"Korištenje niskopotencijalne toplinske energije zemlje u sustavima toplinskih pumpi"

Vasiliev G.P., znanstveni direktor INSOLAR-INVEST OJSC, doktor tehničkih znanosti, predsjednik Upravnog odbora INSOLAR-INVEST OJSC
N. V. Shilkin, inženjer, NISF (Moskva)

Racionalno korištenje goriva i energetskih resursa danas je jedan od globalnih svjetskih problema, čije će uspješno rješenje, po svemu sudeći, biti od presudne važnosti ne samo za daljnji 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 fosilnih goriva i ekološke posljedice njihovog sagorijevanja doveli su posljednjih desetljeća do značajnog porasta interesa za ove tehnologije u gotovo svim razvijenim zemljama svijeta.

Prednosti tehnologija opskrbe toplinom koje se koriste u usporedbi sa svojim tradicionalnim kolegama povezane su ne samo sa značajnim smanjenjem troškova energije u sustavima za održavanje života zgrada i građevina, već i s njihovom ekološkom prihvatljivošću, kao i novim mogućnostima u području povećanje stupnja autonomije sustava za održavanje života. Očito će u bliskoj budućnosti upravo te kvalitete biti od presudne važnosti u oblikovanju konkurentske situacije na tržištu opreme za proizvodnju topline.

Analiza mogućih područja primjene u ruskom gospodarstvu korištenja tehnologija za uštedu energije netradicionalni izvori energije, pokazuje da su u Rusiji najperspektivnije područje za njihovu provedbu sustavi za održavanje života zgrada. U isto vrijeme, široka upotreba sustavi opskrbe toplinskom pumpom (TST), koristeći tlo površinskih slojeva Zemlje kao sveprisutno dostupan niskopotencijalni izvor topline.

Korištenje Zemljina toplina Postoje dvije vrste toplinske energije - visokopotencijalna i niskopotencijalna. Izvor toplinske energije visokog potencijala su hidrotermalni resursi - termalne vode zagrijane na visoku temperaturu kao rezultat geoloških procesa, što im omogućuje da se koriste za toplinsku opskrbu zgrada. Međutim, korištenje visokopotencijalne topline Zemlje ograničeno je na područja s određenim geološkim parametrima. U Rusiji je to, na primjer, Kamčatka, regija kavkaskih mineralnih voda; u Europi, izvori topline visokog potencijala postoje u Mađarskoj, Islandu i Francuskoj.

Za razliku od "izravne" upotrebe topline visokog potencijala (hidrotermalni resursi), korištenje niske razine topline Zemlje kroz dizalice topline moguće je gotovo posvuda. Trenutno je jedno od najbrže rastućih područja upotrebe netradicionalni obnovljivi izvori energije.

Niskopotencijalna toplina Zemlje može se koristiti u raznim vrstama zgrada i građevina na više načina: za grijanje, opskrbu toplom vodom, klimatizaciju (hlađenje), grijanje puteva u zimskoj sezoni, za sprječavanje zaleđivanja, grijaća polja na otvorenim stadionima, itd. U engleskom- jezičnoj tehničkoj literaturi, takvi sustavi su označeni kao "GHP" - "geotermalne toplinske pumpe", geotermalne toplinske pumpe.

Klimatske karakteristike zemalja srednje i sjeverne Europe, koje su, zajedno sa Sjedinjenim Državama i Kanadom, glavna područja za korištenje niske topline Zemlje, određuju uglavnom potrebu za grijanjem; hlađenje zraka čak i u ljetno razdoblje relativno rijetko potrebna. Stoga, za razliku od Sjedinjenih Država, toplinske pumpe u europskim zemljama rade uglavnom u načinu grijanja. U SAD-U toplinske pumpečešće se koriste u sustavima grijanja zraka u kombinaciji s ventilacijom, što omogućuje i grijanje i hlađenje vanjskog zraka. U europskim zemljama toplinske pumpe obično se koristi u sustavima grijanja vode. Ukoliko učinkovitost toplinske pumpe povećava se sa smanjenjem temperaturne razlike između isparivača i kondenzatora, sustavi podnog grijanja često se koriste za grijanje zgrada, u kojima cirkulira rashladna tekućina relativno niske temperature (35-40 °C).

Većina toplinske pumpe u Europi, dizajnirani za korištenje niske topline Zemlje, opremljeni su kompresorima na električni pogon.

Tijekom proteklih deset godina, broj sustava koji koriste niskogradnu toplinu Zemlje za opskrbu toplinom i hladnoćom zgrada kroz toplinske pumpe, značajno porasla. Najveći broj takvih sustava koristi se u SAD-u. Veliki broj takvih sustava djeluje u Kanadi i zemljama srednje i sjeverne Europe: Austriji, Njemačkoj, Švedskoj i Švicarskoj. Švicarska prednjači u korištenju niske toplinske energije Zemlje po glavi stanovnika. U Rusiji je u posljednjih deset godina, uz korištenje tehnologije i uz sudjelovanje INSOLAR-INVEST OJSC, specijaliziranog za ovo područje, izgrađeno svega nekoliko objekata od kojih su najzanimljiviji predstavljeni u.

U Moskvi, u mikrookrug Nikulino-2, zapravo, prvi put, a sustav toplinske pumpe za toplu vodu višekatna stambena zgrada. Ovaj projekt je 1998.-2002. implementiralo Ministarstvo obrane Ruske Federacije zajedno s Vladom Moskve, Ministarstvom industrije i znanosti Rusije, Udrugom NP ABOK iu okviru "Dugoročni program uštede energije u Moskvi".

Kao niskopotencijalni izvor toplinske energije za isparivače toplinskih pumpi koristi se toplina tla površinskih slojeva Zemlje, kao i toplina uklonjenog ventilacijskog zraka. Postrojenje za pripremu tople vode nalazi se u suterenu zgrade. Uključuje sljedeće glavne elemente:

• parne kompresijske toplinske pumpe (HPU);
• spremnici tople vode;
• sustavi za prikupljanje niske toplinske energije tla i niske razine topline uklonjenog ventilacijskog zraka;
• cirkulacijske pumpe, instrumentacija

Glavni element za izmjenu topline sustava za prikupljanje niskopotencijalne topline tla su vertikalni izmjenjivači topline tla koaksijalnog tipa, smješteni izvana duž perimetra zgrade. Ovi izmjenjivači topline su 8 bunara dubine od 32 do 35 m svaki, raspoređenih u blizini kuće. Budući da je način rada toplinskih pumpi korištenjem toplina zemlje a toplina uklonjenog zraka je konstantna, dok je potrošnja tople vode promjenjiva, sustav opskrbe toplom vodom opremljen je akumulacijskim spremnicima.

Podaci koji procjenjuju svjetsku razinu korištenja niskopotencijalne toplinske energije Zemlje pomoću toplinskih pumpi dani su u tablici.

Tablica 1. Svjetska razina korištenja niskopotencijalne toplinske energije Zemlje putem dizalica topline

Tlo kao izvor niskopotencijalne toplinske energije

Kao izvor niskopotencijalne toplinske energije mogu se koristiti podzemne vode s relativno niskom temperaturom ili tlo površinskih (do 400 m dubine) slojeva Zemlje.. Sadržaj topline u zemljišnoj masi općenito je veći. Toplinski režim tla površinskih slojeva Zemlje nastaje pod utjecajem dva glavna čimbenika - sunčevog zračenja koje upada na površinu i protoka radiogene topline iz unutrašnjosti Zemlje.. Sezonske i dnevne promjene intenziteta sunčevog zračenja i vanjske temperature uzrokuju kolebanje temperature gornjih slojeva tla. Dubina prodiranja dnevnih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja, ovisno o specifičnom tlu i klimatskim uvjetima, kreće se od nekoliko desetaka centimetara do jednog i pol 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 ne ovisi o sezonskim, a još više o dnevnim promjenama parametara vanjska klima (slika 1).

Riža. 1. Grafikon promjena temperature tla ovisno o dubini

S povećanjem dubine, temperatura tla raste u skladu s geotermalnim gradijentom (otprilike 3 stupnja C na svakih 100 m). Veličina toka radiogene topline koja dolazi iz utrobe zemlje varira za različite lokalitete. Za srednju Europu ta vrijednost iznosi 0,05–0,12 W/m2.

Tijekom pogonskog razdoblja, masa tla koja se nalazi unutar zone toplinskog utjecaja registra cijevi izmjenjivača topline tla sustava za prikupljanje niske razine topline tla (sustav prikupljanja topline), zbog sezonskih promjena parametara vanjska klima, kao i pod utjecajem operativnih opterećenja na sustav prikupljanja topline, u pravilu je podvrgnuta ponovljenom smrzavanju i odleđivanju. U ovom slučaju, naravno, dolazi do promjene agregacijskog stanja vlage sadržane u porama tla i, općenito, iu tekućoj iu čvrstoj i plinovitoj fazi istovremeno. Drugim riječima, masa tla sustava za prikupljanje topline, bez obzira u kojem se stanju nalazi (smrznuta ili odmrznuta), složen je trofazni polidisperzni heterogeni sustav, čiji kostur čini ogroman broj čvrstih čestica raznih oblika i veličina, a mogu biti i kruti i pokretni, ovisno o tome jesu li čestice čvrsto vezane jedna od druge ili su međusobno odvojene tvari u pokretnoj fazi. Međuprostori između čvrstih čestica mogu biti ispunjeni mineraliziranom vlagom, plinom, parom i ledom, ili oboje. Modeliranje procesa prijenosa topline i mase koji formiraju toplinski režim takvog višekomponentnog sustava izuzetno je težak zadatak, jer zahtijeva uzimanje u obzir i matematički opis različitih mehanizama za njihovu provedbu: provođenje topline u pojedinoj čestici, prijenos topline od jedna čestica na drugu pri njihovom kontaktu, molekularno provođenje topline u mediju koji ispunjava praznine između čestica, konvekcija pare i vlage sadržane u prostoru pora i mnoge druge.

Posebnu pozornost treba posvetiti utjecaju vlage mase tla i migracije vlage u njegovom pornom prostoru na toplinske procese koji određuju karakteristike tla kao izvora niskopotencijalne toplinske energije.

