3.4 PRORAČUN GEOTERMALNE ELEKTRANE

Izračunajmo toplinski krug geotermalne elektrane binarnog tipa, prema.

Naša geotermalna elektrana sastoji se od dvije turbine:

Prvi radi na zasićenoj vodenoj pari dobivenoj u ekspanderu. Električna energija - ;

Drugi radi na zasićenoj pari rashladnog sredstva R11, koja isparava zbog topline vode odvedene iz ekspandera.

Voda iz geotermalnih bušotina s tlakom pgw i temperaturom tgw ulazi u ekspander. Ekspander proizvodi suhu zasićenu paru s tlakom od pp. Ova se para šalje u parnu turbinu. Preostala voda iz ekspandera odlazi u isparivač, gdje se hladi i završava natrag u bunar. Tlak temperature u jedinici za isparavanje = 20°C. Radni fluidi ekspandiraju u turbinama i ulaze u kondenzatore, gdje se hlade vodom iz rijeke na temperaturu thw. Zagrijavanje vode u kondenzatoru = 10°C, a podgrijavanje do temperature zasićenja = 5°C.

Relativni unutarnji učinci turbina. Elektromehanička učinkovitost turbogeneratora = 0,95.

Početni podaci dati su u tablici 3.1.

Stol 3.1. Početni podaci za izračun GeoPP-a

Shematski dijagram GeoPP-a binarnog tipa (Sl. 3.2).

Riža. 3.2. Shematski dijagram GeoPP-a.

Prema dijagramu na Sl. 3.2 i početnih podataka provodimo izračune.

Proračun kruga parne turbine na suhu zasićenu vodenu paru

Temperatura pare na ulazu u kondenzator turbine:

gdje je temperatura rashladne vode na ulazu u kondenzator; - grijanje vode u kondenzatoru; - temperaturna razlika u kondenzatoru.

Tlak pare u kondenzatoru turbine određuje se iz tablica svojstava vode i vodene pare:

Raspoloživi pad topline po turbini:

gdje je entalpija suhe zasićene pare na ulazu u turbinu; - entalpija na kraju teorijskog procesa širenja pare u turbini.

Potrošnja pare od ekspandera do parne turbine:

gdje je relativna unutarnja učinkovitost parne turbine; - elektromehanička učinkovitost turbogeneratora.

Proračun ekspandera geotermalne vode

Jednadžba toplinske ravnoteže ekspandera

gdje je protok geotermalne vode iz bušotine; - entalpija geotermalne vode iz bušotine; - protok vode od ekspandera do isparivača; - entalpija geotermalne vode na izlazu iz ekspandera. Određuje se iz tablica svojstava vode i vodene pare kao entalpija kipuće vode.

Jednadžba bilance materijala ekspandera

Zajedničkim rješavanjem ovih dviju jednadžbi potrebno je odrediti i.

Temperatura geotermalne vode na izlazu iz ekspandera određena je iz tablica svojstava vode i vodene pare kao temperatura zasićenja pri tlaku u ekspanderu:

Određivanje parametara u karakterističnim točkama toplinskog kruga turbine koja radi u freonu

Temperatura pare freona na ulazu u turbinu:

Temperatura pare freona na izlazu iz turbine:

Entalpija pare rashladnog sredstva na ulazu u turbinu određena je p-h dijagram za freon na liniji zasićenja na:

240 kJ/kg.

Entalpija pare freona na izlazu iz turbine određena je p-h dijagramom za freon na sjecištu linija i temperaturne linije:

220 kJ/kg.

Entalpija kipućeg freona na izlazu iz kondenzatora određuje se iz p-h dijagrama za freon na krivulji za kipuću tekućinu prema temperaturi:

215 kJ/kg.

Proračun isparivača

Temperatura geotermalne vode na izlazu iz isparivača:

Jednadžba toplinske ravnoteže isparivača:

gdje je toplinski kapacitet vode. Uzeti =4,2 kJ/kg.

Iz ove jednadžbe potrebno je odrediti.

Proračun snage turbine koja radi na freon

gdje je relativna unutarnja učinkovitost freonske turbine; - elektromehanička učinkovitost turbogeneratora.

Određivanje snage crpke za pumpanje geotermalne vode u bušotinu

gdje je učinkovitost pumpe, za koju se pretpostavlja da je 0,8; - prosječni specifični volumen geotermalne vode.

Električna energija GeoPP-a

Alternativni izvori energije. Munjevita elektrana

Proračun elektrane munje dizajniran je prvenstveno za određivanje izlazne snage. Uostalom, zadatak svake elektrane je maksimalno povećati energetsku učinkovitost kako bi se povratila sredstva za rad i instalaciju...

Izrađujemo osnovne izračune performansi crpne sekcije. Dakle, s valom od 1 m, tijelo koje pluta uzdigne se 0,5 m, a zatim padne 0,5 m ispod razine mirne vode...

Vrste i proračun elektrana na valovima

U članku je opisana metoda proračuna za elektranu na valove. U kolegijskom projektu obrađuju se osnovne formule i primjer proračuna snage hidroelektrane na valove s utvrđenim parametrima. Maksimalna moguća snaga u jednom ciklusu oseke i oseke...

Obnovljivi izvori energije. Proračun, vrste i zadaće geotermalne elektrane

Postoji nekoliko načina dobivanja energije u GeoPP-u: - izravna shema: para se šalje kroz cijevi do turbina spojenih na električne generatore; - neizravna shema: slična izravnoj shemi, ali prije ulaska u cijevi para se čisti od plinova...

Geotermalna energija

Još prije 150 godina naš je planet koristio isključivo obnovljive i ekološki prihvatljive izvore energije: vodene tokove rijeka i morske oseke za okretanje vodenih kotača...

Geotermalna energija

Geotermalna energija je proizvodnja toplinske ili električne energije iz topline zemljinih dubina. Isplativo u područjima...

Geotermalna energija

Postoji mišljenje da se korištenje niskotemperaturne geotermalne energije malih dubina može smatrati revolucijom u sustavu opskrbe toplinom, koja se temelji na neiscrpnosti resursa, sveprisutnosti njegove distribucije...

Geotermalna energija i njezina primjena

Razmotrimo upravljanje suvremenom geotermalnom elektranom na primjeru sustava upravljanja prve na Baltiku, geotermalne elektrane Klaipeda, snage 43 MW...

