Научная работа: Сучасні розробки у галузі енергозабезпечення
Теплота – одна з форм енергії. Геотермальна енергія являє собою теплоту внутрішніх шарів Землі. Саме ця енергія є причиною таких геологічних феноменів, як дрейф континентів, землетруси або вулкани. Під геотермальною енергією ми звичайно розуміємо ту частину тепла земних надр, що використовується або може бути використана людиною.
Основна кількість теплової енергії Землі утворюється внаслідок розпаду радіоактивних ізотопів у земній корі і мантії. Збільшення температури із заглибленням у земну кору (так званий геотермальний градієнт) становить 2,5-30С на кожні 100 метрів. У геотермальних районах, що містяться на межі літосферних плит, температурний градієнт може бути вищим в 10 разів. Часто це області з активною вулканічною діяльністю. У таких місцях температура може досягати 3000С на глибині всього лише 500-1000 м. Однак значні геотермальні ресурси можуть міститися й у районах з нормальним геотермальним градієнтом. Зазначимо, що сучасні технічні засоби дозволяють проникати на глибину до 10 км.
Щоб використати теплоту з глибинних шарів землі, її слід підняти на поверхню. Теплота може надходити на поверхню природним шляхом – через тріщини в земній корі, або ж для того, щоб її підняти, необхідно бурити свердловини. Носієм тепла є нагріта вода або водяна пара там, де температура і тиск сприяють її утворенню. Для того, щоб геотермальна рідина могла поглинати тепло Землі, вона має циркулювати в області гарячих скельних порід, утворюючи геотермальні резервуари. Рідина і сам резервуар являють собою два з трьох основних компонентів геотермальної системи. Третій компонент – джерело тепла, в ролі якого виступають або високотемпературні (понад 6000С) магматичні породи, що підіймаються на відносно невелику глибину (5-10 км), або звичайне тепло внутрішніх шарів земної кори. У першому випадку (магматичні породи) з високим геотермальним градієнтом утворюються високотемпературні пароутворюючі геотермальні системи. У другому – низькотемпературні геотермальні системи, що містять лише гарячу воду. Одна або більше геотермальних систем утворюють геотермальне поле або родовище.
2.4 Світовий потенціал геотермальної енергії
Земля містить у собі гігантські запаси енергії. Група експертів з Міжнародної асоціації геотермальної енергії провела оцінку запасів низько й високотемпературної енергії Землі. Результати цієї роботи представлені в таблиці.
Таблиця.2.2
Світовий потенціал геотермальної енергії
| Території | Високотемпературні джерела, придатні для виробництва електроенергії | Низько-температурні джерела, придатні для прямого використання теплоти, ТДж/рік | |
| Традиційні технології, ТВт/рік | Традиційні й бінарні технології, ТВт/рік | ||
| Європа | 1830 | 3700 | 370 |
| Азія | 2970 | 5900 | 320 |
| Африка | 1220 | 2400 | 240 |
| Північна Америка | 1330 | 2700 | 120 |
| Латинська Америка | 2800 | 5600 | 240 |
| Океанія | 1050 | 2100 | 110 |
| Світовий потенціал | 11200 | 22400 | 1400 |
2.5 Використання геотремальних джерел енергії
Аналіз можливих областей застосування в економіці України технологій, що використовують нетрадиційні джерела енергії, показує, що в Україні найбільш перспективною областю їх впровадження є системи життєзабезпечення будівель. При цьому вельми ефективним напрямом впровадження даних технологій в практику вітчизняного будівництва є широке застосування теплонаносних систем теплопостачання (ТСТ), що використовують як повсюдне доступне джерело низько потенційного тепла ґрунту поверхневих шарів землі.
При використанні тепла землі можна виділити два види теплової енергії – високопотенційну і низькопотенційну. Джерелом високопотенційної теплової енергії є гідротермальні ресурси – термальні води, нагріті в результаті геологічних процесів до високої температури, що дозволяє їх використовувати для теплопостачання будівель. Проте використання високопотенційного тепла землі обмежене районами з певними геологічними параметрами. У Росії це, наприклад, Камчатка, район Кавказьких мінеральних вод; у Європі джерела високопотенційного тепла є в Угорщині, Ісландії і Франції.
