Термальные источники энергии: Термальная энергия на информационном портале «Clean Energo»

2.8. Геотермальная энергетика — Энергетика: история, настоящее и будущее

Выражение «геотермальная энергия» буквально означает, что это энергия тепла Земли («гео» – земля, «термальная» – тепловая). Основным источником этой энергии служит постоянный поток теплоты из раскаленных недр, направленный к поверхности Земли. Земная кора получает теплоту в результате трения ядра, радиоактивного распада элементов (подобно торию и урану), химических реакций. Постоянные времени этих процессов настолько велики относительно времени существования Земли, что невозможно оценить, увеличивается или уменьшается ее температура.

Запасы геотермальной энергии огромны. Геотермальная энергия в ряде стран (Венгрии, Исландии, Италии, Мексики, Новой Зеландии, России, США, Японии) широко используется для теплоснабжения, выработки электроэнергии. Так, в Исландии за счет геотермальной энергии обеспечивается 26,5% выработки электроэнергии.

В 2004 г. в мире суммарная мощность геотермальных электростанций составила около 9 млн. кВт, а геотермальных систем теплоснабжения – около 20 млн.кВт (тепловых). По прогнозам мощность геоТЭС может составить около 20 млн.кВт, а выработка электроэнергии – 120 млрд. кВт·ч.

Различают пять основных типов геотермальной энергии:

• нормальное поверхностное тепло Земли на глубине от нескольких десятков до сотен метров;
• гидротермальные системы, то есть резервуары горячей или теплой воды, в большинстве случаев самовыливной;
• парогидротермальные системы – месторождения пара и самовыливной пароводяной смеси;
• петрогеотермальные зоны или теплота сухих горных пород;
• магма (нагретые до 1300°С расплавленные горные породы).

Гейзеры в Исландии

Геотермальная энергия обеспечивает теплом столицу Исландии Рейкьявик. Уже в 1943 г. там были пробурены 32 скважины на глубину от 440 до 2400 м, по которым к поверхности поднимается вода с температурой от 60 до 130°С. Девять из этих буровых скважин действуют и по сей день.

ГеоТЭС Несьявеллир, Исландия

Таблица 2.5 Сфера использования термальных вод

Температура термальной воды, °С	Сфера использования
37–50	Бальнеология
50–70	Мелкомасштабная теплофикация, горячее водоснабжение, технологическое использование воды
70–120	Крупномасштабная теплофикация (города и большие сельскохозяйственные объекты), комплексное многоцелевое использование вод по мере выработки теплового потенциала
120–170	«Малая» электроэнергетика с использованием низкокипящих рабочих веществ типа фреона, аммиака и др.
170–220	«Средняя» электроэнергетика с прямым использованием пароводяной смеси
Больше 220	«Большая» электроэнергетика на природном сухом паре

Рис. 2.29. Схема геотермального теплоснабжения с использованием агрессивных геотермальных вод: 1 – подземный коллектор; 2 – приемная скважина; 3 – газошламоотделитель; 4 – нагнетательный насос; 5 – нагнетательная скважина; 6 – теплообменник системы отопления; 7 – насос системы отопления; 8 – теплообменник системы горячего водоснабжения; 9 – отопительная система; 10 – система горячего водоснабжения; 11 – источник воды горячего водоснабжения; 12 – система утилизации газов и шламов

Мутновская геоТЭС, Россия

Среди месторождений глубинной теплоты Земли существуют термоаномальные зоны месторождений теплоты, которые имеют повышенный геотермальный градиент в водонасыщенных проникающих горных породах. Таким образом, проявлением геотермальной теплоты, имеющей практическое значение, являются запасы горячей воды и пара в подземных резервуарах на относительно небольших глубинах и гейзеры, которые выходят на поверхность.

Геотермальные воды классифицируют по температуре, кислотности, уровню минерализации, жесткости.

Основным показателем пригодности геотермальных источников для использования является их природная температура, согласно которой они подразделяются на низкотермальные воды с температурой 40–70°С; среднетермальные воды с температурой 70–100°С; высокотермальные воды и пар с температурой 100–150°С; парогидротермы и флюиды с температурой выше 150°С.

Гейзеры в США

В США в Долине гейзеров расположено 19 геоТЭС общей мощностью 1300 МВт. Мощнейшая в мире геоТЭС (50 МВт) построена тоже в США – геоТЭС Хебер.

Гейзеры на Камчатке, Россия

Пригодность термальных вод для той или иной сферы использования иллюстрируется табл. 2.5.

В качестве примера на рис. 2.29 приведена одна из схем использования геотермальных вод для отопления и горячего водоснабжения, при этом рассматриваются воды особой агрессивности, которые непосредственно использовать невозможно.

Рис. 2.30. Принципиальная схема двухконтурной геоТЭС: 1 – скважина; 2 – теплообменник; 3 – парогенератор; 4 – турбина; 5 – электрогенератор; 6 – воздухоохлаждаемый конденсатор; 7 – конденсато-питательный насос; 8 – нагнетательный насос

Геотермальные электростанции (геоТЭС) имеют ряд особенностей:

• постоянный излишек энергоресурсов, что обеспечивает использование полной установленной мощности оборудования геоТЭС;
• достаточно простой уровень автоматизации;
• последствия возможных аварий ограничиваются территорией станции;
• удельные капиталовложения и себестоимость электрической энергии в основном могут быть ниже, чем на электростанциях, использующих другие возобновляемые источники энергии.

ГеоТЭС можно разделить на три основных типа:

• станции, работающие на месторождениях сухого пара;
• станции с парообразователем, работающие на месторождениях горячей воды под давлением;
• станции с бинарным циклом, в которых геотермальная теплота передается вторичной жидкости (например фреону или изобутану) и происходит классический цикл Ренкина.

