Co je potřeba pro geotermální energii?

Země obsahuje obrovskou tepelnou energii. Zde se odhady stále dost liší, ale podle nejkonzervativnějších odhadů, pokud se omezíme na hloubku 3 km, lze z této vrstvy vytěžit 8 x 10 17 kJ geotermální energie. Rozsah jeho skutečného uplatnění u nás i ve světě je přitom nepatrný. O co tu jde a jaké jsou perspektivy využití geotermální energie?

Geotermální energie je tepelná energie Země. Energie uvolněná z přirozeného tepla Země se nazývá geotermální energie. Jako zdroj energie by teplo Země v kombinaci s existujícími technologiemi mohlo zajišťovat potřeby lidstva na mnoho a mnoho let. A to se netýká ani příliš hlubokého vedra v dosud nepřístupných oblastech.

Po miliony let se toto teplo uvolňuje z hlubin naší planety a rychlost ochlazování jádra nepřesahuje 400 °C za miliardu let! Teplota zemského jádra přitom podle různých zdrojů v současnosti není nižší než 6650 °C a směrem k povrchu postupně klesá. Země neustále vytváří 42 bilionů wattů tepla, z toho pouze 2 % se vyskytují v kůře.

Vnitřní tepelná energie Země se tu a tam hrozivě projevuje v podobě tisíců sopečných erupcí, zemětřesení, pohybů zemské kůry a dalších, méně nápadných, ale neméně globálních přírodních procesů.

Vědecké hledisko na příčiny tohoto jevu je takové, že vznik zemského tepla je spojen s neustále probíhajícím procesem radioaktivního rozpadu uranu, thoria a draslíku v útrobách planety a také s gravitační separací hmota ve svém jádru.

Žulová vrstva zemské kůry je v hloubce 20000 10000 metrů hlavní oblastí radioaktivního rozpadu na kontinentech a pro oceány je nejaktivnější vrstvou svrchní plášť. Vědci se domnívají, že na kontinentech je v hloubce asi 700 200 metrů teplota základny kůry asi XNUMX °C, zatímco v oceánech dosahuje teplota jen XNUMX °C.

Dvě procenta geotermální energie obsažené v zemské kůře jsou konstantních 840 miliard wattů, a to je technologicky dostupná energie. Nejlepšími místy pro těžbu této energie jsou oblasti poblíž okrajů kontinentálních desek, kde je kůra mnohem tenčí, a oblasti seismické a vulkanické činnosti – kde se zemské teplo projevuje velmi blízko povrchu.

Kde a v jaké formě se geotermální energie vyskytuje?

V současné době aktivně rozvíjejí geotermální energii tyto země: USA, Island, Nový Zéland, Filipíny, Itálie, Salvador, Maďarsko, Japonsko, Rusko, Mexiko, Keňa a další země, kde stoupá teplo z útrob planety na povrch ve formě páry a horké vody, vyrážející při teplotách dosahujících 300 °C.

Mezi živé příklady patří slavné gejzíry Islandu a Kamčatky, stejně jako slavný Yellowstonský národní park, který se nachází v amerických státech Wyoming, Montana a Idaho a rozkládá se na ploše téměř 9000 XNUMX kilometrů čtverečních.

Když mluvíme o geotermální energii, je velmi důležité si uvědomit, že jde většinou o energii nízké kvality, to znamená, že teplota vody nebo páry vycházející z vrtu je nízká. A to výrazně ovlivňuje efektivitu využití takové energie.

Faktem je, že pro výrobu elektřiny je dnes ekonomicky schůdné mít teplotu chladicí kapaliny alespoň 150 °C. V tomto případě se posílá přímo do turbíny.

Existují instalace, které používají vodu o nižší teplotě. V nich geotermální voda ohřívá sekundární chladivo (například freon), které má nízký bod varu. Vzniklá pára roztáčí turbínu. Ale výkon takových instalací je malý (10 – 100 kW), a proto budou náklady na energii vyšší než u elektráren, které využívají vysokoteplotní vodu.

