Курсовая работа: Геотермальная энергия и ее практическое применение
Федеральное агентство по образованию
Озерский технологический институт
Филиал Федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего профессионального образования
Национальный исследовательский
ядерный университет «МИФИ»
ОТИ НИЯУ МИФИ
Кафедра ТМ и МАХП
РЕФЕРАТ
по курсу
Теоретические основы энергосбережения
в химической технологии
Раздел: Альтернативные источники
энергии
Тема: «Геотермальная энергия, и ее
практическое применение»
Студенты: 1МХ-56
Зубенко А.С., Попов С.А.
Преподаватель: Петров А.Н.
Озёрск 2010
Природа
геотермальной энергии
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. Кроме действующих, различают также
потухшие или "уснувшие" вулканы, которые могут "проснуться"
и начать извергаться в любой момент, как это, например, случилось в 79 году
нашей эры с вулканом Везувий, который до этого пребывал в состоянии длительного
покоя.
Рис.1
Таким
образом, явные проявления колоссальной энергии тепла Земли наблюдаются в виде
землетрясений и извержений вулканов, вызывающих огромные разрушения, в сотни и
даже тысячи раз превосходящие разрушения от взрыва атомной бомбы.
Совсем другая
картина наблюдается в случае, когда тот или иной вулкан не извергает лаву и
пепел, а находятся в спокойном состоянии, как это наглядно демонстрируют
приведенные на рис.1 фотографии Мутновского вулкана,
расположенного на юге Камчатки (Российская Федерация). На этих фотографиях
показано: панорама внутри вулкана (а), в окрестности вулкана (б), в кратере
вулкана (г).
К сожалению,
человечество еще не научилось использовать энергию вулканов в мирных целях. А
вот рассматриваемые далее скрытые, на первый взгляд незаметные, проявления
энергии земных недр, уже давно эффективно используются людьми для получения
тепловой, а в течение последних почти 100 лет также и электрической энергии.
Одним из
таких скрытых проявлений этой энергии является рост температуры земной коры и
мантии по мере приближения к ядру Земли. Эта температура с глубиной повышается
в среднем на 20°С на 1 км, достигая на уровне 2–3 км от поверхности Земли более
100, а на глубине 100 км даже 1300–1500ºС, что вызывает нагрев воды,
циркулирующей на больших глубинах, до значительных температур. В вулканических
регионах нашей планеты эта вода поднимается на поверхность по трещинам в земной
коре, а в сейсмически спокойных регионах ее можно выводить на поверхность по
пробуренным скважинам. Для этого достаточно закачивать в эти скважины вниз
холодную воду, получая при этом по рядом пробуренным скважинам поднимающуюся
вверх перегретую геотермальную воду и образовавшийся из нее пар. [1–8].
Основные
достоинства и недостатки геотермальной энергии
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.
Главным
достоинством геотермальной энергии является возможность ее использования в виде
геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от их температуры) для
нужд горячего водо- и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо
одновременно для всех трех целей, ее практическая неиссякаемость, полная
независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Тем самым
использование геотермальной энергии (наряду с использованием других
экологически чистых возобновляемых источников энергии) может внести
существенный вклад в решение следующих неотложных проблем:
· Обеспечение устойчивого тепло- и
электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное
энергоснабжение отсутствует или обходится слишком дорого (например, в России на
Камчатке, в районах Крайнего Севера и т.п.).
· Обеспечение гарантированного минимума
энергоснабжения населения в зонах неустойчивого централизованного
энергоснабжения из-за дефицита электроэнергии в энергосистемах, предотвращение
ущерба от аварийных и ограничительных отключений и т.п.
· Снижение вредных выбросов от
энергоустановок в отдельных регионах со сложной экологической обстановкой.
При этом в
вулканических регионах планеты высокотемпературное тепло, нагревающее
геотермальную воду до значений температур, превышающих 140–150°С, экономически
наиболее выгодно использовать для выработки электроэнергии. Подземные геотермальные
воды со значениями температур, не превышающими 100°С, как правило, экономически
выгодно использовать для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения и для
других целей в соответствии с рекомендациями, приведенными в табл.1.
