Проект "Геотермальна енергетика" на конкурс "Енергія і середовище"

Проект

Геотермальна енергія, перспективи використання у Золотарівці

Вступ

Вугілля відіграє велику роль у світовому виробництві тепла та енергії. Так, у 2006 р. 41% електроенергії у світі вироблялося при спалюванні вугілля. Але вугілля є також одним з основних джерел викидів парникових газів, оскільки його вуглецева ємність найбільша серед інших викопних видів палива. Тому при спалюванні вугілля виділяється більша кількість СО₂ ніж при спалюванні нафти та газу. За даними МЕА, у 2008 році близько 42 % від світових викидів парникових газів склали викиди від спалювання вугілля. У 1990 р. викиди парникових газів від видобутку та споживання вугілля були на рівні 318 млн. т СО2-екв. і становили 34% від загальної кількості викидів в Україні. Причому левову частку викидів складали викиди від спалювання твердого палива (близько 60%). При спалюванні вугілля середня запиленість димових газів складає 10 – 50 г/м³ . Так як в с. Золотарівка всі будинки опалюються за рахунок твердого палива, то питання використання дешевого та екологічно чистого палива є актуальним для місцевого населення.

Проблема, та шляхи її вирішення

Зменшити викиди парникових газів можна завдяки використанню природних відновлювальних джерел енергії. Одним із альтернативних видів енергії є геотермальна. Геотермальна енергетика - напрямок, заснований на виробництві електричної і теплової енергії за рахунок теплової енергії, що міститься в надрах землі.

Геотермальна енергія - це енергія у формі тепла, що акумулюється нижче поверхні "твердої" Землі. У 1 л "внутрішнього простору" Землі накопичено у середньому 2,6 кВт енергії. За рахунок теплоємності Землі люди могли б на 30 млн. років задовольнити сучасні світові потреби в енергії.

Геотермальна енергія - це тепло Землі, яке утворюється переважно внаслідок розпаду радіоактивних речовин у земній корі та мантії. Температура земної кори углиб підвищується на 2,5- 3°С через кожні 100 м (так званий геотермальний градієнт). Так, на глибині 20 км вона досягає близько 500 °С, на глибині 50 км - 700-800 °С. У певних місцях, особливо по краях тектонічних плит материків, а також у так званих "гарячих точках", температурний градієнт вище майже у 10 разів: на глибині 500-1000 м температура порід сягає 3000 °С. Однак для нормального використання геотермальних енергоресурсів достатньо значно менших температур.

Середня температуру Землі на глибині 3-5 м впродовж року становить 10-13°С і вище. За сучасними оцінками, геотермальна енергія, акумульована у перших 10 км земної кори, досягає 137 трлн т умовного палива, що у 10 разів перевищує геологічні ресурси усіх видів палива, разом узятих.

Доцільність розвитку геотермальної енергетики в Україні визначається наявністю значних ресурсів геотермальної енергії на її території, які за своїм тепловим еквівалентом перевищують запаси традиційного енергетичного палива. В Україні значні запаси геотермальних вод є на Закарпатті, у Криму, а також у Львівській, Донецькій, Запорізькій, Луганській, Полтавській, Харківській, Херсонській, Чернігівській та інших областях. Ці запаси вже сьогодні рентабельно використовуються не тільки для теплопостачання різних споживачів, а й для виробництва електроенергії. Існуючі ціни на енергоносії і перспективи їх росту роблять економічно вигідним будівництво геотермальних електростанцій у згаданих регіонах у найближчий час. Значно покращить ситуацію з теплопостачання споживачів, дозволить використання потенціалу навіть слабо термальних вод (від + 30°С), запаси яких у багатьох регіонах країни доволі значні.

Мінімальна (технологічно прийнятна для виробництва електроенергії при існуючих технічних можливостях) температура гірських порід становить 150°С. Така температура гірських порід у межах України зафіксована на глибинах 3-10 км (у Донбасі – 4-6 км). Відповідно до проведеної оцінки геологічні ресурси геотермальної енергії найперспективніших в Україні площ в інтервалі глибин 3-10 км складають близько 15 трлн. т умовного палива до 7 км – 3 трлн. т умовного палива.

У Дніпровсько-Донецькій западині і Донбасі прогнозні ресурси геотермальної енергії в інтервалі глибин 4-10 км становлять 9 трлн. т, в тому числі до 7 км – 1,9 трлн. т умовного палива. Щільність ресурсів на технологічно доступних глибинах (4-5 км) становить близько 7 млн. т умовного палива/км.

