Геотермальная энергетика. Техника извлечения геотермальных вод. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Геотермальную энергию получают от источников тепла с высокими температурами, она обладает некоторыми особенностями. Одна из них заключается в том, что температура теплоносителя существенно ниже температуры при сжигании топлива. Несмотря на то что суммарные запасы геотермальной энергии велики, ее термодинамическое качество низко. Эти источники имеют много общего с промышленными выбросами тепла и тепловой энергией океана. Ниже кратко рассмотрена стратегия использования геотермальной энергии.

Сочетание возможностей и потребностей

С геотермальными источниками всегда связывают попытки выработки электроэнергии как наиболее ценного продукта, в то время как наилучший способ утилизации тепловой энергии - использование комбинированного режима (выработка электроэнергии и обогрев). Безусловно, электроэнергия может быть подана в энергосистему и через нее передана потребителям наряду с электроэнергией, вырабатываемой другими источниками. В то же время не лишне упомянуть, что потребность в тепле при температуре до 100°C обычно даже выше, чем в электроэнергии. Таким образом, использование геотермальной энергии в виде тепла не менее важно. Выработка электроэнергии, по всей вероятности, будет представлять интерес, если теплоноситель имеет температуру более 300°C, и не будет, если последняя ниже 150°C.

Тепло не так легко передавать на расстояние более 30 км, поэтому необходимо его использовать вблизи места добычи. В зонах холодного климата обогрев жилищ и промышленных зданий создает ощутимую потребность в тепле, если плотность населения составляет более 300 человек на 1 км2 (более 100 усадьб на 1 км2). Таким образом, тепловая станция мощностью 100 МВт может обслуживать жилой район площадью примерно 20х20 км при расходе тепла около 2 кВт на усадьбу. Подобная геотермальная система давно используется в Исландии и в меньшей степени - в Новой Зеландии. Другие крупные потребители тепла - теплицы (до 60 МВт/км в одной установке для Северной Европы), фермы для разведения рыб, установки для сушки пищевых продуктов и для реализации других технологий.

Масштаб использования геотермальной энергии определяют некоторые факторы. Доминантой стоимости оказываются капитальные затраты на сооружение скважин, стоимость которых экспоненциально увеличивается с ростом их глубины. Так как температура увеличивается с глубиной, а выработка энергии увеличивается с ростом температуры, в большинстве случаев ограничиваются оптимальной глубиной скважины примерно 5 км. Как следствие масштаб энергетических установок обычно выбирают больше 100 МВт (электрических или тепловых - для высоких температур, только тепловых - для низких температур).

Общее количество тепла, извлекаемого из геотермальной скважины, можно увеличить за счет повторной закачки отработанной и частично охлажденной воды. Это удобный способ избавиться от сбросовых вод, которые могут быть сильно минерализованными (содержать до 25 кг/м3 солей) и являются опасными загрязнителями среды. Однако это приводит к росту стоимости станций.

Техника извлечения тепла

Наиболее успешно реализованные проекты имеют скважины, пробуренные непосредственно в естественные подземные коллекторы геотермальных районов (рис. 1). Этот метод используется в Гейзерах (Калифорния) и в Уайракее (Новая Зеландия), где в скважинах существует значительное давление. Подобные методы используются для извлечения энергии из водоносных слоев в высокотермальных районах, где природного напора достаточно, чтобы обойтись без насосных систем.

Последние разработки направлены на извлечение тепла из сухих горных пород, так как они могут обеспечить большую производительность, чем водные источники. Лидирующая группа специалистов (Лос-Аламосская научная лаборатория, США) разработала методы дробления скал гидроразрывом с помощью холодной воды, нагнетаемой под давлением в скважину (рис. 1). После предварительного дробления пород вода нагнетается через питающую скважину, фильтруется через скальные породы на глубине около 5 км при температуре 250°C, теплая вода возвращается на поверхность через приемную скважину. Две такие скважины могут обеспечить энергией установку мощностью порядка гигаватта.

Рис.6.1. Схема размещения гидротермальных станций в гипертермальном районе (геотермальное поле Гейзеры, Калифорния): 1 - естественный гейзер; 2 - энергетическая станция; 3 - глубокая скважина (5 км); 4 - пароводяной источник ( ~280°C); 5 - мантия; 6 - горячие скальные породы

Системы генерации электроэнергии и тепловой энергии. Выбор теплообменников и турбин для обычных геотермальных источников - комплексная задача, требующая специального опыта. Несколько вариантов возможных схем ГеоТЭС приведено на рис. 6.2.

Если для получения электроэнергии используются источники с низкой температурой, то для приведения в действие турбин приходится вместо воды применять другие рабочие жидкости (например, фреон, толуол). Новые виды техники нуждаются в повышении эффективности. Особые трудности могут возникнуть с теплообменниками из-за высокой концентрации в воде из скважин различных химических веществ. Капитальные затраты на строительство ГеоТЭС в настоящее время варьируется от 1500 до 2500долл. на киловатт установленной электрической мощности, что оказывается сравнимым с таковыми для АЭС и ТЭС.

