Resumen: Energía geotérmica. Energía geotérmica Cálculo del diagrama térmico de una central geotérmica
Los recursos de energía geotérmica en Rusia tienen un potencial industrial significativo, incluido el potencial energético. Las reservas de calor de la Tierra con una temperatura de 30-40 °C (Fig. 17.20, ver el inserto en color) están disponibles en casi todo el territorio de Rusia, y en algunas regiones hay recursos geotérmicos con temperaturas de hasta 300 °C. Dependiendo de la temperatura, los recursos geotérmicos se utilizan en diversas industrias. economía nacional: industria de la energía eléctrica, calefacción urbana, industria, agricultura, balneología.
A temperaturas de los recursos geotérmicos superiores a 130 °C, es posible generar electricidad mediante un circuito único. plantas de energía geotérmica(GeoES). Sin embargo, varias regiones de Rusia tienen importantes reservas de aguas geotérmicas con temperaturas más bajas del orden de 85 ° C y superiores (Fig. 17.20, ver inserto en color). En este caso, es posible obtener electricidad a partir de un GeoPP con ciclo binario. Las centrales binarias son estaciones de doble circuito que utilizan su propio fluido de trabajo en cada circuito. Las estaciones binarias a veces también se clasifican como estaciones de circuito único que funcionan con una mezcla de dos fluidos de trabajo: amoníaco y agua (Fig. 17.21, ver inserto en color).
Las primeras centrales geotérmicas de Rusia se construyeron en Kamchatka en 1965-1967: Pauzhetskaya GeoPP, que opera y actualmente produce la electricidad más barata de Kamchatka, y Paratunka GeoPP con ciclo binario. Posteriormente, se construyeron en el mundo alrededor de 400 GeoPP con ciclo binario.
En 2002 se puso en funcionamiento en Kamchatka la GeoPP Mutnovskaya con dos unidades de energía con una capacidad total de 50 MW.
El esquema tecnológico de la central eléctrica prevé el uso de vapor obtenido mediante la separación en dos etapas de una mezcla de vapor y agua extraída de pozos geotérmicos.
Después de la separación, el vapor con una presión de 0,62 MPa y un grado de sequedad de 0,9998 ingresa a una turbina de vapor de dos flujos que tiene ocho etapas. Un generador con una potencia nominal de 25 MW y un voltaje de 10,5 kV funciona en conjunto con una turbina de vapor.
Para proveer limpieza ambiental El esquema tecnológico de la central eléctrica prevé un sistema para bombear el condensado y el separador de regreso a las capas terrestres, así como para prevenir las emisiones de sulfuro de hidrógeno a la atmósfera.
Los recursos geotérmicos se utilizan ampliamente con fines de calefacción, especialmente en el uso directo de agua geotérmica caliente.
Es recomendable utilizar fuentes de calor geotérmicas de bajo potencial con una temperatura de 10 a 30 °C mediante bombas de calor. Una bomba de calor es una máquina diseñada para transferir energía interna de un refrigerante de baja temperatura a un refrigerante de alta temperatura utilizando influencias externas para realizar el trabajo. El principio de funcionamiento de la bomba de calor se basa en el ciclo inverso de Carnot.
La bomba de calor, que consume kW de energía eléctrica, suministra al sistema de calefacción entre 3 y 7 kW de potencia térmica. El coeficiente de transformación varía dependiendo de la temperatura de la fuente geotérmica de baja ley.
Las bombas de calor se utilizan ampliamente en muchos países del mundo. En Suecia funciona la instalación de bomba de calor más potente con una capacidad térmica de 320 MW y utiliza el calor del agua del Mar Báltico.
La eficiencia del uso de una bomba de calor está determinada principalmente por la relación entre los precios de la electricidad y energía térmica, así como el coeficiente de transformación, que indica cuántas veces más energía térmica se produce en comparación con la energía eléctrica (o mecánica) gastada.
El funcionamiento de las bombas de calor es más económico durante el período de cargas mínimas en el sistema eléctrico y su funcionamiento puede ayudar a nivelar los horarios de carga eléctrica del sistema eléctrico.
Literatura para autoestudio
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Rionova. M.: Editorial MPEI, 1997.
17.9.Mutnovsky Complejo eléctrico geotérmico en Kamchatka / O.V. Britvin,
CÁLCULO DE CENTRAL GEOTÉRMICA
Calculemos el circuito térmico de una central geotérmica de tipo binario, según.
Nuestra planta de energía geotérmica consta de dos turbinas:
El primero funciona con vapor de agua saturado obtenido en un expansor. Energia electrica - ;
El segundo funciona con vapor saturado de refrigerante R11, que se evapora debido al calor del agua extraída del expansor.