На рис. 2.30 приведена принципиальная схема станции третьего типа – с бинарным циклом работы.

Наибольший эффект имеет место при комбинированных схемах использования геотермальных источников как теплоносителя для подогрева воды и выработки электроэнергии на тепловых электростанциях, что обеспечивает значительную экономию органического топлива и увеличивает к.п.д. преобразования низкопотенциальной энергии. Такие комбинированные схемы позволяют использовать для выработки электроэнергии теплоносители с начальными температурами свыше 70–80°С.

Сегодня 58 стран используют тепло своих геотермальных ресурсов не только на производство электроэнергии, а непосредственно в виде тепла: для обогрева ванн и бассейнов – 42%; для отопления – 23%; для тепловых насосов – 12%; для обогрева теплиц – 9%; для подогрева воды в рыбных хозяйствах – 6%; в промышленности – 5%; для других целей – 2%; для сушения сельхозпродуктов, таяния снега и кондиционирования – 1%.

ГеоТЭС, построенные в США, Италии, России и других странах, по удельным капвложениям и стоимости электроэнергии могут конкурировать с современными ТЭС и АЭС.

В 2008 г. в мире установленная мощность электрогенерирующих геотермальных установок составила около 11 млн. кВт с выработкой около 55 млрд. кВт·ч.

Геотермальная электростанция в Исландии

По разным прогнозам мощность геотермальных станций к 2030 г. возрастет до 40–70 млн. кВт.

В Украине имеются значительные ресурсы геотермальной энергии. Месторождения геотермальных вод, пригодных к промышленному освоению в Украине, расположены в Закарпатской, Николаевской, Одесской, Херсонской областях и в АР Крым. Самыми перспективными для использования геотермальных ресурсов являются Карпатский регион и Крым. Менее значительный потенциал геотермальных вод имеется в Полтавской, Харьковской, Сумской и Черниговской областях. Годовой технический потенциал геотермальной энергии оценивается как эквивалентный 12 млн. т у.т., что обеспечивает перспективность развития геотермальной энергетики в стране.

Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции или что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 0С каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно как для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира.

По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6 650 0С. Скорость остывания Земля примерно равна 300-350 0С в миллиард лет. Земля содержит 42 х 1012 Вт тепла, из которых 2% содержится в коре и 98% — в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое находится слишком глубоко, но и 840 000 000 000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Геотермальные электростанции и геотермальные ресурсы

Чем глубже скважина, тем выше температура, но в некоторых местах геотермальная температура поднимается быстрее. Такие места обычно находятся в зонах повышенной сейсмической активности, где сталкиваются или разрываются тектонические плиты. Именно поэтому наиболее перспективные геотермальные ресурсы находятся в зонах вулканической активности. Чем выше геотермический градиент, тем дешевле обходится добыча тепла, за счет уменьшения расходов на бурение и качание. В наиболее благоприятных случаях, градиент может быть настолько высок, что поверхностные воды нагреваются до нужной температуры. Примером таких случаев служат гейзеры и горячие источники.

Ниже земной коры находится слой горячего и расплавленного камня называемый магмой. Тепло возникает там, прежде всего, за счет распада природных радиоактивных элементов, таких как уран и калий. Энергетический потенциал тепла на глубине 10 000 метров в 50 000 раз больше энергии, чем все мировые запасы нефти и газа.

Зоны наивысших подземных температур находятся в регионах с активными и молодыми вулканами. Такие «горячие точки» находятся на границах тектонических плит или в местах, где кора настолько тонка, что пропускает тепло магмы. Множество горячих точек находится в зоне Тихоокеанского кольца, которое еще называют «огненное кольцо» из-за большого количества вулканов.

Геотермальные электростанции —  способы использования геотермальной энергии

Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла широко распространенна в высоких широтах на границах тектонических плит, например в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре (более 150 0С).

В Калифорнии, Неваде и некоторых других местах геотермальная энергия используется на больших электростанциях, Так, в Калифорнии около 5% электричества вырабатывается за счет геотермальной энергии, в Сальвадоре геотермальная энергия производит около 1/3 электроэнергии. В Айдахо и Исландии геотермальное тепло используется в различных сферах, в том числе и для обогрева жилья. В тысячах домах геотермальные тепловые насосы используются для получения экологически чистого и недорогого тепла.

Геотермальные электростанции —  источники геотермальной энергии.

Сухая нагретая порода – Для того, чтобы использовать энергию в геотермальных электростанциях, содержащуюся в сухой скальной породе, воду при высоком давлении закачивают в породу. Таким образом, расширяются существующие в породе изломы, и создается подземный резервуар пара или горячей воды.

Магма – расплавленная масса, образующаяся под корой Земли. Температура магмы достигает 1 200 0С. Несмотря на то, что небольшие объемы магмы находятся на доступных глубинах, практические методы получения энергии из магмы находятся на стадии разработки.

Горячие, находящиеся под давлением, подземные воды, содержащие растворенный метан. В производстве электроэнергии используются и тепло, и газ.

Геотермальные электростанции — принципы работы

В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару

Паровые электростанции работают преимущественно на гидротермальном пару. Пар поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива). Это старейшие геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная геотермальная электростанция в мире.

Геотермальные электростанции на парогидротермах

Для производства электричества на таких заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 182 °С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.

Геотермальные электростанции с бинарным циклом производства электроэнергии.

Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 200 0С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. Горячая геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник. Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют. Воды умеренной температуры являются наиболее распространенным геотермальным ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать на этом принципе.

Будущее геотермального электричества.