Sukladno zahtjevima Registra, izvršit ćemo proračun opterećenja solarne elektrane u pogonskom režimu. Koristit ćemo se metodom tabličnog izračuna. Prilikom popunjavanja tablice opterećenja u stupce 2-4 unesite podatke o zadatku, a u stupce 5-8 parametre motora...

Proračun brodske elektrane

Kalkulacija električni sustav na temelju ekvivalentnog kruga

Shematski dijagram transformatora s tri namota prikazan je na sl. 4.3, a potpuni ekvivalentni krug podudara se s ekvivalentnim krugom autotransformatora (vidi sl. 3.2). Sastav kataloških podataka razlikuje se od onog navedenog u paragrafu 3 teme...

Opskrba toplinom za industrijska poduzeća

Za pogonske pomoćne mehanizme bruto učinkovitost se utvrđuje bez uzimanja u obzir troškova energije. Za parne turbine koje rade prema Rankineovom ciklusu, bruto učinkovitost uzimajući u obzir troškove pogona pumpe: gdje je entalpija pare u točkama 1 i 2 dijagrama...

GeoTEP s dvostrukim krugom (sl. 4.2) uključuje generator pare 4, u kojem se toplinska energija geotermalne mješavine pare i vode koristi za zagrijavanje i isparavanje napojne vode tradicionalnog mokro-parnog parnog turbinskog postrojenja 6 s električnim generator 5. Geotermalna voda potrošena u generatoru pare pumpa se pumpom 3 u povratni bunar 2. Kemijsko čišćenje Obrada napojne vode turbinskog postrojenja provodi se konvencionalnim metodama. Napojna pumpa 8 vraća kondenzat iz kondenzatora 7 u generator pare.

U dvokružnoj instalaciji u parnom krugu nema plinova koji se ne mogu kondenzirati, stoga je osiguran dublji vakuum u kondenzatoru i toplinska učinkovitost instalacije se povećava u usporedbi s jednokružnom. Na izlazu iz generatora pare preostala toplina geotermalnih voda može se, kao i kod jednokružne geotermalne elektrane, koristiti za potrebe opskrbe toplinom.

sl.4.2. Toplinski dijagram dvokružne geotermalne elektrane

Plinovi, uključujući i sumporovodik, dovode se iz generatora pare u apsorber mjehurića i otapaju u otpadnoj geotermalnoj vodi, nakon čega se pumpa u odlagalište. Prema ispitivanjima u oceanskoj geotermalnoj elektrani u izgradnji (Kurilsko otočje), 93,97% početnog sumporovodika otopljeno je u apsorberu s mjehurićima.

Temperaturna razlika u generatoru pare smanjuje entalpiju žive pare u dvokružnoj instalaciji h 1 u usporedbi s jednokružnom, međutim, općenito se toplinska razlika u turbini povećava zbog smanjenja entalpije ispušnih plinova. para h 2 . Termodinamički proračun ciklusa provodi se kao za konvencionalnu parnoturbinsku termoelektranu (vidi odjeljak o solarnim parnoturbinskim postrojenjima).

Potrošnja tople vode iz geotermalnih izvora za instalaciju kapaciteta N, kW, određena je iz izraza

Kg/s, (4,3)

gdje je temperaturna razlika geotermalne vode na ulazu i izlazu iz generatora pare, °C, je učinkovitost generatora pare. Ukupna učinkovitost suvremenih geotermalnih elektrana s dvokružnim parnim turbinama iznosi 17,27%.

U poljima s relativno niskim temperaturama geotermalnih voda (100-200°C) koriste se dvokružna postrojenja koja koriste radne tekućine niskog vrelišta (freoni, ugljikovodici). Također je ekonomski opravdano koristiti takve instalacije za recikliranje topline odvojene vode iz jednokružnih geotermalnih elektrana (umjesto izmjenjivača topline daljinskog grijanja na slici 4.1). U našoj zemlji, prvi put u svijetu (1967.), stvorena je elektrana ovog tipa s rashladnim sredstvom R-12 kapaciteta 600 kW, izgrađena na geotermalnom polju Paratunsky (Kamčatka) pod znanstvenim vodstvom Institut za termofiziku Sibirskog ogranka Akademije znanosti SSSR-a. Temperaturna razlika rashladne tekućine bila je 80...5 o C, hladna voda je dovedena u kondenzator iz rijeke. Paratunka s prosječnom godišnjom temperaturom od 5 o C. Nažalost, ovi radovi nisu razvijeni zbog nekadašnje jeftinosti organskog goriva.

Trenutno je JSC "Kirovsky Plant" izradio dizajn i tehničku dokumentaciju dvokružnog geotermalnog modula kapaciteta 1,5 MW koji koristi freon R142v (rezervno rashladno sredstvo - izobutan). Energetski modul bit će kompletno proizveden u tvornici i isporučen željeznicom, a građevinski i montažni radovi te priključenje na elektroenergetsku mrežu zahtijevat će minimalne troškove. Očekuje se da će tvornički trošak za masovnu proizvodnju energetskih modula biti smanjen na približno 800 dolara po kilovatu instaliranog kapaciteta.

Zajedno s GeoTES-om koji koristi homogenu rashladnu tekućinu niskog vrelišta, ENIN razvija obećavajuću instalaciju koja koristi radni fluid s miješanom vodom i amonijakom. Glavna prednost ovakvog postrojenja je mogućnost korištenja u širokom rasponu temperatura geotermalnih voda i paro-vodenih smjesa (od 90 do 220 o C). S homogenim radnim fluidom, odstupanje temperature na izlazu iz generatora pare za 10 ... 20 o C od izračunate dovodi do oštrog smanjenja učinkovitosti ciklusa - za 2,4 puta. Promjenom koncentracije komponenti miješane rashladne tekućine moguće je osigurati prihvatljive performanse instalacije pri promjenjivim temperaturama. Snaga turbine s amonijačnom vodom u ovom temperaturnom području varira za manje od 15%. Osim toga, takva turbina ima bolje parametre težine i veličine, a mješavina vode i amonijaka ima bolje karakteristike prijenosa topline, što omogućuje smanjenje potrošnje metala i troškova generatora pare i kondenzatora u usporedbi s energetskim modulom koji koristi homogeni rashladna tekućina. Takve elektrane mogu se široko koristiti za povrat otpadne topline u industriji. Mogu imati veliku potražnju na međunarodnom tržištu geotermalne opreme.

