Кіріспе
Геотермалды энергияны жылыту үшін пайдалану
геотермалды жылудың тікелей қолданылуы
direct uses of geothermal heat
Геотермалды жылыту – жылыту мақсатында геотермалды энергияны тікелей пайдалану. Адамдар бұл тәсілмен геотермалды жылуды палеолит дәуірінен бері пайдаланып келеді. 2004 жылы шамамен 70 ел барлығы 270 ПДж геотермалды жылуды тікелей қолданды. 2007 жылғы мәліметтер бойынша, әлем бойынша 28 ГВт геотермалды жылу қуаты орнатылған, бұл жаһандық біріншілік энергия тұтынудың 0,07% құрайды. Жоғары температуралы геотермалды жылудың көп бөлігі жер бетіне жақын вулкандық белсенділік байқалатын тектоникалық плиталар шекарасындағы аймақтарда жиналады. Осы аймақтарда жер асты және жер асты сулары қолданылатын температурадан жоғары температурада кездеседі. Дегенмен, тіпті салқын жердің астында да жылу бар. Жер бетінен төмен қарай, топырақтың өздігінен қалған температурасы жылдық орташа ауа температурасына тең болып сақталады, және бұл жылуды жер беттік жылу сорғысы арқылы алуға болады.
Қолданбалар
+ 2005 жылы геотермиялық жылуды ең көп пайдаланатын елдер
Ел Өнім (PJ/жыл) Сыйымдылық (GW) Жұмыс коэффициенті Басты қолданылу салалары
Қытай 45.38 3.69 39% Мою/сауна
Швеция 43.2 4.2 33% Жылу сорғылары
АҚШ 31.24 7.82 13% Жылу сорғылары
Түркия 24.84 1.5 53% Ауданық жылу жүйесі
Исландия 24.5 1.84 42% Ауданық жылу жүйесі
Жапония 10.3 0.82 40% Мою (оңсендер)
Мажарстан 7.94 0.69 36% Шипажайлар/жылыжайлар
Италия 7.55 0.61 39% Шипажайлар/тұрғын үйлерді жылыту
Жаңа Зеландия 7.09 0.31 73% Өнеркәсіптік қолдану
Басқа 63 ел 71 6.8
Жалпы 273 28 31% Тұрғын үйлерді жылыту
+Direct use of geothermal heat by category in 2015 as adapted from John W. Lund Category GWh/year Geothermal heat pumps 90,293 Bathing and swimming 33,164 Space heating 24,508 Greenhouse heating 7,407 Aquaculture pond heating 3,322 Industrial uses 2,904 Cooling/snow melting 722 Agriculture drying 564 Others 403 Total 163,287
There are a wide variety of applications for cheap geothermal heat including heating of houses, greenhouses, bathing and swimming or industrial uses. Most applications use geothermal in the form of hot fluids between 50 °C (122 °F) and 150 °C (302 °F). The suitable temperature varies for the different applications. For direct use of geothermal heat, the temperature range for the agricultural sector lies between 25 °C (77 °F) and 90 °C (194 °F), for space heating lies between 50 °C (122 °F) to 100 °C (212 °F). In 2004 more than half of direct geothermal heat was used for space heating, and a third was used for spas. The remainder was used for a variety of industrial processes, desalination, domestic hot water, and agricultural applications. The cities of Reykjavík and Akureyri pipe hot water from geothermal plants under roads and pavements to melt snow. Geothermal desalination has been demonstrated. Geothermal systems tend to benefit from economies of scale, so space heating power is often distributed to multiple buildings, sometimes whole communities. This technique, long practiced throughout the world in locations such as Reykjavík, Iceland; Boise, Idaho; and Klamath Falls, Oregon; is known as district heating.
