Понимание геотермальных систем: использование природного тепла Земли

Поскольку мир все больше внимания уделяет устойчивым энергетическим решениям, геотермальные системы стали перспективной технологией для отопления, охлаждения и производства электроэнергии. В этом всеобъемлющем руководстве рассматриваются принципы, применение, преимущества и ограничения геотермальных систем, обеспечивая глобальную перспективу их потенциала для внесения вклада в более чистое энергетическое будущее.

Что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия - это тепло, получаемое из недр Земли. Это тепло является практически неисчерпаемым ресурсом, непрерывно генерируемым медленным распадом радиоактивных частиц в ядре Земли. Температурный градиент между ядром Земли (около 5200 градусов Цельсия) и поверхностью создает непрерывный поток тепла наружу.

Как работают геотермальные системы

Геотермальные системы используют это природное тепло различными способами, в зависимости от температуры и местоположения ресурса. Существует две основные категории геотермальных систем:

• Геотермальные тепловые насосы (ГТН): Также известные как грунтовые тепловые насосы, эти системы используют относительно постоянную температуру неглубокого грунта (около 10-16 градусов Цельсия) для отопления и охлаждения зданий.
• Геотермальные электростанции: Эти электростанции используют высокотемпературные геотермальные резервуары глубоко под землей для производства электроэнергии.

Геотермальные тепловые насосы (ГТН)

ГТН напрямую не используют геотермальное тепло, а скорее передают тепло между зданием и землей. Они состоят из трех основных компонентов:

• Грунтовый контур: Сеть труб, закопанных под землей, либо горизонтально, либо вертикально, заполненных теплоносителем (обычно водой или водо-антифризной смесью).
• Тепловой насос: Устройство, которое циркулирует теплоноситель и использует хладагент для извлечения или отвода тепла, в зависимости от того, требуется ли отопление или охлаждение.
• Система распределения: Воздуховоды или лучистое напольное отопление, которые распределяют нагретый или охлажденный воздух или воду по всему зданию.

Режим обогрева: Зимой грунтовый контур поглощает тепло из относительно более теплой земли и передает его в тепловой насос. Затем тепловой насос сжимает хладагент, повышая его температуру, и передает тепло в здание через систему распределения.

Режим охлаждения: Летом процесс меняется на противоположный. Тепловой насос извлекает тепло из здания и передает его в более прохладную землю через грунтовый контур.

Типы грунтовых контуров:

• Горизонтальные контуры: Трубы закапываются горизонтально в траншеи на несколько футов ниже поверхности. Это, как правило, более экономично для жилых помещений, где доступна достаточная площадь земли.
• Вертикальные контуры: Трубы вставляются в глубокие вертикальные скважины. Это идеально подходит для участков с ограниченной площадью земли или там, где почвенные условия не подходят для горизонтальных контуров.
• Прудовые/Озерные контуры: Трубы погружаются в ближайший пруд или озеро. Это экономичный вариант, если доступен подходящий водоем.
• Системы с открытым контуром: Эти системы используют грунтовые воды непосредственно в качестве теплоносителя. Вода закачивается из колодца, циркулирует через тепловой насос, а затем сбрасывается обратно в землю или поверхностные воды. Системы с открытым контуром требуют тщательного рассмотрения качества воды и экологических норм.

Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции используют высокотемпературные геотермальные резервуары (обычно выше 150 градусов Цельсия) для производства электроэнергии. Существует три основных типа геотермальных электростанций:

• Электростанции сухого пара: Эти электростанции используют пар непосредственно из геотермального резервуара для вращения турбины, которая затем приводит в действие генератор для производства электроэнергии. Электростанции сухого пара являются самым простым и эффективным типом геотермальной электростанции, но они относительно редки, потому что требуют высокотемпературного ресурса сухого пара.
• Электростанции мгновенного пара: Эти электростанции являются наиболее распространенным типом геотермальной электростанции. Они используют горячую воду под высоким давлением из геотермального резервуара. Горячая вода превращается в пар в резервуаре, и пар затем используется для вращения турбины и производства электроэнергии.
• Электростанции бинарного цикла: Эти электростанции используют горячую воду из геотермального резервуара для нагрева вторичной жидкости с более низкой температурой кипения. Вторичная жидкость испаряется, а затем используется для вращения турбины и производства электроэнергии. Электростанции бинарного цикла подходят для геотермальных ресурсов с более низкой температурой.

