поверхность от Солнца. Однако, в отличие от использования солнечной радиации, где используется текущая величина теплового потока, при использовании геотермальной энергии добывается НЕ тепловой поток, а тепло, аккумулированный геотермальными водами и глубинными горными породами за время существования Земли в ее современном состоянии.

внутреннее строение земли

Только в самые верхние слои земной коры проникает тепло — суточные колебания температуры почвы распространяются в глубину на 1,5-2,0 м, летние — на 10-20 м. Далее теплота, связанная с солнечным излучением не проникает, но с увеличением глубины наблюдается закономерное увеличение температуры, что свидетельствует о наличии источников энергии в глубине Земли. Понятие геотермической градиент — это величина, на которую повышается температура горных пород с увеличением глубин залегания на каждые 100 м. В среднем для глубин коры, доступных для непосредственных температурных измерений, величина геотермического градиента принимается примерно равной 3°C.

Подсчитано, что температура ядра Земли имеет около 5000 градусов. В среднем температура поднимается на 3 °С через каждые 100 метров в глубину. Так, на глубине 20 км она составляет около 500 °С, тогда как на глубине 50 км — 700-800 °С. Общий тепловой содержание первых 10 км земной коры составляет примерно 3-1023 ккал, что в тысячи раз превышает теплотворную способность мировых запасов всех видов топлива (если человечество будет использовать одну только геотермальную энергию, пройдет 41000000 лет, прежде чем температура недр Земли снизится на полградуса) . Общий выход тепла из недр к земной поверхности в три раза превышает современную мощность энергоустановок мира и оценивается в 30 ТВт.

Значение геотермических градиентов разное для разных частей земного шара. Геотермической градиент равный 150°С/км считается наибольшим и был зафиксирован в Бананце (штат Орегон, США). Геотермическая степень, ему соответствующая, равна 6,6 м/°С; это зона молодой вулканической деятельности. В Южной Африке, в зоне расположенной на древнем щите из кристаллических пород был зарегистрирован наименьший геотермической градиент, равный 6°С /км.

Такой природный потенциал перспективен для использования в энергетике, поскольку он почти неисчерпаем и может надолго обеспечить человечество экологически чистой энергией.

Как свидетельствуют расчеты, при использовании теплоты Земли в промышленных масштабах в течение 40—50 млн лет температура ее ядра снизится менее чем на 10 °С.

Использования геотермальных ресурсов

геотес
Необходимая глубина и принцип работы некоторых геотермальных установок

Главные направления теплоэнергетического использования геотермальных ресурсов можно определить следующим образом:

  •  производство электроэнергии;
  •  системы геотермального теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения — ГВС коммунально-бытовых и промышленных объектов);
  •  теплотехнологические процессы на предприятиях промышленного и агропромышленного комплекса.

ГеоТЭС можно разделить на три основных типа:

геоэлектростанция

  •   станции, работающие на месторождениях сухого пара;
  •   станции с испарителем, работающих на месторождениях с горячей водой под давлением (иногда с насосом на дне скважины для обеспечения принятого объема поступающего энергоносителя)
  •   станции с бинарным циклом, в которых геотермальная теплота передается вторичной жидкости (например, фреона или изобутана) и происходит классический цикл Ренкина (такие ГеоТЭС работают на месторождениях с сильно минерализованной горячей водой).

 

Технико-економичний анализ показывает, что при современной технологии извлечения внутриземное тепла экономически обоснованными являются системы с глубиной скважины до 3 км; тепловой потенциал 90% геотермальных вод на указанных глубинах не превышает 100°С. При этом за счет геотермального теплоснабжения может быть замещено и сэкономлено органического топлива больше, чем за счет производства электроэнергии.

Опыт эксплуатации ГеоТЭС подтверждает их высокую экономическую эффективность по сравнению с традиционными типами электростанций. Так, удельные затраты на строительство ГеоТЭС в США в среднем на 38% ниже, чем на строительство АЭС, и на 50% ниже, чем на строительство угольных ТЭС; стоимость электроэнергии на 25-30% ниже, чем на традиционных электростанциях.

 

Схемы установок для производства электроэнергии в геотермальных преобразователях можно разделить на 4 основные группы:

а) паротурбинные;

б) гидропаротурбинни;

в) турбокомпрессорных;

г) комбинированные (топливно-геотермальные).

Достоинства и недостатки геоэнергетики:

Достоинства:

  1. Практическая неисчерпаемость геотермальной энергии;
  2. Низкая себестоимость электрической энергии;
  3. Дешевизна эксплуатации и обслуживания;
  4. Относительно простой уровень автоматизации;
  5. Большой запас энергии (с первых трех километров земной коры можно добывать энергию, эквивалентную 300 млрд т. каменного угля);
  6. Независимость от внешних условий, времени суток и года;
  7. Возможность комплексного использования термальных вод для нужд теплоэлектроэнергетики и медицины;
  8. Возможность использования геотермальной энергии комбинированным способом (добыча электроэнергии и обогрева);

Недостатки:

  1. Низкое термодинамическое качество.
  2. Необходимость использования тепла у места добычи.
  3. Стоимость сооружения скважин произрастает с увеличением глубины.
  4. Высокая минерализация термальных вод большинства месторождений.
  5. Экологически опасные продукты, содержащиеся в термальной воде. Добыча такой воды и ее сброс в водоносные слои или в окружающее пространство может привести к загрязнению питьевой воды, перемещениям почвы и локальным землетрясениям.

В заключение повторю, что особенностью и отличием геотермальных ресурсов от других возобновляемых источников энергии является возможность их добычи в любом месте планеты, нужно лишь оптимизировать цель использования и выбор технологий, учитывая особенности конкретного месторождения.

Читайте также публикации по тегу геотермальная энергетика, где вы сможете ознакомится с исследованиями, ведущимися в направлении совершенствования оборудования ГеоЭС и ГеоТЕС. Целью этой серий публикаций является получить знания, и в дальнейшем использовать их для популяризации и практического применения геотермальных технологий в мире в ближайшем будущем, развитие геотермальной энергетики в стане.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector