Реферат по энергетическому машиностроению на тему «Геотермальная энергетика», АГТУ

Введение Геотермальная энергия — это тепло, которое генерируется внутри Земли. (Гео означает «земля», а термический — «тепло» по-гречески.) Это возобновляемый ресурс, который можно добывать для использования человеком. Геотермальная энергетика как альтернативное направление выработки электроэнергии широко распространена по всему земному шару. Удобнее всего применение такого вида энергии в вулканических районах. Подземные теплые воды получают в результате бурения скважин. На не очень больших глубинах циркулирующая вода нагревается и поднимается к поверхности по трещинам. Горные породы с необходимой температурой очень распространены. Наиболее перспективным считается применение геотерм, как источника тепла. Примерно на 2900 километров (1800 миль) под земной корой или поверхностью 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 подавляющая часть тепла Земли постоянно генерируется за счет распада радиоактивных изотопов, таких как калий-40 и торий-232. Изотопы — это формы элемента, которые имеют другое количество нейтронов, чем обычные версии атома элемента. В ядре калия, например, 20 нейтронов. Калий-40, однако, имеет 21 нейтрон. Когда калий-40 распадается, его ядро ​​изменяется, выделяя огромное количество энергии (излучение). Калий-40 чаще всего распадается на изотопы кальция (кальций-40) и аргона (аргон-40). Радиоактивный распад — это непрерывный процесс в активной зоне. Температура здесь повышается до более чем 5000 °С (около 9000 °F). Тепло от ядра постоянно излучается наружу и нагревает горные породы, воду, газ и другой геологический материал. Температура Земли повышается с глубиной от поверхности до ядра. Это постепенное изменение температуры известно как геотермический градиент. В большинстве частей света геотермический градиент составляет около 25 ° C на 1 километр глубины (1 ° F на 77 футов глубины). Если подземные горные образования нагреться примерно до 700–1300 °C (1300–2400 °F), они могут превратиться в магму. Магма — это расплавленная (частично расплавленная) порода, пронизанная газом и пузырьками газа. Магма существует в мантии и нижней коре и иногда всплывает на поверхность в виде лавы. Магма нагревает близлежащие породы и подземные водоносные горизонты. Горячая вода может выходить через гейзеры, горячие источники, паровые каналы, подводные гидротермальные источники и грязевые котлы. Все это источники геотермальной энергии. Их тепло можно улавливать и использовать непосредственно для получения тепла, либо их пар можно использовать для выработки электроэнергии. Геотермальная энергия может использоваться для обогрева таких конструкций, как здания, автостоянки и тротуары. Большая часть геотермальной энергии Земли не выделяется в виде магмы, воды или пара. Он остается в мантии, медленно истекая наружу и собираясь в очаги сильного жара. Это сухое геотермальное тепло может быть получено путем бурения и дополнено закачиваемой водой для создания пара. Многие страны разработали методы использования геотермальной энергии. С 2015 года к трем странам с наибольшим потенциалом использования геотермальной энергии относятся США, Индонезия и Филиппины. Турция и Кения также неуклонно наращивают потенциал геотермальной энергии. В разных частях света доступны разные виды геотермальной энергии. В Исландии обильные источники горячей и легкодоступной подземной воды позволяют большинству людей полагаться на геотермальные источники как на безопасный, надежный и недорогой источник энергии. Другие страны, такие как США, должны бурить геотермальную энергию по более высокой цене.

