Resumen: Energía geotérmica. Energía geotérmica Cálculo del esquema térmico de una central geotérmica
Los recursos de energía geotérmica en Rusia tienen un potencial industrial significativo, incluida la energía. Las reservas de calor de la Tierra con una temperatura de 30-40 °С (Fig. 17.20, ver inserto en color) están disponibles en casi toda Rusia, y en algunas regiones hay recursos geotérmicos con temperaturas de hasta 300 °С. Dependiendo de la temperatura, los recursos geotérmicos se utilizan en diversas industrias. economía nacional: industria de la energía eléctrica, suministro de calor, industria, agricultura, balneología.
A temperaturas de los recursos geotérmicos superiores a 130 ° C, es posible obtener electricidad en un solo circuito plantas de energía geotérmica(GeoES). Sin embargo, varias regiones de Rusia tienen reservas significativas de aguas geotérmicas con una temperatura más baja de aproximadamente 85 ° C y más (Fig. 17.20, ver inserto de color). En este caso, es posible obtener electricidad en el GeoPP con un ciclo binario. Las centrales eléctricas binarias son estaciones de dos circuitos que utilizan su propio fluido de trabajo en cada circuito. Las estaciones binarias también se denominan a veces estaciones de circuito único que funcionan con una mezcla de dos fluidos de trabajo: amoníaco y agua (Fig. 17.21, consulte el inserto en color).
Las primeras plantas de energía geotérmica en Rusia se construyeron en Kamchatka en 1965-1967: Pauzhetskaya GeoPP, que opera y actualmente produce la electricidad más barata en Kamchatka, y Paratunskaya GeoPP con un ciclo binario. En el futuro, se construyeron alrededor de 400 GeoPP con un ciclo binario en el mundo.
En 2002, Mutnovskaya GeoPP se puso en funcionamiento en Kamchatka con dos unidades de potencia con una capacidad total de 50 MW.
El esquema tecnológico de la central eléctrica prevé el uso de vapor obtenido por separación en dos etapas de la 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 doble flujo con ocho etapas. En combinación con una turbina de vapor, opera un generador con una potencia nominal de 25 MW y un voltaje de 10,5 kV.
Para proveer limpieza ambiental El esquema tecnológico de la central prevé un sistema de bombeo de condensado y separador de regreso a las capas terrestres, así como la prevención de emisiones de sulfuro de hidrógeno a la atmósfera.
Los recursos geotérmicos se utilizan ampliamente para el suministro de calor, especialmente cuando se usa agua geotérmica caliente directamente.
Las fuentes de calor geotérmicas de bajo potencial con una temperatura de 10 a 30 °C deben usarse con bombas de calor. Una bomba de calor es una máquina diseñada para transferir energía interna de un refrigerante con una temperatura baja a un refrigerante con una temperatura alta con la ayuda de una influencia externa para realizar el trabajo. El principio de funcionamiento de una bomba de calor se basa en el ciclo de Carnot inverso.
La bomba de calor, que consume kW de energía eléctrica, produce de 3 a 7 kW de energía térmica para el sistema de suministro de calor. La relación de transformación varía según la temperatura de la fuente geotérmica de bajo grado.
Las bombas de calor se utilizan ampliamente en muchos países del mundo. La planta de bomba de calor más potente opera en Suecia con una capacidad térmica de 320 MW y utiliza el calor 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 la relación de transformación, que indica cuántas veces más energía térmica se produce respecto a la energía eléctrica (o mecánica) consumida.
La operación más económica de las bombas de calor es durante el período de cargas mínimas en el sistema de potencia, su operación puede ayudar a igualar las curvas de carga eléctrica del sistema de potencia.
literatura para autoestudio
17.1.Uso energía del agua: un libro de texto para universidades / ed. Yu.S. Vasiliev. -
4ª ed., revisada. y adicional Moscú: Energoatomizdat, 1995.
17.2.Vasiliev Yu.S., Vissarionov V.I., Kubyshkin L.I. Solución hidroeléctrica
tareas en una computadora. Moscú: Energoatomizdat, 1987.
17.3.Neporozhny P.S., Obrezkov V.I. Introducción a la especialidad. energía hidroeléctrica
teca: tutorial para universidades. - 2ª ed.Revisada. y adicional M: Energía atomizada,
1990.