Резервуары с паром и горячей водой являются лишь малой частью геотермальных ресурсов. Земная магма и сухая твердая порода обеспечат дешевой, чистой практически неиссякаемой энергией, как только будут разработаны соответствующие технологии по их утилизации. До тех пор, самыми распространенными производителями геотермальной электроэнергии будут электростанции с бинарным циклом.

Чтобы геотермальное электричество стало ключевым элементом энергетической инфраструктуры США, необходимо разработать методы по уменьшению стоимости его получения. Департамент Энергетики США работает с представителями геотермальной промышленности по уменьшению стоимости киловатт-часа до $0,03-0,05. По прогнозам, в ближайшее десятилетие появятся новые геотермальные электростанции мощностью 15 000 МВт.

http://www1.eere.energy.gov/geothermal/powerplants.htm

Геотермальная энергия | Национальное географическое общество

Геотермальная энергия — это тепло, которое вырабатывается внутри Земли. ( Geo  означает «земля», а Thermal  означает «тепло» на греческом языке. ) Это возобновляемый ресурс, который можно собирать для использования человеком.

Примерно на 2900 километров (1800 миль) ниже земной коры или поверхности находится самая горячая часть нашей планеты: ядро. Небольшая часть тепла ядра исходит от трения и гравитационного притяжения, образовавшихся при создании Земли более 4 миллиардов лет назад. Однако подавляющее большинство тепла Земли постоянно генерируется в результате распада радиоактивных изотопов, таких как калий-40 и торий-232.

Изотопы — это формы элемента, которые имеют другое количество нейтронов, чем обычные версии атома элемента.

Калий, например, имеет 20 нейтронов в ядре. Однако калий-40 имеет 21 нейтрон. Когда калий-40 распадается, его ядро ​​изменяется, испуская огромное количество энергии (излучение). Калий-40 чаще всего распадается на изотопы кальция (кальций-40) и аргона (аргон-40).

Радиоактивный распад — это непрерывный процесс в ядре. Температура там поднимается до более чем 5000° по Цельсию (около 9000° по Фаренгейту). Тепло от ядра постоянно излучается наружу и нагревает породы, воду, газ и другой геологический материал.

Температура Земли повышается с глубиной от поверхности к ядру. Это постепенное изменение температуры известно как геотермический градиент. В большинстве частей мира геотермический градиент составляет около 25°C на 1 километр глубины (1°F на 77 футов глубины).

Если подземные горные породы нагреть примерно до 700-1300°C (1300-2400°F), они могут превратиться в магму. Магма – это расплавленная (частично расплавленная) горная порода, пронизанная газом и пузырьками газа. Магма существует в мантии и нижних слоях коры и иногда выливается на поверхность в виде лавы.

Магма нагревает близлежащие скалы и подземные водоносы. Горячая вода может выбрасываться через гейзеры, горячие источники, паровые жерла, подводные гидротермальные жерла и грязевые котлы.

Все это источники геотермальной энергии. Их тепло можно улавливать и использовать непосредственно для обогрева, или их пар можно использовать для выработки электричества. Геотермальную энергию можно использовать для обогрева зданий, парковок и тротуаров.

Большая часть геотермальной энергии Земли не выходит наружу в виде магмы, воды или пара. Он остается в мантии, медленно излучаясь наружу и собираясь в виде очагов высокой температуры. Получить доступ к этому сухому геотермальному теплу можно путем бурения и обогащения закачкой воды для создания пара.

Многие страны разработали методы использования геотермальной энергии. Различные виды геотермальной энергии доступны в разных частях мира. В Исландии обильные источники горячих, легкодоступных подземных вод позволяют большинству людей полагаться на геотермальные источники как на безопасный, надежный и недорогой источник энергии. Другие страны, такие как США, должны бурить скважины для получения геотермальной энергии с большими затратами.

Сбор геотермальной энергии: отопление и охлаждение

Низкотемпературная геотермальная энергия
Практически в любой точке мира можно получить доступ к геотермальному теплу и сразу же использовать его в качестве источника тепла. Эта тепловая энергия называется низкотемпературной геотермальной энергией. Низкотемпературная геотермальная энергия получается из очагов тепла около 150° C (302° F). Большинство очагов низкотемпературной геотермальной энергии находятся всего в нескольких метрах под землей.

Низкотемпературная геотермальная энергия может использоваться для обогрева теплиц, домов, рыбных хозяйств и промышленных процессов. Низкотемпературная энергия наиболее эффективна при использовании для отопления, хотя иногда ее можно использовать для выработки электроэнергии.

Люди уже давно используют этот тип геотермальной энергии для строительства, комфорта, лечения и приготовления пищи. Археологические данные показывают, что 10 000 лет назад группы коренных американцев собирались вокруг природных горячих источников, чтобы восстановить силы или укрыться от конфликта. В третьем веке до нашей эры ученые и лидеры грелись в горячем источнике, питаемом каменным бассейном недалеко от горы Лишань в центральном Китае. Один из самых известных курортов с горячими источниками находится в английском городе Бат с соответствующим названием. Начав строительство примерно в 60 г. н.э., римские завоеватели построили сложную систему парных и бассейнов, используя тепло из неглубоких очагов низкотемпературной геотермальной энергии.

Горячие источники Шод-Эг во Франции служат источником дохода и энергии для города с 1300-х годов. Туристы стекаются в город из-за его элитных курортов. Низкотемпературная геотермальная энергия также обеспечивает теплом дома и предприятия.

Соединенные Штаты открыли свою первую геотермальную систему централизованного теплоснабжения в 1892 году в Бойсе, штат Айдахо. Эта система до сих пор обеспечивает теплом около 450 домов.