Сбор геотермальной энергии: нагрев и охлаждение

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 находится всего в нескольких метрах под землей. Низкотемпературная геотермальная энергия может использоваться для обогрева теплиц, домов, рыболовства и промышленных процессов. Низкотемпературная энергия наиболее эффективна при использовании для отопления, хотя иногда ее можно использовать для выработки электроэнергии. Низкопотенциальное тепло, хранящееся на мелководье (<200 м), в основном происходит за счет солнечной радиации, которая поглощается землей и распределяется через естественные системы подземных вод и искусственные сооружения, такие как затопленные угольные шахты. Земля действует как солнечная батарея, и для утилизации тепла обычно требуется тепловой насос. Эта энергия широко описывается как «энергия наземных источников» или «энергия неглубоких геотермальных источников». Строгое определение «глубинной геотермальной энергии» не существует, но правительство Великобритании приняло этот термин для обозначения тепловых ресурсов, получаемых с глубин> 500 м. Теплота Земли увеличивается с глубиной — явление, описываемое как геотермальный градиент. Это тепло частично является изначальным теплом, возникшим при формировании Земли, а частично теплом, генерируемым внутри земной коры в результате распада умеренно радиоактивных элементов. Этот восходящий тепловой поток варьируется по всему миру, но в Великобритании составляет около 27 °C/км. Если предположить, что среднегодовая температура воздуха составляет 12 °C, это означает, что подземные температуры на глубинах 1000 м, 3000 м и 5000 м составляют около 39 °C, 89 °C и 139 °C соответственно. Люди издавна использовали этот вид геотермальной энергии для инженерии, 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 прудом недалеко от горы Лишань в центральном Китае. Один из самых известных курортов с горячими источниками находится в городе Бат, Англия, с соответствующим названием. Начав строительство примерно в 60 году н. э., Римские завоеватели построили сложную систему парных и бассейнов, используя тепло из неглубоких очагов низкотемпературной геотермальной энергии. Горячие источники Chaudes Aigues во Франции являются источником дохода и энергии для города с 1300-х годов. Туристы стекаются в город за его элитными курортами. 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 по-прежнему обеспечивает теплом около 450 домов. Совместно производимая геотермальная энергия Технология совместного производства геотермальной энергии зависит от других источников энергии. Этот вид геотермальной энергии использует воду, которая нагревается в качестве побочного продукта в нефтяных и газовых скважинах. В Соединенных Штатах в качестве побочного продукта ежегодно 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 электричества, которое будет немедленно использовано или продано в сеть. Один из первых совместных проектов по геотермальной энергии был инициирован в испытательном центре Rocky Mountain Oilfield в американском штате Вайоминг. Новые технологии позволили переносить совместно производимые объекты геотермальной энергии. 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 пробурены 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 трещин в коренных породах для достижения своего источника энергии. Труба, подключенная к GHP, образует непрерывную петлю, называемую «узкой петлей», которая проходит под землей и над землей, обычно по всему зданию. Петля также может располагаться 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 обогреваемые трубы также могут проходить через резервуары с горячей водой и компенсировать расходы на отопление. Летом система GHP работает противоположным образом: жидкость в трубах нагревается от тепла в здании или на парковке и переносит тепло для охлаждения под землей. Агентство по охране окружающей среды США назвало геотермальное отопление самой энергоэффективной и экологически безопасной системой отопления и охлаждения. Самая крупная система GHP была завершена в 2012 году в Государственном университете Болла в Индиане. Система заменила угольную котельную, и, по оценкам экспертов, университет сэкономит около 2 миллионов долларов в год на расходах на отопление.