Україна має ресурси геотермальної енергії, загальний потенціал яких в програмі державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії та малої гідро- та теплоенергетики оцінюється величиною 438 МВт.год за рік. Геотермальні ресурси України - це передусім термальні води і тепло нагрітих сухих гірських порід. Крім цього, до перспективних для використання в промислових масштабах можна віднести ресурси нагрітих підземних вод, які виводяться з нафтою та газом діючими свердловинами нафтогазових родовищ.
На відміну від «прямого» використання високопотенційного тепла (гідротермальні ресурси), використання низько потенційного тепла землі за допомогою теплових насосів можливо практично повсюдно. В даний час це один з напрямів використання нетрадиційних поновлюваних джерел енергії, що найдинамічніше розвиваються.
Низькопотенційне тепло землі може використовуватися в різних типах будівель і споруд багатьма способами: для опалювання, гарячого водопостачання, кондиціонування (охолоджування) повітря, обігріву доріжок в зимову пору року, для запобігання обмерзанню, підігріву полів на відкритих стадіонах і тому подібне.
Кліматичні характеристики країн Центральної і Північної Європи, які разом з США і Канадою є головними районами використання нізкопотенциального тепла землі, визначають головним чином потребу в опаленні; охолоджування повітря навіть в літній період потрібне відносно рідко. Тому, на відміну від США, теплові насоси в європейських країнах працюють в основному в режимі опалення. У США теплові насоси частіше використовуються в системах повітряного опалення, суміщеного з вентиляцією, що дозволяє як підігрівати, так і охолоджувати зовнішнє повітря. У європейських країнах теплові насоси зазвичай застосовуються в системах водяного опалення. Оскільки ефективність теплових насосів збільшується при зменшенні різниці температур випарника і конденсатора, часто для опалювання будівель використовуються системи підлогового опалення, в яких циркулює теплоносій низької температури (35–40 °C).
Більшість теплових насосів в Європі, призначених для використання нізкопотенциального тепла землі, обладнана компресорами з електричним приводом.
За останні десять років кількість систем, що використовують для теплопостачання і будівель низькопотенційне тепло землі за допомогою теплових насосів, значно збільшилася. Найбільше число таких систем використовується в США. Велике число таких систем функціонують в Канаді і країнах центральної і Північної Європи: Австрії, Німеччині, Швеції і Швейцарії. Швейцарія лідирує по величині використання низько потенційної теплової енергії землі на душу населення. У Росії, нашого сусіда, за останні десять років побудовані лише одиничні об'єкти.
| Країна | Встановлена потужність, МВт | Вироблена енергія, ТДж/рік |
| Австралія | 24 | 57,6 |
| Австрія | 228 | 1094 |
| Болгарія | 13,3 | 162 |
| Великобританія | 0,6 | 2,7 |
| Венгрія | 3,8 | 20,2 |
| Німеччина | 344 | 1149 |
| Греція | 0,4 | 3,1 |
| Данія | 3 | 20,8 |
| Ісландія | 4 | 20 |
| Італія | 1,2 | 6,4 |
| Канада | 360 | 891 |
| Литва | 21 | 598 |
| Нідерланди | 10,8 | 57,4 |
| Норвегія | 6,0 | 31,9 |
| Польща | 26,2 | 108,3 |
| Росія | 1,2 | 11,5 |
| Словакія | 1,4 | 12,1 |
| Словенія | 2,6 | 46,8 |
| США | 4800 | 12000 |
| Турція | 0,5 | 4,0 |
| Фінляндія | 80,5 | 484 |
| Франція | 48,0 | 255 |
| Чехія | 8,0 | 338,2 |
| Швейцарія | 300 | 1962 |
| Швеція | 377 | 4128 |
| Японія | 3,9 | 64,0 |
| Всього | 6 675,4 | 23 268,9 |
Табл.2.5.1 Світовий рівень використання низько потенційної теплової енергії з допомогою теплових насосів
Розвинуті країни світу використовують тепло геотермальних ресурсів не тільки на виробництво електроенергії, а безпосередньо у вигляді тепла: 42% для обігріву ван і басейнів; 23% для опалення; 12% для геотермальних теплових насосів; 9% для обігріву теплиць;
Очікується, що до 2011 року встановлена електрична потужність перевищить 14000 МВт. Однак навіть за умови застосування новітніх технологій у цій галузі кількість енергії, виробленої за рахунок геотермальних ресурсів в 2007 році, становила менше ніж 0,25% від світового потенціалу цього виду енергії, придатного для використання.
