Геотермальные электростанции принцип работы

Геотерма́льная электроста́нция (ГеоЭС или ГеоТЭС) — вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например, гейзеров).

Геотермальная энергия — это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 °C каждые 36 метров. Это тепло предоставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно 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, 6650 °C. Скорость остывания Земли примерно равна 300—350 °C в миллиард лет. Тепловой поток, текущий из недр Земли через ее поверхность, составляет 47±2 ТВт тепла (400 тыс. ТВт⋅ч в год — в 17 раз больше, чем выработка всей мировой энергетики), а тепловая мощность, вырабатываемая Землёй за счет радиоактивного распада урана, тория и калия грубо оценивается в 13–61 ТВт [1] . Области вокруг краёв континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Крупнейшей ГеоТЭС является Олкария IV (Olkaria IV) в Кении (парк Ворота Ада) мощностью 140 МВт [2] .

Содержание

Устройство геотермальных электростанций [ править | править код ]

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

• Прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединённые с электрогенераторами;
• Непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;
• Смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.
• Бинарная схема: в качестве рабочего тела используется не термальная вода или пар, а другая жидкость, имеющая низкую температуру кипения. Термальная вода пропускается через теплообменник, где образуется пар другой жидкости, используемой для вращения турбины. Такая схема используется, например, на геотермальной электростанции Ландау[de] в Германии, где в качестве рабочего тела применяется изопентан.

История [ править | править код ]

В 1817 году граф Франсуа де Лардерель разработал технологию сбора пара из естественных геотермальных источников. В 20-м веке спрос на электроэнергию привёл к появлению проектов создания электростанций, использующих внутреннее тепло Земли. Человеком, который провёл испытания первого геотермального генератора, был Пьеро Джинори Конти. Это произошло 4 июля 1904 года в итальянском городе Лардерелло. Генератор смог успешно зажечь четыре электрических лампочки. [3] Позже, в 1911 году, была построена первая в мире геотермальная электростанция в том же населённом пункте, она работает до сих пор. В 1920-х годах экспериментальные генераторы были построены в Беппу (Япония) и калифорнийских гейзерах, но Италия была единственным в мире промышленным производителем геотермальной электроэнергии до 1958 года.

В 1958 году, когда была введена в эксплуатацию электростанция Вайракей, Новая Зеландия стала вторым крупным промышленным производителем геотермальной электроэнергии. Вайракей была первой станцией непрямого типа. [4] В 1960 году «Pacific Gas and Electric» начала эксплуатацию первой успешной геотермальной электростанции в США на гейзерах в Калифорнии. [5] [6] Первая геотермальная электростанция бинарного типа была впервые продемонстрирована в 1967 году в Советском Союзе, а затем представлена в США в 1981 году, [5] после энергетического кризиса 1970-х годов и значительных изменений в политике регулирования. Эта технология позволяет использовать гораздо более низкую температуру для производства электроэнергии, чем ранее. В 2006 году в Чина-Хот-Спрингс, штат Аляска, заработала станция бинарного цикла, производящая электричество с рекордно низкой температурой жидкости 57 °C. [7] До недавнего времени геотермальные электростанции строились исключительно там, где вблизи поверхности имелись высокотемпературные геотермальные источники. Появление электростанций с бинарным циклом и совершенствование технологии бурения и добычи могут способствовать появлению геотермальных электростанций в значительно большем географическом диапазоне. Демонстрационные электростанции находятся в германском городе Ландау-ин-дер-Пфальц и французском городе Сульц-су-Форе, в то время как ранее работы в Базеле, Швейцария, были закрыты после того, как это вызвало землетрясения. Другие демонстрационные проекты находятся в стадии разработки в Австралии, Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах Америки. [8]

