3.4 РОЗРАХУНОК ГЕОТЕРМАЛЬНОЇ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ

Зробимо розрахунок теплової схеми геотермальної електростанції бінарного типу, згідно .

Наша геотермальна електростанція складається із двох турбін:

Перша працює на насиченій водяній парі, отриманій у розширювачі. Електрична потужність - ;

Друга працює на насиченій парі хладону R11, який випаровується за рахунок тепла води, що відводиться з розширювача.

Вода з геотермальних свердловин з тиском pгв температурою tгв надходить у розширювач. У розширювачі утворюється суха насичена пара з тиском pp. Ця пара прямує до парової турбіни. Вода, що залишилася з розширювача йде у випарник, де охолоджується на і закінчується назад у свердловину. Температурний натиск у установці випаровування = 20°С. Робочі тіла розширюються в турбінах і надходять до конденсаторів, де охолоджуються водою з річки з температурою tхв. Нагрівання води в конденсаторі = 10°С, а недогрівання до температури насичення = 5°С.

Відносні внутрішні ККД турбін. Електромеханічний ККД турбогенераторів = 0,95.

Вихідні дані наведено у таблиці 3.1.

Табл. 3.1. Вихідні дані для розрахунку ГеоЕС

Принципова схема ГеоЕС бінарного типу (рис. 3.2).

Мал. 3.2. Принципова схема ГеоЕС.

Згідно зі схемою на рис. 3.2 та вихідним даним проводимо розрахунки.

Розрахунок схеми парової турбіни, що працює на сухій насиченій водяній парі

Температура пари при вході в конденсатор турбіни:

де - Температура охолоджуючої води на вході в конденсатор; - Нагрів води в конденсаторі; - температурний тиск у конденсаторі.

Тиск пари в конденсаторі турбіни визначається за таблицями властивостей води та водяної пари:

Теплоперепад на турбіну :

де - ентальпія сухої насиченої пари на вході в турбіну; - ентальпія наприкінці теоретичного процесу розширення пари у турбіні.

Витрата пари з розширювача на парову турбіну:

де - Відносний внутрішній ККД парової турбіни; - електромеханічний ККД турбогенераторів.

Розрахунок розширювача геотермальної води

Рівняння теплового балансу розширювача

де - Витрата геотермальної води зі свердловини; - ентальпія геотермальної води зі свердловини; - Витрата води з розширювача у випарник; - ентальпія геотермальної води на виході з розширювача. Визначається за таблицями властивостей води та водяної пари як ентальпія киплячої води.

Рівняння матеріального балансу розширювача

Вирішуючи разом ці два рівняння необхідно визначити і.

Температура геотермальної води на виході з розширювача визначається за таблицями властивостей води та водяної пари як температура насичення при тиску в розширювачі:

Визначення параметрів у характерних точках теплової схеми турбіни, що працює у холодоні

Температура парів хладону на вході в турбіну:

Температура парів хладону на виході з турбіни:

Ентальпія парів хладону на вході в турбіну визначається за p-h діаграмідля хладону на лінії насичення при:

240 кДж/кг.

Ентальпія парів хладону на виході з турбіни визначається по p-h діаграмі для хладону на перетині ліній та лінії температури:

220 кДж/кг.

Ентальпія киплячого хладону на виході з конденсатора визначається по p-h діаграмі для хладону на кривій для киплячої рідини за температурою:

215 кДж/кг.

Розрахунок випарника

Температура геотермальної води на виході з випарника:

Рівняння теплового балансу випарника:

де – теплоємність води. Прийняти = 4,2 кДж/кг.

З цього рівняння потрібно визначити.

Розрахунок потужності турбіни, що працює на хладоні

де - Відносний внутрішній ККД хладонової турбіни; - електромеханічний ККД турбогенераторів.

Визначення потужності насоса для закачування геотермальної води в свердловину

де - ККД насоса, що приймається 0,8; - Середній питомий обсяг геотермальної води.

Електрична потужність ГеоЕС

Альтернативні джерела енергії. Грозова електростанція

Розрахунок грозової електростанції розрахований, насамперед, визначення вихідний потужності. Адже завдання будь-якої електростанції полягає у максимальній енергетичній ефективності, щоб окупити кошти на експлуатацію та встановлення.

Проводимо основні розрахунки продуктивності насосної секції. Отже, при хвилі в 1м тіло, що знаходиться на плаву, піднімається вгору на 0,5 м, а потім опускається на 0,5 м нижче спокійного рівня води.

Види та розрахунок хвильової електростанції

Методика розрахунків хвильової електростанції описана у статті. У курсовому проекті розглянуто основні формули та приклад розрахунку потужності хвильової ГЕС за встановлених параметрів. Максимальна можлива потужність в одному циклі приплив-відлив.

Відновлювані джерела енергії. Розрахунок, види та завдання геотермальної електростанції

Існує кілька способів отримання енергії на ГеоЕС: - Пряма схема: пар направляється по трубах в турбіни, з'єднані з електрогенераторами; - непряма схема: аналогічна прямій схемі, але перед попаданням у труби пар очищають від газів.

Геотермальна енергія

Ще 150 років тому на нашій планеті використовувалися виключно відновлювані та екологічно безпечні джерела енергії: водні потоки річок та морських припливів – для обертання водяних коліс.

Геотермальна енергія

Геотермальна енергетика – отримання теплової чи електричної енергії за рахунок тепла земних глибин. Економічно ефективна в районах...

Геотермальна енергія

Існує думка, що використання низькотемпературної геотермальної енергії малих глибин можна розглядати як революцію в системі теплозабезпечення, що ґрунтується на невичерпності ресурсу, повсюдності його поширення.

