Сущность геотермальной энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Геотермальная энергия

2. Сущность геотермальной энергии

3. Классы геотермальных районов

4. Геотермальные электростанции

5. Основное оборудование геотермальных электростанций

6. Воздействие ГеоТЭС на окружающую природную среду

Заключение

Список литературы

Введение

Еще 150 лет тому назад на нашей планете использовались исключительно возобновляемые и экологически безопасные источники энергии: водные потоки рек и морских приливов - для вращения водяных колес, ветер - для приведения в действие мельниц и парусов, дрова, торф, отходы сельского хозяйства - для отопления. Однако с конца XIX века все более и более растущие темпы бурного промышленного развития вызвали необходимость сверхинтенсивного освоения и развития сначала топливной, а затем и атомной энергетики. Это привело к стремительному истощению углеродных ископаемых и к все более возрастающей опасности радиоактивного заражения и парникового эффекта земной атмосферы. Поэтому на пороге нынешнего века пришлось вновь обратиться к безопасным и возобновляемым энергетическим источникам: ветровой, солнечной, геотермальной, приливной энергии, энергии биомасс растительного и животного мира и на их основе создавать и успешно эксплуатировать новые нетрадиционные энергоустановки.

В то время, как достигнутые успехи в создании ветровых, солнечных и ряда других типов нетрадиционных энергоустановок широко освещаются в журнальных публикациях, геотермальным энергоустановкам и, в частности, геотермальным электростанциям не уделяется того внимания, которого они по праву заслуживают. А между тем перспективы использования энергии тепла Земли поистине безграничны, поскольку под поверхностью нашей планеты, являющейся, образно говоря, гигантским естественным энергетическим котлом, сосредоточены огромнейшие резервы тепла и энергии, основными источниками которых являются происходящие в земной коре и мантии радиоактивные превращения, вызываемые распадом радиоактивных изотопов. Энергия этих источников столь велика, что она ежегодно на несколько сантиметров сдвигает литосферные пласты Земли, вызывает дрейф материков, землетрясения и извержения вулканов, из которых действующих, т. е. периодически извергавшихся за последние 500 лет, насчитывается 486.

1. Геотермальная энергия

Повсеместно на планете, на глубине 5-10 км под поверхностью земли протекают геотермальные воды, которые возможно использовать для получения энергии. Нагретые (иногда до температуры 6 тыс. градусов по шкале Цельсия) подземные воды выходят на поверхность земли в виде горячих источников или гейзеров, это тепло и может быть трансформировано в электрическую энергию или использоваться непосредственно для обогрева домов и теплиц. Энергия, полученная, из геотермального источника сама по себе, не может решить энергетическую проблему, но она позволит снизить зависимость от использования ископаемого топлива.

Первый опыт генерирования электричества из геотермальных источников имел место в Италии в 1904 году. Впоследствии, аналогичные электростанции были построены в Новой Зеландии, в Японии, на Филиппинах и в США, Рейкьявик, столица Исландии, отапливается геотермальными водами. В 1999 году в США электростанции, работающие на геотермальной энергии, позволили сэкономить 60 млн. баррелей нефти. В том же году из геотермальных источников было произведено 2200 мегаватт электроэнергии, т.е. приблизительно столько же, сколько могли произвести 4 крупные атомные электростанции. Среди возобновляемых источников энергии геотермальная энергия занимает третье место после таких источников, как гидроэнергия и энергия, выработанная из биомассы.

К достоинствам этого метода получения энергии относится ее дешевизна и экологическая чистота. К недостаткам - невозможность строительства геотермальных станций в большинстве регионов планеты. Кроме того, есть пример того, когда построенная электростанция годами простаивала без дела, поскольку источник горячих вод неожиданно иссяк.

Современная востребованность геотермальной энергии как одного из видов возобновляемой энергии обусловлена: истощением запасов органического топлива и зависимостью большинства развитых стран от его импорта (в основном импорта нефти и газа), а также с существенным отрицательным влиянием топливной и ядерной энергетики на среду обитания человека и на дикую природу. Все же, применяя геотермальную энергию, следует в полной мере учитывать ее достоинства и недостатки.