GeoPP na Novém Zélandu

Geotermální ložiska jsou porézní horniny naplněné horkou vodou. V podstatě se jedná o přírodní geotermální kotle.

Co když se voda strávená na povrchu země nevypustí, ale vrátí se do kotle? Vytvořit oběhový systém? V tomto případě se využije nejen teplo termální vody, ale i okolních hornin. Takový systém zvýší své celkové množství 4-5krát. Problém znečištění životního prostředí mineralizovanými vodami je eliminován, protože se vracejí do podzemního horizontu.

Ve formě horké vody nebo páry je teplo dodáváno na povrch, kde se využívá buď přímo k vytápění budov a domů, nebo k výrobě elektrické energie. Kromě toho je užitečné i povrchové teplo Země, kterého se obvykle dosahuje vrtáním vrtů, kde se gradient zvyšuje o 1 °C s každých 36 metrů.

K využití tohoto tepla se používají tepelná čerpadla. Horká voda a pára se používají k výrobě elektřiny a přímo k vytápění a teplo koncentrované hluboko v nepřítomnosti vody je pomocí tepelných čerpadel převáděno do užitečné formy. Energie magmatu a teplo, které se hromadí pod sopkami, se získávají podobným způsobem.

Obecně existuje řada standardních metod výroby elektřiny v geotermálních elektrárnách, ale opět buď přímo, nebo pomocí schématu podobného tepelnému čerpadlu.

V nejjednodušším případě se pára jednoduše posílá potrubím do turbíny elektrického generátoru. Ve složitějším schématu se pára předčistí, aby rozpuštěné látky nezničily potrubí. Ve smíšeném schématu jsou plyny rozpuštěné ve vodě eliminovány poté, co pára kondenzuje na vodu.

Nakonec je zde binární schéma, kde chladicí kapalinou (pro příjem tepla a pro otáčení turbíny generátoru) je jiná kapalina s nízkým bodem varu (schéma s výměníkem tepla).

Vakuová-voda a absorpční tepelná čerpadla s chloridem lithným jsou považována za nejslibnější. První z nich zvyšují teplotu termální vody v důsledku spotřeby elektrické energie ve vakuové vodní pumpě.

Voda ze studny o teplotě 60 – 90 °C vstupuje do vakuové odparky. Vzniklá pára je stlačována turbodmychadlem. Tlak se volí v závislosti na požadované teplotě chladicí kapaliny.

Pokud voda jde přímo do topného systému, pak má 90 – 95 ° C, pokud jde do sítí dálkového vytápění, pak je to 120 – 140 ° C. V kondenzátoru předává stlačená pára své teplo vodě cirkulující v městských topných sítích, vytápění a zásobování teplou vodou.

Jaké další možnosti existují pro rozšíření využívání geotermální energie?

Jeden ze směrů souvisí s využíváním značně vyčerpaných nalezišť ropy a zemního plynu.

Jak je známo, těžba této suroviny na starých polích se provádí metodou zaplavování, to znamená, že voda je čerpána do vrtů, které vytlačují ropu a plyn z pórů nádrže.

Postupem výroby se pórovité nádrže plní vodou, která získává teplotu okolních hornin, a ložiska se tak mění v geotermální kotel, odkud lze těžit ropu a zároveň získávat vodu na vytápění.

Samozřejmě musíte vyvrtat další vrty a vytvořit cirkulační systém, ale to bude stát mnohem méně než při vývoji nového geotermálního pole.

Další možností je získávat teplo ze suchých hornin vytvořením umělých propustných zón. Podstatou metody je vytvoření pórovitosti v suchých horninách pomocí výbuchů.

Teplo se z takových systémů získává následujícím způsobem: v určité vzdálenosti od sebe se vyvrtají dva vrty. Do jednoho se čerpá voda, která se přes vytvořené póry a trhliny přesune do druhého, odebírá teplo z hornin, zahřívá se a pak stoupá na povrch.