Глобальное распределение геотермальных ресурсов

Геотермальные ресурсы распределены неравномерно по земному шару. Они обычно встречаются в районах с высокой вулканической активностью или границами тектонических плит, таких как Тихоокеанское огненное кольцо, Восточно-Африканская рифтовая долина и Средиземноморский регион.

Некоторые страны со значительным геотермальным потенциалом включают:

• Исландия: Исландия является мировым лидером в использовании геотермальной энергии, при этом геотермальные электростанции обеспечивают значительную часть электроэнергии и потребностей страны в отоплении.
• Соединенные Штаты: Соединенные Штаты обладают самой большой установленной геотермальной мощностью в мире, с геотермальными электростанциями в Калифорнии, Неваде и Юте. Геотермальные тепловые насосы также широко используются по всей стране.
• Филиппины: Филиппины в значительной степени зависят от геотермальной энергии для производства электроэнергии, с многочисленными геотермальными электростанциями, расположенными по всему архипелагу.
• Индонезия: Индонезия обладает огромными геотермальными ресурсами из-за своего расположения вдоль Тихоокеанского огненного кольца. Страна активно развивает свой геотермальный потенциал для удовлетворения растущего спроса на энергию.
• Новая Зеландия: Новая Зеландия имеет долгую историю использования геотермальной энергии, при этом геотермальные электростанции и приложения прямого использования вносят значительный вклад в энергетический баланс страны.
• Кения: Кения является ведущим производителем геотермальной энергии в Африке, со значительными геотермальными электростанциями в регионе Рифтовой долины.
• Турция: Турция быстро расширила свои мощности геотермальной энергии в последние годы, с многочисленными геотермальными электростанциями, работающими по всей стране.
• Италия: Италия имеет долгую историю использования геотермальной энергии, восходящую к началу 20-го века. В стране все еще работает несколько геотермальных электростанций.

Преимущества геотермальных систем

Геотермальные системы предлагают многочисленные преимущества по сравнению с обычными источниками энергии:

• Возобновляемая и устойчивая: Геотермальная энергия - это возобновляемый ресурс, который постоянно пополняется внутренним теплом Земли. В отличие от ископаемого топлива, геотермальная энергия не способствует выбросам парниковых газов или изменению климата.
• Экологически чистая: Геотермальные системы оказывают минимальное воздействие на окружающую среду по сравнению с электростанциями, работающими на ископаемом топливе. Они производят очень мало загрязнения воздуха и требуют меньшей площади земли.
• Экономически эффективная: Хотя первоначальные инвестиции в геотермальные системы могут быть выше, чем в обычные системы, долгосрочные эксплуатационные расходы, как правило, ниже. Геотермальные системы очень эффективны и требуют меньше энергии для работы.
• Надежная и последовательная: Геотермальная энергия доступна 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, независимо от погодных условий. В отличие от солнечной и ветровой энергии, геотермальная энергия не является прерывистой.
• Универсальное применение: Геотермальная энергия может использоваться для широкого спектра применений, включая отопление, охлаждение, производство электроэнергии, промышленные процессы и сельское хозяйство.
• Уменьшенный углеродный след: Заменяя источники энергии на основе ископаемого топлива геотермальной энергией, отдельные лица и предприятия могут значительно уменьшить свой углеродный след.

Ограничения геотермальных систем

Несмотря на многочисленные преимущества, геотермальные системы также имеют некоторые ограничения:

• Высокая первоначальная стоимость: Первоначальные инвестиции в геотермальные системы могут быть значительными, особенно для глубоких геотермальных электростанций или крупномасштабных геотермальных систем отопления.
• Местоположение: Геотермальные ресурсы распределены неравномерно по земному шару, что ограничивает доступность геотермальной энергии в определенных регионах.
• Экологические проблемы: Хотя геотермальные системы, как правило, экологически чистые, они могут оказывать некоторое потенциальное воздействие на окружающую среду, такое как выброс парниковых газов (например, углекислого газа и сероводорода) из геотермальных резервуаров, проседание земли и загрязнение воды.
• Риски разведки: Разведка геотермальных ресурсов может быть рискованной и дорогостоящей. Нет никакой гарантии найти подходящий геотермальный резервуар в определенном месте.
• Требования к обслуживанию: Геотермальные системы требуют регулярного обслуживания для обеспечения оптимальной производительности и предотвращения коррозии или образования накипи на оборудовании.
• Индуцированная сейсмичность: В некоторых случаях закачка воды в геотермальные резервуары может вызвать небольшие землетрясения, известные как индуцированная сейсмичность. Это вызывает озабоченность в определенных районах с высокой сейсмической активностью.

