Сегодня 03 марта 2024
18+
MWC 2018 2018 Computex IFA 2018
реклама
Аналитика

Альтернативная энергия: электричество из недр

Геотермальные электростанции

Определение геотермальной энергии заложено в самом её названии – это энергия тепла земных недр. Слой магмы, расположенный под земной корой, представляет собой огненно-жидкий, чаще всего силикатный расплав. Согласно подсчетам, энергетический потенциал тепла на глубине 10 тысяч метров в 50 тысяч раз превышает энергию мировых запасов природного газа и нефти. Выходящая на поверхность земли магма называется лавой. Наибольшая "пропускная способность" Земли в извержении лавы наблюдается на границах тектонических плит и там, где земная кора достаточно тонка. Когда лава входит в соприкосновение с водными ресурсами планеты, начинается резкий нагрев воды, что в результате приводит к гейзерным извержениям, формированию горячих озёр и подводных течений. Словом, возникают природные явления, свойства которых можно использовать в качестве практически неиссякаемого источника энергии. Источники геотермальной энергии практически неисчерпаемы. Правда, распространены они не повсеместно, хотя и обнаружены в более чем 60 странах мира. Наибольшее количество действующих наземных вулканов расположено в зоне Тихоокеанского вулканического огненного кольца (328 из 540 известных). Геотермический градиент в скважине, с помощью которой добираются до подземной энергии, повышается на 1оС каждые 36 метров. Получаемое таким образом тепло поступает на поверхность в виде горячего пара или воды, которые можно использовать напрямую для обогрева зданий или косвенно, для производства электроэнергии. На практике геотермальные источники в различных регионах планеты значительно отличаются друг от друга, из-за чего их приходится классифицировать по десяткам различных характеристик, таким как средняя температура, минерализация, газовый состав, кислотность и пр. В плоскости практического применения для выработки электрической энергии основной классификацией геотермальных источников можно считать деление на три основных типа:
  • Прямой — используется сухой пар;
  • Непрямой — используется водяной пар;
  • Смешанный (бинарный цикл).
 Схема ГеоТЭС прямого типа
Схема ГеоТЭС прямого типа
В простейших геотермальных электростанциях прямого типа для производства электроэнергии используют пар, который поступает из скважины непосредственно в турбину генератора. Самая первая геотермальная электростанция в мире работала именно по такому принципу. Эксплуатация этой станции началась в итальянском городке Лардерелло (недалеко от Флоренции) ещё в 1911 году. Семью годами ранее, 4 июля 1904 года с помощью геотермального пара здесь был приведен в действие генератор, который смог зажечь четыре электрические лампочки, после чего и было принято решение о строительстве электростанции. Что примечательно, станция в Лардерелло функционирует и по сей день. Одна из самых крупных ныне действующих геотермальных электростанций в мире мощностью 1400 МВт расположена в районе "Гейзерс" в Северной Калифорнии (США), и она также использует сухой пар.
 Схема ГеоТЭС непрямого типа
Схема ГеоТЭС непрямого типа
Геотермальные электростанции с непрямым типом производства электроэнергии сегодня наиболее распространены. Для их работы используются горячие подземные воды, которые закачиваются при высоком давлении в генераторные установки, установленные на поверхности. В геотермальных электростанциях смешанного типа кроме подземной воды используется дополнительная жидкость (или газ), чья точка кипения ниже, чем у воды. Они пропускаются через теплообменник, где геотермальная вода выпаривает вторую жидкость, а получаемые пары приводят в действие турбины. Такая замкнутая система экологически чиста, поскольку вредные выбросы в атмосферу практически отсутствуют.
 Схема ГеоТЭС смешанного типа
Схема ГеоТЭС смешанного типа
Кроме того, бинарные станции функционируют при довольно низких температурах источников, по сравнению с другими типами геотермальных станций (100-190 °С). Такая особенность в будущем может сделать этот тип геотермальных электростанций самым популярным, поскольку в большей части геотермальных источников вода имеет температуру ниже 190 °С.

Использование геотермальных источников в мире

Первая геотермальная электростанция в СССР была возведена на Камчатке – это Паужетская ГеоТЭС, начавшая свою работу в 1967 году. Первоначально мощность станции составляла 5 МВт; впоследствии её удалось увеличить до 11 МВт. Потенциал гидротермальных месторождений на Камчатке огромен. Запасы тепла геотермальных вод здесь оцениваются в 5000 МВт. Использование в полной мере геотермального тепла могло бы решить энергетическую проблему Камчатской области, сделать ее независимой от завозного топлива. Самым изученным и наиболее перспективным является Мутновское геотермальное месторождение, расположенное в 90 километрах южнее города Петропавловск-Камчатский. Еще в 1986 году, проведенная Институтом вулканологии РАН оценка показала, что прогнозируемые ресурсы месторождения составляют по тепловому выносу — 312 МВт, а по объемному методу — 450 МВт. Опытно-промышленная Верхне-Мутновская ГеоТЭС мощностью 12 (3x4) МВт функционирует с 1999 года. Установленная мощность на 2004 год — 12 МВт.
 Вид на Мутновской ГеоТЭС
Вид на Мутновской ГеоТЭС
I очередь Мутновской ГеоТЭС мощностью 50 (2x25) МВт включена в сеть 10 апреля 2003 года; установленная мощность на 2007 год — 50 МВт, планируемая мощность станции — 80 МВт. Действующие геотермальные электростанции обеспечивают до 30% энергопотребления центрального Камчатского энергоузла. Приятно отметить, что тепломеханическое оборудование ГеоТЭС на Мутновском месторождении разработано, создано и поставлено отечественными заводами: турбины принадлежат ОАО "КТЗ", сепараторы — ОАО "ПМЗ", энергетическая арматура — ОАО "ЧЗЭМ" и т.д. Запасами тепла земли богаты Курильские острова. В частности, на острове Итуруп, на Океанском геотермальном месторождении, уже пробурены скважины и строится ГеоТЭС. На южном острове Кунашир имеются запасы геотермального тепла, и их уже используют для получения электроэнергии и теплоснабжения города Южно Курильск. На острове Парамушир, имеющего запасы геотермальной воды температурой от 70 до 95°С, строится ГеоТС мощностью 20 МВт. Существенные запасы геотермального тепла (на границе с Камчатской областью) имеются на Чукотке. Частично они открыты и используется для обогрева находящихся поблизости населенных пунктов. В России использование геотермальной энергии, кроме Камчатки, Курил, Приморья, Прибайкалья и Западно-Сибирского региона, возможно на Северном Кавказе. Здесь изучены геотермальные месторождения с температурой от 70 до 180°С, находящиеся на глубине от 300 до 5000 метров. В Дагестане только в 2000 году добыли свыше 6 млн м3 геотермальной воды. Всего на Северном Кавказе примерно полмиллиона людей обеспечены геотермальным водоснабжением.
 Крупнейшая ГеоТЭС в Исландии (Nesjavellir) мощностью 120 МВт
Крупнейшая ГеоТЭС в Исландии (Nesjavellir) мощностью 120 МВт
На сегодняшний день мировыми лидерами в геотермальной электроэнергетике являются США, Филиппины, Мексика, Индонезия, Италия, Япония, Новая Зеландия и Исландия. Особенно ярким примером использования геотермальной энергии служит последнее государство. Остров Исландия появился на поверхности океана в результате вулканических извержений 17 миллионов лет назад, и теперь его жители пользуются своим привилегированным положением — примерно 90% исландских домов обогревается подземной энергией. Что касается выработки электроэнергии, здесь работают пять ГеоТЭС общей мощностью 420 МВт, использующих горячий пар с глубины от 600 до 1000 метров. Таким образом, с помощью геотермальных источников производится 26,5% всей электроэнергии Исландии.

Топ-15 стран, использующих геотермальную энергию (данные на 2007 г.)

СтранаМощность (МВт)
США2687
Филиппины1969,7
Индонезия992
Мексика953
Италия810,5
Япония535,2
Новая Зеландия471,6
Исландия421,2
Сальвадор204,2
Коста Рика162,5
Кения128,8
Никарагуа87,4
Россия79
Папуа-Новая Гвинея56
Гватемала53

