Разработка новых технологий полученя энергии за счет применения геотермальных источников энергии.

Сноски подстрочные, рисунок 1 ...

ВВЕДЕНИЕ………………………….... …………………………………...….....… 3
1. Геотермальная энергия: понятие, способы и сферы использования ……….... 4
2. Технологии получения геотермальной энергии ……………………………... 10
3. Развитие технологий с использованием энергии геотермальных источников…………………………………………………………………………. 15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………....………………………………….....… 19
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………… ……………………................. 20

Эффективное использование энергии является важным показателем научно-техническом и экономическом уров¬ня развития страны. Сопоставление показателей энерго¬эффективности экономики России с другими странами показывает, что удельная энергоемкость нашем внутрен¬нем валовом продукта (ВВП) в несколько раз выше, чем в высокоразвитых странах. Проблема эффективного исполь¬зования энергоресурсов во многом может быть решена за счет использования альтернативных источников энергии.
Современные системы теплоснабжения, отопления, горячего водоснабжения работают на традиционных ископаемых видах топлива — природный газ, нефть, уголь, — на долю которых приходится более 80 % производства энергии.
Основой современной энергетической политики стали меры, направленные на повышение эффективности использования эне ргии, энергосбережение, а также на сокращение или ослабление воздействия энергетических объектов на окружающую среду. Такая стратегия характерна для альтернативных источников энергии. В связи с этим в работе рассмотрена геотермальная энергетика.
Практически на всей территории России имеются уникальные запасы геотермальной тепловой энергии с температурой теплоносителя (вода, двухфазный поток и пар) от 30 до 200 °С.
Геотермальная энергетика не зависит от наземного режима окружающей среды (солнце, ветер, океанические факторы и др.) и способна радикально на наиболее экономичной основе решить проблемы энергоснабжения и теплоснабжения, в первую очередь, отдаленных районов страны, которые пользуются дорогостоящим привозным топливом (мазут, уголь, дизельное топливо) и практически находятся на грани энергетического кризиса.

Пищевая и перерабатывающая промышленности могут извлечь большую пользу из геотермальных возобновляемых источников энергии. Один из способов использования данной энергии - стерилизации объектов пищевой промышленности паром. Земля содержит большое количество тепла и пара, и этот пар можно использовать для стерилизации оборудования и помещений без применения химических веществ. Это позволит предотвратить мутацию микроорганизмов, когда они становятся невосприимчивыми к химическим веществам и развитие более вредных штаммов. Геотермальная энергия может также помочь высушить растения, из которых производят порошки и концентраты, которые используются в пищевой промышленности. Порой эти вещества могут быть использованы для сохранения продуктов без добавок. Продукты могут быть приготовлены, на пару,а также другими способами с помощью использования геотермальной энергии.
4. Обеспечение теплом жилых и коммерческих помещений
Геотермальные возобновляемые источники энергии могут быть использованы для обогрева всех типов зданий, от домов до ферм, сараев и других типов зданий. Использование этой энергии не только обеспечивают тепло, это также полная система контроля температуры. С геотермальной системой отопления и охлаждения расходы на электроэнергию намного ниже, так как печь или кондиционер не нужны. Эти устройства могут использовать значительное количество электроэнергии, увеличивая счета за коммунальные услуги и тратить энергию. Геотермальные блоки управления температурой могут добавить тепла или уменьшить его, сохраняя комфортный микроклимат в течение всего года.
5. Производство электроэнергии
Геотермальные электростанции могут обеспечить большое количество электроэнергии, со многими преимуществами, так как нет необходимости использовать ископаемое топливо для производства электроэнергии. Геотермальной энергии очень «чистая», потому что использует тепло и пар находящиеся в земле для производства электроэнергии. Нет никаких вредных выбросов газа или высокого уровня углерода, и эти электростанций не влияет на загрязнение воздуха. Этот источник энергии возобновляем и не зависит от количества ископаемых видов топлива или поставок из зарубежных стран. Геотермальная энергия может добавить стабильности в стоимость и наличие электрической и тепловой энергии для всего мира. Ископаемые виды топлива будут исчерпаны в ближайшем будущем, и использования альтернативных возобновляемых источников энергии необходимо в целях предотвращения энергетического кризиса.
Сложности с точным геологическим прогнозом для размещения электростанций в настоящее время вполне разрешимы. Ученые для прогнозов используют данные, получаемые при анализе распространения сейсмических колебаний при многочисленных землетрясениях.