Главными потребителями геотермальных ресурсов на ближайшую и отдаленную перспективу, несомненно, будут теплоснабжение и, в значительно меньшей мере, выработка электроэнергии. Приоритетность теплоснабжения в балансе использования геотермальной электроэнергии.

Рис.6.2. Примеры организации цикла для производства электроэнергии. Цикл с одним рабочим телом, например, с водой или фреоном (а); цикл с двумя рабочими телами - водой и фреоном (б); прямой паровой цикл (и) и двухконтурный цикл (г); I - геотермальный источник; II - турбинный цикл; III - охлаждающая вода

Геотермальная технология добычи тепловой энергии недр - это совокупность способов, средств и процессов извлечения, обработки и доставки теплоносителя с заданным качеством и рыночным уровнем экономической эффективности его использования. Использование низкотемпературной геотермальной энергии малых глубин можно рассматривать как некоторый технико-экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения. Меньше, чем за 10 лет в США была разработана многовариантная технология и построены сотни тысяч действующих систем теплоснабжения. Ежегодно вводится в строй не менее 50-80 тысяч новых систем. Успешно внедряется эта технология и в других странах мира: Швеции, Швейцарии, Канаде, Австрии, Германии, России. В 2002 году в мире действовало около 450 тысяч таких систем с общей мощностью 2.9 ГВт (т), при средней -10 кВт (т).

Приповерхностные (малоглубинные) геотермальные системы используются для обогрева и охлаждения различных типов жилых домов (от индивидуальных до многоквартирных), бензозаправок, супермаркетов, церквей, образовательных учреждений и т.д.

Суть рассматриваемых технологий, представленных приповерхностными системами (горно-энергетическими установками) с теплообменом в скважинах и каналах, заключается в создании подземного теплообменника, с замкнутым или открытым контуром, располагаемого на малой глубине (50 - 300 м) и присоединенного к тепловому насосу, установленному внутри отапливаемого помещения (рис. 6.3). При этом, на территории Центральной России могут использоваться температуры пород в интервале от 7 до 15°C.

Эти системы извлекают не только геотермальную энергию, накопленную в горных породах или в воде, но и солнечную. Конкретная доля той или иной энергии, используемая установкой, зависит от глубины расположения теплообменника, климатических и гидрогеологических условий района.

В России есть положительный опыт строительства и эксплуатации таких геотермальных установок. В частности в Ярославской области построена и второй год работает система теплоснабжения большой сельской школы, проектируются и строятся еще три установки подобного типа.

а)

б)
Рис.6.3. Приповерхностная (малоглубинная) геотермальная система с теплообменом: а - горизонтальных каналах; б - в скважинах

Оценка геотермальных технологий, применяемых в мировой практике показывает, что с их помощью может быть обеспечен широкий спектр потребителей тепловой энергии: от городского микрорайона до индивидуального дома. На основе геотермальных циркуляционных систем (ГЦС), состоящих из дублета глубоких (до 1,5 - 2,5 км) скважин, применяя тепловые насосы и пиковый догрев, получают высокотемпературные режимы отопления (90°C и выше) с тепловой мощностью до нескольких десятков МВт. Технология грунтовых тепловых насосов на скважинах 50 - 150 м соответствует среднетемпературным и низкотемпературным режимам, для коммерческих (магазины, офисы и др.) и муниципальных (школы, больницы и др.) приложений и объектов ЖКХ, при мощности до 0,1-0,4 МВт.

На рис. 6.4 приведены схемы теплоснаюжения геотермальной водой.

Рис.6.4. Технологии теплоснабжения с извлечением геотермальной энергии (нажмите для увеличения): а) на базе ГЦС; б) на базе глубинного теплообменника; в) грунтовые тепловые насосы

Основным критерием для оценки энергосберегающего, экономического и экологического эффектов геотермальных установок с электрическим тепловым насосом, является коэффициент использования первичных энергоносителей (КИПЭ), который определяется произведением к.п.д. производства электроэнергии (КПДэ = 0,30 - 0,35) на средний, в течение срока службы установки, коэффициент преобразования теплового насоса (КПТН). Диапазон КПТН, который может быть достигнут с использованием геотермальных источников, от грунта - до пластовых рассолов, при температурах от 5 - 7°C до 35 - 40°C, от 3 до 7 единиц и выше. Таким образом, в зависимости от типа источника, могут быть получены уровни КИПЭ от 1,1 до 2,5 единиц, что в 1,2 - 7,0 раз выше показателей для традиционных котельных (рис. 6.5).

Эффективность геотермальной установки с электрическим ТН настолько выше, в сравнении с традиционной котельной, насколько больше отношение их КИПЭ. Отсюда, экономия потребляемых энергоносителей и снижение вредных выбросов: 20 - 70%.

Рост цен на привозное топливо и транспортные расходы сегодня предопределили ускоренное развитие геотермальной энергетики на Камчатке, Курильских островах и в северных районах России.