Геотермальная энергия совместного производства
Технология совместного производства геотермальной энергии зависит от других источников энергии. Эта форма геотермальной энергии использует воду, которая нагревается в качестве побочного продукта в нефтяных и газовых скважинах.

В Соединенных Штатах ежегодно в качестве побочного продукта производится около 25 миллиардов баррелей горячей воды. Раньше эту горячую воду просто выбрасывали. Недавно он был признан потенциальным источником еще большего количества энергии: его пар можно использовать для выработки электроэнергии, которая будет сразу же использована или продана в сеть.

Один из первых проектов совместного производства геотермальной энергии был инициирован в Центре испытаний нефтяных месторождений Роки-Маунтин в американском штате Вайоминг.

Новые технологии позволили сделать объекты совместного производства геотермальной энергии переносимыми. Хотя мобильные электростанции все еще находятся на экспериментальной стадии, они обладают огромным потенциалом для изолированных или бедных сообществ.

Геотермальные тепловые насосы
Геотермальные тепловые насосы (GHP) используют тепло Земли и могут использоваться практически в любой точке мира. GHP бурят на глубину от 3 до 90 метров (от 10 до 300 футов), что намного меньше, чем у большинства нефтяных и газовых скважин. GHP не требуют гидроразрыва скальной породы, чтобы добраться до источника энергии.

Труба, подсоединенная к GHP, образует непрерывную петлю, называемую «гибкой петлей», которая проходит под землей и над землей, обычно по всему зданию. Контур также может находиться полностью под землей для обогрева парковки или благоустроенной территории.

В этой системе вода или другие жидкости (например, глицерин, похожий на автомобильный антифриз) движутся по трубе. В холодное время года жидкость поглощает подземное геотермальное тепло. Он переносит тепло вверх по зданию и отдает тепло через систему воздуховодов. Эти трубы с подогревом также могут проходить через резервуары с горячей водой и компенсировать затраты на нагрев воды.

Летом система GHP работает наоборот: жидкость в трубах нагревается от тепла в здании или на стоянке и уносит тепло для охлаждения под землю.

Агентство по охране окружающей среды США назвало геотермальное отопление самой энергоэффективной и экологически безопасной системой отопления и охлаждения. Самая большая система GHP была завершена в 2012 году в Государственном университете Болла в Индиане. Эта система заменила угольную котельную, и, по оценкам экспертов, университет сэкономит около 2 миллионов долларов в год на расходах на отопление.

Сбор геотермальной энергии: электричество

Чтобы получить достаточно энергии для производства электроэнергии, геотермальные электростанции используют тепло, существующее в нескольких километрах под поверхностью Земли. В некоторых районах тепло может естественным образом существовать под землей в виде очагов пара или горячей воды. Тем не менее, большинство областей необходимо «улучшить» закачкой воды для создания пара.

Сухие паровые электростанции
Сухие паровые электростанции используют естественные подземные источники пара. Пар направляется непосредственно на электростанцию, где он используется для питания турбин и выработки электроэнергии.

Сухой пар — старейший тип электростанции для выработки электроэнергии с использованием геотермальной энергии. Первая электростанция с сухим паром была построена в Лардерелло, Италия, в 1911 году. Сегодня пароэлектростанции в Лардерелло продолжают снабжать электричеством более миллиона жителей этого района.

В Соединенных Штатах есть только два известных источника подземного пара: Йеллоустонский национальный парк в Вайоминге и Гейзеры в Калифорнии. Поскольку Йеллоустоун является охраняемой территорией, Гейзеры — единственное место, где используется сухопаровая электростанция. Это один из крупнейших геотермальных энергетических комплексов в мире, который обеспечивает около пятой части всей возобновляемой энергии в Калифорнии.

Электростанция с мгновенным паром

Электростанции с мгновенным паром используют естественные источники подземной горячей воды и пара. Вода с температурой выше 182 ° C (360 ° F) перекачивается в зону низкого давления. Часть воды «вспыхивает» или быстро испаряется в пар, который выбрасывается для питания турбины и выработки электроэнергии. Любая оставшаяся вода может быть слита в отдельный резервуар для извлечения большего количества энергии.

Электростанции с мгновенным паром являются наиболее распространенным типом геотермальных электростанций. Вулканически активное островное государство Исландия обеспечивает почти все свои потребности в электричестве с помощью серии геотермальных электростанций с мгновенным паром. Пар и избыточная теплая вода, образующиеся в результате процесса мгновенного испарения, нагревают обледеневшие тротуары и парковки холодной арктической зимой.

Острова Филиппин также расположены над тектонически активной областью, «Огненным кольцом», окаймляющим Тихий океан. Правительство и промышленность Филиппин вложили средства в электростанции с мгновенным паром, и сегодня страна уступает только Соединенным Штатам в использовании геотермальной энергии. На самом деле, крупнейшей отдельной геотермальной электростанцией является парогенератор в Малитбоге, Филиппины.

Электростанции с бинарным циклом
Электростанции с бинарным циклом используют уникальный процесс для сохранения воды и выработки тепла. Вода нагревается под землей примерно до 107–182 °C (225–360 °F). Горячая вода содержится в трубе, которая циркулирует над землей. Горячая вода нагревает жидкое органическое соединение, температура кипения которого ниже, чем у воды. Органическая жидкость создает пар, который проходит через турбину и приводит в действие генератор для выработки электроэнергии. Единственным выбросом в этом процессе является пар. Вода в трубе возвращается обратно в землю, чтобы снова нагреться Землей и снова обеспечить теплом органическое соединение.

