Однако после изобретения в 1979 году полибутиленовых труб эффективность использования геотермальной энергии существенно увеличилась.
В 1967 году в СССР была представлена первая электростанция, работающая по методу двойного цикла. Новая технология позволяла получать электроэнергию, используя гораздо меньшие температуры. В 2006 году подобная электростанция была построена в Аляске, способная вырабатывать энергию из воды с рекордно низкой температурой 57°C.
В 2008 г. в мире установленная мощность электрогенерирующих геотермальных установок составила около 11 млн. кВт с выработкой около 55 млрд. кВт·ч. По разным прогнозам, мощность геотермальных станций к 2030 г. возрастет до 40-70 млн. кВт.
Принцип работы тепловых насосов и ГеоЭС
Получение тепло- и электроэнергии из геотермальной энергии осуществляется с помощью разных устройств: геотермальные тепловые насосы и геотермальные электростанции.
1.Геотермальный тепловой насос - это устройство, осуществляющее обратный термодинамический цикл, благодаря чему низкопотенциальная энергия (энергия грунтов, грунтовых вод и поверхностей водоемов) переносится на более высокий уровень. Полученная энергия используется для отопления и обогрева зданий.
Принцип работы геотермального теплового насоса (см. рис. 3 в приложении) состоит в том, что тепло от источников переносится в установку, где преобразовывается и передается в отопительный контур.
Если говорить чуть подробнее, то все происходит так. В относительно теплой среде находится трубопровод с теплоносителем большой протяженности. Трубопровод чаще всего замкнутый, его движение обеспечивается насосом. Теплоноситель нагревается до температуры среды. Обычно это +5oC или чуть выше. Проходя по первому теплообменнику-испарителю, он отдает тепло находящемуся во втором контуре хладагенту. Хладагент - вещество, которое кипеть начинает при температуре выше -5oC. В большинстве установок используют фреон. До включения установки он находится в жидком состоянии. Потом, по мере поступления тепла от термальных источников, его температура поднимается. Фреон начинает испаряться, переходит в газообразное состояние. Этот газ уже имеет температуру порядка +5oC. Он поступает в компрессор, где его сжимают. При сжатии выделяется большое количество тепла, и из компрессора газ уже выходит с температурой от 35oC до 65oC. Он поступает в еще один теплообменник - конденсатор, где отдает тепловую энергию теплоносителю, который идет в контур отопления.
Сам фреон, отдав большую часть тепла, частично остывает, но все еще находится в газообразном состоянии при повышенном давлении. Он поступает на сбросный клапан, где давление резко падает, он резко охлаждается и сжижается. После чего снова поступает в испаритель, где начинается новый цикл преобразования.
2. Геотермальная электростанция - вид электростанций, которые вырабатывают электроэнергию из теплоэнергии подземных источников. Наилучшими районами для возведения геотермальный электростанций являются те, где температура земной коры повышается быстрее всего. Вулканический район - прекрасный пример таких мест.
Принцип работы ГеоЭС несложен (см.рис. 4 в приложении).
Вода закачивается насосом вглубь земной коры через нагнетательную скважину. Скважина должна быть достаточно глубокой, чтобы достичь пород земной коры, разогретых выше температуры кипения воды. Вода просачивается сквозьпороду, нагревается и поднимается на поверхность через расположенную рядом эксплуатационную скважину. Из нее горячая вода поступает в испаритель, где частично превращается в пар. Неиспарившаяся вода из испарителя снова закачивается насосом вглубь земной
Пар из испарителя приводит в движение паровую турбину, вращающую вал электрогенератора. Пройдя турбину, пар охлаждается в конденсаторе, снова превращаясь в жидкость, которая вновь закачивается вглубь Земли насосом вместе с не выпаренной в испарителе водой.
Применение геотермальной энергии.
Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. С этим связано и использование ее человечеством.
На сегодняшний день геотермальные ресурсы используются в сельском хозяйстве, садоводстве, аква- и термокультуре, промышленности, сфере жилищно-коммунальных хозяйств. В нескольких странах построены крупные комплексы, обеспечивающие население электроэнергией. Продолжается разработка новых систем.
Чаще всего использование геотермальной энергии в сельском хозяйстве сводится к обогреву и поливу оранжерей, теплиц, установок аква- и гидрокультуры. Подобный подход применяется в нескольких государствах - Кении, Израиле, Мексике, Греции, Гватемале и Теде.
Одна из наиболее перспективных сфер - частный сектор, для которого геотермальная энергия - это реальная альтернатива автономного газового отопления. Самая серьезная преграда здесь - при довольно дешевой эксплуатации высокая начальная стоимость оборудования, которая значительно выше, чем цена установки "традиционного" отопления.
Преимущества и недостатки геотермальной энергетики.
Преимущества:
1) Геотермальную энергию можно использовать в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от температуры) для нужд горячего водо- и теплоснабжения, а также для выработки электроэнергии.
2) Не требуется поставки топлива из внешних источников.
3) Обычная геотермальная станция, расположенная на берегу моря или океана, может применяться и для опреснения воды, которую можно затем использовать для питья или ирригации (орошение). Опреснение происходит естественным путем в результате дистилляции - разогрева воды и охлаждения водяного пара в процессе работы электростанции.
4) Данный вид энергии практически неиссякаем и имеет полную независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.
5) Использование этой энергии позволяет обеспечить тепло- и электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснабжение отсутствует или обходится слишком дорого (например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т.п.)
6) Геотермальная энергетика гарантирует практически полную безопасность для окружающей среды. Практически отсутствуют какие-либо вредные или токсичные выбросы.
