Геотермальна енергетика: загальні відомості, основні поняття, визначення.

Геотермальна енергетика.

Рисунок 5.1 Завод в Ісландії, що працює на основі геотермальної енергії.

Вираз "геотермальна енергія" буквально означає, що це енергія тепла землі (гео - земля, термальна - теплова). Основним джерелом цієї енергії є постійний потік тепла з розжарених надр, направляли до поверхні землі. Цього тепла достатньо, щоб розплавляти гірські породи під земною корою, перетворюючи їх на магму (яку ми можемо іноді бачити на поверхні у вигляді лави). Велика частина магми залишається під землею і, подібно до печі, нагріває породу навколо. Коли підземні води стикаються із цим теплом, вони теж дуже нагріваються - іноді до температури 371°С. У деяких місцях, особливо по краях тектонічних плит материків, а також у так званих "гарячих точках" теплота підходить так близько до поверхні, що її можливо добувати за допомогою геотермальних свердловин.

Електричну енергію вперше було отримано з використанням геотермального резервуару сухої пари 1904 року італійцем П. Джинсші Конті. Перший резервуар гарячої води, використаний для виробництва електричної енергії, був створений у Новій Зеландії в 50-ті роки. Перша комерційна геотермальна електростанція в США почала виробляти енергію 1960 року, сьогодні це друге щодо важливості та обсягу використання поновлюване джерело енергії. 1995 року потужність усіх геотермальних електростанцій світу становила 6000 МВт i 11300 МВт - теплових станцій для прямого використання теплоти (1 МВт достатньо для забезпечення побутових потреб 1000 жителів).

Геотермальна енергія, акумульована в перших десятьох кілометрах Земної кори, за оцінкою МРЕК-ХІ досягає 137 трлн. т у.п., що в 10 разів перевищує геологічні ресурси усіх видів палива разом узятих.

З усіх видів геотермальної енергії мають найкращі економічні показники гідрогеотермальні ресурси – термальні води, пароводяні суміші і природна пара.

Гідрогеотермальні ресурси, які використовуються на сьогодні практично, складають лише 1% від загального теплового запасу надр. Досвід показав, що перспективними в цьому відношенні варто вважати райони, в яких зростання температури з глибиною відбувається досить інтенсивно, колекторські властивості гірських порід дозволяють одержувати з тріщин значні кількості нагрітої води чи пари, а склад мінеральної частини термальних вод не створює додаткових труднощів по боротьбі із солевідкладеннями і кородуванням устаткування.

Аналіз економічної доцільності широкого використання термальних вод показує, що їх варто застосовувати для опалення і гарячого водопостачання комунально-побутових, сільськогосподарських і промислових підприємств, для технологічних цілей, добування цінних хімічних компонентів і ін. Гідрогеотермальні ресурси, придатні для одержання електроенергії, становлять 4% від загальних прогнозних запасів, тому їхнє використання в майбутньому варто пов’язувати з теплопостачанням і теплофікацією місцевих об’єктів.

Тепловий режим земної кори.

Рисунок 5.2 Потік геотермальних вод у Севастополі.

Поверхня Землі складається із 12 окремих тектонічних плит, величезних платформ земної кори, які постійно дуже повільно рухаються.

Джерела геотермальної енергії можливо виявити в трьох основних зонах - там, де стикаються дві тектонічні плити, при цьому одна з них рухається під другою:

– субдукційна зола (наприклад, Японські острови та Анди в Південній Америці);

– зони, де магма виходить на нижній горизонт ґрунту чи просто на поверхню (Каліфорнійська затока, рифові долини в Африці, Середньо-атлантичний хребет);

– "гарячі точки", в яких магма постійно витискається на поверхню Землі (Гаванські острови).

Геотермальний резервуар є насправді масою породи, що розтріскалася в чемній корі й насичена гарячою водою чи парою, при цьому перший тип є найбільш поширеним. Щоб добути воду чи пару на поверхню, в резервуарі бурять свердловини. Розміри резервуарів - від кількох тисяч кубічних метрів до кількох кубічних кілометрів. Якщо вода достатньо гаряча, вона підіймається на поверхню природним шляхом, при більш низькій температурі може знадобитися насос.

Розрізняють чотири основні типи геотермальної енергії:

- нормальне поверхове тепло землі, яке використовується геотермальними тепловими насосами;

- гідротермальні системи, тобто резервуари пари, гарячої чи теплої води біля самої поверхні землі (нині для вироблення електроенергії використовуються саме ці ресурси);

- глибока коркова теплота, яка утримується під поверхнею землі, але може не мати води;

- енергія магми, теплота, що накопичена під вулканами та кальдерами; іноді магма частково буває к розплавленому стані.

Якби можна було використовувати всього 1% геотермальної енергії земної кори (глибина 10 км), ми мали б у своєму розпорядженні кількість енергії, яка в 500 разів перевищувала б усі світові запаси нафти та газу.

Геотермальні електростанції

Є два види геотермальних станцій: перші для генерування струму використовують пару, другі - перегріті геотермальні води. У перших суха пара зі свердловини надходить у турбіну або генератор для вироблення електроенергії. На станціях іншого типу використовуються геотермальні води температурою понад 190^оС. Вода природним чином підіймається вгору свердловиною, подається в сепаратор, де внаслідок зменшення тиску частина її кипить і перетворюється на пару. Пара спрямовується в генератор або турбіну і виробляє електрику. Це найбільш поширений тип геотермальної електростанції.

Значні масштаби розвитку геотермальної енергетики в майбутньому можливі лише в разі одержання теплової енергії безпосередньо з гірських порід. У цьому випадку в місцях, де знайдено сухі гарячі скельні породи, бурять паралельні свердловини між якими утворюють систему тріщин. Тобто фактично формується штучний геотермальний резервуар, в який подається холодна вода з наступним отриманням пари або пароводяної суміші.

Геотермальні теплові насоси

Рисунок 5.3 Принципова схема геотермальної теплонасосної системи з вертикальним грунтовим контуром

Середня температуру Землі на глибині 3-5 м впродовж року становить 10-13°С і вище. Цим можна скористатися для опалення й охолодження будинків, виробничих приміщень, тваринницьких ферм за допомогою теплообмінників і теплонасосних установок, що дає змогу заощаджувати до 50-70% теплоти, яка використовується для створення оптимального температурного режиму в приміщеннях. Для цього в землі за певною схемою прокладають канали для руху повітря або заривають труби, у які подається вода (чи інший теплоносій). Незалежно від того, що циркулює в такій системі, за рахунок теплообміну з землею такий тепловий насос може поглинати тепло землі й передавати його в будинок у холодну пору року або переміщувати тепло з будинку в землю в спекотну пору.

В деяких випадках використання теплової геотермальної помпи дозволяє економити до 2/3 енергії, що використовується для опалення.

Тепловий насос складається з таких складових:

1. Теплообмінник передачі тепла землі внутрішньому контуру.

2. Компресор

3. Теплообмінник передачі тепла внутрішнього контуру системі опалення

4. Дросельне пристрій для зниження тиску

5. Розсолу контур і земляний зонд

6. Контур опалення та ГВП

Первинний контур-поліетиленова труба U-подібної форми, занурена в свердловину. По трубі циркулює незамерзаюча рідина. У результаті циркуляції до другого контуру теплового насоса надходить рідина з температурою 8°С (температура землі).

Рідина передає свою температуру (8°С) другому контуру. У другому контурі циркулює фреон. (Відмінна особливість фреону полягає в тому, що при температурі вище 3°С він з рідкого стану переходить в газоподібний). Рідкий фреон, отримуючи від первинного контуру температуру 8°С переходить в газоподібний стан. Далі, газоподібний фреон поступає в компресор, де газ стискається з 4 до 26 атмосфер. При такому стисненні він нагрівається з 8° С до 75° С.

Це найважливіший етап роботи теплового насоса. Саме на цьому етапі відбувається перетворення енергії великого об'єму газу з температурою 8° С в малий обсяг газу з температурою 75° С. При цьому загальна енергія газу до і після компресора залишається незмінною. Просто він сконцентрувався в згусток енергії, якій нікуди подітися. Тому і відбувається нагрівання газу до 75° С.

Енергія газу (фреон), розігрітого до 75° С, передається в третій контур - систему опалення та гарячого водопостачання будинку. У процесі передачі енергії газу третьому контуру після втрат (10-15° С), опалювальний контур нагрівається до температури 60-65° С.

Газ (фреон), віддавши свою енергію опалювального контуру, охолоджується до 30-40° С. При цьому він як і раніше знаходиться під тиском у 26 атмосфер. Потім відбувається зниження тиску до 4 атмосфер (так званий ефект дроселювання). У результаті падіння тиску відбувається значне охолодження газу (ефект, зворотний підвищення температури при збільшенні тиску). Він охолоджується до 0-3°С і стає рідиною. Температура фреону 0-3°С передається теплоносію первинного контуру, який відносить її вглиб землі. Проходячи по свердловині, теплоносій нагрівається і виходить на поверхню землі з температурою 8° С, яка знову подається на другий контур.

А в цей час відбувається процес завершення циклу в другому контурі. Рідкий фреон з температурою 0-3° С знову стикається з первинним контуром, що приносить із землі 8° С. Процес повторюється.

Переваги і недоліки геотермальної енергії

Переваги:

1. Геотермальну енергію отримують від джерел тепла з великими температурами.

2. Вона має декілька особливостей:

· температура теплоносія значно менша за температуру при спалюванні палива;

· найкращий спосіб використання геотермальної енергії — комбінований (видобуток електроенергії та обігрів).

Недоліки:

1. низька термодинамічна якість;

2. необхідність використання тепла біля місця видобування;

3. вартість спорудження свердловин виростає зі збільшенням глибини.

Це джерело характеризується різноплановим впливом на природне середовище. Так в атмосферу надходить додаткова кількість розчинених підземних водах сполук сірки, бору, миш’яка, аміаку, ртуті; викидається водяна пара, збільшуючи вологість; супроводжується акустичним ефектом; опускання земної поверхні; засолення земель.