Геотермальна енергія та її застосування

Розглянемо управління сучасною ГеоТЕС на прикладі системи управління першою у Прибалтиці показовою Клайпедською геотермальною електростанцією потужністю 43 МВт.

Відповідно до вимог Регістру здійснимо розрахунок навантаження СЕС у ходовому режимі. Скористаємося табличним методом розрахунку. При заповненні таблиці навантажень до граф 2-4 вносять дані завдання, до граф 5-8 - параметри двигунів.

Розрахунок суднової електричної станції

Розрахунок електричної системина основі схеми заміщення

Принципова схема триобмотувального трансформатора представлена ​​на рис. 4.3 а повна схема заміщення збігається зі схемою заміщення автотрансформатора (див. рис.3.2). Склад каталожних даних відрізняється від наведеного в п. 3 тем.

Теплопостачання промислових підприємств

Для приводу механізмів потреб ккд брутто визначається без урахування витрат енергії. Для ПТУ, що працюють за циклом Ренкіна, ккд брутто з урахуванням витрат на привід насоса: де - ентальпія пари в точках 1 і 2 діаграми.

До складу двоконтурної ГеоТЕУ (рис. 4.2) входить парогенератор 4, в якому теплова енергія геотермальної пароводяної суміші використовується для нагрівання і випаровування поживної води традиційної вологопарової паротурбінної установки 6 з електрогенератором 5. Відпрацювала в парогенераторі геотермальна вода закачується насосом 3. поживної води турбоустановки ведеться звичайними способами. Поживний насос 8 повертає конденсат з конденсатора 7 парогенератор.

У двоконтурній установці гази, що не конденсуються, в паровому контурі відсутні, тому в конденсаторі забезпечується більш глибокий вакуум і термічний ККД установки зростає в порівнянні з одноконтурною. На виході з парогенератора теплота геотермальних вод, що залишається, може, як і в разі одноконтурної ГеоТЕС, використовуватися для потреб теплопостачання.

Рис.4.2. Теплова схема двоконтурної ГеоТЕС

Гази, у тому числі сірководень, подаються з парогенератора до барботажного абсорберу і розчиняються у відпрацьованій геотермальній воді, після чого вона закачується в свердловину поховання. За даними випробувань на Океанській ГеоТЕС (Курильські острови), що будується, в барботажному абсорбері розчиняється 93.97% вихідного сірководню.

Перепад температур у парогенераторі знижує ентальпію гострої пари двоконтурної установки h 1 порівняно з одноконтурною, проте в цілому теплоперепад у турбіні збільшується через зменшення ентальпії відпрацьованої пари h 2 . Термодинамічний розрахунок циклу ведеться як для звичайної паротурбінної ТЕС (див. розділ сонячних паротурбінних установок).

Витрата гарячої води з геотермальних свердловин для встановлення потужністю N, кВт визначається з виразу

Кг/с (4.3)

де - перепад температур геотермальної води на вході та виході з парогенератора, ° C, - ККД парогенератора. Повний ККД сучасних двоконтурних паротурбінних ГеоТЕУ складає 17.27%.

На родовищах із порівняно низькою температурою геотермальних вод (100-200°С) застосовують двоконтурні установки на низько- киплячих робочих тілах (фреонах, вуглеводнях). Економічно виправдано використання таких установок для утилізації теплоти відсепарованої води одноконтурних ГеоТЕС (замість теплофікаційного теплообмінника на рис. 4.1). У нашій країні вперше в світі (1967 р.) створено енергоустановку цього типу на хладоні R-12 потужністю 600 кВт, побудовану на Паратунському геотермальному родовищі (Камчатка) при науковому керівництві інституту теплофізики Сибірського відділення АН СРСР. Перепад температур теплоносія становив 80...5 про З, холодна вода подавалась в конденсатор з р. Паратунка із середньорічною температурою 5 о С. На жаль, ці роботи не набули розвитку через колишню дешевизну органічного палива.

В даний час у АТ "Кіровський завод" опрацьовано проект та технічна документація двоконтурного геотермального модуля потужністю 1,5 МВт на фреоні R142в (резервний теплоносій - ізобутан). Енергомодуль повністю виготовлятиметься в заводських умовах і доставлятиметься залізничним транспортом, будівельно-монтажні роботи та підключення до енергосистеми вимагатимуть мінімальних витрат. Очікується, що заводську вартість при серійному виготовленні енергомодулів буде знижено приблизно до $800 за кіловат встановленої потужності.

Поряд з ГеоТЕС на однорідному низькокиплячому теплоносії в ЕНІН розробляється перспективна установка на суміші водоаміачному робочому тілі. Основна перевага такої установки – можливість її використання у широкому інтервалі температур геотермальних вод та пароводяної суміші (від 90 до 220 про С). При однорідному робочому тілі відхилення температури на виході з парогенератора на 10...20 про З розрахункової призводить до різкого зниження ККД циклу - в 2.4 рази. Змінюючи концентрацію компонентів сумішевого теплоносія, можна забезпечити при мінливих температурах прийнятні показники установки. Потужність водоаміачної турбіни в цьому діапазоні температур змінюється менш ніж на 15%. Крім того, така турбіна має найкращі масогабаритні показники, і водоаміачна суміш відрізняється найкращими характеристиками теплообміну, що дозволяє зменшити металоємність та вартість парогенератора та конденсатора порівняно з енергомодулем на однорідному теплоносії. Такі енергоустановки можуть бути широко використані для утилізації скидної теплоти в промисловості. Вони можуть мати постійний попит на міжнародному ринку геотермального обладнання.

Розрахунок ГеоТЕУ з низькокиплячими та сумішевими робочими тілами проводиться з використанням таблиць термодинамічних властивостей і h - s діаграм парів цих рідин.