+ 2015 жылы Джон В. Лунд еңбектерінен алынған геотермиялық жылуды категория бойынша тікелей пайдалану
Категория (ГВт/жыл)
Геотермиялық жылу сорғылары 90,293
Мою және жүзу 33,164
Тұрғын үйлерді жылыту 24,508
Жылыжайларды жылыту 7,407
Аквамәдениеттік қоймаларды жылыту 3,322
Өнеркәсіптік қолдану 2,904
Салқындату/қарды еріту 722
Ауыл шаруашылығы өнімдерін кептіру 564
Басқалары 403
Жалпы 163,287
+Direct use of geothermal heat by category in 2015 as adapted from John W. Lund Category GWh/year Geothermal heat pumps 90,293 Bathing and swimming 33,164 Space heating 24,508 Greenhouse heating 7,407 Aquaculture pond heating 3,322 Industrial uses 2,904 Cooling/snow melting 722 Agriculture drying 564 Others 403 Total 163,287
There are a wide variety of applications for cheap geothermal heat including heating of houses, greenhouses, bathing and swimming or industrial uses. Most applications use geothermal in the form of hot fluids between 50 °C (122 °F) and 150 °C (302 °F). The suitable temperature varies for the different applications. For direct use of geothermal heat, the temperature range for the agricultural sector lies between 25 °C (77 °F) and 90 °C (194 °F), for space heating lies between 50 °C (122 °F) to 100 °C (212 °F). In 2004 more than half of direct geothermal heat was used for space heating, and a third was used for spas. The remainder was used for a variety of industrial processes, desalination, domestic hot water, and agricultural applications. The cities of Reykjavík and Akureyri pipe hot water from geothermal plants under roads and pavements to melt snow. Geothermal desalination has been demonstrated. Geothermal systems tend to benefit from economies of scale, so space heating power is often distributed to multiple buildings, sometimes whole communities. This technique, long practiced throughout the world in locations such as Reykjavík, Iceland; Boise, Idaho; and Klamath Falls, Oregon; is known as district heating.
Геотермиялық жылуды қолдану саласы өте кең, оның ішінде үйлерді, жылыжайларды жылыту, шомылу, жүзу немесе өнеркәсіптік мақсатта пайдалану мүмкіндіктері бар. Көптеген жағдайларда геотермиялық энергия 50 °C (122 °F) мен 150 °C (302 °F) арасындағы температурадағы ыстық сұйықтықтар түрінде қолданылады. Әр түрлі қолдану үшін қажетті температура өзгереді. Геотермиялық жылуды тікелей пайдалану үшін ауыл шаруашылығы секторында температура 25 °C (77 °F) мен 90 °C (194 °F) аралығында, ал тұрғын үйлерді жылыту үшін 50 °C (122 °F) мен 100 °C (212 °F) аралығында болуы тиіс. 2004 жылы тікелей геотермиялық жылудың жартысынан астамы тұрғын үйлерді жылытуға, үштен бірі шипажайларға жұмсалды. Қалғаны әртүрлі өнеркәсіптік процестерде, тұзды суды тұщылауда, тұрмыстық ыстық сумен жабдықтауда және ауыл шаруашылығында қолданылды. Рейкьявик және Акурейри қалалары геотермальдық станциялардан ыстық суды жолдар мен тротуарлардың астынан өткізіп, қарды ерітеді. Геотермиялық тұзсыздандырудың мүмкіндігі дәлелденген. Геотермальдық жүйелер көлемді өндірістің артықшылықтарынан пайдаланады, сондықтан жылу беру қуаты көбінесе бірнеше ғимаратқа, кейде бүкіл қауымдастықтарға таратылады. Бұл техника ұзақ жылдар бойы әлемнің көптеген аймақтарында, мысалы, Рейкьявик (Исландия), Бойзе (Айдахо) және Кламат Фоллс (Орегон) қалаларында қолданылып келеді және ауданық жылу жүйесі деп аталады.