2. Сбор геотермальной энергии: электричество

Чтобы получить достаточно энергии для выработки электроэнергии, геотермальные электростанции полагаются на тепло, которое существует в нескольких километрах от поверхности Земли. В некоторых районах тепло может естественным образом существовать под землей в виде пара или горячей воды. Однако большинство участков необходимо «улучшить» закачиваемой водой для создания пара. Электростанции с сухим паром Электростанции с сухим паром используют естественные подземные источники пара. Пар подается прямо на электростанцию, где он используется для топлива турбин и выработки электроэнергии. Сухой пар — это старейший тип электростанции, вырабатывающий электричество с использованием геотермальной энергии. Первая электростанция с сухим паром была построена в Лардерелло, Италия, в 1911 году. Сегодня электростанции с сухим паром в Лардерелло продолжают обеспечивать электроэнергией 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 Йеллоустон является охраняемой территорией, Гейзеры — единственное место, где используется электростанция с сухим паром. Это один из крупнейших геотермальных энергетических комплексов в мире, который обеспечивает около пятой части всей возобновляемой энергии в Калифорнии. Вспышка-паровая электростанция В паровых электростанциях используются природные источники подземной горячей воды и пара. Вода с температурой выше 182 °C (360 °F) перекачивается в зону низкого давления. Некоторая часть воды «вспыхивает» или быстро испаряется, превращаясь в пар, и направляется в турбину и вырабатывает электроэнергию. Оставшуюся воду можно слить в отдельный резервуар, чтобы извлечь больше энергии. Паровые электростанции мгновенного действия — самый распространенный тип геотермальных электростанций. Вулканически активное островное государство Исландия обеспечивает почти все свои потребности в электроэнергии с помощью серии геотермальных электростанций, работающих на мгновенном испарении пара. Пар и избыточная теплая вода, образующиеся в результате процесса мгновенного пара, нагревают обледеневшие тротуары и парковки холодной арктической зимой. Острова Филиппин также расположены над тектонически активной зоной, «Огненным кольцом», окаймляющим Тихий океан. Правительство и промышленность Филиппин инвестировали в электростанции с мгновенным испарением пара, и сегодня страна уступает только США по использованию геотермальной энергии. Фактически, самая большая геотермальная электростанция — это установка мгновенного пара в Малитбоге, Филиппины. Электростанции двойного цикла В электростанциях с двойным циклом используется уникальный процесс экономии воды и выработки тепла. Вода под землей нагревается примерно до 107–182 °C (225–360 °F). Горячая вода находится 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, вырабатывающий электричество. Единственный выброс в этом процессе — пар. Вода в трубе возвращается обратно в землю, чтобы снова нагреться Землей и снова обеспечить теплом органическое соединение. Геотермальный комплекс Беоваве в американском штате Невада использует бинарный 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, что означает, что он превращается в газ при низких температурах. Газ питает турбины, которые подключены к электрическим генераторам. Усовершенствованные геотермальные системы. Земля имеет практически бесконечное количество энергии и тепла под своей поверхностью. Однако его невозможно использовать в качестве энергии, если подземные области не являются «гидротермальными». Это означает, что подземные помещения не только горячие, но также содержат жидкость и проницаемы. Многие области не имеют всех трех этих компонентов. Усовершенствованная геотермальная система (EGS) использует бурение, гидроразрыв и закачку для обеспечения жидкости и проницаемости в областях с горячими, но сухими подземными породами. Для разработки EGS вертикально в грунт бурят «нагнетательную скважину». В зависимости от типа скалы это может быть от 1 километра (0,6 мили) до 4,5 километров (2,8 мили). Холодная вода под высоким давлением закачивается в пробуренное пространство, что заставляет породу создавать новые трещины, расширять существующие трещины или растворяться. Это создает резервуар подземной жидкости. Вода прокачивается через нагнетательную скважину и поглощает тепло горных пород при прохождении через пласт. Эта горячая вода, называемая рассолом, затем возвращается на поверхность Земли через «производственную скважину». Нагретый рассол находится в трубе. Он нагревает вторичную жидкость с низкой температурой кипения, которая испаряется в пар и приводит в действие турбину. Рассол остывает и снова проходит через нагнетательную скважину, чтобы снова поглотить подземное тепло. Кроме водяного пара испарившейся жидкости, газообразных выбросов не происходит. Закачка воды в землю для EGS может вызвать сейсмическую активность или небольшие землетрясения. В базе Вода прокачивается через нагнетательную скважину и поглощает тепло горных пород при прохождении через пласт. Эта горячая вода, называемая рассолом, затем возвращается на поверхность Земли через «производственную скважину». Нагретый рассол находится в трубе. Он нагревает вторичную жидкость с низкой температурой кипения, которая испаряется в пар и приводит в действие турбину. Рассол остывает и снова проходит через нагнетательную скважину, чтобы снова поглотить подземное тепло. Кроме водяного пара испарившейся жидкости, газообразных выбросов не происходит. Закачка воды в землю для EGS 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.