El agua de pozos geotérmicos con presión pgw y temperatura tgw ingresa al expansor. Seco vapor saturado con presión págs. Este vapor se envía a una turbina de vapor. El agua restante del expansor va al evaporador, donde se enfría y regresa al pozo. diferencia de temperatura en planta de evaporación= 20°C. Los fluidos de trabajo se expanden en las turbinas y entran en los condensadores, donde se enfrían con agua del río a una temperatura thw. Calentamiento del agua en el condensador = 10°C y subcalentamiento a temperatura de saturación = 5°C.
Eficiencias internas relativas de las turbinas. Eficiencia electromecánica de turbogeneradores = 0,95.
Los datos iniciales se dan en la Tabla 3.1.
Mesa 3.1. Datos iniciales para calcular GeoPP.
Diagrama esquemático de un GeoPP de tipo binario (Fig. 3.2).
Arroz. 3.2.
Según el diagrama de la Fig. 3.2 y los datos iniciales realizamos cálculos.
Cálculo del circuito de una turbina de vapor que funciona con vapor de agua seco saturado.
Temperatura del vapor en la entrada del condensador de la turbina:
¿Dónde está la temperatura del agua de refrigeración en la entrada del condensador? - calentar agua en el condensador; - diferencia de temperatura en el condensador.
La presión del vapor en el condensador de la turbina se determina a partir de tablas de propiedades del agua y del vapor de agua:
Caída de calor disponible por turbina:
¿Dónde está la entalpía del vapor seco saturado en la entrada de la turbina? - entalpía al final del proceso teórico de expansión del vapor en la turbina.
Consumo de vapor desde el expansor hasta la turbina de vapor:
¿Dónde está la eficiencia interna relativa de la turbina de vapor? - eficiencia electromecánica de turbogeneradores.
Cálculo del expansor de agua geotérmica.
La ecuacion balance de calor expansor
¿Dónde está el caudal de agua geotérmica del pozo? - entalpía del agua geotérmica de un pozo; - flujo de agua desde el expansor al evaporador; - entalpía del agua geotérmica a la salida del expansor. Se determina a partir de tablas de propiedades del agua y del vapor de agua como la entalpía del agua en ebullición.
Ecuación del balance de materiales del expansor
Resolviendo estas dos ecuaciones juntas, es necesario determinar y.
La temperatura del agua geotérmica a la salida del expansor se determina a partir de las tablas de propiedades del agua y del vapor de agua como temperatura de saturación a la presión en el expansor:
Determinación de parámetros en puntos característicos del circuito térmico de una turbina funcionando en freón.
Temperatura del vapor de freón en la entrada de la turbina:
Temperatura del vapor de freón a la salida de la turbina:
La entalpía del vapor de refrigerante en la entrada de la turbina está determinada por diagrama ph para freón en la línea de saturación en:
240 kJ/kg.
La entalpía del vapor de freón a la salida de la turbina se determina a partir del diagrama p-h del freón en la intersección de las líneas y la línea de temperatura:
220 kJ/kg.
La entalpía del freón en ebullición a la salida del condensador se determina a partir del diagrama p-h del freón en la curva del líquido en ebullición por temperatura:
215 kJ/kg.
Cálculo del evaporador
Temperatura del agua geotérmica a la salida del evaporador:
Ecuación del balance de calor del evaporador:
¿Dónde está la capacidad calorífica del agua? Tome = 4,2 kJ/kg.
A partir de esta ecuación es necesario determinar.
Cálculo de la potencia de una turbina que funciona con freón.
¿Dónde está la eficiencia interna relativa de la turbina de freón? - eficiencia electromecánica de turbogeneradores.
Determinación de la potencia de la bomba para bombear agua geotérmica a un pozo.
¿Dónde está la eficiencia de la bomba, que se supone es 0,8? - volumen específico medio de agua geotérmica.
El GeoTEP de doble circuito (Fig. 4.2) incluye un generador de vapor 4, en el que la energía térmica de la mezcla geotérmica de vapor y agua se utiliza para calentar y evaporar el agua de alimentación de una planta tradicional de turbina de vapor de vapor húmedo 6 con un eléctrico. generador 5. El agua geotérmica gastada en el generador de vapor es bombeada por la bomba 3 al pozo de retorno 2. Limpieza en seco El tratamiento del agua de alimentación de la planta de turbinas se realiza mediante métodos convencionales. La bomba de alimentación 8 devuelve el condensado del condensador 7 al generador de vapor.
