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:

Кислотность океана разрушает зубы акул 03.10.2025

Мировые океаны выполняют важнейшую функцию - они поглощают около трети углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Это помогает замедлять темпы глобального потепления, но имеет и обратную сторону. Растворяясь в воде, CO2 образует угольную кислоту, которая повышает концентрацию водородных ионов и приводит к снижению pH. Вода становится более кислой, а последствия этого процесса уже заметны для морских экосистем. Средний показатель кислотности океана сейчас равен примерно 8,1, тогда как еще недавно за условную норму брали значение 8,2. По прогнозам, к 2300 году уровень может упасть до 7,3 - это сделает океан почти в десять раз кислее нынешнего состояния. Для обитателей морей подобные изменения означают не просто сдвиг химического равновесия, а реальную угрозу физиологическим процессам, начиная от формирования раковин у моллюсков и заканчивая охотничьим поведением акул. Чтобы выяснить, как именно кислотная среда отражается на зубах акул, группа немецких исследователей провела эксп ...>>

Почтовый космический корабль Arc 03.10.2025

Космические технологии становятся частью инфраструктуры, способной повлиять на логистику, медицину и даже военную сферу. Идея использовать орбиту как глобальный склад для срочных поставок звучала еще недавно как научная фантастика, но стартап Inversion пытается превратить ее в практическое решение. Компания Inversion появилась в начале 2021 года благодаря Джастину Фиаскетти и Остину Бриггсу, которые на тот момент были студентами Бостонского университета. Их замысел состоял в том, чтобы сделать возможной доставку грузов не только через спутниковые сети данных, но и в буквальном смысле - физических предметов. В основе лежит простая мысль: если космос обеспечивает доступ к любой точке Земли, то и грузы должны перемещаться тем же маршрутом. Уже за три года работы команда из 25 специалистов успела построить демонстрационный аппарат "Ray". Его запуск состоялся в рамках миссии SpaceX Transporter-12. Устройство весом 90 килограммов проверяло ключевые технологии Inversion, включая двухком ...>>

Лазерное обогащение урана 02.10.2025

Ядерная энергия остается одним из ключевых источников стабильного электричества, особенно для стран с растущими потребностями в энергоснабжении. Однако обеспечение бесперебойных поставок топлива для атомных станций требует современных технологий обогащения урана, которые одновременно эффективны и безопасны. Американская компания Global Laser Enrichment (GLE) делает значительный шаг в этом направлении, завершив масштабное тестирование лазерной технологии обогащения урана. Демонстрационная программа была проведена на объекте в Уилмингтоне, Северная Каролина. Тестирование технологии SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation), разработанной австралийской Silex Systems, стартовало в мае 2025 года и продлится до конца года. В ходе экспериментов компания планирует получить сотни фунтов низкообогащенного урана (LEU), который может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций. GLE была создана в 2007 году для коммерциализации лазерных методов обогащения урана в С ...>>

Случайная новость из Архива Лед как источник электричества 10.09.2025 В природе многие явления долго остаются загадкой, даже если они кажутся очевидными. Грозовые разряды в облаках, например, уже давно связывают со столкновениями ледяных кристаллов. Но как именно частицы льда накапливают электрический заряд, ученым было неясно. Недавние эксперименты международной группы исследователей позволили пролить свет на эту тайну и показали, что лед обладает неожиданными свойствами, способными изменить наше понимание атмосферных процессов и открыть новые пути для практических технологий. Специалисты установили, что при неравномерной деформации ледяных кристаллов возникает электрический потенциал. В отличие от простого сжатия, которое не вызывает появления заряда, изгиб или локальное смещение структуры льда способны порождать электричество. Такой эффект был зафиксирован в ходе экспериментов, проведенных специалистами Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2), Сианьского университета Цзяотун и Университета Стоуни-Брук. Руководитель исследовательской группы профессор Густау Каталан пояснил, что в лабораторных условиях пластина льда помещалась между двумя металлическими электродами и подключалась к измерительному устройству. При изгибании фиксировался стабильный электрический потенциал, и результаты полностью совпадали с теми явлениями, которые ранее наблюдали во время гроз. Это подтверждает, что молнии действительно могут зарождаться благодаря механическим деформациям ледяных частиц в облаках. Ключевым открытием стало то, что у льда проявляется так называемая флексоэлектрика - способность генерировать электричество при изгибе. В отличие от пьезоэлектрических материалов, где эффект связан с изменением полярности под воздействием напряжения, флексоэлектрический механизм не требует строгой симметрии кристаллической решетки и может возникать в самых разных условиях. Именно это объясняет, почему лед оказался необычным, но эффективным генератором электричества. Особый интерес вызвали наблюдения при экстремально низких температурах. Когда лед охлаждали до -113 °C, на его поверхности формировался тонкий сегнетоэлектрический слой. Ведущий автор исследования, нанофизик Синь Вэнь, отметил, что такая структура позволяет льду приобретать естественную электрическую поляризацию, которую можно изменять с помощью внешнего поля подобно тому, как полюса магнита можно перевернуть на противоположные. Таким образом, у льда обнаружилось два механизма генерации энергии: сегнетоэлектрика в условиях сильного холода и флексоэлектрика при температурах ближе к нулю. Такая универсальность сближает лед с перспективными материалами, например с диоксидом титана, который активно используется при создании датчиков и накопителей энергии. Это открытие не только расширяет фундаментальные знания о физических свойствах воды в твердом состоянии, но и подсказывает новые направления для инженерных разработок. Возможность использовать лед как активный материал в электронике или сенсорных системах пока звучит необычно, но в будущем подобные эффекты могут найти прикладное применение.

Другие интересные новости:

▪ Трамвай без проводов

▪ Древние рудники и современная экология

▪ Трехмерный экран на водяном паре

▪ Ветродвигатель без лопастей

▪ Между любыми людьми меньше 6 рукопожатий

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Цветомузыкальные установки. Подборка статей

▪ статья Шалаш вашего сада. Советы домашнему мастеру

▪ статья Откуда к нам пришел чай? Подробный ответ

▪ статья Бадан. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Электропитание. Защита аппаратуры от аварийных режимов работы сети, блоки бесперебойного питания. Справочник

▪ статья Мощный импульсный стабилизатор с высоким КПД, 8-16/5 вольт 10 ампер. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025