Razvoj

Avoc temperatura zemlje u zavisnosti od dubine. Sistemi za snabdevanje toplotom geotermalne toplotne pumpe i efikasnost njihove upotrebe u ruskim klimatskim uslovima. Odakle dolazi toplina i kako se distribuira u unutrašnjosti planete?

Dom

"Upotreba niskokvalitetne toplotne energije zemlje u sistemima toplotnih pumpi"
Vasiliev G.P., naučni direktor INSOLAR-INVEST OJSC, doktor tehničkih nauka, predsednik Upravnog odbora INSOLAR-INVEST OJSC

N. V. Shilkin, inženjer, NISF (Moskva) Racionalno korišćenje goriva i energetskih resursa danas predstavlja jedan od globalnih svjetskih problema, čije će uspješno rješavanje, po svemu sudeći, biti od presudne važnosti ne samo za dalji razvoj svjetske zajednice, već i za očuvanje njenog staništa. Jedan od obećavajućih načina za rješavanje ovog problema je primjena novih tehnologija za uštedu energije korištenje netradicionalnih obnovljivih izvora energije (NRES)

Iscrpljivanje tradicionalnih rezervi fosilnih goriva i ekološke posljedice njihovog sagorijevanja doveli su do značajnog porasta interesa za ove tehnologije u gotovo svim razvijenim zemljama svijeta posljednjih decenija. Prednosti korištenja tehnologija opskrbe toplinom, u usporedbi s njihovim tradicionalnim kolegama, povezane su ne samo sa značajnim smanjenjem troškova energije u sistemima za održavanje života zgrada i objekata, već i s njihovom ekološkom prihvatljivošću, kao i novim mogućnostima na terenu. povećanje stepena autonomije sistema za održavanje života

. Očigledno će u bliskoj budućnosti ove kvalitete biti od presudne važnosti u oblikovanju konkurentske situacije na tržištu opreme za proizvodnju topline. Analiza mogućih područja primjene u ruskoj ekonomiji korištenja tehnologija za uštedu energije netradicionalnih izvora energije , pokazuje da su u Rusiji najperspektivnije područje za njihovu implementaciju sistemi za održavanje života u zgradama. Istovremeno, čini se da je široka upotreba vrlo efikasan pravac za uvođenje razmatranih tehnologija u praksu domaće gradnje. sistemi grejanja sa toplotnom pumpom (HST)

, koristeći tlo površinskih slojeva Zemlje kao univerzalno dostupan niskopotencijalni izvor topline. Prilikom upotrebe Mogu se razlikovati dvije vrste toplotne energije - visokopotencijalna i niskopotencijalna. Izvor toplotne energije visokog potencijala su hidrotermalni resursi - termalne vode zagrijane kao rezultat geoloških procesa do visoke temperature, što im omogućava da se koriste za opskrbu zgradama toplinom. Međutim, korištenje toplote visokog potencijala sa Zemlje ograničeno je na područja s određenim geološkim parametrima. U Rusiji je to, na primjer, Kamčatka, regija kavkaskih mineralnih voda; U Evropi postoje izvori toplote visokog potencijala u Mađarskoj, Islandu i Francuskoj.

Za razliku od "direktne" upotrebe toplote visokog kvaliteta (hidrotermalni resursi), upotreba toplota niskog stepena Zemlja upotreba toplotnih pumpi je moguća skoro svuda. Trenutno je ovo jedno od područja upotrebe koji se najdinamičnije razvija. netradicionalni obnovljivi izvori energije.

Niskogradna toplota Zemlje može se koristiti u različitim tipovima zgrada i objekata na više načina: za grijanje, opskrbu toplom vodom, klimatizaciju (hlađenje), grijanje staza zimi, za sprječavanje zaleđivanja, grijna polja na otvorenim stadionima, itd. U tehničkoj literaturi na engleskom jeziku, takvi sistemi označeni kao "GHP" - "geotermalne toplotne pumpe", geotermalne toplotne pumpe.

Klimatske karakteristike zemalja centralnog i Sjeverna Evropa, koje su, zajedno sa SAD i Kanadom, glavne oblasti za korišćenje niskogradne toplote sa Zemlje, uglavnom određuju potrebu za grejanjem; Vazdušno hlađenje je potrebno relativno rijetko čak i ljeti. Stoga, za razliku od SAD, toplotne pumpe u evropskim zemljama rade uglavnom u režimu grijanja. U SAD toplotne pumpeČešće se koriste u sistemima zračnog grijanja u kombinaciji sa ventilacijom, koja omogućava i grijanje i hlađenje vanjskog zraka. U evropskim zemljama toplotne pumpe obično se koristi u sistemima za grijanje vode. Jer efikasnost toplotne pumpe povećava se kako se temperaturna razlika između isparivača i kondenzatora smanjuje. Sistemi podnog grijanja se često koriste za grijanje zgrada, u kojima rashladna tekućina cirkulira na relativno niskoj temperaturi (35-40 °C).

Većina toplotne pumpe u Evropi, dizajnirani da koriste toplotu niskog kvaliteta sa Zemlje, opremljeni su kompresorima na električni pogon.

U proteklih deset godina povećan je broj sistema koji koriste toplotu niskog kvaliteta sa Zemlje za grijanje i hlađenje zgrada kroz toplotne pumpe, značajno se povećao. Najveći broj ovakvih sistema se koristi u SAD. Veliki broj ovakvih sistema funkcioniše u Kanadi i zemljama centralne i severne Evrope: Austriji, Nemačkoj, Švedskoj i Švajcarskoj. Švicarska prednjači po korišćenju niske toplotne energije Zemlje po glavi stanovnika. U Rusiji je u proteklih deset godina samo nekoliko objekata izgrađeno tehnologijom i uz učešće INSOLAR-INVEST OJSC, specijalizovanog za ovu oblast, od kojih su najzanimljiviji predstavljeni u.

U Moskvi, u mikrookrugu Nikulino-2, zapravo je prvi put izgrađen sistem toplotne pumpe za snabdevanje toplom vodom višespratna stambena zgrada. Ovaj projekat je 1998–2002 realizovalo Ministarstvo odbrane Ruske Federacije zajedno sa Vladom Moskve, Ministarstvom industrije i nauke Rusije, Udruženjem NP „ABOK“ iu okviru "Dugoročni program uštede energije u Moskvi".

As izvor niskog potencijala toplotna energija za isparivače toplotnih pumpi koristi toplotu tla površinskih slojeva Zemlje, kao i toplotu uklonjenog ventilacionog vazduha. Instalacija za pripremu tople vode nalazi se u suterenu zgrade. Uključuje sljedeće glavne elemente:

parne kompresijske toplinske pumpe (HPU);
Spremnici tople vode;
sistemi za prikupljanje niskokvalitetne toplotne energije tla i niske toplote uklonjenog ventilacionog vazduha;
cirkulacijske pumpe, kontrolna i mjerna oprema

Glavni element za izmjenu topline niskokvalitetnog sistema za prikupljanje topline tla su vertikalni koaksijalni izmjenjivači topline tla koji se nalaze izvana duž perimetra zgrade. Ovi izmjenjivači topline se sastoje od 8 bunara, svaki dubine od 32 do 35 m, koji se nalaze u blizini kuće. Budući da se način rada toplotnih pumpi koristi toplina zemlje a toplota uklonjenog vazduha je konstantna, a potrošnja tople vode promenljiva, sistem za snabdevanje toplom vodom je opremljen rezervoarima za skladištenje.

Podaci o procjeni globalnog nivoa korištenja niskopotencijalne toplinske energije Zemlje putem toplotnih pumpi dati su u tabeli.

Tabela 1. Svjetski nivo korištenja niskokvalitetne toplinske energije Zemlje putem toplotnih pumpi

Zemljište kao izvor toplotne energije niskog kvaliteta

Podzemne vode sa relativno niskom temperaturom ili tla iz površinskih (do 400 m dubine) slojeva Zemlje mogu se koristiti kao izvor toplotne energije niskog potencijala. Sadržaj topline u zemljišnoj masi je općenito veći. Toplotni režim tla u površinskim slojevima Zemlje nastaje pod uticajem dva glavna faktora - sunčevog zračenja koje pada na površinu i toka radiogene toplote iz unutrašnjosti Zemlje.. Sezonske i dnevne promjene intenziteta sunčevog zračenja i temperature vanjskog zraka uzrokuju oscilacije u temperaturi gornjih slojeva tla. Dubina prodiranja dnevnih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja, ovisno o specifičnim zemljišnim i klimatskim uslovima, kreće se od nekoliko desetina centimetara do jednog i po metra. Dubina prodora sezonskih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja u pravilu ne prelazi 15-20 m.

Temperaturni režim slojeva tla koji se nalaze ispod ove dubine („neutralna zona“) formira se pod utjecajem toplinske energije koja dolazi iz utrobe Zemlje i praktički je neovisan o sezonskim, a još više dnevnim promjenama vanjskih parametara. klime (slika 1).

Rice. 1. Grafikon promjena temperature tla u zavisnosti od dubine

Kako se dubina povećava, temperatura tla raste u skladu sa geotermalnim gradijentom (otprilike 3 stepena C na svakih 100 m). Veličina toka radiogene toplote koja dolazi iz unutrašnjosti Zemlje varira za različita područja. Za Srednju Evropu ova vrijednost je 0,05–0,12 W/m2.

U toku eksploatacionog perioda, masa zemljišta koja se nalazi u zoni toplotnog uticaja registra cevi zemaljskog izmenjivača toplote niskokvalitetnog sistema sakupljanja toplote zemljišta (sistema za prikupljanje toplote), usled sezonska promjena vanjskih klimatskih parametara, kao i pod utjecajem pogonskih opterećenja na sustav prikupljanja topline, u pravilu je podložan višekratnom smrzavanju i odmrzavanju. U ovom slučaju, prirodno, dolazi do promjene agregatnog stanja vlage sadržane u porama tla i, općenito, u tečnoj, čvrstoj i plinovitoj fazi istovremeno. Drugim riječima, masa tla sistema za prikupljanje topline, bez obzira u kakvom se stanju nalazi (smrznuta ili odmrznuta), je složen trofazni polidisperzni heterogeni sistem, čiji kostur čini ogroman broj čvrstih čestica raznih oblika i veličina i mogu biti ili kruti ili i pokretni, ovisno o tome da li su čestice čvrsto povezane jedna od druge ili su međusobno odvojene tvari u mobilnoj fazi. Prostori između čvrstih čestica mogu biti ispunjeni mineralizovanom vlagom, gasom, parom i ledom, ili oboje. Modeliranje procesa prenosa toplote i mase koji formiraju toplotni režim ovakvog višekomponentnog sistema izuzetno je složen zadatak, jer zahteva uzimanje u obzir i matematički opis različitih mehanizama njihove implementacije: toplotne provodljivosti u pojedinačnoj čestici, prenosa toplote sa jedne čestice. drugom prilikom njihovog kontakta, molekularna toplotna provodljivost u medijumu koji ispunjava praznine između čestica, konvekcija pare i vlage sadržane u prostoru pora i mnoge druge.

Posebnu pažnju treba obratiti na uticaj vlažnosti zemljišne mase i migracije vlage u njenom pornom prostoru na termičke procese koji određuju karakteristike tla kao izvora niskopotencijalne toplotne energije.

