Книга 3. Развитие теплоэнергетики и гидроэнергетики
Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС
Вираз «геотермальна енергетика» буквально означає, що це енергія тепла Землі («гео» – земля, «термальна» – теплова). Основним джерелом цієї енергії слугує постійний потік теплоти з розжарених надр, направлений до поверхні Землі. Земна кора отримує теплоту в результаті тертя ядра, радіоактивного розпаду елементів (подібно торію і урану), хімічних реакцій. Постійні часу цих процесів настільки великі відносно часу існування Землі, що неможливо оцінити, збільшується чи зменшується її температура.
Запаси геотермальної енергії величезні. Геотермальна енергія в ряді країн (Угорщина, Ісландія, Італія, Мексика, Нова Зеландія, Росія, США, Японія) широко використовується для теплопостачання, вироблення електроенергії. Так, в Ісландії за рахунок геотермальної енергії забезпечується 26,5% вироблення електроенергії.
У 2004 р. в світі сумарна потужність геотермальних електростанцій склала біля 9 млн. кВт, а геотермальних систем теплопостачання – біля 20 млн. кВт (теплових). За прогнозами потужність геоТЕС може становити біля 20 млн. кВт, а вироблення електроенергії – 120 млрд. кВт·год.
Розрізняють п’ять основних типів геотермальної енергії:
• нормальне поверхневе тепло Землі на глибині від декількох десятків до сотень метрів;
• гідротермальні системи, тобто резервуари гарячої або теплої води, в більшості випадків самовиливної;
• парогідротермальні системи – родовища пари і самовиливної пароводяної суміші;
• петрогеотермальні зони або теплота сухих гірничих порід;
• магма (нагріті до 1300°С розплавлені гірничі породи).
Геотермальна енергія забезпечує теплом столицю Ісландії Рейк’явік. Вже в 1943 р. там були пробурені 32 свердловини на глибину від 440 до 2400 м, якими до поверхні піднімається вода з температурою від 60 до 130°С. Дев’ять з цих свердловин діють і по цей день.
Таблиця 2.5 Сфера використання термальних вод
Температура термальної води, °С |
Сфера використання |
37–50 |
Бальнеологія |
50–70 |
Дрібномасштабна теплофікація, гаряче водопостачання, технологічне використання води |
70–120 |
Крупномасштабна теплофікація (міста і великі сільськогосподарські об’єкти), комплексне багатоцільове використання вод у міру вироблення теплового потенціалу |
120–170 |
«Мала» електроенергетика з використанням робочих речовин типу фреону, аміаку та ін. |
170–220 |
«Середня» електроенергетика з прямим використанням пароводяної суміші |
Більше 220 |
«Велика» електроенергетика на природній сухій парі |
Серед родовищ глибинної теплоти Землі існують термоаномальні зони родовищ теплоти, які мають підвищений геотермальний градієнт в насичених водою проникаючих гірничих породах. Таким чином, проявленням геотермальної теплоти, що має практичне значення, є запаси гарячої води і пари в педземних резервуарах на відносно невеликих глибинах і гейзери, які виходять на поверхню.
Геотермальні води класифікують за температурою, кислотністю, рівнем мінералізації, жорсткістю.
Основними показниками придатності геотермальних джерел для використання є їх природна температура, згідно з якою вони підрозділяються на низькотермальні води з температурою 40–70°С, середньотермальні з температурою 70–100°С, високотермальні води і пара з температурою 100–150°С, парогідротерми і флюїди з температурою вище 150°С.
У США в Долині гейзерів розташовано 19 геоТЕС загальною потужністю 1300 МВт. Найпотужніша у світі геоТЕС (50 МВт) побудована також в США – геоТЕС Хебер.
Придатність термальних вод для тієї або іншої сфери використання ілюструється табл. 2.5.
Як приклад на мал. 2.29 наведена одна із схем використання геотермальних вод для опалення і гарячого водопостачання, при цьому розглядаються води особливої агресивності, які безпосередньо використати неможливо.
Геотермальні електростанції (геоТЕС) мають мають ряд особливостей:
• постійний залишок енергоресурсів, що забезпечує використання повної встановленої потужності обладнання геоТЕС;
• достатньо простий рівень автоматизації;
• наслідки можливих аварій обмежують;
• питомі капіталовкладення і собівартість електричної енергії в основному можуть бути нижчими, ніж на електростанціях, які використовують інші відновлювальні джерела енергії.
ГеоТЕС можна розділити на три основні типи:
• станції, які працюють на родовищах сухої пари;
• станції з пароутворювачем, які працюють на родовищах гарячої води під тиском;
• станції з бінарним циклом, в яких геотермальна теплота передається вторинній рідині (наприклад фреону або ізобутану) і відбувається класичний цикл Ренкіна.
На мал. 2.30 наведено принципову схему станції третього типу – з бінарним циклом роботи.
Найбільший ефект має місце при комбінованих схемах використання геотермальних джерел як теплоносія для підігрівання води і вироблення електроенергії на теплових електростанціях, що забезпечує значну економію органічного палива і збільшує к.к.д. перетворення низькопотенційної енергії. Такі комбіновані схеми дозволяють використовувати для вироблення електроенергії теплоносії з початковими температурами вище 70–80°С.
Сьогодні 58 країн використовують тепло своїх геотермальних ресурсів не тільки для виробництва електроенергії, а й безпосередньо у вигляді тепла: для обігрівання ванн і басейнів – 4%; для опалення – 23%; для теплових помп – 12%; для обігрівання теплиць – 9%; для підігріву води в рибних господарствах – 6%; в промисловості – 5%; для сушіння сільгосппродуктів, таяння снігу і кондиціювання – 1%; для інших цілей – 2%.
ГеоТЕС, побудовані в США, Італії, Росії та інших країнах, за питомими капіталовкладеннями і вартістю електроенергії можуть конкурувати із сучасними ТЕС і АЕС.
У 2008 р. в світі встановлена потужність електрогенеруючих геотермальних установок склала біля 11 млн. кВт з виробленням біля 55 млрд. кВт·год.
За різними прогнозами потужність геотермальних станцій до 2030 р. зросте до 40–70 млн. кВт.
В Україні існують значні ресурси геотермальної енергії. Родовища геотермальних вод, придатних до промислового освоєння в Україні, розташовані в Закарпатській, Миколаївській, Одеській, Херсонській областях і в АР Крим. Найперспективнішими для використання геотермальних ресурсів є Карпатський регіон і Крим. Менш значимий потенціал геотермальних вод існує в Полтавській, Харківській, Сумській і Чернігівській областях. Річний технічний потенціал геотермальної енергії оцінюється як еквівалентний 12 млн. т у. п., що забезпечує перспективність розвитку геотермальної енергетики в країні.
Раздел 1. Сооружение первых гидроэлектростанций. Этапы развития гидроэнергетики
2.1. Энергия и мощность водотоков