CC BY
630
УДК 621.482
М. Г. Гарипов, В. М. Гарипов
ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Ключевые слова: тепло, Земля, энергия.
Выполнен обзор различных видов и способов использования геотермальной энергии. Дана классификация источников геотермальной энергии. Проанализированы плюсы и минусы геотермальной энергетики. Показана перспективность использования энергии геотермальных источников.
Keywords: heat, the earth energy.
A review of the various types and methods of use of geothermal energy. A classification of geothermal energy. Analyzed the pros and cons of geothermal energy. The prospects of using geothermal energy.
Применение альтернативных
возобновляемых источников энергии (ветровой, солнечной, геотермальной, морских приливов и.т.д.) весьма актуально [1-5]. Объясняется это тем, что, во-первых, производство энергии за счёт сжигания ископаемых видов топлива на тепловых электростанциях вредно воздействует на природу, во-вторых, запасы такого топлива ограничены.
Геотермальные источники известны с древних времён. Например, знаменитые древнеримские бани (термы Каракаллы) отапливались теплом подземных источников. Первая электростанция, основанная на использовании горячих подземных источников, была построена в 1904 году в итальянском городке Лардерелло (провинция Тоскана). В США первая электростанция, использующая гидротермальную энергию, возникла в Калифорнии в начале 1930-ых годов, а в России - в 1965-м году.
Наиболее вероятные источники земного тепла: исходное тепло Земли; энергия экзотермических физико-химических процессов; энергия распада радиоактивных элементов; энергия сейсмических волн; энергия вращения Земли; тепло, выделяющееся при сжатии нижележащих слоёв под давлением вышележащих; энергия метеоритов.
Температура Земли с глубиной увеличивается в среднем на 1К через каждые 30 м. На глубине 3 км должна кипеть вода, на одиннадцатом километре плавится свинец (327°С), на двадцатом - алюминий(659°С), а на глубине 60км температура достигает 1800°С, и плавится платина(1773°С). Удельный тепловой поток изнутри Земли к её поверхности около 0,05Вт/м2. Полный тепловой поток изнутри земли примерно 26ТВт. Это в десять раз больше энергии, которую можно извлечь из всех предполагаемых запасов угля, нефти и природного газа. Однако поток энергии солнечного излучения, принимаемый Землёй, приблизительно в 8300 раз больше теплового потока изнутри Земли к её поверхности. Геотермическая ступень - глубина, соответствующая повышению температуры горных пород в земной коре на 1 К. Обычно геотермическая ступень составляет 30-33м. Но в некоторых местах у поверхности Земли (например, вблизи вулканических очагов)
геотермическая ступень равна всего 2-3м, а в экстремальных условиях - даже 0.5м.
Источники геотермической энергии по классификации Международного энергетического агентства делятся на пять типов.
1. Месторождения геотермального сухого пара. Они легко разрабатываются, но редки. Половина действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников.
2. Источники влажного пара (смеси пара и горячей воды). Они встречаются чаще. При их освоении решают вопросы предотвращения коррозии оборудования и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за его засолённости).
3. Месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду). Это полости с водой атмосферных осадков, нагреваемые близколежащей магмой.
4. Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2км и более). Запасы их энергии наиболее велики.
5. Магмы (нагретые до 1300°С расплавленные горные породы).
Водой насыщены все гранитные осадочные породы земной коры, и, возможно, и верхней части мантии. В жидком виде вода пребывает до глубин 10-15км., а ниже при температуре 700 С и более вода находится в парообразном состоянии. В любой точке земной поверхности на определённой глубине имеются пласты горных пород, содержащие термальные воды (гидротермы). Гидротермальная оболочка прослеживается по всему земному шару на разных глубинах. В районах вулканизма гидротермальная оболочка иногда выходит на земную поверхность. Здесь можно найти не только гейзеры, но и парогазовые струи с температурой 180-200 °С и выше.
По температуре теплоносителя
геотермальные источники делятся на эпитермальные, мезотермальные и гипотермальные. В эпитермальных источниках, расположенных в верхних слоях осадочных пород, куда проникают грунтовые воды, температура воды 50-90°С. Температура воды в мезотермальных источниках 100-200°С. В гипотермальных источниках, практически не зависящих от почвенных вод, температура в верхних слоях превышает 200 °С.