U kapilarno-poroznim sistemima, kao što je masa tla u sistemu za prikupljanje toplote, prisustvo vlage u pornom prostoru ima primetan uticaj na proces širenja toplote. Ispravno uzimanje u obzir ovog uticaja danas je povezano sa značajnim poteškoćama, koje su prvenstveno povezane sa nedostatkom jasnih ideja o prirodi distribucije čvrste, tečne i gasovite faze vlage u određenoj strukturi sistema. Priroda sila vezivanja vlage sa skeletnim česticama, ovisnost oblika vezivanja vlage s materijalom u različitim fazama vlaženja i mehanizam kretanja vlage u pornom prostoru još nisu razjašnjeni.

Ako postoji temperaturni gradijent u debljini zemljišne mase, molekuli pare se pomiču na mjesta s niskim temperaturnim potencijalom, ali se istovremeno pod utjecajem gravitacijskih sila javlja suprotno usmjeren tok vlage u tekućoj fazi. Osim toga, na temperaturni režim gornjih slojeva tla utječe vlaga atmosferskih padavina, kao i podzemne vode.

Glavni faktori pod čijim uticajem se formiraju temperaturni režim Sistemi masiva tla za prikupljanje niskopotencijalne toplote tla prikazani su na Sl. 2.

Rice. 2. Faktori pod čijim se uticajem formira temperaturni režim tla

Vrste sistema za korišćenje niskopotencijalne toplotne energije Zemlje

Spajaju se izmjenjivači topline zemlje oprema toplotne pumpe sa masivom tla. Osim "izvlačenja" topline Zemlje, zemaljski izmjenjivači topline mogu se koristiti i za akumulaciju topline (ili hladnoće) u masi tla.

Generalno, mogu se razlikovati dvije vrste sistema za korištenje niskopotencijalne toplinske energije Zemlje::

otvoreni sistemi: podzemna voda koja se dovodi direktno u toplotne pumpe koristi se kao izvor toplotne energije niskog kvaliteta;
zatvoreni sistemi: izmjenjivači topline su smješteni u masi tla; kada rashladna tečnost sa nižom temperaturom u odnosu na tlo cirkuliše kroz njih, toplotna energija se "odabira" iz tla i prenosi na isparivač toplotna pumpa(ili, kada se koristi rashladno sredstvo sa višom temperaturom u odnosu na tlo, njegovo hlađenje).

Glavni dio otvorenih sistema su bunari koji vam omogućavaju da izvučete podzemnu vodu iz vodonosnika i vratite vodu natrag u iste vodonosnike. U tu svrhu se obično ugrađuju upareni bunari. Dijagram takvog sistema je prikazan na sl. 3.

Rice. 3. Šema otvorenog sistema za korišćenje niskopotencijalne toplotne energije podzemnih voda

Prednost otvorenih sistema je mogućnost dobijanja velikih količina toplotne energije uz relativno niske troškove. Međutim, bunari zahtijevaju održavanje. Osim toga, upotreba ovakvih sistema nije moguća u svim oblastima. Glavni zahtjevi za tlo i podzemne vode su sljedeći:

dovoljna propusnost tla, što omogućava obnavljanje zaliha vode;
dobro hemijski sastav podzemne vode (npr. nizak sadržaj željeza), izbjegavajući probleme povezane s kamencem i korozijom cijevi.

Otvoreni sistemi se češće koriste za grijanje ili hlađenje velikih zgrada. Najveći sistem geotermalne toplotne pumpe na svetu koristi podzemne vode kao izvor toplotne energije niskog kvaliteta. Ovaj sistem se nalazi u SAD-u u Louisvilleu, Kentucky. Sistem se koristi za toplotno i hladno snabdevanje hotelsko-kancelarijskog kompleksa; njegova snaga je oko 10 MW.

Ponekad sistemi koji koriste toplinu Zemlje uključuju i sisteme koji koriste toplotu niskog stepena iz otvorenih vodenih tijela, prirodnih i vještačkih. Ovaj pristup je usvojen, posebno, u SAD. Sistemi koji koriste toplotu niskog stepena iz rezervoara klasifikovani su kao otvoreni, kao i sistemi koji koriste toplotu niskog stepena iz podzemnih voda.

Zatvoreni sistemi se, pak, dijele na horizontalne i vertikalne.

Horizontalni izmjenjivač topline tla(u literaturi na engleskom jeziku koriste se i termini "zemlja toplinski kolektor" i "horizontalna petlja") postavlja se, u pravilu, pored kuće na maloj dubini (ali ispod nivoa smrzavanja tla zimi) . Upotreba horizontalnih izmjenjivača topline za tlo ograničena je veličinom raspoložive lokacije.

U zemljama zapadne i srednje Evrope horizontalni izmjenjivači topline tla su obično pojedinačne cijevi, položene relativno čvrsto i međusobno povezane u seriju ili paralelno (sl. 4a, 4b). Da bi se uštedjelo područje, razvijeni su poboljšani tipovi izmjenjivača topline, na primjer, izmjenjivači topline u obliku spirale smještene vodoravno ili okomito (Slike 4e, 4f). Ovaj oblik izmjenjivača topline je uobičajen u SAD-u.

Rice. 4. Vrste horizontalnih zemljanih izmjenjivača topline
a – izmjenjivač topline od serijski spojenih cijevi;
b – izmjenjivač topline od paralelno spojenih cijevi;
c – horizontalni kolektor položen u rov;
d – izmjenjivač topline u obliku petlje;
d – izmjenjivač topline u obliku spirale smještene vodoravno (tzv. "slinky" kolektor;
e – izmjenjivač topline u obliku spirale smješten okomito

Ako se sistem sa horizontalnim izmenjivačem toplote koristi samo za proizvodnju toplote, njegov normalan rad je moguć samo ako postoji dovoljan unos toplote sa površine zemlje usled sunčevog zračenja. Iz tog razloga, površina iznad izmjenjivača topline mora biti izložena sunčevoj svjetlosti.

Vertikalni izmjenjivači topline za tlo(u literaturi na engleskom jeziku prihvaćena je oznaka “BHE” - “izmjenjivač topline bušotine”) omogućavaju korištenje niskopotencijalne toplinske energije mase tla koja leži ispod “neutralne zone” (10-20 m od nivoa tla). Sistemi sa vertikalnim razmenjivačima toplote u zemlji ne zahtevaju velike površine i ne zavise od intenziteta sunčevog zračenja koje pada na površinu. Vertikalni izmjenjivači topline za tlo efikasno rade u gotovo svim vrstama geološke sredine, sa izuzetkom tla niske toplotne provodljivosti, kao što je suvi pesak ili suvi šljunak. Sistemi sa vertikalnim izmjenjivačima topline za tlo postali su vrlo rašireni.

Dijagram opskrbe grijanjem i toplom vodom za jednostambenu stambenu zgradu sa instalacijom toplinske pumpe s vertikalnim izmjenjivačem topline zemlje prikazan je na Sl. 5.

Rice. 5. Šema grijanja i opskrbe toplom vodom jednostambene stambene zgrade pomoću instalacije toplotne pumpe sa vertikalnim izmjenjivačem topline zemlje

Rashladna tečnost cirkuliše kroz cijevi (najčešće polietilenske ili polipropilenske) položene u vertikalnim bunarima dubine od 50 do 200 m Obično se koriste dvije vrste vertikalnih izmjenjivača topline za tlo (slika 6):

Izmjenjivač topline u obliku slova U, koji se sastoji od dvije paralelne cijevi spojene na dnu. Jedan ili dva (rjeđe tri) para takvih cijevi nalaze se u jednoj bušotini. Prednost ove sheme je relativno niska cijena proizvodnje. Dvostruki U izmjenjivači topline su najčešće korišteni tip vertikalnih izmjenjivača topline u zemlji u Evropi.
Koaksijalni (koncentrični) izmjenjivač topline. Najjednostavniji koaksijalni izmjenjivač topline sastoji se od dvije cijevi različitih promjera. Cijev manjeg promjera nalazi se unutar druge cijevi. Koaksijalni izmjenjivači topline mogu imati složenije konfiguracije.

Rice. 6. Sekcija razne vrste vertikalni izmjenjivači topline tla

Da bi se povećala efikasnost izmjenjivača topline, prostor između zidova bunara i cijevi ispunjen je posebnim materijalima koji provode toplinu.

Sistemi sa vertikalnim izmjenjivačima topline za tlo mogu se koristiti za grijanje i hlađenje zgrada različitih veličina. Za malu zgradu dovoljan je jedan izmjenjivač topline; za velike zgrade, možda će biti potrebno instalirati čitavu grupu bunara s vertikalnim izmjenjivačima topline. Najveći svetski broj bunara koristi se u sistemu snabdevanja grejanjem i hlađenjem Richard Stockton College u SAD u državi New Jersey. Vertikalni zemni izmjenjivači toplote ovog koledža nalaze se u 400 bunara dubine 130 m. U Evropi se najveći broj bunara (154 bunara dubine 70 m) koristi u sistemu grijanja i hlađenja centralnog. ured njemačke kontrole letenja (“Deutsche Flug-sicherung”).

Poseban slučaj vertikalnih zatvorenih sistema je upotreba građevinskih konstrukcija kao izmjenjivača topline u zemlji, na primjer temeljnih šipova sa ugrađenim cjevovodima. Poprečni presjek takvog gomila sa tri kruga izmjenjivača topline zemlje prikazan je na Sl. 7.

Rice. 7. Dijagram zemljanih izmjenjivača topline ugrađenih u temeljne šipove zgrade i poprečni presjek takvog šipa

Masa tla (u slučaju vertikalnih zemljanih izmjenjivača topline) i građevinske konstrukcije sa izmjenjivačima topline tla mogu se koristiti ne samo kao izvor, već i kao prirodni akumulator toplinske energije ili „hladnoće“, na primjer, sunčeve topline. radijacije.

Postoje sistemi koji se ne mogu jasno klasifikovati kao otvoreni ili zatvoreni. Na primjer, ista duboka (dubina od 100 do 450 m) bušotina napunjena vodom može biti i proizvodna i injekciona. Prečnik bunara je obično 15 cm U donjem delu bunara se postavlja pumpa preko koje se voda iz bunara dovodi do isparivača toplotne pumpe. Povratna voda se vraća na vrh vodenog stuba u isti bunar. Bunar se stalno puni podzemnim vodama, a otvoreni sistem radi kao zatvoreni. Sistemi ovog tipa u engleskoj literaturi se nazivaju „sistemi stajaćih stubnih bunara“ (slika 8).

Rice. 8. Šema bunara tipa “stojeći stubni bunar”.

Tipično, bunari ovog tipa se također koriste za snabdijevanje zgrada pitkom vodom.. Međutim, takav sistem može djelotvorno funkcionirati samo u zemljištima koja osiguravaju stalan dotok vode u bunar, što sprječava njegovo smrzavanje. Ako vodonosnik leži preduboko, bit će potrebna snažna pumpa za normalno funkcioniranje sistema, što zahtijeva povećanu potrošnju energije. Velika dubina bunara uzrokuje prilično visoku cijenu takvih sistema, tako da se ne koriste za opskrbu toplinom i hladnoćom malih zgrada. Trenutno u svijetu postoji nekoliko takvih sistema u SAD-u, Njemačkoj i Evropi.

Jedan od perspektivnih pravaca je korištenje vode iz rudnika i tunela kao izvora toplotne energije niskog potencijala. Temperatura ove vode je konstantna tokom cijele godine. Voda iz rudnika i tunela je lako dostupna.

„Održivost“ sistema za korišćenje niskogradne toplote sa Zemlje

Prilikom rada zemaljskog izmjenjivača topline može nastati situacija kada se tokom sezone grijanja temperatura tla u blizini tlačnog izmjenjivača topline smanjuje, a ljeti tlo nema vremena da se zagrije do početne temperature - njegov temperaturni potencijal se smanjuje . Potrošnja energije tokom sljedeće sezone grijanja uzrokuje još veći pad temperature tla, a njen temperaturni potencijal se dodatno smanjuje. Ovo se nameće prilikom projektovanja sistema korišćenje niske toplote Zemlje razmotriti problem “održivosti” takvih sistema. Energetski resursi se često vrlo intenzivno koriste za smanjenje perioda povrata opreme, što može dovesti do njihovog brzog iscrpljivanja. Stoga je potrebno održavati nivo proizvodnje energije koji bi omogućio dugotrajnu eksploataciju izvora energije. Ova sposobnost sistema da održe potreban nivo proizvodnje toplotne energije tokom dužeg vremenskog perioda naziva se „održivost“. Za sisteme sa niskim potencijalom Prilikom upotrebe data je sljedeća definicija održivosti: „Za svaki sistem korišćenja niskogradne toplote Zemlje i za svaki način rada ovog sistema postoji određeni maksimalni nivo proizvodnje energije; Proizvodnja energije ispod ovog nivoa može se održavati dugo vremena (100-300 godina).“

Provedeno u dd "INSOLAR-INVEST" studije su pokazale da potrošnja toplotne energije iz zemljišne mase do kraja grejne sezone izaziva smanjenje temperature zemljišta u blizini registra cevi sistema za prikupljanje toplote, koji u tlu klimatskim uslovima Veći dio teritorije Rusije nema vremena za nadoknadu u ljetnom periodu godine, a do početka sljedeće sezone grijanja tlo se pojavljuje sa smanjenim temperaturnim potencijalom. Potrošnja toplotne energije u narednoj grejnoj sezoni izaziva dalje smanjenje temperature zemljišta, a do početka treće grejne sezone njen temperaturni potencijal se još više razlikuje od prirodnog. I tako dalje. Međutim, omotači toplotnog uticaja dugotrajnog rada sistema za prikupljanje toplote na prirodni temperaturni režim zemljišta imaju izražen eksponencijalni karakter, a do pete godine rada zemljište dostiže novi režim, blizak periodičnom, odnosno, počevši od pete godine rada, dugotrajna potrošnja toplotne energije iz sistema za prikupljanje toplote zemljišne mase praćena je periodičnim promenama njene temperature. Dakle, prilikom projektovanja sistemi grijanja sa toplotnom pumpomČini se da je potrebno uzeti u obzir pad temperatura zemljišne mase uzrokovan višegodišnjim radom sistema za prikupljanje topline, a kao projektne parametre koristiti temperature zemljišne mase koje se očekuju za 5. godinu rada TST-a.

U kombinovanim sistemima, koji se koristi i za opskrbu toplinom i hladnoćom, ravnoteža topline se postavlja „automatski“: zimi (potrebna je opskrba toplinom), masa tla se hladi, ljeti (potrebno je hlađenje), masa tla se zagrijava. U sistemima koji koriste nisku toplotu podzemne vode, dolazi do stalnog popunjavanja rezervi vode zbog vode koja curi sa površine i vode koja dolazi iz dubljih slojeva tla. Dakle, sadržaj topline podzemne vode raste i „od gore“ (zbog topline atmosferskog zraka) i „odozdo“ (zbog topline Zemlje); Količina unesene toplote „odozgo” i „odozdo” zavisi od debljine i dubine vodonosnog sloja. Zbog ovih unosa topline, temperatura podzemne vode ostaje konstantna tijekom cijele sezone i malo se mijenja tokom rada.

U sistemima sa vertikalnim izmjenjivačima topline za tlo situacija je drugačija. Kada se toplina ukloni, temperatura tla oko izmjenjivača topline tla opada. Na smanjenje temperature utječu i karakteristike dizajna izmjenjivača topline i njegov način rada. Na primjer, u sistemima sa visokim vrijednostima disipacije toplinske energije (nekoliko desetina vati po metru dužine izmjenjivača topline) ili u sistemima sa podzemnim izmjenjivačem topline smještenim u tlu niske toplinske provodljivosti (na primjer, u suhom pijesku ili suvom šljunka), pad temperature će biti posebno uočljiv i može dovesti do smrzavanja zemljišne mase oko izmjenjivača topline zemlje.

Njemački stručnjaci izmjerili su temperaturu zemljišne mase u kojoj je ugrađen vertikalni izmjenjivač topline dubine 50 m, koji se nalazi u blizini Frankfurta na Majni. Za to je izbušeno 9 bušotina iste dubine oko glavne bušotine na udaljenosti od 2,5, 5 i 10 m. U svih deset bunara ugrađeni su senzori na svaka 2 m za mjerenje temperature – ukupno 240 senzora. Na sl. Na slici 9 prikazani su dijagrami koji prikazuju distribuciju temperatura u masi tla oko vertikalnog izmjenjivača topline tla na početku i na kraju prve grijne sezone. Na kraju sezone grijanja jasno je uočljivo smanjenje temperature mase tla oko izmjenjivača topline. Nastaje tok topline usmjeren na izmjenjivač topline iz okolne zemljišne mase, koji djelomično nadoknađuje smanjenje temperature tla uzrokovano „uklanjanjem“ topline. Veličina ovog protoka, u poređenju sa veličinom toplotnog toka iz utrobe zemlje na datom području (80-100 mW/m2), procjenjuje se na prilično visoku (nekoliko vati po kvadratnom metru).

Rice. 9. Šeme raspodjele temperature u zemljišnoj masi oko vertikalnog izmjenjivača topline na tlu na početku i na kraju prve grijne sezone

S obzirom da su vertikalni izmjenjivači topline počeli biti relativno rasprostranjeni prije otprilike 15-20 godina, u cijelom svijetu nedostaju eksperimentalni podaci dobijeni tokom dugog (nekoliko decenija) rada sistema sa izmjenjivačima topline ovog tipa. Postavlja se pitanje stabilnosti ovih sistema, njihove pouzdanosti u dugim periodima rada. Da li je niskokvalitetna toplota Zemlje obnovljiv izvor energije? Koji je period „obnove“ ovog izvora?

Kada radi seoska škola u Jaroslavskoj regiji, opremljena sistem toplotne pumpe, uz pomoć vertikalnog tlačnog izmjenjivača topline, prosječne vrijednosti specifičnog odvođenja topline bile su na nivou od 120–190 W/linearno. m dužine izmjenjivača topline.

Od 1986. godine provode se istraživanja na sistemu sa vertikalnim izmenjivačima toplote u zemlji u Švajcarskoj kod Ciriha. U tlo je ugrađen vertikalni koaksijalni izmjenjivač topline sa dubinom od 105 m. Ovaj izmjenjivač topline je korišten kao izvor toplotne energije niske kvalitete za sistem toplinske pumpe ugrađen u jednostambenu stambenu zgradu. Vertikalni izmjenjivač topline tla je davao vršnu snagu od približno 70 W po metru dužine, stvarajući značajno toplinsko opterećenje na okolnoj zemljinoj masi. Godišnja proizvodnja toplotne energije je oko 13 MWh

Na udaljenosti od 0,5 i 1 m od glavne bušotine izbušene su dvije dodatne bušotine u koje su ugrađeni temperaturni senzori na dubini od 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 i 105 m, nakon čega su bunari ispunjeni glineno-cementnom smjesom. Temperature su mjerene svakih trideset minuta. Osim temperature tla, zabilježeni su i drugi parametri: brzina kretanja rashladne tekućine, potrošnja energije pogonom kompresora toplinske pumpe, temperatura zraka itd.

Prvi period posmatranja trajao je od 1986. do 1991. godine. Mjerenja su pokazala da se utjecaj topline vanjskog zraka i sunčevog zračenja uočava u površinskom sloju tla na dubini do 15 m. Ispod ovog nivoa, toplinski režim tla se formira uglavnom zbog topline unutrašnjosti zemlje. Tokom prve 2-3 godine rada temperatura tla oko vertikalnog izmjenjivača topline je naglo opao, ali svake godine pad temperature opada, a nakon nekoliko godina sistem je dostigao režim blizu konstantnog, kada je temperatura mase tla oko izmjenjivača topline postala 1-2 °C niža od originalni.

U jesen 1996., deset godina nakon što je sistem počeo sa radom, mjerenja su nastavljena. Ova mjerenja su pokazala da se temperatura tla nije značajno promijenila. U narednim godinama zabilježene su neznatne fluktuacije temperature tla unutar 0,5 stepeni C u zavisnosti od godišnjeg opterećenja grijanja. Tako je sistem dostigao kvazistacionarni režim nakon prvih nekoliko godina rada.

Na osnovu eksperimentalnih podataka konstruisani su matematički modeli procesa koji se odvijaju u zemljišnoj masi, što je omogućilo dugoročnu prognozu promena temperature zemljišne mase.

Matematičko modeliranje pokazalo je da će se godišnji pad temperature postepeno smanjivati, a volumen mase tla oko izmjenjivača topline, podložan sniženju temperature, svake godine će se povećavati. Na kraju radnog perioda počinje proces regeneracije: temperatura tla počinje rasti. Priroda procesa regeneracije slična je prirodi procesa "odabira" topline: u prvim godinama rada dolazi do naglog povećanja temperature tla, au narednim godinama stopa porasta temperature opada. Trajanje perioda „regeneracije“ zavisi od trajanja perioda rada. Ova dva perioda su približno ista. U predmetnom slučaju, period rada izmjenjivača topline zemlje bio je trideset godina, a period „regeneracije“ je također procijenjen na trideset godina.

Dakle, sistemi grijanja i hlađenja zgrada koje koriste nisku toplotu sa Zemlje predstavljaju pouzdan izvor energije koji se može koristiti svuda. Ovaj izvor se može koristiti dosta dugo, a može se obnoviti na kraju radnog perioda.

Književnost

1. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih toplotnih pumpi (GHP) u Evropi i svetu; aspekti održivosti GHP. Međunarodni kurs geotermalnih toplotnih pumpi, 2002

2. Vasiljev G.P., Krundišev N.S. Energetski efikasna seoska škola u regionu Jaroslavlja. ABOK br. 5, 2002

3. Sanner B. Izvori toplote tla za toplotne pumpe (klasifikacija, karakteristike, prednosti). 2002

4. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih toplotnih pumpi (GHP) u Evropi i svetu; aspekti održivosti GHP. Međunarodni kurs geotermalnih toplotnih pumpi, 2002

5. ORKUSTOFNUN Radna grupa, Island (2001): Održiva proizvodnja geotermalne energije – predložena definicija. IGA News br. 43, januar-mart 2001, 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Sistemi toplotnih pumpi iz zemlje – evropski iskustvo. GeoHeat- Center Bull. 21/1, 2000

7. Ušteda energije sa toplotnim pumpama za stanovanje u hladnim klimama. Maxi brošura 08. KADET, 1997

8. Atkinson Schaefer L. Analiza toplinske pumpe apsorpcije sa jednim pritiskom. Predstavljena disertacija Akademskom fakultetu. Tehnološki institut Džordžije, 2000

9. Morley T. Obrnuti toplotni motor kao sredstvo za grijanje zgrada, The Engineer 133: 1922.

10. Fearon J. Istorijat i razvoj toplotne pumpe, hlađenja i klimatizacije. 1978

11. Vasiliev G.P. Energetski efikasne zgrade sa sistemima grijanja na toplotnu pumpu. Stambeno-komunalni časopis, br. 12, 2002

12. Smjernice za korištenje toplotnih pumpi koje koriste sekundarne izvore energije i netradicionalne obnovljive izvore energije. Moskomarhitektura. Državno jedinstveno preduzeće "NIAC", 2001

13. Energetski efikasna stambena zgrada u Moskvi. ABOK br. 4, 1999

14. Vasiliev G.P. Energetski efikasna eksperimentalna stambena zgrada u mikrookrug Nikulino-2. ABOK br. 4, 2002

Temperatura se mijenja sa dubinom. Zbog neravnomjernog snabdijevanja sunčevom toplinom, površina zemlje se ponekad zagrijava, a ponekad hladi. Ove temperaturne fluktuacije prodiru vrlo plitko u debljinu Zemlje. Dakle, dnevne fluktuacije na dubini od 1 m obično se više gotovo i ne osjećaju. Što se tiče godišnjih fluktuacija, one prodiru na različite dubine: u toplim zemljama za 10-15 m, au zemljama sa hladnim zimama i vrućim ljetima do 25-30, pa čak i 40 m. Dublje 30-40 m Već svugdje na Zemlji temperatura ostaje nepromijenjena. Na primjer, termometar postavljen u podrumu Pariske opservatorije uvijek je pokazivao 11°.85C više od 100 godina.

Sloj sa konstantnom temperaturom posmatra se širom planete i naziva se pojasom konstantne ili neutralne temperature. Dubina ovog pojasa varira u zavisnosti od klimatskih uslova, a temperatura je približno jednaka srednjoj godišnjoj temperaturi datog mesta.

Prilikom spuštanja dublje u Zemlju ispod sloja konstantne temperature obično se primjećuje postepeno povećanje temperature. To su prvi primijetili radnici u dubokim rudnicima. To je uočeno i pri postavljanju tunela. Na primjer, prilikom postavljanja tunela Simplon (u Alpima), temperatura je porasla na 60°, što je stvaralo znatne poteškoće u radu. U dubokim bušotinama primećuju se čak i više temperature. Primjer je Chukhovskaya bunar (Gornja Šlezija), u kojoj se na dubini od 2220 g. m temperatura je bila preko 80° (83°, 1) itd. Na osnovu mnogih zapažanja izvršenih na raznim mestima na Zemlji, bilo je moguće utvrditi da je u proseku, sa produbljivanjem na svaka 33 m temperatura se povećava za 1°C.

Broj metara koji se mora ući dublje u Zemlju da bi se temperatura povećala za 1°C naziva se geotermalni korak. Geotermalna faza nije ista u različitim slučajevima i najčešće se kreće od 30 do 35 m. U nekim slučajevima, ove fluktuacije mogu biti veće. Na primjer, u državi Michigan (SAD), u jednoj od bušotina koja se nalazi u blizini jezera. Michigan, pokazalo se da geotermalna faza nije bila 33, nego 70 m. Naprotiv, vrlo mali geotermalni korak uočen je u jednoj od bušotina u Meksiku, tamo na dubini od 670 m pojavila se voda sa temperaturom od 70°. Tako se pokazalo da je geotermalna faza tek oko 12 m. Male geotermalne stepenice se također primjećuju u vulkanskim područjima, gdje na malim dubinama mogu biti još neohlađeni slojevi magmatskih stijena. Ali svi takvi slučajevi nisu toliko pravila koliko izuzeci.

Postoji mnogo razloga koji utiču na geotermalnu fazu. (Pored navedenog, možete istaknuti različite toplotne provodljivosti stijene, o prirodi pojave slojeva itd.

Teren je od velike važnosti u raspodjeli temperatura. Potonje se jasno može vidjeti na priloženom crtežu (slika 23), koji prikazuje poprečni presjek Alpa duž linije tunela Simplon, sa isprekidanim geoizotermama (tj. linijama jednakih temperatura unutar Zemlje). Čini se da geoizoterme ovdje prate reljef, ali s dubinom utjecaj reljefa postepeno opada. (Snažan zavoj geoizoterme u Balleu nadole je posledica jake cirkulacije vode koja je ovde uočena.)

Temperatura Zemlje na velikim dubinama. Zapažanja temperatura u bušotinama čija dubina rijetko prelazi 2-3 km, Naravno, oni ne mogu dati predstavu o temperaturama dubljih slojeva Zemlje. Ali tu nam u pomoć priskaču neke pojave iz života. zemljine kore. Vulkanizam je jedan od ovih fenomena. Vulkani široko rasprostranjeni zemljine površine, donose rastopljenu lavu na površinu Zemlje, čija je temperatura preko 1000°. Stoga na velikim dubinama imamo temperature koje prelaze 1000°.

Bilo je vremena kada su naučnici, na osnovu geotermalne faze, pokušavali da izračunaju dubinu na kojoj mogu da se pojave temperature do 1000-2000°. Međutim, takvi proračuni se ne mogu smatrati dovoljno potkrijepljenim. Zapažanja o temperaturi rashladne bazaltne kugle i teorijski proračuni daju razlog da se kaže da se veličina geotermalnog koraka povećava sa dubinom. Ali u kojoj mjeri i u kojoj dubini dolazi do takvog povećanja, također još ne možemo reći.

Ako pretpostavimo da temperatura kontinuirano raste sa dubinom, onda bi je u centru Zemlje trebalo mjeriti u desetinama hiljada stepeni. Na takvim temperaturama sve nam poznate stijene trebale bi preći u tečno stanje. Istina, unutar Zemlje postoji ogroman pritisak, a o stanju tijela pri takvim pritiscima ne znamo ništa. Međutim, nemamo nikakvih dokaza da se temperatura stalno povećava sa dubinom. Sada većina geofizičara dolazi do zaključka da temperatura unutar Zemlje teško može biti veća od 2000°.

Izvori toplote. Što se tiče izvora toplote koji određuju unutrašnju temperaturu Zemlje, oni mogu biti različiti. Na osnovu hipoteza koje smatraju da je Zemlja formirana od vruće i rastopljene mase, unutrašnju toplotu treba smatrati zaostalom toplotom tela koje se hladi sa površine. Međutim, postoji razlog za vjerovanje da uzrok unutrašnje visoke temperature Zemlje može biti radioaktivni raspad uranijuma, torija, aktinouranija, kalija i drugih elemenata sadržanih u stijenama. Radioaktivni elementi su uglavnom raspoređeni u kiselim stijenama površinske ljuske Zemlje; U isto vrijeme, glavne stijene su njima bogatije od željeznih meteorita, koji se smatraju fragmentima unutrašnji delovi kosmička tela

Unatoč maloj količini radioaktivnih tvari u stijenama i njihovom sporom raspadu, ukupna količina topline koja nastaje radioaktivnim raspadom je velika. Sovjetski geolog V. G. Khlopin izračunali su da su radioaktivni elementi sadržani u gornjoj 90-kilometarskoj ljusci Zemlje dovoljni da pokriju gubitak topline sa planete zračenjem. Zajedno sa radioaktivnim raspadom, toplotna energija se oslobađa kada se Zemljina materija sabije, kada hemijske reakcije itd.

- Izvor-

Polovinkin, A.A. Osnove opšte geonauke/ A.A. Polovinkin - M.: Državna prosvetna i pedagoška izdavačka kuća Ministarstva prosvete RSFSR, 1958. - 482 str.

Broj pregleda: 179

Kirill Degtyarev, istraživač, Moskovski državni univerzitet. M. V. Lomonosov.

U našoj zemlji, bogatoj ugljovodonicima, geotermalna energija je vrsta egzotičnog resursa, koji, s obzirom na sadašnje stanje, teško da će biti konkurencija naftom i gasom. Međutim, ova alternativna vrsta energije može se koristiti gotovo svuda i prilično efikasno.

Fotografija Igora Konstantinova.

Promjene temperature tla sa dubinom.

Porast temperature termalne vode a njihov domaćin suve stene sa dubinom.

Temperatura se mijenja sa dubinom u različitim regijama.

Erupcija islandskog vulkana Eyjafjallajokull ilustracija je nasilnih vulkanskih procesa koji se dešavaju u aktivnim tektonskim i vulkanskim zonama sa snažnim toplotnim tokom iz utrobe zemlje.

Instalirani kapaciteti geotermalnih elektrana po zemljama, MW.

Distribucija geotermalnih resursa širom Rusije. Zalihe geotermalne energije, prema mišljenju stručnjaka, nekoliko su puta veće od energetskih rezervi organskih fosilnih goriva. Prema Geotermal Energy Society.

Geotermalna energija je toplota unutrašnjosti Zemlje. Proizvodi se u dubinama i dopire do površine Zemlje u različitim oblicima i različitim intenzitetom.

Temperatura gornjih slojeva tla ovisi uglavnom o vanjskim (egzogenim) faktorima - sunčevoj svjetlosti i temperaturi zraka. Ljeti i tokom dana tlo se zagrijava do određene dubine, a zimi i noću se hladi prateći promjene temperature zraka i sa određenim zakašnjenjem koje se povećava sa dubinom. Utjecaj dnevnih kolebanja temperature zraka završava se na dubinama od nekoliko do nekoliko desetina centimetara. Sezonske fluktuacije utiču na dublje slojeve tla - do desetina metara.

Na određenoj dubini - od desetina do stotina metara - temperatura tla ostaje konstantna, jednaka prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka na površini Zemlje. To možete lako provjeriti spuštanjem u prilično duboku pećinu.

Kada prosječne godišnje temperature vazduh u datom području je ispod nule, to se manifestuje kao permafrost (tačnije, permafrost). IN Istočni Sibir Debljina, odnosno debljina, cjelogodišnjih smrznutih tla na pojedinim mjestima dostiže 200-300 m.

Sa određene dubine (različite za svaku tačku na karti) djelovanje Sunca i atmosfere toliko slabi da su endogeni (unutrašnji) faktori na prvom mjestu i unutrašnjost Zemlje se zagrijava iznutra, tako da temperatura počinje rasti. sa dubinom.

Zagrijavanje dubokih slojeva Zemlje povezano je uglavnom s raspadom radioaktivnih elemenata koji se tamo nalaze, iako se i drugi izvori topline nazivaju, na primjer, fizičko-hemijski, tektonski procesi u dubokim slojevima zemljine kore i plašta. Ali bez obzira na razlog, temperatura stijena i povezanih tekućih i plinovitih tvari raste s dubinom. Rudari se suočavaju s ovim fenomenom - u dubokim rudnicima je uvijek vruće. Na dubini od 1 km, temperatura od trideset stepeni je normalna, a dublje temperatura je još viša.

Toplotni tok zemljine unutrašnjosti koji dopire do površine Zemlje je mali - njegova snaga je u prosjeku 0,03-0,05 W/m2,
ili približno 350 Wh/m2 godišnje. Na pozadini toplotnog toka od Sunca i zraka koji se njime zagrijava, ovo je neprimjetna vrijednost: Sunce daje svakom kvadratnom metru zemljine površine oko 4000 kWh godišnje, odnosno 10 000 puta više (naravno, ovo je u prosjeku, sa ogromnim rasponom između polarnih i ekvatorijalnih širina i ovisno o drugim klimatskim i vremenskim faktorima).

