Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Практична частина



ПРАКТИЧНЕ ЗАНЯТТЯ

Тема: Геотермальна енергія

Мета:Засвоїти сутність, види, способи використання, перспективи і методики розрахунку геотермальних джерел енергії.

Час: 2 год.

 

Порядок виконання роботи

- представити викладачу виконане завдання для самопідготовки. Умову завдання наведено у п. 1.2;

- проробити практичну частину;

- виконати домашнє завдання.

 

2 Завдання для самопідготовки

 

У процесі підготовки до заняття студент в обов’язковому порядку повинен виконати наступні завдання:

а) вивчити конспект лекцій;

б) опрацювати рекомендовану літературу;

в) занести у зошит для практичних робіт такі матеріали:

1) Що таке геотермальні джерела енергії?

2) Які геотермальні джерела енергії ви знаєте?

3) Як перетворити теплову енергію води в електричну?

4) Які способи використання теплової енергії землі Вам відомі?

Практична частина

3.1 Теоретичні відомості

У ядрі нашої планети максимальна температура досягає 4000°С. Вихід тепла через тверді породи суші і океанського дна відбувається головним чином за рахунок теплопровідності (геотермальне тепло) і рідше — у вигляді конвективних потоків розплавленої магми або гарячої води. Середній потік геотермального тепла через земну поверхню складає приблизно 0,06 Вт/м2 при температурному градієнті менш 30°С/км. Цей безперервний потік тепла зазвичай порівнюють з аналогічними величинами, пов'язаними з іншими поновлюваними джерелами і в середньому в сумі становлять 500 Вт/м2. Проте є райони з підвищеними градієнтами температури, де потоки складають приблизно 10—20 Вт/м2, що дозволяє реалізувати геотермальні станції (ГеоТЕС) тепловою потужністю 100 МВт/км2 і тривалістю експлуатації не менше 20 років.

 

Якість геотермальної енергії зазвичай невисока, і краще її використовувати безпосередньо для утеплення будівель і інших споруд або ж для попереднього підігрівання робочих тіл звичайних високотемпературних установок. Подібні опалювальні системи вже експлуатуються в багатьох частинах світу, значне число проектів знаходиться у стадії опрацювання. Якщо трапляється, що тепло з надр отримують при температурі біля 150°С, то має сенс говорити про перетворення його в електроенергію. Перші потужні ГеоТЕС були запущені в Італії, Новій Зеландії та США.

Найпростіше використовувати тепло порід за допомогою теплових насосів. Хоча, строго кажучи, це також «геотермальне» джерело, але тут воно не розглядається.

Частину джерел геотермальної енергії можна віднести безпосередньо до поновлюваних джерел енергії, оскільки їх тепло так чи інакше розсіюється в довкіллі подібно до тепла гарячих ключів і гейзерів. У інших же джерелах потоки тепла доводиться збільшувати, штучно пробурюючи свердловини в природні накопичувачі гарячих вод, створюючи розриви і активізуючи охолоджування гарячих гірських порід, і тому вони не можуть залишатися поновлюваними протягом довгого часу. Подібні системи обмеженого вживання розглядаються тут лише тому, що їх прийнято згадувати серед інших «альтернативних» джерел енергії. Правильніше вважати, що витягання і використання геотермальної енергії ближче за своєю суттю до спалювання викопного палива, ніж до перетворення розсіяної в довкіллі дійсно поновлюваної енергії.

 

3.1.1 Виникнення геотермальної теплоти

 

Температура ядра нашої планети близько 6000 0С. Теплопередача від напіврідкої мантії підтримує температурну різницю між зовнішньою і внутрішньою поверхнями порівняно тонкої кори біля 1000°С при середньому градієнті температур біля 30°С/км. Тверді породи, що складають кору, мають середню щільність 2700 кг/м3, теплоємність 1000 Дж/(кг∙К) і теплопровідність 2 Вт/(м∙К).

Тому середній геотермальний потік і складає приблизно 0,06 Вт/м2, а приблизно 1020 Дж/км2 у вигляді тепла закумульовано в корі. Якщо за 30 років перетворити лише 0,1% цього тепла, то теплова потужність, яку можна отримати, складе 100 МВт/км2. Ці оцінки дають уявлення про ресурси теплової енергії і показують, що геотермальне джерело володіє величезним потенціалом.