Недостатки:
1) Требуется определенное местоположение для бурения скважин. На самом деле не так много мест в мире, где можно строить геотермальные электростанции.
2) Несмотря на почти полную экологическую безопасность, высока вероятность минерализации термальных вод большинства месторождений и наличия в воде токсичных соединений и металлов.
3) Для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды и на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.
4) Тепло Земли очень "рассеянно", и в большинстве районов мира человеком может использоваться с выгодой только очень небольшая часть энергии. Из них пригодные для использования геотермальные ресурсы составляют около 1% общей теплоемкости верхней 10-километровой толщи земной коры.
5) Иногда действующая геотермальная электростанция может остановиться в результате естественных изменений в земной коре. Кроме того, причиной ее остановки может стать плохой выбор места или чрезмерная закачка воды в породу через нагнетательную скважину.
Энергия биомассы
Определение биомассы и ее применение в качестве источника энергии.
Биомасса считается возобновляемым источником энергии, так как содержащаяся в ней энергия производится в процессе фотосинтеза, когда растения преобразуют лучистую энергию в углеводороды. Выращивание растений специально для превращения в биомассу есть форма сохранения солнечной энергии.
Биомасса Земли составляет 2420 миллиардов тонн. Люди дают около 350 миллионов тонн биомассы в живом весе или около 100 миллионов тонн в пересчете на сухую биомассу - пренебрежимо малое количество в сравнении со всей биомассой Земли. Это шестой по запасам из всех доступных источников энергии после угля, горючих сланцев, урана, нефти и природного газа.
Источниками топлива из биомассы являются деревья и травянистые растения, водные и морские растения, отходы сельскохозяйственного и лесоизготовительного производства, навоз и сточные воды, свалки.
История развития и состояние на сегодняшний день.
Биомасса является одним из древнейших источников энергии, однако ее использование до недавнего времени сводилось к прямому сжиганию при открытом огне или в печах и топках с относительно низким К.П. Д.
В 1970-х впервые начали обращать серьезное внимание на возможность использования биомассы в качестве замены ископаемых топлив (нефть, уголь и т.д.). В то время происходил активный поиск новых источников энергии из-за бесконтрольно растущих цен на ископаемые топлива (нефть, уголь и т.д.)и возможности их истощения, и биомасса рассматривалась как более надежная и дешевая альтернатива. Уже в 1975 году определение "биомасса" стало широко применяться.
В 80-х стали активно строиться генераторы, работающие на использовании отходов лесобработки, что стало первым шагом к массовому производству энергии из биомассы.
В 2000 году произошло еще большее улучшение биомассы. Были разработаны программы, с тем, чтобы топливо, вырабатываемое биомассой, могло сочетаться с невозобновляемыми источниками энергии для сокращения потребления ископаемых видов топлива. Были также исследования о различных сельскохозяйственных культурах, которые можно выращивать для производства электроэнергии.
В настоящее время биомасса играет существенную роль в энергобалансах промышленно развитых стран: в США ее доля составляет 4%, в Дании - 6%, в Канаде - 7%, в Австрии - 14%, в Швеции - 16% общего потребления первичных энергоресурсов этих стран. В мире в 2004 г. установленная мощность электростанций на биомассе составила 39 млн. кВт.
Получение энергии из биомассы.
Методы получения энергии из биомассы основаны на следующих процессах:
Ш Прямое сжигание биомассы.
Ш Термохимическое преобразование для получения обогащенного топлива. Процессы этой категории включают пиролиз, газификацию и сжижение.
Ш Биологическое преобразование. Такие естественные процессы, как анаэробное сбраживание и ферментация приводят к образованию полезного газообразного или жидкого топлива.
Рассмотрим наиболее применимые технологии.
Прямое сжигание. Один из наиболее старых методов получения энергии из биомассы. Существует множество типов и размеров систем прямого сжигания, в которых можно сжигать различные виды топлива: птичий помет, соломенные тюки, дрова, муниципальные отходы и автомобильные шины. Однако имеется ряд проблем при его практическом использовании, главной из которых является достижение наиболее полного сгорания топлива, в результате которого образуются диоксид углерода и вода, не приносящие вреда окружающей среде. К техническим устройствам, применяющимся для прямого сжигания биомассы, относятся печи, топки, камеры сгорания. Биомасса может использоваться посредством прямого сжигания в энергетических установках в факеле, кипящем или уплотненном слое с дальнейшим получением тепловой и электрической энергии. Одной из проблем, связанных с непосредственным сжиганием, является его низкая эффективность. В случае использования открытого пламени большая часть тепла теряется.
Пиролиз. Пиролиз представляет собой простейший и, по-видимому, самый старый способ преобразования одного вида топлива в другой с лучшими показателями. Разные виды высокоэнергетического топлива могут быть получены с помощью нагрева сухой древесины и даже соломы. Процесс использовался в течение столетий для получения древесного угля. Традиционный пиролиз заключается в нагреве исходного материала (который часто превращается в порошок или измельчается перед помещением в реактор) в условиях почти полного отсутствия воздуха, обычно до температуры 300 - 500 °C до полного удаления летучей фракции. Остаток, известный под названием древесный уголь, имеет двойную энергетическую плотность по сравнению с исходным материалом и сгорает при значительно более высоких температурах. В зависимости от влажности и эффективности процесса, 4-10 тонн древесины требуется для производства 1 тонны древесного угля. В случае если летучие вещества не собираются, древесный уголь содержит две трети энергии исходного сырья.