Neznačajnost toplotnog toka iz unutrašnjosti prema površini u većem dijelu planete povezana je sa niskom toplotnom provodljivošću stijena i posebnostima geološke strukture. Ali postoje izuzeci - mjesta gdje je protok topline visok. To su, prije svega, zone tektonskih rasjeda, povećane seizmičke aktivnosti i vulkanizma, gdje energija unutrašnjosti zemlje nalazi izlaz. Takve zone karakteriziraju termalne anomalije litosfere, ovdje toplinski tok koji dopire do površine Zemlje može biti nekoliko puta, pa čak i za redove veličine, jači od „običnog“. Vulkanske erupcije i topli izvori donose ogromne količine toplote na površinu u ovim zonama.

Upravo su ova područja najpovoljnija za razvoj geotermalne energije. Na teritoriji Rusije to su, prije svega, Kamčatka, Kurilska ostrva i Kavkaz.

Istovremeno, razvoj geotermalne energije moguć je skoro svuda, jer je povećanje temperature sa dubinom univerzalna pojava, a zadatak je da se „izvuče“ toplota iz dubine, kao što se odatle crpe mineralne sirovine.

U prosjeku, temperatura raste sa dubinom za 2,5-3 o C na svakih 100 m. Odnos temperaturne razlike između dvije tačke koje leže na različitim dubinama i razlike u dubinama između njih naziva se geotermalni gradijent.

Recipročna vrijednost je geotermalni korak, odnosno interval dubine na kojem temperatura raste za 1 o C.

Što je veći gradijent i, shodno tome, što je niži stupanj, toplina Zemljinih dubina se približava površini i ovo područje je perspektivnije za razvoj geotermalne energije.

U različitim područjima, u zavisnosti od geološke strukture i drugih regionalnih i lokalnih uslova, brzina porasta temperature sa dubinom može dramatično varirati. Na Zemljinoj skali, fluktuacije u veličini geotermalnih gradijenta i stepenica dostižu 25 puta. Na primjer, u državi Oregon (SAD), gradijent je 150 o C po 1 km, a u Južna Afrika- 6 o C na 1 km.

Pitanje je kolika je temperatura na velikim dubinama - 5, 10 km ili više? Ako se trend nastavi, temperatura na dubini od 10 km bi u prosjeku trebala biti otprilike 250-300 o C. To je manje-više potvrđeno direktnim zapažanjima u ultra dubokim bušotinama, iako je slika mnogo složenija od linearnog povećanja temperature. .

Na primjer, u superdubokoj bušotini Kola, izbušenoj u Baltičkom kristalnom štitu, temperatura do dubine od 3 km se mijenja brzinom od 10 o C/1 km, a zatim geotermalni gradijent postaje 2-2,5 puta veći. Na dubini od 7 km već je zabilježena temperatura od 120 o C, na 10 km - 180 o C, a na 12 km - 220 o C.

Drugi primjer je bušotina izbušena u sjevernom Kaspijskom regionu, gdje je na dubini od 500 m zabilježena temperatura od 42 o C, na 1,5 km - 70 o C, na 2 km - 80 o C, na 3 km - 108 o C .

Pretpostavlja se da se geotermalni gradijent smanjuje počevši od dubine od 20-30 km: na dubini od 100 km procijenjene temperature su oko 1300-1500 o C, na dubini od 400 km - 1600 o C, u Zemljinoj jezgro (dubine veće od 6000 km) - 4000-5000 o SO.

Na dubinama do 10-12 km temperatura se mjeri kroz izbušene bušotine; gdje ih nema, određuje se posrednim znakovima na isti način kao i na većim dubinama. Takvi indirektni znakovi mogu biti priroda prolaska seizmičkih valova ili temperatura lave koja eruptira.

Međutim, za potrebe geotermalne energije podaci o temperaturama na dubinama većim od 10 km još nisu od praktičnog interesa.

Na dubinama od nekoliko kilometara ima puno topline, ali kako je podići? Ponekad nam sama priroda rješava ovaj problem uz pomoć prirodnog rashladnog sredstva - zagrijane termalne vode koje izlaze na površinu ili leže na nama dostupnoj dubini. U nekim slučajevima, voda u dubini se zagrijava do stanja pare.

Ne postoji striktna definicija pojma „termalne vode“. U pravilu se podrazumijevaju tople podzemne vode u tekućem stanju ili u obliku pare, uključujući i one koje na površinu Zemlje izlaze s temperaturom iznad 20 o C, odnosno po pravilu višom od temperature zraka.

Toplina podzemne vode, pare, mješavine pare i vode je hidrotermalna energija. Shodno tome, energija zasnovana na njenoj upotrebi naziva se hidrotermalna.

Situacija je složenija s ekstrakcijom topline direktno iz suhih stijena - petrotermalne energije, pogotovo jer prilično visoke temperature, u pravilu, počinju s dubine od nekoliko kilometara.

Na teritoriji Rusije potencijal petrotermalne energije je sto puta veći od hidrotermalne energije - 3.500 odnosno 35 triliona tona standardnog goriva. To je sasvim prirodno - toplina dubina Zemlje dostupna je posvuda, a termalne vode se nalaze lokalno. Međutim, zbog očiglednih tehničkih poteškoća, termalne vode se trenutno uglavnom koriste za proizvodnju toplinske i električne energije.

Voda temperature od 20-30 do 100 o C je pogodna za grijanje, sa temperaturama od 150 o C i više - i za proizvodnju električne energije u geotermalnim elektranama.

Generalno, geotermalni resursi u Rusiji, u smislu tona ekvivalentnog goriva ili bilo koje druge mjerne jedinice energije, približno su 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.

Teoretski, samo geotermalna energija bi mogla u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. U praksi, trenutno na većem dijelu njene teritorije to nije izvodljivo iz tehničkih i ekonomskih razloga.

U svijetu se korištenje geotermalne energije najčešće povezuje s Islandom, državom koja se nalazi na sjevernom kraju Srednjoatlantskog grebena, u izuzetno aktivnoj tektonskoj i vulkanskoj zoni. Svi se vjerovatno sjećaju snažne erupcije vulkana Eyjafjallajökull 2010. godine.

Upravo zahvaljujući ovoj geološkoj specifičnosti Island ima ogromne rezerve geotermalne energije, uključujući tople izvore koji izlaze na površinu Zemlje i čak izbijaju u obliku gejzira.

Na Islandu preko 60% sve energije koja se trenutno troši dolazi sa Zemlje. Geotermalni izvori obezbjeđuju 90% grijanja i 30% proizvodnje električne energije. Dodajmo da ostatak električne energije u zemlji proizvode hidroelektrane, odnosno također koristeći obnovljivi izvor energije, zbog čega Island izgleda kao svojevrsni globalni ekološki standard.

Pripitomljavanje geotermalne energije u 20. vijeku uvelike je imalo ekonomsku korist Islanda. Sve do sredine prošlog veka bilo je veoma jadna zemlja, sada zauzima prvo mjesto u svijetu po instalisanom kapacitetu i proizvodnji geotermalne energije po stanovniku te je u prvih deset po apsolutnoj vrijednosti instalisanog kapaciteta geotermalnih elektrana. Međutim, njegova populacija je samo 300 hiljada ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potreba za tim je općenito mala.

Osim Islanda, visok udio geotermalne energije u ukupnom bilansu proizvodnje električne energije obezbjeđuju i Novi Zeland i ostrvske države jugoistočne Azije (Filipini i Indonezija), zemlje Centralne Amerike i Istočne Afrike, čija je teritorija takođe karakterizira visoka seizmička i vulkanska aktivnost. Za ove zemlje, na njihovom sadašnjem nivou razvoja i potreba, geotermalna energija daje značajan doprinos društveno-ekonomskom razvoju.

(Slijedi kraj.)

Zamislite dom koji se uvijek održava na ugodnoj temperaturi, bez sistema grijanja ili hlađenja na vidiku. Ovaj sistem radi efikasno, ali ne zahtijeva složeno održavanje ili posebna znanja vlasnika.

Vazduh je svež, čuje se cvrkut ptica i vetar kako se lenjo igra lišćem na drveću. Kuća prima energiju iz zemlje, kao što lišće prima energiju iz korijena. Divna slika, zar ne?

Geotermalni sistemi grijanja i hlađenja čine ovu viziju stvarnošću. Geotermalni NVK sistemi i (grijanje, ventilacija i klimatizacija) koristi temperaturu zemlje za grijanje zimi i hlađenje ljeti.

Kako funkcionira geotermalno grijanje i hlađenje

Temperatura okruženje mijenja se s promjenom godišnjih doba, ali se temperatura podzemlja ne mijenja toliko značajno zbog izolacijskih svojstava zemlje. Na dubini od 1,5-2 metra temperatura ostaje relativno konstantna tokom cijele godine. Geotermalni sistem se obično sastoji od unutrašnje opreme za tretman, podzemnog sistema cijevi koji se naziva podzemna petlja i/ili pumpe za cirkulaciju vode. Sistem koristi konstantnu temperaturu zemlje da obezbedi „čistu i besplatnu“ energiju.

(Ne brkajte koncept geotermalnog NVC sistema sa "geotermalnom energijom" - procesom u kojem se električna energija proizvodi direktno iz visokih temperatura u zemlji. Ovaj drugi koristi drugu vrstu opreme i različite procese, čija je svrha obično zagrejati vodu do tačke ključanja.)

Cijevi koje čine podzemnu petlju obično su izrađene od polietilena i mogu se postaviti horizontalno ili vertikalno ispod zemlje, ovisno o terenu. Ako je vodonosnik dostupan, inženjeri mogu dizajnirati sistem "otvorene petlje" bušenjem bunara do podzemne vode. Voda se ispumpava, prolazi kroz izmjenjivač topline, a zatim se ponovno ubrizgava u isti vodonosni sloj kroz „ponovno ubrizgavanje“.

Zimi voda koja prolazi kroz podzemnu petlju apsorbira toplinu zemlje. Unutrašnja oprema dodatno povećava temperaturu i distribuira je po cijeloj zgradi. To je kao klima uređaj koji radi u rikverc. Ljeti geotermalni NVC sistem uzima vodu iz visoka temperatura iz zgrade i prenosi ga kroz podzemnu petlju/pumpu do reinjektnog bunara gdje voda ulazi u hladnije tlo/akvifer.

Za razliku od konvencionalnih sistema grijanja i hlađenja, geotermalni HVAC sistemi ne koriste fosilna goriva za proizvodnju topline. Oni jednostavno uzimaju toplotu iz zemlje. Obično se električna energija koristi samo za rad ventilatora, kompresora i pumpe.

Postoje tri glavne komponente u geotermalnom sistemu hlađenja i grijanja: toplotna pumpa, fluid za prijenos topline (otvoreni ili zatvoreni sistem) i sistem za dovod zraka (sistem cjevovoda).

Za geotermalne toplotne pumpe, kao i za sve druge tipove toplotnih pumpi, meren je omjer njihovog korisnog delovanja i energije utrošene za ovo delovanje (efikasnosti). Većina sistema geotermalnih toplotnih pumpi ima efikasnost od 3,0 do 5,0. To znači da sistem pretvara jednu jedinicu energije u 3-5 jedinica toplote.

Geotermalni sistemi ne zahtijevaju visoko održavanje. Pravilno postavljena, što je vrlo važno, podzemna petlja može dobro služiti nekoliko generacija. Ventilator, kompresor i pumpa se nalaze unutra unutra i zaštićeni su od promjenjivih vremenskih uvjeta, tako da njihov vijek trajanja može trajati godinama, a često i decenijama. Rutinske periodične provere, pravovremena zamena filtera i godišnje čišćenje spirale su jedino održavanje koje je potrebno.

