Геотермальная энергетика SW. Геотермальная энергетика
 Скачать 0.93 Mb.
|
|
Геотермальная энергетика Выполнил: Группа: Научный руководитель: 2022
ВВЕДЕНИЕ В настоящее время старейшим и наиболее распространенным способом получения электроэнергии в промышленных масштабах является вращение турбины генератора с использованием в качестве мощного потока воды высокотемпературного пара, полученного из кипящей воды путем принудительного нагрева. Принимая во внимание как угольные электростанции, так и атомные электростанции, работа заключается в кипячении воды, с той лишь разницей, что угольные электростанции сжигают уголь, а атомные электростанции управляют цепной реакцией кипения с нагретыми топливными элементами. Чтобы обеспечить геотермальную электростанцию приемлемой эффективностью и стоимостью, ей нужна вода ниже определенной температуры и она должна быть расположена на глубине ниже определенного уровня. Если вы хотите построить геотермальную электростанцию (например, у себя во дворе), вы должны сначала докопаться до водоносного горизонта. В водоносном горизонте вода, нагретая до 150-200°С при высоком давлении, выходит на землю в виде перегретой горячей воды или пара. Затем, подобно электростанции, работающей на ископаемом топливе, поступающий пар вращает турбину и приводит в действие генератор для выработки электроэнергии. Отличительной особенностью геотермальной энергетики является то, что она использует природное тепло земли для производства пара. Целью данной работы является рассмотрение структурных составляющих геотермальной энергии. Цель работы рассмотреть структурные компоненты геотермальной энергетики. - рассмотреть в целом, что из себя представляет геотермальная энергия в России и мире; - изучить какие бывают геотермальные ресурсы; - произвести анализа принципа работы геотермальных электростанций; - выявить преимущества и недостатки геотермальной энергетики. 1. Геотермальная энергия в России и мире Гидротермальная энергетика — это тип производства энергии, целью которого является выработка электроэнергии с использованием тепла подземных вод. Источники тепла, следующие: - Вода нуждается в горных породах для передачи тепла, и для ее существования требуется давление выше атмосферного; - Пароводяные между двумя слоями находится вода, нижний слой передает тепло, а верхний слой предотвращает утечку воды. Чтобы получить тепло, необходимо выпустить воду или пар, для чего нужно вырыть буровую яму; - Паровые тот же метод работы, что и при предыдущей работе, но только пар переносит тепло. Петротермальная энергетика — это энергия, получаемая за счет использования подземного тепла от горячих пород. Однако эта энергия не очень распространена, и для производства энергии требуются горячие породы, и даже в жарких районах она находится на глубине более 2 километров от поверхности, поэтому генерировать энергию с поверхности невозможно. Для получения энергии задействуют один из способов: - фонтанный — благодаря давлению в земле происходит самоизливание ресурса; - насосный — способ применяется, когда образование фонтана невозможно; - геоциркуляционный — охлажденный ресурс отправляют обратно в недра Земли. Глобальный потенциал изучаемых в настоящее время геотермальных ресурсов составляет 0,2 ТВт для электроэнергии и 4,4 ТВт для тепла. Около 70% этого потенциала находится в области, где температура жидкости ниже 130°С. В настоящее время считается, что около 3,5% мирового геотермального потенциала используется для производства электроэнергии и только 0,2% в качестве источника тепла. Максимальная установленная мощность геотермальных электростанций составляет 2544 МВт в США, 1931 МВт на Филиппинах, 953 МВт в Мексике, 797 МВт в Индонезии, 790 МВт в Италии, 535 МВт в Японии, 435 МВт в Новой Зеландии и 202 МВт. МВт в Исландии. Годовая выработка электроэнергии геотермальными электростанциями в мире в 2021 году составила 325000 ГВт. Таблица 1.1- Характеристики количества тепла, запасенного в земле
