Розрахунок теплової схеми геотермальної електростанції бінарного типу. Геотермальна енергетика. Геотермальні електростанції та геотермальні ресурси

РОЗРАХУНОК ГЕОТЕРМАЛЬНОЇ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ

Зробимо розрахунок теплової схеми геотермальної електростанції бінарного типу, згідно .

Наша геотермальна електростанція складається із двох турбін:

Перша працює на насиченій водяній парі, отриманій у розширювачі. Електрична потужність - ;

Друга працює на насиченій парі хладону R11, який випаровується за рахунок тепла води, що відводиться з розширювача.

Вода з геотермальних свердловин з тиском pгв температурою tгв надходить у розширювач. У розширювачі утворюється суха насичена пара з тиском pp. Ця пара прямує до парової турбіни. Вода, що залишилася з розширювача йде у випарник, де охолоджується на і закінчується назад у свердловину. Температурний натиск у випарної установки= 20 °С. Робочі тіла розширюються в турбінах і надходять до конденсаторів, де охолоджуються водою з річки з температурою tхв. Нагрівання води в конденсаторі = 10°С, а недогрівання до температури насичення = 5°С.

Відносні внутрішні ККД турбін. Електромеханічний ККД турбогенераторів = 0,95.

Вихідні дані наведено у таблиці 3.1.

Табл. 3.1. Вихідні дані для розрахунку ГеоЕС

Принципова схема ГеоЕС бінарного типу (рис. 3.2).

Мал. 3.2.

Згідно зі схемою на рис. 3.2 та вихідним даним проводимо розрахунки.

Розрахунок схеми парової турбіни, що працює на сухій насиченій водяній парі

Температура пари при вході в конденсатор турбіни:

де - Температура охолоджуючої води на вході в конденсатор; - Нагрів води в конденсаторі; - температурний тиск у конденсаторі.

Тиск пари в конденсаторі турбіни визначається за таблицями властивостей води та водяної пари:

Теплоперепад на турбіну :

де - ентальпія сухого насиченої парина вході у турбіну; - ентальпія наприкінці теоретичного процесу розширення пари у турбіні.

Витрата пари з розширювача на парову турбіну:

де - Відносний внутрішній ККД парової турбіни; - електромеханічний ККД турбогенераторів.

Розрахунок розширювача геотермальної води

Рівняння теплового балансурозширювача

де - Витрата геотермальної води зі свердловини; - ентальпія геотермальної води зі свердловини; - Витрата води з розширювача у випарник; - ентальпія геотермальної води на виході з розширювача. Визначається за таблицями властивостей води та водяної пари як ентальпія киплячої води.

Рівняння матеріального балансу розширювача

Вирішуючи разом ці два рівняння необхідно визначити і.

Температура геотермальної води на виході з розширювача визначається за таблицями властивостей води та водяної пари як температура насичення при тиску в розширювачі:

Визначення параметрів у характерних точках теплової схеми турбіни, що працює у холодоні

Температура парів хладону на вході в турбіну:

Температура парів хладону на виході з турбіни:

Ентальпія парів хладону на вході в турбіну визначається за p-h діаграмідля хладону на лінії насичення при:

240 кДж/кг.

Ентальпія парів хладону на виході з турбіни визначається по p-h діаграмі для хладону на перетині ліній та лінії температури:

220 кДж/кг.

Ентальпія киплячого хладону на виході з конденсатора визначається по p-h діаграмі для хладону на кривій для киплячої рідини за температурою:

215 кДж/кг.

Розрахунок випарника

Температура геотермальної води на виході з випарника:

Рівняння теплового балансу випарника:

де – теплоємність води. Прийняти = 4,2 кДж/кг.

З цього рівняння потрібно визначити.

Розрахунок потужності турбіни, що працює на хладоні

де - Відносний внутрішній ККД хладонової турбіни; - електромеханічний ККД турбогенераторів.

Визначення потужності насоса для закачування геотермальної води в свердловину

де - ККД насоса, що приймається 0,8; - Середній питомий обсяг геотермальної води.

До складу двоконтурної ГеоТЕУ (рис. 4.2) входить парогенератор 4, в якому теплова енергія геотермальної пароводяної суміші використовується для нагрівання і випаровування поживної води традиційної вологопарової паротурбінної установки 6 з електрогенератором 5. Відпрацювала в парогенераторі геотермальна вода закачується насосом 3. поживної води турбоустановки ведеться стандартними способами. Поживний насос 8 повертає конденсат з конденсатора 7 парогенератор.

У двоконтурній установці гази, що не конденсуються, в паровому контурі відсутні, тому в конденсаторі забезпечується більш глибокий вакуум і термічний ККД установки зростає в порівнянні з одноконтурною. На виході з парогенератора теплота геотермальних вод, що залишається, може, як і в разі одноконтурної ГеоТЕС, використовуватися для потреб теплопостачання.

Рис.4.2. Теплова схема двоконтурної ГеоТЕС

Гази, у тому числі сірководень, подаються з парогенератора до барботажного абсорберу і розчиняються у відпрацьованій геотермальній воді, після чого вона закачується в свердловину поховання. За даними випробувань на Океанській ГеоТЕС (Курильські острови), що будується, в барботажному абсорбері розчиняється 93.97% вихідного сірководню.

Перепад температур у парогенераторі знижує ентальпію гострої пари двоконтурної установки h 1 порівняно з одноконтурною, проте в цілому теплоперепад у турбіні збільшується через зменшення ентальпії відпрацьованої пари h 2 . Термодинамічний розрахунок циклу ведеться як для звичайної паротурбінної ТЕС (див. розділ сонячних паротурбінних установок).

Витрата гарячої води з геотермальних свердловин для встановлення потужністю N, кВт визначається з виразу

Кг/с (4.3)

де - перепад температур геотермальної води на вході та виході з парогенератора, ° C, - ККД парогенератора. Повний ККД сучасних двоконтурних паротурбінних ГеоТЕУ складає 17.27%.

На родовищах із порівняно низькою температурою геотермальних вод (100-200°С) застосовують двоконтурні установки на низько- киплячих робочих тілах (фреонах, вуглеводнях). Економічно виправдано використання таких установок для утилізації теплоти відсепарованої води одноконтурних ГеоТЕС (замість теплофікаційного теплообмінника на рис. 4.1). У нашій країні вперше в світі (1967 р.) створено енергоустановку цього типу на хладоні R-12 потужністю 600 кВт, побудовану на Паратунському геотермальному родовищі (Камчатка) при науковому керівництві інституту теплофізики Сибірського відділення АН СРСР. Перепад температур теплоносія становив 80...5 про З, холодна вода подавалась в конденсатор з р. Паратунка із середньорічною температурою 5 о С. На жаль, ці роботи не набули розвитку через колишню дешевизну органічного палива.

В даний час у АТ "Кіровський завод" опрацьовано проект та технічна документація двоконтурного геотермального модуля потужністю 1,5 МВт на фреоні R142в (резервний теплоносій - ізобутан). Енергомодуль повністю виготовлятиметься в заводських умовах і доставлятиметься залізничним транспортом, будівельно-монтажні роботи та підключення до енергосистеми вимагатимуть мінімальних витрат. Очікується, що заводську вартість при серійному виготовленні енергомодулів буде знижено приблизно до $800 за кіловат встановленої потужності.

Поряд з ГеоТЕС на однорідному низькокиплячому теплоносії в ЕНІН розробляється перспективна установка на суміші водоаміачному робочому тілі. Основна перевага такої установки – можливість її використання у широкому інтервалі температур геотермальних вод та пароводяної суміші (від 90 до 220 про С). При однорідному робочому тілі відхилення температури на виході з парогенератора на 10...20 про З розрахункової призводить до різкого зниження ККД циклу - в 2.4 рази. Змінюючи концентрацію компонентів сумішевого теплоносія, можна забезпечити при мінливих температурах прийнятні показники установки. Потужність водоаміачної турбіни в цьому діапазоні температур змінюється менш ніж на 15%. Крім того, така турбіна має найкращі масогабаритні показники, і водоаміачна суміш відрізняється. кращими характеристикамитеплообміну, що дозволяє зменшити металоємність та вартість парогенератора та конденсатора порівняно з енергомодулем на однорідному теплоносії. Такі енергоустановки можуть бути широко використані для утилізації скидної теплоти в промисловості. Вони можуть мати постійний попит на міжнародному ринку геотермального обладнання.

Розрахунок ГеоТЕУ з низькокиплячими та сумішевими робочими тілами проводиться з використанням таблиць термодинамічних властивостей і h - s діаграм парів цих рідин.

До проблеми ГеоТЕС примикає можливість використання теплових ресурсів Світового океану, що часто згадується в літературі. У тропічних широтах температура морської водина поверхні близько 25 про С, на глибині 500...1000 м - близько 2...3 про С. Ще в 1881 р. "Арсонваль" висловив ідею використовувати цю різницю температур для виробництва електроенергії. Схема установки по одному з проектів реалізації цій ідеї представлена ​​на рис.

Рис.4.3. Схема океанської ТЕС: 1 – насос подачі теплої поверхневої води; 2 - парогенератор низько- киплячого теплоносія; 3 – турбіна; 4 – електрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – насос подачі холодної глибинної води; 7 – поживний насос; 8 - судноплатформа

Насос 1 подає теплу поверхневу воду парогенератор 2, де випаровується низькокиплячий теплоносій. Пар з температурою близько 20° C направляється в турбіну 3, що приводить в рух електрогенератор 4. Відпрацьована пара надходить в конденсатор 5 і конденсується холодною глибинною водою, що подається циркуляційним насосом 6. Поживний насос 7 повертає теплоносій парогенератор.

При підйомі через теплі поверхневі шари глибинна вода нагрівається не менше ніж до 7...8° C, відповідно волога пара теплоносія, що відпрацювала, матиме температуру не нижче 12...13° C. У результаті термічний ККД цього циклу складе = 0,028, а для реального циклу – менше 2%. У той же час для океанської ТЕЦ характерні високі витрати енергії на власні потреби, знадобляться дуже великі витрати теплої холодної води, а також теплоносія, споживання енергії насосами перевищать енергію, що виробляється блоком. У США спроби реалізувати такі енергоустановки біля Гавайських островів не дали позитивного результату.

Інший проект океанської ТЕС – термоелектричний – передбачає використовувати ефект Зеєбека, розміщуючи спаї термоелектродів у поверхневих та глибинних шарах океану. Ідеальний ККД такої установки, як для циклу Карно, становить близько 2%. У п.3.2 показано, що реальний ККД термоперетворювачів значно нижчий. Відповідно для теплознімання в поверхневих шарах океанської води і віддачі теплоти в глибинних довелося б споруджувати поверхні теплообміну ("підводні вітрила") великої площі. Це неможливо для енергетичних установок майже помітної потужності. Мала щільність енергії є перешкодою використання океанських запасів теплоти.

Читайте та пишітькорисні

Практичне заняття №6

Ціль:ознайомитись із принципом роботи ГеоТЕС та технологіями перетворення теплової енергії океану (ПТЕО), а також з методикою їх розрахунку.

Тривалість заняття- 2 години

Хід роботи:

1. На підставі теоретичної частини роботи ознайомиться із принципом роботи ГеоТЕС та технологіями перетворення теплової енергії океану (ПТЕО).

2. Відповідно до індивідуального завдання вирішити практичні завдання.

1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Використання теплової енергії океану

Технологія перетворення теплової енергії океану (ПТЕО) дозволяє створювати електрику за рахунок різниці температур між теплою та холодною океанською водою. Холодна вода перекачується через трубу з глибини понад 1000 метрів (з місця, куди сонячне проміння ніколи не потрапляє). Система також використовує теплу воду з області, близької до поверхні океану. Нагріта сонячним проміннямвода проходить через теплообмінник з хімічними речовинамиз низькою температурою кипіння, наприклад аміаком, що створює хімічну пару, що приводить в рух турбіни електрогенераторів. Потім пара конденсується назад у рідку форму за допомогою охолодженої води із глибин океану. Тропічні регіони вважаються найбільш вдалим місцем розміщення систем ПТЕО. Це зумовлено більшою різницею температур між водою на мілководді та на глибині.

На відміну від вітрових та сонячних ферм, океанічна ТЕС може виробляти екологічно чисту електроенергію цілодобово, 365 днів на рік. Єдиним побічним продуктом таких енергоблоків є холодна вода, яка може використовуватися для охолодження та кондиціювання повітря в адміністративних та житлових будинкахпоряд з енергогенеруючим об'єктом.

Використання геотермальної енергії

Геотермальна енергія – це енергія, яка отримується з природного тепла Землі. Досягти цього тепла можна за допомогою свердловин. Геотермічний градієнт у свердловині зростає на 1 °C кожні 36 метрів. Це тепло доставляється на поверхню у вигляді пари чи гарячої води. Таке тепло може використовуватися безпосередньо для обігріву будинків і будівель, так і для виробництва електроенергії.

За різними підрахунками, температура в центрі Землі становить щонайменше 6650 °C. Швидкість охолодження Землі приблизно дорівнює 300-350 ° C у мільярд років. Земля виділяє 42 10 12 Вт тепла, з яких 2% поглинається в корі і 98% - в мантії та ядрі. Сучасні технологіїне дозволяють досягти тепла, яке виділяється занадто глибоко, але і 840000000000 Вт (2%) доступної геотермальної енергії можуть забезпечити потреби людства на тривалий час. Області навколо країв континентальних плит є найкращим місцемдля будівництва геотермальних станцій, тому що кора в таких зонах набагато тонша.

Існує кілька способів отримання енергії на ГеоТЕС:

· Пряма схема: пара прямує трубами в турбіни, з'єднані з електрогенераторами;

· Непряма схема: аналогічна прямій схемі, але перед попаданням у труби пар очищають від газів, що спричиняють руйнування труб;

· Змішана схема: аналогічна прямій схемі, але після конденсації з води видаляють гази, що не розчинилися в ній.

2. ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

Завдання 1. Визначити початкову температуру t 2 та кількість геотермальної енергії Е o (Дж) водоносного пласта завтовшки h км при глибині залягання z км, якщо задані характеристики породи пласта: щільність р гр = 2700 кг/м3; пористість а = 5 %; питома теплоємність З гр =840 Дж/(кг К). Температурний градієнт (dT/dz) у °С /км вибрати за таблицею варіантів завдання.

Середню температуру поверхні t o прийняти рівною 10 °С. Питома теплоємність води З в = 4200 Дж/(кг · К); щільність води ρ = 1 · 10 3 кг/м 3 . Розрахунок зробити по відношенню до площі поверхні F = 1 км2. Мінімально допустиму температуру пласта прийняти рівною t 1=40°С.

Визначити також постійну тривалість вилучення теплової енергії τ o (Рік) при закачуванні води в пласт і витраті її V = 0,1 м 3 / (С · км 2). Якою буде теплова потужність, яку витягують спочатку (dE/dz) τ =0 і через 10 років (dE/dz) τ =10?

Завдання 1 присвячене тепловому потенціалу геотермальної енергії, зосередженої в природних горизонтах водоносних на глибині z (км) від земної поверхні. Зазвичай товщина водоносного шару h (км) менша за глибину його залягання. Шар має пористу структуру – скельні породи мають пори, заповнені водою (пористість оцінюється коефіцієнтом α). Середня щільністьтвердих порід земної корир гр =2700 кг/м 3 а коефіцієнт теплопровідності λ гр =2 Вт/(м·К). Зміна температури грунту до земної поверхні характеризується температурним градієнтом (dT/dz), що вимірюється в °С/км або К/км.

Найбільш поширені на земній кулірайони з нормальним температурним градієнтом (менше 40 °С/км) із щільністю вихідних у напрямку поверхні теплових потоків ≈ 0,06 Вт/м 2 . Економічна доцільність отримання тепла з надр Землі тут малоймовірна.

У напівтермальнихВ районах температурний градієнт дорівнює 40-80 °С/км. Тут доцільно використовувати тепло надр для опалення, теплицях, бальнеології.

У гіпертермальнихрайонах (поблизу меж платформ земної кори) градієнт понад 80 ° С/км. Тут доцільно будувати ГеоТЕС.

При відомому температурному градієнті можна визначити температуру водоносного пласта перед початком його експлуатації:

T г = T o + (dT/dz) · z,

де Т o - температура поверхні Землі, До (° З).

У розрахунковій практиці характеристики геотермальної енергетики зазвичай належать до 1 км 2 поверхні F.

Теплоємність пласта С пл (Дж/К) можна визначити за рівнянням

C пл = [α · ρ · C в + (1- α) · ρ гр · C гр ] · h · F,

де р в і С - відповідно щільність і ізобарна питома теплоємність

р гр і С гр - щільність та питома теплоємність ґрунту (порід пласта); зазвичай р гр = 820-850 Дж/(кг К).

Якщо встановити мінімально допустиму температуру, при якій можна використовувати теплову енергіюпласта Т 1 (К), то можна оцінити його тепловий потенціал до початку експлуатації (Дж):

E 0 =C пл ·(T 2 -T 1)

Постійну часу пласта τ 0 ( можливий часйого використання, років) у разі відведення теплової енергії шляхом закачування до нього води з об'ємною витратою V (м 3 /с) можна визначити за рівнянням:

τ 0 =C пл /(V·ρ · С в)

Вважають, що тепловий потенціал пласта під час його розробки змінюється за експоненційним законом:

E = E 0 · e - (τ / o)

де - кількість років з початку експлуатації;

е - основа натуральних логарифмів.