+Direct use of geothermal heat by category in 2015 as adapted from John W. Lund Category GWh/year Geothermal heat pumps 90,293 Bathing and swimming 33,164 Space heating 24,508 Greenhouse heating 7,407 Aquaculture pond heating 3,322 Industrial uses 2,904 Cooling/snow melting 722 Agriculture drying 564 Others 403 Total 163,287
There are a wide variety of applications for cheap geothermal heat including heating of houses, greenhouses, bathing and swimming or industrial uses. Most applications use geothermal in the form of hot fluids between 50 °C (122 °F) and 150 °C (302 °F). The suitable temperature varies for the different applications. For direct use of geothermal heat, the temperature range for the agricultural sector lies between 25 °C (77 °F) and 90 °C (194 °F), for space heating lies between 50 °C (122 °F) to 100 °C (212 °F). In 2004 more than half of direct geothermal heat was used for space heating, and a third was used for spas. The remainder was used for a variety of industrial processes, desalination, domestic hot water, and agricultural applications. The cities of Reykjavík and Akureyri pipe hot water from geothermal plants under roads and pavements to melt snow. Geothermal desalination has been demonstrated. Geothermal systems tend to benefit from economies of scale, so space heating power is often distributed to multiple buildings, sometimes whole communities. This technique, long practiced throughout the world in locations such as Reykjavík, Iceland; Boise, Idaho; and Klamath Falls, Oregon; is known as district heating.
Экстракциялау
Әлемнің кейбір аймақтары, оның ішінде АҚШ-тың батыс бөлігінің үлкен бөлігі, салыстырмалы түрде жақын орналасқан геотермальдық ресурстармен жабдықталған. Исландияда, Жапонияның кейбір бөліктерінде және әлемнің басқа да жылулық ошақтарында да ұқсас жағдайлар кездеседі. Осы аймақтарда су немесе бу табиғи ыстық су бұлақтарынан жиналып, тікелей радиаторларға немесе жылу алмастырғыштарға жіберілуі мүмкін. Балама ретінде, жылу геотермальдық электр стансасының қоса өндірісінен немесе ыстық сулы қабаттарға терең бұрғылау арқылы алынуы мүмкін. Геотермальдық жылуды тікелей пайдалану геотермальдық электр энергиясын өндіруден әлдеқайда тиімді және температура талаптары төмен, сондықтан ол кең географиялық ауқымда қолданылуы мүмкін. Егер жер асты ыстық болса, бірақ құрғақ болса, ауа немесе су жер асты құбырлары немесе ұңғымадағы жылу алмастырғыштар арқылы айналып, жермен жылу алмасуы мүмкін. Геотермальдық ресурстардан алынған қысымды бу геотермальдық электр энергиясын өндіру үшін де қолданылады. Исландияның терең бұрғылау жобасы 2100 метрде магма қалтасына тап болды. Тесік магмаға жақын жерде перфорациясы бар цементтелген темір қаптамамен жабдықталды. Магма буының жоғары температурасы мен қысымы 36 МВт электр энергиясын өндіруге пайдаланылды, бұл IDDP 1-ді әлемдегі алғашқы магмалық күшейтілген геотермальдық жүйе етті. Жер астының беткі қабаттары қыста суық болса да, олар қысқы ауадан жылырақ болуы мүмкін. Жердің жылулық инерциясы жазда жиналған күн энергиясын сақтайды, ал жер температурасының маусымдық өзгерістері 10 метр тереңдікте толығымен жоғалады. Бұл жылуды геотермальдық жылу сорғысымен дәстүрлі пештерге қарағанда тиімдірек алуға болады. Геотермальдық жылу сорғылары экономикалық тұрғыдан әлемнің кез келген жерінде тиімді. Теориялық тұрғыдан алғанда, геотермальдық энергияны (әдетте салқындату үшін) қолданыстағы инфрақұрылымнан, мысалы, қалалық су құбырларынан да алуға болады.