Даже 1% данной мощности приравнивается к не одной сотне электростанций. Однако из-за низкой плотности теплового потока эту энергию сложно улавливать и перерабатывать. Основным источником геотермальной энергии является поток тепла изнутри земли к поверхности земли. Это тепло генерируется химическими реакциями, распадом радиоактивных материалов и трением активной зоны. Существует множество способов получения геотермального тепла. Следующие ресурсы используются для производства геотермальной энергии: - Тепло на поверхности планеты находится в нескольких сотнях метров от ядра; - Гидротермальная (природный водоем), паровая гидротермальная (смесь водяного пара и водяного пара) система; - Энергия из сухой породы (петротермальная); - Магма. Геотермальные ресурсы Источником энергии геотермальных электростанций являются недра земли, где тепло накапливается в результате процессов, непрерывно происходящих в ядре. Давайте подробнее рассмотрим историю открытия этого подземного ресурса и проследим за хронологией, в которой родились средства преобразования энергии теплоносителя в электричество. Геотермальная энергия известна человечеству с древних времен (1 век до н.э.). Ранее она применялась в виде следующего. - Купание в водоемах с горячей водой (например, вблизи гейзеров). - Способ купания с использованием того же горячего источника. - В виде эффективной городской системы отопления. В Древнем Риме говорят, что высшие классы предпочитали отдыхать в изотермах (ваннах, нагреваемых источником тепла внутри Земли). Затем, в 14 веке, французы построили первую в мире систему теплоснабжения, использующую геотермальное тепло Земли. Он стал использоваться в промышленности в Италии в 1827 году. Тепловая энергия Земли была использована итальянскими инженерами для извлечения борной кислоты из вулканических пород. Вот почему сейчас среди специалистов можно провести различие между нефтяными и гидротермальными системами. Так называемое "нефтяное тепло" — это разновидность геотермальной энергии, которая использует тепло сухой породы. При рассмотрении этого метода извлечения энергии необходимо обратить внимание на следующие моменты. - Повышение температуры горных пород по глубине характеризуется специальным показателем, называемым "градиент". - Средний наклон земной коры в каждом регионе составляет 1°C на 0,02 метра. - В случае, в точке глубиной около 5 км, она может достигать 100°C. Этот температурный градиент достаточен для практического использования для выработки электроэнергии. Гидротермальные источники тепла — это подземные воды, существующие в природе, и выработка энергии очень эффективна по сравнению с нефтяными источниками тепла. Также этот метод не требует больших затрат ресурсов и рабочей силы. Такая система не может быть построена и реализована до тех пор, пока не будет достаточного количества геотермальной воды и это место не будет простым в использовании. Одним из примеров является поиск скрытой вулканической активности. Таким образом, гидротермальные свойства составляют лишь около 1% от геотермальных ресурсов, которые могут быть освоены. Остальные 99% — это источник тепла нефти, который почти полностью существует на поверхности Земли. Ниже приведены некоторые характеристики геотермальной энергии: - Относительная трудность доступа к возобновляемым источникам тепла; - Трудно выбрать подходящий метод производства и преобразования энергии; - Необходимо учитывать достоинства геотермальных электростанций, которые будут построены в конкретных районах; Источником тепла являются сухие горные породы и геотермальная вода, расположенная внутри Земли. В качестве способа получения энергии из тепла, находящегося под землей, используется любой из следующих известных способов. - Традиционный подход - Извлечение с помощью насосной станции. - Метод фонтана. - Метод геоцикуляции. Обычные методы, прямой доступ к источнику тепла, предназначались для вывода энергии через буровой канал. В фонтанной системе ресурсы выбрасываются внутренним давлением пара, накопленного под землей. Насосное оборудование используется в тех случаях, когда самостоятельный доступ к буровой скважине практически невозможен. Последнее характеризуется тем фактом, что израсходованные ресурсы снова отправляются в подполье. Упрощенная схема выработки гидротермальной энергии (рис. 2.1): Горячий пар поднимается с земли по трубе и выбрасывается в атмосферу при вращении турбины генератора. Если вам посчастливится найти правильный источник пара, это действительно легко.  