Реферат: Геотермальная энергетика. Геотермальная энергетика Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции

Ресурсы геотермальной энергии на территории России имеют значи­тельный промышленный потенциал, в том числе и энергетический. Запасы тепла Земли с температурой 30-40 °С (рис. 17.20, см. цветную вклейку) имеются практически на всей территории России, а в отдельных регионах имеются геотермальные ресурсы с температурой до 300 °С. В зависимо­сти от температуры геотермальные ресурсы используются в различных отраслях народного хозяйства: электроэнергетике, теплофикации, про­мышленности, сельском хозяйстве, бальнеологии.

При температурах геотермальных ресурсов свыше 130 °С возможно получение электроэнергии на одноконтурных геотермальных электро­станциях (ГеоЭС). Однако ряд регионов России располагают значитель­ными запасами геотермальных вод с более низкой температурой порядка 85 °С и выше (рис. 17.20, см. цветную вклейку). В этом случае можно полу­чить электроэнергию на ГеоЭС с бинарным циклом. Бинарные электриче­ские станции - это двухконтурные станции с использованием в каждом контуре своего рабочего тела. К бинарным также иногда относят одно­контурные станции, которые работают на смеси двух рабочих тел - аммиака и воды (рис. 17.21, см. цветную вклейку).

Первые геотермальные электростанции в России были построены на Камчатке в 1965-1967 гг.: Паужетская ГеоЭС, которая работает и в настоящее время производит самую дешевую электроэнергию на Кам­чатке, и Паратунская ГеоЭС с бинарным циклом. В дальнейшем в мире было построено около 400 ГеоЭС с бинарным циклом.

В 2002 г. введена в эксплуатацию на Камчатке Мутновская ГеоЭС с двумя энергоблоками общей мощностью 50 МВт.

Технологической схемой электростанции предусмотрено использова­ние пара, получаемого двухступенчатой сепарацией пароводяной смеси, забираемой из геотермальных скважин.

После сепарации пар с давлением 0,62 МПа и степенью сухости 0,9998 поступает на двухпоточную паровую турбину, имеющую восемь ступе­ней. В паре с паровой турбиной работает генератор номинальной мощно­стью 25 МВт и напряжением 10,5 кВ.

Для обеспечения экологической чистоты в технологической схеме электростанции предусмотрена система закачки конденсата и сепарата обратно в земные пласты, а также предотвращения выбросов сероводо­рода в атмосферу.

Геотермальные ресурсы широко используются для теплоснабжения, особенно при прямом использовании горячей геотермальной воды.

Низкопотенциальные геотермальные источники тепла с температурой or 10 до 30 °С целесообразно использовать с помощью тепловых насосов. Тепловой насос - машина, предназначенная для передачи внутренней энергии от теплоносителя с низкой температурой к теплоносителю с высокой температурой с помощью внешнего воздействия для совершения работы. В основе принципа работы теплового насоса лежит обратный цикл Карно.

Тепловой насос, потребляя) кВт электрической мощности, выдает в систему теплоснабжения от 3 до 7 кВт тепловой мощности. Коэффициент трансформации изменяется в зависимости от температуры низкопотенци­ального геотермального источника.

Тепловые насосы нашли широкое применение во многих странах мира. Наиболее мощная теплонасосная установка работает в Швеции тепловой мощностью 320 МВт и использует тепло воды Балтийского моря.

Эффективность использования теплового насоса определяется в основном соотношением цен на электрическую и тепловую энергию, а также коэффициентом трансформации, обозначающим, во сколько раз больше производится тепловой энергии по сравнению с затраченной электрической (или механической) энергией.

Наиболее экономична работа тепловых насосов в период прохождения" минимальных нагрузок в энергосистеме. Их работа может способство­вать выравниванию графиков электрической нагрузки энергосистемы.

Литература для самостоятельного изучения

17.1.Использование водной энергии: учебник для вузов / под ред. Ю.С. Васильева. -
4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1995.

17.2.Васильев Ю.С, Виссарионов В.И., Кубышкин Л.И. Решение гидроэнергетиче­
ских задач на ЭВМ. М.: Энергоатомиздат, 1987.

17.3.Непорожний П.С., Обрезков В,И. Введение в специальность. Гидроэлектроэнерге­
тика: учебное пособие для вузов. - 2-е изд.. перераб. и доп. М: Энергоатомиздат,
1990.