Proračun geotermalnih elektrana s niskim vrelištem i miješanim radnim fluidima provodi se pomoću tablica termodinamičkih svojstava i h - s dijagrama para ovih tekućina.

Uz problem geotermalnih elektrana vezana je i mogućnost korištenja toplinskih resursa Svjetskog oceana, koja se često spominje u literaturi. U tropskim geografskim širinama temperatura morske vode na površini je oko 25 o C, na dubini od 500...1000 m - oko 2...3 o C. Još 1881. godine D'Arsonval je izrazio ideju o ​​​​korištenje ove temperaturne razlike za proizvodnju električne energije. Shema instalacija za jedan od projekata za provedbu ove ideje prikazana je na slici 4.3.

sl.4.3. Shema oceanske termoelektrane: 1 - pumpa za opskrbu toplom površinskom vodom; 2 - generator pare rashladne tekućine s niskim vrelištem; 3 - turbina; 4 - električni generator; 5 - kondenzator; 6 - pumpa za dovod hladne duboke vode; 7 - pumpa za napajanje; 8 - brodska platforma

Crpka 1 dovodi toplu površinsku vodu u generator pare 2, gdje rashladno sredstvo niskog vrelišta isparava. Para s temperaturom od oko 20° C šalje se u turbinu 3, koja pokreće električni generator 4. Ispušna para ulazi u kondenzator 5 i kondenzira se hladnom dubokom vodom koju dovodi cirkulacijska pumpa 6. Napojna pumpa 7 vraća rashladno sredstvo u generator pare. .

Kada se diže kroz tople površinske slojeve, duboka voda se zagrijava do najmanje 7...8° C, odnosno, iscrpljena mokra para rashladnog sredstva imat će temperaturu od najmanje 12...13° C. Kao rezultat, toplinska učinkovitost ovog ciklusa bit će = 0,028, a za pravi ciklus - manje od 2%. Istodobno, oceansku termoelektranu karakteriziraju visoki troškovi energije za vlastite potrebe; bit će potrebni vrlo visoki troškovi tople i hladne vode, kao i rashladne tekućine; potrošnja energije crpki premašit će proizvedenu energiju po jedinici. U Sjedinjenim Američkim Državama pokušaji implementacije takvih elektrana u blizini Havajskih otoka nisu dali pozitivan rezultat.

Drugi projekt oceanske termoelektrane - termoelektrične - uključuje korištenje Seebeckovog efekta postavljanjem spojeva termoelektroda u površinske i duboke slojeve oceana. Idealna učinkovitost takve instalacije, kao za Carnotov ciklus, je oko 2%. Odjeljak 3.2 pokazuje da je stvarna učinkovitost toplinskih pretvarača niža za red veličine. Sukladno tome, za odvođenje topline u površinskim slojevima oceanske vode i prijenos topline u dubinskim slojevima bilo bi potrebno konstruirati površine za izmjenu topline (“podvodna jedra”) vrlo velike površine. To je nerealno za elektrane praktički primjetne snage. Niska gustoća energije prepreka je korištenju rezervi topline oceana.

Čitati i pisati koristan

Svrha predavanja: prikazati mogućnosti i načine korištenja geotermalne topline u elektroenergetskim sustavima.

Toplina u obliku toplih izvora i gejzira može se koristiti za proizvodnju električne energije razne sheme u geotermalnim elektranama (GeoPP). Najlakše implementirana shema je ona koja koristi paru tekućina s niskim vrelištem. Vruća voda iz prirodnih izvora zagrijavanjem takve tekućine u isparivaču pretvara je u paru koja se koristi u turbini i služi kao pogon generatora struje.

Slika 1 prikazuje ciklus s jednim radnim fluidom, na primjer vodom ili freonom ( A); ciklus s dva radna fluida - vodom i freonom ( b); izravni ciklus pare ( V) i ciklus dvostrukog kruga ( G).

Tehnologije proizvodnje električne energije uvelike ovise o toplinskom potencijalu termalnih voda.

Crtanje. 1 - Primjeri organiziranja ciklusa za proizvodnju električne energije:

I – geotermalni izvor; II – turbinski ciklus; III – rashladna voda

Naslage visokog potencijala omogućuju korištenje gotovo tradicionalnih izvedbi termoelektrana s parnim turbinama.

stol 1 -Tehnički podaci geotermalne elektrane

Najviše pokazuje slika 2 jednostavan sklop mala elektrana (GeoPP) koja koristi toplinu toplog podzemnog izvora.

Voda iz vrela s temperaturom od oko 95 °C pumpom 2 dovodi se u odvodnik plinova 3, gdje se odvajaju u njoj otopljeni plinovi.

Zatim voda ulazi u isparivač 4, u kojem se pretvara u zasićenu paru i blago pregrijava zbog topline pare (iz pomoćnog kotla), koja je prethodno iscrpljena u ejektoru kondenzatora.

Blago pregrijana para obavlja rad u turbini 5 na čijoj se osovini nalazi generator struje. Ispušna para kondenzira se u kondenzatoru 6, hladi vodom normalne temperature.

Slika 2-. Shema malog GeoPP-a:

1 – prijemnik tople vode; 2 – pumpa tople vode; 3 – odvodnik plina;

4 – isparivač; 5 - Parna turbina s generatorom struje; 6 – kondenzator; 7 – cirkulacijska pumpa; 8 – prijemnik rashladne vode

Takve jednostavne instalacije djelovale su u Africi već 50-ih godina.

Očigledna opcija dizajna moderne elektrane je geotermalna elektrana s radnom tvari niskog vrelišta, prikazana na slici 3. Topla voda iz spremnika ulazi u isparivač 3, gdje predaje svoju toplinu nekoj tvari s niskim vrelište. Takve tvari mogu biti ugljični dioksid, razni freoni, sumporov heksafluorid, butan, itd. Kondenzator 6 je tipa miješanja, koji se hladi hladnim tekućim butanom koji dolazi iz površinskog hladnjaka zraka. Dio butana iz kondenzatora dovodi se dovodnom pumpom 9 u grijač 10, a zatim u isparivač 3.

