<<
>>

Лекция 8. Гео и гидротермальная энергетика.

  Около 4% всех запасом воды на нашей планете сосредоточено под землей - в толщах горных пород. Воды, температура которых превышает 20° С, называют термальными (от греческого слова «терме» - «тепло», «жар»).
Нагреваются подземные озера и реки в результате радиоактивных процессов и химических реакций, протекающих в недрах Земли. В районах вулканической деятельности на глубине 500-1000 м встречаются бассейны с температурой 150-250 °С, вода в них находится под большим давлением и, поэтому не кипит. В горных областях термальные воды нередко выходят на поверхность в виде горячих источников с температурой до 90 °С. Энергетика земли - геотермальная энергетика базируется на использовании природной теплоты Земли. Верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20-30 °С в расчете на 1 км глубины, и, по данным Уайта (1965 г.), количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6-10              26 Дж. Эти ресурсы эквивалентны

теплосодержанию 4,6-1016 т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6-109 Дж/т),              что более чем в 70 тыс. раз превышает

теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресурсов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры (до глубины 10 км) слишком рассеяна, чтобы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты.

С геологической точки зрения геотермальные энергоресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком.

Люди научились использовать глубинное тепло Земли в хозяйственных целях. В странах, где термальные воды подходят близко к поверхности, сооружают геотермальные электростанции (геоТЭС). Они преобразуют тепловую энергию подземных источников в электрическую. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки Паужетка, в районе вулканов Кошелева и Кабального. В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле, работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (в Калифорнии, в Долине Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой Зеландии (в районе Уайракеи), Мексике и Японии.

Геотермальные станции устроены относительно просто: здесь нет котельной, оборудования для подачи топлива, золоулавливателей и многих других приспособлений, необходимых для обычных тепловых электростанций. Постольку топливо у геоТЭС бесплатное, то и себестоимость вырабатываемой электроэнергии в несколько раз ниже.

В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении горячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20              % жидкости вскипает и

превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепаратора, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извлечением из нее минералов. Примерами геотермальных месторождений с горячей водой являются Уайракей и Бродлендс в Новой Зеландии, Серро-Прието в Мексике, Солтон-Си в Калифорнии, Отаке в Японии.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двухконтурного (бинарного) цикла.

В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовавшийся в результате кипения этой жидкости, используется для привода турбины. Отработавший пар конденсируется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Установки, использующие фреон в качестве теплоносителя второго контура, о настоящее время подготовлены для промышленного освоения в диапазоне температур 75-150 °С и при единичной электрической мощности в пределах 10-100 кВт. Такие установки могут быть использованы для производства электроэнергии в подходящих для этого местах, особенно в отдаленных сельских районах.

Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции. Прямая схема:              природный пар

направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающих разрушение труб. Смешенная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшейся в результате конденсации, удаляют не растворившиеся в ней газы. Именно по смешанной схеме работает Паужетская электростанция. Пароводяная смесь, содержащая тепло в количестве 840 кДж/кг, выводится через буровую скважину глубиной 350 м на поверхность и направляется в сепарационное устройство. Здесь пар при давлении 225 кПа отделяется от воды и по трубам поступают в турбины; те вращаются и приводят вдействие электрогенераторы. Отработавший в турбинах пар попадает в смешивающий конденсатор, где охлаждается и превращается в воду. Выделившиеся при этом газы (азот и кислород) удаляют насосом. Г орячую воду (120 °С) используют для теплоснабжения населенных пунктов. Вода для охлаждения пара подается самотеком по трубопроводу длиной 600 м из реки Паужетки. На рисунке 1.8. показаны обе схемы получения эдектроэнергии при помощи геотермальной электростанции. На рисунке 1.6.а.

показаны: 1 - источник горячего пара; 2 - турбина; 3 - генератор; 4- усторойство для конденсации воды; 5 - конденсат. На рисунке 1.5.б. показаны: 1 - источник горячей воды; 2 - сепаратор: 3 - турбина; 4- генератор; 5 - усторйство для конденсации воды (конденсатор); 6 -сброс отработанной воды.

Рис. 1.8. Схемы получения эдектроэнергии при помощи геотермальной электростанции

В России, Болгарии, Венгрии, Грузии, Исландии, США, Японии и в других странах с термальными водами обогревают здания, теплицы, парники и плавательные бассейны. А столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников.

Зарубежный опыт показывает, что затраты на строительство геотермальных электростанций получаются очень больше. Однако поскольку эта энергия "дармовая", предлагаемая нам самой природой и к тому же возобновляемая, отопление потом становится дешевле в два раза. Для обеспечения экологической чистоты в технологической схеме геотермальных электростанций предусмотрены система закачки конденсата и сепарата обратно в земные пласты, а также системы снеготаяния и предотвращения выбросов сероводорода в атмосферу. По мнению некоторых ученых, большой прогресс по удешевлению и уменьшению эксплуатационных издержек будет достигнут применением в геотермальных турбинах верхнего выхлопа отвода пара.

Геотермальный вид возобновляемой энергии широко используется в мире. Артезианские бассейны термальных вод выявлены в СаяноБайкальской горной системе, в Бурятии (здесь насчитывается около 400 термальных источников), в Якутии, на севере Западной Сибири, Чукотке (здесь известны 13 высокотермальных источников с суммарным дебитом 166 л/с). Самый “горячий” район - Курило-Камчатский вулканический пояс. На Камчатке выявлено более 70 групп термальных источников, 40 из них имеют температуру воды 90-100°С.

