3. Геотермальная энергия

Одним из основных ресурсосберегающих и экологически безопасных источников энергии, занимающих первое место по ресурсам среди ВИЭ в России, является геотермальная энергия, под которой пони­мают физическое тепло глубинных слоев Земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. Международное энергетическое агентство разде­лило ресурсы, в которых заключена геотермальная энергия, на пять видов. Это нагретые в подземных резервуарах сухой и влажный пар, горячая вода, раскаленные скальные по­роды и магма – субстанция, представляющая собой расплавленные до 1300 градусов «внутренности» Земли. Однако до сегодняшнего времени наиболее реальной базой гео­термальной энергетики остаются природный пар и термальные воды (парогидротермы), использование которых представляется экономически целесообразным [7,28].

Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неисся­каемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Но тепло Земли очень "рассеянно", и только в нескольких регионах с благоприятными геологическими условиями оно может использоваться с выгодой [29] (Рис.14).

Рис.14. Карта геотермальных ресурсов России¹

Использование геотермальной энергии

Геотермальное тепло в зависимости от температуры теплоносителя можно утилизировать либо "непосредственно", либо преобразовывать его в электричество. Так месторождения с относительно невысокими температурами (30-100 ) наиболее рационально использовать в целях прямого теплоснабжения (для отопления зданий и обеспечения жителей горячей водой), а для производства электроэнергии с приемлемыми технико-экономическими показателями температура геотермального флюида должна достигать, как правило, не ниже 150 °С [7].

Использование геотермальной энергии для целей теплоснабжения

По способу добычи теплоносителя геотермальные системы классифицируются на две группы (Рис. 15): глубинные, использующие энергию земли глубже 1000-1500 метров, и приповерхностные.

Рис. 15. Классификация геотермальных систем¹

Фонтанная технология

Самой распространенной глубинной технологией на сегодняшний момент является фонтанная система. Она используется при разработке месторождений термальных вод или источников сухого и влажного пара, находящихся под высоким давлением. После бурения скважины в таком месте, теплоноситель сам поднимается на поверхность, где попадает в коллекторные установки, отдает тепло и по специальным системам возвращается обратно в землю. Эта технология имеет ряд существенных недостатков, в основном, экологического и ресурсного характера, в связи с чем она не имеет перспектив для развития большой энергетики [30].

Циркуляционная технология

Циркуляционная технология представлена геотермальными циркуляционными системами (ГЦС) трех типов: с естественными проницаемыми коллекторами, с преобразуемыми трещинными зонами, с искусственно создаваемыми коллекторами в слабопроницаемых скальных породах. Ее суть заключается в создании искусственного «фонтана» – в пробуренную скважину или существующую в земной коре трещину заливается вода, попадая куда, она их расширяет и создает подземные водные или паровые резервуары, к которым в свою очередь пробуривается еще одна «выводящая» скважина. Прошедшая через теплообменники вода потом возвращается в водный резервуар через первую скважину [28].

Циркуляционная технология разработки геотермальных месторождений природными коллекторами успешно применяется во Франции, имеет промышленное распространение в Германии, на Украине (Крым), в Дании, Швейцарии, США, Польше, России (Чечня, Дагестан) и др. Основными препятствиями широкого применения этой технологии можно считать: 1) высокие требования к геолого-геотермическим характеристикам естественного коллектора - глубине, температуре, мощности и проницаемости, определяющим экономическую целесообразность геотермального теплоснабжения; 2) сравнительно низкие температуры пород продуктивных горизонтов, вызывающие необходимость использования теплонасосных установок; 3) зональность распространения геотермальных ресурсов [30].

Приповерхностная технология

Приповерхностную технологию использования низкопотенциальной тепловой энергии с помощью теплового насоса можно рассматривать как некоторый технико-экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения.

Устройство теплового насоса. Основными элементами теплового насоса являются соединенные трубопроводом испаритель, компрессор, конденсатор и регулятор потока – дроссель, детандер или вихревая труба (Рис.16). Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий теплоту окружающей среды), во втором — хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая теплоту теплоотдатчика, и конденсируется, отдавая теплоту теплоприемнику), в третьем — теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания).

Рис. 16. Устройство теплового насоса

Внешний контур (коллектор) представляет собой уложенный в землю или в воду трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость — антифриз. Следует отметить, что в качестве источника низкопотенциальной энергии может выступать как тепло естественного (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и техногенного происхождения (промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое бросовое тепло). Температура, необходимая для работы насоса обычно составляет 5-15 .

Во второй контур, где циркулирует хладагент, встроены теплообменники — испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента — распыляющий его в жидкой фазе дроссель (узкое калиброванное отверстие) и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор.

Рабочий цикл. Жидкий хладагент продавливается через дроссель, его давление падает, и он поступает в испаритель, где вскипает, отбирая теплоту, поставляемую коллектором из окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается и, нагретый, выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплонасоса: здесь теплота принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого рабочий цикл повторяется.

Чтобы компрессор работал (поддерживал высокое давление и циркуляцию), его надо подключить к электричеству. Но на каждый затраченный киловатт-час электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2,5-5 киловатт-часов тепловой энергии. Это соотношение называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Значение данной величины зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем она меньше. По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения [31].