Классификация источников геотермальной энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

По курсу Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

На тему Классификация источников геотермальной энергии

Студент

Личная подпись И.О.

Преподаватель

Личная подпись И.О.

Содержание

Ведение

Своим возникновением отрасль геотермальной энергетики обязана такому природному явлению, как повышение температуры подземной породы пропорционально глубине. На каждые 36 метров вглубь температура увеличивается в среднем на 1 °C. Доступ к нагретым подземным водам можно получить не только при помощи скважин -- часть горячих источников представляют собой естественные гейзеры. Теплоноситель используется не только для отопительных нужд, но и для производства электроэнергии с помощью геотермальных станций, превращающих пар в электричество.

Рис. 1. Геотермальная станция в Исландии

Кроме того, практикуется использование и горячих пород, в которых отсутствуют подземные воды. В данном случае энергетики закачивают воду в подземные горизонты с её дальнейшим отбором уже в нагретом состоянии. Высокие «сухие» горизонты, температура которых, впрочем, не достигает градуса кипения воды, есть и на большом количестве территорий, где вулканическая активность вообще отсутствует, что придаёт геотермам статус перспективных источников энергии, вне зависимости от места их географического расположения.

Наиболее широкое распространение геотермальная энергетика получила в двух типах регионов. В первую очередь она развивается там, где в силу природных условий существует большое количество доступных горячих источников. Кроме того, геотермы используются там, где наблюдается дефицит горючих полезных ископаемых или же доставка энергоресурсов осложняется труднодоступностью района. В ряде стран тепло или электроэнергия, добытые с помощью геотермальных станций, покрывают существенную долю энергетических затрат.

По такой технологии получают порядка трети электроэнергии потребители американского Сан-Франциско. В Польше насчитывается уже четыре геотермальные станции, одна из которых обеспечивает потребности курортного города Закопане. Горячее водоснабжение в литовской Клайпеде осуществляется полностью за счёт работы геотермальной станции. В девяностых годах суммарная мощность геотермальных станций мира оценивалась в 5 ГВт, к двухтысячным она перевалила за 6 ГВт. Ряд оценок позволяет сделать вывод о том, что сейчас выработка геотермальной энергии превышает 10 ГВт.

Активные термальные воды в России распространены в нескольких регионах. Речь идёт в том числе о Саяно-Байкальской горной системе в Бурятии, где количество таких источников достигает четырёх сотен, на Чукотке, в Якутии и Западной Сибири. Наибольшая концентрация горячих вод наблюдается в Курило - Камчатском вулканическом поясе. На самой Камчатке выявлено 70 групп источников, более половины из которых нагреваются до 100 °C. Для сравнения, в системах геотермального снабжения полуострова себестоимость получения тепла в десять раз ниже, чем в котельных города Петропавловска-Камчатского.

Рис. 2. Лидеры производства геотермальной энергии

Именно поэтому регион и был выбран для строительства первой станции такого рода -- Паужетской. Её возвели ещё во времена СССР, в 1966 году. Возможности её расширения открывают широкие перспективы. За все время своего функционирования станция никогда не была убыточной, несмотря на то, что установлены самые низкие тарифы в регионе.

На Камчатке также работает Верхне-Мутновская ГеоТЭС, удовлетворяющая 25% энергетических потребностей края. Мощность геотермального месторождения в районе её постройки оценивается в 300 МВт. Напомним, строительство геотермальной станции стартовало и в Чечне. При наличии соответствующих природных условий и с учётом опыта эксплуатации уже имеющихся мощностей, перспективы развития такого вида энергетики в России более чем заманчивы.

1. Классификация источников геотермальной энергии

Источники геотермальной энергии по классификации Международного энергетического агентства делятся на 5 типов:

месторождения геотермального сухого пара - сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки; тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников;

источники влажного пара (смеси горячей воды и пара) - встречаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности);

месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду) - представляют собой, так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой;

сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более) - их запасы энергии наиболее велики;

магма, представляющая собой нагретые до 1300 °С расплавленные горные породы.

Наиболее полная классификация ресурсов и запасов геотермальной энергии разработана Э. И. Богуславским.

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.

2. Гидротермальные и паротермальные источники, их виды и особенности

Гидротермальные и паротермальные носители тепловой энергии - это горячие вода и пар, находящиеся близко к земной поверхности в тех местах, где кора имеет наименьшую толщину. Это самый используемый сегодня способ отбора тепловой энергии, происходящей из планетарных недр.