Таблица 1
Значение
температуры геотермальной воды, °С |
Область
применения геотермальной воды |
Более 140 |
Выработка
электроэнергии |
Менее 100 |
Системы отопления
зданий и сооружений |
Около 60 |
Системы горячего
водоснабжения |
Менее 60 |
Системы геотермального
теплоснабжения теплиц, геотермальные холодильные установки и т.п. |
Обратим
внимание на то, что эти рекомендации по мере развития и совершенствования
геотермальных технологий пересматриваются в сторону использования для
производства электроэнергии геотермальных вод с все более низкими
температурами. Так, разработанные в настоящее время комбинированные схемы
использования геотермальных источников позволяют использовать для производства
электроэнергии теплоносители с начальными температурами 70–80°С, что
значительно ниже рекомендуемых в табл.1 температур (150°С и
выше). В частности, в Санкт-Петербургском политехническом институте созданы
гидропаровые турбины, использование которых на ГеоТЭС позволяет увеличивать
полезную мощность двухконтурных систем (второй контур – водный пар) в диапазоне
температур 20–200°С в среднем на 22 %.
Значительно
повышается эффективность применения термальных вод при их комплексном
использовании. При этом в разных технологических процессах можно достичь
наиболее полной реализации теплового потенциала воды, в том числе и
остаточного, а также получить содержащиеся в термальной воде ценные компоненты
(йод, бром, литий, цезий, кухонная соль, глауберова соль, борная кислота и
многие другие) для их промышленного использования.
Основной недостаток геотермальной энергии – необходимость
обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. Другой недостаток этой энергии заключается в высокой
минерализации термальных вод большинства месторождений и наличии в воде
токсичных соединений и металлов, что в большинстве случаев исключает
возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные
системы. Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что
для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные
капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной
геотермальной воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического
оборудования.
Однако 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 80ºС, что позволяет гораздо шире применять ГеоТЭС
для выработки электроэнергии. В связи с эти ожидается, что в странах со значительным
геотермальным потенциалом и первую очередь в США мощность ГеоТЭС в самое
ближайшее время удвоится. [3, 6, 7].
геотермальный
источник энергия потенциал
Пример
ГеоТЭС
Еще более
впечатляет появившаяся несколько лет тому назад новая, разработанная австралийской
компанией Geodynamics Ltd., поистине революционная технология строительства
ГеоТЭС – так называемая технология Hot-Dry-Rock, существенно повышающая
эффективность преобразования энергии геотермальных вод в электроэнергию. Суть
этой технологии заключается в следующем.
До самого
последнего времени в термоэнергетике незыблемым считался главный принцип работы
всех геотермальных станций, заключающийся в использовании естественного выхода
пара из подземных резервуаров и источников. Австралийцы отступили от этого
принципа и решили сами создать подходящий "гейзер". Для создания
такого гейзера австралийские геофизики отыскали в пустыне на юго-востоке
Австралии точку, где тектоника и изолированность скальных пород создают
аномалию, которая круглогодично поддерживает в округе очень высокую
температуру. По оценкам австралийских геологов, залегающие на глубине 4,5 км
гранитные породы разогреваются до 270°С, и поэтому, если на такую глубину через
скважину закачать под большим давлением воду, то она, повсеместно проникая в
трещины горячего гранита, будет их расширять, одновременно нагреваясь, а затем
по другой пробуренной скважине будет подниматься на поверхность. После этого
нагретую воду можно будет без особого труда собирать в теплообменнике, а
полученную от нее энергию использовать для испарения другой жидкости с более
низкой температурой кипения, пар которой, в свою очередь, и приведет в действие
паровые турбины. Вода, отдавшая геотермальное тепло, вновь будет направлена
через скважину на глубину, и цикл таким образом повторится. Принципиальная
схема получения электроэнергии по технологии, предложенной австралийской
компанией Geodynamics Ltd., приведена на рис.2.
Рис. 2
Безусловно,
реализовать эту технологию можно не в любом месте, а только там, где залегающий
на глубине гранит нагревается до температуры не менее 250–270°С. При применении
такой технологии ключевую роль играет температура, понижение которой на 50°С по
оценкам ученых вдвое повысит стоимость электроэнергии.
Для
подтверждения прогнозов специалисты компании Geodynamics Ltd. уже пробурили две
скважины глубиной по 4,5 км каждая и получили доказательство того, что на этой
глубине температура достигает искомых 270–300°С. В настоящее время проводятся
работы по оценке общих запасов геотермальной энергии в этой аномальной точке
юга Австралии. По предварительным расчетам в этой аномальной точке можно
получать электроэнергию мощностью более 1 ГВт, причем стоимость этой энергии будет
вдвое дешевле стоимости ветровой энергии и в 8 – 10 раз дешевле солнечной. [5].