17.4 Cálculos agua-energía y gestión del agua: libro de texto para universidades /
edición Y EN. Vissarionov. Moscú: Editorial MPEI, 2001.
17.5.Pago recursos de energía solar: libro de texto para universidades / ed.
Y EN. Vissarionov. Moscú: Editorial MPEI, 1997.
17.6 Recursos y la eficiencia de las energías renovables
en Rusia / Equipo de autores. San Petersburgo: Nauka, 2002.
17.7.Dyakov A.F., Perminov E.M., Shakaryan Yu.G. Industria de la energía eólica en Rusia. Expresar
y perspectivas de desarrollo. Moscú: Editorial MPEI, 1996.
17.8.Pago recursos de energía eólica: libro de texto para universidades / ed. Y EN. wissa
Rionova. Moscú: Editorial MPEI, 1997.
17.9 Mutnovsky complejo eléctrico geotérmico en Kamchatka / O.V. Britvin,
CÁLCULO DE UNA CENTRAL GEOTÉRMICA
Calcularemos el esquema térmico de una central geotérmica de tipo binario, según.
Nuestra planta de energía geotérmica consta de dos turbinas:
El primero trabaja sobre el vapor de agua saturado obtenido en el expansor. Energia electrica - ;
El segundo funciona con vapor saturado de freón R11, que se evapora debido al calor del agua que se extrae del expansor.
El agua de los pozos geotérmicos con presión pgw y temperatura tgw ingresa al expansor. En el expansor, un 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 termina de nuevo en el pozo. diferencia de temperatura en planta de evaporación= 20°С. Los fluidos de trabajo se expanden en las turbinas y entran en los condensadores, donde son enfriados por agua del río con temperatura txw. Calentamiento de agua en el condensador = 10°C, y subenfriamiento a temperatura de saturación = 5°C.
Eficiencia interna relativa de las turbinas. Eficiencia electromecánica de turbogeneradores = 0,95.
Los datos iniciales se dan en la Tabla 3.1.
Pestaña. 3.1. Datos iniciales para el cálculo de GeoPP
Diagrama esquemático de GeoPP de tipo binario (Fig. 3.2).
Arroz. 3.2.
De acuerdo con el diagrama de la Fig. 3.2 y los datos iniciales realizamos cálculos.
Cálculo del esquema de una turbina de vapor que funciona con vapor saturado seco
Temperatura del vapor a la entrada del condensador de la turbina:
donde es la temperatura del agua de enfriamiento a la entrada del condensador; - calentamiento de agua en el condensador; es la diferencia de temperatura en el condensador.
La presión de vapor en el condensador de la turbina se determina a partir de las tablas de propiedades del agua y el vapor:
Caída de calor disponible a la turbina:
donde es la entalpía del vapor saturado seco a la entrada de la turbina; - entalpía al final del proceso teórico de expansión del vapor en la turbina.
Flujo de vapor del expansor a la turbina de vapor:
donde es la eficiencia interna relativa de la turbina de vapor; - eficiencia electromecánica de turbogeneradores.
Cálculo del expansor de agua geotérmica
Ecuación de balance de calor del expansor
¿Dónde está el caudal de agua geotérmica del pozo? - entalpía del agua geotérmica del pozo; - flujo de agua del expansor al evaporador; - entalpía 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 la entalpía del agua hirviendo.
Ecuación de 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 como temperatura de saturación a la presión en el expansor:
Determinación de parámetros en puntos característicos del circuito térmico de una turbina operando en freón
Temperatura del vapor de freón a la entrada de la turbina:
Temperatura del vapor de freón a la salida de la turbina:
La entalpía del vapor de freón en la entrada de la turbina está determinada por diagrama p-h 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 de balance de calor del evaporador:
donde es la capacidad calorífica del agua. Aceptar = 4,2 kJ/kg.
A partir de esta ecuación es necesario determinar.
Cálculo de la potencia de una turbina que funciona con freón
donde 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 al pozo.
donde está la eficiencia de la bomba, se supone 0.8; - volumen específico medio de agua geotérmica.
La estructura del 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 generador eléctrico 5. El agua geotérmica que se ha utilizado en el generador de vapor es bombeada por una bomba 3 al pozo de retorno 2. La limpieza química del agua de alimentación de la planta de turbinas se realiza por métodos convencionales. La bomba de alimentación 8 devuelve el condensado del condensador 7 al generador de vapor.