Наиболее крупные источники дают столько тепла, сколько можно получить от сжигания 200 тысяч тонн угля. Себестоимость получения 4.2 ГДж тепла в системах геотермального теплоснабжения Камчатки в 10 раз ниже, чем в котельных Петропавловска- Камчатского.

Сегодня геотермальную энергию используют в 40 странах мира. В Швейцарии 10 тысяч теплоносителей забирают тепло из-под грунта. Сотни тысяч киловатт дают станции районов Лардерелло в Италии, Вайракей в Новой Зеландии. Треть электроэнергии для Сан-Франциско также дают геотермальные станции. Сегодня мощность канадских ГеоТЭС достигла 0.7 млн. кВт. Поляки начали заниматься геотермальной энергией десять назад. В Польше есть уже четыре геотермальные станции. Одна из них, в курортном Закопане. В Литве вся Клайпеда обеспечивается горячей водой с помощью геотермальной станции.

В Японии с помощью геотермальной энергетики растапливают снег на дороге. Геотермальная энергетика в Японии занимает значительное место - ее доля составляет 21 % . Основным сдерживающим фактором для развития стали экологические движения. Это связанно с тем, что станции расположены в природных парках и дальнейшее их развитие затруднено опасностью нанести ущерб охраняемым и заповедным территориям. Ядерные станции дают 35% общего энергопроизводства, работающие на природном газе - 24%. У нас максимум потребления электроэнергии приходятся на зимние, самые холодные месяцы, а в Японии - на лето, когда из-за жары основное потребление электроэнергии связано с работой оборудования, вырабатывающего холодный воздух.

Следует отметить, что дальше всех в использовании геотермальных ресурсов продвинулась Исландия. Например, столица Исландии Рейкьявик с 1943 года использует геотермальные воды для обогрева домов, учреждений, магазинов и фабрик. Установленная мощность всех исландских геотермальных станций еще в 1988 г. составляла 39 МВт.

В перспективе для извлечения энергии из недр Земли можно использовать не только запасы горячей воды и пара, но и тепло сухих горных пород.

Области сухих горных пород с температурой около 3000С встречаются значительно чаще, чем водоносные горячие породы, а также энергию магматических очагов, которые в некоторых районах планеты расположены на глубинах всего в несколько километров.

Однако на сегодняшний день, наиболее оптимальная форма использования тепловой энергии - сухой пар. Прямое использование смеси пара и воды невозможно, т.к. геотермальная вода содержит обычно большое количество солей, вызывающих коррозию, и капли воды в паре могут повредить турбину. Наиболее частая форма поступления энергии - просто в виде горячей воды, прежде всего для получения тепла. Эта вода может быть использована также для получения пара рабочей жидкости, имеющей более низкую температуру кипения, чем вода. Так как геотермальный пар и вода имеют сравнительно низкую температуру и давление, КПД геотермальных станций не превышает 20%, что значительно ниже атомных (30%) и тепловых работающих на ископаемом топливе (40%). К недостаткам геотермальных станций относится следующее:              для

конденсации пара на геотермальных станциях необходимо большое количество охлаждающей воды, которая в результате работы станции нагревается, поэтому геотермальные станции являются источниками теплового загрязнения. При одинаковой мощности с тепловыми электростанциями, геотермальная электростанция потребляет для охлаждения значительно большее количество воды, т.к. ее КПД ниже. Сброс сильно минерализованной геотермальной воды в поверхностные водоемы может привести к нарушению их экосистем. В геотермальных водах в больших количествах содержится сероводород и радон, который вызывает можнт привести к радиоактивным загрязнениям окружающей среды.

Контрольные вопросы

Чем вызвана потребность использования энергии горячих, подземных вод?

Как устроены геотермальные станции?

Какие существуют методы производства электроэнергии на базе высоко или среднетемпературных геотермальных вод?

Какие страны мира используют геотермальную энергию?

В чем заклучаются основные преиущества и недостатки геотермальных электростанций?

<< | >>
Источник: С.И. Власов, Д.А. Толипов. Нетрадиционные источники энергии. 2013

Еще по теме Лекция 8. Гео и гидротермальная энергетика.:

  1. 72. ПРАВОВОЙ РЕЖИМ ЗЕМЕЛЬ ЭНЕРГЕТИКИ
  2. НАРУШЕНИЕ ПРАВИЛ БЕЗОПАСНОСТИ НА ОБЪЕКТАХ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ст. 215 УК РФ).
  3. 13.1. Промышленность, строительство, энергетика
  4. Энергетика биосферы и трофические цепи
  5. 10.3. Общая характеристика и особенности правового режима земель промышленности, энергетики, транспорта, связи, радиовещания, телевидения, информатики и космического обеспечения, обороны, безопасности и иного специального назначения
  6. Лекция 13 Мифы общественного сознания.Часть вторая
  7. ЛЕКЦИЯ 1 6.03.1984
  8. ЛЕКЦИЯ 2 13.03.1984
  9. ЛЕКЦИЯ 3 20.03.1984
  10. ЛЕКЦИЯ 4 27.03.1984
  11. ЛЕКЦИЯ 5 3.04.1984
  12. ЛЕКЦИЯ 6 10.04.1984
  13. ЛЕКЦИЯ 7 17.04.1984
  14. ЛЕКЦИЯ 8 24.04.1984