U kapilarno-poroznim sustavima, što je masa tla sustava za prikupljanje topline, prisutnost vlage u prostoru pora ima zamjetan učinak na proces raspodjele topline. Ispravno obračunavanje ovog utjecaja danas je povezano sa značajnim poteškoćama, koje su prvenstveno povezane s nedostatkom jasnih ideja o prirodi raspodjele krutih, tekućih i plinovitih faza vlage u određenoj strukturi sustava. Priroda veznih sila između vlage i skeletnih čestica, ovisnost oblika vezivanja vlage s materijalom u različitim fazama vlaženja, te mehanizam kretanja vlage u pornom prostoru još nisu razjašnjeni.

Ako postoji temperaturni gradijent u debljini zemljišne mase, molekule pare se pomiču na mjesta sa smanjenim temperaturnim potencijalom, ali u isto vrijeme pod djelovanjem gravitacijskih sila dolazi do suprotno usmjerenog strujanja vlage u tekućoj fazi. . Osim toga, na temperaturni režim gornjih slojeva tla utječe vlaga atmosferskih oborina, kao i podzemne vode.

Glavni čimbenici pod čijim se utjecajem formiraju temperaturni režim Sustavi prikupljanja mase tla za niskopotencijalnu toplinu tla prikazani su na sl. 2.

Riža. 2. Čimbenici pod utjecajem kojih se formira temperaturni režim tla

Vrste sustava za korištenje niskopotencijalne toplinske energije Zemlje

Spajaju se izmjenjivači topline zemlje oprema toplinske pumpe s masom tla. Osim "izvlačenja" topline Zemlje, zemni izmjenjivači topline mogu se koristiti i za akumuliranje topline (ili hladnoće) u masivu tla.

U općem slučaju mogu se razlikovati dvije vrste sustava za korištenje niskopotencijalne toplinske energije Zemlje:

• otvoreni sustavi: kao izvor toplinske energije niskog potencijala koristi se podzemna voda koja se izravno dovodi u toplinske pumpe;
• zatvoreni sustavi: izmjenjivači topline nalaze se u masivu tla; kada rashladna tekućina cirkulira kroz njih sa sniženom temperaturom u odnosu na tlo, toplinska energija se "odabire" iz tla i prenosi na isparivač toplinska pumpa(ili, kada se koristi rashladno sredstvo s povišenom temperaturom u odnosu na tlo, njegovo hlađenje).

Glavni dio otvorenih sustava su bunari, koji omogućuju izvlačenje podzemne vode iz vodonosnika tla i vraćanje vode natrag u iste vodonosnike. Obično su za to uređeni upareni bunari. Dijagram takvog sustava prikazan je na sl. 3.

Riža. 3. Shema otvorenog sustava za korištenje niskopotencijalne toplinske energije podzemne vode

Prednost otvorenih sustava je mogućnost dobivanja velike količine toplinske energije uz relativno nisku cijenu. Međutim, bunari zahtijevaju održavanje. Osim toga, korištenje ovakvih sustava nije moguće u svim područjima. Glavni zahtjevi za tlo i podzemne vode su sljedeći:

• dovoljna propusnost tla, što omogućuje nadopunjavanje rezervi vode;
• dobro kemijski sastav podzemne vode (npr. nizak sadržaj željeza) kako bi se izbjegao kamenac u cijevima i problemi s korozijom.

Otvoreni sustavi češće se koriste za grijanje ili hlađenje velikih zgrada. Najveći sustav geotermalne toplinske pumpe na svijetu koristi podzemne vode kao izvor niskopotencijalne toplinske energije. Ovaj se sustav nalazi u SAD-u u Louisvilleu, Kentucky. Sustav se koristi za opskrbu toplinom i hladnoćom hotelsko-poslovnog kompleksa; njegova snaga je oko 10 MW.

Ponekad sustavi koji koriste toplinu Zemlje uključuju sustave za korištenje niske razine topline iz otvorenih vodnih tijela, prirodnih i umjetnih. Ovaj pristup je posebno prihvaćen u Sjedinjenim Državama. Sustavi koji koriste nisku toplinu iz rezervoara klasificiraju se kao otvoreni, kao i sustavi koji koriste nisku toplinu iz podzemnih voda.

Zatvoreni sustavi, pak, podijeljeni su na horizontalne i vertikalne.

Horizontalni izmjenjivač topline tla(u engleskoj literaturi koriste se i izrazi "zemlja toplinski kolektor" i "horizontalna petlja") obično se postavlja u blizini kuće na maloj dubini (ali zimi ispod razine smrzavanja tla). Korištenje horizontalnih izmjenjivača topline za tlo ograničeno je veličinom raspoloživog mjesta.

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

Riža. 4. Vrste horizontalnih izmjenjivača topline tla
a - izmjenjivač topline serijski spojenih cijevi;
b - izmjenjivač topline iz paralelnih cijevi;
c - horizontalni kolektor položen u rov;
d - izmjenjivač topline u obliku petlje;
e - izmjenjivač topline u obliku spirale smješten vodoravno (tzv. "slinky" kolektor;
e - izmjenjivač topline u obliku spirale koji se nalazi okomito

Ako se sustav s horizontalnim izmjenjivačima topline koristi samo za stvaranje topline, njegov normalan rad moguć je samo ako postoji dovoljan unos topline sa zemljine površine zbog sunčevog zračenja. Iz tog razloga, površina iznad izmjenjivača topline mora biti izložena sunčevoj svjetlosti.

Vertikalni izmjenjivači topline za tlo(u engleskoj literaturi prihvaćena je oznaka "BHE" - "izmjenjivač topline bušotine") dopuštaju korištenje niskopotencijalne toplinske energije mase tla koja leži ispod "neutralne zone" (10-20 m od razine tla). Sustavi s vertikalnim izmjenjivačima topline tla ne zahtijevaju velike površine i ne ovise o intenzitetu sunčevog zračenja koje pada na površinu. Vertikalni izmjenjivači topline za tlo učinkovito rade u gotovo svim vrstama geoloških okruženja, s izuzetkom tla niske toplinske vodljivosti, poput suhog pijeska ili suhog šljunka. Vrlo su rašireni sustavi s vertikalnim izmjenjivačima topline tla.

Shema opskrbe grijanjem i toplom vodom jednostambene stambene zgrade pomoću jedinice toplinske pumpe s vertikalnim izmjenjivačem topline tla prikazana je na sl. 5.

Riža. 5. Shema opskrbe grijanjem i toplom vodom jednostambene stambene zgrade pomoću jedinice toplinske pumpe s vertikalnim izmjenjivačem topline tla

Rashladna tekućina cirkulira kroz cijevi (najčešće polietilenske ili polipropilenske) položene u vertikalne bušotine 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 su dvije paralelne cijevi spojene na dnu. Jedan ili dva (rijetko tri) para takvih cijevi nalaze se u jednoj bušotini. Prednost takve sheme je relativno niska cijena proizvodnje. Dvostruki izmjenjivači topline u obliku slova U najrašireniji su tip vertikalnih izmjenjivača topline za tlo u Europi.
• Koaksijalni (koncentrični) izmjenjivač topline. Najjednostavniji koaksijalni izmjenjivač topline sastoji se od dvije cijevi različitih promjera. Cijev manjeg promjera postavlja se unutar druge cijevi. Koaksijalni izmjenjivači topline mogu biti složenijih konfiguracija.

Riža. 6. Odjeljak različite vrste vertikalni izmjenjivači topline tla

Kako bi se povećala učinkovitost izmjenjivača topline, prostor između zidova bušotine i cijevi ispunjen je posebnim materijalima koji provode toplinu.

Sustavi s 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 može biti potrebna cijela skupina bunara s vertikalnim izmjenjivačima topline. Najveći broj bušotina na svijetu koristi se u sustavu grijanja i hlađenja Richard Stockton Collegea u američkoj državi New Jersey. Vertikalni zemaljski izmjenjivači topline ovog fakulteta smješteni su u 400 bušotina dubine 130 m. U Europi se najveći broj bunara (154 bunara dubine 70 m) koristi u sustavu grijanja i hlađenja središnjeg ureda njemačke kontrole zračnog prometa Usluga (“Deutsche Flug-sicherung”).

Poseban slučaj vertikalnih zatvorenih sustava je korištenje građevinskih konstrukcija kao izmjenjivača topline tla, na primjer, temeljnih pilota s ugrađenim cjevovodima. Presjek takve hrpe s tri konture izmjenjivača topline tla prikazan je na sl. 7.

Riža. 7. Shema zemljanih izmjenjivača topline ugrađenih u temeljne pilote zgrade i poprečni presjek takve pilote

Prizemna masa (u slučaju vertikalnih izmjenjivača topline tla) i građevinske konstrukcije s izmjenjivačima topline tla mogu se koristiti ne samo kao izvor, već i kao prirodni akumulator toplinske energije ili "hladnoće", na primjer topline sunčevog zračenja.

Postoje sustavi koji se ne mogu jasno klasificirati kao otvoreni ili zatvoreni. Primjerice, ista duboka (od 100 do 450 m dubine) bušotina napunjena vodom može biti i proizvodna i injektirana. Promjer bunara je obično 15 cm.U donjem dijelu bunara postavlja se pumpa kroz koju se voda iz bunara dovodi do isparivača toplinske pumpe. Povratna voda se vraća na vrh vodenog stupca u istom zdencu. Postoji stalna dopuna bunara podzemnom vodom, a otvoreni sustav radi kao zatvoreni. Sustavi ovog tipa u engleskoj se literaturi nazivaju "sustav stajaćih stupova bunara" (slika 8).

Riža. 8. Shema tipa bunara "stojeći stubni bunar"

Tipično, bunari ovog tipa također se koriste za opskrbu zgrade pitkom vodom.. Međutim, takav sustav može učinkovito funkcionirati samo u tlima koja osiguravaju stalnu opskrbu bušotine vodom, što sprječava njeno smrzavanje. Ako je vodonosnik predubok, bit će potrebna snažna pumpa za normalno funkcioniranje sustava, što zahtijeva povećane troškove energije. Velika dubina bušotine uzrokuje prilično visoku cijenu takvih sustava, pa se ne koriste za opskrbu toplinom i hladnoćom malih zgrada. Sada u svijetu postoji nekoliko takvih sustava u SAD-u, Njemačkoj i Europi.