En una planta de doble circuito, no hay gases no condensables en el circuito de vapor, por lo que se proporciona un vacío más profundo en el condensador y la eficiencia térmica de la planta aumenta en comparación con una de circuito único. A la salida del generador de vapor, el calor restante del agua geotérmica puede, como en el caso de una planta de energía geotérmica de un solo circuito, utilizarse para las necesidades de suministro de calor.
Figura 4.2. esquema térmico GeoTPP de doble circuito
Los gases, incluido el sulfuro de hidrógeno, se suministran desde el generador de vapor al absorbedor burbujeante y se disuelven en el agua geotérmica residual, después de lo cual se bombea al pozo de eliminación. Según los datos de prueba en Ocean GeoTPP en construcción (Islas Kuriles), el 93,97% del sulfuro de hidrógeno inicial se disuelve en el absorbedor burbujeante.
La diferencia de temperatura en el generador de vapor reduce la entalpía del vapor vivo de una instalación de doble circuito h 1 en comparación con una de circuito único, sin embargo, en general, la pérdida de calor en la turbina aumenta debido a una disminución en la entalpía de el vapor de escape h 2 . El cálculo termodinámico del ciclo se realiza como para una central térmica de turbina de vapor convencional (ver apartado de instalaciones de turbinas de vapor solares).
El caudal de agua caliente de los pozos geotérmicos para una instalación con una capacidad de N, kW, se determina a partir de la expresión
kg/s, (4,3)
donde es la diferencia de temperatura del agua geotérmica a la entrada y salida del generador de vapor, °C, es la eficiencia del generador de vapor. La eficiencia total de las modernas turbinas de vapor de doble circuito GeoTEP es del 17,27%.
En depósitos con una temperatura relativamente baja de aguas geotérmicas (100-200°C), se utilizan instalaciones de doble circuito en fluidos de trabajo de bajo punto de ebullición (freones, hidrocarburos). También se justifica económicamente el uso de tales instalaciones para utilizar el calor del agua separada de los GeoTPP de circuito único (en lugar de un intercambiador de calor en la Fig. 4.1). En nuestro país, por primera vez en el mundo (en 1967), se creó una planta de energía de este tipo a base de freón R-12 con una capacidad de 600 kW, construida en el campo geotérmico Paratunsky (Kamchatka) bajo la dirección científica del Instituto de Física Térmica de la Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de la URSS. La diferencia de temperatura del refrigerante fue de 80 ... 5 ° C, se suministró agua fría al condensador desde el río. Paratunka con una temperatura media anual de 5 o C. Lamentablemente, estas obras no se desarrollaron debido al antiguo abaratamiento del combustible orgánico.
En la actualidad, JSC "Kirovskiy Zavod" ha desarrollado un proyecto y documentación técnica para un módulo geotérmico de doble circuito con una capacidad de 1,5 MW en freón R142v (refrigerante de respaldo - isobutano). El módulo de potencia se fabricará completamente en la fábrica y se entregará por ferrocarril, los trabajos de construcción e instalación y la conexión a la red eléctrica requerirán costos mínimos. Se espera que el costo de fábrica para la producción en serie de módulos de energía se reduzca a alrededor de $800 por kilovatio de capacidad instalada.
Junto con el GeoTPP que funciona con un portador de calor homogéneo de bajo punto de ebullición, ENIN está desarrollando una planta prometedora basada en un fluido de trabajo mixto de agua y amoníaco. La principal ventaja de una instalación de este tipo es la posibilidad de su uso en un amplio rango de temperatura de aguas geotérmicas y mezcla de agua y vapor (de 90 a 220 o C). Con un fluido de trabajo homogéneo, la desviación de la temperatura en la salida del generador de vapor en 10 ... 20 ° C con respecto a la calculada conduce a una fuerte disminución en la eficiencia del ciclo, en 2,4 veces. Al cambiar la concentración de los componentes del portador de calor mixto, es posible garantizar un rendimiento aceptable de la instalación a temperaturas variables. La potencia de la turbina de amoníaco-agua en este rango de temperatura cambia menos del 15%. Además, dicha turbina tiene los mejores indicadores de peso y tamaño, y la mezcla de agua y amoníaco difiere el mejor rendimiento intercambio de calor, lo que permite reducir el consumo de metal y el costo del generador de vapor y del condensador en comparación con el módulo de potencia en un refrigerante homogéneo. Tales plantas de energía pueden ser ampliamente utilizadas para la recuperación de calor residual industrial. Pueden tener una fuerte demanda en el mercado internacional de equipos geotérmicos.
