Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции или что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 0С каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно как для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира.

По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6 650 0С. Скорость остывания Земля примерно равна 300-350 0С в миллиард лет. Земля содержит 42 х 1012 Вт тепла, из которых 2% содержится в коре и 98% — в мантии и ядре. 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. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Геотермальные электростанции и геотермальные ресурсы

Чем глубже скважина, тем выше температура, но в некоторых местах геотермальная температура поднимается быстрее. Такие места обычно находятся в зонах повышенной сейсмической активности, где сталкиваются или разрываются тектонические плиты. Именно поэтому наиболее перспективные геотермальные ресурсы находятся в зонах вулканической активности. Чем выше геотермический градиент, тем дешевле обходится добыча тепла, за счет уменьшения расходов на бурение и качание. В наиболее благоприятных случаях, градиент может быть настолько высок, что поверхностные воды нагреваются до нужной температуры. Примером таких случаев служат гейзеры и горячие источники.

Ниже земной коры находится слой горячего и расплавленного камня называемый магмой. Тепло возникает там, прежде всего, за счет распада природных радиоактивных элементов, таких как уран и калий. Энергетический потенциал тепла на глубине 10 000 метров в 50 000 раз больше энергии, чем все мировые запасы нефти и газа.

Зоны наивысших подземных температур находятся в регионах с активными и молодыми вулканами. Такие «горячие точки» находятся на границах тектонических плит или в местах, где кора настолько тонка, что пропускает тепло магмы. Множество горячих точек находится в зоне Тихоокеанского кольца, которое еще называют «огненное кольцо» из-за большого количества вулканов.

Геотермальные электростанции — способы использования геотермальной энергии

Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла широко распространенна в высоких широтах на границах тектонических плит, например в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре (более 150 0С).

В Калифорнии, Неваде и некоторых других местах геотермальная энергия используется на больших электростанциях, Так, в Калифорнии около 5% электричества вырабатывается за счет геотермальной энергии, в Сальвадоре геотермальная энергия производит около 1/3 электроэнергии. В Айдахо и Исландии геотермальное тепло используется в различных сферах, в том числе и для обогрева жилья. В тысячах домах геотермальные тепловые насосы используются для получения экологически чистого и недорогого тепла.

Геотермальные электростанции — источники геотермальной энергии.

Сухая нагретая порода – Для того, чтобы использовать энергию в геотермальных электростанциях, содержащуюся в сухой скальной породе, воду при высоком давлении закачивают в породу. Таким образом, расширяются существующие в породе изломы, и создается подземный резервуар пара или горячей воды.

Магма – расплавленная масса, образующаяся под корой Земли. Температура магмы достигает 1 200 0С. Несмотря на то, что небольшие объемы магмы находятся на доступных глубинах, практические методы получения энергии из магмы находятся на стадии разработки.

Горячие, находящиеся под давлением, подземные воды , содержащие растворенный метан. В производстве электроэнергии используются и тепло, и газ.

Геотермальные электростанции — принципы работы

В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

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.

Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 200 0С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. 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. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют. Воды умеренной температуры являются наиболее распространенным геотермальным ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать на этом принципе.

Будущее геотермального электричества.

Резервуары с паром и горячей водой являются лишь малой частью геотермальных ресурсов. Земная магма и сухая твердая порода обеспечат дешевой, чистой практически неиссякаемой энергией, как только будут разработаны соответствующие технологии по их утилизации. До тех пор, самыми распространенными производителями геотермальной электроэнергии будут электростанции с бинарным циклом.

Чтобы геотермальное электричество стало ключевым элементом энергетической инфраструктуры США, необходимо разработать методы по уменьшению стоимости его получения. Департамент Энергетики США работает с представителями геотермальной промышленности по уменьшению стоимости киловатт-часа до $0,03-0,05. По прогнозам, в ближайшее десятилетие появятся новые геотермальные электростанции мощностью 15 000 МВт.

Источник

Геотермальная энергия в 2021 году

Как она работает и что приносит

Посещая Исландию, многие путешественники очарованы гейзерами, текущими из-под земли под огромным давлением. В некоторых частях мира обычно выделяется тепловая энергия, исходящая из ядра Земли. Она проникает на поверхность через трещины, которые встречаются в вулканах, а также через гейзеры.

Самое крупное гидротермальное поле — гейзеры в долине Напа в Северной Калифорнии, недалеко от Сан-Франциско. Он был открыт в 1847 году.

Геотермальная энергия используется в качестве возобновляемого источника для производства тепла и электроэнергии на геотермальных электростанциях.

Как можно использовать геотермальную энергию?

Тепло от земли можно использовать в качестве источника энергии, и его можно найти во многих регионах мира, особенно на границах тектонических плит или в местах, где кора достаточно тонкая, чтобы пропускать тепло.