Тепловой КПД геотермальных электростанций невысок — около 7–10%, [9] поскольку геотермальные жидкости имеют более низкую температуру, чем пар из котлов. По законам термодинамики эта низкая температура ограничивает эффективность тепловых двигателей в извлечении полезной энергии при выработке электроэнергии. Отработанное тепло тратится впустую, если только его нельзя использовать непосредственно, например, в теплицах или централизованном отоплении. Эффективность системы не влияет на эксплуатационные расходы, как это было бы для угольной или другой станции ископаемого топлива, но это фактор жизнеспособности станции. Для производства большего количества энергии, чем потребляют насосы, для выработки электроэнергии требуются высокотемпературные геотермальные источники и специализированные тепловые циклы. Поскольку геотермальная энергия постоянна во времени, в отличие, например, от энергии ветра или Солнца, ее коэффициент мощности может быть довольно большим — до 96%.

В России [ править | править код ]

В СССР первая геотермальная электростанция была построена в 1966 году на Камчатке, в долине реки Паужетка. Её мощность — 12 МВт.

На Мутновском месторождении термальных вод 29 декабря 1999 года запущена в эксплуатацию Верхне-Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 12 МВт (на 2004 год).

10 апреля 2003 года запущена в эксплуатацию первая очередь Мутновской ГеоЭС, установленная мощность на 2007 год — 50 МВт, планируемая мощность станции составляет 80 МВт, выработка в 2007 году — 360,687 млн кВт·ч. Станция полностью автоматизирована.

2002 год — введен в эксплуатацию первый пусковой комплекс «Менделеевская ГеоТЭС» мощностью 3,6 МВт в составе энергомодуля «Туман-2А» и станционной инфраструктуры.

2007 год — ввод в эксплуатацию Океанской ГеоТЭС, расположенной у подножия вулкана Баранского на острове Итуруп в Сахалинской области, мощностью 2,5 МВт. Название этой электростанции связано с непосредственной близостью к Тихому океану. В 2013 г. на станции произошла авария, в 2015 г. станция была окончательно закрыта [10] .

Название ГеоЭС	Установленная мощность на конец 2010 года, МВт	Выработка в 2010 году, млн кВт⋅ч	Год ввода первого блока	Год ввода послед­него блока	Собственник	Место расположения
Мутновская	50,0	360,7 (2007 год)	2003	2003	ОАО «Геотерм»	Камчатский край
Паужетская	12,0	42,544	1966	2006	ОАО «Геотерм»	Камчатский край
Верхне-Мутновская	12,0	63,01 (2006 год)	1999	2000	ОАО «Геотерм»	Камчатский край
Менделеевская	3,6	?	2002	2007	ЗАО «Энергия Южно-Курильская»	о. Кунашир
Сумма	77,6	>466,3

Влияние на окружающую среду [ править | править код ]

Для современных геотермальных электростанций характерен умеренный уровень выбросов. В среднем он равен 122 кг CO₂ на мегаватт-час электроэнергии, что значительно меньше выбросов при производстве электроэнергии с использованием ископаемого топлива [11] .

Предупреждение извержений вулканов [ править | править код ]

Для предупреждения суперизвержения Йеллоустонской кальдеры, которое может иметь крайне катастрофические последствия для Северо­американского континента, NASA предложило проект геотермальной электростанции, которая будет отбирать тепло от магматического пузыря, расположенного под кальдерой. Затраты на строительство такой геоТЭС оцениваются в 3,5 млрд долларов США, но стоимость вырабатываемой энергии обещает быть очень невысокой — 0,1 доллара за киловатт-час.

Стремительный рост энергопотребления, ограниченность невозобновляемых природных богатств, экологические проблемы вынуждают задуматься об использовании альтернативных источников энергии. В этом отношении особого внимания заслуживает применение геотермальных ресурсов.

Геотермальные электростанции (ГеоЭС) – сооружения для получения электрической энергии за счет природного тепла Земли.

Геотермальная энергетика имеет более чем столетнюю историю. В июле 1904 года в итальянском городке Лардерелло был проведен первый эксперимент, позволивший получить электроэнергию из геотермального пара. А через несколько лет здесь же была запущена первая геотермальная электростанция, работающая до сих пор.