Земна кора отримує тепло в результаті: природного охолоджування і тертя ядра; радіоактивного розпаду елементів, подібних до торія і урану; хімічних реакцій. Постійні часу цих процесів настільки великі по відношенню до часу існування Землі, що неможливо навіть оцінити, збільшується температура її або зменшується. Радіоактивні елементи концентруються в корі шляхом фракційної рекристалізації з розплавів, особливо багато їх в граніті. Протягом багатьох мільйонів років радіаційний розпад і хімічні реакції є єдиним істотним джерелом тепла, а геотермальна енергетика передбачає виведення тепла, запасеного в теплових сховищах в товщі кори. Аномально високі температурні градієнти часто спостерігаються в місцях розташування радіоактивних або екзотермічних хімічних джерел. Земна кора складається з величезних платформ. Зонам кордонів платформ відповідає посилення теплової взаємодії кори з мантією, що супроводжується сейсмічною активністю, наявністю вулканів, гейзерів, фумарол і гарячих ключів. Потенціал геотермальної енергії цих районів дуже великий, їм відповідає збільшення температурних градієнтів до 100°С/км і активізації вивільнення води у вигляді пари або перегрітої рідини, що часто знаходяться під підвищеним тиском.

Через аномалії в структурі кори райони з помірним збільшенням температурних градієнтів (приблизно до 50°С) зустрічаються і на достатньому віддаленні від меж платформ. У таких районах тепло може вивільнятися природним чином із-за проникнення води в зону підігрівання, що супроводжується інтенсивним конвективним теплообміном. В результаті виникають гарячі джерела з підвищеною концентрацією розчинених хімічних речовин, часто відомих як цілющі. Глибоко залягаючі зони підігрівання за допомогою буріння можуть стати джерелами тепла з температурою від 50 до 200°С. Якщо подібні аномалії пов'язані з матеріалами, що мають низьку теплопровідність, наприклад сухими скальними породами, то підвищення температурних градієнтів досягається за рахунок відносного збільшення запасеного в породах тепла.

Відомості про геотермальні структури отримують при геологічній зйомці, проходці шахт, нафтових свердловин. Найбільш важливим параметром є температурний градієнт. При глибокому бурінні свердловини зазвичай досягають відмітки 6 км., але технологія буріння залишається такою ж до глибини 15 км. Технологія здійснення таких свердловин сповна відпрацьована, так що стосовно будівництва ГеоТЕС ця проблема може вважатися вирішеною.

Прийнято виділяти три класи геотермальних районів.

Гіпертермальний. Температурний градієнт — більш 80°С/км. Ці райони розташовані в тектонічній зоні поблизу меж континентальних плит. Перший такий район був задіяний для виробництва електроенергії в 1904 р. поблизу Лардерелло (Тоскана, Італія). Майже всі з існуючих ГеоТЕС розміщено саме в таких районах.

Напівтермальний. Температурний градієнт — приблизно від 40 до 80°С/км. Подібні райони пов'язані головним чином з аномаліями, що лежать в стороні від меж платформ. Добування тепла здійснюється з природних водоносних пластів або з роздроблених сухих порід. Добре відомий приклад такого району знаходиться поблизу Парижа і використовується для обігріву будівель.

Нормальний. Температурний градієнт — менш 40°С/км. Такі райони найбільш поширені, саме тут теплові потоки в середньому складають приблизно 0,06 Вт/м2. Маловірогідно, аби в таких районах навіть в майбутньому стало економічно вигідно добувати тепло з надр.

У кожному з перерахованих класів в принципі можна отримувати тепло за рахунок: природної гідротермальної циркуляції, при якій вода проникає в глибоко залягаючі породи, де перетворюється на суху пару, пароводяну суміш або просто нагрівається до досить високої температури. Відповідні виходи спостерігаються в природних умовах. Якщо на глибині тиск зростає в результаті паротворення, то можуть виникнути ефектні гейзери, подібні тим, які можна побачити недалеко від Сакраменто в Каліфорнії (США), в районі Уайракея (Нова Зеландія), на Камчатці. Слід розуміти, проте, що ежектується в цьому випадку саме гаряча вода, а не пара; штучного перегріву, пов'язаного з охолоджуванням напіврозплавленої магми, що застигає у вигляді лави. Першою ГеоТЕС, що використовує цей принцип, була станція потужністю 3 МВт, побудована на Гаваях в 1982р.; охолоджування сухих скальних порід. Сухі скальні породи, що мають досить низьку теплопровідність (наприклад, граніт) протягом мільйонів років нагромаджували тепло. Створення штучних розривів в породах дозволяє прокачувати через них воду, відбираючи тепло.

На практиці ГеоТЕС в гіпертермальних районах працюють на природній гідротермальній циркуляції; у напівтермальних районах використовується як природна гідротермальна циркуляція, так і штучний перегрів за рахунок витягання тепла з сухих гірських порід. Нормальні ж райони мають дуже малі температурні градієнти, аби представляти комерційний інтерес.