Jedno od perspektivnih područja je korištenje vode iz rudnika i tunela kao izvora toplinske energije niske kvalitete. Temperatura ove vode je konstantna tijekom cijele godine. Voda iz rudnika i tunela je lako dostupna.

"Održivost" sustava za korištenje niske razine topline Zemlje

Tijekom rada izmjenjivača topline tla može nastati situacija kada se tijekom sezone grijanja temperatura tla u blizini izmjenjivača topline tla smanjuje, a ljeti se tlo nema vremena zagrijati do početne temperature - njegova temperatura potencijal se smanjuje. Potrošnja energije tijekom sljedeće sezone grijanja uzrokuje još veći pad temperature tla, a njegov temperaturni potencijal dodatno se smanjuje. To prisiljava dizajn sustava korištenje niske razine topline Zemlje razmotriti problem "stabilnosti" (održivosti) takvih sustava. Često se energetski resursi koriste vrlo intenzivno kako bi se smanjilo razdoblje povrata opreme, što može dovesti do njihovog brzog iscrpljivanja. Stoga je potrebno održavati takvu razinu proizvodnje energije koja bi omogućila iskorištavanje izvora energije. Dugo vrijeme. Ova sposobnost sustava da održava potrebnu razinu proizvodnje topline dugo vremena naziva se "održivost". Za sustave s niskim potencijalom Zemljina toplina data je sljedeća definicija održivosti: „Za svaki sustav korištenja niskopotencijalne topline Zemlje i za svaki način rada ovog sustava postoji određena maksimalna razina proizvodnje energije; proizvodnja energije ispod ove razine može se održavati dugo vremena (100-300 godina).

Održan u OJSC INSOLAR-INVEST istraživanja su pokazala da potrošnja toplinske energije iz mase tla do kraja sezone grijanja uzrokuje smanjenje temperature tla u blizini registra cijevi sustava za prikupljanje topline, što u tlu- klimatskim uvjetima većina teritorija Rusije nema vremena za nadoknadu u ljetnoj sezoni, a do početka sljedeće sezone grijanja tlo izlazi s nižim temperaturnim potencijalom. Potrošnja toplinske energije tijekom sljedeće sezone grijanja uzrokuje daljnje snižavanje temperature tla, a do početka treće sezone grijanja njegov se temperaturni potencijal još više razlikuje od prirodnog. itd. Međutim, omoti toplinskog utjecaja dugotrajnog rada sustava prikupljanja topline na prirodni temperaturni režim tla imaju izražen eksponencijalni karakter, a do pete godine rada tlo ulazi u novi režim blizak periodičnom, tj. odnosno, počevši od pete godine rada, dugotrajna potrošnja toplinske energije iz mase tla sustava za prikupljanje topline praćena je periodičnim promjenama njegove temperature. Dakle, prilikom projektiranja sustavi grijanja s toplinskom pumpomčini se nužnim uzeti u obzir pad temperatura mase tla uzrokovan dugotrajnim radom sustava za prikupljanje topline, a kao projektne parametre koristiti temperature mase tla očekivane za 5. godinu rada TST-a.

U kombiniranim sustavima, koji se koristi i za opskrbu toplinom i hladnoćom, ravnoteža topline se postavlja "automatski": zimi (potrebna je opskrba toplinom), masa tla se hladi, ljeti (potrebna je hladnoća), masa tla se zagrijava. U sustavima koji koriste nisku toplinu podzemne vode dolazi do stalnog nadopunjavanja zaliha vode zbog curenja vode s površine i vode koja dolazi iz dubljih slojeva tla. Dakle, udio topline u podzemnoj vodi raste i "odozgo" (zbog topline atmosferski zrak), i “odozdo” (zbog topline Zemlje); vrijednost toplinskog dobitka "odozgo" i "odozdo" ovisi o debljini i dubini vodonosnika. Zbog ovih prijenosa topline, temperatura podzemne vode ostaje konstantna tijekom cijele sezone i malo se mijenja tijekom rada.

U sustavima s vertikalnim izmjenjivačima topline tla situacija je drugačija. Kada se toplina ukloni, temperatura tla oko izmjenjivača topline tla se smanjuje. Na smanjenje temperature utječu i značajke dizajna izmjenjivača topline i način njegovog rada. Na primjer, u sustavima s visokim vrijednostima odvođenja topline (nekoliko desetaka vata po metru duljine izmjenjivača topline) ili u sustavima s izmjenjivačem topline u zemlji smještenom u tlu niske toplinske vodljivosti (na primjer, u suhom pijesku ili suhom šljunku) , pad temperature bit će posebno vidljiv i može dovesti do smrzavanja mase tla oko izmjenjivača topline tla.

Njemački stručnjaci izmjerili su temperaturu masiva tla u kojem je postavljen vertikalni izmjenjivač topline tla dubok 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 bušotina ugrađeni su temperaturni senzori na svaka 2 m – ukupno 240 senzora. Na sl. Slika 9 prikazuje dijagrame raspodjele temperature u masi tla oko vertikalnog izmjenjivača topline tla na početku i na kraju prve sezone grijanja. Na kraju sezone grijanja jasno je vidljivo smanjenje temperature mase tla oko izmjenjivača topline. U izmjenjivač topline se usmjerava toplinski tok iz okolne zemljišne mase, koji djelomično nadoknađuje smanjenje temperature tla uzrokovano "odabirom" topline. Veličina tog toka u usporedbi s veličinom toplinskog toka iz unutrašnjosti Zemlje u danom području (80–100 mW/m2) procjenjuje se prilično visoko (nekoliko vata po četvornom metru).

Riža. Slika 9. Sheme raspodjele temperature u masi tla oko vertikalnog izmjenjivača topline tla na početku i na kraju prve sezone grijanja

Budući da su vertikalni izmjenjivači topline počeli biti relativno rašireni prije otprilike 15-20 godina, u cijelom svijetu nedostaju eksperimentalni podaci dobiveni tijekom dugotrajnih (nekoliko desetaka godina) razdoblja rada sustava s izmjenjivačima topline ovog tipa. Postavlja se pitanje o stabilnosti ovih sustava, o njihovoj pouzdanosti pod dugi rokovi operacija. Je li niskopotencijalna toplina Zemlje obnovljivi izvor energije? Koliki je period "obnove" ovog izvora?

Prilikom rada seoske škole u regiji Yaroslavl, opremljena sustav toplinske pumpe, uz pomoć vertikalnog izmjenjivača topline zemlje, prosječne vrijednosti specifičnog odvođenja topline bile su na razini od 120-190 W/rm. m duljine izmjenjivača topline.

Od 1986. godine provode se istraživanja u Švicarskoj u blizini Züricha na sustavu s vertikalnim izmjenjivačima topline tla. U masiv tla ugrađen je vertikalni koaksijalni izmjenjivač topline za tlo dubine 105 m. Ovaj izmjenjivač topline je korišten kao izvor toplinske energije niske kvalitete za sustav dizalice topline instaliran u jednostambenoj stambenoj zgradi. Vertikalni izmjenjivač topline tla osiguravao je vršnu snagu od približno 70 vata po metru duljine, što je stvorilo značajno toplinsko opterećenje na okolnoj zemljinoj masi. Godišnja proizvodnja toplinske energije iznosi 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. Temperatura se mjerila svakih trideset minuta. Osim temperature tla, zabilježeni su i drugi parametri: brzina rashladne tekućine, potrošnja energije pogona kompresora toplinske pumpe, temperatura zraka itd.

Prvo razdoblje promatranja trajalo je od 1986. do 1991. godine. Mjerenja su pokazala da se utjecaj topline vanjskog zraka i sunčevog zračenja bilježi u površinskom sloju tla na dubini do 15 m. Ispod ove razine toplinski režim tla formira se uglavnom zbog toplina zemljine unutrašnjosti. Tijekom prve 2-3 godine rada temperatura prizemne mase okolni vertikalni izmjenjivač topline naglo je pao, ali svake godine pad temperature opadao, a nakon nekoliko godina sustav je dosegao režim blizu konstantnog, kada je temperatura mase tla oko izmjenjivača topline postala niža od početne za 1 –2 °C.

U jesen 1996., deset godina nakon početka rada sustava, mjerenja su nastavljena. Ova mjerenja su pokazala da se temperatura tla nije značajno promijenila. U narednim godinama zabilježene su male fluktuacije temperature tla unutar 0,5 stupnjeva C, ovisno o godišnjem opterećenju grijanja. Dakle, sustav je nakon prvih nekoliko godina rada ušao u kvazistacionarni režim.

Na temelju eksperimentalnih podataka izgrađeni su matematički modeli procesa koji se odvijaju u masivu tla, što je omogućilo dugoročnu prognozu promjena temperature masiva tla.

Matematičko modeliranje pokazalo je da će godišnji pad temperature postupno opadati, a da će se volumen mase tla oko izmjenjivača topline, podložan snižavanju temperature, svake godine povećavati. Na kraju radnog razdoblja počinje proces regeneracije: temperatura tla počinje rasti. Priroda procesa regeneracije slična je prirodi procesa "odabira" topline: u prvim godinama rada dolazi do naglog porasta temperature tla, au sljedećim godinama stopa porasta temperature opada. Duljina razdoblja "regeneracije" ovisi o duljini radnog razdoblja. Ova dva razdoblja su otprilike ista. U ovom slučaju, razdoblje rada zemaljskog izmjenjivača topline bilo je trideset godina, a razdoblje "regeneracije" također se procjenjuje na trideset godina.

Dakle, sustavi grijanja i hlađenja zgrada, koji koriste niskogradnu toplinu Zemlje, pouzdan su izvor energije koji se može svugdje koristiti. Ovaj izvor se može koristiti dosta dugo, a može se obnoviti na kraju radnog razdoblja.