Važna značajka ove sheme je mogućnost rada u zimsko vrijeme s niskim temperaturama kondenzacije. Ova temperatura može biti blizu nule ili čak negativna, budući da sve navedene tvari imaju vrlo niske temperature smrzavanja. To vam omogućuje značajno proširenje temperaturnih ograničenja koja se koriste u ciklusu.

Crtanje 3. Shema geotermalne elektrane s radnom tvari niskog vrelišta:

1 – bunar, 2 – spremnik, 3 – isparivač, 4 – turbina, 5 – generator, 6 – kondenzator, 7 – cirkulacijska pumpa, 8 – površinski hladnjak zraka, 9 – napojna pumpa, 10 – grijač radne tvari

Geotermalna električna stanica S direktno korištenjem prirodna para.

Najjednostavnija i najpovoljnija geotermalna elektrana je parna turbina s protutlakom. Prirodna para iz bušotine dovodi se izravno u turbinu, a zatim se ispušta u atmosferu ili u uređaj koji hvata vrijedne kemikalije. Protutlačna turbina može se opskrbljivati ​​sekundarnom parom ili parom dobivenom iz separatora. Prema ovoj shemi elektrana radi bez kondenzatora, te nema potrebe za kompresorom za odvod nekondenzirajućih plinova iz kondenzatora. Ova instalacija je najjednostavnija, kapitalni i operativni troškovi su minimalni. Zauzima malu površinu, ne zahtijeva gotovo nikakvu pomoćnu opremu i lako se prilagođava kao prijenosna geotermalna elektrana (slika 4).

Slika 4 - Shema geotermalne elektrane s izravnim korištenjem prirodne pare:

1 – bunar; 2 – turbina; 3 – generator;

4 – izlaz u atmosferu ili u kemijsko postrojenje

Razmatrana shema može biti najprofitabilnija za ona područja gdje postoje dovoljne rezerve prirodne pare. Racionalni rad pruža mogućnost učinkovit rad takva instalacija čak i s promjenjivim protokom bušotine.

U Italiji postoji nekoliko takvih postaja. Jedna od njih je snage 4 tisuće kW sa specifičnim utroškom pare od oko 20 kg/s ili 80 t/h; druga je snage 16 tisuća kW, gdje su ugrađena četiri turbogeneratora snage po 4 tisuće kW. Potonji se opskrbljuje parom iz 7–8 bušotina.

Geotermalna elektrana s kondenzacijskom turbinom i izravnim korištenjem prirodne pare (Slika 5) je najsuvremenija shema za proizvodnju električne energije.

Para iz bušotine dovodi se u turbinu. Potrošeno u turbini ulazi u kondenzator za miješanje. Mješavina rashladne vode i kondenzata pare koja je već iscrpljena u turbini ispušta se iz kondenzatora u podzemni spremnik, odakle se uzima cirkulacijskim pumpama i šalje u rashladni toranj na hlađenje. Iz rashladnog tornja rashladna voda ponovno teče u kondenzator (slika 5).

Mnoge geotermalne elektrane rade prema ovoj shemi uz neke izmjene: Larderello-2 (Italija), Wairakei (Novi Zeland) itd.

Područje primjene dvokružne elektrane koje koriste radne tvari s niskim vrelištem (freon-R12, mješavina vode i amonijaka,) je korištenje topline iz termalnih voda s temperaturom od 100...200 °C, kao i separirane vode na hidrotermalnim parnim ležištima.

Slika 5 - Shema geotermalne elektrane s kondenzacijskom turbinom i izravnim korištenjem prirodne pare:

1 – bunar; 2 – turbina; 3 – generator; 4 – pumpa;

5 – kondenzator; 6 – rashladni toranj; 7 – kompresor; 8 – reset

Kombinirano proizvodnja električne i toplinske energije

Kombinirana proizvodnja električne i toplinske energije moguća je u geotermalnim termoelektranama (GeoTES).

Najjednostavniji dijagram geotermalne elektrane vakuumskog tipa za korištenje topline tople vode temperature do 100 °C prikazan je na slici 6.

Rad takve elektrane odvija se na sljedeći način. Topla voda iz bunara 1 ulazi u spremnik akumulatora 2. U spremniku se oslobađa od plinova otopljenih u njemu i šalje u ekspander 3, u kojem se održava tlak od 0,3 atm. Pri tom tlaku i pri temperaturi od 69 °C mali dio vode se pretvara u paru i šalje u vakuumsku turbinu 5, a preostalu vodu crpka 4 pumpa u sustav za opskrbu toplinom. Para koja se ispušta u turbini ispušta se u kondenzator za miješanje 7. Za uklanjanje zraka iz kondenzatora ugrađena je vakuumska pumpa 10. Smjesa rashladne vode i kondenzata ispušne pare uzima se iz kondenzatora pomoću pumpe 8 i šalje na hlađenje u ventilacijski rashladni toranj 9. Voda ohlađena u rashladnom tornju dovodi se u kondenzator gravitacijom zbog vakuuma.

Verkhne-Mutnovskaya GeoTPP s kapacitetom od 12 MW (3x4 MW) je pilot faza Mutnovskaya GeoTPP s projektiranim kapacitetom od 200 MW, stvorena za opskrbu električnom energijom industrijske regije Petropavlovsk-Kamchatsky.

Slika 6 -. Dijagram vakuumske geotermalne elektrane s jednim ekspanderom:

1 – bunar, 2 – spremnik, 3 – ekspander, 4 – pumpa tople vode, 5 – vakuumska turbina 750 kW, 6 – generator, 7 – miješajući kondenzator,

8 – pumpa rashladne vode, 9 – rashladni toranj ventilatora, 10 – vakuum pumpa

U geotermalnoj elektrani Pauzhetskaya (južno od Kamčatke) s kapacitetom od 11 MW u parnim turbinama koristi se samo odvojena geotermalna para iz mješavine pare i vode dobivene iz geotermalnih bušotina. Velika količina geotermalne vode (oko 80 ukupna potrošnja PVA) s temperaturom od 120 °C ispušta se u rijeku Ozernaya koja se mrijesti, što dovodi ne samo do gubitka toplinskog potencijala geotermalne rashladne tekućine, već i značajno pogoršava ekološko stanje rijeke.

