Геотермальные электростанции. 2

Сожержание

1. Геотермальные электростанции
2. Использование геотермальных источников в мире
3. Энергия низкопотенциальная, но перспективная
4. Энергия низкопотенциальная, но перспективная

          Заключение

1. 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 1^оС 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

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

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.

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.

Схема ГеоТЭС смешанного типа

2. 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

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

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 (на 2007 г.)

3. Энергия  низкопотенциальная, но перспективная

геотермальный электростанция источник паровой

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

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

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.

4. Основные достоинства и недостатки геотермальной энергии

Современная востребованность геотермальной энергии как одного из видов возобновляемой энергии обусловлена: истощением запасов органического топлива и зависимостью большинства развитых стран от его импорта (в основном импорта нефти и газа), а также с существенным отрицательным влиянием топливной и ядерной энергетики на среду обитания человека и на дикую природу. Все же, применяя геотермальную энергию, следует в полной мере учитывать ее достоинства и недостатки.

Главным достоинством геотермальной  энергии является возможность ее использования в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от их температуры) для нужд горячего водо- и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей, ее практическая неиссякаемость, полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Тем самым использование геотермальной энергии (наряду с использованием других экологически чистых возобновляемых источников энергии) может внести существенный вклад в решение следующих неотложных проблем:

• Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснабжение отсутствует или обходится слишком дорого (например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т.п.).
• Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения из-за дефицита электроэнергии в энергосистемах, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений и т.п.
• Снижение вредных выбросов от энергоустановок в отдельных регионах со сложной экологической обстановкой.

При этом в вулканических  регионах планеты высокотемпературное  тепло, нагревающее геотермальную  воду до значений температур, превышающих 140–150°С, экономически наиболее выгодно  использовать для выработки электроэнергии. Подземные геотермальные воды со значениями температур, не превышающими 100°С, как правило, экономически выгодно использовать для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения и для других целей в соответствии с рекомендациями, приведенными в табл. 1.

Таблица 1

Обратим внимание на то, что эти рекомендации по мере развития и совершенствования геотермальных  технологий пересматриваются в сторону  использования для производства электроэнергии геотермальных вод с все более низкими температурами. Так, разработанные в настоящее время комбинированные схемы использования геотермальных источников позволяют использовать для производства электроэнергии теплоносители с начальными температурами 70–80°С, что значительно ниже рекомендуемых в табл. 1 температур (150°С и выше). В частности, в Санкт-Петербургском политехническом институте созданы гидропаровые турбины, использование которых на ГеоТЭС позволяет увеличивать полезную мощность двухконтурных систем (второй контур – водный пар) в диапазоне температур 20–200°С в среднем на 22%.

Значительно повышается эффективность применения термальных вод при их комплексном использовании. При этом в разных технологических  процессах можно достичь наиболее полной реализации теплового потенциала воды, в том числе и остаточного, а также получить содержащиеся в термальной воде ценные компоненты (йод, бром, литий, цезий, кухонная соль, глауберова соль, борная кислота и многие другие) для их промышленного использования.

Основной недостаток геотермальной энергии – необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. Другой недостаток этой энергии заключается в высокой минерализации термальных вод большинства месторождений и наличии в воде токсичных соединений и металлов, что в большинстве случаев исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные системы. Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.

Однако в связи с  внедрением новых, менее затратных, технологий бурения скважин, применением эффективных способов очистки воды от токсичных соединений и металлов капитальные затраты на отбор тепла от геотермальных вод непрерывно снижаются. К тому же следует иметь ввиду, что геотермальная энергетика в последнее время существенно продвинулась в своем развитии. Так, последние разработки показали возможность выработки электроэнергии при температуре пароводяной смеси ниже 80ºС, что позволяет гораздо шире применять ГеоТЭС для выработки электроэнергии. В связи с этим ожидается, что в странах со значительным геотермальным потенциалом и первую очередь в США мощность ГеоТЭС в самое ближайшее время удвоится.

Список литературы

1. Попов, М.С. Геотермальная  энергетика в России [Текст] / М.С.  Попов - М.: "Энергоатомиздат", 1988. - 294 с.

2. Максимов, И.Г. Альтернативные  источники энергии [Текст] / И.Г.  Максимов - М.: "Эко-Тренд", 2005. - 387 с.

3. Феофанов, Ю.А. Геотермальные электростанции [Текст] / Ю.А. Феофанов - М.: "Эко-Тренд", 2005. - 217 с.

4. Алхасов,  А.Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии [Текст] / А.Б. Алхасов - М.: "Физматлит", 2008. - 376 с.

Размещен