Takové experimentální systémy jsou již v provozu v USA a Anglii. V Los Alamos (USA) jsou dva vrty – jeden hluboký 2700 m a druhý 2300 m – propojeny hydraulickým štěpením a naplněny cirkulující vodou ohřátou na teplotu 185 °C. V Anglii v lomu Rosenius se voda ohřívá až na 80 °C.

Planetární teplo jako zdroj energie

Nedaleko italského města Larederello vede elektrická dráha, pro kterou je zdrojem elektřiny suchá pára ze studny. Systém je v provozu od roku 1904.

Gejzírová pole v Japonsku a San Franciscu jsou další dvě známá místa na světě, která také využívají suchou horkou páru k výrobě elektřiny. Pokud jde o mokrou páru, její rozsáhlejší pole jsou na Novém Zélandu a menší v Japonsku, Rusku, Salvadoru, Mexiku a Nikaragui.

Pokud považujeme geotermální teplo za zdroj energie, pak jeho zásoby jsou desítky miliardkrát větší, než je roční spotřeba energie lidstva na celém světě.

Pouhé 1 % tepelné energie zemské kůry odebrané z hloubky 10000 XNUMX metrů by stačilo k pokrytí stonásobku zásob fosilních paliv, jako je ropa a plyn, nepřetržitě produkovaných lidstvem, což vede k nevratnému vyčerpání. podloží a znečištění životního prostředí.

Mohou za to ekonomické důvody. Geotermální elektrárny však mají velmi mírnou úroveň emisí oxidu uhličitého, přibližně 122 kg na megawatthodinu vyrobené elektřiny, což je výrazně méně než emise, které vznikají při výrobě elektřiny pomocí fosilních paliv.

Průmyslové GeoPP a vyhlídky pro geotermální energii

První průmyslový GeoPP s kapacitou 7,5 MW byl postaven v roce 1916 v Itálii. Od té doby se nasbíraly neocenitelné zkušenosti.

K roku 1975 byl celkový instalovaný výkon GeoPP ve světě 1278 MW a v roce 1990 to bylo již 7300 MW. Největší objemy rozvoje geotermální energie se vyskytují v USA, Mexiku, Japonsku, na Filipínách a v Itálii.

První GeoPP na území SSSR byl postaven na Kamčatce v roce 1966, jeho kapacita byla 12 MW.

Od roku 2003 funguje v Rusku Mutnovskaja GeoPP, jejíž kapacita je nyní 50 MW – to je v současnosti nejvýkonnější GeoPP v Rusku.

Největší geoPP na světě je Olkaria IV v Keni s kapacitou 140 MW.

V budoucnu se zdá velmi pravděpodobné využití tepelné energie magmatu v těch oblastech planety, kde není příliš hluboko pod povrchem Země, stejně jako tepelné energie zahřátých krystalických hornin, kdy je čerpána studená voda do vrtané studny hluboké několik kilometrů a horká voda se vrací na povrch nebo pára a následně se vytápí nebo vyrábí elektřina.

Nabízí se otázka: proč je v současnosti tak málo realizovaných projektů geotermální energie? Především proto, že se nacházejí na příznivých místech, kde se voda buď vylévá na samotný povrch země, nebo se nachází velmi mělce. V takových případech není potřeba vrtat hlubinné vrty, které jsou nejnákladnější součástí rozvoje geotermální energie.

Rozsah využití termálních vod pro zásobování teplem je mnohem větší než pro výrobu elektřiny, ale stále jsou malé a nehrají v energetice významnou roli.

Geotermální energie dělá teprve první kroky a pokračující výzkum a pilotní průmyslové práce by měly dát odpověď na rozsah jejího dalšího rozvoje.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí:

Mezi obnovitelné zdroje energie se také rozlišuje geotermální energie: zařízení s tepelnými čerpadly, geotermální elektrárny. Řekneme vám, jak fungují, na jakém principu fungují a kde jsou relevantní.