Геотермальная установка Beowawe в американском штате Невада использует двоичный цикл для выработки электроэнергии. Органическое соединение, используемое на объекте, представляет собой промышленный хладагент (тетрафторэтан, парниковый газ). Этот хладагент имеет гораздо более низкую температуру кипения, чем вода, а это означает, что он превращается в газ при низких температурах. Газ питает турбины, которые подключены к электрическим генераторам.

Усовершенствованные геотермальные системы
Земля содержит практически бесконечное количество энергии и тепла под своей поверхностью. Однако использовать его в качестве энергии невозможно, если только подземные области не являются «гидротермальными». Это означает, что подземные области не только горячие, но также содержат жидкость и проницаемы. Во многих областях нет всех трех этих компонентов. Усовершенствованная геотермальная система (EGS) использует бурение, гидроразрыв пласта и закачку для обеспечения жидкости и проницаемости в областях с горячими, но сухими подземными породами.

Для разработки ЭГС вертикально в землю бурят «нагнетательную скважину». В зависимости от типа породы, это может быть от 1 км (0,6 мили) до 4,5 км (2,8 мили). В пробуренное пространство нагнетается холодная вода под высоким давлением, которая заставляет породу создавать новые трещины, расширять существующие трещины или растворяться. Это создает резервуар подземной жидкости.

Вода закачивается через нагнетательную скважину и поглощает тепло горных пород по мере прохождения через пласт. Эта горячая вода, называемая рассолом, затем направляется обратно на поверхность Земли через «производственную скважину». Нагретый рассол содержится в трубе. Он нагревает вторичную жидкость с низкой температурой кипения, которая испаряется в пар и приводит в действие турбину. Рассол остывает и возвращается обратно через нагнетательную скважину, чтобы снова поглотить подземное тепло. Помимо водяного пара из испаряемой жидкости отсутствуют газообразные выбросы.

Закачка воды в землю для ЭГС может вызвать сейсмическую активность или небольшие землетрясения. В Базеле, Швейцария, процесс закачки вызвал сотни крошечных землетрясений, которые переросли в более значительную сейсмическую активность даже после того, как закачка воды была остановлена. Это привело к отмене геотермального проекта в 2009 году.

Геотермальная энергия и окружающая среда

Геотермальная энергия является возобновляемым ресурсом. Земля излучает тепло уже около 4,5 миллиардов лет и будет продолжать излучать тепло в течение миллиардов лет в будущем из-за продолжающегося радиоактивного распада в ядре Земли.

Однако большинство колодцев, извлекающих тепло, в конце концов остынут, особенно если тепло извлекается быстрее, чем дается время на его пополнение. В Лардерелло, Италия, где находится первая в мире электростанция, работающая от геотермальной энергии, с 1950-х годов давление пара упало более чем на 25%.

Повторная закачка воды иногда может продлить срок службы охлаждающей геотермальной площадки. Однако этот процесс может вызывать «микроземлетрясения». Хотя большинство из них слишком малы, чтобы люди могли их почувствовать или зарегистрировать по шкале магнитуды, иногда земля может колебаться на более угрожающих уровнях и вызывать остановку геотермального проекта, как это произошло в Базеле, Швейцария.

Геотермальные системы не требуют огромного количества пресной воды. В бинарных системах вода используется только в качестве теплоносителя, не подвергается воздействию и не испаряется. Его можно перерабатывать, использовать для других целей или выбрасывать в атмосферу в виде нетоксичного пара. Однако, если геотермальная жидкость не содержится и не рециркулируется в трубе, она может поглощать вредные вещества, такие как мышьяк, бор и фтор. Эти токсичные вещества могут быть вынесены на поверхность и выпущены при испарении воды. Кроме того, если жидкость просачивается в другие подземные водные системы, она может загрязнить чистые источники питьевой воды и водную среду обитания.

Преимущества
Прямое или косвенное использование геотермальной энергии имеет множество преимуществ:

• Геотермальная энергия является возобновляемой; это не ископаемое топливо, которое в конечном итоге будет израсходовано. Земля постоянно излучает тепло из своего ядра и будет продолжать делать это в течение миллиардов лет.
• Некоторые формы геотермальной энергии можно получить и получить в любой точке мира.
• Использование геотермальной энергии относительно чисто. Большинство систем выделяют только водяной пар, хотя некоторые выделяют очень небольшое количество диоксида серы, оксидов азота и твердых частиц.
• Геотермальные электростанции могут работать десятилетиями, а возможно, и столетиями. При правильном управлении резервуаром количество извлекаемой энергии может быть уравновешено скоростью восстановления горными породами своего тепла.
• В отличие от других возобновляемых источников энергии, геотермальные системы являются «базовой нагрузкой». Это означает, что они могут работать как летом, так и зимой и не зависят от изменяющихся факторов, таких как наличие ветра или солнца. Геотермальные электростанции производят электричество или тепло 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.
• Место, необходимое для строительства геотермальной установки, намного компактнее, чем другие электростанции. Для производства ГВтч (гигаватт-час или один миллион киловатт энергии в час, огромное количество энергии) геотермальная электростанция использует площадь, эквивалентную примерно 1046 квадратных километров (404 квадратных миль) земли. Для производства того же ГВтч энергии ветра требуется 3458 квадратных километров (1335 квадратных миль), солнечному фотоэлектрическому центру требуется 8384 квадратных километра (3237 квадратных миль), а угольным электростанциям требуется около 9433 квадратных километра (3642 квадратных мили).
• Геотермальные энергетические системы можно адаптировать к различным условиям.

Их можно использовать для обогрева, охлаждения или электроснабжения отдельных домов, целых районов или промышленных процессов.