2.6 Утилізація і виробництво
Геотермальна енергія являє собою екологічно чисте й постійно відновлюване джерело енергії. Воно істотно відрізняється від інших альтернативних джерел тим, що його можна використовувати у різних кліматичних умовах і в різні пори року. Коефіцієнт використання геотермальних електростанцій, як правило, перевищує 90%. Ціна електроенергії, яку виробляють такі електростанції, нижча, ніж на електрику, вироблену з використанням інших відновлюваних джерел енергії. Якщо розглянути сумарний внесок у виробництво електроенергії геотермальної, вітрової й сонячної енергії, а також енергії припливів і відпливів, то виявиться, що 1998 році геотермальні станції охоплювали 42% встановлених потужностей і 70% від загальної кількості електроенергії, виробленої із цих чотирьох джерел.
Геотермальне тепло можна перетворити на електричну енергію або ж використати безпосередньо у вигляді тепла. Залежно від параметрів геотермальних ресурсів, електроенергія виробляється в традиційних парових турбінах, в які надходить геотермальна рідина, що має температуру не менше ніж 1500С, або ж в установках з бінарним циклом. Існують два основних типи парових турбін – з протитиском і конденсаційні. Перші простіші і дешевші. Однак питоме споживання пари на 1 кВт * год виробленої енергії майже вдвічі більше, ніж у конденсаційних турбінах при однаковому тиску на вході. Зате турбіни з протитиском швидко монтуються, період запуску в експлуатацію не перевищує 13-14 місяців. Як правило, такі турбіни мають невелику потужність (2,5-5 МВт). Турбіни конденсаційного типу забезпечуються великою кількістю додаткового обладнання. Вони набагато складніші й значно більшого розміру. Щоб їх запустити, потрібно вдвічі більше часу. Однак питоме споживання пари в них майже вдвічі менше, ніж у турбінах з протитиском. Зазвичай використовуються конденсаційні установки потужністю 55-60 МВт. Однак уже є приклади запуску турбін потужністю понад 100 МВт.
Значний прогрес досягнуто в технології, що використовує бінарний цикл. У цьому випадку може використовуватися вода, що має температуру 80-900С. подібні установки успішно працюють у багатьох країнах світу.
2.7 Екологічні аспекти
Широко відомо, що виробництво або трансформація енергії прямо або опосередковано впливає на довкілля. Це означає, що отримати ідеально чисту енергію в принципі неможливо. Однак геотермальна енергія, порівняно з іншими видами, є найчистішою. Кількість СО2, що виділяється при виробництві одного кіловата електроенергії з високотемпературних геотермальних джерел становить від 13 до 380 грамів. Водночас, при спаленні природного газу емісія СО2 дорівнює 450 г/кВт*год, нафти – 906 г/кВт*год і вугілля – 1042 г/кВт * год. Згідно останніх досліджень, викиди СО2 на геотермальних електростанціях становили в середньому 65 г/кВт*год виробленої електроенергії. Дослідження охоплювало більшу частину електростанцій сумарною встановленою потужністю 5032 МВт.
Нагріта геотермальна рідина може містити різні гази, головним чином азот і сірководень, а також у невеликих кількостях ртуть, радон і бор. Кількість цих газів залежить від хімічного складу геологічних родовищ. Однак хімічні сполуки, що містяться у геотермальному потоці, не викидаються в повітря, а повертаються назад углиб землі за допомогою спеціальних свердловин.
2.8 Геотермальна енергія. Стан і перспективи розвитку
На Україні є значні запаси термальних вод. Ці запаси вже сьогодні рентабельно використовувати не тільки для теплопостачання різноманітних споживачів, а й для виробництва електроенергії. Існуючі ціни на енергоносії і перспективи їх зростання, роблять економічно вигідними будівництво геотермальних електростанцій практично у всіх регіонах України найближчим часом.
Геотермальна енергія є одним із перспективних відтворюваних джерел енергії. Її давно і широко застосовують Ісландія, США, Нова Зеландія, Угорщина і багато інших країн.