Современное состояние и особенности производства электроэнергии на геотермальных электростанциях

Московский  Энергетический Институт

(Технический  Университет).

Каф. Электрических станций. 

Реферат по курсу

«Производство электроэнергии»

на тему:

Современное состояние и особенности производства электроэнергии на геотермальных электростанциях.

Студент:

Группа:

Преподаватель:

Москва, 2011

Содержание:

Понятие геотермальной  энергии…………………………………………3

Геотермальные ресурсы…………………………………………………..4

История развития отрасли. …………………………..…………………..6

Возможности использования  энергии Земли. …………………………..7

Принцип работы геотермальных электростанций. …………………….8

Современное состояние развития геотермальной  энергетики. ………10

Крупнейшие ГеоЭС  мира. …………………………..…………………..14

Основные достоинства и недостатки геотермальной энергии. ………16

Современные решения  для развития отрасли. …………………………19

Перспективы развития геотермальной энергетики. ……………………21

Влияние на окружающую среду. …………………………..……………22

Экономическая эффективность ГеоЭС. ………………………………..23

Заключение. …………………………..………………………………….24

Список использованной литературы……………………………………25 
 

Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы. 

Понятие геотермальной энергии.

Геотермальной энергией называется тепло Земли, которым  она обладает вследствие вулканической  деятельности, радиоактивного распада, тектонических сдвигов и наличия  участков магмы в земной коре. Геотермальная энергия считается возобновляемым источником энергии, так как запасы его, фактически, безграничны. Количество тепла, непрерывно протекающего через Земную кору эквивалентно мощности порядка 42 ТВт и, как ожидается, будет оставаться такой в течении миллиардов лет, обеспечивая неиссякаемый источник энергии [1].

Из всего тепла, содержащегося  в Земле, 2% находится в земной коре, а остальные 98% - в мантии и  ядре.

По различным  подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6650°C, а скорость остывания равна примерно 300-350 °C в миллиард лет. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое находится слишком глубоко, но и 840 000 000 000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. 

Геотермальные ресурсы.

Тепло из земного  ядра непрерывно вытекает наружу. Иногда оно выходит на поверхность в  виде лавы, но чаще всего остается ниже земной коры нагревает земные породы и воду до температуры, достигающей 700 °C. Нагретая вода может скапливаться в пористых породах, находящихся под слоем скал. Иногда эта вода вырывается на поверхность в виде гейзеров, но чаще остается под землёй. Такой сбор вода называется геотермальным резервуаром.

Источники геотермальной энергии по классификации Международного энергетического агентства делятся на 5 типов. 

1. Месторождения геотермального сухого пара. Они сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки. Тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников. 
2. Источники влажного пара (смеси горячей воды и пара). Они встречаются чаще. При их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности). 
3. Месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду). Они представляют собой так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой. 
4. Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более). Их запасы энергии наиболее велики. 
5. Магма, представляющая собой нагретые до 1300 °С расплавленные горные породы. 

Геотермальные ресурсы - это тепловая энергия твердой, жидкой и газообразной фаз земной коры, которая может быть эффективно извлечена и использована. Опыт, накопленный различными странами и Россией, относится в основном к использованию природного пара и термальных вод (парогидротерм), которые остаются пока наиболее реальной базой геотермальной энергетики. Однако ее крупномасштабное развитие в будущем возможно лишь при освоении петрогеотермальных ресурсов, т. е. тепловой энергии горячих горных пород, температура которых на глубине 3 -5 км обычно превышает 100 °С. 

Общий выход тепла из недр Земли на ее поверхность втрое повышает современную  мощность энергоустановок мира. При  этом средняя плотность глубинного теплового потока составляет всего 0,06 Вт/м2, что примерно в 3500 раз меньше средней плотности солнечного излучения. Тепло Земли очень "рассеянно", и в большинстве районов мира человеком может использоваться с выгодой только очень небольшая часть энергии, накопленная в 5-километровом слое земной коры. К тому же, с технической и экономической точек зрения земное тепло можно осваивать только в нескольких регионах с благоприятными геологическими условиями. 

История развития отрасли.

    Первая экспериментальная установка было построена в 1904 году итальянцем Джинори Конти. Через девять лет была запущена первая промышленная электростанция мощностью 250 кВт и геотермальная энергетика в Италии начала развиваться быстрыми темпами. С 1916 г. в стране началось организованное производство установок.