El cálculo de GeoTEU con fluidos de trabajo mixtos y de bajo punto de ebullición se realiza utilizando tablas de propiedades termodinámicas y diagramas h - s de los vapores de estos líquidos.
La posibilidad de utilizar los recursos termales del Océano Mundial, a menudo mencionada en la literatura, acompaña al problema de GeoTES. En las latitudes tropicales, la temperatura del agua de mar en la superficie es de unos 25 o C, a una profundidad de 500... 1000 m - unos 2... 3 o C. Ya en 1881, D "Arsonval expresó la idea de Usando esta diferencia de temperatura para generar electricidad El esquema de instalaciones para uno de los proyectos para la implementación de esta idea se muestra en la Fig. 4.3.
Figura 4.3. Diagrama de una planta de energía térmica oceánica: 1 - bomba para suministrar agua superficial cálida; 2 - generador de vapor de refrigerante de bajo punto de ebullición; 3 - turbina; 4 - generador eléctrico; 5 - condensador; 6 - bomba de suministro de agua profunda fría; 7 - bomba de alimentación; 8 - plataforma de barco
La bomba 1 suministra agua superficial caliente al generador de vapor 2, donde se evapora el refrigerante de bajo punto de ebullición. El vapor con una temperatura de aproximadamente 20 ° C se envía a la turbina 3, que impulsa el generador eléctrico 4. El vapor de escape ingresa al condensador 5 y se condensa con agua fría 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 las capas superficiales cálidas, el agua profunda se calienta hasta al menos 7...8° C, respectivamente, el vapor húmedo agotado del refrigerante tendrá una temperatura de al menos 12...13° C. Como resultado, la eficiencia térmica de este ciclo será = 0.028, y para el ciclo real - menos del 2%. Al mismo tiempo, la cogeneración oceánica se caracteriza por altos costos de energía para sus propias necesidades, requerirá costos muy altos de calor y agua fría, así como el portador de calor, el consumo de energía de las bombas excederá la energía generada por la unidad. En los Estados Unidos, los intentos de implementar este tipo de centrales eléctricas cerca de las islas hawaianas no dieron un resultado positivo.
Otro proyecto de planta de energía térmica oceánica, la termoeléctrica, consiste en utilizar el efecto Seebeck mediante la colocación de uniones de termoelectrodos en la superficie y en las capas profundas del océano. La eficiencia ideal de una instalación de este tipo, como para el ciclo de Carnot, es de alrededor del 2%. La sección 3.2 muestra que la eficiencia real de los convertidores térmicos es un orden de magnitud menor. En consecuencia, para la eliminación de 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 perceptible. La baja densidad energética es un obstáculo para el uso de las reservas de calor del océano.
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Propósito de la conferencia: mostrar las posibilidades y formas de utilizar el calor geotérmico en los sistemas de suministro de energía.
El calor en forma de fuentes termales y géiseres se puede utilizar para generar electricidad de acuerdo con varios esquemas en plantas de energía geotérmica (GeoPP). El esquema más fácil de implementar es un esquema que usa un par de líquidos con un punto de ebullición bajo. El agua caliente de fuentes naturales, calentando dicho líquido en el evaporador, lo convierte en vapor, que se usa en una turbina y sirve como impulsor para un generador de corriente.
La Figura 1 muestra un ciclo con un fluido de trabajo, por ejemplo, con agua o freón ( a); ciclo con dos fluidos de trabajo: agua y freón ( B); ciclo de vapor directo ( v) y un ciclo de dos bucles ( 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 del ciclo para la generación de electricidad:
I - fuente geotérmica; II - ciclo de turbina; III - agua de refrigeración
Los depósitos de alto potencial permiten el uso de diseños prácticamente tradicionales de centrales térmicas con turbinas de vapor.
tabla 1 -Especificaciones plantas de energía geotérmica
La Figura 2 muestra el esquema más simple de una pequeña planta de energía (GeoES) que usa el calor de una fuente subterránea caliente.
El agua de una fuente termal con una temperatura de unos 95 ° C es bombeada por la bomba 2 al eliminador de gases 3, donde se separan los gases disueltos en ella.