Iskustvo upotrebe geotermalni NVC sistema

Geotermalni NVC sistemi se koriste više od 60 godina širom svijeta. Oni rade sa prirodom, a ne protiv nje, i ne emituju gasove staklene bašte (kao što je ranije rečeno, troše manje električne energije jer iskorištavaju stalnu temperaturu zemlje).

Geotermalni HVAC sistemi sve više postaju atributi ekološki prihvatljivih domova, kao dio rastućeg pokreta zelene gradnje. Zeleni projekti činili su 20 posto svih kuća izgrađenih u Sjedinjenim Državama prošle godine. Članak u Wall Street Journalu procjenjuje da će do 2016. godine budžet zelene zgrade porasti sa 36 milijardi dolara godišnje na 114 milijardi dolara. To će činiti 30-40 posto cjelokupnog tržišta nekretnina.

Ali veliki dio informacija o geotermalnom grijanju i hlađenju zasnovan je na zastarjelim podacima ili nepotkrijepljenim mitovima.

Razbijanje mitova o geotermalnim NVC sistemima

1. Geotermalni NVC sistemi nisu obnovljiva tehnologija jer koriste električnu energiju.

Činjenica: Geotermalni HVAC sistemi koriste samo jednu jedinicu električne energije za proizvodnju do pet jedinica za hlađenje ili grijanje.

2. Sunčeva energija i energija vjetra su povoljnije obnovljive tehnologije u odnosu na geotermalne NVC sisteme.

Činjenica: Geotermalni HVAC sistemi za jedan dolar generišu četiri puta više kilovat-sati nego što proizvodi solarna ili energija vjetra za isti dolar. Ove tehnologije mogu, naravno, da igraju važnu ulogu u životnoj sredini, ali geotermalni NVC sistem je često najefikasniji i najisplativiji način da se smanji uticaj na životnu sredinu.

3. Geotermalni NVC sistem zahtijeva puno prostora za smještaj podzemnih polietilenskih cijevi.

Činjenica: U zavisnosti od terena, podzemna petlja može biti okomita, što znači da je potrebna mala površina. Ako postoji pristupačan vodonosnik, tada je potrebno samo nekoliko kvadratnih metara površine. Imajte na umu da se voda vraća u isti vodonosnik iz kojeg je uzeta nakon prolaska kroz izmjenjivač topline. Dakle, voda ne otiče i ne zagađuje vodonosnik.

4. NVK geotermalne toplotne pumpe su bučne.

Činjenica: Sistemi su veoma tihi i napolju nema opreme koja bi izbegla ometanje komšija.

5. Geotermalni sistemi se na kraju istroše.

Činjenica: Podzemne petlje mogu trajati generacijama. Oprema za izmjenu topline obično traje decenijama jer je zaštićena u zatvorenom prostoru. Kada dođe vrijeme za zamjenu opreme, cijena zamjene je mnogo manja od novog geotermalnog sistema jer su podzemna petlja i bunar najskuplji dijelovi. Nova tehnička rješenja otklanjaju problem zadržavanja topline u zemlji, pa sistem može razmjenjivati temperature u neograničenim količinama. U prošlosti je bilo slučajeva propuštenih sistema koji su zapravo pregrijavali ili pothlađeni tlo do te mjere da više nije postojala temperaturna razlika potrebna za funkcioniranje sistema.

6. Geotermalni NVC sistemi rade samo za grijanje.

Činjenica: jednako efikasno rade za hlađenje i mogu biti dizajnirani tako da nema potrebe za dodatnim rezervnim izvorom topline. Iako neki kupci odlučuju da je isplativije imati mali rezervni sistem za najhladnija vremena. To znači da će njihova podzemna petlja biti manja i stoga jeftinija.

7. Geotermalni HVAC sistemi ne mogu istovremeno grijati vodu za kućne potrebe, grijati vodu u bazenu i grijati kuću.

Činjenica: Sistemi mogu biti dizajnirani da obavljaju mnoge funkcije istovremeno.

8. Geotermalni NVC sistemi zagađuju zemlju rashladnim fluidima.

Činjenica: Većina sistema koristi samo vodu u petljama.

9. Geotermalni NVC sistemi koriste mnogo vode.

Činjenica: Geotermalni sistemi zapravo ne koriste vodu. Ako se podzemna voda koristi za izmjenu temperature, tada se sva voda vraća u isti vodonosni sloj. U prošlosti su se zaista koristili neki sistemi koji su trošili vodu nakon što je prošla kroz izmjenjivač topline, ali se takvi sistemi danas rijetko koriste. Ako posmatrate problem sa komercijalne tačke gledišta, geotermalni NVC sistemi zapravo štede milione litara vode koja bi isparila u tradicionalnim sistemima.

10. Geotermalna NVC tehnologija nije finansijski izvodljiva bez državnih i regionalnih poreskih podsticaja.

Činjenica: Državni i regionalni poticaji obično čine 30 do 60 posto ukupnih troškova geotermalnog sistema, što često može spustiti početnu cijenu na gotovo isti nivo kao konvencionalna oprema. Standardni HVAC vazdušni sistemi koštaju oko 3.000 dolara po toni toplote ili hladnoće (kuće obično koriste jednu do pet tona). Cijena geotermalnih NVC sistema kreće se od približno 5.000 dolara po toni do 8.000-9.000 dolara. Međutim, nove metode ugradnje značajno smanjuju troškove, sve do cijena konvencionalnih sistema.

Smanjenje troškova može se postići i kroz popuste na opremu za javnu ili komercijalnu upotrebu, ili čak velike narudžbe stambene prirode (posebno od velikih brendova kao što su Bosch, Carrier i Trane). Otvorene petlje, koje koriste pumpu i bunar za ponovno ubrizgavanje, jeftinije su za ugradnju od sistema zatvorene petlje.

Zasnovano na materijalima sa: energyblog.nationalgeographic.com

Geotermalna energija je toplota unutrašnjosti Zemlje. Proizvodi se u dubinama i dopire do površine Zemlje u različitim oblicima i različitim intenzitetom.

Kada je srednja godišnja temperatura vazduha u datom području ispod nule, to se manifestuje kao permafrost (tačnije, permafrost). U istočnom Sibiru debljina, odnosno debljina, cjelogodišnjih smrznutih tla na pojedinim mjestima dostiže 200-300 m.

Toplotni tok zemljine unutrašnjosti koji dopire do površine Zemlje je mali - njegova snaga je u prosjeku 0,03–0,05 W/m2, odnosno otprilike 350 Wh/m2 godišnje. Na pozadini toplotnog toka od Sunca i zraka koji se njime zagrijava, ovo je neprimjetna vrijednost: Sunce daje svakom kvadratnom metru zemljine površine oko 4000 kWh godišnje, odnosno 10 000 puta više (naravno, ovo je u prosjeku, sa ogromnim rasponom između polarnih i ekvatorijalnih širina i ovisno o drugim klimatskim i vremenskim faktorima).

Upravo su ova područja najpovoljnija za razvoj geotermalne energije. Na teritoriji Rusije to su, prije svega, Kamčatka, Kurilska ostrva i Kavkaz.

U prosjeku, temperatura raste s dubinom za 2,5-3°C na svakih 100 m. Odnos temperaturne razlike između dvije tačke koje leže na različitim dubinama i razlike između njih naziva se geotermalni gradijent.

Recipročna je geotermalna faza, ili interval dubine u kojem temperatura raste za 1°C.

Što je veći gradijent i, shodno tome, što je niži stupanj, toplina Zemljinih dubina se približava površini i ovo područje je perspektivnije za razvoj geotermalne energije.

U različitim područjima, u zavisnosti od geološke strukture i drugih regionalnih i lokalnih uslova, brzina porasta temperature sa dubinom može dramatično varirati. Na Zemljinoj skali, fluktuacije u veličini geotermalnih gradijenta i stepenica dostižu 25 puta. Na primjer, u Oregonu (SAD) gradijent je 150°C na 1 km, au Južnoj Africi - 6°C na 1 km.

Pitanje je kolika je temperatura na velikim dubinama - 5, 10 km ili više? Ako se trend nastavi, temperature na dubini od 10 km bi u prosjeku trebale biti oko 250-300°C. To je manje-više potvrđeno direktnim zapažanjima u ultra dubokim bušotinama, iako je slika mnogo složenija od linearnog povećanja temperature.

Na primjer, u superdubokoj bušotini Kola, izbušenoj u Baltičkom kristalnom štitu, temperatura do dubine od 3 km se mijenja brzinom od 10°C/1 km, a zatim geotermalni gradijent postaje 2-2,5 puta veći. Na dubini od 7 km već je zabilježena temperatura od 120°C, na 10 km - 180°C, a na 12 km - 220°C.

Drugi primjer je bušotina izbušena u sjevernom Kaspijskom regionu, gdje je na dubini od 500 m zabilježena temperatura od 42°C, na 1,5 km - 70°C, na 2 km - 80°C, na 3 km - 108°C .

Pretpostavlja se da se geotermalni gradijent smanjuje počevši od dubine od 20–30 km: na dubini od 100 km, procijenjene temperature su oko 1300–1500°C, na dubini od 400 km - 1600°C, u Zemljinoj jezgro (dubine veće od 6000 km) - 4000–5000° C.

Na dubinama do 10–12 km temperatura se mjeri kroz izbušene bušotine; gdje ih nema, određuje se posrednim znakovima na isti način kao i na većim dubinama. Takvi indirektni znakovi mogu biti priroda prolaska seizmičkih valova ili temperatura lave koja eruptira.

Međutim, za potrebe geotermalne energije podaci o temperaturama na dubinama većim od 10 km još nisu od praktičnog interesa.

Ne postoji striktna definicija pojma „termalne vode“. U pravilu se podrazumijevaju tople podzemne vode u tečnom stanju ili u obliku pare, uključujući i one koje na površinu Zemlje izlaze s temperaturom iznad 20°C, odnosno u pravilu višom od temperature zraka. .

Toplina podzemne vode, pare, mješavine pare i vode je hidrotermalna energija. Shodno tome, energija zasnovana na njenoj upotrebi naziva se hidrotermalna.

Situacija je složenija s ekstrakcijom topline direktno iz suhih stijena - petrotermalne energije, pogotovo jer prilično visoke temperature, u pravilu, počinju s dubine od nekoliko kilometara.

Vode temperature od 20-30 do 100°C pogodne su za grijanje, temperature od 150°C i više su pogodne za proizvodnju električne energije u geotermalnim elektranama.

Generalno, geotermalni resursi u Rusiji, u smislu tona ekvivalentnog goriva ili bilo koje druge mjerne jedinice energije, približno su 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.

U svijetu se korištenje geotermalne energije najčešće povezuje s Islandom, državom koja se nalazi na sjevernom kraju Srednjoatlantskog grebena, u izuzetno aktivnoj tektonskoj i vulkanskoj zoni. Vjerovatno se svi sjećaju snažne erupcije vulkana Eyjafjallajökull ( Eyjafjallajökull) 2010.

Upravo zahvaljujući ovoj geološkoj specifičnosti Island ima ogromne rezerve geotermalne energije, uključujući tople izvore koji izlaze na površinu Zemlje i čak izbijaju u obliku gejzira.

Pripitomljavanje geotermalne energije u 20. vijeku uvelike je imalo ekonomsku korist Islanda. Do sredine prošlog stoljeća bila je veoma siromašna država, sada je prva u svijetu po instaliranom kapacitetu i proizvodnji geotermalne energije po glavi stanovnika i u prvih deset po apsolutnoj vrijednosti instalisanog kapaciteta geotermalnih elektrana . Međutim, njegova populacija je samo 300 hiljada ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potreba za tim je općenito mala.