Энергия низкопотенциальная, но перспективная

Геотермальные источники можно поделить на низко-, средне- и высокотемпературные. Первые (с температурой до 150 °С) используются, по большей части, для теплоснабжения горячей водой — ее подводят по трубам к зданиям (жилым и производственным), плавательным бассейнам, теплицам и т.д. Вторые (с температурой свыше 150 °С), содержащие сухой либо влажный пар, годятся для приведения в движение турбин геотермальных электростанций (ГеоТЭС). Существенным минусом "горячих" геотермальных источников является их "избирательная" расположенность в местах тектонической нестабильности, о чем говорилось выше. Если брать Россию, то запасами высокопотенциальной геотермальной энергией можно пользоваться только на Камчатке, Курилах да в районе Кавказских минеральных вод. Но земная "котельная" располагает не только высокопотенциальной, но и низкопотенциальной энергией, источником которой выступает грунт поверхностных слоев земли (глубиной до 400 м) или подземные воды с относительно низкой температурой. Использовать низкопотенциальное тепло можно с помощью тепловых насосов. Тепловой режим грунта земляных поверхностных слоев создается под воздействием радиогенного тепла, идущего из недр земли, а также попадающей на поверхность солнечной радиации. Интенсивность падающей солнечной радиации может колебаться в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Низкопотенциальное тепло эффективно использовать для обогрева зданий, водоснабжения горячей водой, подогрева различных сооружений (например, полей открытых стадионов). В последнее десятилетие значительно выросло число систем, использующих подземные недра для снабжения зданий теплом и холодом. Больше всего таковых систем находится в США. Имеются они также в Австрии, Германии, Швеции, Швейцарии, Канаде. В нашей стране подобных систем насчитывается единицы. В европейских странах тепловые насосы, в основном, отапливают помещения. В США, где системы воздушного отопления совмещены с вентиляцией, воздух не только нагревается, но и охлаждается. Если говорить о России, пример использования низкопотенциального источника тепловой энергии находится в Москве, в микрорайоне Никулино-2. Здесь была построена теплонасосная система для горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. Данный проект реализовали в 1998-2002 годах Министерством обороны РФ совместно с правительством Москвы, Минпромнауки России, НП "АВОК" и ОАО "Инсолар-Инвест" в рамках "Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве". Выделяют два вида систем использования низкопотенциальной тепловой энергии земли: открытые системы и замкнутые системы. Первые используют грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам, вторые – грунтовый массив. Для открытых систем характерны парные скважины, с помощью которых грунтовые воды не только извлекаются, но затем и возвращаются обратно в водоносные слои. Открытые системы позволяют получить большое количество тепловой энергии с относительно низкими затратами. Однако грунт должен быть водопроницаем, а сами грунтовые воды - обладать пригодным для эксплуатации химическим составом, чтобы избежать коррозии и отложений на стенках труб. Самая большая в мире геотермальная теплонасосная система, использующая энергию грунтовых вод, размещается в американском городе Луисвилл. С ее помощью снабжается теплом и холодом гостинично-офисный комплекс. Мощность системы — примерно 10 МВт. Замкнутые системы делятся на вертикальные и горизонтальные.
 Вертикальный грунтовый теплообменник
Вертикальный грунтовый теплообменник
Вертикальные грунтовые теплообменники используют низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива ниже так называемой "нейтральной зоны" (10-20 метров от уровня земли). Такие системы не требуют участков большой площади, а также не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Им подходят почти все виды геологических сред, кроме грунтов с низкой теплопроводностью, например, сухого песка или гравия. В вертикальных грунтовых теплообменниках теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полипропиленовым или полиэтиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 метров. Обычно используется два типа вертикальных грунтовых теплообменников: U-образный и коаксиальный. Первый представляет собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части. В одной скважине располагаются одна или две пары таких труб. Преимущество U-образного типа — сравнительно низкая стоимость изготовления. Второй тип теплообменника (называемый также концентрическим) представляет собой две трубы разного диаметра, одна из которых размещается внутри другой. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками пригодны для снабжения зданий как теплом, так и холодом. Небольшому строению хватит одного теплообменника, а вот для больших зданий может понадобиться несколько скважин с вертикальными теплообменниками. Как пример последнему служит система тепло- и холодоснабжения американского колледжа "Richard Stockton College", в которой используется рекордное количество скважин – 400 (глубиной 130 метров). В Европе самое большее число скважин (154 скважины глубиной 70 метров) пробурено для системы тепло- и холодоснабжения центрального офиса Германской службы управления воздушным движением.
 Горизонтальный грунтовый теплообменник
Горизонтальный грунтовый теплообменник
Горизонтальные грунтовые теплообменники создаются обычно неподалеку от здания, на небольшой глубине, но обязательно ниже уровня промерзания грунта в зимний период. В Европе подобные теплообменники представляют собой плотно соединенные (последовательно или параллельно) трубы. Чтобы сэкономить площадь, созданы специальные типы теплообменников, например, в виде спирали. В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии перспективно использовать воды из туннелей и шахт, поскольку температура воды в них имеет постоянную температуру круглый год и легко доступна. Использование подземного тепла, как высокопотенциального, так и низкопотенциального, считается крайне перспективным. Особенно это касается обеспечения зданий теплым и охлажденным воздухом с помощью низкопотенциального тепла. По прогнозам Мирового Энергетического комитета (МИРЭК), к 2020 году развитые страны мира станут достаточно активно осуществлять теплоснабжение теплонасосными системами. И здесь подойдут не только "разгоряченные" земные недра, но также воздух и вода морей и океанов. Например, в Швеции, где близ Стокгольма размещена станция на шести баржах мощностью 320 МВт, используют воду Балтийского моря с температурой +4 °С. В Российской Федерации огромные запасы природного газа, нефти, угля и леса позволяют (до поры до времени) не слишком задумываться об альтернативных источниках энергии. Однако работы по освоению геотермальных источников ведутся на ее территории не первый десяток лет, что свидетельствует о понимании важности вопроса. Ведь речь идет о неисчерпаемых источниках тепла и электричества, которые, рано или поздно, станут важными, и, возможно, основными поставщиками энергии для всего человечества, а не только для отдельно взятых стран.
- Обсудить материал в конференции


 
 
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Вечерний 3DNews
Каждый будний вечер мы рассылаем сводку новостей без белиберды и рекламы. Две минуты на чтение — и вы в курсе главных событий.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