Применение геотермальной энергии

Геотермальная энергия имеет широкий спектр применений в различных секторах:

• Отопление и охлаждение жилых помещений: Геотермальные тепловые насосы широко используются для отопления и охлаждения домов и квартир. Они обеспечивают комфортную и энергоэффективную альтернативу обычным системам отопления и охлаждения.
• Отопление и охлаждение коммерческих помещений: Геотермальные системы также используются для отопления и охлаждения коммерческих зданий, таких как офисы, школы, больницы и торговые центры.
• Производство электроэнергии: Геотермальные электростанции производят электроэнергию с использованием пара или горячей воды из геотермальных резервуаров. Геотермальная энергия является надежным и устойчивым источником электроэнергии.
• Промышленные процессы: Геотермальная энергия используется в различных промышленных процессах, таких как пищевая промышленность, производство бумаги и химическое производство.
• Сельское хозяйство: Геотермальная энергия используется для обогрева теплиц, аквакультуры и сушки урожая. Она может помочь продлить вегетационный период и повысить урожайность.
• Централизованное теплоснабжение: Геотермальная энергия может использоваться для обеспечения централизованного теплоснабжения целых сообществ. Горячая вода из геотермальных резервуаров подается по трубам в дома и предприятия для целей отопления. Примеры включают Рейкьявик, Исландия, и Кламат-Фолс, Орегон (США).
• Таяние снега: В холодном климате геотермальная энергия может использоваться для таяния снега и льда на тротуарах, дорогах и взлетно-посадочных полосах аэропортов.
• Купание и отдых: Геотермальные горячие источники являются популярными туристическими направлениями по всему миру. Они предлагают терапевтические преимущества и возможности для отдыха. Примеры включают Голубую лагуну в Исландии и многочисленные онсены в Японии.

Будущее геотермальной энергии

Будущее геотермальной энергии выглядит многообещающим, с растущим интересом к ее потенциалу внести вклад в устойчивое энергетическое будущее. Технологические достижения делают геотермальную энергию более доступной и экономически эффективной.

Усовершенствованные геотермальные системы (УГС): УГС - это технология, которая направлена на доступ к геотермальным ресурсам в районах, где проницаемость породы низкая. УГС включает в себя создание искусственных трещин в породе, чтобы позволить воде циркулировать и извлекать тепло. Эта технология может значительно расширить доступность геотермальной энергии по всему миру.

Сверхкритические геотермальные системы: Сверхкритические геотермальные системы используют геотермальные ресурсы со сверхвысокой температурой, которые существуют глубоко под землей. Эти системы имеют потенциал для производства значительно большего количества электроэнергии, чем обычные геотермальные электростанции.

Геотермальная энергия в любом месте: Разрабатываются инновации, чтобы сделать геотермальную энергию более доступной в районах, традиционно не известных своей геотермальной активностью. Это включает в себя системы с замкнутым контуром, которые могут извлекать тепло из более глубоких и горячих образований без необходимости в больших количествах воды.

Глобальное сотрудничество: Расширение международного сотрудничества необходимо для ускорения разработки и внедрения геотермальных энергетических технологий. Обмен знаниями и опытом может помочь преодолеть технические проблемы и снизить затраты.

Заключение

Геотермальные системы предлагают устойчивое и надежное решение для отопления, охлаждения и производства электроэнергии. Хотя они имеют некоторые ограничения, преимущества геотермальной энергии значительны. По мере того, как мир переходит к более чистому энергетическому будущему, геотермальной энергии суждено играть все более важную роль в удовлетворении глобальных потребностей в энергии. Инвестируя в исследования и разработки и содействуя международному сотрудничеству, мы можем раскрыть весь потенциал геотермальной энергии и создать более устойчивое будущее для всех.

Действенные идеи:

• Физические лица: Рассмотрите возможность использования геотермальных тепловых насосов для своего дома или бизнеса, чтобы снизить потребление энергии и углеродный след.
• Предприятия: Изучите возможности использования геотермальной энергии в ваших промышленных процессах или коммерческих зданиях.
• Правительства: Инвестируйте в исследования и разработки геотермальных технологий и предоставляйте стимулы для геотермальных энергетических проектов.
• Инвесторы: Поддерживайте компании и проекты, которые разрабатывают и внедряют решения в области геотермальной энергии.