Получение энергии из геотермальных источников очень перспективно. Энергетические установки имеют постоянную нагрузку, не зависящую от силы ветра или погодных условий. Это экологически чистое производство энергии.
Россия весьма богата геотермальными источниками и запасами геотермальной энергии. По оценкам специалистов, запасы энергии доступных для освоения геотермальных источников в 10-15 раз превышают запасы органического топлива. Огромные запасы горячих вод сосредоточены в Западной Сибири. В этом районе находится подземное море горячей воды площадью 3 млн. кв. м. с температурой воды 70-90 градусов. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России.
Оцененный потенциал геотермальных ТЭЦ на Камчатке составляет 1000 МВт. Практически все российские геотермальные электростанции сосредоточены на Камчатке и на Курилах. Общая мощность четырех электростанций 80МВт. Имеются данные о реализации геотермальных установок для получения тепловой энергии для отопления зданий в ряде регионов России. Геотермальные источники на Северном Кавказе имеют глубину залегания от 300 до 5000 м. Температура воды из этих источников от 70 до 120 градусов. Тепло от источников используется для теплоснабжения и горячего водоснабжения в быту, сельском хозяйстве, промышленности.
Как видно из приведенных данных, потенциал использования геотермальных источников малой глубины залегания в России явно не использован.
2. Технологии получения геотермальной энергии
В поисках альтернативных источников энергии люди пришли к возможности использования геотермальных запасов земли. Ученые давно выяснили, что с продвижением в глубь планеты температура увеличивается. Так появилась идея использовать тепло земли в качестве источника энергии.
В плоскости практического применения для выработки электрической энергии посредством использования энергии Земли существует 3 типа геотермальных электростанций, основанных на классификации геотермальных источников: это геотермальная паровая электростанция; гидротермальная электростанция; геотермальная электростанция с бинарным циклом3.
Геотермальная паровая электростанция относится к простейшим геотермальным электростанциям прямого типа, использующим для производства электроэнергии пар, который поступает из скважины непосредственно в турбину генератора. В состав данной электростанции входят: добывающая скважина, скважина нагнетания, турбины, генератор и сама электросеть.
Гидротермальные электростанции относятся к геотермальным электростанциям с непрямым типом производства электроэнергии, на сегодняшний день они наиболее распространены. Для их работы используются горячие подземные воды, которые закачиваются при высоком давлении в генераторы, установленные на поверхности. Как правило, такие электростанции состоят из добывающей скважины, скважины нагнетания, испарителя, турбины, генератора и самой электросети.
Геотермальная электростанция с бинарным циклом относится к смешанному типу. В данных электростанциях, 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. В состав геотермальной электростанции с бинарным циклом входят: добывающая скважина, скважина нагнетания, турбины, генератор и сама электросеть.
Варианты построения геотермальных станций:
1. Первый и самый простой: получение горячей воды из геотермальных источников. Некоторые горячие источники имеют выход непосредственно на поверхность Земли. Так называемая долина гейзеров на Камчатке - яркий тому пример. Вода из под земли вырывается под давлением с температурой близкой к точке кипения. Построение тепловой станции на таких источниках не представляет технической проблемы и в ряде стран уже давно реализовано.
2. Второй способ связан с поиском залегания глубоких водных пластов. На значительной глубине вода имеет высокую температуру и находится под огромным давлением. Получаемая перегретая вода наиболее интересна с точки зрения получения не только тепловой, но и электрической энергии. Основная сложность при получении энергии из таких источников заключается в том, что добываемую воду необходимо закачивать обратно. Вода сильно минерализована, содержит значительное количество вредных примесей и не может сбрасываться на поверхность.
3. Третий способ - нагрев воды в раскаленных каменных породах. В этом варианте вода закачивается в разлом, пропускается внутри горячего слоя и подается на поверхность через вторую скважину. Этот искусственный "гейзер" весьма продуктивен и может быть реализован практически на любой территории.
Недостатком всех имеющихся геотермальных электростанций является то, что располагать их возможно только там, где есть горячие источники. Но ученые всерьез задумались о технологиях, которые позволят использовать тепло земных недр повсеместно.