Рис.2.1. ГеоТЭС прямого цикла Если есть скважина, из которой вместо пара выбрасывается смесь пара и воды выше 150 ° C, потребуется установка с комбинированным циклом. Пар будет подаваться в турбину, а горячая вода будет сбрасываться в скважину или направляться в расширитель, который будет добавлять пар для питания турбины под низким давлением. Геотермальные электростанции - принципы работы В настоящее время существует 3 типа гидротермальной выработки электроэнергии: прямая выработка электроэнергии сухим паром, косвенная выработка электроэнергии паром и смешанная выработка электроэнергии (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пара или воды) и ее температуры. Впервые были разработаны установки для выработки электроэнергии сухим паром. Пар из скважины пропускается через турбину и генератор как есть, и вырабатывается электричество. Косвенная выработка паровой энергии в настоящее время является чрезвычайно крупной системой выработки электроэнергии. Высокотемпературные грунтовые воды (максимальная температура 182 °C) направляются к оборудованию для выработки электроэнергии на земле под высоким давлением. В отличие от предыдущих 2 типов геотермальных электростанций, геотермальные электростанции смешанного типа не допускают прямого контакта пара или воды с турбинами или генераторами. Основным топливом для выработки пара является гидротермальный пар. Пар поступает непосредственно в турбину и подается в генератор для выработки электроэнергии. Использование пара устраняет необходимость сжигания ископаемого топлива (а также устраняет необходимость транспортировки и хранения топлива). Это старейшие геотермальные электростанции. Первый завод был построен в 1904 году в Лардерелло, Италия, и работает до сих пор. Электростанция Гейзерс в северной Калифорнии, крупнейшая в мире геотермальная электростанция, использует паровую технологию.  Рис.3.1. Геотермальная паровая электростанция Эти установки используют перегретую гидротерму (выше 182 °C) для производства электроэнергии. Гидротермальный раствор нагнетается с помощью испарителя для снижения давления, так что часть раствора испаряется очень быстро. Его пар приводит в движение турбину. Если жидкость остается в баке, она может производить еще большую мощность, если ее выпарить в следующем испарителе.  Рис.3.2. Геотермальные электростанции на парогидротермах Многие геотермальные районы содержат воду со средними температурами ниже 2000С в бинарных электростанциях, эта вода используется для выработки энергии. Горячая геотермальная вода и вторая жидкость с более низкой температурой кипения, чем вода, пропускаются через теплообменник. Испаряет 2-ю жидкость геотермальным теплом и вращает турбину своим паром. Поскольку это закрытая система, она практически не выбрасывается в атмосферу. Вода умеренного климата является наиболее распространенным геотермальным ресурсом, поэтому большинство будущих геотермальных электростанций будут применять этот принцип.  Рис.3.3. Геотермальные электростанции с бинарным циклом производства электроэнергии. Резервуары пара и горячей воды составляют лишь малую часть геотермальных ресурсов. Земная магма и сухие породы могут обеспечить дешевую, чистую и почти неисчерпаемую энергию, если будут разработаны соответствующие технологии. До тех пор для бинарных электростанций было бы обычным делом производить геотермальную энергию. Преимущества и недостатки геотермальной энергетики Из вышесказанного видно, что производство электроэнергии в промышленных масштабах с использованием тепла земли — это бизнес, который никогда не бывает дешевым. Однако это очень выгодно по целому ряду причин. - Неисчерпаемость. Электростанции, использующие ископаемые виды топлива, такие как природный газ, уголь и тяжелая нефть, в значительной