Теплова потужністьгеотермального пласта в момент часу τ (років з початку розробки) у Вт (МВт):

Завдання 2 Вважається, що дійсний ККД η океанічної ТЕС, що використовує температурний перепад поверхневих і глибинних вод (T 1 -T 2)= ∆T і працює за циклом Ренкіна, вдвічі менше термічного ККД установки, що працює за циклом Карно, η t k . Оцінити можливу величину дійсного ККД ОТЕС, робочим тілом якої є аміак, якщо температура води лежить на поверхні океану t , °С, а температура води на глибині океану t 2 , °З. Яка витрата теплої води V , m/год знадобиться для ОТЕС потужністю N МВт?

Завдання 2 присвячене перспективам використання перепаду температур поверхневих та глибинних вод океану для отримання електроенергії на ОТЕС, що працює за відомим циклом Ренкіна. Як робоче тіло передбачається використання легкокиплячих речовин (аміак, фреон). Внаслідок невеликих перепадів температур (∆T=15÷26 o C) термічний ККД установки, що працює за циклом Карно, становить лише 5-9 %. Реальний ККД установки, що працює за циклом Ренкіна, буде вдвічі меншим. В результаті для отримання частки відносно невеликих потужностей на ОТЕС потрібні великі витрати "теплої" і "холодної" води і, отже, величезні діаметри трубопроводів, що підводять і відводять.

Q 0 =p·V·C p ·∆T,

де р - щільність морської води, кг/м3;

С р - масова теплоємність морської води, Дж/(кг · До);

V - об'ємна витрата води, м3/с;

∆T = T 1 -T 2 - різниця температур поверхневих та глибинних вод

(температурний перепад циклу) у °З або К.

В ідеальному теоретичному циклі Карно механічна потужність N 0 (Вт) може бути визначена як

N 0 = η t k · Q o ,

або з урахуванням (1) та виразу для термічного ККД циклу Карно η t k:

N 0 = p · C p · V · (∆T) 2 / T 1.

Завдання 3 Двоконтурна пароводяна геотермальна електростанція з електричною потужністю N отримує теплоту від води з геотермальних свердловин із температурою t гс . Суха насичена пара на виході з парогенератора має температуру на 20 0 С нижче, ніж t гс . Пара розширюється в турбіні і надходить у конденсатор, де охолоджується водою з довкілляз температурою t хв . Вода, що охолоджує, нагрівається в конденсаторі на 12 0 С. Конденсат має температуру на 20 0 С вище, ніж t хв . Геотермальна вода виходить із парогенеруючої установки з температурою на 15 0 С вище, ніж конденсат. Відносний внутрішній коефіцієнттурбіни η оі , електричний ККД турбогенератора η е =0,96. Визначити термічний ККД циклу Ренкіна, витрата пари та питома витрататеплоти, витрати води з геотермальних свердловин та навколишнього середовища.

В одноконтурній паротурбінній ГеоТЕУ ентальпія насиченої сухої пари після сепарації визначається за температурою геотермальної води t гв. З таблиць термодинамічних властивостей води та водяної пари або h-s діаграмы. У разі двоконтурної ГеоТЕУ враховується перепад температур у парогенераторі Δt. В іншому розрахунок ведеться як і для сонячної паротурбінної ТЕС.

Витрата пари визначається із співвідношення

кг/с,

де η t - Термічний ККД циклу,

η оі – Відносний внутрішній ККД турбіни,

η е-електричний ККД турбогенератора,

N - потужність ГеоТЕУ, кВт,

Витрата гарячої води з геотермальних свердловин визначається за формулою

, кг/с,

витрати холодної води з навколишнього середовища на конденсацію пари

, кг/с,

де с = 4,19 кДж/кг∙К – теплоємність води,

η пг - ККД парогенератора,

Δt пг - перепад температур геотермальної води в парогенераторі, 0 С,

Δt хв – перепад температур холодної води у конденсаторі, 0 С.

Розрахунок ГеоТЕУ з низькокиплячими та сумішевими робочими тілами проводиться з використанням таблиць термодинамічних властивостей та h-s діаграм парів цих рідин.

