Геотермальная энергия: преимущества, применение и принцип работы

Среди возобновляемых источников геотермальная энергия — одна из самых распространенных. Это тепло недр Земли, доставляемое на поверхность водой и/или паром. Широко используется для отопления/охлаждения или генерации чистой электроэнергии. Статья: определение, применение, схема, история, работа, плюсы/минусы, получение и принцип работы.

Что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия — термальная энергия, генерируемая и запасенная в Земле. Термин из греч. γη (geo — земля) и θερμος (thermos — горячо). Возобновляемая энергия из недр, транспортируемая водой/паром на поверхность. Термальная энергия определяет температуру материи, поэтому геотермальная — форма термальной энергии.

Тепло земной коры происходит от первоначального формирования планеты, радиоактивного распада материалов и постоянной потери тепла от формирования Земли. Геотермальная энергия — форма конверсии, при которой тепло недр добывается и используется для готовки, бань, отопления, генерации электроэнергии и многого другого.

История: коренные американцы использовали для готовки 10 000 лет назад. Древние греки и римляне — термы с горячими источниками. Римский Помпеи I в. н.э. — отопление от геотермали. Изначально ограничено местами с доступными горячей водой и паром.

Применение геотермальной энергии

Используется в 20+ странах. США — крупнейший производитель. Поле Гейзеры (Калифорния) — крупнейшее в мире: 117 км², 22 станции, установленная мощность >1,5 ГВт.

Исландия с 1907 г. — «пионер» геотермали. 25% энергии от 5 геотермальных станций. Успех за 600 горячих источников и 200 вулканов. Применение делится на три категории: прямое использование, тепловые насосы, генерация электроэнергии.

Прямое использование:

Нагретая вода из недр без дополнительных источников тепла. Низкотемпературная (50–150 °C / 122–302 °F). Отопление отдельных зданий и целых районов (централизованная система). Бассейны, теплицы, бальнеологические центры, аквакультура. Готовка, сушка фруктов/овощей/древесины, пастеризация молока, массовое таяние снега.

Геотермальные тепловые насосы (GHPs)

Отопление зимой, охлаждение летом. Используют стабильную температуру в верхних 300 м (1000 футов), чаще на 6 м (20 футов). Зимой тепло из грунта в здание, летом — из здания в грунт.

Генерация электроэнергии

На основе температуры и потока пара. Три схемы на геотермальных ГЭС, управляющие поведением для вращения генераторов. Излишки пара конденсируются и возвращаются в недра для повторного нагрева — поэтому геотермальная энергия возобновляемая.

См. схему ниже

Как работает геотермальная энергия

Принцип прост. Скважины до 1,5 км и глубже к подземным пластам для доступа к ресурсам. Ресурсы: естественное тепло, горные породы, водопроницаемость. Также усовершенствованные системы (EGS) — гидростимуляция для создания/усиления ресурсов. Ресурсы вращают турбины, связанные с генераторами.

Видео о получении геотермальной энергии:

Работа зависит от конечного применения. Три базовых использования описаны выше. Здесь — генерация электроэнергии. Три типа ГЭС: паровые (dry steam), флеш (flash), бинарные (binary-cycle).

Паровые (Dry steam):

Пар напрямую из трещин в земле на турбину. Пар в турбину → генератор.

Флеш-станции (Flash plants):

Высокодавлительная горячая вода из недр смешивается с низкотемпературной водой низкого давления → пар → турбина. Давленная вода в флеш-баках на поверхности: резкое падение давления вызывает мгновенное испарение (флеш). Пар вращает турбину-генератор.

Бинарные (Binary-cycle):

Вторичная рабочая жидкость (аммиак, углеводороды) в замкнутом контуре вращает турбину. Геотермальная вода поднимается по другим трубам, передает энергию рабочей жидкости через теплообменник. Рабочая жидкость испаряется, проходит турбину, конденсируется, возвращается к теплообменнику.

Преимущества и недостатки геотермальной энергии

Плюсы:

• Экологичнее традиционного топлива (ископаемое).
• Возобновляемая, десятилетия службы.
• Широкое применение.
• Устойчивая, стабильная, надежная.
• Тепло и холод в прямом использовании.
• Топливо не требуется.
• Технологии улучшают процесс — стремительная эволюция.
• Мощность легко прогнозируется.

Минусы:

• Географическая привязка — станции только где доступна энергия.
• Экологические побочные эффекты: при бурении газы из недр выбрасываются в атмосферу.
• Может провоцировать землетрясения (изменение структуры недр при бурении).
• Высокая капитальная стоимость станций.
• Высокая устойчивость: рабочую жидкость нужно быстро закачивать обратно в пласты.

Заключение

Геотермальная энергия — возобновляемая энергия недр, доставляемая водой/паром на поверхность. Термальная энергия определяет температуру материи. Применение: прямое использование, тепловые насосы, генерация электроэнергии. Рассмотрены определение, применение, схема, история, работа, плюсы/минусы, получение и принцип работы.

Надеемся, статья понравилась — делитесь с коллегами!