До проблеми ГеоТЕС примикає можливість використання теплових ресурсів Світового океану, що часто згадується в літературі. У тропічних широтах температура морської води лежить на поверхні близько 25 про З, на глибині 500...1000 м - близько 2...3 про З. Ще 1881 р. Д"Арсонваль висловив ідею використовувати цю різницю температур для електроенергії. Схема установки за одним із проектів реалізації цієї ідеї представлено на рис.4.3.

Рис.4.3. Схема океанської ТЕС: 1 – насос подачі теплої поверхневої води; 2 - парогенератор низько- киплячого теплоносія; 3 – турбіна; 4 – електрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – насос подачі холодної глибинної води; 7 – поживний насос; 8 - судноплатформа

Насос 1 подає теплу поверхневу воду парогенератор 2, де випаровується низькокиплячий теплоносій. Пар з температурою близько 20° C направляється в турбіну 3, що приводить в рух електрогенератор 4. Відпрацьована пара надходить в конденсатор 5 і конденсується холодною глибинною водою, що подається циркуляційним насосом 6. Поживний насос 7 повертає теплоносій парогенератор.

При підйомі через теплі поверхневі шари глибинна вода нагрівається не менше ніж до 7...8° C, відповідно волога пара теплоносія, що відпрацювала, матиме температуру не нижче 12...13° C. У результаті термічний ККД цього циклу складе = 0,028, а для реального циклу – менше 2%. У той же час для океанської ТЕЦ характерні високі витрати енергії на власні потреби, будуть потрібні дуже великі витрати теплої та холодної води, а також теплоносія, споживання енергії насосами перевищать енергію, що виробляється блоком. У США спроби реалізувати такі енергоустановки біля Гавайських островів не дали позитивного результату.

Інший проект океанської ТЕС – термоелектричний – передбачає використовувати ефект Зеєбека, розміщуючи спаї термоелектродів у поверхневих та глибинних шарах океану. Ідеальний ККД такої установки, як для циклу Карно, становить близько 2%. У п.3.2 показано, що реальний ККД термоперетворювачів значно нижчий. Відповідно для теплознімання в поверхневих шарах океанської води та віддачі теплоти в глибинних довелося б споруджувати поверхні теплообміну ("підводні вітрила") дуже великої площі. Це неможливо для енергетичних установок майже помітної потужності. Мала щільність енергії є перешкодою використання океанських запасів теплоти.

Читайте та пишітькорисні

Мета лекції:показати можливості та способи використання геотермального тепла у системах електропостачання.

Тепло у вигляді гарячих джерел і гейзерів може бути використане для виробництва електроенергії по різним схемамна геотермальних електростанціях (ГеоЕС). Найбільш легко здійсненною схемою є схема із застосуванням пари рідин, що мають низьку температуру кипіння. Гаряча вода з природних джерел, обігріваючи таку рідину у випарнику, звертає її в пару, що використовується в турбіні і служить приводом генератора струму.

На малюнку 1 зображено цикл з одним робочим тілом, наприклад, з водою або фреоном ( а); цикл із двома робочими тілами – водою та фреоном ( б); прямий паровий цикл ( в) та двоконтурний цикл ( г).

Технології виробництва електричної енергії значною мірою залежить від теплового потенціалу термальних вод.

Малюнок. 1 - Приклади організації циклу виробництва електроенергії:

I – геотермальне джерело; II – турбінний цикл; III – охолодна вода

Високопотенційні родовища дозволяють використовувати практично традиційні конструкції теплових електростанцій із паровими турбінами.

Таблиця 1 -Технічні характеристикигеотермальних електростанцій

На малюнку 2 представлена ​​найбільш проста схеманевеликий електростанції (ГеоЕС) використовує тепло гарячого підземного джерела.

Вода з гарячого джерела з температурою близько 95 °С насосом 2 подається в газоудалювач 3 де відбувається відділення розчинених в ній газів.

Далі вода надходить у випарник 4, в якому відбувається її перетворення на насичену пару і невеликий перегрів за рахунок тепла пари (від допоміжного котла), попередньо відпрацював в ежекторі конденсатора.

Злегка перегріта пара здійснює роботу в турбіні 5, на валу якої знаходиться генератор струму. Відпрацьована пара конденсується в конденсаторі 6, охолоджується водою зі звичайною температурою.

Малюнок 2-. Схема невеликої ГеоЕС:

1 – приймач гарячої води; 2 – насос гарячої води; 3 – газоудалювач;

4 – випарник; 5 – парова турбіназ генератором струму; 6 – конденсатор; 7 – циркуляційний насос; 8 – приймач охолоджувальної води

Такі найпростіші установки функціонували в Африці вже у 50-х роках.

Очевидним варіантом конструкції сучасної енергоустановки є геотермальна електростанція з низькокиплячою робочою речовиною, представлена ​​на малюнку 3. Гаряча вода з бака-акумулятора надходить у випарник 3, де віддає своє тепло будь-якій речовині з низькою температурою кипіння. Такими речовинами можуть бути вуглекислота, різні фреони, шестифториста сірка, бутан та ін. Конденсатор 6 – змішувального типу, який охолоджується холодним рідким бутаном, що надходить з поверхневого повітряного охолоджувача. Частина бутану з конденсатора поживним наосом 9 подається у підігрівач 10, а потім у випарник 3.

Важливою особливістю цієї схеми є можливість роботи в зимовий часіз низькими температурами конденсації. Ця температура може бути близькою до нуля або навіть негативною, тому що всі перераховані речовини мають дуже низькі температури замерзання. Це дозволяє значно розширити межі температур, що використовуються в циклі.

Малюнок 3. Схема геотермальної електростанції з низькокиплячою робочою речовиною:

1 - свердловина, 2 - бак-акумулятор, 3 - випарник, 4 - турбіна, 5 - генератор, 6 - конденсатор, 7 - циркуляційний насос, 8 - поверхневий повітряний охолоджувач, 9 - живильний насос, 10 - підігрівач

Геотермальна електростанція з безпосереднім використанням природної пари.