17.4.Водно-энергетические и водохозяйственные расчеты: учебное пособие для вузов /
под ред. В.И. Виссарионова. М.: Издательство МЭИ, 2001.

17.5.Расчет ресурсов солнечной энергетики: учебное пособие для вузов / под ред.
В.И. Виссарионова. М.: Издательство МЭИ, 1997.

17.6.Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии
в России / Коллектив авторов. СПб.: Наука, 2002.

17.7.Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние
и перспективы развития. М.: Издательство МЭИ, 1996.

17.8.Расчет ресурсов ветроэнергетики: учебное пособие для вузов / под ред. В.И. Висса­
рионова. М.: Издательство МЭИ, 1997.

17.9.Мутновский геотермальный электрический комплекс на Камчатке / О.В. Бритвин,

РАСЧЕТ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Произведем расчет тепловой схемы геотермальной электростанции бинарного типа, согласно .

Наша геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

Первая работает на насыщенном водяном паре, полученном в расширителе. Электрическая мощность - ;

Вторая работает на насыщенном паре хладона R11, который испаряется за счет тепла воды, отводимый из расширителя.

Вода из геотермальных скважин с давлением pгв температурой tгв поступает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар с давлением pp. Этот пар направляется в паровую турбину. Оставшаяся вода из расширителя идет в испаритель, где охлаждается на и заканчивается обратно в скважину. Температурный напор в испарительной установке = 20°С. Рабочие тела расширяются в турбинах и поступают в конденсаторы, где охлаждаются водой из реки с температурой tхв. Нагрев воды в конденсаторе = 10°С, а недогрев до температуры насыщения = 5°С.

Относительные внутренние КПД турбин. Электромеханический КПД турбогенераторов = 0,95.

Исходные данные приведены в таблице 3.1.

Табл. 3.1. Исходные данные для расчета ГеоЭС

Принципиальная схема ГеоЭС бинарного типа (рис. 3.2).

Рис. 3.2.

Согласно схеме на рис. 3.2 и исходным данным проводим расчеты.

Расчет схемы паровой турбины, работающей на сухом насыщенном водяном паре

Температура пара при входе в конденсатор турбины:

где - температура охлаждающей воды на входе в конденсатор; - нагрев воды в конденсаторе; - температурный напор в конденсаторе.

Давление пара в конденсаторе турбины определяется по таблицам свойств воды и водяного пара :

Располагаемый теплоперепад на турбину :

где - энтальпия сухого насыщенного пара на входе в турбину; - энтальпия в конце теоретического процесса расширения пара в турбине.

Расход пара из расширителя на паровую турбину:

где - относительный внутренний КПД паровой турбины; - электромеханический КПД турбогенераторов.

Расчет расширителя геотермальной воды

Уравнение теплового баланса расширителя

где - расход геотермальной воды из скважины; - энтальпия геотермальной воды из скважины; - расход воды из расширителя в испаритель; - энтальпия геотермальной воды на выходе из расширителя. Определяется по таблицам свойств воды и водяного пара как энтальпия кипящей воды.

Уравнение материального баланса расширителя

Решая совместно эти два уравнения необходимо определить и.

Температура геотермальной воды на выходе из расширителя определяется по таблицам свойств воды и водяного пара как температура насыщения при давлении в расширителе:

Определение параметров в характерных точках тепловой схемы турбины, работающей в хладоне

Температура паров хладона на входе в турбину:

Температура паров хладона на выходе из турбины:

Энтальпия паров хладона на входе в турбину определяется по p-h диаграмме для хладона на линии насыщения при:

240 кДж/кг.

Энтальпия паров хладона на выходе из турбины определяется по p-h диаграмме для хладона на пересечении линий и линии температуры:

220 кДж/кг.

Энтальпия кипящего хладона на выходе из конденсатора определяется по p-h диаграмме для хладона на кривой для кипящей жидкости по температуре:

215 кДж/кг.

Расчет испарителя

Температура геотермальной воды на выходе из испарителя:

Уравнение теплового баланса испарителя:

где - теплоемкость воды. Принять =4,2 кДж/кг.

Из этого уравнения необходимо определить.