En una instalación de doble circuito no hay gases no condensables en el circuito de vapor, por lo que se garantiza un vacío más profundo en el condensador y la eficiencia térmica de la instalación aumenta respecto a una de circuito único. A la salida del generador de vapor, el calor restante de las aguas geotérmicas se puede utilizar, como en el caso de una central geotérmica de circuito único, para satisfacer las necesidades de suministro de calor.
Fig.4.2. Diagrama térmico central geotérmica de doble circuito
Los gases, incluido el sulfuro de hidrógeno, se suministran desde el generador de vapor al absorbente de burbujas y se disuelven en el agua geotérmica residual, después de lo cual se bombea al pozo de eliminación. Según las pruebas realizadas en la central geotérmica oceánica en construcción (islas Kuriles), el 93,97% del sulfuro de hidrógeno inicial se disuelve en el absorbente burbujeante.
La diferencia de temperatura en el generador de vapor reduce la entalpía del vapor vivo en una instalación de doble circuito h 1 en comparación con una de circuito simple, sin embargo, en general, la diferencia de calor en la turbina aumenta debido a una disminución en la entalpía del escape. vapor h 2 . El cálculo termodinámico del ciclo se realiza como para una central térmica de turbina de vapor convencional (ver apartado de plantas de turbina de vapor solar).
El consumo de agua caliente procedente de pozos geotérmicos para una instalación de capacidad N, kW, se determina a partir de la expresión
kg/s, (4,3)
donde es la diferencia de temperatura del agua geotérmica en la entrada y salida del generador de vapor, °C, es la eficiencia del generador de vapor. La eficiencia global de las modernas centrales geotérmicas con turbinas de vapor de doble circuito es del 17,27%.
En campos con temperaturas de aguas geotérmicas relativamente bajas (100-200°C), se utilizan plantas de doble circuito que utilizan fluidos de trabajo de bajo punto de ebullición (freones, hidrocarburos). También es económicamente justificable utilizar tales instalaciones para reciclar el calor del agua separada de plantas de energía geotérmica de circuito único (en lugar del intercambiador de calor de calefacción urbana de la Fig. 4.1). En nuestro país, por primera vez en el mundo (en 1967), se creó una central eléctrica de este tipo utilizando refrigerante R-12 con una capacidad de 600 kW, construida en el campo geotérmico de Paratunsky (Kamchatka) bajo la dirección científica de el Instituto de Termofísica de la Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de la URSS. La diferencia de temperatura del refrigerante fue de 80...5 o C, se suministró agua fría al condensador desde el río. Paratunka con una temperatura media anual de 5 o C. Desafortunadamente, estas obras no se desarrollaron debido al antiguo bajo precio del combustible orgánico.
Actualmente, JSC "Kirovsky Plant" ha desarrollado el diseño y la documentación técnica de un módulo geotérmico de doble circuito con una capacidad de 1,5 MW utilizando freón R142v (refrigerante de reserva - isobutano). El módulo de energía se fabricará íntegramente en fábrica y se entregará por ferrocarril; los trabajos de construcción, instalación y conexión a la red eléctrica requerirán costes mínimos. Se espera que el costo de fábrica para la producción en masa de módulos de energía se reduzca a aproximadamente 800 dólares por kilovatio de capacidad instalada.
Junto con GeoTES que utiliza un refrigerante homogéneo de bajo punto de ebullición, ENIN está desarrollando una instalación prometedora que utiliza un fluido de trabajo mixto de agua y amoníaco. La principal ventaja de una instalación de este tipo es la posibilidad de utilizarla en una amplia gama de temperaturas de aguas geotérmicas y mezclas de vapor y agua (de 90 a 220 o C). Con un fluido de trabajo homogéneo, una desviación de la temperatura en la salida del generador de vapor de 10...20 o C con respecto a la calculada conduce a una fuerte disminución en la eficiencia del ciclo, 2,4 veces. Al cambiar la concentración de los componentes del refrigerante mezclado, es posible garantizar un rendimiento aceptable de la instalación a temperaturas cambiantes. La potencia de la turbina hidráulica de amoniaco en este rango de temperatura varía menos del 15%. Además, una turbina de este tipo tiene mejor peso y dimensiones, y la mezcla de amoníaco y agua es diferente. mejores caracteristicas intercambio de calor, que permite reducir el consumo de metal y el coste del generador de vapor y del condensador en comparación con un módulo de energía que utiliza un refrigerante homogéneo. Estas centrales eléctricas pueden utilizarse ampliamente para la recuperación del calor residual en la industria. Es posible que tengan una fuerte demanda en el mercado internacional de equipos geotérmicos.
El cálculo de centrales geotérmicas con fluidos de trabajo mixtos y de bajo punto de ebullición se realiza mediante tablas de propiedades termodinámicas y diagramas h - s de vapores de estos líquidos.