    В России ещё в 1910 году была учреждена Геотермическая комиссия при Русском географическом обществе. Но несмотря на эти всплески научной активности, настоящий старт российской геотермальной энергетики приходится уже на советское время. В 1948 году Александр Гавронский, работавший Петропавловском институте вулканологии, обосновал реальность работы геотермальной станции мощность в пять мегаватт.

    В 1958 году в Новой Зеландии учёные смогли создать установку с мощностью в десять мегаватт.В следующем году появились первая мексиканская (под названием Пат) и американская станции (в городе Гейзерс).

  В СССР изучением возможностей геотермальной энергетики занимались шестьдесят три научных института и вуза. До 1991 года было пробурено и исследовано около четырёх тысяч скважин. Наиболее перспективными районами для проведения были признаны Камчатка, Чукотка, Курильские острова, Калининградская область.

  В 1965 году было сделано очень важное открытие. Самсону Кутателадзе и Лев  Розенфельд создали новую технологию получения геотермальной электроэнергии – бинарный цикл.Через год, в 1966 году начала работу первая советская геотермальная электростанция на Камчатке, в долине реки Паужетка. Её мощность — 11 МВт. 

Возможности использования энергии Земли.

Геотермальное тепло можно утилизировать либо "непосредственно", либо преобразовывать  его в электричество, если температура теплоносителя достигает более 150 °С. Напрямую геотермальное тепло в зависимости от температуры может использоваться для отопления зданий, теплиц, бассейнов, сушки сельскохозяйственных и рыбопродуктов, выпаривания растворов, выращивания рыбы, грибов и т.д. 

В последние годы во многих странах  стали применять геотермальные тепловые насосы (GHP’s), в которых используется низкопотенциальная тепловая энергия с температурой 4 - 6 градусов °С и выше. Они используют воду отнсительно постоянной температуры с глубины 10-300 футов. В GHP циркулирует вода или другая жидкость по замкнутой системе труб, расположенной под землей. Она может проходить под благоустроенными территориями, парковками или в любом месте, не занятом зданиями. Общества охраны окружающей среды считают этот способ самой эффективной из доступных системой отопления и охлаждения.

Для теплоснабжения система тянет тепло  из Земли и распределяет по традиционной системе труб. Для охлаждения процесс  обратный – система забирает тепло из здания и возвращает обратно в Землю. С помощью тепловых насосов потребление электроэнергии снижается на 30-60% по сравнению с традиционной системой отопления, так как энергия потребляется только на добычу и доставку тепла, а не на его выработку. В качестве источника такой энергии может быть использовано тепло как естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и тепло техногенного происхождения (промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое бросовое тепло). 

Принцип работы геотермальных  электростанций.

В настоящее время существует 4 типа геотермальных электростанций: прямая с использованием сухого пара (dry steam power plants), непрямая с использованием водяного пара (flash power plants), использующая бинарный цикл (binary power plants) и смешанная, соединяющая в себе бинарную и непрямую электростанции. Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. 

Геотермальные электростанции, работающие на сухом  пару

Паровые электростанции работают преимущественно на гидротермальном пару. Пар поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива). Это старейшие геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная геотермальная электростанция в мире.

Геотермальные электростанции на парогидротермах

Для производства электричества на таких заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 182 °С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.

Геотермальные электростанции с  бинарным циклом производства электроэнергии.

Последние достижения в области геотермальной технологии сделали возможным экономическое производство электроэнергии из геотермальных ресурсов ниже, чем 150 ° C. Такие станции помогают снизить до нуля и без того низкий уровень выбросов от геотермальной электростанции. Принцип работы бинарных электростанций основан на цикле Ренкина. Горячая геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник. Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Воды умеренной температуры являются наиболее распространенным геотермальным ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать на этом принципе.

Электростанции  смешанного типа.

В данном типе, вода сначала проходит цикл электростанции на влажном пару, а затем, охлажденная, переходит в бинарный цикл.

Таким образом, используются преимущества обоих  типов электростанций.

Современное состояние развития геотермальной энергетики.