Književnost

1. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih dizalica topline (GHP) u Europi i svijetu; aspekti održivosti GHP-ova. Međunarodni tečaj geotermalnih dizalica topline, 2002

2. Vasiliev G.P., Krundyshev N.S. Energetski učinkovita seoska škola u regiji Yaroslavl. ABOK №5, 2002

3. Sanner B. Izvori topline tla za toplinske pumpe (klasifikacija, karakteristike, prednosti). 2002

4. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih dizalica topline (GHP) u Europi i svijetu; aspekti održivosti GHP-ova. Međunarodni tečaj geotermalnih dizalica topline, 2002

5. Radna skupina ORKUSTOFNUN, Island (2001.): Održiva proizvodnja geotermalne energije – predložena definicija. Vijesti IGA br. 43, siječanj-ožujak 2001., 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Sustavi toplinskih pumpi iz zemlje – europsko iskustvo. GeoHeat Center Bull. 21/1, 2000

7. Ušteda energije s toplinskim pumpama za stanovanje u hladnim klimama. Maxi brošura 08. KADETKA, 1997

8. Atkinson Schaefer L. Analiza apsorpcione toplinske pumpe s jednim tlakom. Disertacija predstavljena Akademskom fakultetu. Georgia Institute of Technology, 2000

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

10. Fearon J. Povijest i razvoj dizalice topline, hlađenja i klimatizacije. 1978

11. Vasiljev G.P. Energetski učinkovite zgrade sa sustavima za opskrbu toplinskom pumpom. Časopis ZhKH, br. 12, 2002

12. Smjernice za korištenje dizalica topline koje koriste sekundarne izvore energije i netradicionalne obnovljive izvore energije. Moskomarchitectura. Državno jedinstveno poduzeće "NIAC", 2001

13. Energetski učinkovita stambena zgrada u Moskvi. ABOK №4, 1999

14. Vasiljev G.P. Energetski učinkovita eksperimentalna stambena zgrada u mikrookrug Nikulino-2. ABOK №4, 2002

Jedna od najboljih, racionalnih metoda u izgradnji kapitalnih staklenika je podzemni termos staklenik.
Korištenje ove činjenice postojanosti zemljine temperature na dubini u izgradnji staklenika daje ogromne uštede u troškovima grijanja u hladnoj sezoni, olakšava njegu, čini mikroklimu stabilnijom.
Takav staklenik radi u najtežim mrazima, omogućuje vam proizvodnju povrća, uzgoj cvijeća tijekom cijele godine.
Pravilno opremljen ukopani staklenik omogućuje uzgoj, između ostalog, južnih usjeva koji vole toplinu. Ograničenja praktički nema. Agrumi, pa čak i ananas, mogu se osjećati sjajno u stakleniku.
No, kako bi sve u praksi funkcioniralo kako treba, imperativ je slijediti provjerene tehnologije po kojima su izgrađeni podzemni staklenici. Uostalom, ova ideja nije nova, čak i pod carem u Rusiji, zakopani staklenici dali su usjeve ananasa, koje su poduzetni trgovci izvozili u Europu na prodaju.
Iz nekog razloga, izgradnja takvih staklenika nije našla široku rasprostranjenost u našoj zemlji, uglavnom, jednostavno je zaboravljena, iako je dizajn idealan samo za našu klimu.
Vjerojatno je tu ulogu igrala potreba za kopanjem duboke jame i izlijevanjem temelja. Izgradnja ukopanog staklenika je prilično skupa, daleko je od staklenika prekrivenog polietilenom, ali povrat staklenika je puno veći.
Od produbljivanja u tlo, cjelokupno unutarnje osvjetljenje se ne gubi, to se može činiti čudnim, ali u nekim je slučajevima zasićenost svjetla čak i veća od one u klasičnim staklenicima.
Nemoguće je ne spomenuti snagu i pouzdanost konstrukcije, neusporedivo je jača nego inače, lakše podnosi orkanske navale vjetra, dobro se odupire tuči, a blokade snijega neće biti prepreka.

1. Jama

Izrada staklenika počinje kopanjem temeljne jame. Za korištenje topline zemlje za zagrijavanje unutarnjeg volumena, staklenik mora biti dovoljno produbljen. Što dublje zemlja postaje toplija.
Temperatura se gotovo ne mijenja tijekom godine na udaljenosti od 2-2,5 metara od površine. Na dubini od 1 m temperatura tla više varira, ali zimi njena vrijednost ostaje pozitivna, obično u srednjoj traci temperatura je 4-10 C, ovisno o godišnjem dobu.
Ukopani staklenik se gradi u jednoj sezoni. Odnosno, zimi će već moći funkcionirati i ostvarivati ​​prihod. Izgradnja nije jeftina, ali korištenjem domišljatosti, kompromisnih materijala moguće je uštedjeti doslovno cijeli red veličine izradom svojevrsne ekonomske opcije za staklenik, počevši od temeljne jame.
Na primjer, učiniti bez uključivanja građevinske opreme. Iako je najdugovječniji dio posla - kopanje jame - bolje je, naravno, dati bageru. Ručno uklanjanje takve količine zemljišta je teško i dugotrajno.
Dubina jame za iskop treba biti najmanje dva metra. Na takvoj dubini, zemlja će početi dijeliti svoju toplinu i raditi kao neka vrsta termosa. Ako je dubina manja, tada će u načelu ideja funkcionirati, ali osjetno manje učinkovito. Stoga se preporuča da ne štedite trud i novac na produbljivanju budućeg staklenika.
Podzemni staklenici mogu biti bilo koje duljine, ali bolje je zadržati širinu unutar 5 metara, ako je širina veća, tada se karakteristike kvalitete grijanja i refleksije svjetlosti pogoršavaju.
Na stranama horizonta, podzemni staklenici trebaju biti orijentirani, poput običnih staklenika i staklenika, od istoka prema zapadu, odnosno tako da jedna od strana bude okrenuta prema jugu. U ovom položaju biljke će dobiti maksimalnu količinu sunčeve energije.

2. Zidovi i krov

Duž perimetra jame izlije se temelj ili se postavljaju blokovi. Temelj služi kao osnova za zidove i okvir strukture. Zidovi su najbolje izrađeni od materijala s dobrim karakteristikama toplinske izolacije, termoblokovi su izvrsna opcija.

Krovni okvir često je izrađen od drveta, od šipki impregniranih antiseptičkim sredstvima. Krovna konstrukcija je obično ravna zabatna. Sljemenska greda je pričvršćena u središtu konstrukcije, za to su središnji nosači postavljeni na pod duž cijele duljine staklenika.

Sljemenska greda i zidovi povezani su nizom rogova. Okvir se može izraditi bez visokih oslonaca. Zamijenjeni su malim, koji se postavljaju na poprečne grede koje povezuju suprotne strane staklenika - ovaj dizajn čini unutarnji prostor slobodnijim.

Kao krovni pokrov, bolje je uzeti stanični polikarbonat - popularan moderni materijal. Razmak između rogova tijekom izgradnje prilagođava se širini polikarbonatnih listova. Pogodno je raditi s materijalom. Premaz se dobiva s malim brojem spojeva, jer se listovi proizvode u duljinama od 12 m.

Na okvir su pričvršćeni samoreznim vijcima, bolje ih je odabrati s kapom u obliku podloške. Kako bi se izbjeglo pucanje lima, ispod svakog samoreznog vijka bušilicom mora se izbušiti rupa odgovarajućeg promjera. S odvijačem ili konvencionalnom bušilicom s Phillips svrdlom, rad na staklu odvija se vrlo brzo. Kako bi se izbjegle praznine, dobro je unaprijed položiti rogove uz vrh brtvilom od mekane gume ili drugog prikladnog materijala i tek onda zašrafiti limove. Vrh krova duž grebena mora biti položen mekom izolacijom i pritisnut nekom vrstom kuta: plastikom, kositrom ili drugim prikladnim materijalom.

Za dobru toplinsku izolaciju krov se ponekad izrađuje s dvostrukim slojem polikarbonata. Iako je prozirnost smanjena za oko 10%, ali to je pokriveno izvrsnim performansama toplinske izolacije. Valja napomenuti da se snijeg na takvom krovu ne topi. Stoga nagib mora biti pod dovoljnim kutom, najmanje 30 stupnjeva, kako se snijeg ne bi nakupljao na krovu. Dodatno je ugrađen i električni vibrator za tresenje, koji će spasiti krov u slučaju da se snijeg i dalje nakuplja.

Dvostruko staklo se izvodi na dva načina:

Između dva lista umetnut je poseban profil, listovi su pričvršćeni na okvir odozgo;

Prvo, donji sloj ostakljenja pričvršćen je na okvir s unutarnje strane, na donju stranu rogova. Krov je prekriven drugim slojem, kao i obično, odozgo.

Nakon završetka rada, poželjno je sve spojeve zalijepiti trakom. Završeni krov izgleda vrlo impresivno: bez nepotrebnih spojeva, glatko, bez istaknutih dijelova.

3. Zagrijavanje i grijanje

Izolacija zidova provodi se na sljedeći način. Prvo morate pažljivo premazati sve spojeve i šavove zida otopinom, ovdje se također možete primijeniti montažna pjena. Unutarnja strana zidova prekrivena je termoizolacijskim filmom.

U hladnim dijelovima zemlje, dobro je koristiti foliju debelog filma, prekrivajući zid dvostrukim slojem.

Temperatura duboko u tlu staklenika je iznad nule, ali hladnija od temperature zraka potrebne za rast biljaka. Gornji sloj zagrijavaju sunčeve zrake i zrak staklenika, ali tlo ipak oduzima toplinu, pa se često u podzemnim staklenicima koristi tehnologija "toplih podova": grijaći element - električni kabel - zaštićen je metalni roštilj ili izliven betonom.

U drugom slučaju, tlo za krevete prelijeva se betonom ili se zelje uzgaja u loncima i saksijama.

Korištenje podnog grijanja može biti dovoljno za zagrijavanje cijelog staklenika ako ima dovoljno snage. Ali za biljke je učinkovitije i ugodnije koristiti kombinirano grijanje: podno grijanje + grijanje zraka. Za dobar rast potrebna im je temperatura zraka od 25-35 stupnjeva pri temperaturi zemlje od oko 25 C.

ZAKLJUČAK

Naravno, izgradnja ukopanog staklenika koštat će više, a bit će potrebno više truda nego kod izgradnje sličnog staklenika konvencionalnog dizajna. No, sredstva uložena u staklenik-termos vremenom su opravdana.