Relacionada con el problema de las centrales geotérmicas está la posibilidad de utilizar los recursos térmicos del Océano Mundial, que se menciona a menudo en la literatura. En latitudes tropicales, la temperatura del agua de mar en la superficie es de aproximadamente 25 o C, a una profundidad de 500...1000 m - aproximadamente 2...3 o C. En 1881, D'Arsonval expresó la idea de Utilizando esta diferencia de temperatura para producir electricidad. El esquema de instalación de uno de los proyectos para implementar esta idea se muestra en la Fig. 4.3.
Fig.4.3. Esquema de una central térmica oceánica: 1 - bomba para suministrar agua superficial cálida; 2 - generador de vapor refrigerante de bajo punto de ebullición; 3 - turbina; 4 - generador eléctrico; 5 - condensador; 6 - bomba de suministro de agua fría y profunda; 7 - bomba de alimentación; 8 - plataforma de barco
La bomba 1 suministra agua superficial tibia al generador de vapor 2, donde se evapora el refrigerante de bajo punto de ebullición. Se envía vapor con una temperatura de aproximadamente 20° C a la turbina 3, que acciona el generador eléctrico 4. El vapor de escape ingresa al condensador 5 y se condensa con agua fría y profunda suministrada por la bomba de circulación 6. La bomba de alimentación 7 devuelve el refrigerante al generador de vapor. .
Al ascender a través de capas superficiales cálidas, el agua profunda se calienta hasta al menos 7...8° C, respectivamente, el vapor refrigerante húmedo agotado tendrá una temperatura de al menos 12...13° C. Como resultado, la temperatura La eficiencia de este ciclo será = 0,028, y para un ciclo real, menos del 2%. Al mismo tiempo, las centrales térmicas oceánicas se caracterizan por unos costes energéticos elevados para sus propias necesidades; costes muy elevados de energía cálida y agua fría Además del refrigerante, el consumo de energía de las bombas superará la energía generada por la unidad. En Estados Unidos, los intentos de implementar este tipo de centrales eléctricas cerca de las islas hawaianas no dieron resultados positivos.
Otro proyecto de central térmica oceánica, la termoeléctrica, implica el uso del efecto Seebeck mediante la colocación de uniones de termoelectrodos en las capas superficiales y profundas del océano. La eficiencia ideal de una instalación de este tipo, como la del ciclo de Carnot, es de aproximadamente el 2%. La sección 3.2 muestra que la eficiencia real de los convertidores térmicos es un orden de magnitud menor. Por lo tanto, para la eliminación del calor en las capas superficiales del agua del océano y la transferencia de calor en las capas profundas, sería necesario construir superficies de intercambio de calor ("velas submarinas") de un área muy grande. Esto no es realista para centrales eléctricas de potencia prácticamente notable. La baja densidad energética es un obstáculo para el uso de las reservas de calor de los océanos.
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Objetivo de la conferencia: mostrar las posibilidades y formas de utilizar el calor geotérmico en sistemas de suministro de energía.
El calor en forma de fuentes termales y géiseres se puede utilizar para producir electricidad mediante diversos esquemas en plantas de energía geotérmica (GeoPP). El esquema más fácil de implementar es el que utiliza vapor de líquidos que tienen un punto de ebullición bajo. El agua caliente de fuentes naturales, al calentar dicho líquido en un evaporador, lo convierte en vapor, que se utiliza en una turbina y sirve como motor para un generador de corriente.
La Figura 1 muestra un ciclo con un fluido de trabajo, por ejemplo agua o freón ( A); ciclo con dos fluidos de trabajo: agua y freón ( b); ciclo de vapor directo ( V) y ciclo de doble circuito ( GRAMO).
Las tecnologías para la producción de energía eléctrica dependen en gran medida del potencial térmico de las aguas termales.
Dibujo. 1 - Ejemplos de organización de un ciclo de producción de electricidad:
I – fuente geotérmica; II – ciclo de turbina; III – agua de refrigeración
Los depósitos de alto potencial permiten el uso de diseños casi tradicionales de centrales térmicas con turbinas de vapor.
tabla 1 -Especificaciones plantas de energía geotérmica
La Figura 2 muestra el diagrama más simple de una pequeña central eléctrica (GeoPP) que utiliza el calor de una fuente subterránea caliente.
El agua de una fuente termal con una temperatura de aproximadamente 95 °C se suministra mediante la bomba 2 al extractor de gas 3, donde se separan los gases disueltos en ella.