Для какой из целей будет использоваться геотермальная энергия, зависит от формы, в которой она поступает. Иногда вода вырывается из-под земли в виде чистого «сухого пара», а иногда на небольшой глубине обнаруживают источник теплой воды. Используемые при этом энергетические установки рассчитаны на самые разные потребности. Некоторые из установок, работающих за счёт гидрогеотермии, могут быть причислены к крупному промышленному оборудованию. Они обеспечивают централизованное теплоснабжение целых районов. Кроме того, существуют системы на основе так называемых геотермических тепловых насосов. Они обеспечивают отопление – или охлаждение – отдельных строений – от частного жилого дома на одну семью до офисных или административных зданий. А теперь ещё появились системы, позволяющие использовать геотермию для производства электроэнергии.
Ученые выдвинули идею бурения скважин на глубину в 4-6 километров, для того чтобы в одну скважину закачивать холодную воду, а из другой получать разогретый пар. Температура в глубине скважин будет достигать 150-200°C. Полученный пар можно использовать для получения электроэнергии или отопления. Данный способ назвали технологией "горячих сухих горных пород"4.
Технология «горячих сухих горных пород» создавалась для того, чтобы геотермальную энергию можно было использовать вне этих особых зон – зон вулканической активности, горячих источников, гейзеров и так далее. В настоящее время эта технология испытывается в рамках экспериментального проекта, реализуемого совместно немецкими, французскими и британскими учёными в Эльзасе, в районе Сульца, среди садов и виноградников. Испытания идут вполне успешно: уже удалось получить геотермальный пар, а по экспериментальным расчетам через два-три года построенная на этом принципе электростанция даст первый ток. Причём стоить этот ток будет гораздо дешевле, чем тот, что производится, например, солнечными батареями. Проектная мощность электростанции в Эльзасе – 25 мегаватт. Свою главную задачу учёные видят в том, чтобы заложить основы серийного строительства таких объектов.
Благодаря изобретению советского инженера Александра Калины, наряду с традиционными геотермальными электростанциями появились электростанции использующие "цикл Калины". Их особенностью является то, что горячая вода из земных недр передает свою энергию другой жидкости. Такая схема называется бинарной или двухконтурной. В качестве второй жидкости используют двухкомпонентную водно-аммиачную смесь. Свойства этой смеси позволяют оптимизировать перенос тепла при ее испарении и конденсации. Поэтому "цикл Калины" оказался эффективней других бинарных схем. КПД таких электростанций гораздо выше по сравнению с традиционными геотермальными электростанциями и это несомненно большой прогресс5.
Но если в Германии развитие геотермальной энергетики ещё только набирает обороты, то некоторые другие государства – Италия, Мексика, Индонезия, Новая Зеландия, Япония, Коста-Рика, Сальвадор, а прежде всего, Филиппины и США, – успели продвинуться гораздо дальше. Самый крупный в мире геотермальный проект реализуется в Калифорнии, в Долине больших гейзеров. Однако пожалуй, самый интересный в технологическом отношении проект реализуется сегодня в Исландии. В двухтысячных годах там завершился монтаж геотермальной электростанции нового образца, способной придать использованию тепла из земных недр совершенно новые масштабы. По коэффициенту полезного действия эта электростанция значительно превосходит все прочие объекты того же назначения, возведённые в штатах Юта, Невада и Калифорния. Эта электростанция относится к числу геотермальные электростанций с «циклом Калины». Она имеет две особенности: во-первых, извлечённая из недр Земли горячая вода используется не непосредственно, а передаёт свою энергию другой жидкости. Эту схему называют двухконтурной, или бинарной. Вторая особенность заключается в том, что в качестве этой второй жидкости, то есть рабочего тела, используется двухкомпонентная водно-аммиачная смесь. Эти компоненты имеют разные критические температуры, то есть равновесное состояние между жидкой и газообразной фазами у каждого из них наступает при различных параметрах. В ходе процесса состояние водно-аммиачной смеси и, соответственно, концентрация в ней компонентов непрерывно меняется. Это позволяет оптимизировать перенос тепла при испарении и конденсации рабочего тела. В результате «цикл Калины» оказался значительно эффективнее всех прочих бинарных схем.
Итак, первая в Европе установка с «циклом Калины» появилась на северо-восточном побережье Исландии в Хусавике – городке, насчитывающем 2,5 тысячи жителей. Их потребности в электроэнергии на 80 процентов покрывает эта установка. По словам местных инженеров-эксплуатационников, выигрыш в коэффициенте её полезного действия составляет по сравнению с традиционными геотермальными электростанциями от 20-ти до 25-ти процентов.