Перспективные территории

Сюда относятся области, изобилующие гейзерами, открытыми термальными источниками с водой, разогретой вулканами. Именно здесь геотермальная энергетика развивается наиболее активно.

Однако и в сейсмически неактивных районах имеются пласты земной коры, температура которых составляет более 100 °С.

На каждых 36 метрах глубины температурный показатель возрастает на 1 °С. В этом случае бурят скважину и закачивают туда воду.

На выходе получают кипяток и пар, которые можно использовать как для обогрева помещений, так и для производства электрической энергии.

Территорий, где можно таким образом получать энергию, много, поэтому геотермальные электростанции функционируют повсеместно.

Источники получения геотермальной энергии

Добыча естественного тепла может осуществляться из следующих источников.

• Сухая порода (петротермальные ресурсы, сконцентрированные в горных породах) . В этом случае в породе с близкими залежами тепла бурится скважина, в которую закачивают воду под большим давлением. Таким способом происходит расширение существующих изломов, и под землей образуются резервуары пара и кипятка. Подобный опыт проводился в Кабардино-Балкарии. Гидроразрыв гранитной породы осуществляли на глубине около 4 км, где температура составляла 200° С. Однако авария в скважине стала причиной прекращения эксперимента.
• Горячие подземные воды с содержанием метана (гидрогеотермальные запасы).
• Магма. Температура верхних слоев этого расплавленного вещества может достигать 1 200 °С. На Земле имеются местности, где магма находится на доступной для бурения глубине, но методы практического освоения магматического тепла только-только разрабатываются.

Принципы работы геотермальных электростанций

Сегодня применяется три способа производства электричества с использованием геотермальных средств, зависящих от состояния среды (вода или пар) и температуры породы.

1. Прямой (использование сухого пара). Пар напрямую воздействует на турбину, питающую генератор.
2. Непрямой (применение водяного пара). Здесь используется гидротермальный раствор, который закачивается в испаритель. Полученное при снижении давления испарение приводит турбину в действие.
3. Смешанный, или бинарный. В этом случае используется гидротермальная вода и вспомогательная жидкость с низкой точкой кипения, например фреон, который закипает под воздействием горячей воды. Образовавшийся при этом пар от фреона крутит турбину, потом конденсируется и снова возвращается в теплообменник для нагрева. Образуется замкнутая система (контур), практически исключающая вредные выбросы в атмосферу.

Первые геотермальные электростанции работали на сухом пару.

Непрямой способ на сегодняшний день считается самым распространенным. Здесь используются подземные воды температурой около 182 °С, которые закачиваются в генераторы, расположенные на поверхности.

Достоинства ГеоЭС

• Запасы геотермальных ресурсов считаются возобновляемыми, практически неисчерпаемыми, но при одном условии: в нагнетательную скважину нельзя закачивать большое количество воды в короткий промежуток времени.
• Для работы станции не требуется внешнее топливо.
• Установка может работать автономно, на своем вырабатываемом электричестве. Внешний источник энергии необходим лишь для первого запуска насоса.
• Станция не требует дополнительных вложений, за исключением расходов на техническое обслуживание и ремонтные работы.
• Геотермальным электрическим станциям не нужны площади для санитарных зон.
• В случае расположения станции на морском или океаническом берегу, возможно ее использование для естественного опреснения воды. Этот процесс может происходить непосредственно в режиме работы станции – при разогреве воды и охлаждении водяного испарения.

Недостатки геотермальных установок

• Велики первоначальные вложения в разработку, проектирование и строительство геотермальных станций.
• Зачастую проблемы возникают в выборе подходящего места для размещения электростанции и получении разрешения властей и местных жителей.
• Через рабочую скважину возможны выбросы горючих и токсичных газов, минералов, которые содержатся в земной коре. Технологии на некоторых современных установках позволяют собирать эти выбросы и перерабатывать в топливо.
• Бывает, что действующая электростанция останавливается. Это может произойти вследствие естественных процессов в породе либо при чрезмерной закачке воды в скважину.