A continuación, el agua ingresa al evaporador 4, en el que se convierte en vapor saturado y se sobrecalienta ligeramente debido al calor del vapor (de la caldera auxiliar), que previamente se escapó en el eyector del condensador.
En la turbina 5, en cuyo eje se encuentra un generador de corriente, funciona vapor ligeramente sobrecalentado. El vapor de escape se condensa en el condensador 6, enfriado con agua a temperatura normal.
Figura 2-. Esquema de un pequeño GeoPP:
1 – receptor de agua caliente; 2 – bomba de agua caliente; 3 – eliminador de gases;
4 – evaporador; 5 - turbina de vapor con generador de corriente; 6 – condensador; 7 – bomba de circulación; 8 – receptor de agua de refrigeración
Instalaciones tan sencillas ya funcionaban en África en los años 50.
Una opción de diseño obvia para una planta de energía moderna es una planta de energía geotérmica con una sustancia de trabajo de bajo punto de ebullición, como se muestra en la Figura 3. El agua caliente del tanque de almacenamiento ingresa al evaporador 3, donde emite su calor a alguna sustancia con baja punto de ebullición. Estas sustancias pueden ser dióxido de carbono, diversos freones, hexafluoruro de azufre, butano, etc. El condensador 6 es del tipo mezclador, que se enfría con butano líquido frío procedente de un enfriador de aire de superficie. Parte del butano del condensador se suministra mediante la bomba de alimentación 9 al calentador 10 y luego al evaporador 3.
Una característica importante de este esquema es la capacidad de trabajar en horario de invierno con bajas temperaturas de condensación. Esta temperatura puede ser cercana a cero o incluso negativa, ya que todas las sustancias enumeradas tienen temperaturas de congelación muy bajas. Esto le permite ampliar significativamente los límites de temperatura utilizados en el ciclo.
Dibujo 3. Esquema de una central geotérmica con una sustancia de trabajo de bajo punto de ebullición:
1 – pozo, 2 – tanque de almacenamiento, 3 – evaporador, 4 – turbina, 5 – generador, 6 – condensador, 7 – bomba de circulación, 8 – enfriador de aire de superficie, 9 – bomba de alimentación, 10 – calentador de sustancia de trabajo
geotérmica central eléctrica Con directo usando vapor natural.
La central geotérmica más sencilla y asequible es una planta de turbina de vapor con contrapresión. El vapor natural del pozo se suministra directamente a la turbina y luego se libera a la atmósfera o a un dispositivo que captura sustancias químicas valiosas. La turbina de contrapresión se puede alimentar con vapor secundario o con vapor obtenido del separador. Según este esquema, la central eléctrica funciona sin condensadores y no es necesario un compresor para eliminar los gases no condensables de los condensadores. Esta instalación es la más sencilla; los costos de capital y operación son mínimos. Ocupa un área pequeña, casi no requiere equipo auxiliar y es fácil de adaptar como planta de energía geotérmica portátil (Figura 4).
Figura 4 - Esquema de una central geotérmica con aprovechamiento directo de vapor natural:
1 – bien; 2 – turbina; 3 – generador;
4 – salida a la atmósfera o a una planta química
El esquema considerado puede ser el más rentable para aquellas áreas donde existen suficientes reservas de vapor natural. El funcionamiento racional garantiza la posibilidad de un funcionamiento eficiente de dicha instalación incluso con caudales de pozo variables.
Hay varias estaciones de este tipo funcionando en Italia. Uno de ellos es con una potencia de 4 mil kW a consumo específico vaporizar unos 20 kg/s o 80 t/h; el otro tiene una capacidad de 16 mil kW, donde están instalados cuatro turbogeneradores con una capacidad de 4 mil kW cada uno. Este último recibe vapor de 7 a 8 pozos.
Central geotérmica con turbina de condensación y aprovechamiento directo de vapor natural. (Figura 5) es el esquema más moderno para generar energía eléctrica.
El vapor del pozo se suministra a la turbina. Pasado por la turbina, ingresa al condensador mezclador. Una mezcla de agua de refrigeración y condensado de vapor ya agotado en la turbina se descarga del condensador a un tanque subterráneo, de donde se extrae. bombas de circulación y se envía a una torre de enfriamiento para su enfriamiento. Desde la torre de enfriamiento, el agua de enfriamiento fluye nuevamente hacia el condensador (Figura 5).
Muchas centrales geotérmicas funcionan según este esquema con algunas modificaciones: Larderello-2 (Italia), Wairakei (Nueva Zelanda), etc.
Área de aplicación centrales eléctricas de doble circuito que utilizan sustancias de trabajo de bajo punto de ebullición (freón-R12, mezcla de agua y amoníaco) es el aprovechamiento del calor de aguas termales con una temperatura de 100...200 °C, así como del agua separada en depósitos de vapor hidrotermales.