Dizalice topline

Toplinska pumpa- uređaj za prijenos toplinske energije od izvora niske toplinske energije s niskom temperaturom do potrošača rashladnog sredstva s višom temperaturom. Termodinamički gledano, dizalica topline je obrnuti rashladni stroj. Ako je kod rashladnog stroja glavni cilj proizvesti hladnoću oduzimanjem topline bilo kojem volumenu isparivačem, a kondenzator odvodi toplinu u okolinu, onda je kod dizalice topline slika suprotna (slika 7). Kondenzator je izmjenjivač topline koji proizvodi toplinu za potrošača, a isparivač je izmjenjivač topline koji iskorištava nisku toplinu koja se nalazi u rezervoarima, tlu, otpadne vode itd. Ovisno o principu rada toplinske pumpe dijele se na kompresijske i apsorpcijske. Kompresijske dizalice topline uvijek pokreće elektromotor, dok apsorpcijske dizalice topline također mogu koristiti toplinu kao izvor energije. Kompresor također treba izvor niske topline.

Tijekom rada kompresor troši električnu energiju. Omjer proizvedene toplinske energije i utrošene električne energije naziva se omjer transformacije (ili koeficijent pretvorbe topline) i služi kao pokazatelj učinkovitosti dizalice topline. Ova vrijednost ovisi o razlici u razinama temperature u isparivaču i kondenzatoru: što je veća razlika, to je ova vrijednost manja.

Po vrsta rashladne tekućine u ulaznim i izlaznim krugovima crpke su podijeljene u šest tipova: "zemlja-voda", "voda-voda", "zrak-voda", "zemlja-zrak", "voda-zrak", "zrak-zrak".

Pri korištenju energije tla kao izvora topline, cjevovod u kojem cirkulira tekućina je ukopan u zemlju 30-50 cm ispod razine smrzavanja tla u određenom području (slika 8). Za ugradnju toplinske pumpe snage 10 kW potreban je zemljani krug duljine 350-450 m, za čiju će ugradnju biti potrebna parcela površine oko 400 m² (20x20 m).

Slika 7 – Dijagram rada dizalice topline

Slika 8 - Korištenje energije tla kao izvora topline

Prednosti dizalica topline uključuju prije svega učinkovitost: za prijenos 1 kWh toplinske energije u sustav grijanja, instalacija dizalice topline treba potrošiti 0,2-0,35 kWh električne energije.Svi sustavi rade u zatvorenom krugu i ne zahtijevaju praktički nikakav pogon troškove, osim troškova električne energije potrebne za rad opreme, koja se može dobiti iz vjetroelektrana i solarnih elektrana. Razdoblje povrata toplinskih pumpi je 4-9 godina, s vijekom trajanja od 15-20 godina prije velikih popravaka.

Stvarne vrijednosti učinkovitosti modernih dizalica topline su reda COP = 2,0 pri temperaturi izvora od −20 °C, a reda COP = 4,0 pri temperaturi izvora od +7 °C.

Geotermalna energija je energija dobivena iz prirodne topline Zemlje. Ova toplina se može postići pomoću bunara. Geotermalni gradijent u bušotini povećava se za 1 0C svakih 36 metara. Ta se toplina predaje površini u obliku pare ili tople vode. Takva se toplina može koristiti kako izravno za grijanje domova i zgrada, tako i za proizvodnju električne energije. Termalna područja nalaze se u mnogim dijelovima svijeta.

Prema različitim procjenama, temperatura u središtu Zemlje iznosi najmanje 6650 0C. Brzina hlađenja Zemlje je otprilike 300-350 0C po milijardu godina. Zemlja sadrži 42 x 1012 W topline, od čega je 2% sadržano u kori, a 98% u plaštu i jezgri. Moderne tehnologije ne dopuštaju dostizanje topline koja je preduboka, ali 840 000 000 000 W (2%) raspoložive geotermalne energije može zadovoljiti potrebe čovječanstva na duže vrijeme. Područja oko rubova kontinentalnih ploča su najbolje mjesto za izgradnju geotermalnih stanica, jer je kora u takvim područjima znatno tanja.

Geotermalne elektrane i geotermalni izvori

Što je bušotina dublja, to je viša temperatura, ali na nekim mjestima geotermalne temperature rastu brže. Takva se mjesta obično nalaze u područjima visoke seizmičke aktivnosti, gdje se tektonske ploče sudaraju ili pucaju. Zato se geotermalni resursi koji najviše obećavaju nalaze u područjima vulkanske aktivnosti. Što je viši geotermalni gradijent, to je jeftinije izdvajanje topline zbog smanjenih troškova bušenja i crpljenja. U najpovoljnijim slučajevima gradijent može biti toliko visok da površinska voda zagrijati do željenu temperaturu. Gejziri i topli izvori primjeri su takvih slučajeva.

Ispod zemljine kore nalazi se sloj vruće i rastaljene stijene koja se naziva magma. Toplina se tamo prvenstveno javlja zbog raspada prirodnih radioaktivnih elemenata kao što su uran i kalij. Energetski potencijal topline na dubini od 10.000 metara je 50.000 puta veći od energije svih svjetskih rezervi nafte i plina.

Najviše podzemne temperaturne zone nalaze se u regijama s aktivnim i mladim vulkanima. Takve "vruće točke" nalaze se na granicama tektonskih ploča ili na mjestima gdje je kora toliko tanka da propušta toplinu magme. Mnoga vruća mjesta nalaze se u Pacifičkom rubu, koji se zbog velikog broja vulkana naziva i "Vatreni prsten".

Geotermalne elektrane - načini korištenja geotermalne energije

Dva su glavna načina korištenja geotermalne energije: izravno korištenje topline i proizvodnja električne energije. Izravno korištenje topline je najjednostavniji i stoga najčešći način. Praksa izravnog korištenja topline raširena je na visokim geografskim širinama na granicama tektonskih ploča, poput Islanda i Japana. U takvim slučajevima, vodoopskrba se postavlja izravno u duboke bunare. Dobivena topla voda koristi se za grijanje prometnica, sušenje odjeće te grijanje staklenika i stambenih zgrada. Način proizvodnje električne energije iz geotermalne energije vrlo je sličan izravnom korištenju. Jedina razlika je potreba za višom temperaturom (više od 150 0C).