Величини та одиниці їх виміру	Варіанти завдань
N, МВт
t хв., 0 С
t хв., 0 С
η oi, %

Ресурси геотермальної енергії біля Росії мають значний промисловий потенціал, зокрема і енергетичний. Запаси тепла Землі з температурою 30-40 °С (рис. 17.20, див. кольорове вклеювання) є практично на всій території Росії, а в окремих регіонах є геотермальні ресурси з температурою до 300 °С. Залежно від температури геотермальні ресурси використовують у різних галузях народного господарства: електроенергетики, теплофікації, промисловості, сільському господарстві, бальнеології.

За температур геотермальних ресурсів понад 130 °С можливе отримання електроенергії на одноконтурних геотермальних електростанціях(ГеоЕС). Однак ряд регіонів Росії мають значні запаси геотермальних вод з нижчою температурою близько 85 ° С і вище (рис. 17.20, див. кольорове вклеювання). У цьому випадку можна отримати електроенергію на ГеоЕС з бінарним циклом. Бінарні електричні станції – це двоконтурні станції з використанням у кожному контурі свого робочого тіла. До бінарних також іноді відносять одноконтурні станції, які працюють на суміші двох робочих тіл – аміаку та води (рис. 17.21, див. кольорове вклеювання).

Перші геотермальні електростанції в Росії були побудовані на Камчатці в 1965-1967 рр..: Паужетська ГеоЕС, яка працює і в даний час виробляє найдешевшу електроенергію на Камчатці, і Паратунська ГеоЕС з бінарним циклом. Надалі у світі було побудовано близько 400 ГеоЕС із бінарним циклом.

У 2002 р. введено в експлуатацію на Камчатці Мутнівська ГеоЕС із двома енергоблоками загальною потужністю 50 МВт.

Технологічною схемою електростанції передбачено використання пари, що отримується двоступінчастою сепарацією пароводяної суміші, що забирається з геотермальних свердловин.

Після сепарації пар з тиском 0,62 МПа та ступенем сухості 0,9998 надходить на двопотокову парову турбіну, що має вісім ступенів. У парі з паровий турбіноюпрацює генератор номінальною потужністю 25 МВт та напругою 10,5 кВ.

Для забезпечення екологічної чистоти в технологічної схемиелектростанції передбачена система закачування конденсату та сепарату назад у земні пласти, а також запобігання викидам сірководню в атмосферу.

Геотермальні ресурси широко використовуються для теплопостачання, особливо при прямому використанні гарячої геотермальної води.

Низькопотенційні геотермальні джерела тепла із температурою or 10 до 30 °З доцільно використовувати з допомогою теплових насосів. Тепловий насос - машина, призначена для передачі внутрішньої енергії від теплоносія з низькою температурою до теплоносія з високою температурою за допомогою зовнішнього впливудля виконання роботи. В основі принципу роботи теплового насоса лежить обернений цикл Карно.

Тепловий насос, споживаючи кВт електричної потужності, видає в систему теплопостачання від 3 до 7 кВт теплової потужності. p align="justify"> Коефіцієнт трансформації змінюється в залежності від температури низькопотенційного геотермального джерела.

Теплові насоси знайшли широке застосуванняу багатьох країнах світу. Найбільш потужна теплонасосна установка працює у Швеції тепловою потужністю 320 МВт та використовує тепло води Балтійського моря.

Ефективність використання теплового насоса визначається в основному співвідношенням цін на електричну та теплову енергію, а також коефіцієнтом трансформації, що означає, у скільки разів більше виробляється теплової енергії порівняно із витраченою електричною (або механічною) енергією.

Найбільш економічна робота теплових насосів у період проходження мінімальних навантажень в енергосистемі. Їх робота може сприяти вирівнюванню графіків електричного навантаження енергосистеми.

Література для самостійного вивчення

17.1.Використанняводної енергії: підручник для вузів/за ред. Ю.С. Васильєва. -
4-те вид., перероб. та дод. М.: Вища школа, 1995.

17.2.Васильєв Ю.С, Віссаріонов В.І., Кубишкін Л.І.Рішення гідроенергетичного
ських завдань на ЕОМ. М.: Вища школа, 1987.

17.3.Непорожній П.С., Обрізків В,І.Введення у спеціальність. Гідроелектроенерге
тика: навчальний посібникдля вузів. - 2-ге вид. перероб. та дод. М: Енергоатоміздат,
1990.