Figura 5 - Esquema de una central geotérmica con turbina de condensación y aprovechamiento directo de vapor natural:
1 – bien; 2 – turbina; 3 – generador; 4 – bomba;
5 – condensador; 6 – torre de enfriamiento; 7 – compresor; 8 – restablecer
Conjunto producción de energía eléctrica y térmica
En las centrales térmicas geotérmicas (GeoTES) es posible la producción combinada de energía eléctrica y térmica.
En la Figura 6 se muestra el diagrama más simple de una planta de energía geotérmica de tipo vacío para utilizar el calor del agua caliente con temperaturas de hasta 100 °C.
El funcionamiento de dicha central eléctrica se realiza de la siguiente manera. El agua caliente del pozo 1 ingresa al tanque acumulador 2. En el tanque, se libera de los gases disueltos en él y se envía al expansor 3, en el que se mantiene una presión de 0,3 atm. A esta presión y a una temperatura de 69 °C, una pequeña parte del agua se convierte en vapor y se envía a la turbina de vacío 5, y el agua restante se bombea mediante la bomba 4 al sistema de suministro de calor. El vapor que sale de la turbina se descarga en el condensador de mezcla 7. Para eliminar el aire del condensador, se instala una bomba de vacío 10. La bomba 8 toma una mezcla de agua de refrigeración y condensado de vapor de escape del condensador y la envía para enfriar a la torre de enfriamiento de ventilación 9. El agua enfriada en la torre de enfriamiento se suministra al condensador por gravedad debido al vacío.
Verkhne-Mutnovskaya GeoTPP con una capacidad de 12 MW (3x4 MW) es una etapa piloto de la Mutnovskaya GeoTPP con una capacidad de diseño de 200 MW, creada para suministrar energía a la región industrial de Petropavlovsk-Kamchatsky.
Figura 6 -. Diagrama de una central geotérmica de vacío con un expansor:
1 – pozo, 2 – tanque de almacenamiento, 3 – expansor, 4 – bomba de agua caliente, 5 – turbina de vacío de 750 kW, 6 – generador, 7 – condensador de mezcla,
8 – bomba de agua de refrigeración, 9 – torre de refrigeración del ventilador, 10 – bomba de vacío
En la central geotérmica de Pauzhetskaya (al sur de Kamchatka), con una capacidad de 11 MW, en las turbinas de vapor sólo se utiliza vapor geotérmico separado de la mezcla de vapor y agua obtenida de pozos geotérmicos. Una gran cantidad de agua geotérmica (alrededor del 80 consumo total de PVA) con una temperatura de 120 °C se vierte en el río de desove Ozernaya, lo que conduce no solo a la pérdida del potencial térmico del refrigerante geotérmico, sino también significativamente empeora la condición ecológica del río.
Bombas de calor
Bomba de calor- un dispositivo para transferir energía térmica desde una fuente de energía térmica de baja calidad con una temperatura baja a un consumidor de refrigerante con una temperatura más alta. Termodinámicamente, una bomba de calor es una máquina de refrigeración invertida. si en maquina de refrigeracion El objetivo principal es producir frío eliminando el calor de cualquier volumen mediante el evaporador, y el condensador descarga calor en ambiente, entonces en una bomba de calor la situación es la contraria (Figura 7). El condensador es un intercambiador de calor que produce calor para el consumidor y el evaporador es un intercambiador de calor que utiliza calor de baja calidad ubicado en depósitos, suelos, aguas residuales etc. Según el principio de funcionamiento, las bombas de calor se dividen en compresión y absorción. Las bombas de calor de compresión siempre funcionan mediante un motor eléctrico, mientras que las bombas de calor de absorción también pueden utilizar el calor como fuente de energía. El compresor también necesita una fuente de calor de baja calidad.
Durante el funcionamiento, el compresor consume electricidad. La relación entre la energía térmica generada y la energía eléctrica consumida se denomina relación de transformación (o coeficiente de conversión de calor) y sirve como indicador de la eficiencia de la bomba de calor. Este valor depende de la diferencia en los niveles de temperatura en el evaporador y el condensador: cuanto mayor es la diferencia, menor es este valor.
Por tipo de refrigerante En los circuitos de entrada y salida, las bombas se dividen en seis tipos: “agua subterránea”, “agua-agua”, “aire-agua”, “tierra-aire”, “agua-aire”, “aire-aire”.