Геотермальная энергия - это энергия внутренних областей Земли. Извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромном жаре внутри планеты. Ученые оценивают температуру ядра Земли в тысячи градусов Цельсия. Эта температура постепенно снижается от горячего внутреннего ядра где как полагают металлы и породы могут существовать только в расплавленном состоянии до поверхности Земли геотермальные ресурсы огромны. Истоки их освоения уходят еще в глубокую древность. Тепло Земли уже сейчас вносит вклад в современную энергетику, но он не соответствует ни экономической и экологической эффективности, ни ресурсам, пригодным для освоения имеющимися техническими средствами. Остается надеяться, что повсеместное введение новой интенсивной циркуляционной технологии для производства геотермальной энергии приведет к более широкому ее использованию.

Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами - для выработки электроэнергии и для обогрева домов, учреждений и промышленных предприятии. Для какой из этих целей она будет использоваться зависит от формы в которой она поступает в наше распоряжение. Иногда вода вырывается из-под земли в виде чистого "сухого пара" т е пара без примеси водяных капелек. Этот сухой пар может быть непосредственно использован для вращения турбины и выработки электроэнергии. Конденсационную воду можно возвращать в землю и при ее достаточно хорошем качестве - сбрасывать в ближний водоем.

В других местах, где имеется смесь воды с паром (влажный пар), этот пар отделяют и затем используют для вращения турбин; капли воды повредили бы турбину. Наконец, в большинстве месторождений есть только горячая вода, и энергию здесь можно вырабатывать, пользуясь этой водой для перевода изобутана в парообразное состояние, с тем чтобы этот изобутановый «пар» вращал турбины. Такой процесс называют системой с бинарным циклом. Горячей водой можно непосредственно обогревать жилища, общественные здания и предприятия (централизованное теплоснабжение).

В районах, отличающихся газотермальной активностью для отопления используются парогеотермальные источники. Применение этого способа отопления лимитируется наличием в мире соответствующих районов. Тем не менее имеется потенциальная возможность его расширения путем прокачивания геотермальных вод через горячие подземные породы, где они находятся на умеренной глубине.

Применение геотермальных вод не может рассматриваться как экологически чистое потому, что пар часто сопровождается газообразными выбросами, включая сероводород и радон - оба считаются опасными. На геотермальных станциях пар, вращающий турбину, должен быть конденсирован, что требует источника охлаждающей воды, точно так же как этого требуют электростанции на угле или ядерном топливе. В результате сброса как охлаждающей, так и конденсационной горячей воды возможно тепловое загрязнение среды. Кроме того, там, где смесь воды и пара извлекается из земли для электростанций, работающих на влажном паре, и там, где горячая вода извлекается для станций с бинарным циклом, воду необходимо удалять. Эта вода может быть необычно соленой (до 20% соли), и тогда потребуется перекачка ее в океан или нагнетание в землю. Сброс такой воды в реки или озера мог бы уничтожить в них пресноводные формы жизни. В геотермальных водах нередко содержатся также значительные количества сероводорода - дурно пахнущего газа, опасного в больших концентрациях.

Обоснование и строительство первых в нашей стране опытных ГЦС с гидроразрывом горячих пород также базируется на результатах зарубежных исследований. Вместе с тем у нас разрабатываются оригинальные технологические схемы. Ископаемое топливо исчерпаемо, и поэтому уже сейчас нужно не только задумываться о поиске альтернативных источников энергии, но и смело проводить технологические эксперименты по внедрению в нашу жизнь новых нетрадиционных источников, которые, вполне возможно, откроют серьезные перспективы для электроэнергетики будущего. И наряду со многими идеями нельзя отрицать важности использования геотермальной энергии - энергии нашей родной Земли.

Геотермальные тепловые электростанции (ГеоТЭС) используют в качестве источника энергии естественные парогидротермы, залегающие на глубине до 5 км. Геотермальная энергетика развивается достаточно интенсивно в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии, России. Самая мощная ГеоТЭС (50 МВт) построена в США -- ГеоТЭС Хебер.

Запасы геотермальной энергии составляют 200 ГВт. Геотермальные ресурсы распределены неравномерно, и основная их часть сосредоточена в районе Тихого океана.