Недостатки
Сбор геотермальной энергии по-прежнему сопряжен со многими проблемами:

• Процесс нагнетания в землю потоков воды под высоким давлением может привести к незначительной сейсмической активности или небольшим землетрясениям.
• Геотермальные электростанции связаны с проседанием или медленным опусканием земли. Это происходит, когда подземные трещины разрушаются сами по себе. Это может привести к повреждению трубопроводов, дорог, зданий и естественных дренажных систем.
• Геотермальные установки могут выделять небольшое количество парниковых газов, таких как сероводород и двуокись углерода.
• Вода, протекающая через подземные резервуары, может содержать следовые количества токсичных элементов, таких как мышьяк, ртуть и селен. Эти вредные вещества могут просачиваться в источники воды, если геотермальная система не изолирована должным образом.
• Хотя этот процесс почти не требует топлива, первоначальные затраты на установку геотермальной технологии высоки. У развивающихся стран может не быть сложной инфраструктуры или начальных затрат для инвестирования в геотермальную электростанцию. Например, несколько объектов на Филиппинах стали возможными благодаря инвестициям американской промышленности и государственных учреждений. Сегодня заводы принадлежат Филиппинам и управляются ими.

Геотермальная энергия и люди

Геотермальная энергия существует в различных формах по всей Земле (паровые жерла, лава, гейзеры или просто сухое тепло), и существуют различные возможности извлечения и использования этого тепла.

В Новой Зеландии природные гейзеры и паровые вентиляционные отверстия обогревают плавательные бассейны, дома, теплицы и креветочные фермы. Жители Новой Зеландии также используют сухое геотермальное тепло для сушки древесины и сырья.

Другие страны, такие как Исландия, использовали ресурсы расплавленной породы и магмы в результате вулканической активности для обогрева домов и зданий. В Исландии почти 90% жителей страны используют ресурсы геотермального отопления. Исландия также полагается на свои естественные гейзеры для таяния снега, обогрева рыбных хозяйств и обогрева теплиц.

Соединенные Штаты производят наибольшее количество геотермальной энергии по сравнению с любой другой страной. Каждый год США вырабатывают не менее 15 миллиардов киловатт-часов, что эквивалентно сжиганию около 25 миллионов баррелей нефти. Промышленные геотермальные технологии были сосредоточены на западе США. В 2012 году в Неваде было 59 геотермальных проектов, действующих или разрабатываемых, за ней следуют Калифорния с 31 проектом и Орегон с 16 проектами.

Стоимость технологии геотермальной энергии снизилась за последнее десятилетие и становится более экономически доступной для частных лиц и компаний.

Краткий факт

Бальнеотерапия
Бальнеотерапия – это лечение болезней курортными водами, обычно купание и питье. Некоторые известные курорты в Соединенных Штатах, которые предлагают бальнеотерапию, включают Хот-Спрингс, Арканзас, и Уорм-Спрингс, Джорджия. Самый известный бальнеотерапевтический курорт в мире, Голубая лагуна Исландии, не является природным горячим источником. Это искусственное сооружение, в котором вода местной геотермальной электростанции перекачивается через слой лавы, богатый кремнеземом и серой. Эти элементы вступают в реакцию с теплой водой, создавая ярко-голубое озеро с предполагаемыми целебными свойствами.

Краткие факты

Геотермальная энергия

С 2015 года в тройку стран с наибольшим потенциалом использования геотермальной энергии входят США, Индонезия и Филиппины. Турция и Кения также неуклонно наращивают геотермальные энергетические мощности.

Краткий факт

Геотермальное кольцо
Источники геотермальной энергии часто располагаются на границах плит, где земная кора постоянно взаимодействует с горячей мантией внизу. Тихоокеанское так называемое огненное кольцо и восточноафриканская рифтовая долина являются вулканически активными районами, обладающими огромным потенциалом для производства геотермальной энергии.

Краткий факт

Фумаролы
На Гейзерах, одной из самых производительных геотермальных электростанций в мире, нет гейзеров. Калифорнийский объект расположен на фумаролах в земной коре, где пар и другие газы (не жидкости) выходят из недр Земли.

Статьи и профили

Scientific American: One Hot Island — возобновляемая геотермальная энергия Исландии

Карты

Министерство энергетики США: Программа геотермальных технологий — Геотермальные карты

Веб-сайт

National Geographic Environment: Geothermal EnergyU.S. Департамент энергетики: Геотермальная Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии: Основы геотермальной энергии

Что такое тепловая энергия и как мы ее используем?

Возможно, вы не задумывались о тепловой энергии со времен учебы в средней школе, но эта сила природы окружает нас каждый день. От утренней чашки кофе до способов, с помощью которых вы питаете свои бытовые приборы, тепловая энергия является частью вашей жизни, осознаете вы это или нет.

Давайте подробнее рассмотрим тепловую энергию, как она работает, как мы ее используем, плюсы и минусы ее использования в нашей повседневной жизни.

Что такое тепловая энергия?

Понятие тепловой энергии принято уже более века. Тем не менее, наука, стоящая за ним, была встречена с сомнением и скептицизмом, когда английский физик Джеймс Прескотт Джоулз впервые предложил его в 1850-х годах.

Джоуля была предложена радикальная теория о том, что энергия может принимать различные формы, включая тепло, и эти формы энергии взаимосвязаны. Он поддержал свою идею, доказав, что у теплоты есть механический эквивалент, и их можно преобразовать из одного в другое.

Работа Джоуля привела к установлению закона термодинамики, известного как закон сохранения энергии, который гласит, что энергия никогда не исчезает. Существуют две основные категории энергии: потенциальная энергия и кинетическая энергия. Потенциальная энергия — это накопленная энергия, зависящая от положения или состава объекта. Тепловая энергия является разновидностью кинетической энергии или энергии движения.