17.4.Водно-енергетичні та водогосподарські розрахунки: навчальний посібник для вузів /
за ред. В.І. Віссаріонова. М: Видавництво МЕІ, 2001.

17.5.Розрахунокресурсів сонячної енергетики: навчальний посібник для вузів / за ред.
В.І. Віссаріонова. М: Видавництво МЕІ, 1997.

17.6.Ресурсита ефективність використання відновлюваних джерел енергії
у Росії / Колектив авторів. СПб.: Наука, 2002.

17.7.Дьяков А.Ф., Пермінов Е.М., Шакарян Ю.Г.Вітроенергетика Росії. Стан
та перспективи розвитку. М: Видавництво МЕІ, 1996.

17.8.Розрахунокресурсів вітроенергетики: навчальний посібник для вузів/за ред. В.І. Вісса
ріонова. М: Видавництво МЕІ, 1997.

17.9.Мутновськийгеотермальний електричний комплекс на Камчатці/О.В. Бритвін,

Геотермальна енергія – це енергія, яка отримується з природного тепла Землі. Досягти цього тепла можна за допомогою свердловин. Геотермічний градієнт у свердловині зростає на 1°С кожні 36 метрів. Це тепло доставляється на поверхню у вигляді пари чи гарячої води. Таке тепло може використовуватися як безпосередньо для обігріву будинків і будівель, так і для виробництва електроенергії. Термальні регіони є у багатьох частинах світу.

За різними підрахунками, температура у центрі Землі становить, мінімум, 6 650 0С. Швидкість охолодження Земля приблизно дорівнює 300-350 градусів на мільярд років. Земля містить 42 х 1012 Вт тепла, з яких 2% міститься в корі та 98% - у мантії та ядрі. Сучасні технології не дозволяють досягти тепла, яке знаходиться надто глибоко, але й 840 000 000 000 Вт (2%) доступної геотермальної енергії можуть забезпечити потреби людства на тривалий час. Області навколо країв континентальних плит є найкращим місцем для будівництва геотермальних станцій, тому що кора в таких зонах набагато тонша.

Геотермальні електростанції та геотермальні ресурси

Чим глибша свердловина, тим вища температура, але в деяких місцях геотермальна температура піднімається швидше. Такі місця зазвичай перебувають у зонах підвищеної сейсмічної активності, де зіштовхуються чи розриваються тектонічні плити. Саме тому найперспективніші геотермальні ресурси перебувають у зонах вулканічної активності. Чим вище геотермічний градієнт, тим дешевшим обходиться видобуток тепла, за рахунок зменшення витрат на буріння та гойдання. У найбільш сприятливих випадках градієнт може бути настільки високий, що поверхневі водинагріваються до потрібної температури. Прикладом таких випадків є гейзери і гарячі джерела.

Нижче земної кори знаходиться шар гарячого та розплавленого каменю званий магмою. Тепло виникає там, перш за все, за рахунок розпаду природних радіоактивних елементів, таких як уран та калій. Енергетичний потенціалтепла на глибині 10 000 метрів у 50 000 разів більше енергії, ніж усі світові запаси нафти та газу.

Зони найвищих підземних температур знаходяться у регіонах з активними та молодими вулканами. Такі «гарячі точки» знаходяться на межах тектонічних плит або в місцях, де кора настільки тонка, що пропускає тепло магми. Безліч гарячих точок знаходиться в зоні Тихоокеанського кільця, яке ще називають «вогняне кільце» через великої кількостівулканів.

Геотермальні електростанції – способи використання геотермальної енергії

Існує два основні способи використання геотермальної енергії: пряме використання тепла та виробництво електроенергії. Пряме використання тепла є найпростішим і тому найпоширенішим способом. Практика прямого використання тепла поширена у високих широтах на межах тектонічних плит, наприклад в Ісландії та Японії. Водопровід у таких випадках монтується безпосередньо в глибинні свердловини. Одержувана гаряча водазастосовується для підігріву доріг, сушіння одягу та обігріву теплиць та житлових будівель. Спосіб виробництва електрики з геотермальної енергії дуже схожий спосіб прямого використання. Єдиною відмінністю є необхідність більш високій температурі(Більше 150 0С).