A continuación, el agua entra en el evaporador 4, en el que se convierte en vapor saturado y ligeramente sobrecalentado por el calor del vapor (de la caldera auxiliar), que previamente ha sido expulsado en el eyector del condensador.
El vapor ligeramente sobrecalentado trabaja en la turbina 5, en cuyo eje hay un generador de corriente. El vapor de escape se condensa en el condensador 6, que se enfría 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
Estas sencillas instalaciones ya estaban en funcionamiento en África en la década de 1950.
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, que se muestra en la Figura 3. El agua caliente del tanque de almacenamiento ingresa al evaporador 3, donde cede su calor a alguna sustancia con un bajo punto de ebullición. punto de ebullición. Dichas sustancias pueden ser dióxido de carbono, diversos freones, hexafluoruro de azufre, butano, etc. El condensador 6 es del tipo de mezcla, que se enfría con butano líquido frío procedente de un enfriador de aire de superficie. Parte del butano del condensador es suministrado por 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, porque todas las sustancias enumeradas tienen puntos de congelación muy bajos. Esto le permite ampliar significativamente los límites de temperatura utilizados en el ciclo.
Dibujo 3. Esquema de una planta de energía 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 medio de trabajo
Geotermia central eléctrica Con inmediato utilizando vapor natural
La planta de energía geotérmica más simple y asequible es una turbina de vapor de contrapresión. El vapor natural del pozo se suministra directamente a la turbina con posterior liberación a la atmósfera oa un dispositivo que captura sustancias químicas valiosas. La turbina de contrapresión puede ser alimentada con vapor secundario o vapor obtenido de un separador. De acuerdo con este esquema, la planta de energía funciona sin condensadores y no hay necesidad de un compresor para eliminar los gases no condensables de los condensadores. Esta instalación es la más simple, los costos de capital y operación son mínimos. Ocupa un área pequeña, casi no requiere equipo auxiliar y se puede adaptar fácilmente como una planta de energía geotérmica portátil (Figura 4).
Figura 4 - Esquema de una planta de energía geotérmica con el uso directo de vapor natural:
1 - bien; 2 - turbina; 3 - generador;
4 - salida a la atmósfera o a una planta química
El esquema considerado puede convertirse en el más rentable para aquellas áreas donde hay suficientes reservas de vapor natural. La operación racional ofrece una oportunidad trabajo efectivo una instalación de este tipo incluso con un caudal de pozo variable.
Hay varias estaciones de este tipo en Italia. Uno de ellos tiene una capacidad de 4 mil kW a un consumo específico de vapor de unos 20 kg/so 80 t/h; el otro con una capacidad de 16 mil kW, donde se encuentran 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 alimenta a la turbina. Gastado en la turbina, entra en el condensador de mezcla. Una mezcla de agua de enfriamiento y condensado del vapor ya agotado en la turbina se descarga del condensador a un tanque subterráneo, de donde es tomado por bombas de circulación y enviado a la torre de enfriamiento para su enfriamiento. Desde la torre de enfriamiento, el agua de enfriamiento ingresa nuevamente al condensador (Figura 5).
Según este esquema, con algunos cambios, funcionan muchas centrales geotérmicas: Larderello-2 (Italia), Wairakei (Nueva Zelanda), etc.
Alcance centrales eléctricas de doble circuito en sustancias de trabajo de bajo punto de ebullición (freón-R12, mezcla de agua y amoníaco) es el aprovechamiento del calor de las aguas termales con una temperatura de 100...200°C, así como del agua separada en los depósitos de las hidrotermales de vapor.
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
La producción combinada de energía eléctrica y térmica es posible en las centrales térmicas geotérmicas (GeoTPP).
El diagrama más simple de un GeoTPP tipo vacío para aprovechar el calor del agua caliente con una temperatura de hasta 100 °C se muestra en la Figura 6.
El funcionamiento de una planta de energía de este tipo procede de la siguiente manera. El agua caliente del pozo 1 ingresa al tanque de almacenamiento 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 ya 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 es bombeada por 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 extrae la mezcla de agua de refrigeración y el condensado de vapor de escape del condensador y la suministra para su enfriamiento a la torre de enfriamiento de ventilación 9. El agua enfriada en la torre de enfriamiento se suministra al condensador por gravedad debido a la descarga.
La GeoTPP Verkhne-Mutnovskaya con una capacidad de 12 MW (3x4 MW) es una etapa piloto de la GeoTPP Mutnovskaya con una capacidad de diseño de 200 MW, creada para suministrar electricidad a la región industrial de Petropavlovsk-Kamchatsky.