Первый опыт эксплуатации паротермального источника был произведён ещё в 1904 году в Италии. Там вырывающийся из трещин в земной коре горячий пар сначала был использован для вращения турбин. Затем остывший пар превращался в конденсированную воду и снова возвращался в скважину для нового цикла нагрева.

Минус описанной технологии заключается в том, что пар и горячая вода, поднимающиеся на поверхность, небезопасны. Они часто содержат в своём составе агрессивные и токсичные примеси и газы, которые быстро приводят в негодность лопасти турбогенераторов и опасны для персонала станции.

Более современным способом использования подземного тепла от гидротермальных и паротермальных источников является так называемая «бинарная» технология. Её отличие от более ранних разработок в том, что горячие пар и вода не крутят турбины напрямую, а поступают в теплообменники. Там они отдают тепло более удобному и химически нейтральному носителю, который выполняет дальнейшую работу без вреда для людей и энергоустановок.

Рис. 3. Гидротермальная станция

3. Петротермальная энергетика

Петротермальная энергетика основана на получении энергии с помощью подземного тепла, полученного от горячих горных пород. Технологически это направление еще не отработано, поскольку для получения энергии требуется иметь доступ к нагретым горным породам, а они даже в регионах с повышенным температурным градиентом залегают на глубине около 2 км от поверхности. Поэтому на сегодня используются только близкие к поверхности, по сути -- аномальные участки земной коры с выходом на поверхность горячих массивов. При появлении технологической возможности бурить на глубины 8-10 км, сооружать геотермальные электростанции (ГеоТЭС) будет можно в любой точке, где это необходимо.

Получение электроэнергии планируется путем закачки в подземные полости воды, превращающейся в перегретый пар. Он выводится под давлением на поверхность, где подключается к турбинным установкам, производящим электроэнергию. Сложность заключается в необходимости большой площади контакта, чтобы получать достаточные мощности. Предполагается использование подземных разломов, систем трещин и прочих полостей с высокими температурами. В среднем одна скважина для петротермального процесса дает поток пароводяной смеси, достаточный для генерации 3-5 МВт энергии. Пока такие системы на промышленном уровне нигде не реализованы, но работы ведутся, в частности, в Японии и Австралии. гидротермальный тепло конденсационный турбина

Рис. 4. Схема петротермальной электростанции

4. Геотермальные электростанции с бинарным циклом

Конденсационная турбина с паропреобразователем работает на вторичном паре. Эти станции наиболее выгодны там, где природный пар имеет высокую температуру и большое содержание газов. Схема электростанции следующая: природный пар из скважины поступает в паропреобразователь и свое тепло отдает вторичному теплоносителю, после чего чистый вторичный пар направляется в конденсационную турбину. Отработанный пар идет в конденсатор. Неконденсирующиеся газы, содержащиеся в паре, отделяются в паропреобразователе и выбрасываются либо в атмосферу, либо идут на химические заводы. Недостатком этой схемы является снижение параметров пара перед турбиной. По сравнению с электростанциями, непосредственно использующими природный пар, удельный расход пара здесь меньше на 30%.

Геотермальная электростанция, работающая по этой схеме (рис. 5), позволяет полностью использовать все химические вещества, содержащиеся в природном паре.

Рис. 5. Схема геотермальной станции с паропреобразователем

Опыт подтверждает, что стоимость строительства геотермальной электростанции с паропреобразователем немного больше стоимости электростанции с прямым использованием пара в конденсационной турбине. По схеме с паропреобразователем были построены электростанции Лардерелло-2 и Кастельнуово (Италия). На станции Лардерелло-2 установлено 7 турбин мощностью по 11 тыс. квт. Удельный расход пара на этой электростанции -- 14 кг/квт.

Геотермальные электростанции с конденсационной турбиной, работающие на отсепарированном паре, строятся там, где из скважины получают пар с большим содержанием воды. Пар или пароводяная смесь из скважины направляется в специальное устройство, расположенное на скважине. Под давлением в сепараторе происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Отсепарированный пар по трубопроводу направляется в турбину и т. д.

Конденсационные турбины, работающие на отсепарированном паре, нашли применение в строительстве геотермальных электростанций в России (Паужетское месторождение на Камчатке), Исландии (месторождение Хверагерди) и в других странах.

Рассмотренная схема имеет свои преимущества. Полученный в сепараторе пар практически не содержит газов, что облегчает работу турбин.

Заключение

Преимущества геотермальной энергетики

Из сказанного выше следует, что использование тепла Земли для получения электричества в промышленных масштабах, предприятие недешёвое. Но весьма выгодное по ряду причин.