В России геотермальные источники экономически расположены невыгодно. Камчатка, Сахалин и Курильские острова отличаются слабой инфраструктурой, высокой сейсмичностью, малонаселенностью, сложным рельефом местности. Общие запасы этого вида энергии в России оцениваются в 2000 МВт. В настоящее время в России действует Паужетская ГеоТЭС на Камчатке мощностью 11 МВт. Вода и пар разделяются в циклонах. Вода, находящаяся под высоким давлением, преобразуется в пар и также используется для генерации электричества. Давление пара значительно меньше по сравнению с современными тепловыми электростанциями, и это вынуждает применять крупные турбины с ограниченной генерирующей способностью.

Впрочем, следует иметь в виду, что топливо в данном случае бесплатное и результирующая стоимость энергии поэтому низка. Сведений о продолжительности жизни геотермальных источников мало, и поэтому, хотя геотермальная энергия производится при малых затратах, проекты, рассчитанные на долгую перспективу, неизвестны. Этот способ может снабжать только небольшой долей требуемой энергии даже те страны, в которых доступны геотермальные воды, и тоже не свободен от проблемы загрязнения атмосферы.

Основное направление развития геотермальной энергетики -- отбор теплоты не только термальных вод, но и водовмещающих горных пород путем закачки отработанной воды в пласты, преобразование глубинной теплоты в электрическую энергию. Такое использование глубинной теплоты обеспечит экологическую безопасность технологии ее использования.

2. Сущность геотермальной энергии

Геотермальная энергия (или тепло Земли) это - тепловая энергия, хранящаяся в зонах вод высокого давления, паровых или горячих водных системах, горячих горных породах ниже поверхности Земли. Используемая термальная энергия частично представляет собой постоянный тепловой поток от ядра земли до мантии, которая в итоге выделяет эту энергию на поверхность земли в атмосферу. Другая часть получается в результате естественных радиоактивных процессов распада, которые протекают в мантии земли, выделяя энергию. Использование геотермальной энергии можно подразделить по признаку приповерхностной и глубинной геотермальной энергии. В то время как использование приповерхностной геотермальной энергии способно обеспечить теплом отдельные постройки (комплекс построек) с помощью земных коллекторов в комбинации с тепловыми насосами (пр. глубина 15-150 м.), глубинная геотермальная энергия открывает возможности использования более масштабных проектов энергоснабжения , включая производство электроэнергии.

Особенность глубинной геотермальной энергии заключается в том, что использование водоносных слоёв происходит на огромной глубине (2000-5000 м.). В связи с этим необходимы по меньшей мере две буровых скважины (производственная и реинъекционная скважины), так как полученная термальная вода должна быть обратно закачана в тот же пласт после ее охлаждения.

3. Классы геотермальных районов

Принято выделять три класса геотермальных районов.

Геотермальный. Температурный градиент -- более 80 °С/км. Эти районы расположены в тектонической зоне вблизи границ континен­тальных плит. Первый такой район был задействован для производства электроэнергии в 1904 г. вблизи Лардерелло (Тоскана, Италия). Почти все из существующих ГеоТЭС размещены именно в таких районах.

Полутермальный. Температурный градиент -- примерно от 40 до 80 °С/км. Подобные районы связаны главным образом с аномалиями, лежащими в стороне от границ платформ. Извлечение тепла производится из естественных водоносных пластов или из раздробленных сухих пород. Хорошо известный пример такого района находится вблизи Па­рижа и используется для обогрева зданий.

Нормальный. Температурный градиент -- менее 40 °С/км. Такие районы наиболее распространены, именно здесь тепловые потоки в среднем составляют примерно 0,06 Вт/м. Маловероятно, чтобы в таких районах даже в будущем стало экономически выгодно извлекать тепло из недр.

В каждом из перечисленных классов в принципе можно получать тепло за счет:

* естественной гидротермальной циркуляции, при которой вода проникает в глубоко залегающие породы, где превращается в сухой пар, пароводяную смесь или просто нагревается до достаточно высокой тем­пературы. Соответствующие выходы наблюдаются в природных усло­виях. Если на глубине давление возрастает в результате парообразования, то могут возникнуть гейзеры. Эжектируется в этом случае именно горячая вода, а не пар;

* искусственного перегрева, связанного с охлаждением полурас -- плавленной магмы, застывающей в виде лавы. Первой ГеоТЭС, исполь­зующей этот принцип, была станция мощностью 3 МВт, построенная на Гавайах в 1982 году;

* охлаждения сухих скальных пород. Обладающие достаточно низкой теплопроводностью сухие скальные породы в течение миллио­нов лет накапливают тепло. Создание искусственных разрывов в поро­дах позволяет прокачивать через них воду, отбирая тепло.