U Kaliforniji, Nevadi i nekim drugim mjestima koristi se geotermalna energija velikih elektrana Tako se u Kaliforniji oko 5% električne energije proizvodi geotermalnom energijom, u El Salvadoru geotermalna energija proizvodi oko 1/3 električne energije. U Idahu i na Islandu geotermalna toplina koristi se u raznim primjenama, uključujući grijanje kućanstava. Tisuće domova koriste geotermalne dizalice topline za pružanje čiste, pristupačne topline.

Geotermalne elektrane su izvori geotermalne energije.

Suha zagrijana stijena– Kako bi se iskoristila energija sadržana u suhoj stijeni u geotermalnim elektranama, voda se pumpa u stijenu pod visokim pritiskom. Ovo proširuje postojeće pukotine u stijeni, stvarajući podzemni rezervoar pare ili tople vode.

Magma- rastaljena masa nastala ispod Zemljine kore. Temperatura magme doseže 1.200 0C. Iako se male količine magme nalaze na dostupnim dubinama, praktične metode dobivanje energije iz magme je u razvoju.

Vruća podzemna voda pod pritiskom, koji sadrži otopljeni metan. Za proizvodnju električne energije koriste se i toplina i plin.

Geotermalne elektrane - principi rada

Trenutno postoje tri sheme za proizvodnju električne energije korištenjem hidrotermalnih izvora: izravna uporaba suhe pare, neizravna uporaba vodene pare i shema mješovite proizvodnje (binarni ciklus). Vrsta transformacije ovisi o stanju medija (para ili voda) i njegovoj temperaturi. Prve su razvijene elektrane na suhu paru. Za proizvodnju električne energije, para iz bušotine prolazi izravno kroz turbinu/generator. Danas su najzastupljenije elektrane s neizravnim načinom proizvodnje električne energije. Koriste vruću podzemnu vodu (temperature do 182 0C) koja se pod visokim pritiskom pumpa u proizvodne jedinice na površini. Mješovite geotermalne elektrane razlikuju se od prethodne dvije vrste geotermalnih elektrana po tome što para i voda nikada ne dolaze u izravan kontakt s turbinom/generatorom.

Geotermalne elektrane koje rade na suhu paru

Parne elektrane rade prvenstveno na hidrotermalnu paru. Para ide izravno u turbinu koja pokreće generator koji proizvodi električnu energiju. Korištenje pare eliminira potrebu za izgaranjem fosilnih goriva (također nema potrebe za transportom i skladištenjem goriva). To su najstarije geotermalne elektrane. Prva takva elektrana izgrađena je u Larderellu (Italija) 1904. godine i još uvijek radi. Tehnologija pare koristi se u elektrani Geysers u sjevernoj Kaliforniji, najvećoj geotermalnoj elektrani na svijetu.

Geotermalne elektrane koje koriste hidrotermalnu paru

Za proizvodnju električne energije takva postrojenja koriste pregrijane hidroterme (temperature iznad 182 °C). Hidrotermalna otopina pumpa se u isparivač kako bi se smanjio tlak, uzrokujući da dio otopine vrlo brzo ispari. Nastala para pokreće turbinu. Ako u spremniku ostane tekućine, može se ispariti u sljedećem isparivaču kako bi se dobila još veća snaga.

Geotermalne elektrane s binarnim ciklusom proizvodnje električne energije.

Većina geotermalnih područja sadrži vodu umjerenih temperatura (ispod 200 0C). Elektrane s binarnim ciklusom koriste ovu vodu za proizvodnju energije. Vruća geotermalna voda i druga, dodatna tekućina s nižom točkom vrelišta od vode prolaze kroz izmjenjivač topline. Toplina iz geotermalne vode isparava drugu tekućinu, čije pare pokreću turbine. Od ovoga zatvoreni sustav, praktički nema emisija u atmosferu. Umjerene vode su najizdašniji geotermalni resurs, pa će većina budućih geotermalnih elektrana raditi na ovom principu.

Budućnost geotermalne električne energije.

Rezervoari pare i tople vode samo su mali dio geotermalnih izvora. Zemljina magma i suho kamenje dat će jeftinu, čistu, gotovo neiscrpnu energiju kada se razviju odgovarajuće tehnologije za njihovo korištenje. Do tada će najčešći proizvođači geotermalne električne energije biti elektrane binarnog ciklusa.

Kako bi geotermalna električna energija postala ključni element energetske infrastrukture SAD-a, moraju se razviti metode za smanjenje troškova njezinog dobivanja. Ministarstvo energetike SAD-a radi s geotermalnom industrijom na smanjenju cijene kilovatsata na 0,03-0,05 USD. Predviđa se da će 15 000 MW novih geotermalnih elektrana biti uključeno u sljedećem desetljeću.

GEOTERMALNA ENERGIJA

Skotarev Ivan Nikolajevič

Student 2. godine, ods fizičari SSAU, Stavropolj

Haščenko Andrej Aleksandrovič

znanstveni voditelj, kan. fizike i matematike znanosti, Izvanredni profesor, Državno agrarno sveučilište St., Stavropol

U današnje vrijeme čovječanstvo ne razmišlja mnogo o tome što će ostaviti budućim generacijama. Ljudi bezumno crpe i iskapaju minerale. Svake godine broj stanovnika na planeti raste, a samim time i potreba za još više energetskih izvora kao što su plin, nafta i ugljen. Ovo se ne može dugo nastaviti. Stoga, sada, uz razvoj nuklearne industrije, korištenje alternativni izvori energije. Jedan od obećavajući pravci na ovom području je geotermalna energija.

Većina površine našeg planeta ima značajne rezerve geotermalne energije zbog značajne geološke aktivnosti: aktivna vulkanska aktivnost u početnim razdobljima razvoja našeg planeta i do danas, radioaktivni raspad, tektonski pomaci i prisutnost područja magme u zemljinoj kori. Na nekim mjestima na našem planetu akumulira se posebno mnogo geotermalne energije. To su, primjerice, razne doline gejzira, vulkani, podzemne nakupine magme, koje zauzvrat zagrijavaju gornje stijene.

govoreći jednostavnim jezikom Geotermalna energija je energija Zemljine unutrašnjosti. Na primjer, vulkanske erupcije jasno ukazuju na ogromnu temperaturu unutar planeta. Ova temperatura postupno opada od vruće unutarnje jezgre do Zemljine površine ( slika 1).