Неисчерпаемость. Электростанции на ископаемом топливе -- природном газе, угле, мазуте -- сильно зависят от поставок этого самого топлива. Причем опасность заключается не только в прекращении поставок из-за бедствий или изменения политической ситуации, но и в незапланированном скачкообразном росте цен на сырье. В начале 1970-х годов из-за политической турбулентности на Ближнем Востоке разразился топливный кризис, который привел к росту цен на нефть в четыре раза. Кризис дал новый толчок развитию электротранспорта и альтернативных видов энергетики. Одним из плюсов использования земного тепла является его практическая неисчерпаемость (в результате действий человека, по крайней мере). Ежегодный тепловой поток Земли к поверхности составляет порядка 400 000 ТВт·ч в год, что в 17 раз больше, чем за тот же период вырабатывают все электростанции планеты. Температура ядра Земли составляет 6000 °C, а скорость остывания оценивается в 300-500 °C за 1 млрд лет. Не стоит беспокоиться о том, что человечество способно ускорить этот процесс бурением скважин и закачкой туда воды -- падение температуры ядра на 1 градус высвобождает 2·1020 кВт·ч энергии, что в миллионы раз больше ежегодного потребления электроэнергии всем человечеством.

Стабильность. Ветряные и солнечные электростанции крайне чувствительны к погоде и времени дня. Нет солнечного света -- нет выработки, станция отдает запас из аккумуляторов. Ослаб ветер -- вновь нет выработки, опять в дело вступают батареи с отнюдь не бесконечной емкостью. При соблюдении техпроцессов по обратной отдаче воды в скважину гидротермальная электростанция будет беспрерывно функционировать в режиме 24/7.

Компактность и удобство для сложных районов. Электроснабжение отдаленных областей с изолированной инфраструктурой -- задача непростая. Она осложняется еще больше, если район имеет плохую транспортную доступность, а рельеф не походит для строительства традиционных электростанций. Одним из важных плюсов геотермальных электростанций стала их компактность: так как теплоноситель берётся в буквальном смысле из земли, на поверхности строится машинный зал с турбиной и генератором и градирня, которые вместе занимают очень мало места.

Геотермальная станция с выработкой 1 ГВт·ч/год займет площадь 400 м2 -- даже в гористой местности геотермальной электростанции потребуется очень небольшой участок и автомобильная дорога. Для солнечной станции с такой же выработкой потребуется 3240 м2, для ветряной -- 1340 м2.

Экологичность. Само по себе функционирование геотермальной станции практически безвредно: её выброс углекислого газа в атмосферу оценивается в 45 кг CO2 на 1 кВт·ч выработанной энергии. Для сравнения: у угольных станций на тот же киловатт-час приходится 1000 кг CO2, у нефтяных -- 840 кг, газовых -- 469 кг. Впрочем, на атомные станции приходится всего 16 кг -- уж чего-чего, а углекислого газа они производят минимум.

Возможность параллельной добычи полезных ископаемых. Удивительно, но факт: на некоторых энергоблоках ГеоТЭС, помимо электроэнергии, добывают газы и металлы, растворенные в поступающей из-под земли пароводяной смеси. Их можно было бы просто пустить вместе с отработанным конденсированным паром обратно в скважину, но, учитывая, какие объемы полезных элементов проходят через геотермальную электростанцию, разумнее наладить их добычу. В некоторых районах Италии пар из скважин содержит 150-700 мг борной кислоты на каждый килограмм пара. Одна из местных гидротермических электростанций на 4 МВт расходует 20 кг пара в секунду, поэтому добыча борной кислоты там поставлена на промышленную основу.

Недостатки геотермальной энергетики

Рабочая жидкость опасна. Как было отмечено выше, ГеоТЭС не вырабатывают дополнительных токсичных выбросов, лишь только небольшой объем углекислого газа, на порядок меньший, чем у газовых ТЭС. Что, впрочем, не значит, что подземные воды и пар -- это всегда чистые субстанции, сродни минеральной питьевой воде. Пароводяная смесь из земных глубин насыщена газами и тяжелыми металлами, которые свойственны конкретному участку земной коры: свинец, кадмий, мышьяк, цинк, сера, бор, аммиак, фенол и так далее. В некоторых случаях по трубам к ГеоТЭС течёт такой впечатляющий коктейль, что его сброс в атмосферу или водоемы немедленно вызовет локальную экологическую катастрофу. При соблюдении всех требований безопасности пар, отправляемый в атмосферу, тщательно фильтруется от металлов и газов, а конденсат закачивается обратно в скважину. Но в случае нештатных ситуаций или намеренного нарушения технического регламента геотермальная станция может нанести окружающей среде некоторый урон.

