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:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Животные видят человеческую злость 21.02.2016 Любители собак часто говорят, что их питомцы буквально понимают чувства хозяев. Конечно, способностью читать мысли собаки вряд ли обладают, а вот считывать эмоции они могут вполне. Собаки способны различать разные эмоции: на нейтральное выражение лица они смотрят иначе, чем на злое лицо или на лицо, выражающее удовольствие. Зоологи также заметили, что на угрозу животные реагировали по-разному, в зависимости о того, исходила ли она от собаки же или от человека. Если угроза исходила от другого пса, то тот, кто смотрел на него, продолжал смотреть и дальше, а вот если животному показывали человеческое лицо, выражение которого не предвещало ничего хорошего, то собака быстро отводила взгляд. Вероятно, долгое сожительство с человеком научило псов считывать наши эмоции и заранее демонстрировать покорность, пытаясь успокоить заведомо более развитого и сильного противника. Но не только собаки, оказывается, распознают человеческие эмоции (о приматах мы сейчас не говорим). Карен Маккомб (Karen McComb) и ее коллеги из Университета Сассекса установили, что и лошади тоже видят, в каком настроении мы к ним пришли. Эксперимент проводили так: животным показывали фото двух непохожих друг на друга мужчин, у которых на лицах было написано счастье или злость. Лошадей к тесту никак не подготавливали, исследователей интересовала их спонтанная реакция. Сами экспериментаторы тоже не видели, что они показывают - они узнавали это только после того, как лошадь отреагировала на фотографию (делалось так, чтобы человек нечаянно своим поведением не спровоцировал животное на какую-нибудь реакцию и не исказил получаемые результаты). Результаты же оказались следующие: лошади к "злым" фото поворачивались левой стороной головы, у них сразу же учащалось сердцебиение и вообще они вели себя как при стрессе. Известно, что многие животные смотрят на опасность именно левым глазом, потому что мозговые центры, отвечающие за анализ угрозы и поиск возможных выходов из ситуации, располагаются в правом полушарии (а информация от глаз, как известно, идет по перекрещивающимся нервным путям слева направо и справа налево). Собаки, например, тоже предпочитают рассматривать "отрицательное выражение лица" именно левым глазом. Кстати, на счастливые фотографии лошади реагировали вообще более равнодушно, что в общем, можно легко объяснить: наше счастье лошадям ни к чему, человек со злым лицом явно несет угрозу, а счастливый - ну, радуется и радуется. Однако несомненно то, что они в принципе были способны отличить одно выражение лица от другого - это несколько неожиданно для животных, которые состоят с нами все-таки не в таких близких отношениях, как те же собаки. Возможно, что такое умение лошади приобретают в течение жизни, общаясь с людьми с рождения. Хотя может быть и иначе - что их собственная система распознавания эмоций, необходимая для общения друг с другом, в ходе эволюции научилась анализировать не только лошадиные "лица", но и физиономии Homo sapiens.

Другие интересные новости:

▪ Европа нагревается быстрее других континентов

▪ Юбилейный калькулятор от Casio

▪ Нейросеть самостоятельно повторила открытие Коперника

▪ Солнечный шар

▪ Питание дедушки влияет на внуков

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Освещение. Подборка статей

▪ статья Организация гражданской обороны на промышленном объекте. Основы безопасной жизнедеятельности

▪ статья Какая религия запрещает любое причинение вреда любым живым существам? Подробный ответ

▪ статья Повар школы. Должностная инструкция

▪ статья Выносной микрофонный усилитель. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Чудо-столик. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025