 

3.1.2 Використання геотермальних ресурсів

 

Геотермальну енергію отримують від джерел тепла з високими температурами і вона володіє деякими особливостями. Одна з них полягає в тому, що температура теплоносія істотно нижче за температуру при спалюванні палива. Не дивлячись на те, що сумарні запаси геотермальної енергії великі, її термодинамічна якість низька. Ці джерела мають багато загального з промисловими викидами тепла і тепловою енергією океану. Нижче коротко розглянута стратегія використання геотермальної енергії.

З геотермальними джерелами завжди зв'язують спроби виробітку електроенергії як найбільш коштовного продукту, тоді як найкращий спосіб утилізації теплової енергії — використання комбінованого режиму (і вироблення електроенергії і обігрів). Безумовно, електроенергія може бути подана в енергосистему і через неї передана споживачам разом з електроенергією, що виробляється іншими джерелами. В той же час не зайвим буде згадати, що потреба в теплі при температурі до 100°С зазвичай навіть вище, ніж в електроенергії. Таким чином, використання геотермальної енергії у вигляді тепла не менш важливо. Вироблення електроенергії, ймовірно, представлятиме інтерес, якщо теплоносій має температуру більш 300°С, і не буде, якщо остання нижче 150°С.

 

Тепло не так легко передавати на відстань більше 30 км., тому необхідно його використовувати поблизу місця видобутку. У зонах холодного клімату обігрів житла і промислових будівель створює відчутну потребу в теплі, якщо щільність населення складає більше 300 чоловік на 1км2 (більше 100 будинків на 1 км2). Таким чином, теплова станція потужністю 100 МВт може обслуговувати житловий район площею приблизно 20х20 км. при витраті тепла близько 2 кВт на приватний будинок. Подібна геотермальна система давно використовується в Ісландії і у меншій мірі — в Новій Зеландії. Інші крупні споживачі тепла — теплиці (до 60МВт/км2 в одній установці для Північної Європи), ферми для розведення риб, установки для сушки харчових продуктів і для реалізації інших технологій.

Масштаб використання геотермальної енергії визначають деякі чинники. Домінантою вартості виявляються капітальні витрати на спорудження свердловин, вартість яких експоненціально збільшується із зростанням їх глибини. Оскільки температура збільшується з глибиною, а вироблення енергії збільшується із зростанням температури, в більшості випадків обмежуються оптимальною глибиною свердловини приблизно 5 км. Як наслідок масштаб енергетичних установок зазвичай вибирають більше 100 МВт (електричних або теплових — для високих температур, лише теплових, — для низьких температур).

Загальну кількість тепла, витягуваного з геотермальної свердловини, можна збільшити за рахунок повторного закачування відпрацьованої і частково охолодженої води. Це зручний спосіб позбавитися від скидних вод, які можуть бути сильно мінералізованими (містити до 25 кг/м3 солей) і є небезпечними забрудниками середовища. Проте це наводить до зростання вартості станцій.

Найбільш успішно реалізовані проекти мають свердловини, пробурені безпосередньо в природні підземні колектори геотермальних районів (рисунок 1). Цей метод використовується в Гейзерах (Каліфорнія) і в Уайракєє (Нова Зеландія), де в свердловинах існує значний тиск. Подібні методи використовуються для витягання енергії з водоносних шарів у високотермальних районах, де природного натиску вистачає, аби обійтися без насосних систем.

Останні розробки направлені на витягання тепла з сухих гірських порід, оскільки вони можуть забезпечити більшу продуктивність, ніж водні джерела. Лідируюча група фахівців (Лос-Аламосська наукова лабораторія, США) розробила методи дроблення скель гідророзривом за допомогою холодної води, що нагнітається під тиском в свердловину (рисунок 1).

Після попереднього дроблення порід вода нагнітається через живлячу свердловину, фільтрується через скальні породи на глибині близько 5 км. при температурі 250°С, тепла вода повертається на поверхню через приймальну свердловину. Дві такі свердловини можуть забезпечити енергією установку потужністю порядку гігавата.

 

а) Схема розміщення гідротермальних станцій в гіпертермальному районі, б) схема видобутку тепла з сухих гірських порід;

1 – природний гейзер; 2 – енергетична станція; 3 – глибока свердловина (5 км.); 4 – пароводяне джерело (~280°С); 5— мантія; 6 – гарячі скальні породи.

 

Рисунок 1 – Схеми отримання тепла з надр Землі

 

Якщо для здобуття електроенергії використовуються джерела з низькою температурою, то для приведення в дію турбін доводиться замість води застосовувати інші робочі рідини (наприклад, фреон, толуол). Новий вид техніки потребує підвищення ефективності. Особливі труднощі можуть виникнути з теплообмінниками із-за високої концентрації у воді зі свердловин різних хімічних речовин.

Капітальні витрати на будівництво ГеоТЕС в даний час варіюється від 1500 до 2500 дол. на кіловат встановленої електричної потужності, що виявляється порівнянним з такими для АЕС і ТЕС.