Крупнейшие производители геотермальной энергии

В США и на Филиппинах построены самые крупные ГеоЭС. Они представляют собой целые геотермальные комплексы, состоящие из десятков отдельных геотермальных станций.

Самым мощным считается комплекс «Гейзеры», расположенный в Калифорнии. Он состоит из 22 двух станций с суммарной мощностью 725 МВт, достаточной для обеспечения многомиллионного города.

• Мощность филиппинской электростанции «Макилинг-Банахау» составляет около 500 МВт.
• Еще одна филиппинская электростанция с названием «Тиви» имеет мощность 330 МВт.
• «Долина Империал» в США – комплекс из десяти геотермальных электростанций с совокупной мощностью 327 МВт.
• Хронология развития отечественной геотермальной энергетики

Российская геотермальная энергетика начала свое развитие с 1954 года, когда было принято решение о создании лаборатории по исследованию естественных тепловых ресурсов на Камчатке.

1. 1966 год – запущена Паужетская геотермальная электростанция с традиционным циклом (сухой пар) и мощностью 5 МВт. Через 15 лет ее мощность была доработана до 11 МВт.
2. В 1967 году начала функционировать Паратунская станция с бинарным циклом. Кстати, патент на уникальную технологию бинарного цикла, разработанный и запатентованный советскими учеными С. Кутателадзе и Л. Розенфельдом, был куплен многими странами.

Большие уровни добычи углеводородного сырья в 1970-е годы, критическая экономическая ситуация в 90-е годы остановили развитие геотермальной энергетики в России. Однако сейчас интерес к ней вновь появился по ряду причин:

• Цены на нефть и газ на внутреннем рынке становятся близкими к мировым.
• Запасы топлива стремительно истощаются.
• Вновь открытые месторождения углеводородов на дальневосточном шельфе и побережье Арктики в настоящее время малорентабельны.

Если вам нужно оборудование для дробления материалов – прочтите эту статью.

Имея дело с опасными отходами вы должны досконально знать правила безопасности. Подробно о них в материале по https://greenologia.ru/othody/gramotnaya-utilizaciya-othodov.html ссылке.

Перспективы освоения геотермальных ресурсов в России

Наиболее перспективными областями Российской Федерации в части использования тепловой энергии для выработки электричества являются Курильские острова и Камчатка.

На Камчатке имеются такие потенциальные геотермальные ресурсы с вулканическими запасами парогидротерм и энергетических термальных вод, которые способны обеспечить потребность края на 100 лет. Многообещающим считается Мутновское месторождение, известные запасы которого могут предоставить до 300 МВт электричества. История освоения этой области началась с георазведки, оценки ресурсов, проектирования и строительства первых камчатских ГеоЭС (Паужетской и Паратунской), а также Верхне-Мутновской геотермальной станции мощностью 12 МВт и Мутновской, имеющей мощность 50 МВт.

На Курильских островах функционируют две электростанции, использующие геотермальную энергию – на острове Кунашир (2,6 МВт) и на острове Итуруп (6МВт).

В сравнении с энергетическими ресурсами отдельных филиппинских и американских ГеоЭС отечественные объекты производства альтернативной энергии проигрывают значительно: их суммарная мощность не превышает и 90 МВт. Но камчатские электростанции, к примеру, обеспечивают потребности региона в электричестве на 25 %, что в случае непредвиденных прекращений поставки топлива не позволит жителям полуострова остаться без электроэнергии.

В России имеются все возможности для разработки геотермальных ресурсов – как петротермальных, так и гидрогеотермальных. Однако используются они крайне мало, а перспективных областей более чем достаточно. Кроме Курил и Камчатки возможно практическое применение на Северном Кавказе, Западной Сибири, Приморье, Прибайкалье, Охотско-Чукотском вулканическом поясе.