Figura 6 -. Esquema de un GeoTPP de vacío con un expansor:
1 - pozo, 2 - tanque de almacenamiento, 3 - expansor, 4 - bomba de agua caliente, 5 - turbina de vacío 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 planta de energía geotérmica de Pauzhetskaya (al sur de Kamchatka) con una capacidad de 11 MW, las turbinas de vapor utilizan únicamente vapor geotérmico separado de una mezcla de vapor y agua obtenida de pozos geotérmicos. Una gran cantidad de agua geotérmica (alrededor del 80 del consumo total de PVA) con una temperatura de 120 °C se descarga en el río Ozernaya de desove, lo que conduce no solo a la pérdida del potencial térmico del refrigerante geotérmico, sino también significativamente empeora el estado ecológico del río.
Bombas de calor
Bomba de calor- un dispositivo para transferir energía térmica desde una fuente de energía térmica de bajo grado con una temperatura baja a un consumidor de portador de calor con una temperatura más alta. Termodinámicamente, una bomba de calor es una máquina de refrigeración invertida. si en máquina de refrigeración el propósito principal es producir frío tomando calor de cualquier volumen por el evaporador, y el condensador descarga calor en ambiente, luego en la bomba de calor se invierte el cuadro (Figura 7). El condensador es un intercambiador de calor que genera calor para el consumidor, y el evaporador es un intercambiador de calor que utiliza calor de bajo grado ubicado en cuerpos de agua, suelos, aguas residuales etc Dependiendo del principio de funcionamiento, las bombas de calor se dividen en compresión y absorción. Las bombas de calor de compresión siempre son accionadas por 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 bajo grado.
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 entre los niveles de temperatura en el evaporador y el condensador: cuanto mayor sea la diferencia, menor será 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 entre 30 y 50 cm por debajo del nivel de congelación del suelo en la región dada (Figura 8). Para instalar una bomba de calor de 10 kW de potencia se requiere un circuito de tierra de 350-450 m de longitud, para cuyo tendido se necesita una parcela de unos 400 m² (20x20 m).
Figura 7 - Esquema de funcionamiento de la bomba de calor
Figura 8 - Uso de la energía del suelo como fuente de calor
En primer lugar, las ventajas de las bombas de calor incluyen la rentabilidad: para transferir 1 kWh de energía térmica al sistema de calefacción, la instalación HPP necesita gastar 0,2-0,35 kWh de electricidad. Todos los sistemas funcionan en circuitos cerrados y prácticamente no requieren costos de operación, excepto el costo de la electricidad requerida para operar el equipo, que puede obtenerse de plantas de energía eólica y solar. El período de amortización 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 derivada del calor natural de la tierra. Este calor se puede lograr con la ayuda de pozos. El gradiente geotérmico en el pozo aumenta en 1 0C cada 36 metros. Este calor se entrega a la superficie en forma de vapor o agua caliente. Dicho calor se puede utilizar tanto directamente para calentar casas y edificios como para producir electricidad. Las regiones termales existen 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 aproximadamente igual a 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. La tecnología moderna no permite alcanzar calor demasiado profundo, pero 840 000 000 000 W (2 %) de la energía geotérmica disponible pueden satisfacer las necesidades de la humanidad durante mucho tiempo. Las regiones alrededor de los bordes de las placas continentales son mejor lugar para la construcción de estaciones geotérmicas, porque la corteza en tales áreas 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 la temperatura geotérmica aumenta más rápido. Dichos lugares suelen estar ubicados en áreas de alta actividad sísmica, donde las placas tectónicas chocan o se rompen. Es por eso que los recursos geotérmicos más prometedores se encuentran en zonas de actividad volcánica. Cuanto mayor sea el gradiente geotérmico, más barato será extraer calor, al reducir los costos de perforación y bombeo. En los casos más favorables, el gradiente puede ser tan alto que Superficie del agua calienta a la temperatura requerida. Los géiseres y las fuentes termales son ejemplos de tales casos.
Debajo la corteza terrestre hay una capa de roca caliente y fundida llamada magma. Allí surge calor, principalmente debido a la descomposición 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 mundiales de petróleo y gas.