Наиболее распространенный способ получения энергии из геотермальных ресурсов — это использование естественных гидротермальных конвекционных систем, где более холодная вода просачивается в земную кору и нагревается в резервуаре.

Геотермальная энергия широко используется для отопления в З ападно й Европе . Жители Исландии используют его в домашнем хозяйстве, промышленности, сельском хозяйстве и многих других секторах. В аналогичной ситуации находятся Германия, Франция, Великобритания, Швейцария, а также США.

Существует несколько вариантов использования геотермальной энергии для производства электроэнергии. Принцип остается неизменным для каждого из них. Главное, предусмотреть путь, который будет приводить в движение турбину.

Один из способов получить пар из земли, который затем приводит в действие турбину. Другой метод предусматривает первоначальное использование горячей воды, которая затем превращается в пар, и только потом приводит в движение турбину.

Наконец, можно использовать горячую воду, которая нагревает другие вещества, для кипячения которых требуется более низкая температура. В частности, это, например, бутан, который затем переходит в газообразную форму и снова приводит в движение турбину.

Технология	Температура
Сухой пар (принцип сухого пара)	Пар при 200-300 ° C
Flash Steam (принцип использования горячей воды)	Вода при 180 ° C
ORC (принцип нагрева другого вещества водой)	Вода с температурой 100 ° C нагревает пропан, фреон, изобутан.

Источники с низкой температурой в основном используются для отопления жилых домов, теплиц или промышленных зданий. В Исландии этот принцип используют с 1888 года.

Для отопления обычно используют тепловой насос или геотермальные отопительные установки. Тепловой насос способен преобразовывать низкопотенциальное тепло в тепло, подходящее для отопления или горячего водоснабжения. В этом случае тепло берется из земли или геотермальной воды из скважин или природных источников.

Для производства электроэнергии можно использовать только высокотемпературные и среднетемпературные источники, так как они имеют температуру 150-200 градусов.

Из-за ограниченного количества условий, подходящих для производства электроэнергии с использованием гидротермальных систем, концепция производства электроэнергии из тепла сухих горных пород появилась в 1970-х годах (система Hot Dry Rock, HDR).

Такие электростанции основаны на использовании тепла, извлекаемого из горячих пород без достаточных запасов грунтовых вод, которые находятся на глубине, доступной для технологии бурения.

Система HFR (горяче-трещиноватая порода), или раскаленная порода, используется в местах, где этот тип породы возникает спонтанно. В основном это тектонические зоны. В большинстве случаев необходима дальнейшая обработка породы, которая проводится путем гидроразрыва пласта.

Для этого метода важно подробное обследование структуры подземных вод из-за наличия циркулирующих подземных вод и плохой управляемости потерь закачиваемой воды.

Технология ORC (принцип нагрева другого вещества водой) особенно подходит для использования источников энтальпии от средней до низкой. Это экономичное решение с выходной мощностью до 40 МВт на один генератор для источников с температурой воды от 100 ° C до 200 ° C или выше.

Горячий пар обычно получают из глубоких колодцев, где он черпает источники тепла из периода происхождения Земли. Кроме того, в активной зоне разлагаются радиоактивные элементы, побочным продуктом которых также является выделение тепла.

Бинарная геотермальная установка ORC с замкнутым контуром:

ORC очень эффективен для эксплуатации ресурсов с высокой долей пара в местах, где неудобно собирать и доставлять все геотермальные флюиды на централизованную станцию, но предпочтительно использовать модульные устьевые устройства. Существующие электростанции с однократным испарением могут быть улучшены путем добавления системы ORC к разделенному потоку рассола перед повторной закачкой.

Положительное и отрицательное влияние на окружающую среду и уровень жизни

Положительн ое	Отрицательное
Первоначально высокие затраты, но в будущем экономичное решение	Вначале большая потеря воды
Децентрализация электричества и тепла	В Европе необходимость бурения до 3000 метров под землей
Получение энергии в любое время — не зависит от климата, как в случае ветряных или солнечных электростанций	Засорение оборудования минералами, требующее частой замены
Неограниченные ресурсы	Шум
Минимальные потери в процессе производства электроэнергии	Выброс тепла в атмосферу

Текущее использование в мире

Идеальная среда для геотермальных ресурсов — места, где расположены вулканы и гейзеры. Вот почему упоминается Исландия, но также очень хорошие условия для геотермальной энергетики есть в США, Индонезии и Турции.

Даже в Центральной Европе нет недостатка в таких местах, просто необходимо бурить на значительно большие глубины. Если в районе Исландии сталкиваются с высокими температурами до ста метров под землей, то в Европе необходимо бурить до нескольких тысяч метров. В Германии, например, завод работает по принципу ORC в регионе Нойштадт.

Источник