3. Развитие технологий с использованием энергии геотермальных источников
Технологические разработки последних лет открыли новые виды к использованию тепла, содержащегося в недрах нашей планеты. Отличные результаты, показанные учеными, работающими над европейскими исследовательскими проектами, только усиливают ожидание того, что электроэнергия вскоре будет производиться из геотермальной энергии по всей Европе на экономически и экологически приемлемых условиях, и не только в регионах, характеризирующихся высокой температурой почвы. Инновационные электростанции позволяют производить электричество, используя термальные воды низких температур.
Одним из перспективных направлений в теплоснабжении является использование геотермальной энергии земли с помощью тепловых насосов. Существует два вида тепловой энергии поверхностных слоев земли – высокопотенциальная и низкопотенциальная. Высокопотенциальная тепловая энергия представляет собой гидротермальные ресурсы, подразумевающие нагретые воды в результате геологических процессов до достаточно высокой температуры. Однако использование данной энергии в теплоснабжении ограничено расположением объекта в определенном геологическом районе. Например, в России данные ресурсы преобладают в районе Кавказских минеральных вод и на Камчатке. А в Европе горячие источники присутствуют в Венгрии, Исландии и Франции. Главным отличием низкопотенциальной тепловой энергии земли от высокопотенциальной является возможность повсеместно ее использовать. Использование низкопотенциальной энергии осуществляется с помощью тепловых насосов.
Под тепловым насосом подразумевается устройство для переноса тепловой энергии от источника с низкой температурой к потребителю с более высокой температурой. Для систем теплоснабжения применяют геотермальные тепловые насосы, такая система предполагает использование тепловой энергии, накопленной в грунте или в воде, и небольшого количества электрической энергии. Геотермальная система теплоснабжения представляет собой систему, состоящую из 3 основных элементов: подземного контура (теплообменника), теплового насоса и внутреннего контура (системы отопления) (рис. 1).
Рис. 1. Схема работы геотермальной системы теплоснабжение с применением теплового насоса6: 1 – подземный контур (теплообменник); 2 – блок автоматики; 3 – тепловой насос; 4 – тепловой аккумулятор; 5 – приборы водоснабжения; 6 – приборы отопления
Наружный геотермальный контур состоит из грунтового коллектора и циркуляционного насоса. Основной задачей грунтового коллектора является отбор низкопотенциального тепла, накопленного в грунте в течение летнего периода времени. Циркуляционный насос обеспечивает движение теплоносителя через грунтовый коллектор. Так как во внешнем контуре температура может опускаться ниже 0 °С, в грунтовый коллектор заливается незамерзающая жидкость (раствор этилен-гликоля или пропилен-гликоля).
Тепловой насос – это современный источник энергии, используемый для поддержания работы систем кондиционирования, отопления, горячего водоснабжения
Большим преимуществом геотермальной энергии является ее доступность днем и ночью в любое время года. При использовании геотермального электричества может также вырабатываться водород, используемый в качестве вторичного энергоносителя для автомобильных двигателей или в топливных элементах. Теплоснабжение за счет гео­термальной энергии в Европе в основном осуществляется посредством использования горячей воды из глубоких водоносных слоев, например, для центрального отопления или большого количества геотермальных заводов от маленького до среднего размера, использующих неглубокие слои геотермальных вод. Неглубокие геотермальные слои также позволяют использовать тепло солнечной радиации для отопления: солнечная энергия, накопленная в летнее время, хранится под землей до ее использования в зимний период, а также предоставляют многие другие возможности долгосрочного хранения тепловой энергии.
Для достижения этих целей, помимо экономических стимулов, геотермальному сектору необходимы исследования и техническое развитие. Развитие технологий ожидается как в области электроснабжения, так и теплоснабжения, и оно будет направлено на увеличение используемого геотермального потенциала, на улучшение эффективности геотермальных станций и уменьшение затрат на их строительство и эксплуатацию.
В отрасли геотермальной электроэнергетики основные новые разработки направлены на:
улучшение производительности геотермальных электростанций по преобразованию энергии, адаптированной к температурам локальных резервуаров, для стандартных турбин, а также на использование новейших технологий производства электроэнергии;
успешную демонстрацию технологии увеличения размеров существующего геотермального резервуара в ключевых местах и распространение данной технологии на других территориях и в других регионах;
повышение общей производительности геотермальных теплоэлектростанций;