Сегодня уже в 80 стран мира в той или  иной степени используется геотермальное тепло. В большей части из них, а именно в 70 странах, утилизация этого вида природного тепла достигла уровня строительства теплиц, бассейнов, использования в лечебных целях и т.д. А ГеоТЭС имеются в десяти странах. По данными отчёта Ассоциации Геотермальной Энергетики (GEA) за 2007 год, в мире к тому моменту насчитывалось 24 страны – производителей геотермальной энергии. К 2010 году ожидалось увеличение их числа до 46. Установленная мощность геотермальных электростанций возросла с 678 МВт, в 1970 г. до 8000 МВт в 2000 г. В конце 2008 года суммарная мощность геотермальных электростанций во всём мире выросла до 10,5 тысяч МВт. В этом направлении лидируют такие страны как: США, Филиппины, Италия, Мексика, Индонезия (см. табл.1). Исландия практически полностью обеспечивает себя электрической и тепловой энергией за счет своей геотермальной и гидроэнергии.

Среднегодовой рост мощности ГеоТЭС за последние 30 лет  составил 8,6%. Установленная мощность геотермальных тепловых установок  за последние 20 лет возросла с 1950 до 17175 МВт. 

Табл.1 Установленная мощность геотермальных установок по странам.

 В России геотермальная энергия занимает первое место по потенциальным возможностям ее использования. Экономический потенциал геотермальной энергии составляет 115 млн. т.у.т. в год. Выявленные запасы геотермальных вод с температурой 40-200 °С и глубиной залегания до 3500 м на территории России могут обеспечить получение примерно 14 млн. м3 горячей воды в сутки, что по количеству энергии эквивалентно 30 млн. тонн условного топлива. Например, по имеющимся данным, в Западной Сибири имеется подземное море площадью 3 млн м2 с температурой воды 70-9О°С.  В то же время выведенные на земную поверхность запасы геотермальных вод используются всего на 5%. В настоящее время в стране эксплуатируются месторождения геотермальных вод на Сахалине, Камчатке и Курильских островах, в Краснодарском и Ставропольском краях, Дагестане, Ингушетии. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечено-Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, Казахстане, на Камчатке и в ряде других районов России. В Дагестане уже длительное время термальные воды используются для теплоснабжения. За 15 лет откачано более 97 млн.м3 термальной воды для теплоснабжения, что позволило сэкономить 638 тыс.т, условного топлива. В Махачкале термальной водой отапливаются жилые здания общей площадью 24 тыс.м2, в Кизляре - 185 тыс.м2. Перспективны запасы термальных вод в Грузии, которые допускают расход в сутки 300-350 тыс.м2 с температурой до 80чС. .Столица Грузии находится над месторождением термальных вод с метановоазотным и сероводородным составом и температурой до 100°С.

По оценкам специалистов, запасы парогидротерм Камчатки и Курильских островов (эти зоны молодого вулканизма отличаются максимальной близостью геотермальных вод к поверхности земли) могут обеспечить мощность геотермальных электростанций не менее 1000 МВт. На Камчатке, на Паратунском месторождении в 1967 году была создана опытно-промышленная геотермальная электростанция мощностью около 500 кВт - это был первый опыт получения электроэнергии с помощью геотермального тепла в России. Тогда же началась первая в России промышленная выработка электроэнергии на Паужетской геотермальной электростанции. Ее установленная мощность составляет 11 МВт. 

Поскольку в последнее десятилетие в  мире значительно возрос интерес к возобновляемым источникам энергии, в том числе и к геотермальным электростанциям, в России также активизировались работы в этой области. Особое внимание уделяется развитию геотермальной энергетики на Камчатке. Уже разработана и начала реализовываться программа создания геотермального энергоснабжения этого региона, в результате которой ежегодно будет сэкономлено около 900 тыс. тонн условного топлива. Осенью 2002 года на полуострове введен в строй 2-й энергоблок Мутновской ГеоТЭС, теперь ее мощность составляет 50 МВт. 

Таким образом, на настоящий момент в России работает 5 ГеоЭС:

Мутновское  месторождение:

Верхне-Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 12 МВт·э (2007) и выработкой 52,9 млн кВт·ч/год (2007) (81,4 в 2004),

Мутновская  ГеоЭС установленной мощностью 50 МВт·э (2007) и выработкой 360,7 млн кВт·ч/год (2007) (на 2006 год ведётся строительство, увеличивающее мощность до 80 МВт·э и выработку до 577 млн. кВт·ч)

Паужетское  месторождение возле  вулканов Кошелева и  Камбального: 

Паужетская ГеоТЭС мощностью 14,5 МВт·э (2004) и выработкой 59,5 млн кВт·ч (на 2006 год проводится реконструкция с увеличением мощности до 18 МВт·э).

Месторождение на острове Итуруп (Курилы): 

Океанская ГеоТЭС установленной мощностью 2,5 МВт·э (2009). Существует проект мощностью 34,5 МВт и годовой выработкой 107 млн кВт·ч.