Prvo, štedi energiju na grijanju. Bez obzira na to kako se zimi grije običan prizemni staklenik, uvijek će biti skuplji i teži od sličnog načina grijanja u podzemnom stakleniku. Drugo, ušteda na rasvjeti. Folija toplinska izolacija zidova, reflektirajući svjetlost, udvostručuje osvjetljenje. Mikroklima u dubokom stakleniku zimi će biti povoljnija za biljke, što će svakako utjecati na prinos. Sadnice će se lako ukorijeniti, nježne biljke će se osjećati sjajno. Takav staklenik jamči stabilan, visok prinos svih biljaka tijekom cijele godine.

Promjena temperature s dubinom. Zemljina se površina, zbog neravnomjerne opskrbe sunčevom toplinom, ili zagrijava ili hladi. Te temperaturne fluktuacije prodiru vrlo plitko u debljinu Zemlje. Dakle, dnevne fluktuacije na dubini od 1 m obično se više ne osjeća. Što se tiče godišnjih fluktuacija, one prodiru na različite dubine: u toplim zemljama za 10-15 m, a u zemljama s hladnim zimama i vrućim ljetima do 25-30 pa čak i 40 m. Dublje od 30-40 m već svugdje na Zemlji temperatura se održava konstantnom. Na primjer, termometar postavljen u podrum Pariške zvjezdarnice pokazuje 11°.85C cijelo vrijeme već više od 100 godina.

Sloj s konstantnom temperaturom promatra se diljem zemaljske kugle i naziva se pojasom konstantne ili neutralne temperature. Dubina ovog pojasa varira ovisno o klimatskim uvjetima, a temperatura je približno jednaka prosječnoj godišnjoj temperaturi ovog mjesta.

Prilikom produbljivanja u Zemlju ispod sloja stalne temperature obično se primjećuje postupno povećanje temperature. To su prvi primijetili radnici u dubokim rudnicima. To je uočeno i pri postavljanju tunela. Tako je, na primjer, prilikom polaganja tunela Simplon (u Alpama), temperatura porasla na 60 °, što je stvorilo znatne poteškoće u radu. U dubokim bušotinama uočavaju 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. m temperatura poraste za 1°C.

Zove se broj metara koji trebate proći duboko u Zemlju da bi temperatura porasla za 1 °C geotermalni korak. Geotermalni korak u različitim slučajevima nije isti i najčešće se kreće od 30 do 35 m. U nekim slučajevima te fluktuacije mogu biti i veće. Na primjer, u državi Michigan (SAD), u jednoj od bušotina koja se nalazi u blizini jezera. Michigan, pokazalo se da geotermalna faza nije 33, nego 70 m Naprotiv, vrlo mali geotermalni korak uočen je u jednoj od bušotina u Meksiku, tamo na dubini od 670 m bilo je vode s temperaturom od 70°. Tako se pokazalo da je geotermalna faza tek oko 12 m. Mali geotermalni koraci također se opažaju u vulkanskim područjima, gdje na malim dubinama još uvijek mogu biti neohlađeni slojevi magmatskih stijena. Ali svi takvi slučajevi nisu toliko pravila koliko iznimke.

Mnogo je razloga koji utječu na geotermalnu fazu. (Osim navedenog, može se istaknuti različita toplinska vodljivost stijena, priroda pojave slojeva itd.

Teren je od velike važnosti u raspodjeli temperatura. Potonje se može jasno vidjeti na priloženom crtežu (slika 23), koji prikazuje dio Alpa duž linije tunela Simplon, s geoizotermama iscrtanim točkastom linijom (tj. linijama jednakih temperatura unutar Zemlje). Geoizoterme ovdje kao da ponavljaju reljef, ali s dubinom utjecaj reljefa postupno opada. (Snažno savijanje geoizoterme u Balleu prema dolje posljedica je snažne cirkulacije vode koja je ovdje uočena.)

Temperatura Zemlje na velikim dubinama. Promatranja temperature u bušotinama čija dubina rijetko prelazi 2-3 km, Naravno, oni ne mogu dati ideju o temperaturama dubljih slojeva Zemlje. Ali tu nam u pomoć dolaze neke pojave iz života zemljine kore. Vulkanizam je jedan od takvih fenomena. Vulkani su rasprostranjeni Zemljina površina, donose otopljene lave na površinu Zemlje, čija je temperatura preko 1000°. Stoga na velikim dubinama imamo temperature koje prelaze 1000°.

Nekada su znanstvenici, na temelju geotermalne faze, pokušavali izračunati dubinu na kojoj bi temperature mogle biti i do 1000-2000°. Međutim, takvi se izračuni ne mogu smatrati dovoljno utemeljenima. Zapažanja o temperaturi rashladne bazaltne kugle i teorijski proračuni daju razlog da se kaže da vrijednost geotermalnog koraka raste s dubinom. No, u kojoj mjeri i do koje dubine ide takvo povećanje, također još ne možemo reći.

Ako pretpostavimo da temperatura kontinuirano raste s dubinom, tada bi se u središtu Zemlje trebala mjeriti u desecima tisuća stupnjeva. Na takvim temperaturama sve nam poznate stijene trebale bi prijeći u tekuće stanje. Istina, unutar Zemlje postoji ogroman pritisak, a o stanju tijela pri takvim pritiscima ne znamo ništa. Međutim, nemamo podataka koji bi tvrdili da temperatura kontinuirano raste s dubinom. Sada većina geofizičara dolazi do zaključka da temperatura unutar Zemlje teško može biti veća od 2000°.

Izvori topline. Što se tiče izvora topline koji određuju unutarnju temperaturu Zemlje, oni mogu biti različiti. Na temelju hipoteza koje smatraju da je Zemlja nastala od usijane i rastaljene mase, unutarnja toplina se mora smatrati zaostalom toplinom tijela koje se topi s površine. Međutim, postoji razlog vjerovati da bi razlog unutarnje visoke temperature Zemlje mogao biti radioaktivni raspad urana, torija, aktinouranija, kalija i drugih elemenata sadržanih u stijenama. Radioaktivni elementi su uglavnom raspoređeni u kiselim stijenama površinske ljuske Zemlje, rjeđe su u dubokim bazičnim stijenama. Istodobno, glavne stijene su njima bogatije od željeznih meteorita, koji se smatraju fragmentima. unutarnjim dijelovima svemirska tijela.

Unatoč maloj količini radioaktivnih tvari u stijenama i njihovom sporom raspadu, ukupna količina topline koja nastaje radioaktivnim raspadom je velika. Sovjetski geolog V. G. Klopin izračunali da su radioaktivni elementi sadržani u gornjoj 90-kilometarskoj ljusci Zemlje dovoljni da pokriju gubitak topline planeta zračenjem. Zajedno s radioaktivnim raspadom Termalna energija oslobađa se tijekom kompresije Zemljine tvari, tijekom kemijskih reakcija itd.

- Izvor-

Polovinkin, A.A. Osnove opće geografije / A.A. Polovinkin.- M.: Državna obrazovno-pedagoška izdavačka kuća Ministarstva prosvjete RSFSR-a, 1958.- 482 str.

Broj pregleda: 179

U našoj zemlji, bogatoj ugljikovodicima, geotermalna energija je vrsta egzotičnog resursa koji, u sadašnjem stanju, teško da može konkurirati nafti i plinu. Ipak, ovaj alternativni oblik energije može se koristiti gotovo svugdje i prilično učinkovito.

Geotermalna energija je toplina zemljine unutrašnjosti. Proizvodi se u dubinama i dolazi na površinu Zemlje u različitim oblicima i različitim intenzitetom.

Temperatura gornjih slojeva tla ovisi uglavnom o vanjskim (egzogenim) čimbenicima - sunčevoj svjetlosti i temperaturi zraka. Tlo se ljeti i danju zagrijava do određene dubine, a zimi i noću se hladi nakon promjene temperature zraka i s određenim zakašnjenjem, povećavajući se s dubinom. Utjecaj dnevnih kolebanja temperature zraka završava na dubinama od nekoliko do nekoliko desetaka centimetara. Sezonske fluktuacije zahvaćaju dublje slojeve tla - do nekoliko desetaka metara.

Na određenoj dubini - od desetaka do stotina metara - temperatura tla održava se konstantnom, jednakom prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka u blizini Zemljine površine. To je lako provjeriti spuštanjem u prilično duboku špilju.

Kada je prosječna godišnja temperatura zraka na određenom području ispod nule, to se očituje kao permafrost (točnije, permafrost). U istočnom Sibiru debljina, odnosno debljina smrznutog tla tijekom cijele godine mjestimično doseže 200-300 m.

S određene dubine (svoje za svaku točku na karti) djelovanje Sunca i atmosfere toliko slabi da su endogeni (unutarnji) čimbenici na prvom mjestu i Zemljina se unutrašnjost zagrijava iznutra, tako da temperatura počinje rasti. uzdizati se s dubinom.

Zagrijavanje dubokih slojeva Zemlje povezano je uglavnom s raspadom radioaktivnih elemenata koji se tamo nalaze, iako se nazivaju i drugi izvori topline, na primjer, fizikalno-kemijski, tektonski procesi u dubokim slojevima zemljine kore i plašta. No, bez obzira na uzrok, temperatura stijena i povezanih tekućih i plinovitih tvari raste s dubinom. Rudari se suočavaju s ovim fenomenom – u dubokim rudnicima uvijek je vruće. Na dubini od 1 km trideset stupnjeva vrućine je normalna, a dublje temperatura je još viša.

Toplinski tok zemljine unutrašnjosti, koji dopire do površine Zemlje, je mali - u prosjeku, njegova snaga je 0,03–0,05 W / m 2, odnosno približno 350 W h / m 2 godišnje. Na pozadini toplinskog toka od Sunca i zraka koji se njime zagrijava, to je neprimjetna vrijednost: Sunce daje svakom kvadratnom metru zemljine površine oko 4.000 kWh godišnje, odnosno 10.000 puta više (naravno, ovo je u prosjeku, s velikim rasponom između polarnih i ekvatorijalnih širina i ovisno o drugim klimatskim i vremenskim čimbenicima).