Expert: Igor Valigun – vystudoval Ruskou chemicko-technologickou univerzitu pojmenovanou po. Mendělejev, specializace: environmentální inženýr, specialista na obnovitelné zdroje energie (tepelná čerpadla), kandidát ekonomických věd v oblasti obnovitelné energie.

Jak můžete využít geotermální energii

Geotermální energii je zvláště důležité využít tam, kde jsou přírodní podzemní termální vody, vulkanická činnost a gejzíry. Dokonce i v severním podnebí – na Sibiři a na Dálném východě. Tepelné instalace s geotermálními čerpadly lze využít v podnikání, průmyslu i pro soukromé spotřebitele – k vytápění škol, školek a bytových domů. Geotermální energii lze získávat pomocí geotermálních elektráren a geotermálních tepelných čerpadel. Existují dva typy geotermálních instalací. První využívají horké prameny (gejzíry, sopky) s teplotami od 100 do 1300 ºC. Druhým typem jsou zařízení, která využívají teplo ze země nízké kvality.

Horké prameny

Přibližně polovina všech geotermálních elektráren provozovaných ve světě funguje na ložiskách suché páry z termální podzemní vody. Ale jejich počet je malý a téměř všechny se nacházejí tam, kde jsou gejzíry a termální vody: v Rusku je takových míst málo – na Kamčatce, na západní Sibiři (Omsk, Novosibirská oblast), v Dagestánu. Účinnost a atraktivita takové energie je samozřejmě velmi velká: čistý, bezplatný a nevyčerpatelný zdroj tepla – zní fantastická předpověď těch nejodvážnějších futurologů. Geotermální elektrárny využívají přímou metodu získávání tepla z podzemní vody. Je to docela jednoduché: voda se čerpá potrubím uloženým ve studnách. Při průchodu těmito trubkami se voda ohřívá a pod tlakem se mění v páru, která při výstupu ze země naráží na lopatky jednotek parních turbín (STU) a roztáčí je. Současně PTU generují elektrickou energii a pára se opět mění na vodu, která jde do podzemí pro ohřev a cyklus se opakuje. Geotermální elektrárny byly postaveny na Kamčatce, Islandu, Keni, Novém Zélandu – všude tam, kde je relativně dostupný zdroj vysoké teploty (>100 ºC – protože voda se musí přeměňovat v páru). A zároveň je pára snadno dostupná – není potřeba extrémně nákladné vrtání vrtů mnoho kilometrů hluboko do zemské kůry. Například na Pauzhetskaya GeoTPP (území Kamčatka) se používají vrty s hloubkami od 366 m do 1205 m. Horká pára v GeoTPP může samozřejmě sloužit jako zdroj tepla pro kotelny a může být použita pro vytápění vesnic a měst. v blízkosti s GeoTPP, díky kterému je dodávka tepla velmi cenově dostupná a šetrná k životnímu prostředí.

Teplo země

Ale ne všude v Rusku jsou sopky a gejzíry. Proto se používá druhý typ geotermálních zařízení s nízkopotenciálním teplem ze země. Vždyť v hloubce 8–10 m teplota nikdy neklesne pod +4–10 ºC (v závislosti na regionu). V zimě je tedy venku -20 ºC a v podzemí +5 ºC. Tepelné čerpadlo odebírá toto teplo ze země, soustřeďuje je a předává do topného systému budovy jako teplo o teplotě 45–75 ºC. Geotermální instalace s tepelnými čerpadly se většinou nevyužívají k výrobě elektrické energie, častěji se využívají přímo k vytápění budov. Tepelné čerpadlo odebírá teplo/energii z jakýchkoli zdrojů nekvalitního tepla (voda, vzduch, země s nízkou teplotou ~5–8 ºC) a soustřeďuje je a následně předává k vytápění budov. Plynofikace sídel v Rusku je přibližně 70% a na zbývajících 30% území může být použití topných systémů založených na geotermálních čerpadlech téměř jedinou alternativou k palivovému dřevu, protože solární ani větrná energie není schopna zcela vytápět budovy. . Pro vytápění jsou účinnější čerpadla půda-voda: odebírají teplo z půdy a předávají ho vodě cirkulující v topném systému budov. K odběru tepla z půdy nebo podzemní vody se používá tzv. primární teplosměnný okruh: je to smyčková trubka uložená v zemině, v níž cirkuluje chladivo (nejčastěji roztok alkoholu ve vodě). Chladivo se při průchodu vrstvou země (nebo spodní vody) ohřeje na 4–8 ºC a vlastně „přivádí“ teplo do tepelného čerpadla. Tepelné čerpadlo pomocí freonu a kompresoru přeměňuje 4–8 ºC na 45–70 ºC (tedy koncentruje) a předává toto teplo vodě cirkulující v potrubí topného systému budovy. Takové instalace mohou být buď malé (určené pro nízkopodlažní a chatovou výstavbu – a těch je nyní většina) nebo určené pro vytápění vícepodlažních budov. Ten je stále raritou – v Ruské federaci existuje několik pilotních projektů.