Найпростіша і доступна геотермальна енергоустановка є паротурбінною установкою з протитиском. Природний пар зі свердловини подається прямо в турбіну з наступним виходом в атмосферу або в пристрій, що вловлює цінні хімічні речовини. У турбіну з протитиском можна подавати вторинний пар або пар, що отримується з сепаратора. За цією схемою електростанція працює без конденсаторів, і відпадає необхідність у компресорі для видалення з конденсаторів газів, що не конденсуються. Ця установка найбільш проста, капітальні та експлуатаційні витрати на неї мінімальні. Вона займає невелику площу, майже не вимагає допоміжного обладнання та її легко пристосувати як переносну геотермальну електростанцію (рисунок 4).

Малюнок 4 - Схема геотермальної електростанції з безпосереднім використанням природної пари:

1 – свердловина; 2 – турбіна; 3 – генератор;

4 - вихід в атмосферу або на хімічний завод

Розглянута схема може стати найвигіднішою для тих районів, де є достатні запаси природної пари. Раціональна експлуатація забезпечує можливість ефективної роботитакої установки навіть при змінному дебіті свердловин.

В Італії працює декілька таких станцій. Одна з них - потужністю 4 тис. кВт при питомій витраті пари близько 20 кг/с або 80 т/год; інша – потужністю 16 тис. кВт, де встановлено чотири турбогенератори потужністю по 4 тис. кВт. Остання забезпечується парою від 7-8 свердловин.

Геотермальна електростанція з конденсаційною турбіною та прямим використанням природної пари (рисунок 5) – це найсучасніша схема отримання електричної енергії.

Пара зі свердловини подається в турбіну. Відпрацьований у турбіні, він потрапляє в змішуючий конденсатор. Суміш охолоджувальної води і конденсату вже відпрацьованого в турбіні пара випускається з конденсатора в підземний бак, звідки забирається циркуляційними насосами і направляється для охолодження в градирню. З градирні вода, що охолоджує, знову потрапляє в конденсатор (рисунок 5).

За такою схемою з деякими змінами працює багато геотермальних електростанцій: «Лардерелло-2» (Італія), «Вайракей» (Нова Зеландія) та ін.

Область застосування двоконтурних енергоустановок на низько-киплячих робочих речовинах (хладон-R12, водоаміачна суміш)є використання тепла термальних вод з температурою 100…200 °C, а також відсепарованої води на місцях парогідротерм.

Малюнок 5 - Схема геотермальної електростанції з конденсаційною турбіною та прямим використанням природної пари:

1 – свердловина; 2 – турбіна; 3 – генератор; 4 – насос;

5 – конденсатор; 6 – градирня; 7 – компресор; 8 – скидання

Комбіноване виробництво електричної та теплової енергії

Комбіноване виробництво електричної та теплової енергії можливе на геотермальних теплових електричних станціях (ГеоТЕС).

Найбільш проста схема ГеоТЕС вакуумного типу для використання тепла гарячої води з температурою до 100 ° С наведена на малюнку 6.

Робота такої електростанції протікає в такий спосіб. Горяча вода зі свердловини 1 надходить у бак-акумулятор 2. У баку вона освобождается від розчинених у ній газів і направляється в розширювач 3, в якому підтримується тиск 0,3 атм. При цьому тиску і при температурі 69 ° С невелика частина води перетворюється на пару і направляється у вакуумну турбіну 5, а вода, що залишилася, насосом 4 перекачується в систему теплопостачання. Відпрацьований в турбіні пар скидається в змішуючий конденсатор 7. Для видалення повітря з конденсатора встановлюється вакуумний насос 10. Суміш охолоджувальної води і конденсату відпрацьованої пари забирається з конденсатора насосом 8 і віддається для охолодження в вентиляційну градирню 9 в. самопливом за рахунок розрядження.

Верхньо-Мутнівська ГеоТЕС потужністю 12 МВт (3х4 МВт) є дослідно-промисловою чергою Мутновської ГеоТЕС проектною потужністю 200 МВт, що створюється для електропостачання Петропав-ловськ-Камчатського промислового району.

Малюнок 6 -. Схема вакуумної ГеоТЕС з одним розширювачем:

1 – свердловина, 2 – бак-акумулятор, 3 – розширювач, 4 – насос гарячої води, 5 – вакуумна турбіна 750 кВт, 6 – генератор, 7 – змішуючий конденсатор,

8 – насос охолоджувальної води; 9 – вентиляторна градирня; 10 – вакуумний насос.

На Паужетській ГеоТЕС (південь Камчатки) потужністю 11 МВт використовується на парових турбінах тільки відсепарований геотермальний пар з пароводяної суміші, що отримується з геотермальних свердловин. Велика кількість геотермальної води (близько 80 ? загальної витрати ПВС) з температурою 120 ° C скидається в нерестову річку Озерна, що призводить не тільки до втрат теплового потенціалу геотермального теплоносія, але і істотно погіршує екологічний стан річки.

Теплові насоси

Тепловий насос- пристрій для перенесення теплової енергії від джерела низькопотенційної теплової енергії з низькою температурою до споживача теплоносія з вищою температурою; Термодинамічно тепловий насос є зверненою холодильною машиною. Якщо в холодильній машині основною метою є виробництво холоду шляхом відбору теплоти з будь-якого об'єму випарником, а конденсатор здійснює скидання теплоти в навколишнє середовище, то в тепловому насосі зворотна картина (рисунок 7). Конденсатор є теплообмінним апаратом, що виділяє теплоту для споживача, а випарник - теплообмінним апаратом, що утилізує низькопотенційну теплоту, що знаходиться у водоймах, ґрунтах, стічних водахі тому подібне. Залежно від принципу роботи теплові насосиподіляються на компресійні та абсорбційні. Компресійні теплові насоси завжди приводяться в дію за допомогою електромотора, в той час як абсорбційні теплові насоси можуть використовувати тепло як джерело енергії. Для компресора потрібне також джерело низькопотенційного тепла.