3. Геотермальная энергия преимущества и недостатки

Геотермальная энергия — возобновляемый ресурс. Земля излучает тепло 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, отводящих тепло, со временем остынут, особенно если отвод тепла происходит быстрее, чем дается время для его пополнения. В Лардерелло, Италия, где находится первая в мире электростанция, работающая на геотермальной энергии, с 1950-х годов давление пара упало более чем на 25%. Повторная закачка воды иногда может помочь охлаждающемуся геотермальному участку прослужить дольше. Однако этот процесс может вызвать «микроземлетрясения». Хотя большинство из них слишком малы, чтобы их могли почувствовать люди или зарегистрировать в масштабах, иногда земля может сотрясаться до более угрожающих уровней и вызывать закрытие геотермального проекта, как это произошло в Базеле, Швейцария. Геотермальные системы не требуют огромного количества пресной воды. В бинарных системах вода используется только как теплоноситель, она не подвергается воздействию и не испаряется. Его можно перерабатывать, использовать для других целей или выпускать в атмосферу в виде нетоксичного пара. Однако, если геотермальный флюид не содержится и не используется повторно в трубе, он может поглотить вредные вещества, такие как мышьяк, бор и фтор. Эти токсичные вещества могут выноситься на поверхность и высвобождаться при испарении воды. Кроме того, если жидкость просочится в другие подземные водные системы, она может загрязнить чистые источники питьевой воды и водные среды обитания. Преимущества Прямое или косвенное использование геотермальной энергии дает множество преимуществ. 1. Геотермальная энергия возобновляема; это не ископаемое топливо, которое в конечном итоге будет израсходовано. Земля непрерывно излучает тепло из своего ядра, и это будет продолжаться миллиарды лет. 2. Некоторая форма геотермальной энергии может быть доступна и собрана в любой точке мира. 3. Использование геотермальной энергии относительно чисто. Большинство систем выделяют только водяной пар, хотя некоторые выделяют очень небольшие количества диоксида серы, оксидов азота и твердых частиц. 4. Геотермальные электростанции могут прослужить десятилетия, а возможно, и столетия. Если водохранилище управляется должным образом, количество извлеченной энергии может быть уравновешено скоростью возобновления тепла горными породами. 5. В отличие от других возобновляемых источников энергии, геотермальные системы являются «базовой нагрузкой». Это означает, что они могут работать летом или зимой и не зависят от меняющихся факторов, таких как присутствие ветра или солнца. Геотермальные электростанции производят электричество или тепло 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. 6. Пространство, необходимое для строительства геотермального объекта, намного компактнее, чем у других электростанций. Для производства ГВт-ч (гигаватт-час или один миллион киловатт энергии в час, огромное количество энергии) геотермальная установка использует эквивалент примерно 1046 квадратных километров (404 квадратных миль) земли. Для производства того же ГВтч энергии ветра требуется 3 458 квадратных километров (1335 квадратных миль), солнечному фотоэлектрическому центру требуется 8 384 квадратных километра (3237 квадратных миль), а угольные электростанции используют около 9 433 квадратных километров (3642 квадратных миль). 7. Геотермальные энергетические системы можно адаптировать ко многим различным условиям. 8. Их можно использовать для обогрева, охлаждения или электроснабжения отдельных домов, целых районов или производственных процессов. Недостатки Получение геотермальной энергии по-прежнему сопряжено с множеством проблем. 1. Процесс нагнетания потоков воды под высоким давлением в Землю может привести к незначительной сейсмической активности или небольшим землетрясениям. 2. Геотермальные растения были связаны с проседанием или медленным опусканием земли. Это происходит, когда подземные трещины обрушиваются сами на себя. Это может привести к повреждению трубопроводов, дорог, зданий и естественных дренажных систем. 3. Геотермальные установки могут выделять небольшое количество парниковых газов, таких как сероводород и углекислый газ. 4. Вода, протекающая через подземные резервуары, может собирать следовые количества токсичных элементов, таких как мышьяк, ртуть и селен. Эти вредные вещества могут попасть в источники воды, если геотермальная система не будет должным образом изолирована.