Las zonas de temperaturas subterráneas más altas se encuentran en regiones con volcanes activos y jóvenes. Tales "puntos calientes" se encuentran en los límites de las placas tectónicas o donde la corteza es tan delgada que el calor del magma puede pasar. Muchos puntos calientes se encuentran en la cuenca del Pacífico, que también se conoce como el "anillo de fuego" debido a la gran cantidad de volcanes.
Plantas de energía geotérmica: formas de utilizar la energía geotérmica
Hay dos usos principales para la energía geotérmica: calor directo y generación de electricidad. El uso directo del calor es el método más simple y, por lo tanto, el más común. La práctica del uso directo del calor está muy extendida en latitudes altas en los límites de las placas tectónicas, por ejemplo, en Islandia y Japón. El suministro de agua en tales casos se monta directamente en pozos profundos. El agua caliente resultante se utiliza para calentar carreteras, secar ropa y calentar invernaderos y edificios residenciales. El método de generación de electricidad a partir de energía geotérmica es muy similar al método de 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 usa en grandes plantas de energía, así que en California, alrededor del 5% de la electricidad es generada por energía geotérmica, en El Salvador, la energía geotérmica produce alrededor de 1/3 de la electricidad. En Idaho e Islandia, el calor geotérmico se usa en una variedad de aplicaciones, incluida la calefacción del hogar. Miles de hogares utilizan bombas de calor geotérmicas para proporcionar calor limpio y asequible.
Plantas de energía geotérmica - fuentes de energía geotérmica.
roca seca calentada– Para aprovechar la energía en centrales geotérmicas contenidas en roca seca, agua a alta presión bombeado en la raza. Así, se amplían las fracturas existentes en la roca y se crea un depósito subterráneo de vapor o agua caliente.
Magma Una masa fundida que se forma debajo de la corteza terrestre. La temperatura del magma alcanza los 1200 0С. A pesar de que pequeños volúmenes de magma se encuentran a profundidades accesibles, métodos prácticos la obtención de energía a partir del magma están en desarrollo.
Agua subterránea caliente y presurizada que contienen metano disuelto. La generación de electricidad utiliza calor y gas.
Plantas de energía geotérmica - principios de funcionamiento
Actualmente, existen tres esquemas para la producción de energía eléctrica a partir de recursos hidrotermales: directo con vapor seco, indirecto con vapor de agua y esquema de producción mixta (ciclo binario). El tipo de conversión depende del estado del medio (vapor o agua) y de su temperatura. Las centrales eléctricas de vapor seco fueron las primeras en ser dominadas. Para generar electricidad para ellos, el vapor proveniente del pozo se pasa directamente a través de la turbina/generador. Las centrales eléctricas con tipo indirecto de generación de electricidad son, con mucho, las más comunes. Utilizan agua subterránea caliente (hasta 182°C) que se bombea a alta presión a grupos electrógenos en la superficie. Las centrales eléctricas geotérmicas mixtas se diferencian de los dos tipos anteriores de centrales eléctricas geotérmicas 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 hay necesidad de transportar y almacenar el combustible). Estas son las plantas de energía geotérmica 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 en hidrotermias de vapor
Estas plantas utilizan hidrotermias sobrecalentadas (temperaturas superiores a 182°C) para producir electricidad. La solución hidrotermal es forzada al interior del evaporador para reducir la presión, por lo que parte de la solución se evapora muy rápidamente. El vapor resultante impulsa una 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 temperatura moderada (por debajo de 200°C). Las centrales eléctricas de ciclo binario utilizan esta agua para generar energía. El agua geotérmica caliente y un segundo líquido adicional con un punto de ebullición más bajo que el agua pasan a través de un intercambiador de calor. El calor del agua geotérmica evapora un segundo líquido, cuyos vapores impulsan las turbinas. Al ser un sistema cerrado, prácticamente no hay emisiones a la atmósfera. Las aguas templadas son el recurso geotérmico más abundante, por lo que la mayoría de las centrales eléctricas geotérmicas del futuro operarán 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 las tecnologías apropiadas para utilizarlos. Hasta entonces, los productores más comunes 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 los EE. UU., se deben desarrollar métodos para reducir el costo de su producción. El Departamento de Energía de EE. UU. está trabajando con representantes de la industria geotérmica para reducir el costo de un kilovatio-hora a $0.03-0.05. Se prevé que en la próxima década aparezcan nuevas plantas de energía geotérmica con una capacidad de 15.000 MW.