У процесі роботи компресор споживає електроенергію. Співвідношення теплової енергії і споживаної електричної називається коефіцієнтом трансформації (або коефіцієнтом перетворення теплоти) і служить показником ефективності теплового насоса. Ця величина залежить від різниці рівня температур у випарнику та конденсаторі: чим більша різниця, тим менша ця величина.

за виду теплоносіяу вхідному та вихідному контурах насоси ділять на шість типів: «грунт-вода», «вода-вода», «повітря-вода», «грунт-повітря», «вода-повітря», «повітря-повітря».

При використанні як джерела тепла енергії ґрунту трубопровід, в якому циркулює рідина, заривають у землю на 30-50 см нижче рівня промерзання ґрунту в даному регіоні (рисунок 8). Для встановлення теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідний земляний контур завдовжки 350-450 м, для укладання якого буде потрібна ділянка землі площею близько 400 м2 (20х20 м).

Рисунок 7 – Схема роботи теплового насосу

Рисунок 8 - Використання як джерело тепла енергії ґрунту

До переваг теплових насосів в першу чергу слід віднести економічність: для передачі в систему опалення 1 кВт·год теплової енергії установці ТНУ необхідно витратити 0,2-0,35 кВт·г електроенергії. експлуатаційних витрат, крім вартості електроенергії, необхідної для роботи обладнання, що може бути одержана від вітрових та сонячних енергетичних установок. Термін окупності теплових насосів складає 4-9 років, за термін служби по 15-20 років до капітального ремонту.

Реальні значення ефективності сучасних теплових насосів становлять порядку СОР = 2.0 за нормальної температури джерела −20 °C, і порядку СОР = 4.0 за нормальної температури джерела +7 °C.

Геотермальна енергія – це енергія, яка отримується з природного тепла Землі. Досягти цього тепла можна за допомогою свердловин. Геотермічний градієнт у свердловині зростає на 1°С кожні 36 метрів. Це тепло доставляється на поверхню у вигляді пари чи гарячої води. Таке тепло може використовуватися як безпосередньо для обігріву будинків і будівель, так і для виробництва електроенергії. Термальні регіони є у багатьох частинах світу.

За різними підрахунками, температура у центрі Землі становить, мінімум, 6 650 0С. Швидкість охолодження Земля приблизно дорівнює 300-350 градусів на мільярд років. Земля містить 42 х 1012 Вт тепла, з яких 2% міститься в корі та 98% - у мантії та ядрі. Сучасні технологіїне дозволяють досягти тепла, яке знаходиться надто глибоко, але й 840 000 000 000 Вт (2%) доступної геотермальної енергії можуть забезпечити потреби людства на тривалий час. Області навколо країв континентальних плит є найкращим місцемдля будівництва геотермальних станцій, тому що кора в таких зонах набагато тонша.

Геотермальні електростанції та геотермальні ресурси

Чим глибша свердловина, тим вища температура, але в деяких місцях геотермальна температура піднімається швидше. Такі місця зазвичай перебувають у зонах підвищеної сейсмічної активності, де зіштовхуються чи розриваються тектонічні плити. Саме тому найперспективніші геотермальні ресурси перебувають у зонах вулканічної активності. Що вище геотермічний градієнт, то дешевше обходиться видобуток тепла, рахунок зменшення витрат на буріння і гойдання. У найбільш сприятливих випадках градієнт може бути настільки високий, що поверхневі водинагріваються до потрібної температури. Прикладом таких випадків є гейзери і гарячі джерела.

Нижче земної кори знаходиться шар гарячого та розплавленого каменю званий магмою. Тепло виникає там насамперед за рахунок розпаду природних радіоактивних елементів, таких як уран та калій. Енергетичний потенціал тепла на глибині 10 000 метрів у 50 000 разів більше енергії, ніж усі світові запаси нафти та газу.

Зони найвищих підземних температур знаходяться у регіонах з активними та молодими вулканами. Такі «гарячі точки» знаходяться на межах тектонічних плит або в місцях, де кора настільки тонка, що пропускає тепло магми. Безліч гарячих точок знаходиться в зоні Тихоокеанського кільця, яке ще називають «вогняне кільце» через велику кількість вулканів.

Геотермальні електростанції – способи використання геотермальної енергії

Існує два основні способи використання геотермальної енергії: пряме використання тепла та виробництво електроенергії. Пряме використання тепла є найпростішим і тому найпоширенішим способом. Практика прямого використання тепла поширена у високих широтах на межах тектонічних плит, наприклад в Ісландії та Японії. Водопровід у таких випадках монтується безпосередньо у глибинні свердловини. Отримана гаряча вода застосовується для підігріву доріг, сушіння одягу та обігріву теплиць та житлових будівель. Спосіб виробництва електрики з геотермальної енергії дуже схожий спосіб прямого використання. Єдиною відмінністю є необхідність у вищій температурі (понад 150 0С).

У Каліфорнії, Неваді та деяких інших місцях геотермальна енергія використовується на великих електростанціяхТак, у Каліфорнії близько 5% електрики виробляється за рахунок геотермальної енергії, в Сальвадорі геотермальна енергія виробляє близько 1/3 електроенергії. В Айдахо та Ісландії геотермальне тепло використовується в різних сферах, у тому числі для обігріву житла. У тисячах будинків геотермальні теплові насоси використовуються для отримання екологічно чистого та недорогого тепла.