Cuando se utiliza la energía del suelo como fuente de calor, la tubería por la que circula el líquido se entierra en el suelo entre 30 y 50 cm por debajo del nivel de congelación del suelo en una región determinada (Figura 8). Para instalar una bomba de calor con una capacidad de 10 kW se requiere un circuito de tierra de 350-450 m de longitud, para cuya instalación se necesitará un terreno de unos 400 m² (20x20 m).
Figura 7 – Diagrama de funcionamiento de la bomba de calor
Figura 8 - Uso de la energía del suelo como fuente de calor
Las ventajas de las bombas de calor incluyen, en primer lugar, la eficiencia: para transferir 1 kWh de energía térmica al sistema de calefacción, la instalación de la bomba de calor necesita gastar entre 0,2 y 0,35 kWh de electricidad. Todos los sistemas funcionan en circuitos cerrados y prácticamente no requieren operación. costos, distintos del costo de la electricidad necesaria para operar el equipo, que se puede obtener de plantas de energía eólica y solar. El período de recuperación de la inversión de las bombas de calor es de 4 a 9 años, con una vida útil de 15 a 20 años antes de reparaciones importantes.
Los valores de eficiencia reales de las bombas de calor modernas son del orden de COP = 2,0 a una temperatura de fuente de −20 °C, y del orden de COP = 4,0 a una temperatura de fuente de +7 °C.
La energía geotérmica es energía obtenida del calor natural de la Tierra. Este calor se puede conseguir mediante pozos. El gradiente geotérmico en el pozo aumenta 1 0C cada 36 metros. Este calor se entrega a la superficie en forma de vapor o agua caliente. Este calor puede utilizarse tanto directamente para calentar viviendas y edificios como para generar electricidad. Las regiones termales se encuentran en muchas partes del mundo.
Según diversas estimaciones, la temperatura en el centro de la Tierra es de al menos 6.650 0C. La tasa de enfriamiento de la Tierra es de aproximadamente 300-350 0C por mil millones de años. La Tierra contiene 42 x 1012 W de calor, de los cuales el 2% está contenido en la corteza y el 98% en el manto y el núcleo. Las tecnologías modernas no nos permiten alcanzar calor a demasiada profundidad, pero 840.000.000.000 W (2%) de energía geotérmica disponible pueden satisfacer las necesidades de la humanidad durante mucho tiempo. Las áreas alrededor de los bordes de las placas continentales son mejor lugar para la construcción de estaciones geotérmicas, porque la corteza en esas zonas es mucho más delgada.
Plantas de energía geotérmica y recursos geotérmicos.
Cuanto más profundo es el pozo, mayor es la temperatura, pero en algunos lugares las temperaturas geotérmicas aumentan más rápido. Estos lugares suelen encontrarse en zonas de alta actividad sísmica, donde las placas tectónicas chocan o se rompen. Por eso los recursos geotérmicos más prometedores se encuentran en zonas de actividad volcánica. Cuanto mayor sea el gradiente geotérmico, más barato será extraer calor, debido a los menores costos de perforación y bombeo. En los casos más favorables, el gradiente puede ser tan alto que Superficie del agua calentado a la temperatura requerida. Los géiseres y las fuentes termales son ejemplos de tales casos.
Abajo la corteza terrestre hay una capa de roca caliente y fundida llamada magma. El calor se produce allí principalmente debido a la desintegración de elementos radiactivos naturales como el uranio y el potasio. El potencial energético del calor a una profundidad de 10.000 metros es 50.000 veces más energía que todas las reservas de petróleo y gas del mundo.
Las zonas subterráneas con temperaturas más altas se encuentran en regiones con volcanes activos y jóvenes. Estos "puntos calientes" se encuentran en los límites de las placas tectónicas o en lugares donde la corteza es tan delgada que permite el paso del calor del magma. Muchos puntos calientes se encuentran en la Cuenca del Pacífico, también llamada "Anillo de Fuego" debido a la gran cantidad de volcanes.
Plantas de energía geotérmica: formas de utilizar la energía geotérmica
Hay dos formas principales de utilizar la energía geotérmica: uso directo de calor y producción de electricidad. El uso directo del calor es el método más sencillo y, por tanto, más común. La práctica de utilizar calor directamente está muy extendida en latitudes altas en los límites de las placas tectónicas, como Islandia y Japón. En tales casos, el suministro de agua se instala directamente en pozos profundos. Recibió agua caliente Se utiliza para calentar carreteras, secar ropa y calentar invernaderos y edificios residenciales. El método de producción de electricidad a partir de energía geotérmica es muy similar al uso directo. La única diferencia es la necesidad de más alta temperatura(más de 150 0С).