Neznačajnost toplinskog toka iz dubine prema površini u većem dijelu planeta povezana je s niskom toplinskom vodljivošću stijena i osobitostima geološke strukture. Ali postoje iznimke - mjesta gdje je protok topline visok. To su, prije svega, zone tektonskih rasjeda, povećane seizmička aktivnost i vulkanizam, gdje energija unutrašnjosti zemlje nalazi izlaz. Takve zone karakteriziraju toplinske anomalije litosfere, ovdje toplinski tok koji dopire do površine Zemlje može biti mnogo puta, pa čak i redova veličine, jači od "uobičajenog". U tim zonama ogromna količina topline izvlači se na površinu vulkanskim erupcijama i toplim izvorima vode.

Upravo su ta područja najpovoljnija za razvoj geotermalne energije. Na području Rusije to su, prije svega, Kamčatka, Kurilski otoci i Kavkaz.

Istodobno, razvoj geotermalne energije moguć je gotovo posvuda, budući da je porast temperature s dubinom sveprisutan fenomen, a zadatak je "izvlačenje" topline iz utrobe, baš kao što se odatle crpe mineralne sirovine.

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

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

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

U različitim područjima, ovisno o geološkoj strukturi i drugim regionalnim i lokalnim uvjetima, brzina porasta temperature s dubinom može dramatično varirati. Na ljestvici Zemlje, fluktuacije u vrijednostima geotermalnih gradijenata i stepenica dosežu 25 puta. Na primjer, u državi Oregon (SAD) gradijent je 150°C na 1 km, a u Južna Afrika- 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 više-manje potvrđuju izravna promatranja u ultradubokim bušotinama, iako je slika puno kompliciranija od linearnog porasta temperature.

Na primjer, u superdubokoj bušotini Kola izbušenoj u Baltičkom kristalnom štitu, temperatura se mijenja brzinom od 10°C/1 km do dubine od 3 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 bunar postavljen u sjevernom Kaspijskom moru, 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 jezgra (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 neizravni 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 prirodne rashladne tekućine – grijane termalne vode, koji izlazi na površinu ili leži na nama dostupnoj dubini. U nekim slučajevima, voda u dubini se zagrijava do stanja pare.

Ne postoji stroga definicija pojma "termalne vode". U pravilu se podrazumijevaju vruće podzemne vode u tekućem stanju ili u obliku pare, uključujući i one koje na površinu Zemlje dolaze s temperaturom iznad 20 °C, odnosno u pravilu višom od temperature zraka.

Toplina podzemne vode, pare, mješavine pare i vode je hidrotermalna energija. Sukladno tome, energija koja se temelji na njezinoj upotrebi naziva se hidrotermalna.

Situacija je složenija s proizvodnjom topline izravno iz suhih stijena - petrotermalne energije, pogotovo jer dovoljno visoke temperature u pravilu počinju s nekoliko kilometara dubine.

Na teritoriju Rusije potencijal petrotermalne energije je sto puta veći od potencijala hidrotermalne energije - 3500 odnosno 35 trilijuna tona standardnog goriva. To je sasvim prirodno - toplina Zemljinih dubina je posvuda, a termalne vode se nalaze lokalno. Međutim, zbog očitih tehničkih poteškoća, većina termalnih voda trenutno se koristi za proizvodnju toplinske i električne energije.

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

Općenito, geotermalni resursi na teritoriju Rusije, u smislu tona referentnog goriva ili bilo koje druge mjerne jedinice energije, približno su 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.

Teoretski, samo geotermalna energija mogla bi u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. U praksi to trenutno na većem dijelu njezina teritorija nije izvedivo 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 izrazito aktivnoj tektonskoj i vulkanskoj zoni. Vjerojatno se svi sjećaju snažne erupcije vulkana Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajokull) u 2010.

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

Na Islandu se više od 60% sve potrošene energije trenutno uzima sa Zemlje. Uključujući i geotermalne izvore, osigurano je 90% grijanja i 30% proizvodnje električne energije. Dodajmo da ostatak električne energije u zemlji proizvode hidroelektrane, odnosno također koristeći obnovljivi izvor energije, zahvaljujući čemu Island izgleda kao svojevrsni globalni ekološki standard.

“Ukroćenje” geotermalne energije u 20. stoljeću znatno je ekonomski pomoglo Islandu. Do sredine prošlog stoljeća bila je vrlo siromašna država, sada je na prvom mjestu u svijetu po instaliranom kapacitetu i proizvodnji geotermalne energije po stanovniku, a u prvih deset po apsolutnom instaliranom kapacitetu geotermalne energije bilje. Međutim, njegova populacija je samo 300 tisuća ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potreba za tim je općenito mala.

Osim Islanda, visok udio geotermalne energije u ukupnoj bilanci proizvodnje električne energije osiguravaju Novi Zeland i otočne države jugoistočne Azije (Filipini i Indonezija), zemlje Srednje Amerike i Istočne Afrike čiji je teritorij također karakterističan. visokom seizmičkom i vulkanskom aktivnošću. Za ove zemlje, na njihovoj sadašnjoj razini razvoja i potreba, geotermalna energija daje značajan doprinos društveno-ekonomskom razvoju.

Korištenje geotermalne energije ima vrlo dugu povijest. Jedan od prvih poznatih primjera je Italija, mjesto u pokrajini Toskani, koje se danas zove Larderello, gdje su se već početkom 19. stoljeća za energiju koristile lokalne tople termalne vode, koje su tekle prirodno ili izvađene iz plitkih bunara. svrhe.

Za dobivanje se ovdje koristila voda iz podzemnih izvora, bogata borom Borna kiselina. U početku se ova kiselina dobivala isparavanjem u željeznim kotlovima, a obična drva za ogrjev uzimala su se kao gorivo iz obližnjih šuma, ali je 1827. Francesco Larderel stvorio sustav koji je radio na toplini samih voda. Istodobno se energija prirodne vodene pare počela koristiti za rad bušaćih uređaja, a početkom 20. stoljeća i za grijanje lokalnih kuća i staklenika. Na istom mjestu, u Larderellu, 1904. godine termalna vodena para postala je izvor energije za proizvodnju električne energije.

Primjer Italije s kraja 19. i početkom 20. stoljeća slijedile su i neke druge zemlje. Na primjer, 1892. godine termalna voda prvi put je korištena za lokalno grijanje u Sjedinjenim Državama (Boise, Idaho), 1919. - u Japanu, 1928. - na Islandu.

U Sjedinjenim Državama prva hidrotermalna elektrana 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

Proizvodnja električne energije zahtijeva višu temperaturu izvora vode od grijanja, preko 150°C. Princip rada geotermalne elektrane (GeoES) sličan je principu rada konvencionalne termoelektrane (TE). Zapravo, geotermalna elektrana je vrsta termoelektrane.

U termoelektranama u pravilu kao primarni izvor energije djeluju ugljen, plin ili loživo ulje, a vodena para kao radni fluid. Gorivo, gori, zagrijava vodu do stanja pare, koja rotira parnu turbinu, a ona 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 ulazi u lopatice turbine elektrogeneratora u "spremnom" obliku izravno iz proizvodne bušotine.

Postoje tri glavne sheme rada GeoPP-a: izravna, korištenjem suhe (geotermalne) pare; neizravni, bazirani na hidrotermalnoj vodi, i mješoviti, ili binarni.

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

Najjednostavnija i stoga prva od svladanih shema je izravna, u kojoj se para koja dolazi iz bušotine prolazi izravno kroz turbinu. Prvi GeoPP na svijetu u Larderellu 1904. također je radio na suhoj pari.

GeoPP-ovi s neizravnom shemom rada najčešći su u naše vrijeme. Koriste vruće podzemna voda, koji se pod visokim tlakom ubrizgava u isparivač, gdje se dio isparava, a nastala para rotira turbinu. U nekim slučajevima potrebni su dodatni uređaji i krugovi za pročišćavanje geotermalne vode i pare od agresivnih spojeva.

Ispušna para ulazi u bunar za ubrizgavanje ili se koristi za grijanje prostora - u ovom slučaju princip je isti kao i tijekom rada CHP-a.

Na binarnim GeoPP-ovima, vruća termalna voda stupa u interakciju s drugom tekućinom koja djeluje kao radni fluid s nižom točkom vrelišta. Obje tekućine prolaze kroz izmjenjivač topline, gdje termalna voda isparava radnu tekućinu, čije pare rotiraju turbinu.

Ovaj sustav je zatvoren, čime se rješava problem emisija u atmosferu. Osim toga, radne tekućine s relativno niskom točkom vrelišta omogućuju 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 kruga u ovom slučaju je također prilično jednostavan. Potrebno je izbušiti dvije međusobno povezane bušotine – injekcijsku i proizvodnu. Voda se pumpa u injekcionu bušotinu. Na dubini se zagrijava, a zatim se zagrijana voda ili para nastala kao rezultat jakog zagrijavanja dovodi na površinu kroz proizvodni bunar. Nadalje, sve ovisi o tome kako se petrotermalna energija koristi - za grijanje ili za proizvodnju električne energije. Zatvoreni ciklus moguć je s pumpanjem ispušne pare i vode natrag u injektorsku bušotinu ili drugim načinom zbrinjavanja.

Nedostatak takvog sustava je očit: kako bi se dobila dovoljno visoka temperatura radnog fluida, potrebno je bušiti bušotine do velike dubine. A to je ozbiljan trošak i rizik od značajnog gubitka topline kada se tekućina pomakne prema gore. Stoga su petrotermalni sustavi još uvijek rjeđi od hidrotermalnih, iako je potencijal petrotermalne energije za redove veličine veći.

Trenutačno je predvodnik u stvaranju takozvanih petrotermalnih cirkulacijskih sustava (PCS) Australija. Osim toga, ovaj smjer geotermalne energije aktivno se razvija u SAD-u, Švicarskoj, Velikoj Britaniji i Japanu.

Dar od Lorda Kelvina

Izum toplinske pumpe 1852. godine od strane fizičara Williama Thompsona (poznatog kao Lord Kelvin) pružio je čovječanstvu pravu priliku da koristi nisku toplinu gornjih slojeva tla. Sustav toplinske pumpe, ili toplinski multiplikator kako ga je nazvao Thompson, temelji se na fizičkom procesu prijenosa topline iz okoliš na rashladnu tekućinu. Zapravo, koristi isti princip kao u petrotermalnim sustavima. Razlika je u izvoru topline, u vezi s čime se može postaviti terminološko pitanje: u kojoj se mjeri toplinska pumpa može smatrati geotermalnim sustavom? Činjenica je da se u gornjim slojevima, do dubine od nekoliko desetaka ili stotina metara, stijene i tekućine sadržane u njima zagrijavaju ne dubokom toplinom zemlje, već suncem. Dakle, sunce je u ovom slučaju primarni izvor topline, iako se uzima, kao u geotermalnim sustavima, iz zemlje.