Геотермальні електростанції – джерела геотермальної енергії.

Суха нагріта порода– Для того, щоб використовувати енергію в геотермальних електростанціях, що міститься в сухій скельній породі, воду при високому тиску закачують у породу. Таким чином, розширюються існуючі в породі злами і створюється підземний резервуар пари або гарячої води.

Магма- Розплавлена ​​маса, що утворюється під корою Землі. Температура магми досягає 1200 0С. Незважаючи на те, що невеликі обсяги магми знаходяться на доступних глибинах, практичні методиотримання енергії з магми перебувають у стадії розробки.

Гарячі під тиском підземні води, Що містять розчинений метан У виробництві електроенергії використовують і тепло, і газ.

Геотермальні електростанції – принципи роботи

В даний час існує три схеми виробництва електроенергії з використанням гідротермальних ресурсів: пряма з використанням сухої пари, непряма з використанням водяної пари та змішана схема виробництва (бінарний цикл). Тип перетворення залежить від стану середовища (пар або вода) та її температури. Першими було освоєно електростанції на сухій парі. Для виробництва електроенергії на них пара, що надходить зі свердловини, пропускається безпосередньо через турбіну/генератор. Електростанції з непрямим типом виробництва електроенергії на сьогоднішній день є найпоширенішими. Вони використовують гарячі підземні води (температурою до 182 0С), що закачується при високому тиску в генераторні установки на поверхні. Геотермальні електростанції зі змішаною схемою виробництва відрізняються від двох попередніх типів геотермальних електростанцій тим, що пара та вода ніколи не вступають у безпосередній контакт із турбіною/генератором.

Геотермальні електростанції, що працюють на сухій парі

Парові електростанції працюють переважно на гідротермальній парі. Пара надходить безпосередньо в турбіну, яка живить генератор, що виробляє електроенергію. Використання пари дозволяє відмовитися від спалювання викопного палива (також відпадає необхідність у транспортуванні та зберіганні палива). Це найстаріші геотермальні електростанції. Перша така електростанція була побудована в Лардерелло (Італія) у 1904 році, вона діє і зараз. Парова технологія використовується на електростанції «Гейзерс» у Північній Каліфорнії – це найбільша геотермальна електростанція у світі.

Геотермальні електростанції на парогідротермах

Для виробництва електрики на таких заводах використовують перегріті гідротерми (температура вище 182 °С). Гідротермальний розчин нагнітається у випарник для зниження тиску, тому частина розчину дуже швидко випаровується. Отримана пара приводить у дію турбіну. Якщо в резервуарі залишається рідина, її можна випарувати в наступному випарнику для отримання ще більшої потужності.

Геотермальні електростанції із бінарним циклом виробництва електроенергії.

Більшість геотермальних районів містять воду помірних температур (нижче за 200 0С). На електростанціях із бінарним циклом виробництва ця вода використовується для отримання енергії. Гаряча геотермальна вода та друга, додаткова рідина з нижчою точкою кипіння, ніж у води, пропускаються через теплообмінник. Тепло геотермальної води випарює другу рідину, пари якої приводять у дію турбіни. Так як це замкнута системаВикиди в атмосферу практично відсутні. Води помірної температури є найпоширенішим геотермальним ресурсом, тому більшість геотермальних електростанцій майбутнього працюватимуть цьому принципі.

Майбутнє геотермальної електрики.

Резервуари з парою та гарячою водою є лише малою частиною геотермальних ресурсів. Земна магма і суха тверда порода забезпечать дешевою, чистою практично невичерпною енергією, як тільки будуть розроблені відповідні технології їх утилізації. До того часу найпоширенішими виробниками геотермальної електроенергії будуть електростанції з бінарним циклом.

Щоб геотермальна електрика стала ключовим елементом енергетичної інфраструктури США, необхідно розробити методи зменшення вартості його отримання. Департамент Енергетики США працює з представниками геотермальної промисловості щодо зменшення вартості кіловат-години до $0,03-0,05. За прогнозами, найближчим десятиліттям з'являться нові геотермальні електростанції потужністю 15 000 МВт.

ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА

Скотарьов Іван Миколайович

студент 2 курсу, кафедрафізики СтДАУ, м. Ставрополь

Хащенко Андрій Олександрович

науковий керівник, кан. фіз.-мат. наук, доцент СтДАУ, м. Ставрополь

Зараз людство не сильно замислюється, що воно залишить майбутнім поколінням. Люди бездумно викачують та викопують корисні копалини. З кожним роком зростає населення планети, а отже збільшується і потреба ще більшої кількості енергоносіїв таких як газ, нафта і вугілля. Тривати це довго не може. Тому зараз, крім розвитку атомної промисловості, стає актуальним використання. альтернативних джереленергії. Одним з перспективних напряміву цій галузі є геотермальна енергетика.

Велика частина поверхні нашої планети має значні запаси геотермальної енергії внаслідок значної геологічної діяльності: активної вулканічної діяльності в початкові періоди розвитку нашої планети, а також і до цього дня, радіоактивного розпаду, тектонічних зрушень та наявності ділянок магми в земній корі. У деяких місцях нашої планети накопичується багато геотермальної енергії. Це, наприклад, різні долини гейзерів, вулкани, підземні скупчення магми, які своєю чергою нагрівають верхні породи.

Говорячи простою мовоюГеотермальна енергія – це енергія внутрішніх областей Землі. Наприклад, виверження вулканів наочно свідчить про величезну температуру всередині планети. Ця температура поступово знижується від гарячого внутрішнього ядра до Землі ( малюнок 1).