En California, Nevada y algunos otros lugares, la energía geotérmica se utiliza en grandes centrales eléctricas: así, en California, alrededor del 5% de la electricidad se genera con energía geotérmica, en El Salvador, la energía geotérmica produce alrededor de 1/3 de la electricidad. En Idaho e Islandia, el calor geotérmico se utiliza en una variedad de aplicaciones, incluida la calefacción doméstica. Miles de hogares utilizan bombas de calor geotérmicas para proporcionar calor limpio y asequible.
Las centrales geotérmicas son fuentes de energía geotérmica.
Roca seca calentada– Para aprovechar la energía en las centrales geotérmicas contenida en roca seca, se necesita agua en hipertensión bombeado en la roca. Esto amplía las fracturas existentes en la roca, creando un depósito subterráneo de vapor o agua caliente.
Magma- una masa fundida formada bajo la corteza terrestre. La temperatura del magma alcanza los 1.200 0C. Aunque se encuentran pequeños volúmenes de magma a profundidades accesibles, métodos prácticos La obtención de energía del magma está en desarrollo.
Agua subterránea caliente y presurizada, que contiene metano disuelto. La producción de electricidad utiliza tanto calor como gas.
Plantas de energía geotérmica: principios de funcionamiento.
Actualmente existen tres esquemas de generación de electricidad a partir de recursos hidrotermales: directo utilizando vapor seco, indirecto utilizando vapor de agua y un esquema de producción mixto (ciclo binario). El tipo de transformación depende del estado del medio (vapor o agua) y de su temperatura. Las primeras centrales eléctricas de vapor seco fueron desarrolladas. Para producir electricidad, el vapor del pozo pasa directamente a través de una turbina/generador. Las centrales eléctricas con producción de electricidad de tipo indirecto son las más comunes en la actualidad. Utilizan agua subterránea caliente (temperaturas de hasta 182 0 C) que se bombea a alta presión a unidades generadoras en la superficie. Las plantas de energía geotérmica de modo mixto se diferencian de los dos tipos anteriores de plantas de energía geotérmica en que el vapor y el agua nunca entran en contacto directo con la turbina/generador.
Centrales geotérmicas que funcionan con vapor seco
Las centrales eléctricas de vapor funcionan principalmente con vapor hidrotermal. El vapor va directamente a una turbina, que alimenta un generador que produce electricidad. El uso de vapor elimina la necesidad de quemar combustibles fósiles (tampoco es necesario transportar ni almacenar combustible). Estas son las centrales geotérmicas más antiguas. La primera central eléctrica de este tipo se construyó en Larderello (Italia) en 1904 y todavía está en funcionamiento. La tecnología de vapor se utiliza en la planta de energía Geysers en el norte de California, la planta de energía geotérmica más grande del mundo.
Centrales geotérmicas que utilizan vapor hidrotermal.
Para producir electricidad, estas centrales utilizan hidrotermas sobrecalentadas (temperaturas superiores a 182 °C). La solución hidrotermal se bombea al evaporador para reducir la presión, lo que hace que parte de la solución se evapore muy rápidamente. El vapor resultante impulsa la turbina. Si queda líquido en el tanque, se puede evaporar en el siguiente evaporador para obtener aún más potencia.
Centrales geotérmicas con ciclo binario de producción de electricidad.
La mayoría de las áreas geotérmicas contienen agua a temperaturas moderadas (por debajo de 200 0C). Las centrales eléctricas de ciclo binario utilizan esta agua para generar energía. A través de un intercambiador de calor se hace pasar agua geotérmica caliente y un segundo líquido adicional con un punto de ebullición más bajo que el agua. El calor del agua geotérmica evapora un segundo líquido, cuyos vapores impulsan turbinas. Al tratarse de un sistema cerrado, prácticamente no se producen emisiones a la atmósfera. Las aguas templadas son el recurso geotérmico más abundante, por lo que la mayoría de las futuras plantas de energía geotérmica funcionarán según este principio.
El futuro de la electricidad geotérmica.
tanques de vapor y agua caliente son sólo una pequeña parte de los recursos geotérmicos. El magma y la roca seca de la Tierra proporcionarán energía barata, limpia y prácticamente inagotable una vez que se desarrollen tecnologías apropiadas para su utilización. Hasta entonces, los productores más habituales de electricidad geotérmica serán las centrales eléctricas de ciclo binario.
Para que la electricidad geotérmica se convierta en un elemento clave de la infraestructura energética de Estados Unidos, se deben desarrollar métodos para reducir el costo de obtenerla. El Departamento de Energía de EE.UU. está trabajando con la industria geotérmica para reducir el coste por kilovatio hora a 0,03-0,05 dólares. Se prevé que en la próxima década entrarán en funcionamiento 15.000 MW de nuevas plantas de energía geotérmica.