Zkušenosti v podnikání a zemědělství

Geotermální zařízení byla v SSSR využívána v jižních oblastech k zásobování teplem skleníků a k vytápění rybníků (akvakultura) a bazénů. Od roku 1966 úspěšně fungují systémy zásobování teplem založené na geotermálních instalacích ve městech Machačkala, Kizlyar, Izberbash a dalších osadách Dagestánu. V roce 1969 poskytla geotermální zařízení teplo 15 hektarům skleníků v Machačkale. V roce 1985 dosáhla roční produkce geotermální vody na území Krasnodar 8,5 milionu m³, byly vytápěny obytné budovy v sedmi osadách a 30 hektarů skleníků. Geotermální chladivo bylo nejprve dodáváno do vytápění budov, poté do skleníků pro pěstování rajčat, okurek a citronů. Poté při teplotě 30 ºС vstoupila do rybníků geotermální voda. V 1990. letech celá tato infrastruktura chátrala. Práce jediného ruského Ústavu geotermálních problémů Ruské akademie věd v Machačkale nebyla žádaná. Stát a podniky spoléhaly na uhlovodíky bez rozvoje obnovitelných zdrojů energie.

Jak na tom vydělat peníze?

V současné době v kontextu prudkého růstu cen energií a obrovské inflace ožívá zájem o geotermální energii, ale rozvoj projektů v této oblasti vyžaduje čas a peníze. Opět se zvedá vlna zájmu o geotermální energii: můžete získat dotace v rámci spolkového projektu Čistý vzduch, v jehož rámci stát částečně kompenzuje přechod na ekologičtější typy zdrojů tepla. Potenciál využití geotermální energie v průmyslu je poměrně velký, zejména na jihu Ruské federace. V roce 2015 byl na poli Khankala (Čečenská republika) vybudován geotermální topný systém o výkonu 3 MW s reinjektáží odpadního chladiva pro zásobování teplem 8,7 hektarů skleníků. Tepelná čerpadla lze navíc v létě použít jako klimatizaci, protože teplota o několik metrů pod zemí je nižší než teplota vzduchu. Tímto způsobem je dosaženo úspor na dodatečné instalaci klimatizací.

Výhody geotermální elektřiny

• Vysoká šetrnost k životnímu prostředí. Ve srovnání s tradiční uhlovodíkovou energií nedochází téměř k žádným emisím skleníkových plynů, z nichž hlavní je oxid uhličitý produkovaný spalováním fosilních paliv (uhlí, ropa, plyn).
• Obnovitelnost. Nevyčerpatelný zdroj energie (s využitím ~1 % zemské energie lze pokrýt veškeré energetické potřeby lidstva).
• Vysoká účinnost. Na 1 kW spotřebované energie (především ve formě elektřiny vynaložené na pohon kompresoru) je tepelné čerpadlo v závislosti na podmínkách schopno dodat 4–5 kW tepelné energie.