Slika 1. Temperatura u različitim slojevima zemlje

Geotermalna energija oduvijek je privlačila ljude svojim potencijalom. korisna primjena. Uostalom, čovjek je u procesu svog razvoja došao do mnogih korisne tehnologije i u svemu tražio dobit i dobit. To se dogodilo s ugljenom, naftom, plinom, tresetom itd.

Na primjer, u nekim zemljopisna područja korištenjem geotermalnih izvora može se značajno povećati proizvodnja energije, budući da su geotermalne elektrane (GeoTES) jedan od najjeftinijih alternativnih izvora energije, jer gornji sloj Zemlje od tri kilometra sadrži preko 1020 J topline pogodne za proizvodnju električne energije. Sama priroda daje čovjeku jedinstveni izvor energije, potrebno ga je samo koristiti.

Trenutno postoji 5 vrsta geotermalnih izvora energije:

1. Geotermalna ležišta suhe pare.

2. Izvori mokre pare. (mješavina vruće vode i pare).

3. Ležišta geotermalne vode (sadrže toplu vodu ili paru i vodu).

4. Suhe vruće stijene zagrijane magmom.

5. Magma (rastaljeno kamenje zagrijano na 1300 °C).

Magma svoju toplinu prenosi na stijene, a njihova temperatura raste s dubinom. Prema dostupnim podacima, temperatura stijena raste u prosjeku za 1 °C za svakih 33 m dubine (geotermalni korak). Široka je raznolikost temperaturnih uvjeta geotermalne energije diljem svijeta koji će odrediti tehnička sredstva za njegovu upotrebu.

Geotermalna energija može se koristiti na dva glavna načina - za proizvodnju električne energije i za grijanje raznih objekata. Geotermalna toplina može se pretvoriti u električnu energiju ako temperatura rashladne tekućine dosegne više od 150 °C. Upravo je korištenje unutarnjih predjela Zemlje za grijanje najisplativije i najučinkovitije te cjenovno vrlo pristupačno. Izravna geotermalna toplina, ovisno o temperaturi, može se koristiti za grijanje zgrada, staklenika, bazena, sušenje poljoprivrednih i ribljih proizvoda, isparavanje otopina, uzgoj ribe, gljiva itd.

Sve postojeće geotermalne instalacije podijeljene su u tri vrste:

1. stanice čiji se rad temelji na naslagama suhe pare – to je izravna shema.

Elektrane na suhu paru pojavile su se ranije nego itko drugi. Da bi se dobila potrebna energija, para se propušta kroz turbinu ili generator ( slika 2).

Slika 2. Geotermalna elektrana izravnog kruga

2. stanice sa separatorom koji koristi depozite tople vode pod pritiskom. Ponekad se za to koristi pumpa, koja osigurava potrebnu količinu dolazne energije - neizravna shema.

Ovo je najčešća vrsta geotermalnih postrojenja na svijetu. Ovdje se voda pumpa visokotlačni na generatorske setove. Hidrotermalna otopina se pumpa u isparivač kako bi se smanjio tlak, što rezultira isparavanjem dijela otopine. Zatim se stvara para koja pokreće turbinu. Preostala tekućina također može biti korisna. Obično se propušta kroz drugi isparivač kako bi se dobila dodatna snaga ( slika 3).

Slika 3. Indirektna geotermalna elektrana

Karakterizira ih nepostojanje interakcije između generatora ili turbine i pare ili vode. Princip njihovog rada temelji se na razumnom korištenju podzemne vode pri umjerenim temperaturama.

Obično bi temperatura trebala biti ispod dvjesto stupnjeva. Sam binarni ciklus sastoji se od korištenja dvije vrste vode – tople i umjerene. Oba toka prolaze kroz izmjenjivač topline. Toplija tekućina isparava hladniju, a pare nastale kao rezultat tog procesa pokreću turbine.

Slika 4. Shema geotermalne elektrane s binarnim ciklusom.

Što se naše zemlje tiče, geotermalna energija je na prvom mjestu po potencijalnim mogućnostima korištenja zbog jedinstvenog krajolika i prirodni uvjeti. Pronađene rezerve geotermalnih voda s temperaturama od 40 do 200 °C i dubinom do 3500 m na njenom području mogu osigurati približno 14 milijuna m3 tople vode dnevno. Velike rezerve podzemnih termalnih voda nalaze se u Dagestanu, Sjevernoj Osetiji, Čečeno-Ingušetiji, Kabardino-Balkariji, Zakavkazju, Stavropolskom i Krasnodarskom teritoriju, Kazahstanu, Kamčatki i nizu drugih regija Rusije. Na primjer, u Dagestanu se termalne vode već dugo koriste za opskrbu toplinom.

Prva geotermalna elektrana izgrađena je 1966. godine na polju Pauzhetsky na poluotoku Kamčatka za opskrbu električnom energijom okolnih sela i tvornica za preradu ribe, čime se promiče lokalni razvoj. Lokalni geotermalni sustav može osigurati energiju za elektrane snage do 250-350 MW. Ali ovaj potencijal koristi samo četvrtina.

Teritorij Kurilskih otoka ima jedinstven i istovremeno složen krajolik. Opskrba električnom energijom gradova koji se tamo nalaze dolazi s velikim poteškoćama: potreba za dostavom sredstava za život na otoke morem ili zrakom, što je prilično skupo i oduzima puno vremena. Geotermalni resursi otoka trenutno omogućuju proizvodnju 230 MW električne energije, čime se mogu zadovoljiti sve potrebe regije za energijom, toplinom i toplom vodom.

Na otoku Iturup pronađeni su resursi dvofaznog geotermalnog rashladnog sredstva čija je snaga dostatna za podmirenje energetskih potreba cijelog otoka. Na južnom otoku Kunashir nalazi se GeoPP od 2,6 MW, koji se koristi za proizvodnju električne energije i opskrbu toplinom grada Južno-Kurilsk. U planu je izgradnja još nekoliko GeoPP-a ukupne snage 12-17 MW.

Najperspektivnije regije za korištenje geotermalnih izvora u Rusiji su jug Rusije i Daleki istok. Kavkaz, Stavropoljska regija i Krasnodarska regija imaju ogroman potencijal za geotermalnu energiju.

Korištenje geotermalnih voda u središnjem dijelu Rusije zahtijeva visoke troškove zbog duboke pojave termalnih voda.