Rad toplinske pumpe temelji se na kašnjenju u zagrijavanju i hlađenju tla u odnosu na atmosferu, uslijed čega se stvara temperaturni gradijent između površinskih i dubljih slojeva koji zadržavaju toplinu i zimi, slično što se događa u rezervoarima. Glavna namjena toplinskih pumpi je grijanje prostora. Zapravo, to je "hladnjak u obrnutom smjeru". I toplinska pumpa i hladnjak su u interakciji s tri komponente: unutarnjim okruženjem (u prvom slučaju - grijana prostorija, u drugom - hlađenom komorom hladnjaka), vanjskim okruženjem - izvorom energije i rashladnim sredstvom (rashladnim sredstvom), koji je također rashladna tekućina koja osigurava prijenos topline ili hladnoće.

Tvar s niskom točkom vrelišta djeluje kao rashladno sredstvo, što joj omogućuje uzimanje topline iz izvora koji ima čak i relativno nisku temperaturu.

U hladnjaku tekuće rashladno sredstvo ulazi u isparivač kroz prigušnicu (regulator tlaka), gdje uslijed naglog pada tlaka tekućina isparava. Isparavanje je endotermni proces koji zahtijeva apsorpciju topline izvana. Kao rezultat, toplina se uzima s unutarnjih stijenki isparivača, što osigurava učinak hlađenja u komori hladnjaka. Dalje od isparivača, rashladno sredstvo se usisava u kompresor, gdje se vraća u tekuće stanje agregacije. Ovo je obrnut proces, koji dovodi do oslobađanja izvučene topline tijekom vanjsko okruženje. U pravilu se baca u prostoriju, a stražnji zid hladnjaka je relativno topao.

Toplinska pumpa radi na gotovo isti način, s tom razlikom što se toplina uzima iz vanjskog okruženja i ulazi u unutarnji okoliš kroz isparivač – sustav grijanja prostorije.

U pravoj toplinskoj pumpi voda se zagrijava, prolazeći kroz vanjski krug položen u zemlju ili rezervoar, a zatim ulazi u isparivač.

U isparivaču se toplina prenosi na unutarnji krug ispunjen rashladnim sredstvom s niskim vrelištem, koje, prolazeći kroz isparivač, prelazi iz tekućeg u plinovito stanje, uzimajući toplinu.

Nadalje, plinovito rashladno sredstvo ulazi u kompresor, gdje se komprimira do visokog tlaka i temperature, te ulazi u kondenzator, gdje se odvija izmjena topline između vrućeg plina i nosača topline iz sustava grijanja.

Kompresor zahtijeva električnu energiju za rad, međutim, omjer transformacije (omjer potrošene i proizvedene energije) u modernim sustavima je dovoljno visok da osigura njihovu učinkovitost.

Trenutno se toplinske pumpe široko koriste za grijanje prostora, uglavnom u ekonomski razvijenim zemljama.

Eko-ispravna energija

Geotermalna energija se smatra ekološki prihvatljivom, što je općenito točno. Prije svega, koristi se obnovljivim i praktički neiscrpnim resursom. Geotermalna energija ne zahtijeva velike površine, za razliku od velikih hidroelektrana ili vjetroelektrana, te ne zagađuje atmosferu, za razliku od energije ugljikovodika. GeoPP u prosjeku zauzima 400 m 2 u smislu 1 GW proizvedene električne energije. Ista brojka za termoelektranu na ugljen, na primjer, iznosi 3600 m 2. Ekološke prednosti GeoPP-a uključuju i nisku potrošnju vode - 20 litara slatke vode na 1 kW, dok termoelektrane i nuklearne elektrane zahtijevaju oko 1000 litara. Napominjemo da su ovo ekološki pokazatelji "prosječnog" GeoPP-a.

Ali negativno nuspojave ipak postoje. Među njima se najčešće izdvajaju buka, toplinsko onečišćenje atmosfere i kemijsko onečišćenje vode i tla, kao i stvaranje krutog otpada.

Glavni izvor kemijskog onečišćenja okoliša je sama termalna voda (s visoka temperatura i mineralizacija), često sadrže velike količine otrovnih spojeva, u vezi s kojima se javlja problem zbrinjavanja otpadnih voda i opasnih tvari.

Negativni učinci geotermalne energije mogu se pratiti u nekoliko faza, počevši od bušenja bušotina. Ovdje nastaju iste opasnosti kao i kod bušenja bilo koje bušotine: uništavanje tla i vegetacije, onečišćenje tla i podzemnih voda.

U fazi rada GeoPP-a i dalje postoje problemi onečišćenja okoliša. Termalne tekućine - voda i para - obično sadrže ugljični dioksid (CO 2), sumpor sulfid (H 2 S), amonijak (NH 3), metan (CH 4), kuhinjsku sol (NaCl), bor (B), arsen (As ), živa (Hg). Kada se ispuste u okoliš, postaju izvori onečišćenja. Osim toga, agresivno kemijsko okruženje može uzrokovati korozijsko oštećenje GeoTPP struktura.

Istodobno, emisije onečišćujućih tvari na GeoPP su u prosjeku niže nego na TE. Primjerice, emisije ugljičnog dioksida po kilovatsatu proizvedene električne energije iznose do 380 g u GeoPP, 1042 g u termoelektranama na ugljen, 906 g u loživim ulju i 453 g u termoelektranama na plin.

Postavlja se pitanje: što učiniti s otpadnom vodom? S niskim salinitetom, nakon hlađenja, može se ispuštati u površinske vode. Drugi način je pumpanje natrag u vodonosnik kroz injekcionu bušotinu, što je trenutno poželjna i prevladavajuća praksa.

Ekstrakcija termalne vode iz vodonosnika (kao i ispumpavanje obične vode) može uzrokovati slijeganje i pomicanje tla, druge deformacije geoloških slojeva i mikro-potrese. Vjerojatnost takvih pojava je obično niska, iako su zabilježeni pojedinačni slučajevi (primjerice, na GeoPP-u u Staufen im Breisgau u Njemačkoj).

Treba naglasiti da se većina GeoPP-ova 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. Uz veći razvoj geotermalne energije ekološki rizici može rasti i razmnožavati se.

Kolika je energija Zemlje?

Troškovi ulaganja za izgradnju geotermalnih sustava variraju u vrlo širokom rasponu - od 200 do 5000 dolara po 1 kW instalirane snage, odnosno najjeftinije opcije su usporedive s cijenom izgradnje termoelektrane. One ovise, prije svega, o uvjetima nastanka termalnih voda, njihovom sastavu i dizajnu sustava. Bušenje na velike dubine, stvaranje zatvorenog sustava s dvije bušotine, potreba za pročišćavanjem vode može umnožiti trošak.

Primjerice, ulaganja u stvaranje petrotermalnog cirkulacijskog sustava (PTS) procjenjuju se na 1,6-4 tisuće dolara po 1 kW instalirane snage, što premašuje troškove izgradnje nuklearne elektrane i usporedivo je s troškovima izgradnje vjetroelektrane i solarne elektrane.

Očigledna ekonomska prednost GeoTPP-a je besplatan nositelj energije. Za usporedbu, u strukturi troškova postojeće termoelektrane ili nuklearne elektrane gorivo čini 50-80% ili čak više, ovisno o trenutnim cijenama energije. Otuda još jedna prednost geotermalnog sustava: operativni troškovi su stabilniji i predvidljiviji, jer ne ovise o vanjskoj konjunkturi cijena energije. Općenito, operativni troškovi GeoTPP-a procjenjuju se na 2-10 centi (60 kopejki-3 rublje) po 1 kWh proizvedenog kapaciteta.

Druga najveća (i vrlo značajna) stavka rashoda nakon energenta su, u pravilu, plaće osoblja stanice, koje mogu dramatično varirati po zemlji i regiji.

U prosjeku, trošak 1 kWh geotermalne energije usporediv je s onim za termoelektrane (in Ruski uvjeti- oko 1 rublja/1 kWh) i deset puta veća od cijene proizvodnje električne energije u HE (5-10 kopecks/1 kWh).

Dio razloga visoke cijene je taj što, za razliku od termo i hidrauličnih elektrana, GeoTPP ima relativno mali kapacitet. Osim toga, potrebno je usporediti sustave koji se nalaze u istoj regiji iu sličnim uvjetima. Tako, na primjer, na Kamčatki, prema stručnjacima, 1 kWh geotermalne električne energije košta 2-3 puta jeftinije od električne energije proizvedene u lokalnim termoelektranama.

Pokazatelji ekonomske učinkovitosti geotermalnog sustava ovise, na primjer, o tome je li potrebno zbrinjavati otpadne vode i na koji način se to čini, je li moguće kombinirano korištenje resursa. Dakle, kemijski elementi i spojevi ekstrahirani iz termalne vode mogu pružiti dodatni prihod. Prisjetimo se primjera Larderella: tamo je primarna bila kemijska proizvodnja, a korištenje geotermalne energije u početku je bilo pomoćne prirode.

Geotermalna energija Forwards

Geotermalna energija se razvija nešto drugačije od vjetra i sunca. Trenutno to uvelike ovisi o prirodi samog resursa, koji se jako razlikuje po regijama, a najveće koncentracije vezane su za uske zone geotermalnih anomalija, obično povezane s područjima tektonskih rasjeda i vulkanizma.

Osim toga, geotermalna energija je tehnološki manje u usporedbi s vjetrom, a još više sa solarnom energijom: sustavi geotermalnih stanica su prilično jednostavni.