На практике ГеоТЭС в гипертермальных районах работают на естественной гидротермальной циркуляции; в полутермальных районах используется как естественная гидротермальная циркуляция, так и искусственный перегрев за счет извлечения тепла из сухих горных пород. Нормальные же районы обладают слишком малыми температурными градиентами, чтобы предоставлять коммерческий интерес.

4. Геотермальные электростанции

Более 30 государств уже приняли или уже рассматривают стандарты, в соответствии с которыми часть потребляемой коммунальными предприятиями электрической энергии должна браться из возобновляемых источников. В списки таких источников, как правило, включаются геотермальные электростанции (ГеоТЭС), использующие горячие подземные воды или пар. Предприятия, как правило, не хотят связываться с ГеоТЭС из-за их высокой первоначальной стоимости, что обусловлено необходимостью бурения исследовательских скважин на этапе проектирования и создания подземных хранилищ для горячей воды, расположенных гораздо ближе к поверхности, чем природные горячие подземные воды. Зато уже построенные геотермальные электростанции не требуют никакого топлива и почти не загрязняют окружающую среду. Стоимость этих станций с расчётом на длительный период эксплуатации не выше стоимости угольных ТЭС, самых дешёвых из традиционных. В настоящее время разработано несколько типов ГеоТЭС, которые уже реализованы и давно действуют.

Самыми распространёнными являются так называемые станции прямого действия (flash plants), но в будущем, по-видимому, будут строиться станции бинарного действия (binary plants), в которых горячая вода подземных источников испаряется и конденсируется в воду более низкой температуры. Некоторые беспокоятся по поводу постепенного обеднения источников из-за непременных потерь воды при её превращении в пар и последующем охлаждении. Однако этого вряд ли стоит опасаться, т. к. запасы воды будут непрерывно пополняться - ведь она быстро просачивается сквозь недра.

При двухступенчатом же процессе практически вся извлечённая из недр вода возвращается в резервуар. В будущем, скорее всего, коммунальные предприятия будут использовать горячую воду, просто нагреваемую горячей породой, а индивидуальные потребители - брать её из скважин прямо во дворах. На глубине 3 м температура круглый год составляет 10-15 °С. Наполненные жидкостью трубы, проложенные на этой глубине, можно подсоединить к тепловому насосу в доме и обеспечить охлаждение летом и обогрев зимой. Когда вы начнёте строить новый дом, подумайте об этом: установка теплового насоса, конечно, обойдётся вам дороже, чем установка обычной отопительной системы, зато вам не надо будет думать о топливе, если не считать ничтожного количества электроэнергии. За 4-5 лет все расходы окупятся и вы начнёте экономить, на зависть соседям.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

· Прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединённые с электрогенераторами;

· Непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;

· Смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы;

· Бинарная схема: в качестве рабочего тела используется не термальная вода или пар, а другая жидкость, имеющая низкую температуру кипения. Термальная вода пропускается через теплообменник, где образуется пар другой жидкости, используемый для вращения турбины.

В СССР первая геотермальная электростанция была построена в 1966 году на Камчатке, в долине реки Паужетка. Её мощность -- 12 МВт.

На Мутновском месторождении термальных вод 29 декабря 1999 года запущена в эксплуатацию Верхне-Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 12 МВт (на 2004 год).

10 апреля 2003 года запущена в эксплуатацию первая очередь Мутновской ГеоЭС, установленная мощность на 2007 год -- 50 МВт, планируемая мощность станции составляет 80 МВт, выработка в 2007 году -- 360,687 млн кВт·ч. Станция полностью автоматизирована.

2002 год -- введен в эксплуатацию первый пусковой комплекс «Менделеевская ГеоТЭС» мощностью 3,6 МВт в составе энергомодуля «Туман-2А» и станционной инфраструктуры.

2007 год -- ввод в эксплуатацию Океанской ГеоТЭС, расположенной у подножия вулкана Баранского на острове Итуруп в Сахалинской области, мощностью 2,5 МВт. Название этой электростанции связано с непосредственной близостью к Тихому океану.

5. Основное оборудование геотермальных электростанций

Геотермальные ТЭС на месторождениях пароводяной смеси с противодавленческими турбинами.