Рисунок 1. Температура у різних шарах землі

Геотермальна енергія завжди приваблювала людей своїми можливостями. корисного застосування. Адже людина в процесі свого розвитку вигадувала безліч корисних технологійі у всьому шукав вигоду та прибуток. Так і сталося з вугіллям, нафтою, газом, торфом тощо.

Наприклад, у деяких географічних районахвикористання геотермальних джерел може істотно збільшити вироблення енергії, оскільки геотермальні електростанції (ГеоТЕС) є одним з найдешевших альтернативних джерел енергії, тому що у верхньому трикілометровому шарі Землі міститься понад 1020 Дж теплоти, придатної для вироблення електроенергії. Сама природа дає людині до рук унікальне джерело енергетики, необхідно лише його використовувати.

Усього зараз налічується 5 типів джерел геотермальної енергії:

1. Родовища геотермальної сухої пари.

2. Джерела вологої пари. (суміші гарячої води та пари).

3. Родовища геотермальної води (містять гарячу воду або пару та воду).

4. Сухі гарячі скельні породи, розігріті магмою.

5. Магма (розплавлені гірські породи нагріті до 1300 ° С).

Магма передає своє тепло гірським породам, причому зі зростанням глибини їхня температура підвищується. За наявними даними, температура гірських порід підвищується загалом на 1 °З кожні 33 м глибини (геотермічна щабель). У світі є велика різноманітність температурних умов геотермальних джерел енергії, які визначатимуть технічні засобидля її використання.

Геотермальна енергія може бути використана двома основними способами - для вироблення електроенергії та для обігріву різних об'єктів. Геотермальне тепло можна перетворювати на електрику, якщо температура теплоносія досягає понад 150 °С. Саме використання внутрішніх областей Землі для опалення є найбільш вигідним і ефективним і дуже доступним. Пряме геотермальне тепло в залежності від температури може використовуватися для опалення будівель, теплиць, басейнів, сушіння сільськогосподарських та рибопродуктів, випарювання розчинів, вирощування риби, грибів тощо.

Всі існуючі на сьогоднішній день геотермальні установки поділяються на три типи:

1. станції, основою до роботи яких є родовища сухого пара - це пряма схема.

Електростанції на сухій парі з'явилися раніше за всіх. Для того щоб отримати потрібну енергію пар пропускається через турбіну або генератор ( малюнок 2).

Малюнок 2. Геотермальна електростанція прямої схеми

2. станції із сепаратором, які використовують родовища гарячої води під тиском. Іноді для цього використовується насос, який забезпечує потрібний обсяг енергоносія, що надходить - непряма схема.

Це найпоширеніший тип геотермальних станцій у світі. Тут води закачуються під високим тискому генераторні установки. Відбувається накачування гідротермального розчину випарник для зниження тиску, в результаті йде випаровування частини розчину. Далі утворюється пара, яка і змушує працювати турбіну. Рідина, що залишилася, також може приносити користь. Зазвичай її пропускають через один випарник і отримати додаткову потужність ( малюнок 3).

Малюнок 3. Геотермальна електростанція непрямої схеми

Вони характеризуються відсутністю взаємодії генератора чи турбіни з парою чи водою. Принцип їх дії ґрунтується на розумному застосуванні підземної води помірної температури.

Зазвичай температура має бути нижчою за двісті градусів. Сам бінарний цикл полягає у використанні двох типів вод – гарячої та помірної. Обидва потоки пропускаються через теплообмінник. Більш гаряча рідина випарює холоднішу, і утворені внаслідок цього процесу пари приводять в дію турбіни , , .

Малюнок 4. Схема геотермальної електростанції з бінарним циклом

Що стосується нашої країни, геотермальна енергія займає перше місце за потенційними можливостями її використання через унікальний ландшафт і природних умов. Знайдені запаси геотермальних вод із температурою від 40 до 200 °З повагою та глибиною залягання до 3500 м її території можуть забезпечити отримання приблизно 14 млн. м3 гарячої води на добу. Великі запаси підземних термальних вод знаходяться в Дагестані, Північній Осетії, Чечено-Інгушетії, Кабардино-Балкарії, Закавказзі, Ставропольському та Краснодарському краях, Казахстані, на Камчатці та в інших районах Росії. Наприклад, у Дагестані вже тривалий час термальні води використовуються для теплопостачання.

Перша геотермальна електростанція була побудована у 1966 році на Паужетському родовищі на півострові Камчатка з метою електропостачання навколишніх селищ та рибопереробних підприємств, що сприяло місцевому розвитку. Місцева геотермальна система може забезпечити енергією електростанції потужністю до 250-350 МВт. Але цей потенціал використовується лише на чверть.

Територія Курильських островів має унікальний і водночас складний ландшафт. Електропостачання міст, що знаходяться там, обходиться великими складнощами: необхідність доставки на острови засобів існування морським або повітряним шляхом, що досить затратно і займає багато часу. Геотермальні ресурси островів на даний момент дозволяють отримувати 230 МВт електроенергії, що може забезпечити всі потреби регіону в енергетиці, теплі, гарячому водопостачанні.

На острові Ітуруп знайдено ресурси двофазного геотермального теплоносія, потужності якого достатньо задоволення енергопотреб всього острова. На південному острові Кунашир діє ГеоЕс 2,6 МВт, які використовуються для отримання електроенергії і теплопостачання м. Южно-Курильська. Планується будівництво ще кількох ГеоЕс сумарною потужністю 12-17 МВт.

Найбільш перспективними регіонами для застосування геотермальних джерел у Росії є південь Росії та Далекий Схід. Величезний потенціал геотермальної енергетики мають Кавказ, Ставропілля, Краснодарський край.

Використання геотермальних вод у Центральній частині Росії потребує великих витрат через глибоке залягання термальних вод.

У Калінінградській області у планах здійснення дослідного проекту геотермального тепло- та електропостачання міста Світлий на базі бінарної ГеоЕс потужністю 4 МВт.