Перегретая вода в виде струй пара выделяется из остывающего магматического расплава вместе с легколетучими веществами и газами, проникая в верхние, более холодные пласты горных пород. Уже при температурах 375-425°С пар может сконденсироваться; в конденсате растворяется большинство летучих компонентов, так появляется ювенильный (первозданный) гидротерм.
Источниками инфильтрационных
гидротермов являются атмосферные осадки и грунтовые воды. По трещинам и порам горных пород они инфильтруются в более глубокие пласты, растворяя различные соли и газы и нагреваясь от горных пород. Инфильтрационные воды становятся термальными (температура более 37 °С) на глубине 800-1000м. При быстром подъёме воды через скважину глубиной 3-4 тысячи м можно получить гидротерм с температурой 100 °С.
Вулканические гидротермы в подавляющем большинстве случаев являются
инфильтрационными. К ним относятся гейзеры, грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые фумаролы. Общая минерализация вулканических гидротермов колеблется от ультрапресных категорий (менее 0,1г/л) до категорий сверхкрепких рассолов (более 600г/л). В них растворены активные газы (углекислый газ, сероводород, атомарный водород) и малоактивные газы (азот, метан, водород). Перегретые воды применяют для производства электроэнергии, пресные воды - в коммунальном теплообеспечении, малосольные воды - в бальнеологии, рассолы - как промышленное сырьё.
Геотермальное тепло можно использовать как для обогрева жилых и производственных помещений и теплиц, так и для выработки электроэнергии. В настоящее время наиболее широко распространено прямое применение геотермального тепла, особенно в сейсмоактивных зонах (Япония, Исландия, Камчатка).
Разработаны три основные схемы производства электроэнергии из гидротермальных источников: 1) прямая схема (используется сухой пар); 2) непрямая схема (применяется насыщенный водяной пар; 3) смешанная схема (используется бинарный цикл).
По прямой схеме через турбину пропускается пар, поступающий из глубинной скважины. В настоящее время наиболее распространены геотермальные электростанции, работающие по непрямой схеме. При смешанной схеме сильно разогретые подземные воды или пар подаются в теплообменник, в котором образуется пар, вращающий турбину. Отработанная вода закачивается в скважину, тепло направляется в магистральную теплосеть, электроэнергия - в электросеть.
Пригодные к эксплуатации геотермические источники чаще встречаются в регионах вулканической деятельности. К ним относится «Огненный круг» (западная часть Южной Америки, Анды, почти вся Центральная Америка, большая
часть Запада Соединенных Штатов и Скалистые горы, Алеутские острова, Камчатка, Япония, Тайвань, Индонезия, Филиппины, Новая Зеландия, многие острова в южной части Тихого океана). В восточной Африке геотермическая активность наблюдается в Эфиопии, Кении, Уганде, Танзании и Заире. В Азии горячие источники расположены в Непале, Индии, Афганистане, Иране, Турции и простираются до Греции и Италии. Многие другие страны и регионы хотя и не имеют горячих источников, но располагают геотермическими источниками. Лидирующие позиции в использовании геотермальных источников занимают США, Филиппины, Индонезия, Италия, Новая Зеландия, Япония, Исландия. В Исландии 99% энергетических потребностей покрываются за счёт геотермальных источников.
В России ещё до Великой Отечественной войны тепло термальных вод использовалось в Краснодарском крае, Чечне и Дагестане. Первые геотермальные электростанции в России (Паужетская и Паратунская) были построены на Камчатке в 1965-1967 годах. Паратунская ГеоЭС мощностью 600кВт - первая в мире станция с бинарным циклом. Мощность Паужетской ГеоЭС-12МВт. Также на Камчатке введены в эксплуатацию Верхне-Мутновская ГеоЭС мощностью 12МВт (1999 год ) и Мутновская ГеоЭС мощностью 50МВт ( 2002 год ). Однако доля геотермальной энергии в общем энергобалансе России пока ничтожно мала.
Геотермальная электростанция с непосредственным использованием природного пара является самой простой, доступной и дешевой. На этой станции пар из скважины поступает прямо в турбину с последующим выходом в атмосферу или устройство, улавливающее ценные химические компоненты.
Наиболее современная схема получения электроэнергии применяется на геотермальных станциях с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара. Пар из скважины поступает в турбину, а затем в смесительный конденсатор. Далее смесь охлаждающей воды и конденсата пара поступает в подземный бак, а затем, после охлаждения в градирне, возвращается в конденсатор. Расход пара на работающей по этой схеме электростанции в Лаго (Италия) составляет 8кг/кВт*ч.