На месторождениях пароводяной смеси в вулканических районах (в России это Камчатка и Курильские острова) простейшим способом получения электроэнергии является использование противодавленческих паровых турбин.

Поступающая из геотермального резервуара по подъемной скважине пароводяная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение на жидкую (вода с растворенными солями и газами) и газовую (водяной пар и пластовые неконденсирующиеся газы) фазы. Затем парогазовая смесь по ступает на противодавленческую паровую турбину с генератором, отработанный пар с неконденсирующимися газами сбрасывается в атмосферу, а отсепарированная вода после возможного использования для теплоснабжения возвращается в геотермальный резервуар по нагнетательной (реинжекционной) скважине. При низком солесодержании возможен сброс отработанной воды в открытые водоемы.

Энергоблоки с противодавленческими турбинами обычно применяются при очень высоком содержании в газовой фазе неконденсирующихся газов (12... 15 % по массе), когда их удаление из конденсатора становится энергетически и экономически невыгодным. Если по геологическим причинам время эксплуатации геотермального месторождения недостаточно для окупаемости конденсационных энергоблоков, то разработка месторождения вплоть до истощения может проводиться противодавленческими энергоблоками. Кроме того, энергоблоки с противодавленческими турбинами иногда используются при разработке геотермальных месторождений для привода буровых станков вместо дизелей, а также в качестве пусковых комплексов ГеоТЭС с последующей возможной заменой на конденсационные блоки. Такие турбины выпускаются в Японии, США, Италии. Их мощность обычно не превышает 10 МВт.

В России энергоблоки с противодавленческими турбинами установлены и эксплуатируются на о. Кунашир. На Калужском турбинном заводе разработаны энергоблоки Омега-500, Туман-2 и Туман-2,5, их основные характеристики приведены ниже в табл. 1.

Поскольку противодавленческие турбины значительно проще конденсационных по своей конструкции, их цена заметно ниже. Если для конденсационных энергоблоков типичные удельные капиталовложения 1000...1200 долл. за установленный киловатт (без учета затрат на разведку месторождения, бурение скважин и обустройство месторождения), то для противодавленческих блоков капиталовложения снижаются до 600...700 долл. за установленный киловатт. Однако разница в себестоимости электроэнергии значительно меньше, так как удельный расход пара на единицу мощности у противодавленческих турбин примерно вдвое выше, чем у конденсационных.

Геотермальные ТЭС на месторождениях пароводяной смеси с конденсационными турбинами.

На большинстве действующих ГеоТЭС применяется тепловая схема с конденсационными турбинами. Она более эффективная по сравнению с тепловой схемой с противодавленческими турбинами.

Геотермальная пароводяная смесь или влажный пар с неконденсирующимися газами (НКГ) из подъемной скважины подается в сепаратор, откуда пар поступает на вход конденсационной турбины, а минерализованная вода направляется на реинжекционную скважину для возврата в пласт. Отработанный пар подается в смешивающий конденсатор. Поскольку в большинстве случаев на геотермальных месторождениях нет источников охлаждающей воды (реки или пруда-охладителя), применяется оборотная система отвода сбросного тепла, включающая циркуляционный насос, башенную градирню и конденсатный насос. Неконденсирующиеся газы, обычно содержащие большое количество сероводорода, удаляются из конденсатора эжекторами и подаются на верхний срез градирни для рассеивания в атмосфере вместе с паровым факелом.

Оборудование для таких ГеоТЭС выпускается в ряде стран: Италии, США, Японии.

Максимальная мощность конденсационного энергоблока составляет 100 МВт (ГеоТЭС Гейзеры, США), но обычно мощности энергоблоков находятся в интервале 12…50 МВт. В России освоен выпуск всего основного оборудования, в целом не уступающего, а по ряду показателей превосходящего лучшие мировые образцы. На Калужском турбинном заводе разработаны малый конденсационный энергомодуль полной заводской готовности Туман 4к (работающий на Верхне-Мутновской ГеоТЭС) и влажнопаровая турбина средней мощности 25 МВт со ступенью сепаратором (две такие турбины работают на первой очереди Мутновской ГеоТЭС).