Расчет мощности турбины, работающей на хладоне

где - относительный внутренний КПД хладоновой турбины; - электромеханический КПД турбогенераторов.

Определение мощности насоса для закачки геотермальной воды в скважину

где - КПД насоса, принимается 0,8; - средний удельный объем геотермальной воды .

В состав двухконтурной ГеоТЭУ (рис. 4.2) входит парогенератор 4, в котором тепловая энергия геотермальной пароводяной смеси используется для нагревания и испарения питательной воды традиционной влажнопаровой паротурбинной установки 6 с электрогенератором 5. Отработавшая в парогенераторе геотермальная вода закачивается насосом 3 в обратную скважину 2. Химочистка питательной воды турбоустановки ведется обычными методами. Питательный насос 8 возвращает конденсат из конденсатора 7 в парогенератор.

В двухконтурной установке неконденсирующиеся газы в паровом контуре отсутствуют, поэтому в конденсаторе обеспечивается более глубокий вакуум и термический КПД установки возрастает по сравнению с одноконтурной. На выходе из парогенератора остающаяся теплота геотермальных вод может, как и в случае одноконтурной ГеоТЭС, использоваться для нужд теплоснабжения.

Рис.4.2. Тепловая схема двухконтурной ГеоТЭС

Газы, в том числе сероводород, подаются из парогенератора в барботажный абсорбер и растворяются в отработанной геотермальной воде, после чего она закачивается в скважину захоронения. По данным испытаний на строящейся Океанской ГеоТЭС (Курильские острова) в барботажном абсорбере растворяется 93.97% исходного сероводорода.

Перепад температур в парогенераторе снижает энтальпию острого пара двухконтурной установки h 1 по сравнению с одноконтурной, однако в целом теплоперепад в турбине увеличивается из-за уменьшения энтальпии отработавшего пара h 2 . Термодинамический расчет цикла ведется как для обычной паротурбинной ТЭС (см. раздел по солнечным паротурбинным установкам).

Расход горячей воды из геотермальных скважин для установки мощностью N, кВт, определяется из выражения

Кг/с, (4.3)

где - перепад температур геотермальной воды на входе и выходе из парогенератора,°C, - КПД парогенератора. Полный КПД современных двухконтурных паротурбинных ГеоТЭУ составляет 17.27%.

На месторождениях со сравнительно низкой температурой геотермальных вод (100-200°С) применяют двухконтурные установки на низко- кипящих рабочих телах (фреонах, углеводородах). Экономически оправдано также использование таких установок для утилизации теплоты отсепарированной воды одноконтурных ГеоТЭС (вместо теплофикационного теплообменника на рис. 4.1). В нашей стране впервые в мире (в 1967 г.) создана энергоустановка этого типа на хладоне R-12 мощностью 600 кВт, построенная на Паратунском геотермальном месторождении (Камчатка) при научном руководстве института теплофизики Сибирского отделения АН СССР. Перепад температур теплоносителя составлял 80...5 о С, холодная вода подавалась в конденсатор из р. Паратунка со среднегодовой температурой 5 о С. К сожалению, эти работы не получили развития из-за былой дешевизны органического топлива.

В настоящее время в АО "Кировский завод" проработан проект и техническая документация двухконтурного геотермального модуля мощностью 1,5 МВт на фреоне R142в (резервный теплоноситель - изобутан). Энергомодуль будет полностью изготавливаться в заводских условиях и доставляться железнодорожным транспортом, строительно-монтажные работы и подключение к энергосистеме потребуют минимальных затрат. Ожидается, что заводская стоимость при серийном изготовлении энергомодулей будет снижена примерно до $800 за киловатт установленной мощности.

Наряду с ГеоТЭС на однородном низкокипящем теплоносителе в ЭНИН разрабатывается перспективная установка на смесевом водоаммиачном рабочем теле. Основное преимущество такой установки - возможность ее использования в широком интервале температур геотермальных вод и пароводяной смеси (от 90 до 220 о С). При однородном рабочем теле отклонение температуры на выходе из парогенератора на 10...20 о С от расчетной приводит к резкому снижению КПД цикла - в 2.4 раза. Изменяя концентрацию компонентов смесевого теплоносителя, можно обеспечить при меняющихся температурах приемлемые показатели установки. Мощность во- доаммиачной турбины в этом диапазоне температур меняется менее чем на 15%. Кроме того, такая турбина имеет лучшие массогабаритные показатели, и водоаммиачная смесь отличается лучшими характеристиками теплообмена, что позволяет уменьшить металлоемкость и стоимость парогенератора и конденсатора по сравнению с энергомодулем на однородном теплоносителе. Такие энергоустановки могут широко использоваться для утилизации сбросной теплоты в промышленности. Они могут иметь устойчивый спрос на международном рынке геотермального оборудования.