У Каліфорнії, Неваді та деяких інших місцях геотермальна енергія використовується на великих електростанціях. Так, у Каліфорнії близько 5% електрики виробляється за рахунок геотермальної енергії, у Сальвадорі геотермальна енергія виробляє близько 1/3 електроенергії. В Айдахо та Ісландії геотермальне тепловикористовується в різних сферах, у тому числі для обігріву житла. У тисячах будинках геотермальні теплові насосивикористовуються для отримання екологічно чистого та недорогого тепла.

Геотермальні електростанції – джерела геотермальної енергії.

Суха нагріта порода– Для того, щоб використовувати енергію в геотермальних електростанціях, що міститься в сухій скельній породі, воду при високому тискузакачують у породу. Таким чином, розширюються існуючі в породі злами і створюється підземний резервуар пари або гарячої води.

Магма- Розплавлена ​​маса, що утворюється під корою Землі. Температура магми досягає 1200 0С. Незважаючи на те, що невеликі обсяги магми знаходяться на доступних глибинах, практичні методиотримання енергії з магми перебувають у стадії розробки.

Гарячі, що знаходяться під тиском, підземні води , Що містять розчинений метан У виробництві електроенергії використовують і тепло, і газ.

Геотермальні електростанції – принципи роботи

В даний час існує три схеми виробництва електроенергії з використанням гідротермальних ресурсів: пряма з використанням сухої пари, непряма з використанням водяної пари та змішана схема виробництва (бінарний цикл). Тип перетворення залежить від стану середовища (пар або вода) та її температури. Першими було освоєно електростанції на сухій парі. Для виробництва електроенергії на них пара, що надходить зі свердловини, пропускається безпосередньо через турбіну/генератор. Електростанції з непрямим типом виробництва електроенергії на сьогоднішній день є найпоширенішими. Вони використовують гарячі підземні води (температурою до 182 0С) яка закачується при високому тиску генераторні установкина поверхні. Геотермальні електростанції зі змішаною схемоювиробництва відрізняються від двох попередніх типів геотермальних електростанцій тим, що пара та вода ніколи не вступають у безпосередній контакт із турбіною/генератором.

Геотермальні електростанції, що працюють на сухій парі

Парові електростанції працюють переважно на гідротермальній парі. Пара надходить безпосередньо в турбіну, яка живить генератор, що виробляє електроенергію. Використання пари дозволяє відмовитися від спалювання викопного палива (також відпадає необхідність у транспортуванні та зберіганні палива). Це найстаріші геотермальні електростанції. Перша така електростанція була побудована в Лардерелло (Італія) у 1904 році, вона діє і зараз. Парова технологія використовується на електростанції «Гейзерс» у Північній Каліфорнії – це найбільша геотермальна електростанція у світі.

Геотермальні електростанції на парогідротермах

Для виробництва електрики на таких заводах використовують перегріті гідротерми (температура вище 182 °С). Гідротермальний розчин нагнітається у випарник для зниження тиску, тому частина розчину дуже швидко випаровується. Отримана пара приводить у дію турбіну. Якщо в резервуарі залишається рідина, її можна випарувати в наступному випарнику для отримання ще більшої потужності.

Геотермальні електростанції із бінарним циклом виробництва електроенергії.

Більшість геотермальних районів містять воду помірних температур (нижче за 200 0С). На електростанціях із бінарним циклом виробництва ця вода використовується для отримання енергії. Гаряча геотермальна вода та друга, додаткова рідина з нижчою точкою кипіння, ніж у води, пропускаються через теплообмінник. Тепло геотермальної води випарює другу рідину, пари якої приводять у дію турбіни. Так як це замкнута системаВикиди в атмосферу практично відсутні. Води помірної температури є найпоширенішим геотермальним ресурсом, тому більшість геотермальних електростанцій майбутнього працюватимуть цьому принципі.

Майбутнє геотермальної електрики.

Резервуари з парою та гарячою водоює лише малою частиною геотермальних ресурсів. Земна магма і суха тверда порода забезпечать дешевою, чистою практично невичерпною енергією, як тільки будуть розроблені відповідні технології їх утилізації. До того часу найпоширенішими виробниками геотермальної електроенергії будуть електростанції з бінарним циклом.

Щоб геотермальна електрика стала ключовим елементоменергетичної інфраструктури США, необхідно розробити методи зменшення вартості його отримання. Департамент Енергетики США працює з представниками геотермальної промисловості щодо зменшення вартості кіловат-години до $0,03-0,05. За прогнозами, найближчим десятиліттям з'являться нові геотермальні електростанції потужністю 15 000 МВт.