В ОАО «Наука» на основе разработок ОАО «ЭНИН им. Г.М. Кржижановского» по горизонтальным гравитационным сепараторам предложены и изготавливаются на российских заводах высокоэффективные геотермальные сепараторы. Эти сепараторы установлены в модульных энергоблоках Верхне-Мутновской ГеоТЭС и на первой очереди Мутновской ГеоТЭС. Сепараторы обеспечивают рекордное качество пара (влажность на выходе не выше 0,05 %), что значительно снижает эрозию турбинных лопаток.

Возможная суммарная мощность таких ГеоТЭС в России определяется, в основном, потребностью в электроэнергии вулканических районов Камчатки и некоторых Курильских островов (всего около 1 млн кВт).

Удельные капвложения в строительство собственно электростанций такого типа составляют 1000…1200 долл/кВт, а суммарные удельные инвестиции с включением затрат на разведку месторождения, бурение скважин и обустройство геотермального промысла -- 2000…2500 долл/кВт. Себестоимость электроэнергии после периода окупаемости примерно вдвое ни же, чем на расположенных в этих районах ТЭС на органическом топливе.

Геотермальные ТЭС на месторождениях пароводяной смеси или геотермальных рассолов с конденсационными турбинами и одно- или многократным расширением геотермального флюида.

Если на месторождениях пароводяной смеси температура отсепарированной воды достаточно высока (выше 100 °С), то можно путем расширения [сбросом давления в расширителе 9 (рис.) получить дополнительный пар, который направляется на промежуточный вход турбины.

Это позволяет получить дополнительную работу и, тем самым, повысить КПД энергоустановки. Таких каскадов теоретически может быть несколько. На практике, однако, возможность применения таких схем ограничивается солеотложением в элементах оборудования в результате повышения концентрации солей выше предельной растворимости. На месторождениях пароводяной смеси раньше всего образуются отложения кремневой кислоты, растворимость которой быстро уменьшается при снижении температуры. На месторождениях геотермальных рассолов, добываемых из карбонатных коллекторов (Северный Кавказ) при расширении рассолов выделяется растворенный СО2 , что приводит к нарушению углекислотного равновесия и образованию отложений кальцита, магнезита и т.п. Поэтому применение схем с расширителями возможно лишь при отсутствии массивных солеотложений или при использовании регулярной очистки оборудования.

Расширители являются сравнительно дешевыми объемными аппаратам и, поэтому их применение практически не увеличивает капиталовложения, остающиеся на уровне 1000 долл/кВт.

Геотермальные ТЭС с использованием низкокипящих чистых или смесевых рабочих тел.

Во избежание солеотложений, возникающих при упаривании геотермальных рассолов в схемах с расширителями, применяется схема с использованием низкокипящих рабочих тел.

Геотермальный рассол из подъемной скважины поступает в теплообменник-парогенератор (который обычно выполняется в виде двух кожухотрубных аппаратов ? испарителя и подогревателя (экономайзера)). После охлаждения до предельной температуры, определяемой условием отсутствия солеотложений, рассол возвращается обратно в пласт по нагнетательной скважине. В связи с высокой стоимостью скважин, для увеличения расхода геотермального рассола иногда применяются погружные насосы, размещаемые на глубине до 200 м в подъемной скважине, а для обратной закачки практически всегда используется нагнетательный насос перед реинжекционной скважиной. Расход электроэнергии на привод этих насосов иногда достигает 20% от выработки электроэнергии.

В качестве рабочих тел таких ГеоТЭС используются хладагенты (углеводороды: пропан, бутан, фреоны, в последнее время рассматривается возможность применения водоаммиачной смеси). Жидкое рабочее тело подогревается и испаряется в парогенераторе и подается на вход турбины. Расширение пара низкокипящих рабочих тел в турбине происходит (в отличие от водяного пара) в области сухого пара, что связано с аномальным видом правой ветви их кривых насыщения в T,s-диаграмме -- энтропия уменьшается при снижении температуры, поэтому из турбины выходит сухой пар. Если его температура значительно выше температуры конденсации, определяемой обычно температурой воздуха, целесообразно возвратить избыточное тепло в цикл, для чего используется непоказанный на схеме рекуперативный теплообменник, устанавливаемый перед конденсатором, который обычно является воздухоохлаждаемым из-за дефицита охлаждающей воды. Сконденсированное рабочее тело циркуляционным насосом подается на вход парогенератора (при наличии рекуператора -- через него).