Расчет ГеоТЭУ с низкокипящими и смесевыми рабочими телами производится с использованием таблиц термодинамических свойств и h - s диаграмм паров этих жидкостей.

К проблеме ГеоТЭС примыкает часто упоминаемая в литературе возможность использования тепловых ресурсов Мирового океана. В тропических широтах температура морской воды на поверхности около 25 о С, на глубине 500...1000 м - около 2...3 о С. Еще в 1881 г. Д"Арсонваль высказал идею использовать эту разность температур для производства электроэнергии. Схема установки по одному из проектов реализации этой идеи представлена на рис. 4.3.

Рис.4.3. Схема океанской ТЭС: 1 - насос подачи теплой поверхностной воды; 2 - парогенератор низко- кипящего теплоносителя; 3 - турбина; 4 - электрогенератор; 5 - конденсатор; 6 - насос подачи холодной глубинной воды; 7 - питательный насос; 8 - судноплатформа

Насос 1 подает теплую поверхностную воду в парогенератор 2, где испаряется низкокипящий теплоноситель. Пар с температурой около 20° C направляется в турбину 3, приводящую в движение электрогенератор 4. Отработавший пар поступает в конденсатор 5 и конденсируется холодной глубинной водой, подаваемой циркуляционным насосом 6. Питательный насос 7 возвращает теплоноситель в парогенератор.

При подъеме через теплые поверхностные слои глубинная вода нагревается не мене чем до до 7...8° C, соответственно отработавший влажный пар теплоносителя будет иметь температуру не ниже 12...13° C. В итоге термический КПД этого цикла составит = 0,028, а для реального цикла - менее 2%. В то же время для океанской ТЭЦ характерны высокие затраты энергии на собственные нужды, потребуются очень большие расходы теплой и холодной воды, а также теплоносителя, потребление энергии насосами превысят энергию, вырабатываемую блоком. В США попытки реализовать такие энергоустановки у Гавайских островов не дали положительного результата.

Другой проект океанской ТЭС - термоэлектрический - предполагает использовать эффект Зеебека, размещая спаи термоэлектродов в поверхностных и глубинных слоях океана. Идеальный КПД такой установки, как и для цикла Карно, составляет около 2%. В п.3.2 показано, что реальный КПД термопреобразователей на порядок ниже. Соответственно для теплосъема в поверхностных слоях океанской воды и отдачи теплоты в глубинных пришлось бы сооружать поверхности теплообмена ("подводные паруса") очень большой площади. Это нереально для энергетических установок практически заметной мощности. Малая плотность энергии является препятствием для использования океанских запасов теплоты.

Читайте и пишите полезные

Цель лекции: показать возможности и способы использования геотермального тепла в системах электроснабжения.

Тепло в виде горячих источников и гейзеров может быть исполь-зовано для производства электроэнергии по различным схемам на гео-термальных электростанциях (ГеоЭС). Наиболее легко выполнимой схемой является схема с применением пара жидкостей, имеющих низ-кую температуру кипения. Горячая вода из природных источников, обогревая такую жидкость в испарителе, обращает ее в пар, используе-мый в турбине и служащей приводом генератора тока.

На рисунке 1 изображен цикл с одним рабочим телом, например с водой или фреоном (а ); цикл с двумя рабочими телами – водой и фрео-ном (б ); прямой паровой цикл (в ) и двухконтурный цикл (г ).

Технологии производства электрической энергии в значительной степени зависят от теплового потенциала термальных вод.

Рисунок. 1 - Примеры организации цикла для производства электроэнергии:

I – геотермальный источник; II – турбинный цикл; III – охлаждающая вода

Высокопотенциальные месторождения позволяют использовать практически традиционные конструкции тепловых электростанций с паровыми турбинами.