На геотермальных электростанциях с бинарным циклом природный пар из скважины подаётся в паропреобразователь, в котором испаряет вторичный теплоноситель. Вторичный пар поступает в конденсационную турбину. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе. Неконденсирующиеся газы или выбрасываются в атмосферу, или направляются в химзаводы. Удельный расход пара на станции Лардерелло - 2 (Италия) - 14кг/кВт*ч.
После изобретения в 1852году теплового насоса английским физиком Уильямом Томпсоном (лорд Кельвин) появилась возможность
использования низкопотенциального тепла верхних слоёв грунта. Тепловой насос основан на передаче
тепла от окружающей среды к хладагенту, имеющему температуру кипения ниже 0°С. Охлажденный теплоноситель проходит через трубопровод, закопанный в землю, и нагревается на несколько градусов. Затем в испарителе теплового насоса он отдает тепло жидкому хладагенту, который испаряется. Далее пары хладагента сжимаются в компрессоре до высокого давления и высокой температуры. Затем горячие пары хладагента конденсируются в конденсаторе, отдавая тепло воде из системы отопления дома. Далее жидкий хладагент проходит через дроссельный вентиль, его давление понижается, и он снова поступает в испаритель. Таким образом, в контуре теплового насоса циркулирует хладагент, в одном из внешних контуров перемещается теплоноситель (через подземную трубу), а в другом внешнем контуре вода проходит через отопительные приборы.
Стоимость электроэнергии, производимой на современных ГеоЭС, в среднем на 30% меньше, чем на ветровых электростанциях и в 10 раз ниже, чем на солнечных электростанциях.
Геотермальная энергетика имеет ряд достоинств: практическая неисчерпаемость и независимость от условий окружающей среды, времени суток и года; возможность использования геотермальной воды или смеси воды и пара для горячего водоснабжения, теплоснабжения или производства электроэнергии; обеспечение устойчивого тепло - или электроснабжения в тех регионах, в которых централизованное энергоснабжение отсутствует; отсутствие котельного оборудования и затрат на топливо; возможность применения энергоносителя низкого давления; несложность управления; снижение вредных выбросов в регионах со сложной экологической обстановкой.
Однако геотермальная энергетика не лишена недостатков: высокая минерализация термальных вод; необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт; разрушение почвенно-растительного покрова при бурении скважин; вероятность
инициирования микроземлетрясений при гидравлическом разрыве пласта; сильный шум при расширении пара в испарителях; тепловое загрязнение атмосферы; нередко высокое содержание токсичных веществ (мышьяк, ртуть, радон, сульфид серы, аммиак и т. д.); коррозионное разрушение конструкций ГеоЭС. При более масштабном развитии геотермальной энергетики экологические риски могут увеличиться. Один из основных способов снижения негативных последствий - использование циркуляционных систем, в которых отработанные воды закачиваются обратно в водоносный пласт. Однако при этом расходуется электроэнергия, а твёрдые отложения в трубопроводах и скважинах сокращают срок их службы.
Таким образом, отрицательное влияние геотермальной энергетики на природу и человека незначительно. Тепло Земли можно использовать как для теплоснабжения, так и электроснабжения. Геотермальная энергетика с учетом её экономической эффективности имеет хорошие перспективы дальнейшего развития.
Литература
1. Саликеева С.Н., Галеева Ф.Т. Обзор методов получения альтернативной энергии. Вестник Казан. технол. унта,т.15, №8, 57-59 (2012).
2. Гарипов М.Г. Ветроэнергетика. Вестник Казан. технол. ун-та, т.16, №2, 64-65 (2013).
3. Алхасов А.Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии. - М.: Физматлит, 2008.- 376 с.
4. Череменский Г.А. Прикладная геотермия. - Л.: Недра, 1977.-244 с.
5. Дворов И.М. Геотермальная энергетика. - М: Наука, 1976.-192 с.
© М. Г. Гарипов - кандидат технических наук, доцент кафедры ПАХТ НХТИ КНИТУ, [email protected]; В. М. Гарипов - преподаватель ГОУ СПО «Нижнекамский нефтехимический колледж».
© M. G. Garipov - Candidate of Technical Sciences, the associate professor NCHTI "KNRTU", [email protected]; V. M. Garipov - the teacher of Public Educational Institution of Secondary Vocational Education Nizhnekamsk Petrochemical College.
