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:

Хорошо управляемые луга могут компенсировать выбросы от скота 15.02.2026

Животноводство, особенно разведение крупного рогатого скота, часто обвиняют в значительном вкладе в глобальное потепление из-за мощного парникового газа - метана, который выделяется при пищеварении у жвачных животных. Это вызывает острые политические споры и призывы к сокращению потребления мяса. Однако ученые напоминают, что полная картина климатического воздействия отрасли не ограничивается только выбросами от животных: огромную роль играет окружающая экосистема - пастбища, почва и растительность, которые способны активно поглощать углекислый газ из атмосферы. Исследователи из Университета Небраски-Линкольна решили глубже изучить этот баланс. Группа под руководством профессора Галена Эриксона сосредоточилась на том, как правильно организованные пастбища накапливают углерод в растениях и грунте благодаря естественным процессам, стимулируемым выпасом скота. Ученые подчеркивают, что при достаточном уровне осадков и грамотном управлении такие луга превращаются в мощные природные погло ...>>

NASA тестирует инновационную технологию крыла 15.02.2026

Коммерческая авиация ежегодно расходует колоссальные объемы керосина, что сказывается не только на бюджете авиакомпаний, но и на состоянии окружающей среды. В 2024 году глобальные затраты на авиационное топливо достигли 291 миллиарда долларов, и эта сумма продолжает расти. Чтобы справиться с этими вызовами, NASA активно работает над технологиями, способными заметно повысить аэродинамическую эффективность самолетов. Одним из самых перспективных направлений стало создание специальной конструкции крыла, которая максимизирует естественный ламинарный поток воздуха и минимизирует сопротивление. В январе 2026 года специалисты NASA Armstrong Flight Research Center успешно провели важный этап наземных испытаний концепции Crossflow Attenuated Natural Laminar Flow (CATNLF). Для эксперимента под фюзеляж исследовательского самолета F-15B закрепили вертикально ориентированную масштабную модель высотой около 0,9 м (3 фута), напоминающую узкий киль. Такая компоновка позволила подвергнуть прототип р ...>>

Забота о внуках очень полезна для здоровья мозга 14.02.2026

Общение между поколениями приносит радость всей семье, но мало кто задумывается, насколько активно бабушки и дедушки, заботящиеся о внуках, поддерживают свою умственную форму. Регулярное взаимодействие с детьми стимулирует мозг пожилых людей, помогая сохранять память, скорость мышления и общую когнитивную активность. Новые научные данные подтверждают, что такая добровольная помощь не только важна для общества, но и может замедлять возрастные изменения в мозге. Исследователи из Тилбургского университета в Нидерландах провели анализ, чтобы понять, приносит ли уход за внуками реальную пользу здоровью пожилых людей. Ведущий автор работы Флавия Черечес отметила, что многие бабушки и дедушки регулярно присматривают за детьми, и оставался открытым вопрос, насколько это положительно сказывается на их собственном благополучии, особенно в плане когнитивных функций. Ученые поставили цель выяснить, способен ли регулярный уход за внуками замедлить снижение памяти и других умственных способ ...>>

Случайная новость из Архива Нанотрубочныи охладитель 27.07.2006 Американские ученые применили углеродные нанотрубки для охлаждения микросхем. Ветераны компьютеризации помнят, что 386-й процессор работал без всякого вентилятора, 486-му понадобились радиатор с вентилятором, радиатор к первым "Пентиумам" уже рекомендовали ставить на термопасте, а ныне без нее ни центральный процессор не работает, ни видеоплата. И конца этому не видно. Значит, инженерам-теплотехникам нужно искать новые ответы на вопрос: как отвести максимум тепла за кратчайшее время? Очередная идея возникла у материаловедов из Университета Пердью (США). Новый материал - это паркет из углеродных нанотрубок, который наносят непосредственно на кремниевую подложку микросхемы, а также на поверхность радиатора с помощью плазменного испарения и конденсации. "Нанотрубки, которыми покрыты обе соединяемые поверхности, прочно переплетаются между собой. Речь не идет о механическом соединении - однако тепло проходит превосходно, в десять раз быстрее, чем без нанотрубок. Более того, если пропитать нанотрубочное покрытие термопастой, скорость отвода тепла станет еще выше", - говорит руководитель работы, доцент Тимоти Фишер.

Другие интересные новости:

▪ Новый имплантат, позволяет слышать свет

▪ Когда объезд не помогает

▪ Легко ли прокормиться киту

▪ Gigabit Powerline - чип для домашних сетей через электропроводку

▪ Самый быстрый робот

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Интересные факты. Подборка статей

▪ статья Вкушая, вкусих мало меду и се аз умираю. Крылатое выражение

▪ статья Какая собака самая большая и сильная? Подробный ответ

▪ статья Слесарь по эксплуатации и ремонту подземных газопроводов. Должностная инструкция

▪ статья Влияние близлежащих предметов на работу штыря и грозозащита. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Вращение изменяет форму. Физический эксперимент

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026