Геотермальна енергетика Росії орієнтована як у будівництво великих об'єктів, і використання геотермальної енергії окремих будинків, шкіл, лікарень, приватних магазинів та інших об'єктів з допомогою геотермальних циркуляційних систем.

У Ставропольському краї на Каясулінському родовищі розпочато та призупинено будівництво дорогої досвідченої Ставропольської ГеоТЕС потужністю 3 МВт.

У 1999 р. була пущена в експлуатацію Верхньо-Мутнівська ГеоЕС ( малюнок 5).

Малюнок 5. Верхньо-Мутнівська ГеоЕС

Вона має потужність 12 МВт (3х4 МВт) і є дослідно-промисловою чергою Мутнівської ГеоЕС проектною потужністю 200 МВт, що створюється для електропостачання промислового району Петропавловськ-Камчатська.

Але незважаючи на великі плюси в цьому напрямі є й недоліки:

1. Головний із них полягає у необхідності закачування відпрацьованої води назад у підземний водоносний горизонт. У термальних водах міститься велика кількість солей різних токсичних металів (бору, свинцю, цинку, кадмію, миш'яку) та хімічних сполук (аміаку, фенолів), що унеможливлює скидання цих вод у природні водні системи, розташовані на поверхні.

2. Іноді діюча геотермальна електростанція може призупинитися внаслідок природних змін у земній корі.

3. Знайти підходяще місцедля будівництва геотермальної електростанції та отримати дозвіл місцевої влади та згода жителів на її зведення може бути проблематичною.

4. Будівництво ГеоЕС може негативно вплинути на землю стабільності у навколишньому регіоні.

Більшість цих недоліків незначні і в повніше розв'язувані.

Сьогодні у світі люди не замислюються над наслідками своїх рішень. Адже що вони робитимуть якщо закінчаться нафта, газ та кут? Адже люди звикли жити в комфорті. Топити будинки дровами вони довго не зможуть, тому що великому населенню знадобиться величезна кількість деревини, що само собою приведе до масштабної вирубки лісів і залишить світ без кисню. Тому для того, щоб цього не сталося, необхідно використовувати доступні нам ресурси економно, але з максимальною ефективністю. Саме одним із способів вирішення цієї проблеми є розвиток геотермальної енергетики. Звичайно вона має свої плюси та мінуси, але її розвиток дуже полегшить подальше існування людства та відіграє велику роль у подальшому його розвитку.

Зараз цей напрямок не дуже популярний, тому що у світі панує нафтова і газова промисловість і великі компанії не поспішають вкладати кошти в розвиток такої необхідної галузі промисловості. Тому для подальшого прогресування геотермальної енергетики необхідні інвестиції та підтримка держави, без якої здійснити що-небудь у масштабі всієї країни просто неможливо. Введення геотермальної енергетики в енергобаланс країни дозволить:

1. підвищити енергетичну безпеку, з іншого – знизити шкідливий впливна екологічну обстановкупроти традиційними джерелами.

2. розвинути економіку, тому що вивільнені грошові коштиможна буде вкладати в інші галузі промисловості, соціальний розвитокдержави і т.д.

В останні десятиліття використання нетрадиційних відновлюваних джерел енергії переживає у світі справжній бум. Масштаб застосування цих джерел зріс у кілька разів. Вона здатна радикально і на найбільш економічній основі вирішити проблему енергопостачання вказаних районів, які користуються дорогим паливом, що привіз, і знаходяться на межі енергетичної кризи, покращити соціальне становище населення цих районів і т. д. Саме це ми і спостерігаємо в країнах Західної Європи(Німеччина, Франція, Великобританія), Північна Європа (Норвегія, Швеція, Фінляндія, Ісландія, Данія). Це пояснюється тим, що вони мають високий економічний розвиток і дуже залежать від викопних ресурсів і тому глави цих держав разом з бізнесом намагаються мінімізувати цю залежність. Зокрема, країнам Північної Європи розвитку геотермальної енергетики сприяє наявність великої кількості гейзерів та вулканів. Адже не дарма Ісландії називають країною вулканів та гейзерів.

Нині людство починає розуміти всю важливість цієї галузі та намагається у міру можливостей її розвивати. Застосування великої низки найрізноманітніших технологій дає можливість знизити споживання енергії на 40-60% і водночас забезпечити реальний економічний розвиток. А потреби в електроенергії і теплі, що залишилися, можна закрити за рахунок більш ефективного її виробництва, за рахунок відновлення, за рахунок об'єднання вироблення теплової і електричної енергії, а також рахунок використання відновлюваних ресурсів, що дозволяє відмовитися від деяких видів електростанцій і знижує емісію вуглекислого газу приблизно на 80 %.

Список літератури:

1.Баєва А.Г., Москвичова В.М. Геотермальна енергія: проблеми, ресурси, використання: вид. М.: ЗІ АН СРСР, Інститут теплофізики, 1979. – 350 с.

2. Берман Е., Маврицький Б.Ф. Геотермальна енергія: вид. М: Мир, 1978 - 416 стор.

3.Геотермальна енергія. [Електронний ресурс] - Режим доступу - URL: http://ustoj.com/Energy_5.htm(Дата звернення 29.08.2013).

4.Геотермальна енергетика Росії. [Електронний ресурс] - Режим доступу - URL: http://www.gisee.ru/articles/geothermic-energy/24511/(Дата звернення 07.09.2013).

5.Дворов І.М. Глибинне тепло Землі: вид. М.: Наука, 1972. – 208 с.

6.Енергетика. Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії. [Електронний ресурс] - Режим доступу - URL: http://ua.wikipedia.org/wiki/Геотермальна_енергетика(Дата звернення 07.09.2013).