Upotreba geotermalne energije ima veoma dugu istoriju. Jedan od prvih poznatih primjera je Italija, mjesto u provinciji Toskana, koje se danas zove Larderello, gdje je čak i god. početkom XIX stoljeća, lokalne tople termalne vode, koje su tekle prirodno ili izvađene iz plitkih bunara, korištene su u energetske svrhe.

Voda iz podzemnih izvora, bogata borom, korišćena je ovde za dobijanje borne kiseline. U početku se ova kiselina dobivala isparavanjem u željeznim kotlovima, a kao gorivo se uzimalo obično drvo za ogrjev iz obližnjih šuma, ali je 1827. godine Francesco Larderel stvorio sistem koji je radio na toplini same vode. Istovremeno je energija prirodne vodene pare počela da se koristi za rad bušaćih uređaja, a početkom 20. veka - za grejanje lokalnih kuća i plastenika. Tamo, u Larderelu, 1904. godine, termalna vodena para postala je izvor energije za proizvodnju električne energije.

Primjer Italije slijedilo je još nekoliko zemalja krajem 19. i početkom 20. stoljeća. Na primjer, 1892. godine termalne vode su prvi put korištene za lokalno grijanje u SAD-u (Boise, Idaho), 1919. godine u Japanu, a 1928. godine na Islandu.

U SAD-u, prva elektrana na hidrotermalnu energiju pojavila se u Kaliforniji početkom 1930-ih, na Novom Zelandu - 1958., u Meksiku - 1959., u Rusiji (prvi binarni GeoPP) - 1965. godine.

Stari princip na novom izvoru

Za proizvodnju električne energije potrebna je veća temperatura hidroizvora nego za grijanje - više od 150°C. Princip rada geotermalne elektrane (GeoPP) sličan je principu rada konvencionalne termoelektrane (CHP). Zapravo, geotermalna elektrana je vrsta termoelektrane.

U termoelektranama je primarni izvor energije najčešće ugalj, plin ili lož ulje, a radni fluid je vodena para. Gorivo, kada sagorijeva, zagrijava vodu u paru, koja rotira parnu turbinu, koja proizvodi električnu energiju.

Razlika između GeoPP-a je u tome što je primarni izvor energije ovdje toplina unutrašnjosti zemlje i radni fluid u obliku pare se dovodi do lopatica turbine električnog generatora u "spremnom" obliku direktno iz proizvodne bušotine. .

Postoje tri glavne operativne šeme za GeoPP: direktna, koristeći suvu (geotermalnu) paru; indirektni, bazirani na hidrotermalnoj vodi, i mješoviti, ili binarni.

Upotreba jedne ili druge sheme ovisi o stanju agregacije i temperaturi energetskog nosača.

Najjednostavnija i stoga prva od savladanih shema je direktna, u kojoj se para koja dolazi iz bunara prolazi direktno kroz turbinu. Prva geoelektrana na svijetu u Larderellu 1904. godine također je radila na suhu paru.

GeoPP sa indirektna šema najčešći poslovi ovih dana. Koriste toplu podzemnu vodu koja se pod visokim pritiskom upumpava u isparivač, gdje se dio isparava, a nastala para okreće turbinu. U nekim slučajevima potrebni su dodatni uređaji i krugovi za pročišćavanje geotermalne vode i pare od agresivnih spojeva.

Izduvna para ulazi u injekcioni bunar ili se koristi za grijanje prostorija - u ovom slučaju princip je isti kao kod rada termoelektrane.

Na binarnim GeoPP-ovima, topla termalna voda stupa u interakciju s drugom tekućinom koja obavlja funkcije radnog fluida s nižom tačkom ključanja. Oba fluida prolaze kroz izmjenjivač topline, gdje termalna voda isparava radni fluid, čije pare rotiraju turbinu.

Ovaj sistem je zatvoren, čime se rješava problem emisija u atmosferu. Osim toga, radni fluidi s relativno niskom tačkom ključanja omogućavaju korištenje ne baš vruće termalne vode kao primarnog izvora energije.

Sve tri sheme koriste hidrotermalni izvor, ali petrotermalna energija se također može koristiti za proizvodnju električne energije.

Dijagram strujnog kola u ovom slučaju je također prilično jednostavan. Potrebno je izbušiti dvije međusobno povezane bušotine – injekcionu i proizvodnu. Voda se pumpa u injekcioni bunar. Na dubini se zagrijava, a zatim se zagrijana voda ili para nastala kao rezultat jakog zagrijavanja dovodi na površinu kroz proizvodni bunar. Onda sve ovisi o tome kako se petrotermalna energija koristi - za grijanje ili za proizvodnju električne energije. Zatvoreni ciklus je moguć sa pumpanjem otpadne pare i vode nazad u injekcionu bušotinu ili na drugi način odlaganja.

Nedostatak takvog sistema je očigledan: da bi se postigla dovoljno visoka temperatura radnog fluida, potrebno je bušiti bunare do velike dubine. A to su ozbiljni troškovi i rizik od značajnih gubitaka topline kada se tekućina kreće prema gore. Stoga su petrotermalni sistemi još uvijek manje rasprostranjeni u odnosu na hidrotermalne, iako je potencijal petrotermalne energije za redove veličine veći.

Trenutno, lider u stvaranju takozvanih petrotermalnih cirkulacionih sistema (PCS) je Australija. Osim toga, ovo područje geotermalne energije aktivno se razvija u SAD-u, Švicarskoj, Velikoj Britaniji i Japanu.

Poklon od Lorda Kelvina

Pronalazak toplotne pumpe 1852. godine od strane fizičara Williama Thompsona (poznatog kao Lord Kelvin) pružio je čovječanstvu stvarnu priliku da iskoristi nisku toplotu gornjih slojeva tla. Sistem toplotne pumpe, ili toplotni multiplikator kako ga je nazvao Thompson, zasniva se na fizičkom procesu prenošenja toplote iz okoline na rashladno sredstvo. U suštini, koristi isti princip kao i petrotermalni sistemi. Razlika je u izvoru toplote, što može postaviti terminološko pitanje: u kojoj meri se toplotna pumpa može smatrati geotermalnim sistemom? Činjenica je da se u gornjim slojevima, do dubine od desetina do stotina metara, stijene i tekućine koje sadrže ne zagrijavaju dubokom toplinom zemlje, već suncem. Dakle, sunce je u ovom slučaju primarni izvor toplote, iako se uzima, kao u geotermalnim sistemima, iz zemlje.

Rad toplotne pumpe zasniva se na kašnjenju u zagrijavanju i hlađenju tla u odnosu na atmosferu, što rezultira stvaranjem temperaturnog gradijenta između površinskih i dubljih slojeva, koji zadržavaju toplinu čak i zimi, baš kao što se to dešava u rezervoari. Osnovna namjena toplotnih pumpi je grijanje prostora. U suštini, to je „obrnuti frižider“. I toplotna pumpa i frižider su u interakciji sa tri komponente: unutrašnjim okruženjem (u prvom slučaju - zagrejana prostorija, u drugom - hlađenom komorom frižidera), spoljašnjim okruženjem - izvorom energije i rashladnim sredstvom (rashladnim sredstvom) , koji je ujedno i rashladno sredstvo koje osigurava prijenos topline ili hladnoće.

Supstanca sa niskom tačkom ključanja deluje kao rashladno sredstvo, što joj omogućava da uzima toplotu iz izvora koji ima čak i relativno nisku temperaturu.

U frižideru tečno rashladno sredstvo teče kroz prigušnicu (regulator pritiska) u isparivač, gde usled naglog pada pritiska tečnost isparava. Isparavanje je endotermni proces koji zahtijeva apsorpciju topline izvana. Kao rezultat, toplina se uklanja sa unutrašnjih zidova isparivača, što osigurava rashladni efekat u komori hladnjaka. Zatim se rashladno sredstvo uvlači iz isparivača u kompresor, gdje se vraća u tečno stanje. Ovo je obrnuti proces koji vodi do oslobađanja uklonjene topline u spoljašnje okruženje. U pravilu se baca u zatvorenom prostoru, a stražnji zid frižidera je relativno topao.

Toplotna pumpa radi na skoro isti način, s tom razlikom što se toplota uzima iz spoljašnje sredine i preko isparivača ulazi u unutrašnje okruženje – sistem grejanja prostorije.

U pravoj toplotnoj pumpi voda se zagreva, prolazeći kroz spoljašnji krug postavljen u zemlju ili rezervoar, a zatim ulazi u isparivač.

U isparivaču se toplina prenosi na unutrašnji krug ispunjen rashladnim sredstvom niske točke ključanja, koje, prolazeći kroz isparivač, prelazi iz tekućeg u plinovito stanje, oduzimajući toplinu.

Zatim, plinoviti rashladni fluid ulazi u kompresor, gdje se komprimira do visokog tlaka i temperature, te ulazi u kondenzator, gdje dolazi do izmjene topline između vrućeg plina i rashladnog sredstva iz sistema grijanja.

Kompresor zahtijeva električnu energiju za rad, međutim, omjer transformacije (omjer potrošene i proizvedene energije) u savremeni sistemi dovoljno visoke da osiguraju njihovu efikasnost.

Trenutno se toplotne pumpe dosta koriste za grijanje prostora, uglavnom u ekonomski razvijenim zemljama.

Eko-ispravna energija

Geotermalna energija se smatra ekološki prihvatljivom, što je općenito istina. Prije svega, koristi obnovljiv i gotovo neiscrpan resurs. Geotermalna energija ne zahtijeva velike površine, za razliku od velikih hidroelektrana ili vjetroelektrana, i ne zagađuje atmosferu, za razliku od ugljikovodične energije. U prosjeku, GeoPP zauzima 400 m 2 u smislu 1 GW proizvedene električne energije. Ista brojka za termoelektranu na ugalj, na primjer, iznosi 3600 m2. Ekološke prednosti GeoPP-a također uključuju nisku potrošnju vode - 20 litara svježa voda po 1 kW, dok termoelektrane i nuklearne elektrane zahtijevaju oko 1000 litara. Imajte na umu da su ovo ekološki indikatori „prosječnog“ GeoPP-a.

Ali negativno nuspojave i dalje postoje. Među njima se najčešće identifikuju buka, toplotno zagađenje atmosfere i hemijsko zagađenje vode i tla, kao i stvaranje čvrstog otpada.

Glavni izvor hemijskog zagađivanja životne sredine je sama termalna voda (visoke temperature i mineralizacije), koja često sadrži velike količine toksičnih jedinjenja, pa se javlja problem odlaganja otpadnih voda i opasnih materija.

Negativni efekti geotermalne energije mogu se pratiti u nekoliko faza, počevši od bušenja bušotina. Ovdje se javljaju iste opasnosti kao i kod bušenja bilo kojeg bunara: uništavanje tla i vegetacije, kontaminacija tla i podzemnih voda.

U fazi rada GeoPP-a ostaju problemi zagađenja životne sredine. Termalni fluidi - voda i para - obično sadrže ugljen dioksid (CO 2), sumpor sulfid (H 2 S), amonijak (NH 3), metan (CH 4), kuhinjsku so (NaCl), bor (B), arsen (As ), živa (Hg). Kada se ispuste u spoljašnju sredinu, postaju izvori zagađenja. Osim toga, agresivno kemijsko okruženje može uzrokovati korozivno uništavanje struktura geotermalnih elektrana.