степени зависят от одного и того же источника топлива. И не только поставки будут прекращены из-за стихийных бедствий и изменений политического климата, но также существует риск того, что цены на сырье неожиданно взлетят до небес. В начале 1970-х годов политические потрясения на Ближнем Востоке вызвали топливный кризис, в результате чего цены на нефть взлетели в 4 раза. Кризис придал новый импульс развитию электромобилей и альтернативной энергетики. Одним из преимуществ использования тепла земли является то, что оно практически неисчерпаемо. Тепловой поток на поверхность Земли составляет около 40 миллионов ТВт в год, что эквивалентно 17-кратному количеству тепла, произведенного всеми электростанциями на Земле за тот же период. Температура ядра Земли оценивается в 6000 °C, а скорость охлаждения оценивается в 10 миллиардов лет при 300-500 °C. - Стабильность. Энергия ветра и солнца очень чувствительна к погоде и времени суток. Производство невозможно без солнечного света. Завод извлекает накопитель из аккумулятора. Сокращение выработки и производства энергии ветра не может быть достигнуто. Кроме того, здесь нет места для батареи с бесконечной емкостью. Гидротермальная электростанция может работать непрерывно 24 часа в сутки 365 дней в году при условии поддержания процесса возврата воды в скважину. - Компактный и удобный для труднодоступных мест. Электроснабжение в отдаленных районах с изолированной инфраструктурой - непростая задача. Если местность не подходит для обычных электростанций, то это еще сложнее. Геотермальные электростанции мощностью - 1 ГВт-ч/год занимают 400 м2. Даже в горных районах геотермальные электростанции требуют очень небольших площадок и дорог. Вам нужно 3240 м2 для солнечной электростанции с такой же мощностью и 1340 м2 для ветроэлектростанции. - Экологически чистый продукт. Сама по себе работа геотермальных электростанций практически безвредна, а количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу, оценивается в 1 кг-45 кг CO2 на киловатт-час вырабатываемой энергии. Напротив, выбросы CO2 на 1 кВт-ч составляют 1000 кг угля, 840 кг нефти и 469 кг газа. Кстати, атомные электростанции производят всего 16 кг, то есть меньше всего, но только углекислого газа. - Также можно параллельно добывать полезные ископаемые. Удивительно, но некоторые геотермальные электростанции вырабатывают не только электричество, но также газ и металл, растворенные в паре и воде, поступающих из-под земли. Недостатки геотермальной энергетики. - Рабочая жидкость опасна. Как уже упоминалось выше, геотермальные электростанции не выделяют дополнительных вредных веществ, они выделяют лишь небольшое количество углекислого газа, на порядок меньше, чем газовые электростанции. Но это не значит, что подземные воды и водяной пар всегда являются чистыми веществами, как минеральная питьевая вода. Глубоко под землей водяной пар и водные смеси насыщены газами и тяжелыми металлами (свинец, кадмий, мышьяк, цинк, сера, бор, аммиак, фенол и т.д.), которые характерны для определенных участков земной коры. Кроме того, в некоторых трубах геотермальных электростанций содержится замечательный коктейль, который при попадании в атмосферу или воду немедленно вызывает разрушение окружающей среды в регионе. - Высокая стоимость киловатт-часа. Несмотря на то, что геотермальная электростанция относительно проста, ее строительство требует значительных первоначальных инвестиций. Стоимость геотермальной энергии составляет целых 1 доллар США за установку мощностью 2800 кВт из-за высокой стоимости разведки и анализа. Сравнение: Тепловая электростанция 1000 долларов США / кВт, ветроэлектростанция 1600 долларов США / кВт, солнечная электростанция 1800-2000 долларов США / кВт, атомная электростанция около 6000 долларов США / кВт. - Он имеет относительно низкую пропускную способность. Производство геотермальной энергии, в принципе, все еще не распространяется на гидроэнергетику, атомную энергетику и тепловую энергетику с точки зрения количества вырабатываемой энергии. Даже если вы выроете много колодцев, расход пара будет низким, а выработка электроэнергии достаточной для использования в небольшом населенном пункте. - По состоянию на 2019 год в Калифорнии, США, распространилась сильнейшая геотермальная электростанция "Гейзеры" площадью 78 км2. Он состоит из 22 гидротермальных установок и 350 скважин общей установленной мощностью 1517 МВт, покрывающих до 60% потребности в энергии на северном побережье штата.  