U ukupnoj strukturi svjetske proizvodnje električne energije geotermalna komponenta čini manje od 1%, ali u nekim regijama i zemljama njezin udio doseže 25-30%. Zbog povezanosti sa geološki uvjeti značajan dio geotermalnih energetskih kapaciteta koncentriran je u zemljama trećeg svijeta, gdje postoje tri najrazvijenija klastera industrije - otoci jugoistočne Azije, srednje Amerike i istočne Afrike. Prve dvije regije dio su pacifičkog "vatrenog pojasa Zemlje", treća je vezana uz istočnoafrički rascjep. S najvjerojatnije geotermalna energija će se nastaviti razvijati u tim pojasevima. Dalji izgled je razvoj petrotermalne energije, koristeći toplinu zemljinih slojeva 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 prihvatljivu razinu sigurnosti okoliša, postoji razlog za vjerovanje da geotermalna energija ima dobre izglede za razvoj. Pogotovo s rastućom prijetnjom nestašice tradicionalnih energenata i porastom cijena za njih.

Od Kamčatke do Kavkaza

U Rusiji razvoj geotermalne energije ima prilično dugu povijest, a po nizu smo pozicija među svjetskim liderima, iako je udio geotermalne energije u ukupnoj energetskoj bilanci ogromne zemlje još uvijek zanemariv.

Pioniri i središta razvoja geotermalne energije u Rusiji bile su dvije regije - Kamčatka i Sjeverni Kavkaz, i ako je u prvom slučaju prije svega riječ o elektroenergetskoj industriji, onda u drugom - o korištenju toplinske energije termalna voda.

Na Sjevernom Kavkazu, u Krasnodarski teritorij, Čečenija, Dagestan - toplina termalnih voda u energetske svrhe korištena je i prije Velikog Domovinski rat. U 1980-1990-ima razvoj geotermalne energije u regiji, iz očitih razloga, zastao je i još se nije oporavio od stanja stagnacije. Ipak, opskrba geotermalnom vodom na Sjevernom Kavkazu osigurava toplinu za oko 500 tisuća ljudi, a, na primjer, grad Labinsk na Krasnodarskom teritoriju sa 60 tisuća stanovnika u potpunosti se zagrijava geotermalnim vodama.

Na Kamčatki je povijest geotermalne energije povezana prvenstveno s izgradnjom GeoPP-a. Prve od njih, koje još uvijek rade stanice Pauzhetskaya i Paratunskaya, izgrađene su 1965.-1967., dok je Paratunskaya GeoPP kapaciteta 600 kW postala prva stanica na svijetu s binarnim ciklusom. Bio je to razvoj sovjetskih znanstvenika S. S. Kutateladzea i A. M. Rosenfelda iz Instituta za toplinsku fiziku Sibirskog ogranka Ruske akademije znanosti, koji su 1965. godine dobili potvrdu o autorskim pravima za vađenje električne energije iz vode s temperaturom od 70 ° C. Ova tehnologija je kasnije postala prototip za više od 400 binarnih GeoPP-ova u svijetu.

Kapacitet Pauzhetskaya GeoPP, pušten u rad 1966., u početku je bio 5 MW, a zatim je povećan na 12 MW. Trenutno je stanica u izgradnji binarnog bloka, koji će povećati njen kapacitet za još 2,5 MW.

Razvoj geotermalne energije u SSSR-u i Rusiji bio je sputan dostupnošću tradicionalnih izvora energije - nafte, plina, ugljena, ali nikada nije prestao. Najveći geotermalni objekti u ovom trenutku su Verkhne-Mutnovskaya GeoPP ukupne snage 12 MW elektrane, puštene u rad 1999. godine, i Mutnovskaya GeoPP snage 50 MW (2002.).

Mutnovskaya i Verkhne-Mutnovskaya GeoPP jedinstveni su objekti ne samo za Rusiju, već i na globalnoj razini. Postaje se nalaze u podnožju vulkana Mutnovsky, na nadmorskoj visini od 800 metara nadmorske visine, a rade u ekstremnim klimatskim uvjetima, gdje je zima 9-10 mjeseci godišnje. Oprema Mutnovsky GeoPPs, trenutno jedne od najmodernijih u svijetu, u potpunosti je stvorena u domaćim elektroenergetskim poduzećima.

Trenutno je udio stanica Mutnovsky u ukupnoj strukturi potrošnje energije energetskog čvorišta Central Kamčatka 40%. U narednim godinama planira se povećanje kapaciteta.

Zasebno, treba reći o ruskom petrotermalnom razvoju. Još nemamo veliki PDS, međutim, postoje napredne tehnologije za bušenje na velike dubine (oko 10 km), koje također nemaju analoga u svijetu. Ih daljnji razvoj drastično će smanjiti troškove stvaranja petrotermalnih sustava. Programeri ovih tehnologija i projekata su N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geološki institut Ruske akademije znanosti), A. S. Nekrasov (Institut za ekonomska prognoza Ruske akademije znanosti) i stručnjaci iz Kaluške turbinske tvornice. Trenutno je projekt petrotermalnog cirkulacijskog sustava u Rusiji u pilot fazi.

Izgledi za geotermalnu energiju u Rusiji postoje, iako su relativno udaljeni: u ovom trenutku potencijal je prilično velik, a pozicija tradicionalne energije je jaka. Istodobno, u brojnim udaljenim regijama zemlje korištenje geotermalne energije je ekonomski isplativo i traženo je i sada. To su područja s visokim geoenergetskim potencijalom (Čukotka, Kamčatka, Kurili - ruski dio pacifički „vatreni pojas Zemlje“, planine južnog Sibira i Kavkaza) i istovremeno udaljene i odsječene od centralizirane opskrbe energijom.

Vjerojatno će se u narednim desetljećima geotermalna energija u našoj zemlji razvijati upravo u takvim regijama.

Temperatura tla se kontinuirano mijenja s dubinom i vremenom. Ovisi o brojnim čimbenicima, od kojih je mnoge teško objasniti. Potonje, na primjer, uključuju: prirodu vegetacije, izloženost padine kardinalnim točkama, zasjenjenje, snježni pokrivač, prirodu samih tala, prisutnost supra-permafrost voda itd. stabilne, te odlučujuće utjecaj ovdje ostaje s temperaturom zraka.

Temperatura tla na različitim dubinama a u različitim razdobljima godine može se dobiti izravnim mjerenjima u termalnim bušotinama, koje se polažu u procesu izmjere. Ali ova metoda zahtijeva dugoročna promatranja i značajne troškove, što nije uvijek opravdano. Podaci dobiveni iz jedne ili dvije bušotine rasprostranjeni su na velikim površinama i duljinama, značajno narušavajući stvarnost tako da se izračunati podaci o temperaturi tla u mnogim slučajevima pokazuju pouzdanijima.

Permafrost temperatura tla na bilo kojoj dubini (do 10 m od površine) i za bilo koje razdoblje godine može se odrediti formulom:

tr = mt°, (3.7)

gdje je z dubina mjerena od VGM-a, m;

tr je temperatura tla na dubini z, st.

τr – vrijeme jednako godini (8760 h);

τ je vrijeme koje se računa unaprijed (do 1. siječnja) od trenutka početka jesenskog smrzavanja tla do trenutka za koji se mjeri temperatura, u satima;

exp x je eksponent (eksponencijalna funkcija exp preuzeta je iz tablica);

m - koeficijent ovisno o razdoblju godine (za razdoblje listopad - svibanj m = 1,5-0,05z, a za razdoblje lipanj-rujan m = 1)

Najviše niska temperatura na danoj dubini bit će kada kosinus u formuli (3.7) postane jednak -1, tj. minimalna temperatura tla za godinu na danoj dubini bit će

tr min = (1,5-0,05z) t°, (3,8)

Maksimalna temperatura tla na dubini od z, bit će kada kosinus poprimi vrijednost jednaku jedan, t.j.

tr max = t°, (3.9)

U sve tri formule vrijednost volumetrijskog toplinskog kapaciteta C m treba izračunati za temperaturu tla t ° pomoću formule (3.10).

S 1 m = 1/W, (3.10)

Temperatura tla u sloju sezonskog odmrzavanja također se može odrediti proračunom, uzimajući u obzir da je promjena temperature u ovom sloju prilično točno aproksimirana linearnom ovisnošću za sljedeće temperaturne gradijente (tablica 3.1).

Izračunavši prema jednoj od formula (3.8) - (3.9) temperaturu tla na razini VGM, t.j. stavljajući Z=0 u formule, zatim pomoću tablice 3.1 određujemo temperaturu tla na zadanoj dubini u sloju sezonskog odmrzavanja. U najvišim slojevima tla, do oko 1 m od površine, priroda temperaturnih fluktuacija je vrlo složena.

Tablica 3.1

Gradijent temperature u sloju sezonskog odmrzavanja na dubini ispod 1 m od površine tla

Bilješka. Predznak gradijenta je prikazan prema površini.

Da biste dobili izračunatu temperaturu tla u metarskom sloju od površine, možete postupiti na sljedeći način. Izračunajte temperaturu na dubini od 1 m i temperaturu dnevne površine tla, a zatim interpolacijom iz ove dvije vrijednosti odredite temperaturu na zadanoj dubini.

Temperaturu na površini tla t p u hladnoj sezoni možemo uzeti jednakom temperaturi zraka. Tijekom ljetnog razdoblja:

t p \u003d 2 + 1,15 t in, (3,11)

gdje je t p temperatura površine u st.

t in - temperatura zraka u st.

Temperatura tla s nekonfluentnim permafrostom izračunava se drugačije nego kod spajanja. U praksi možemo pretpostaviti da će temperatura na razini WGM biti 0°C tijekom cijele godine. Izračunata temperatura tla permafrosta na zadanoj dubini može se odrediti interpolacijom, uz pretpostavku da ona varira na dubini prema linearnom zakonu od t° na dubini od 10 m do 0°C na dubini VGM. Temperatura u otopljenom sloju h t može se uzeti od 0,5 do 1,5°C.

U sloju sezonskog smrzavanja h p temperatura tla se može izračunati na isti način kao i za sloj sezonskog odmrzavanja spojene zone permafrosta, t.j. u sloju h p - 1 m duž temperaturnog gradijenta (tablica 3.1), uzimajući u obzir temperaturu na dubini h p jednaku 0 ° C u hladnoj sezoni i 1 ° C ljeti. U gornjem metarskom sloju tla temperatura se određuje interpolacijom između temperature na dubini od 1 m i temperature na površini.