Nevýhody geotermální elektřiny

• Vysoké kapitálové náklady. Jak pro samotné tepelné čerpadlo, tak pro vrtání studní. Náklady na tepelné čerpadlo jsou od ₽250 tis.. Pro srovnání: elektrokotel stojí od ₽15 tis., plynový kotel pro soukromý dům – od 60 tis. trvá roky a může být mnohem dražší než celý geotermální projekt). Někdy jsou náklady na vrtání studní pro primární okruh tepelného čerpadla více než 50 % nákladů celého projektu. Podle Světové banky se náklady na provádění geologického průzkumu a počátečního pilotního vrtného programu pro tři až pět geotermálních vrtů pohybují od 20 do 30 milionů dolarů.
• Nízká účinnost systému u tradičních radiátorů. Pokud je nutné dosáhnout vysokých teplot v sekundárním okruhu, vykazují tepelná čerpadla nižší účinnost ve srovnání s tradičními topnými systémy. Proto se lépe kombinují s aktuálně oblíbeným systémem podlahového vytápění, který vyžaduje teplotu chladicí kapaliny 45 ºC, než s tradičními radiátory, jejichž systém vyžaduje teplotu chladicí kapaliny 75 ºC.
• Není dostatečně účinný v chladném klimatu. Tepelná čerpadla jsou v evropských zimních podmínkách účinnější (vykazují vyšší účinnost) než ruská – se zápornými teplotami až -20 ºС a v některých regionech až -40 ºС. V případě tepelných čerpadel platí, že čím nižší je teplotní rozdíl na vstupu do tepelného čerpadla a na výstupu, tím vyšší je účinnost. Například za stejných okolností srovnejme zimu v Paříži a v moskevské oblasti. Teplota vzduchu v Paříži v zimě je asi -3 ºС a teplota země je +10 ºС, rozdíl je 13 ºС. V zimě v Moskevské oblasti je průměrná teplota vzduchu -15 ºС a teplota půdy je pouze +5 ºС, rozdíl je 20 ºС. A pokud vezmeme dva stejné soukromé domy, jejichž vytápění vyžaduje řekněme 12 kW tepelné energie za hodinu, pak v Paříži budeme muset nainstalovat méně výkonný model čerpadla, což znamená, že kompresor bude spotřebovávat méně elektřiny, potřeba udělat méně vrtů v zemi, což znamená, že délka potrubí a objem alkoholového chladiva budou menší než v Rusku. Při zachování všech ostatních podmínek jsou náklady na získání 1 kW tepelné energie v Ruské federaci vyšší než v Evropě. To ale neznamená, že tepelná čerpadla není v Ruské federaci vhodné používat, pouze kapitálové investice budou větší. Je vhodné je použít tam, kde není možnost dodávky plynu.

Geotermální energie v jiných zemích

Podle Světové banky je globální potenciál geotermální energie mezi 70 a 80 GW. K výrobě elektřiny se však v současnosti využívá pouze 15 % známých světových zásob geotermální energie a celková kapacita těchto zařízení je pouze 13 GW.

Geotermální energie je aktivně využívána v USA a Číně – tyto země jsou nyní v tomto směru nezpochybnitelnými lídry, ale Japonsko je již dohání. Geotermální zdroje se úspěšně využívají k výrobě energie na Filipínách, v Indonésii a na Novém Zélandu.

Spojené státy financují výstavbu geotermální elektrárny v Nikaragui, která by měla pokrýt energetické potřeby země z 20 %. Úspěch geotermálních elektráren je částečně způsoben mírnějšími klimatickými podmínkami v těchto zemích.

Ale je tu také příklad Islandu, severské země s drsným klimatem. V roce 2014 tam byla spuštěna první geotermální elektrárna na světě fungující v průmyslovém měřítku. Je postaven na sopečném kráteru a energii přijímá ze zemského magmatu (v tomto místě se magma dostává co nejblíže k povrchu, teplota tam dosahuje stovek stupňů Celsia). Vrty v této stanici proto nejsou hluboké – pouze 2 km.