Застосування геотермальної енергії широко практикується у країнах Європи і США для опалення будинків, виробничих приміщень, тваринницьких ферм за допомогою теплообмінників і тепло насосних установок. Це дає можливість економити до 50-70% тепла, яке використовується для створення температурного режиму у приміщеннях. Для роботи цієї системи зовнішнє повітря подається у повітропроводи, розташовані на глибині 3 м, а потім у приміщення. Взимку повітря під землею нагрівається, а потім охолоджується. Така система вентиляції вперше була змонтована у 1977 р. у США для створення мікроклімату у свинарнику площею 7,2 x 15 м. Теплообмінник складається з 12 повітропроводів довжиною 30 м, заглиблених у землю на 3 м. Вертикальні повітрозабірні ділянки піднімаються над поверхнею землі на 1,5 м. Горизонтальні повітропроводи розміщені навколо центрального, вертикального, який входить у вентиляційну камеру свинарника. Горизонтальні повітропроводи мають нахил у бік вертикальної камери. Взимку повітря у приміщенні нагрівають до +25^оС при температурі зовні -28^оС, а влітку охолоджують до +14^оС при температурі зовні +35^оС.

Принцип роботи геотермальної  системи опалення

Принцип роботи геотермальної системи опалення простий, заключається в тому, що трубопровід поглинає природне земне тепло і переганяє його через теплові насоси, в яких відбувається підвищення його температури, а потім вже потрапляє в домівку.

Основа геотермального теплопостачання – тепловий насос, який забезпечує вироблення і транспортування теплоенергії. У більшості випадків геотермальні теплові насоси розміщують у приміщенні, а в землю опускають теплообмінник. Теплоносій, який проходить через насос, нагрівається і тим самим забезпечує підтримку в будинку стабільної та постійної температури, яка забезпечує комфортне проживання. Тепловий насос та теплообмінник забезпечують не лише доставку тепла, а й доставку гарячої води, при цьому не здійснюючи негативного впливу на навколишнє середовище.

Принцип дії теплового насосу

Принцип дії теплового насосу простий, аналогічний принципу роботи холодильників. 

Теплоносій тече колектором (зовнішнім контуром) – трубою, що укладена в ґрунт на глибину декількох метрів. Теплоносій нагрівається від ґрунту на декілька градусів. Далі він потрапляє в теплообмінник (випарник). Випарник – це камера, в якій відбувається передача теплової енергії від теплоносія до спеціальної рідини – холодоагенту. Холодоагент – це рідина, яка перетворюється в пар (газоподібний агрегатний стан) за невисокої температури. Дещо підігрівшись від теплоносія в теплообміннику, холодоагент перетворюється в газ, «випаровується» і потрапляє в компресор насоса.

Компресор стискає холодоагент, збільшуючи його тиск, за рахунок цього відбувається велике збільшення температури. Після цього гарячий холодоагент потрапляє у другий теплообмінник – конденсатор. У цьому теплообміннику відбувається передача теплової енергії від холодоагенту до другого теплоносія, що протікає в опалювальних радіаторах. Одночасно з цим, холодоагент охолоджується і конденсується (переходить у рідкий стан). Далі холодоагент потрапляє в теплоносій – випарник, і цикл повторюється.

Так, за рахунок теплового насоса, теплообмінників (випарника та конденсатора), а також компресора, енергія землі потрапляє в опалювальні радіатори.

Принцип роботи теплового насосу відображений у циклі Карно, опублікований у 1824 році в його дисертації, вивчається у школі на уроках фізики.   Практичну теплонасосну систему запропонував лорд Кельвін у 1852 році під назвою «помножувач тепла». Принципова схема на малюнку.

За цією схемою видно, що тепловий насос бере теплову енергію із одного місця, переносить її і віддає в інше місце.

Результат

Модель будинку з геотермальним екологічно чистим опаленням.

Площа будинку – 80 м².

Теплообмінник складається з 12 повітропроводів довжиною 30 м, заглиблених у землю на 3 м. Вертикальні повітрозабірні ділянки піднімаються над поверхнею землі на 1,5 м. Горизонтальні повітропроводи розміщені навколо центрального, вертикального, який входить у вентиляційну камеру домівки. Горизонтальні повітропроводи мають нахил у бік вертикальної камери. Взимку повітря у приміщенні можна нагріти максимально до +32,15^оС при температурі зовні -28^оС, а влітку охолодити аж до +10^оС при температурі зовні +35^оС. В умовах нашого спекотного літа при 45^оС  зовні – в будинку можна отримати найнижчу температуру +13^оС.

Спеціальної підготовки ґрунту не потрібно. Бажано використовувати ділянку з вологим грунтом, проте сухий ґрунт – не проблема – необхідно лише збільшити довжину  контуру.

Орієнтовне значення теплової потужності  - на 1 м² трубопроводу 20-30  Вт.

Отже, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідний земляний контур 333-500 м. Для укладки такого контуру необхідна ділянка землі приблизно  400-600 м². Контур, укладений в землю, не здійснює вплив на садові насадження. Ділянка може використовуватись для вирощування культур так, як і при відсутності зовнішнього колектора.