На рис. 6.5 приведены коэффициенты использования первичных энергоносителей в традиционных и геотермальных котельных.

Рис.6.5. Коэффициент использования первичных энергоносителей (КИПЭ) традиционными (т) и геотермальными (г) котельными

Россия имеет многолетний опыт исследования геотермальных полей, проведения буровых работ на них и эксплуатации ГеоЭС. Паужетская ГеоЭС (юг Камчатки) уже более 30 лет обеспечивает самой дешевой электроэнергией поселок Озерная, где сосредоточено основное производство красной икры. Россия еще в 1967 г. была первой страной в мире, создавшей ГеоЭС с бинарным циклом на низкопотенциальном тепле ( горячая вода - 95°C) на Паратунском геотермальном поле на Камчатке.

Автор: Магомедов А.М.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Токсичность интернета преувеличена 07.01.2026

Социальные сети нередко воспринимаются как арена постоянной агрессии, оскорблений и распространения фейковой информации. Новое исследование Стэнфордского университета показывает, что реальность значительно отличается от популярного представления: интернет гораздо менее токсичен, чем многие пользователи считают. Ученые опросили более тысячи американцев, попросив их оценить долю пользователей соцсетей, которые ведут себя агрессивно или распространяют ненависть. Оказалось, что впечатления людей сильно преувеличивают масштабы проблемы. Например, респонденты считали, что почти половина пользователей Reddit хотя бы раз оставляла оскорбительные комментарии, тогда как фактические данные платформы показывают, что таких людей не более 3%. Аналогичная ситуация наблюдается с дезинформацией. Опрос показал, что большинство участников считали почти половину аудитории Facebook распространителями фейковых новостей, однако статистика говорит об обратном: фактическая доля таких пользователей состав ...>>

Процессоры Ryzen AI 400 07.01.2026

Современные вычисления все больше ориентируются на интеграцию искусственного интеллекта и высокую производительность в компактных устройствах, таких как ноутбуки и мини-ПК. Новая линейка процессоров AMD Ryzen AI 400 демонстрирует, как разработчики объединяют мощные центральные ядра, графику и нейросетевые ускорители в одном чипе, чтобы удовлетворять растущие потребности пользователей в играх, контенте и ИИ-приложениях. AMD представила процессоры серии Gorgon Point, которые включают до 12 ядер Zen 5 и до 24 потоков вычислений. Чипы поддерживают интегрированную графику RDNA 3.5, обеспечивают максимальную тактовую частоту до 5,2 ГГц и имеют энергопотребление от 15 Вт до 54 Вт. Особое внимание уделено NPU, способному обрабатывать до 60 триллионов операций в секунду (TOPS), что делает эти процессоры эффективными для задач с искусственным интеллектом. Конструкция Ryzen AI 400 сочетает ядра Zen 5 и Zen 5c, обеспечивая высокую гибкость и производительность. Несмотря на то, что архитектур ...>>

Женщины лучше распознают признаки болезни по лицу 06.01.2026

Способность распознавать, что кто-то нездоров, часто проявляется интуитивно: бледная кожа, опущенные веки, уставшее выражение лица могут сигнализировать о недомогании. Новое исследование международной группы ученых показало, что женщины в среднем точнее мужчин улавливают такие тонкие невербальные признаки болезни, что может иметь эволюционные и социальные объяснения. В отличие от предыдущих работ, где использовались отредактированные фотографии или имитация больных лиц, ученые решили проверить, насколько люди способны распознавать естественные признаки недомогания. Такой подход позволил оценить реальную чувствительность к изменениям в лицах, возникающим при болезни. В исследовании приняли участие 280 студентов, поровну мужчин и женщин. Участникам предложили оценить 24 фотографии, на которых изображены люди как в здоровом состоянии, так и во время болезни. Это дало возможность сравнить восприятие естественных признаков недомогания в реальных лицах. Для анализа состояния каждого ...>>

Случайная новость из Архива Регулируемый клей 19.03.2002 Немецкая фирма BASF разработала полимерный клей, названный акрезином, прочность приклеивания которого можно регулировать. Это делается путем облучения клея ультрафиолетовыми лучами. Чем больше доза облучения, тем менее клейким становится акрезин. Прочный его вариант можно применять в тех случаях, когда соединение должно быть долговечным, а слабый - например, на этикетках с ценой, которые после покупки товара обычно отклеивают. Акрезин безопасен для окружающей среды, так как не содержит растворителей.

Другие интересные новости:

▪ Технология Intel Centrino

▪ Альтернативная энергетика для космической станции

▪ Наносенсор обнаружит пестициды на фруктах

▪ Умная подушка Huawei

▪ Маска с NFC-меткой

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта ВЧ усилители мощности. Подборка статей

▪ статья Геенна огненная. Крылатое выражение

▪ статья Что вызывает икоту? Подробный ответ

▪ статья Измерение ширины реки при помощи травинки. Советы туристу

▪ статья Принцип действия металлоискателя. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Удивительное предсказание карты. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026