Рис.4.1. Результат воздействия геотермальной воды на металлы.При соблюдении требований безопасности пар, направленный в атмосферу, тщательно фильтруется через металл и газ, а конденсат закачивается обратно в скважину. Однако геотермальные электростанции могут нанести некоторый ущерб окружающей среде, если они сознательно нарушают аномалии или технические правила. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Одним из важных направлением использования тепла термальных вод является преобразование его в электрическую энергию. Относительная независимость от потребителей, экономичность при умеренной мощности и особая ценность электрической энергии обусловили приоритетное развитие ГеоЭС. В этой области во многих странах был достигнут значительный прогресс. В общем, говорят, что если температура геотермальной жидкости ниже 100 °C, то она подходит только для теплоснабжения. Источники с более высокой температурой подходят для выработки электроэнергии. На Земле относительно мало легкодоступных геотермальных месторождений с температурой выше 100°C. Наибольшее процентное увеличение установленной мощности [ МВт] за последние пять лет произошло в Исландии, Венгрии, Франции, Египте и Австралии, а с точки зрения годового потребления энергии [ТДж/год] — в Испании, Йемене, Австралии, Кении и Грузии (табл. 5). Это увеличение связано преимущественно с установкой геотермальных тепловых насосов или улучшением отчётности об использовании геотермальных вод для ванн и бассейнов. В 1985 году только 11 стран сообщили о величинах установленной мощности более 100 МВт. К 1990 году это число возросло до 14, к 1995-му — до 15, к 2000-му — до 23, к 2005-му — до 33, к 2010-му — до 36, а к 2020 году — до 38. Мощность действующих в России геотермальный станций выросла на 98,3% или 1008,89 МВт, до 2035,4 МВт. В структуре установленной мощности ЕЭС России доля по итогам 2021 года составила 1,6%. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Источники получения геотермальной энергии [Электронный ресурс]. URL: https:// greenologia.ru/ eko-zhizn/ texnologii/ geotermalniye-electrostancyi.html (дата обращения: 01.02.2022). 2. Патент на изобретение. Геотермальная электростанция. РФ № 191837. МПК F03G 7/04 (2006.01). Опубликовано: 01.02.2022. 3. Преимущества и недостатки геотермальных электростанции в России [Электронный ресурс]. URL: https:// madenergy.ru/ stati/ osnovnoj-nedostatok- i- princip- raboty-geotermalnyh- ehlektrostancij-v-rossii.html (дата обращения: 01.02.2022). 4. Патент на изобретение. Экологическая геотермальная ТЭС (ЭкоГеоТЭС). РФ № 2011132577. МПК F01K 23/00 (2006.01). Опубликовано: 10.02.2013. 6. Экологические показатели геотермальных ТЭС [Электронный ресурс]. URL: https:// studopedia.net /4 73749 ekologicheskie-pokazateli-geotermalnih-tes.html (дата обращения: 01.02.2022). 7. Алхасов А.Б. Возобновляемые источники энергии. учебное пособие. М., 2016. 271 с. 8. Геотермальная энергетика: справочно-методическое издание / Г.В. Томаров, А.И. Никольский, В.Н. Семенов, А.А. Шипков. М.: Ин-техэнерго-Издат, 2015. 304 с. 9. Геотермальные электростанции [Электронный ресурс]//Новая генерация. URL: https://manbw.ru/analitycs/geothermal_power_stations_ plant.html (дата обращения: 01.02.2022). 10. Геотермальные электростанции: преимущества и недостатки [Электронный ресурс]. URL: https://avenston.com/ru/articles/geothermalpp-pros-cons/(дата обращения: 01.02.2022). 11. Геотермальная энергетика [Электронный ресурс]. URL: https://www.alterenergy.info/home/geotermalnaya-energetika/1890- geotermalnaya-energetika-osnova-energeticheskogo-kompleksa-islandii (дата обращения: 01.02.2022). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||