Таблица 1 -Технические характеристики геотермальных электростанций

На рисунке 2 представлена наиболее простая схема небольшой электростанции (ГеоЭС) использующей тепло горячего подземного ис-точника.

Вода из горячего источника с температурой около 95 °С насосом 2 подается в газоудалитель 3, где происходит отделение растворенных в ней газов.

Далее вода поступает в испаритель 4, в котором происходит ее превращение в насыщенный пар и небольшой перегрев за счет тепла пара (от вспомогательного котла), предварительно отработавшего в эжекторе конденсатора.

Слегка перегретый пар совершает работу в турбине 5, на валу ко-торой находится генератор тока. Отработавший пар конденсируется в конденсаторе 6, охлаждае-мом водой с обычной температурой.

Рисунок 2-. Схема небольшой ГеоЭС:

1 – приемник горячей воды; 2 – насос горячей воды; 3 – газоудалитель;

4 – испаритель; 5 – паровая турбина с генератором тока; 6 – конденсатор; 7 – циркуляционный насос; 8 – приемник охлаждающей воды

Такие простейшие установки функционировали в Африке уже в 50-х годах.

Очевидным вариантом конструкции современной энергоустановки является геотермальная электростанция с низкокипящим рабочим веще-ством, представленная на рисунке 3. Горячая вода из бака-аккумулятора поступает в испаритель 3, где отдает свое тепло какому-либо веществу с низкой температурой кипе-ния. Такими веществами могут быть углекислота, различные фреоны, шестифтористая сера, бутан и др. Конденсатор 6 – смешивающего типа, который охлаждается холодным жидким бутаном, поступающим из поверхностного воздушного охладителя. Часть бутана из конденсатора питательным наосом 9 подается в подогреватель 10, а затем в испаритель 3.

Важной особенностью этой схемы является возможность работы в зимнее время с низкими температурами конденсации. Эта температура может быть близкой к нулю или даже отрицательной, т. к. все перечис-ленные вещества имеют очень низкие температуры замерзания. Это по-зволяет значительно расширить пределы температур, используемых в цикле.

Рисунок 3. Схема геотермальной электростанции с низкокипящим рабочим веществом:

1 – скважина, 2 – бак-аккумулятор, 3 – испаритель, 4 – турбина, 5 – генератор, 6 – конденсатор, 7 – циркуляционный насос, 8 – поверхностный воздушный охладитель, 9 – питательный насос, 10 – подогреватель рабочего вещества

Геотермальная электростанция с непосредственным использованием природного пара.

Самая простая и доступная геотермальная энергоустановка пред-ставляет собой паротурбинную установку с противодавлением. Природный пар из скважины подается прямо в турбину с последующим вы-ходом в атмосферу или в устройство, улавливающее ценные химиче-ские вещества. В турбину с противодавлением можно подавать вторич-ный пар или пар, получаемый из сепаратора. По этой схеме электро-станция работает без конденсаторов, и отпадает необходимость в ком-прессоре для удаления из конденсаторов неконденсирующихся газов. Эта установка наиболее простая, капитальные и эксплуатационные за-траты на нее минимальны. Она занимает небольшую площадь, почти не требует вспомогательного оборудования и ее легко приспособить как переносную геотермальную электростанцию (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схема геотермальной электростанции с непосредственным ис-пользованием природного пара:

1 – скважина; 2 – турбина; 3 – генератор;

4 – выход в атмосферу или на химический завод

Рассмотренная схема может стать самой выгодной для тех рай-онов, где имеются достаточные запасы природного пара. Рациональная эксплуатация обеспечивает возможность эффективной работы такой ус-тановки даже при переменном дебите скважин.

В Италии работает несколько таких станций. Одна из них – мощ-ностью 4 тыс. кВт при удельном расходе пара около 20 кг/с или 80 т/ч; другая – мощностью 16 тыс. кВт, где установлено четыре турбогенератора мощностью по 4 тыс. кВт. Последняя снабжается паром от 7–8 скважин.

Геотермальная электростанция с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара (рисунок 5) – это наиболее современная схема для получения электрической энергии.