U Kalinjingradskoj regiji planira se implementirati pilot projekt za opskrbu geotermalnom toplinom i električnom energijom grada Svetly na temelju binarnog GeoPP-a kapaciteta 4 MW.

Geotermalna energija u Rusiji usmjerena je kako na izgradnju velikih objekata tako i na korištenje geotermalne energije za individualne domove, škole, bolnice, privatne trgovine i druge objekte koji koriste geotermalne cirkulacijske sustave.

U Stavropoljskom kraju, na polju Kayasulinskoye, započeta je i obustavljena izgradnja skupe eksperimentalne Stavropoljske geotermalne elektrane kapaciteta 3 MW.

Godine 1999. puštena je u rad Verkhne-Mutnovskaya GeoPP ( Slika 5).

Slika 5. Verkhne-Mutnovskaya GeoPP

Ima kapacitet od 12 MW (3x4 MW) i pilot je faza Mutnovskaya GeoPP s projektiranim kapacitetom od 200 MW, stvorena za opskrbu električnom energijom industrijske regije Petropavlovsk-Kamchatsk.

Ali unatoč velikim prednostima u ovom smjeru, postoje i nedostaci:

1. Glavna je potreba za pumpanjem otpadne vode natrag u podzemni vodonosnik. Termalne vode sadrže velike količine soli raznih toksičnih metala (bor, olovo, cink, kadmij, arsen) i kemijskih spojeva (amonijak, fenoli), što onemogućuje ispuštanje ovih voda u prirodne vodne sustave koji se nalaze na površini.

2. Ponekad geotermalna elektrana koja radi može prestati s radom kao rezultat prirodnih promjena u zemljinoj kori.

3. Pronađite odgovarajuće mjesto izgraditi geotermalnu elektranu, a dobivanje dozvole od lokalnih vlasti i suglasnosti stanovnika za njezinu izgradnju može biti problematično.

4. Izgradnja GeoPP-a može negativno utjecati na stabilnost zemljišta u okolnoj regiji.

Većina ovih nedostataka su minorni i potpuno rješivi.

U današnjem svijetu ljudi ne razmišljaju o posljedicama svojih odluka. Uostalom, što će učiniti ako im ponestane nafte, plina i ugljena? Ljudi su navikli živjeti u udobnosti. Oni još dugo neće moći grijati svoje kuće na drva, jer će brojna populacija trebati ogromne količine drva, što će prirodno dovesti do velike sječe šuma i ostaviti svijet bez kisika. Stoga, kako do toga ne bi došlo, potrebno je štedljivo, ali maksimalno učinkovito koristiti resurse koji su nam na raspolaganju. Samo jedan način rješavanja ovog problema je razvoj geotermalne energije. Naravno, ima svojih dobrih i loših strana, ali će njegov razvoj uvelike olakšati daljnji opstanak čovječanstva i odigrati veliku ulogu u njegovom daljnjem razvoju.

Sada ovaj smjer nije baš popularan, jer industrija nafte i plina dominira svijetom, a velike tvrtke ne žure ulagati u razvoj prijeko potrebne industrije. Stoga su za daljnji napredak geotermalne energije nužne investicije i državna potpora bez koje je naprosto nemoguće bilo što implementirati na nacionalnoj razini. Uvođenje geotermalne energije u energetsku bilancu zemlje omogućit će:

1. povećati energetsku sigurnost, s druge - smanjiti štetni učinci na ekološka situacija u usporedbi s tradicionalnim izvorima.

2. razvijati gospodarstvo, jer oslobođ unovčiti bit će moguće ulagati u druge industrije, društveni razvoj države, itd.

U posljednjem desetljeću korištenje netradicionalnih obnovljivih izvora energije doživjelo je pravi procvat u svijetu. Opseg korištenja ovih izvora porastao je nekoliko puta. Ona je sposobna radikalno i na najekonomičnijim osnovama riješiti problem opskrbe energijom ovih područja koja koriste skupa uvozna goriva i nalaze se na rubu energetske krize, poboljšati socijalni položaj stanovništva ovih područja itd. je upravo ono što vidimo u zemljama Zapadna Europa(Njemačka, Francuska, Velika Britanija), Sjeverna Europa (Norveška, Švedska, Finska, Island, Danska). To se objašnjava činjenicom da imaju visoku gospodarsku razvijenost i da su vrlo ovisne o fosilnim resursima, pa stoga čelnici tih država, zajedno s poslovnim subjektima, pokušavaju minimizirati tu ovisnost. Konkretno, razvoju geotermalne energije u zemljama sjeverne Europe pogoduje prisutnost velikog broja gejzira i vulkana. Nije uzalud Island nazvan zemljom vulkana i gejzira.

Sada čovječanstvo počinje shvaćati važnost ove industrije i pokušava je razviti što je više moguće. Korištenje širokog spektra različitih tehnologija omogućuje smanjenje potrošnje energije za 40-60% i istovremeno osiguravanje stvarnog gospodarskog razvoja. A preostale potrebe za električnom i toplinskom energijom mogu se zadovoljiti učinkovitijom proizvodnjom, obnovom, kombiniranjem proizvodnje toplinske i električna energija, kao i kroz korištenje obnovljivih izvora, što omogućuje napuštanje određenih vrsta elektrana i smanjuje emisiju ugljičnog dioksida za oko 80%.

Bibliografija:

1.Baeva A.G., Moskvicheva V.N. Geotermalna energija: problemi, resursi, uporaba: ur. M.: SO AN SSSR, Institut za termofiziku, 1979. - 350 str.

2. Berman E., Mavritsky B.F. Geotermalna energija: ur. M.: Mir, 1978. - 416 str.

3.Geotermalna energija. [Elektronički izvor] - Način pristupa - URL: http://ustoj.com/Energy_5.htm(datum pristupa 29.08.2013.).

4. Geotermalna energija u Rusiji. [Elektronički izvor] - Način pristupa - URL: http://www.gisee.ru/articles/geothermic-energy/24511/(datum pristupa: 07.09.2013.).

5. Dvorov I.M. Duboka toplina Zemlje: ur. M.: Nauka, 1972. - 208 str.

6.Energija. Materijal iz Wikipedije - slobodne enciklopedije. [Elektronički izvor] - Način pristupa - URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Geothermal_energy(datum pristupa: 07.09.2013.).