Существует немало причин, тормозящих процессы освоения геотермальных ресурсов. В первую очередь велики геологические риски, которые трудно оценить и управлять ими, не имея специальных знаний. Вот и не спешат инвесторы вкладывать немалые финансы в разработку геотермальных проектов. Опыт крупнейших производителей альтернативных источников энергии, в том числе и солнечных электростанций показывает, что без поддержки государства здесь не обойтись.

Несколько цифр в заключение

Ученые подсчитали, что Земля выделяет 42 х 1012 Вт тепла. Остывание планеты происходит со скоростью 350 °С в миллиард лет. В земной коре содержится всего 2 % общего тепла планеты, что составляет 840 миллиардов Вт энергии. Остальные показатели приходятся на мантию и ядро. Но и этих 2 % достаточно для того, чтобы обеспечить человечество неиссякаемой энергией.

(Пока оценок нет)

Геотермальная электрическая станция – это комплекс инженерных устройств, преобразующих тепловую энергию планеты в электрическую энергию.

Геотермальная энергетика

Геотермальная энергетика относится к «зеленым» видам энергии. Данный способ энергообеспечения потребителей получил широкое распространение в регионах с термической активностью планеты для различных видов использования.

Геотермальная энергия бывает:

• Петротермальная, когда источник энергии — слои земли обладающие высокой температурой;
• Гидротермальная, когда источник энергии — подземные воды.

Геотермальные установки используются для энергоснабжения предприятий сельского хозяйства, промышленности и в жилищно-коммунальной сфере.

Принцип работы геотермальной электростанции

В современных геотермальных установках преобразование тепловой энергии земли в электрическую осуществляют нескольким способами, это:

Прямой метод

В установках такого вида, пар, поступающий из недр земли, работает в непосредственном контакте с паровой турбиной. Пар подается на лопасти турбины, которая свое вращательное движение передает генератору, вырабатывающему электрический ток.

Не прямой метод

В этом случае из земли закачивается раствор, который поступает на испаритель, и уже после испарения, полученный пар поступает на лопасти турбины.

Смешанный (бинарный) метод

В устройствах, работающих по этому методу, вода из скважины поступает на теплообменник, в котором, передает свою энергию теплоносителю, который, в свою очередь, под воздействием полученной энергии испаряется, а образовавшийся пар поступает на лопасти турбины.
В геотермальных установках, работающих по прямому методу (способу) воздействия на турбину, источником энергии служит геотермальный пар.

Во втором методе — используются перегретые гидротехнические растворы (гидротермы), которые обладают температурой выше 180 *С.

При бинарном методе – используются горячая вода, забираемая из слоев земли, а в качестве парообразующей используется жидкости с меньшей температурой кипения (фреон и подобные).

Плюсы и минусы

К достоинствам использования электростанций данного вида можно отнести:

• Это возобновляемый источник энергии;
• Огромные запасы в дальней перспективе развития;
• Способность работать в автономном режиме;
• Не подверженность сезонным и погодным факторам влияния;
• Универсальность – производство электрической и тепловой энергии;
• При строительстве станции не требуется устройство защитных (санитарных) зон.

Недостатками станций являются:

• Высокая стоимость строительства и оборудования;
• В процессе работы вероятны выбросы пара с содержанием вредных примесей;
• При использовании гидротермов из глубинных слоев земли, необходима их утилизация.

Геотермальные станции в России

Геотермальная энергетика, наряду с прочими видами «зеленой» энергетики, неукоснительно развивается на территории нашего государства. По расчетам ученых, внутренняя энергия планеты, в тысячи раз превышает количество энергии содержащейся в природных запасах традиционных видах топлива (нефть, газ).

В России успешно работают геотермальные станции, это:

Паужетская ГеоЭC

Расположена около поселка Паужетка на полуострове Камчатка. Ведена в эксплуатацию в 1966 году.
Технические характеристики:

1. Электрическая мощность – 12,0 МВт;
2. Годовой объем вырабатываемой электрической энергии – 124,0 млн.кВт.часов;
3. Количество энергоблоков – 2.