Пар из скважины подается в турбину. Отработанный в турбине, он попадает в смешивающий конденсатор. Смесь охлаждающей воды и конденсата уже отработанного в турбине пара выпускается из конденса-тора в подземный бак, откуда забирается циркуляционными насосами и направляется для охлаждения в градирню. Из градирни охлаждающая вода опять попадает в конденсатор (рисунок 5).

По такой схеме с некоторыми изменениями работают многие гео-термальные электростанции: «Лардерелло-2» (Италия), «Вайракей» (Новая Зеландия) и др.

Областью применения двухконтурных энергоустановок на низко-кипящих рабочих веществах (хладон-R12, водоаммиачная смесь,) является использование тепла термальных вод с температурой 100…200 °C, а также отсепарированной воды на ме-сторождениях парогидротерм.

Рисунок 5 - Схема геотермальной электростанции с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара:

1 – скважина; 2 – турбина; 3 – генератор; 4 – насос;

5 – конденсатор; 6 – градирня; 7 – компрессор; 8 – сброс

Комбинированное производствоэлектрическойитепловойэнергии

Комбинированное производство электрической и тепловой энер-гии возможно на геотермальных тепловых электрических станциях (ГеоТЭС).

Наиболее простая схема ГеоТЭС вакуумного типа для использо-вания тепла горячей воды с температурой до 100 °С приведена на рисунке 6.

Работа такой электростанции протекает следующим образом. Го-рячая вода из скважины 1 поступает в бак-аккумулятор 2. В баке она ос-вобождается от растворенных в ней газов и направляется в расширитель 3, в котором поддерживается давление 0,3 атм. При этом давлении и при температуре 69 °С небольшая часть воды превращается в пар и на-правляется в вакуумную турбину 5, а оставшаяся вода насосом 4 пере-качивается в систему теплоснабжения. Отработавший в турбине пар сбрасывается в смешивающий конденсатор 7. Для удаления воздуха из конденсатора устанавливается вакуумный насос 10. Смесь охлаждаю-щей воды и конденсата отработавшего пара забирается из конденсатора насосом 8 и отдается для охлаждения в вентиляционную градирню 9. Охлажденная в градирне вода подается в конденсатор самотеком за счет разряжения.

Верхне-Мутновская ГеоТЭС мощностью 12 МВт (3х4 МВт) явля-ется опытно-промышленной очередью Мутновской ГеоТЭС проектной мощностью 200 МВт, создаваемой для электроснабжения Петропав-ловск-Камчатского промышленного района.

Рисунок 6 -. Схема вакуумной ГеоТЭС с одним расширителем:

1 – скважина, 2 – бак-аккумулятор, 3 – расширитель, 4 – насос горячей воды, 5 – вакуумная турбина 750 кВт, 6 – генератор, 7 – смешивающий конденсатор,

8 – насос охлаждающей воды, 9 – вентиляторная градирня, 10 – вакуумный насос

На Паужетской ГеоТЭС (юг Камчатки) мощностью 11 МВт используется на па-ровых турбинах только отсепарированный геотермальный пар из паро-водяной смеси, получаемой из геотермальных скважин. Большое коли-чество геотермальной воды (около 80 общего расхода ПВС) с темпе-ратурой 120 °C сбрасывается в нерестовую реку Озерная, что приводит не только к потерям теплового потенциала геотермального теплоноси-теля, но и существенно ухудшает экологическое состояние реки.

Тепловые насосы

Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии с низкой температурой к потребителю теплоносителя с более высокой температурой,. Термодинамически тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная (рисунок 7). Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель -теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту, находящуюся в водоемах, грунтах, сточных водах и тому подобное. В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью электромотора, в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии. Для компрессора нужен также источник низкопотенциального тепла.

В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт-вода», «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух», «воздух-воздух».

При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе (рисунок 8). Для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350-450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м² (20х20 м).

Рисунок 7 – Схема работы теплового насоса

Рисунок 8 - Использование в качестве источника тепла энергии грунта

К достоинствам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке ТНУ необходимо затратить 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии.. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования, которая может быть получена от ветровых и солнечных энергетических установок. Срок окупаемости тепловых насосов составляет 4-9 лет, при сроке службы по 15-20 лет до капитального ремонта.

Реальные значения эффективности современных тепловых насосов составляют порядка СОР =2.0 при температуре источника −20 °C, и порядка СОР = 4.0 при температуре источника +7 °C.

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.