Высокая стоимость за киловатт. Несмотря на относительную простоту конструкции ГеоТЭС, первичные вложения в их строительство немалые. Много средств уходит на геологоразведку и анализ, в результате чего себестоимость геотермальных станций колеблется на уровне $2800/кВт установленной мощности. Для сравнения: ТЭС -- $1000/кВт, ветряки -- $1600/кВт, солнечная электростанция -- $1800-2000/кВт, АЭС -- около $6000/кВт. Причём для ГеоТЭС приведена усреднённая стоимость, которая может сильно варьироваться в зависимости от страны, рельефа, химического состава пара и глубины бурения.

Относительно низкая мощность. ГеоТЭС в принципе пока не могут сравниться по выработке электроэнергии с ГЭС, АЭС и ТЭС. Даже при бурении большого количества скважин поток пара все равно будет невелик, а произведённого электричества хватит лишь для небольших населённых пунктов. Самый мощный на 2019 год геотермальный энергокомплекс The Geysers раскинулся на площади 78 км2 в Калифорнии, США. Он состоит из 22 гидротермальных станций и 350 скважин с общей установленной мощность 1517 МВт (реальная выработка 955 МВт), которые покрывают до 60% энергопотребностей северного побережья штата. Мощность всего The Geysers сопоставима с советским реактором РБМК-1500, когда-то работавшем на Игналинской АЭС, где их было два, а сама АЭС располагалась на площади 0,75 км2. ГеоТЭС с выработкой 200-300 МВт считаются очень мощными, большинство же станций по миру оперируют двузначными числами.

По состоянию на 2018 год во всем мире геотермальные электростанции вырабатывают более 14,3 ГВт энергии, тогда как в 2007 году производили всего 9,7 ГВт. Лидером по геотермальной выработке является США со своими 3591 МВт. Впечатляющее значение, которое, однако, составляет всего 0,3% от общей выработки страны. Далее идет Индонезия с 1948 МВт и 3,7%. А вот на третьем месте начинается интересное: на Филиппинах геотермальные электростанции имеют установленную мощность 1868 МВт, при этом на них приходится 27% электричества страны. А в Кении -- и вовсе 51%. Япония также входит в десятку лидеров по количеству киловатт, выработанных ГеоТЭС. Первая геотермальная электростанция, «Мацукава», открылась в Японии в 1966 году. Она вырабатывала 23,5 МВт, а турбину и генератор для неё произвела Toshiba. В 2010-х годах геотермальная энергия стала наиболее востребованной в странах Африки, где началось активное заключение контрактов и строительство ГеоТЭС. В 2015 году в Кении была открыта станция Olkaria IV, одна из четырёх, находящаяся в зоне Олкария в 120 км от Найроби, с мощностью 140 МВт. С ее помощью правительство снижает зависимость от гидроэлектростанций, сброс воды из которых часто приводит к разрушительным наводнениям. ГеоТЭС активно строят также в Уганде, Танзании, Эфиопии и Джибути.

В России развитие геотермальной энергетики идет очень неторопливыми темпами, так как в строительстве дополнительных электростанций нет особой необходимости. В 2015 году на долю таких станций приходилось всего 82 МВт. Паужетская геотермальная станция, построенная на Камчатке в 1966 году, была первой в СССР. Ее изначальная установленная мощность составляла всего 5 МВт, сейчас она доведена до 12 МВт. Вслед за ней появилась Паратунская станция с мощностью всего 600 кВт -- первая бинарная ГеоТЭС в мире. Сейчас в России действуют только четыре станции, три из них питают Камчатку, ещё одна, Менделеевская ГеоТЭС на 3,6 МВт, снабжает остров Кунашир Курильской гряды.

На нашей планете есть немало способов добычи электроэнергии без помощи ископаемого топлива. Какие-то из них, например, солнечная и ветряная энергия, успешно используются уже сейчас. Какие-то, вроде водородных топливных ячеек, пока пребывают на начальной стадии адаптации. Геотермальная энергетика -- это наш задел на будущее, раскрыть потенциал, которого в полной мере нам еще только предстоит.

Список использованных источников и литературы

1. Состояние геотермальной энергетики в мире

2. Классификация геотермальных ресурсов

3. Статья УДК621.482 М.Г. Гарипов, В.М. Гарипов ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

4. Схемы Геотермальных Электростанций

5. Петротермальная электростанция. Принцип работы

Размещено на Allbest.ru