Жер асты жылу сорғылары
Жоғары температуралы геотермалды ресурстары жоқ аймақтарда жер асты жылу сорғысы (GSHP) кеңістікті жылыту және салқындатуды қамтамасыз ете алады. Мұздатқыш немесе ауа баптау құрылғысы сияқты, бұл жүйелер жылуды жерден ғимаратқа беру үшін жылу сорғысын қолданады. Жылу кез келген көзден алынады, қаншалықты суық болса да, бірақ жылы көз тиімділігі жоғары болады. Жер асты жылу сорғысы жердің немесе жер асты суларының (әдетте, 0-ден басталатын) тереңдігін жылу көзі ретінде пайдаланады, осылайша оның маусымдық орташа температурасын пайдаланады. Ал ауа көзінен жылу сорғысы ауадан жылу алады (сырттағы ауа суық) және осылайша көбірек энергия қажет етеді. GSHP-тер жер астына көмілген жабық құбырлар арқылы тасымалдаушы сұйықтықты (әдетте су мен аз мөлшерде антифриз қоспасын) айналдырады. Бір үй жүйелері терең бұрғылау тесіктері бар "тік бұрамалы өріс" жүйелері болуы мүмкін немесе егер кең траншеялар үшін жеткілікті жер болса, "горизонталь бұрамалы өріс" жер бетінен шамамен алты фут орнатылады. Сұйықтық жер астынан айналып бара жатқанда, ол жерден жылуды сіңіреді, ал қайтып оралғанда, жылытылған сұйықтық жылу сорғысынан өтеді, ол сұйықтықтан жылу алу үшін электр энергиясын пайдаланады. Салқындатылған сұйықтық топыраққа қайтарылады, осылайша цикл жалғасады. Жылу сорғысы арқылы алынған жылу және жылу сорғысының қосалқы өнімі үйді жылыту үшін пайдаланылады. Жер асты жылу циклін қосу энергия теңдеуіне байланысты ғимаратқа электр энергиясын тікелей жылу үшін пайдаланғаннан гөрі әлдеқайда көп жылу берілуі мүмкін. Жылу ағынының бағытын өзгертіп, сол жүйені суытылған суды жаз айларында салқындату үшін үй арқылы айналдыру үшін пайдалануға болады. Жылу ауа кондиционеріндей ыстық сыртқы ауаға жеткізбей, салыстырмалы түрде салқын жерге (немесе жер асты суларына) шығарылады. Нәтижесінде жылу үлкен температуралық айырмашылық арқылы айдап жіберіледі, бұл жоғары тиімділікке және энергияны аз пайдалануға әкеледі. Ең көне белгілі шипажай - Қытайдың Ли тауындағы тас бассейн, ол Цинь династиясы кезінде б.з.д. III ғасырында салынған. Геотермальдық энергия біздің заманымыздың 0 жылы шамасында Помпеидегі моншалар мен үйлерді жылумен қамтамасыз еткен. Біздің заманымыздың бірінші ғасырында римдіктер Англиядағы Аквае Сулисті жаулап алды және ондағы ыстық бұлақтардан қоғамдық моншақтар мен еден асты жылумен қамтамасыз ету үшін пайдаланды. Бұл моншақтарға кіру ақысы геотермальдық энергияны алғашқы коммерциялық пайдалануды білдіреді. Исландияда 1000 жыл бұрын салынған ванна табылды, оны сол аралдың алғашқы қоныстанушыларының бірі салған. Әлемдегі ең көне геотермальдық жылу жүйесі Франциядағы Шодес-Айгу қаласында 14 ғасырдан бері жұмыс істеп келеді. Чарли Либ 1930 жылы үйін жылыту үшін тұңғыш жылу алмастырғышты жасаған. 