Первая в мире геотермальная энергоустановка по такой схеме с фреоном-22 в качестве рабочего тела была изготовлена в 1956 г. и испытана на Паратунском месторождении термальных вод на Камчатке. Оборудование для таких ГеоТЭС с разными рабочими телами изготавливалось рядом фирм в США, Японии, Италии, Австрии. В настоящее время промышленный выпуск энергомодулей мощностью 0,5…3 МВт с низкокипящими рабочими телами осуществляется фирмой «Ормат» (Израиль). Общая мощность ГеоТЭС, построенных во многих странах с этими энергомодулями, превышает 350 МВт. В нашей стране на Кировском заводе был спроектирован энергомодуль мощностью 1,5 МВт на озонобезопасном фреоне-42b. В настоящее время работы по созданию специальной турбины ведутся в ОАО «Наука».

В последние годы особое внимание проявляется к использованию водоаммиачной смеси в качестве рабочего тела. Этот интерес обусловлен изменением температуры в процессе парообразования смеси ? сначала при более низкой температуре выкипает, в основном, аммиак и по мере уменьшения его концентрации температура кипящей смеси растет. В результате удается сблизить кривые охлаждения геотермального рассола и нагрева и парообразования водоаммиачной смеси в I,t-диаграмме, что приводит к снижению необратимых потерь эксергии при теплообмене и повышению КПД цикла ГеоТЭС. Кроме того, путем изменения концентрации аммиака в смеси можно эффективно использовать одну и ту же турбину на геотермальных месторождениях с температурами рассолов 80…200 °С.

Геотермальные ТЭС комбинированного цикла с паровой турбиной в верхнем цикле и низкокипящим рабочим телом в нижнем цикле.

Для более полного использования теплового потенциала геотермальной пароводяной смеси целесообразно использовать комбинированную тепловую схему.

Из подъемной скважины пароводяная смесь подается в сепаратор, откуда пар направляется в противодавленческую паровую турбину, после выхода из турбины пар поступает в конденсатор, являющийся парогенератором низкокипящего рабочего тела. Образующийся конденсат используется на станции. Отсепарированный горячий геотермальный рассол подается в пароперегреватель низкокипящего рабочего тела, после чего возвращается в пласт по нагнетательной скважине. Перегретый пар низкокипящего РТ подается на вход бинарной турбины, после расширения в которой идет в рекуператор, где охлаждается и идет в воздушный конденсатор. Сконденсированное низкокипящее РТ питательным насосом подается на предварительный подогрев в рекуператор и затем в парогенератор. Такая схема позволяет использовать тепло отсепарированного рассола для перегрева низкокипящего РТ, что приводит к увеличению КПД ГеоТЭС. Особенно эффективно применение такой схемы при низких температурах воздуха, так как благодаря низким температурам замерзания низкокипящих РТ (ниже -50 °С) можно осуществлять конденсацию при отрицательных температурах. Для условий Мутновского месторождения пароводяной смеси (среднегодовая температура воздуха ? 5 °С) выработка электроэнергии на комбинированной ГеоТЭС увеличивается на 20 % по сравнению с традиционным конденсационным циклом.

6. Воздействие ГеоТЭС на окружающую природную среду

Геотермальная энергетика с виду не имеет никаких недостатков, исходя из этого, некоторые страны начинают присматриваться к этому варианту получения энергии. Но, как известно, пренебрежение к предварительному рассмотрению всевозможных угроз может привести к плачевным результатам.

Первая и, пожалуй, самая явная угроза которая может возникнуть при работе геотермальных станций это угроза выброса вредных газов, содержащихся в геотермальных ресурсах в окружающую среду. И причиной этому может служить как халатность работников, так и возможная авария, которая вероятна, по причине предпочтительного расположения станций в местах сейсмологической активности. Вследствие возможной техногенной катастрофы может нарушиться естественное природное равновесие биоценозов определенных территорий и в зависимости от серьезности и степень угрозы живому в окружающей эту территорию среде.

Кроме того, в аварийной ситуации может произойти выход горячих ресурсов, которые повредят почве.

Другой немаловажной угрозой являются отбросы в атмосферу при работе геотермальных станций, как и любых других современных «заводов», которые оказывают большой урон экологии.

А также, при постройке этих установок необходимо и бурение скважин, повреждающих естественное залегание пород, вследствие этого нарушается природное течение подземных вод, в том числе и пролегающих близко к поверхности, это может привести к недостаточному увлажнению почв.