Заключение

Геотермальная энергетика является перспективным видом получения альтернативных источников энергии. Современная востребованность геотермальной энергии как одного из видов возобновляемой энергии обусловлена, прежде всего, истощением запасов органического топлива и зависимостью большинства развитых стран от его импорта (в основном импорта нефти и газа), а также с существенным отрицательным влиянием традиционной энергетики на окружающую среду. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы, прямо или косвенно, большей энергии, чем могут дать ресурсы человека. На пути широкого внедрения альтернативных источников энергии стоят трудно разрешимые экономические и социальные проблемы. Прежде всего, это высокая капиталоемкость, вызванная необходимостью создания новой техники и технологии. Под некоторые станции требуется значительное отчуждение земли или морской акватории. Кроме того, развитие использования альтернативных источников энергии сдерживается также нехваткой специалистов. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и международном уровне, что позволит ускорить их реализацию. Практически на всей территории России имеются уникальные запасы геотермального тепла с температурами теплоносителя (вода, двухфазный поток и пар) от 30 до 200 °С. Широкомасштабное внедрение новых схем теплоснабжения с тепловыми насосами с использованием низкопотенциальных источников тепла позволит снизить расход органического топлива на 20-25%. Геотермальная энергия не является полностью возобновляемой — она иссякнет вместе с Землей. Примерно через 5 миллиардов лет.

Список использованных источников

1. Алхасов, А.Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии / А.Б. Алхасов — М.: «Физматлит», 2008. — 376 с. 2. Богуславский Э.И. Освоение тепловой энергии недр [Электронный ресурс]: монография. – СПб.: Наукоемкие технологии, 2020. – 435 с. 3. Дж. В. Лунд, Характеристики, разработка и использование геотермальных ресурсов Geo-Heat Center Quarterly Bulletin 28 (2) (2007): 1-9. Проверено 7 мая 2019 года. 4. Лунд, Дж. У., Д. В. Фристон и Т. Л. Бойд. Прямое использование геотермальной энергии во всем мире. Материалы Всемирного геотермального конгресса, 24–29 апреля, Анталия, Турция , 2015. 5. Максимов И.Г. Альтернативные источники энергии / И.Г. Максимов — М.: «Эко-Тренд», 2005. — 387 с. 6. Р. Гэннон, Тепловые насосы на грунтовой воде: Домашнее отопление и охлаждение из собственного колодца. Popular Science 212 (2) (2018): 78–82. 7. Управление энергетической информации США (EIA), США обладают большими геотермальными ресурсами, но в последнее время их рост медленнее, чем ветровой или солнечной энергии . Energy Information Administration , 2011. Проверено 7 мая 2019 г. 8. Феофанов Ю.А. Геотермальные электростанции / Ю.А. Феофанов — М.: «Эко-Тренд», 2005. — 217 с. 9. Эркан К., Дж. Холдманн, В. Бенуа и Д. Блэквелл. Понимание геотермальной системы Чена Хот-Флопе-Спрингс, Аляска, с использованием данных о температуре и давлении. Геотермия 37 (6) (2008): 565–585. 10. Bloomquist, RG Геотермальные тепловые насосы, четыре с лишним десятилетия опыта. Ежеквартальный бюллетень Geo-Heat Center 20 (4) (2019): 13–18.