Что такое первый закон термодинамики?

Первый закон термодинамики касается движения энергии, а также того, как эта энергия создает движение.

Первый закон термодинамики рассматривает влияние давления, объема и температуры на такие системы, как паровые двигатели. Используя математические соотношения, мы можем понять, как в этих системах происходит обмен энергией либо в виде тепла, либо в виде способности выполнять работу.

Эта взаимосвязь между различными видами энергии, включая механическую энергию, стала очевидной в индустриальную эпоху, когда инженеры пытались повысить эффективность паровых двигателей.

Паровой двигатель также известен как тепловой двигатель. Он использует полученную энергию (тепло) и превращает ее в «работу» — в данном случае в механическую энергию — для приведения в движение поршней. Первый закон термодинамики также предполагает, что полная энергия системы никогда не меняется; он просто меняет форму.

Это понимание имело решающее значение для определения тепловой энергии. Тепловая энергия возникает в результате «беспорядочного движения молекул» в веществе, приводимого в движение их внутренней энергией. Тепловая энергия измеряется теплом или холодом этого вещества из-за кинетической энергии молекул.

Вещество или объект обладают кинетической энергией, когда его молекулы и частицы перемещаются в этом веществе.

Как определить тепловую энергию?

источник

Тепловая энергия считается суммой всей кинетической энергии и потенциальной энергии, составляющих физическую систему. Эта полная тепловая энергия также известна как полная внутренняя энергия системы. Его кинетическая энергия может принимать три формы:

• Колебания: Движение атома или молекулы как вибрация. Микроволновые печи нагревают пищу и жидкости, которые мы потребляем, увеличивая молекулярные колебания пищи или напитков.
• Вращение: Скорость вращения или вращения атома.
• Поступательный: Движущийся объект, следующий по линейному пути. Лучник, стреляющий из лука, придает стреле поступательную кинетическую энергию.

Хотя тепло и тепловая энергия часто считаются синонимами, строго говоря, с научной точки зрения, это не одно и то же. Тепловая энергия относится к движению молекул внутри объекта или вещества. Каждый объект или вещество обладает тепловой энергией — солнце является крупнейшим источником тепловой энергии в нашей Солнечной системе.

Теплота — это передача энергии от одного объекта или вещества к другому, поток тепловой энергии. Работающая плита имеет тепловую энергию, как и любая кастрюля или чайник, которые вы на нее ставите. Печь может передавать тепло кастрюле, а кастрюля затем передает тепло своему содержимому.

Температура — это совсем другое. Температура — это теплота или холодность объекта, измеренная в определенное время. Температура – ​​это мера средней кинетической энергии молекул, составляющих вещество. Одна лишь температура не может совершить никакой полезной работы; это просто текущая температура объекта.

Ваш врач может измерить вашу температуру, когда вы идете на осмотр, проверяя, нет ли повышения температуры. Если вы больны, ваша температура может быть выше, чем обычно, показывая, что температура является моментальным снимком во времени чего-то горячего или прохладного.

Если углубиться в термодинамику, то кинетическая энергия молекул вещества может быть увеличена путем нагревания. Количество теплоты, необходимое для достижения заданного повышения температуры, называется удельной теплоемкостью. Другими словами, размер и вес молекул определяют удельную теплоемкость, необходимую для увеличения их кинетической энергии — или количества тепловой энергии — и, следовательно, количество передаваемого тепла и степень повышения температуры.

Как мы измеряем тепловую энергию?

Обычно мы измеряем тепловую энергию в джоулях, которые часто обозначаются аббревиатурой J в Международной системе единиц (единица СИ).

Мы также измеряем тепловую энергию, содержащуюся в топливе и источниках энергии, в британских тепловых единицах (БТЕ), чтобы сравнивать их на равной основе. Одна БТЕ — это количество тепла, необходимое для нагревания одного фунта воды с 39 градусов по Фаренгейту до 40 градусов по Фаренгейту.

БТЕ — это относительно небольшая единица измерения: при горении спички выделяется около одной БТЕ.

Как именно происходит передача тепловой энергии?

источник

Тепловая энергия может передаваться в виде тепла одним из трех способов. Это:  

• Проводка  
• Конвекция
• Радиация

Рассмотрим каждый из них по очереди на примере костра и кастрюли с изначально холодной водой.

Что такое конвекция в тепловой энергии?

Конвекция связана с перемещением тепла через жидкость или газ. Когда мы ставим кастрюлю с холодной водой на костер, тепловая энергия переходит в воду. То, что происходит, называется конвекцией. По мере нагревания вода становится менее плотной и поднимается вверх. Более плотная и холодная вода тонет, а затем нагревается в конвекционных потоках.

Вы, вероятно, знакомы с принципом, согласно которому теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается. Этот принцип работает как в жидкостях, так и в газах. При нагревании более теплое вещество, будь то жидкость или воздух, расширяется и движется вверх. В конце концов тепло распространяется по всей жидкости или газу.

Что такое проводимость тепловой энергии?

Теплопроводность — это внутренняя передача тепла в объекте, будь то твердое тело, жидкость или газ. Возвращаясь к нашей кастрюле, проводимость происходит, когда тепло проходит через кастрюлю к ее ручке, нагревая ручку. Теплопроводность означает, что тепловая энергия горячего объекта с более высокой температурой передается более холодному объекту с более низкой температурой.

Проводимость происходит по-разному в зависимости от того, является ли твердое тело металлом или неметаллом. Как и следовало ожидать, металлы лучше проводят тепло. Причина в том, что электроны в атомах металла могут отрываться и двигаться, и могут двигаться намного быстрее, чем если бы они были атомами газа или неметалла.