1943 жылы Исландияда үйлерді жылыту үшін гейзерлерден шыққан бу мен ыстық суды қолдануға бастады. Бұл кезде Лорд Кельвин 1852 жылы жылу сорғысын ойлап тапқан болатын, ал Генрих Зелли 1912 жылы оны жер астынан жылу алу үшін пайдалану идеясын патенттеген болатын. Бірақ геотермиялық жылу сорғысы 1940-шы жылдардың аяғында ғана сәтті іске асырылды. Ең ерте пайда болған, бәлкім, Роберт С. Веббердің үйінде жасалған 2,2 кВт тікелей алмасу жүйесі, бірақ көздер оның өнертабысының нақты уақыт сызығына келіспейді. Огайо штатының университеті профессоры Карл Нильсен 1948 жылы өзінің үйінде тұңғыш тұрғын үйдің ашық цикл нұсқасын жасады. Технология Швецияда 1973 жылғы мұнай дағдарысынан кейін танымал болды және содан бері бүкіл әлемде қабылдау баяу өсіп келеді. 1979 жылы полибутилен құбырдың жасалуы жылу сорғысының экономикалық тиімділігін арттырды. 2000 жылдан бастап, жер асты көзінің өткізгіштігі гидротазалау арқылы жақсартылған геотермальдық жүйелерден (EGS) геотермальдық энергияны қалпына келтіру үшін суға балама ретінде CO2 пайдаланудың артықшылықтары мен тиімділігін сандық дәлелдеуге арналған қызықты зерттеулер жүргізілді. 2004 жылы әлемде 12 ГВт жылу қуатын беретін бір миллионнан астам геотермальдық жылу сорғылары орнатылған. Жыл сайын АҚШ-та 80 000-ға жуық, ал Швецияда 27 000-ға жуық қондырғы орнатылады. Геоалмасу жүйелері сонымен қатар ақша үнемдейді, өйткені олар аз күтіп-ұстауды қажет етеді. Олар өте сенімді болумен қатар, ондаған жылдар бойы жұмыс істейді. Кейбір коммуналдық қызметтер, мысалы, Канзас-Сити Электр және Жарық, геотермальдық тұтынушыларға қысқы арнайы, төмен бағаларды ұсынады, бұл тіпті көбірек үнемдеуді қамтамасыз етеді. Қала орталығындағы жер беті біртіндеп көтерілуде, бұл қала орталығындағы ғимараттарға елеулі зиян келтіруде, соның ішінде қалалық әкімшілік ғимараты сияқты көптеген тарихи үйлерге әсер етеді. Бұрғылау ангидрит қабатын тесіп өтіп, жоғары қысымды жер асты сулары ангидритпен жанасуына себеп болды деп болжануда, содан кейін ол кеңейе бастады. Қазіргі уақытта көтерілу процесіне тоқтау жоқ. TerraSAR X радарлық спутнигінен алынған бұрынғы және кейінгі өзгерістер туралы мәліметтер жағдайдың жергілікті сипатын растады.
Ангидрит ісінуі деп аталатын геохимиялық процесс осы көтерілулердің себебі екені расталды. Бұл ангидрит минералының (сусыз кальций сульфаты) гипске (сулы кальций сульфаты) айналуы. Бұл трансформацияның алғы шарты - ангидрит сумен жанасуы, содан кейін ол оның кристалдық құрылымында сақталады. Мысалы, үңгірлердің кеңеюі немесе тұрақтандыру жағдайларының нашарлауы, жер асты суларының сапасы немесе мөлшерінің төмендеуі сияқты басқа да қауіп көздері бар. Жер сілкінісіне бейім аймақтардағы қауіптің нашарлауы, тау жыныстарының механикалық қасиеттерінің нашарлауы, топырақ пен судың ластануы (мысалы, антифриз қосылымдары немесе ластаушы құрылыс және бұрғылау материалдарынан). Жергілікті геологиялық, гидрогеологиялық және экологиялық білімдерге негізделген жобалау осы әлеуетті қауіптердің барлығын болдырмайды.