Istovremeno, emisije zagađujućih materija iz GeoPP su u prosjeku niže nego iz termoelektrana. Na primjer, emisije ugljičnog dioksida za svaki kilovat-sat proizvedene električne energije iznose do 380 g u GeoPP, 1042 g u termoelektranama na ugalj, 906 g u elektranama na naftu i 453 g u termoelektranama na plin. .

Postavlja se pitanje: šta učiniti sa otpadnim vodama? Ako je mineralizacija niska, može se nakon hlađenja ispustiti u površinske vode. Drugi način je da se pumpa natrag u vodonosni sloj kroz injekcionu bušotinu, koja se trenutno prvenstveno koristi.

Ekstrakcija termalne vode iz akvifera (kao i ispumpavanje obične vode) može uzrokovati slijeganje i pomjeranje tla, druge deformacije geoloških slojeva i mikro-potrese. Vjerovatnoća takvih pojava je po pravilu mala, iako su zabilježeni izolovani slučajevi (npr. na GeoPP-u u Staufen im Breisgau u Njemačkoj).

Treba naglasiti da se većina GeoPP nalazi u relativno slabo naseljenim područjima iu zemljama trećeg svijeta, gdje su ekološki zahtjevi manje strogi nego u razvijenim zemljama. Osim toga, u ovom trenutku broj GeoPP-ova i njihovi kapaciteti su relativno mali. Sa većim razvojem geotermalne energije, ekološki rizici se mogu povećati i umnožiti.

Kolika je energija Zemlje?

Investicioni troškovi izgradnje geotermalnih sistema variraju u veoma širokom rasponu - od 200 do 5000 dolara po 1 kW instalirane snage, odnosno najjeftinije opcije su uporedive sa troškovima izgradnje termoelektrane. One zavise, prije svega, od uslova nastanka termalnih voda, njihovog sastava i dizajna sistema. Bušenje do velikih dubina, stvaranje zatvorenog sistema sa dva bunara i potreba za prečišćavanjem vode mogu višestruko povećati troškove.

Na primjer, ulaganja u stvaranje petrotermalnog cirkulacijskog sistema (PCS) procjenjuju se na 1,6-4 hiljade dolara po 1 kW instalirane snage, što premašuje troškove izgradnje. nuklearna elektrana i uporedivi sa troškovima izgradnje vjetroelektrana i solarnih elektrana.

Očigledna ekonomska prednost GeoTES-a je besplatna energija. Poređenja radi, u strukturi troškova tekuće termoelektrane ili nuklearne elektrane gorivo čini 50-80% ili čak više, ovisno o trenutnim cijenama energije. Otuda još jedna prednost geotermalnog sistema: operativni troškovi su stabilniji i predvidljiviji, jer ne zavise od spoljnih uslova cena energije. Općenito, operativni troškovi geotermalnih elektrana procjenjuju se na 2-10 centi (60 kopejki-3 rublje) po 1 kWh proizvedene energije.

Druga najveća stavka rashoda nakon energije (i veoma značajna) su, po pravilu, plate osoblja u fabrici, koje mogu dramatično da variraju u različitim zemljama i regionima.

U prosjeku, trošak 1 kWh geotermalne energije je uporediv sa onim za termoelektrane (in ruski uslovi- oko 1 rub./1 kWh) i deset puta veći od troškova proizvodnje električne energije u hidroelektranama (5–10 kopejki/1 kWh).

Dio razloga za visoku cijenu je taj što, za razliku od termo i hidrauličnih elektrana, geotermalne elektrane imaju relativno mali kapacitet. Pored toga, potrebno je uporediti sisteme koji se nalaze u istom regionu i pod sličnim uslovima. Na primjer, na Kamčatki, prema stručnjacima, 1 kWh geotermalne električne energije košta 2-3 puta manje od električne energije proizvedene u lokalnim termoelektranama.

Indikatori ekonomska efikasnost rad geotermalnog sistema zavisi, na primjer, od toga da li se otpadne vode trebaju odlagati i na koji način se to radi, te da li je moguće kombinirano korištenje resursa. Dakle, hemijski elementi i jedinjenja ekstrahovani iz termalne vode mogu pružiti dodatni prihod. Prisjetimo se primjera Larderella: primarno je tu bilo hemijska proizvodnja, a korištenje geotermalne energije u početku je bilo pomoćne prirode.

Geotermalna energija naprijed

Geotermalna energija se razvija nešto drugačije od vjetra i sunca. Trenutno, to u mnogo većoj mjeri ovisi o prirodi samog resursa, koji naglo varira po regijama, a najveće koncentracije su povezane s uskim zonama geotermalnih anomalija, obično povezanih s područjima tektonskih rasjeda i vulkanizma.

Osim toga, geotermalna energija je tehnološki manje intenzivna u odnosu na energiju vjetra i, posebno, solarnu energiju: sistemi geotermalnih stanica su prilično jednostavni.

IN opšta struktura Geotermalna komponenta čini manje od 1% globalne proizvodnje električne energije, ali u nekim regijama i zemljama njen udio dostiže 25-30%. Zbog povezanosti sa geološkim uslovima, značajan dio geotermalnih energetskih kapaciteta koncentrisan je u zemljama trećeg svijeta, gdje postoje tri najrazvijenija klastera industrije - ostrva Jugoistočne Azije, Centralne Amerike i Istočne Afrike. Prve dvije regije su uključene u pacifički „vatreni pojas Zemlje“, treći je vezan za istočnoafrički rascjep. Najvjerovatnije je da će geotermalna energija nastaviti da se razvija u ovim pojasevima. Daleka perspektiva je razvoj petrotermalne energije, koristeći toplinu slojeva zemlje koji leže na dubini od nekoliko kilometara. Ovo je gotovo sveprisutan resurs, ali njegovo vađenje zahtijeva visoke troškove, pa se petrotermalna energija razvija prvenstveno u ekonomski i tehnološki najmoćnijim zemljama.

Općenito, s obzirom na sveprisutnost geotermalnih resursa i prihvatljiv nivo ekološka sigurnost, postoji razlog za vjerovanje da geotermalna energija ima dobre izglede za razvoj. Pogotovo sa sve većom prijetnjom nestašice tradicionalnih energenata i porastom cijena istih.

Od Kamčatke do Kavkaza

U Rusiji razvoj geotermalne energije ima prilično dugu istoriju, a po brojnim pozicijama smo među svjetskim liderima, iako je udio geotermalne energije u ukupnom energetskom bilansu ogromne zemlje još uvijek zanemarljiv.

Dva regiona su postala pioniri i centri za razvoj geotermalne energije u Rusiji - Kamčatka i Severni Kavkaz, i ako je u prvom slučaju reč pre svega o elektroenergetskoj industriji, onda u drugom - o korišćenju toplotne energije iz termalnu vodu.

Na Sjevernom Kavkazu - na Krasnodarskoj teritoriji, Čečeniji, Dagestanu - toplina termalnih voda korištena je u energetske svrhe još prije Velikog Otadžbinski rat. Tokom 1980-1990-ih, razvoj geotermalne energije u regionu je, iz očiglednih razloga, zastao i još nije izašao iz stanja stagnacije. Ipak, snabdijevanje geotermalnom vodom na Sjevernom Kavkazu osigurava toplinu za oko 500 hiljada ljudi, a, na primjer, grad Labinsk na Krasnodarskom teritoriju sa populacijom od 60 hiljada ljudi u potpunosti se zagrijava geotermalnim vodama.

Na Kamčatki je istorija geotermalne energije povezana, pre svega, sa izgradnjom GeoPP. Prve od njih, još uvek aktivne stanice Paužetskaja i Paratunka, izgrađene su 1965–1967, dok je Paratunka GeoPP kapaciteta 600 kW postala prva stanica na svetu sa binarnim ciklusom. To je bio razvoj sovjetskih naučnika S.S. Kutateladzea i A.M. Rosenfelda sa Instituta za termofiziku SB RAS, koji su 1965. godine dobili autorski certifikat za vađenje električne energije iz vode s temperaturom od 70°C. Ova tehnologija je kasnije postala prototip za više od 400 binarnih GeoPP-a u svijetu.

Kapacitet Paužetske GeoPP, puštene u rad 1966. godine, u početku je bio 5 MW, a zatim je povećan na 12 MW. Trenutno se na stanici gradi binarna jedinica koja će povećati njen kapacitet za još 2,5 MW.

Razvoj geotermalne energije u SSSR-u i Rusiji bio je sputan dostupnošću tradicionalnih energetskih resursa - nafte, gasa, uglja, ali nikada nije prestao. Najveći geotermalni energetski objekti u ovom trenutku su Verkhne-Mutnovskaya GeoPP sa ukupnim kapacitetom energetskih jedinica od 12 MW, puštena u rad 1999. godine, i Mutnovskaya GeoPP sa kapacitetom od 50 MW (2002).

GeoPP Mutnovskaya i Verkhne-Mutnovskaya jedinstveni su objekti ne samo za Rusiju, već i na globalnom nivou. Stanice se nalaze u podnožju vulkana Mutnovsky, na nadmorskoj visini od 800 metara i rade u ekstremnim klimatskim uslovima, gde je zima 9-10 meseci u godini. Oprema Mutnovsky GeoPP, trenutno jedne od najmodernijih u svijetu, u potpunosti je kreirana u domaćim elektroenergetskim preduzećima.

Trenutno, udio stanica Mutnovsky u ukupnoj strukturi potrošnje energije energetskog čvorišta Centralne Kamčatke iznosi 40%. Postoje planovi za povećanje kapaciteta u narednim godinama.

Posebno treba spomenuti ruske petrotermalne razvoje. Još nemamo velike centre za bušenje, ali imamo napredne tehnologije za bušenje na velikim dubinama (oko 10 km), koje takođe nemaju analoga u svijetu. Njihov dalji razvoj će radikalno smanjiti troškove stvaranja petrotermalnih sistema. Programeri ovih tehnologija i projekata su N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geološki institut Ruske akademije nauka), A. S. Nekrasov (Institut za nacionalno ekonomsko predviđanje Ruske akademije nauka) i stručnjaci iz Kaluške turbinske fabrike. Trenutno je projekat petrotermalnog cirkulacijskog sistema u Rusiji u eksperimentalnoj fazi.

Geotermalna energija ima perspektive u Rusiji, iako su relativno udaljene: potencijal je u ovom trenutku prilično velik, a pozicija tradicionalne energije je jaka. Istovremeno, u nizu udaljenih područja zemlje korištenje geotermalne energije je ekonomski isplativo i već je traženo. To su teritorije sa visokim geoenergetskim potencijalom (Čukotka, Kamčatka, Kurilska ostrva - ruski deo pacifičkog „vatrenog pojasa Zemlje“, planine Južni Sibir i Kavkaz) i istovremeno udaljeni i odsječeni od centraliziranog snabdijevanja energijom.

Vjerovatno će se u narednim decenijama geotermalna energija u našoj zemlji razvijati upravo u takvim regijama.

Šta još čitati

Ukusna tepsija od svježeg sira sa kruškom: recepti Tepsija od skute sa kruškom pp Tepsija se može napraviti od gotovo svih sastojaka. Ljeti su posebno popularna lagana voćna jela....

Šta je piletina i kako je kuvati? Ako ste ikada kuvali klasičnu pitu sa piletinom, verovatno znate da ovo nije obična, već gotovo kulinarska pita...

Kako napraviti ukusnu salatu od mocarele? Mocarela je odličan sir koji se pravi kod kuće u Italiji. Najčešće se koristi za mocarelu...