Ведутся работы по реконструкции, в результате которой электрическая мощность увеличится до 17,0 МВт.

Верхне-Мутновская опытно-промышленная ГеоЭС

Расположена в Камчатском крае. Введена в эксплуатацию в 1999 году.
Технические характеристики:

1. Электрическая мощность – 12,0 МВт;
2. Годовой объем вырабатываемой электрической энергии – 63,0 млн.кВт.часов;
3. Количество энергоблоков – 3.

Мутновская ГеоЭС

Наиболее крупная электрическая станция подобного типа. Расположена в Камчатском крае. Введена в эксплуатацию в 2003 году.
Технические характеристики:

1. Электрическая мощность – 50,0 МВт;
2. Годовой объем вырабатываемой электрической энергии – 350,0 млн кВт.часов;
3. Количество энергоблоков – 2.

Океанская ГеоЭС

Расположена в Сахалинской области. Введена в эксплуатацию в 2007 году.
Технические характеристики:

1. Электрическая мощность – 2,5 МВт;
2. Количество энергомодулей – 2.

Менделеевская ГеоТЭС

Расположена на острове Кунашир. Введена в эксплуатацию в 2000 году.

1. Электрическая мощность – 3,6 МВт;
2. Тепловая мощность – 17 Гкал/час;
3. Количество энергомодулей – 2.

В настоящее время ведется модернизация станции, после которой мощность составит 7,4 МВт.

Геотермальные станции в мире

Во всех технически развитых странах, где есть сейсмически активные территории, где внутренняя энергия земли выходит наружу, строятся и эксплуатируются геотермальные электрические станции. Опытом строительства подобных инженерных объектов обладают:

Страна с наибольшим количеством потребления электрической энергии, вырабатываемой гелиотермическим станциями.

Установленная мощность энергоблоков составляет более 3000 МВт- это 0,3% от всей вырабатываемой электрической энергии в США.

Наиболее крупные это:

1. Группа станций «The Geysers». Расположена в Калифорнии, в состав группы входит 22 станции, установленной мощностью 1517,0 МВт.
2. В штате Калифорния, станция «Imperial Valley Geothermal Area» установленной мощностью 570,0 МВт.
3. В штате Невада станция «Navy 1 Geothermal Area» установленной мощностью 235,0 МВт.

Филиппины

Установленная мощность энергоблоков составляет более 1900 МВт, что составляет 27 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

Наиболее крупные станции:

1. «Макилинг-Банахау» установленной мощностью 458,0 МВт.
2. «Тиви», установленная мощность 330,0 МВт.

Индонезия

Установленная мощность энергоблоков составляет более 1200 МВт, что составляет 3,7 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

Наиболее крупные станции:

1. «Sarulla Unit I», установленная мощность – 220,0 МВт.
2. «Sarulla Unit II», установленная мощность — 110,0 МВт.
3. «Sorik Marapi Modular», установленная мощность — 110,0 МВт.
4. «Karaha Bodas», установленная мощность – 30,0 МВт.
5. «Ulubelu Unit» — находится в стадии строительства на Суматре.

Мексика

Установленная мощность энергоблоков составляет 1000 МВт, что составляет 3,0 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

1. «Cerro Prieto Geothermal Power Station», установленной мощностью 720,0 МВт.

Новая Зеландия

Установленная мощность энергоблоков составляет более 600 МВт, что составляет 10,0 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

1. «Ngatamariki», установленной мощностью 100,0 МВт.

Исландия

Установленная мощность энергоблоков составляет 600 МВт, что составляет 30,0 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

Наиболее крупные станции:

1. «Hellisheiði Power Station», установленной мощностью 300,0 МВт.
2. «Nesjavellir», установленной мощностью 120,0 МВт.
3. «Reykjanes», установленной мощностью 100,0 МВт.
4. «Svartsengi Geo», установленной мощностью 80,0 МВт.

Кроме выше перечисленных, геотермальные электростанции работают в Австралии, Японии, странах Евросоюза, Африки и Океании.