Обвалы и нарушение ровности поверхности почв могут быть по причине неразумного расположения скважин, такой недостаток особенно опасен при условии недалекого расположения станций от городских построек.

электричество геотермальный энергия

Заключение

Тепло Земли очень "рассеянно", и в большинстве районов мира человеком может использоваться с выгодой только очень небольшая часть такой энергии. Из них пригодные для использования геотермальные ресурсы составляют всего 1% общей теплоемкости верхней 10-километровой толщи земной коры, или 137 трлн. тонн условного топлива. Но и это количество геотермальной энергии может обеспечить нужды человечества на долгое время. Области повышенной сейсмической активности, вокруг краев континентальных плит являются наилучшими местами для строительства геотермальных электростанций, потому что кора в таких зонах намного тоньше. Именно поэтому наиболее перспективные геотермальные ресурсы находятся в зонах вулканической активности.

В структуре мирового производства электроэнергии, возобновляемые источники энергии в 2000 году обеспечили 19 % общемирового производства электроэнергии. При этом, несмотря на значительные темпы развития, геотермальная, солнечная и ветровая энергия составляла в 2000 году менее 3 % от общего объема использования энергии, получаемой от возобновляемых источников. Однако в настоящее время геотермальная электроэнергетика развивается ускоренными темпами, не в последнюю очередь из-за галопирующего увеличения стоимости нефти и газа. Этому развитию во многом способствуют принятые во многих странах мира правительственные программы, поддерживающие это направление развития геотермальной энергетики.

Отметим, что геотермальные ресурсы разведаны в 80 странах мира и в 58 из них активно используются. Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, где геотермальная электроэнергетика, как один из альтернативных источников энергии, имеет особую правительственную поддержку. Опыт, накопленный различными странами (в том числе и Россией), относится в основном к использованию природного пара и термальных вод, которые остаются пока наиболее реальной базой геотермальной энергетики. Однако ее крупномасштабное развитие в будущем возможно лишь при освоении петрогеотермальных ресурсов, т.е. тепловой энергии горячих горных пород, температура которых на глубине 3 - 5 км обычно превышает 100°С.

Геотермальная энергетика, и геотермальные электростанции в том числе, является одним из самых перспективных видов получения альтернативных источников энергии. Современная востребованность геотермальной энергии как одного из видов возобновляемой энергии обусловлена, прежде всего, истощением запасов органического топлива и зависимостью большинства развитых стран от его импорта (в основном импорта нефти и газа), а также с существенным отрицательным влиянием традиционной энергетики на окружающую среду.

Сегодня ГеоТЭС в мире производят около 54613 ГВт*ч энергии в год. Суммарная мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 75900 ГВт?ч. Россия, к сожалению, не входит даже в первую десятку производителей электрической и тепловой энергии из геотермальных источников, в то время как запасы геотермальной энергии по оценкам в 10-15 раз превышают запасы органического топлива.

Сейчас, в связи с внедрением новых, менее затратных, технологий бурения скважин, применением эффективных способов очистки воды от токсичных соединений и металлов капитальные затраты на отбор тепла от геотермальных вод непрерывно снижаются.

К тому же, следует иметь ввиду, что геотермальная энергетика в последнее время существенно продвинулась в своем развитии. Так, последние разработки показали возможность выработки электроэнергии при температуре пароводяной смеси ниже 80 єС, что позволяет гораздо шире применять ГеоТЭС для выработки электроэнергии.

В связи с этим ожидается, что в странах со значительным геотермальным потенциалом и первую очередь в США мощность ГеоТЭС в самое ближайшее время удвоится.

Список литературы

1. Попов М.С. Геотермальная энергетика в России [Текст] / М.С. Попов - М.: "Энергоатомиздат", 1988. - 294 с.

2. Максимов И.Г. Альтернативные источники энергии [Текст] / И.Г. Максимов - М.: "Эко-Тренд", 2005. - 387 с.

3. Феофанов Ю.А. Геотермальные электростанции [Текст] / Ю.А. Феофанов - М.: "Эко-Тренд", 2005. - 217 с.

4. Алхасов А.Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии [Текст] / А.Б. Алхасов - М.: "Физматлит", 2008. - 376 с.

Размещено на Allbest.ru