Мировой
потенциал геотермальной энергии и перспективы его использования
Группа
эксперт из Всемирной ассоциации по вопросам геотермальной энергии, которая
произвела оценку запасов низко- и высокотемпературной геотермальной энергии для
каждого континента, получила следующие данные по потенциалу различных типов
геотермальных источников нашей планеты (табл.2).
Таблица 2
Наименование
континента |
Тип
геотермального источника: |
высокотемпературный,
используемый для производства электроэнергии, ТДж/год |
низкотемпературный,
используемый в виде теплоты, ТДж/год (нижняя граница) |
традиционные
технологии |
традиционные
и бинарные технологии |
Европа |
1830 |
3700 |
>370 |
Азия |
2970 |
5900 |
>320 |
Африка |
1220 |
2400 |
>240 |
Северная Америка |
1330 |
2700 |
>120 |
Латинская Америка |
2800 |
5600 |
>240 |
Океания |
1050 |
2100 |
>110 |
Мировой потенциал |
11200 |
22400 |
>1400 |
Как видно из табл.2,
потенциал геотермальных источников энергии просто таки колоссален. Однако используется
он крайне незначительно: установленная мощность ГеоТЭС во всем мире на начало
1990-х годов составляла всего лишь около 5000, а на начало 2000-х годов – около
6000 МВт, существенно уступая по этому показателю большинству электростанций,
работающих на других возобновляемых источниках энергии. Да и выработка
электроэнергии на ГеоТЭС в этот период времени была незначительной. 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. В США в 2005 году на ГеоТЭС
было выработано около 16 млрд. кВт·ч электроэнергии в таких основных
промышленных зонах, как зона Больших гейзеров, расположенная в 100 км к северу от Сан-Франциско (1360 МВт установленной мощности), северная часть Соленого моря в
центральной Калифорнии (570 МВт установленной мощности), Невада (235 МВт
установленной мощности) и др. Геотермальная электроэнергетика бурно развивается
также в ряде других стран, в том числе:
на
Филиппинах, где на ГеоТЭС на начало 2003 года было установлено 1930 МВт
электрической мощности, что позволило обеспечить около 27% потребностей страны
в электроэнергии;
в Италии, где
в 2003 году действовали геотермальные энергоустановки общей мощностью в 790
МВт;
в Исландии,
где действуют пять теплофикационных ГеоТЭС общей электрической мощностью 420
МВт, вырабатывающие 26,5% всей электроэнергии в стране;
в Кении, где
в 2005 году действовали три ГеоТЭС общей электрической мощностью в 160 МВт и
были разработаны планы по доведению этих мощностей до 576 МВт [3,7].
Характеризуя
развитие мировой геотермальной электроэнергетики как неотъемлемой составной
части возобновляемой энергетики на более отдаленную перспективу, отметим
следующее. Согласно прогнозным расчетам в 2030 году ожидается некоторое (до
12,5% по сравнению с 13,8% в 2000 году) снижение доли возобновляемых источников
энергии в общемировом объеме производства энергии. При этом энергия солнца,
ветра и геотермальных вод будет развиваться ускоренными темпами, ежегодно
увеличиваясь в среднем на 4,1%, однако вследствие "низкого" старта их
доля в структуре возобновляемых источников и в 2030 году будет оставаться
наименьшей. [3]
Литература
1. Геотермическая электростанция. БСЭ,
т. 6.
2. Выморков Б.М. Геотермальные
электростанции. – М.-Л., 1966.
3. Конеченков А., Остапенко С. Энергия
тепла Земли // Электропанорама. – 2003. – №7-8.
4. Конеченков А.Е. Новые энергетические
директивы ЕС // Электропанорама. – 2008. – №6.
5. Австралийская компания будет добывать
тепло из-под Земли. www.nsu.ru/psj/topnews/content/archnews.htm.
6. Гетермальное энергоснабжение.
www.esco.co.ua/journal/2005_11/art07_28.htm.
7. Гетермальная энергетика.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Гетермальная_энергетика.
8. Поваров О.А., Васильев В.А., Томков
Ю.П., Томаров Г.В. Геотермальные электрические станции с комбинированным циклом
для северных районов России. http://www.transgasindustry.com.
|