Кунаширское месторождение (Курилы):

Менделеевская ГеоТЭС мощностью 3,6 МВт·э (2009).

В программах энергосбережения развитых стран существенное место занимают тепловые насосы, что связано с их высокой эффективностью, экологической чистотой и надежностью. В настоящее время в мире работают В программах энергосбережения развитых стран существенное место занимают тепловые насосы, что связано с их высокой эффективностью, экологической чистотой и надежностью. В настоящее время в мире работают около 15 миллионов тепловых насосов мощностью от нескольких кВт до десятков МВт. По прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2020 году 75% теплоснабжения в развитых странах будет обеспечиваться тепловыми насосами. Наиболее широко они применяются в США, Японии, Канаде, странах Скандинавии. В США строительной нормой является использование отводимого от сооружений тепла, в результате более 30% жилых зданий оборудованы тепловыми насосами. В Стокгольме на тепле воды Балтийского моря работает крупнейшая теплонасосная станция мощностью 320 МВт. В России, к сожалению, тепловые насосы пока широкого распространения не получили, и работает их не более 100 единиц суммарной мощностью около 60 МВт.

Крупнейшие  ГеоЭС мира.

The Geysers («Гейзеры»), США

США считается самым крупным производителем геотермальной энергии в мире. Здесь, в штате Калифорния, расположен самый крупный комплекс геотермальных электростанций. Он состоит из 22 отдельных ГеоЭС. Совокупная мощность этого комплекса 725 МВт, таким образом, «Гейзеры» могут обеспечить электроэнергией город размерами с Сан-Франциско. Предполагается, что предельная мощность «Гейзеров» может достигать 1360 МВт.

Makiling Banahaw («Макилинг-Банахау»), Филиппины

Филиппины входят в число крупнейших стран-производителей геотермальной энергии. Так, в 2007 году они занимали второе место в мире, уступая лишь США. В 1984 году на Филиппинских островах начала свою работу геотермальная электростанция «Макилинг-Банахау», мощность которой в тот момент составляла 330 МВт. Считается, что в настоящее время мощность данной электростанции превышает 458 МВт.

Tiwi («Тиви»), Филиппины

В 1982 году на Филиппинских островах была открыта еще одна крупная геотермальная электростанция, получившая название «Тиви». Ее мощность составила превышает 280 МВт и, по некоторым данным, достигает 330 МВт.

Imperial Valley Geothermal Area, США

В штате  Калифорния находится долина Империал (Imperial Valley). Здесь расположен комплекс, состоящий из 10 геотермальных электростанций. Его совокупная мощность равна приблизительно 327 МВт.

Navy 1 Geothermal Area, США

Эта еще одна калифорнийская геотермальная  электростанция. Она расположена  на озере Чайна Лэйк, рядом с военной базой. Ее мощность превышает 270 МВт. 
 
 
 
 
 

     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, 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.

     Главные достоинства геотермальной энергии - возможность ее использования в виде геотермальной воды или смеси воды и пара для нужд горячего водо- и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей, ее практическая неиссякаемость, независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Использование геотермальной энергии может внести существенный вклад в решение следующих неотложных проблем:

• Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения в тех районах, где нет централизованного энергоснабжения или оно 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.

     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.

     Подводя итог вышесказанному можно выделить основные достоинства геотермальных источников, такие как:

• возобновляемость энергии; 
• отсутствие эмиссии парниковых газов в атмосферу и, как следствие, экологическая безопасность технологии; 
• возможность использования геотермальных источников энергии в качестве источника покрытия базовой части электрической и тепловой нагрузки потребителей; 
• низкие эксплуатационные затраты; 
• высокое значение коэффициента использования установленной мощности;

     А также их основные недостатки:

• высокие удельные капитальные затраты; 
• высокие риски, связанные с бурением глубоких скважин; 
• высокая стоимость бурения разведочных и эксплуатационных скважин; 
• относительно низкий суммарный термодинамический КПД; 
• отсутствие законодательной поддержки проектов в этой сфере в ряде стран, обладающих значительным потенциалом для ее развития; 
• высокий износ энергетического оборудования установок, использующих геотермальные источники энергии в связи с высокой коррозионной активностью перекачиваемых жидкостей.

     Современные решения для развития отрасли.

     В настоящее время, в связи с  быстрым развитием геотермальной  энергетики, появляется множество предложений  по будущему развитию производства. Приведем некоторые наиболее обсуждаемые варианты.