В неметаллических твердых телах процесс немного отличается. При нагревании тепловая энергия переходит от одного атома к другому за счет колебательных эффектов. Но процесс и поток энергии медленнее, поскольку атомы неподвижны.

Что такое излучение в тепловой энергии?

Излучение, третий тип передачи тепловой энергии, возникает в виде волн, распространяющихся со скоростью света. Ему не нужен материал или объект для путешествия. Солнце является лучшим примером этого излучения, передачи энергии электромагнитными волнами, путешествующей в пространстве в виде световой волны или электромагнитного излучения. Вы замечаете изменение температуры, когда выходите из тени на солнце в солнечный день.

Солнечное тепло не может достичь Земли через конвекцию или теплопроводность — молекулы не могут столкнуться, потому что никакие поверхности не соприкасаются.

Тепловое равновесие возникает, когда объекты с одинаковой температурой в одной и той же системе не обмениваются тепловой энергией именно потому, что они имеют одинаковую температуру. Между объектами нет разницы температур.

Почему идеальный газ был так важен для понимания тепловой энергии?

source

Химики потратили годы, пытаясь найти уравнение для связи молекулы газа с окружающей средой, включая ее тепловую энергию. Проблема заключалась в том, что всегда существовали факторы, такие как межмолекулярные силы, влияющие на результаты. Не испугавшись, химики изобрели воображаемый гипотетический газ, названный идеальным газом, газом, который ведет себя постоянно.

Представление об идеальном газе помогло химикам понять многие понятия о газе и его поведении, в том числе взаимосвязь между давлением и объемом газа по отношению к его температуре. Концепция идеального газа породила закон идеального газа и уравнение идеального газа.

Эти концепции позволили химикам открыть, что давление газа прямо пропорционально его температуре и количеству молекул. Идеальный газ позволил химикам измерить тепловую энергию газа.

Как мы используем тепловую энергию?

Существует несколько видов тепловой энергии. Наиболее очевидным является то, что мы нагреваем воду для ванны, ставим чайник на плиту, чтобы вскипятить, или используем утюг для нашей одежды. Здесь мы извлекаем выгоду из неотъемлемого свойства тепловой энергии передаваться в виде тепла для нашего использования.

Другие формы тепловой энергии включают солнечную энергию, геотермальную энергию, энергию океана и батареи топливных элементов. Использование тепловой энергии привлекает большое внимание как предпочтительное по сравнению с обычными источниками энергии, которые могут способствовать выбросу парниковых газов. Но это также может представлять опасность для окружающей среды.

Каковы плюсы и минусы этих форм тепловой энергии?

источник

Использование тепловой энергии человеком имеет множество преимуществ и несколько недостатков. Давайте посмотрим на различные виды тепловой энергии и ее использование в современном мире.

Как мы используем солнечную тепловую энергию?

Солнечная тепловая энергия обычно получается с помощью отражателей и приемников, которые собирают и концентрируют солнечную энергию. Они увеличивают солнечную энергию во много раз по сравнению с ее нормальной силой, а некоторые системы увеличивают ее интенсивность более чем в 100 раз по сравнению с нормальной.

Эти технологии обычно направляют солнечную энергию на трубку, содержащую жидкий теплоноситель, используемый для активации водяной турбины для производства электроэнергии. Некоторые системы также имеют систему хранения, которая позволяет им сохранять энергию на ночь и в другое время, когда нет солнечного света. Эта система обеспечивает постоянную доступность электроэнергии.

Такие системы обычно встречаются в Калифорнии, Аризоне и Неваде.

Хотя солнечные тепловые энергетические системы высоко ценятся как чистый возобновляемый источник энергии для отопления и охлаждения, у них есть некоторые недостатки. Среди них то, что для их жизнеспособности требуются большие участки земли, иногда до 10 акров на каждый мегаватт (МВт) произведенной энергии.

Другие проблемы включают потребность в значительных запасах воды и высокую стоимость таких систем.

Как мы используем геотермальную энергию?

Геотермальная энергия находится в земной коре. Он имеет множество преимуществ, в том числе постоянную доступность, в отличие от других видов возобновляемой энергии. Он значительно чище природного газа и не требует ископаемого топлива для его производства. Это также относительно дешево.

Геотермальная энергия получается путем бурения подземных резервуаров, где может течь очень горячая вода. Затем эта горячая вода используется для привода турбин для производства электроэнергии.

Однако есть несколько недостатков, в том числе выделение токсичных тяжелых металлов и сероводородного газа, а также провоцирование землетрясений.

Как мы используем тепловую энергию океана?

Тепловая энергия океана считается жизнеспособным вариантом для непрерывного производства электроэнергии, не загрязняющей окружающую среду, без каких-либо неблагоприятных последствий для океана. Он зависит от энергии, которую можно собрать из-за заметной разницы температур между поверхностью океана, которая постоянно нагревается солнцем, и его глубинами, которые обычно очень холодны.

Поскольку океаны покрывают примерно две трети земной поверхности, у такого источника энергии много заманчивых возможностей.

Однако, как и у всех источников тепловой энергии, у него есть свои недостатки. Это дорогостоящая технология, которая также может нарушить водную жизнь.

Какие еще виды тепловой энергии мы используем?

Батареи на топливных элементах — еще одна форма тепловой энергии, вызывающая интерес. Обычные батареи со временем перестают работать. Батареи на топливных элементах могут работать до 80 000 часов в больших распределенных энергосистемах, если они снабжены топливом, обычно водородом.

Они имеют широкое применение от промышленного до индивидуального уровня.

Как и все батареи, батареи на топливных элементах имеют электрод и катод.