Введение

Использование геотермальной энергии для отопления
прямое использование геотермального тепла

Геотермальное отопление – это прямое использование геотермальной энергии в различных отопительных целях. Человечество использует геотермальное тепло таким образом с эпохи палеолита. В 2004 году около семидесяти стран использовали в общей сложности 270 ПДж геотермального тепла. По состоянию на 2007 год в мире было установлено 28 ГВт мощности для геотермального отопления, что удовлетворяло 0,07% мирового потребления первичной энергии. Большая часть высокотемпературного геотермального тепла добывается в регионах, расположенных вблизи границ тектонических плит, где вулканическая активность проявляется близко к поверхности Земли. В этих районах можно обнаружить грунтовые воды и грунт с температурой, превышающей требуемую для конкретного применения. Однако даже холодная земля содержит тепло. На определенной глубине температура грунта стабильно соответствует среднегодовой температуре воздуха, и это тепло можно извлечь с помощью теплового насоса грунт-вода.

Приложения

+ Страны, использующие наибольшее количество геотермального тепла в 2005 году Страна Производство ПДж/год Мощность ГВт Коэффициент использования мощности Преобладающие области применения Китай 45.38 3.69 39% купание Швеция 43.2 4.2 33% тепловые насосы США 31.24 7.82 13% тепловые насосы Турция 24.84 1.5 53% центральное отопление Исландия 24.5 1.84 42% центральное отопление Япония 10.3 0.82 40% купание (онсэны) Венгрия 7.94 0.69 36% спа/теплицы Италия 7.55 0.61 39% спа/отопление помещений Новая Зеландия 7.09 0.31 73% промышленное использование Другие 63 71 6.8 Всего 273 28 31% отопление помещений +Прямое использование геотермального тепла по категориям в 2015 году, по данным Джона У. Лунда Категория ГВтч/год Геотермальные тепловые насосы 90 293 Купание и плавание 33 164 Отопление помещений 24 508 Отопление теплиц 7 407 Отопление прудов для аквакультуры 3 322 Промышленное использование 2 904 Охлаждение/таяние снега 722 Сушка сельскохозяйственной продукции 564 Прочее 403 Всего 163 287

Существует широкий спектр применения недорогого геотермального тепла, включая отопление домов, теплиц, купание и плавание или промышленное использование. В большинстве случаев геотермальное тепло используется в виде горячих жидкостей с температурой от 50 °C (122 °F) до 150 °C (302 °F). Подходящая температура варьируется в зависимости от конкретного применения. Для прямого использования геотермального тепла диапазон температур для сельского хозяйства составляет от 25 °C (77 °F) до 90 °C (194 °F), для отопления помещений – от 50 °C (122 °F) до 100 °C (212 °F). В 2004 году более половины геотермального тепла использовалось для отопления помещений, а треть – для спа. Остальное использовалось в различных промышленных процессах, опреснении, для получения горячей воды для бытовых нужд и в сельском хозяйстве. В городах Рейкьявик и Акурейри горячая вода из геотермальных установок подается под дороги и тротуары для таяния снега. Геотермальное опреснение было успешно продемонстрировано. Геотермальные системы, как правило, выигрывают от эффекта масштаба, поэтому тепловая мощность для отопления помещений часто распределяется между несколькими зданиями, а иногда и целыми населенными пунктами. Эта технология, давно практикуемая во всем мире, например, в Рейкьявике (Исландия), Бойзе (Айдахо) и Кламат-Фоллс (Орегон), известна как центральное отопление.

Экстракция

В некоторых частях мира, включая значительные территории западных США, залегают относительно неглубокие геотермальные ресурсы. Подобные условия существуют в Исландии, частях Японии и других геотермальных горячих точках по всему миру. В этих районах воду или пар можно извлекать из природных горячих источников и направлять непосредственно в радиаторы или теплообменники. Альтернативно, тепло может поступать от вторичного тепла, образующегося при когенерации на геотермальной электростанции, или из глубоких скважин, достигающих горячих водоносных горизонтов. Прямое геотермальное отопление значительно эффективнее геотермальной генерации электроэнергии и предъявляет менее строгие требования к температуре, поэтому оно применимо на обширной географической территории. Если неглубокие слои грунта горячие, но сухие, воздух или вода могут циркулировать через земляные трубы или скважинные теплообменники, которые служат теплообменниками с грунтом. Пар под давлением из глубоких геотермальных источников также используется для выработки электроэнергии. В рамках Исландского проекта глубокого бурения был обнаружен карман магмы на глубине 2100 метров. В скважине был сооружен цементированный стальной кожух с перфорацией в нижней части, вблизи магмы. Высокая температура и давление пара магмы использовались для генерации 36 МВт электроэнергии, что сделало IDDP 1 первой в мире геотермальной системой, усиленной магмой. В районах, где температура грунта на небольшой глубине недостаточно высока для непосредственного обеспечения комфорта, она все равно выше температуры зимнего воздуха. Тепловая инерция грунта сохраняет солнечную энергию, накопленную летом, и сезонные колебания температуры грунта полностью исчезают на глубине более 10 метров. Это тепло можно извлечь с помощью геотермального теплового насоса эффективнее, чем произвести его с помощью традиционных печей. Геотермальные тепловые насосы экономически целесообразны практически в любой точке мира. Теоретически, геотермальную энергию (обычно для охлаждения) также можно извлекать из существующей инфраструктуры, такой как муниципальные водопроводные сети.

Нагревательные насосы наземного источника

В регионах, где отсутствуют высокотемпературные геотермальные ресурсы, тепловой насос наземного источника (GSHP) может обеспечить отопление и охлаждение помещений. Как и холодильник или кондиционер, эти системы используют тепловой насос для принудительной передачи тепла от земли к зданию. Тепло может быть извлечено из любого источника, независимо от того, насколько он холоден, но более теплый источник позволяет повысить эффективность. Наземный тепловой насос использует неглубокие слои грунта или грунтовые воды (обычно начиная с температуры около 0 °C) в качестве источника тепла, используя их сезонно умеренные температуры. В отличие от него, тепловой насос с воздушным источником извлекает тепло из воздуха (который снаружи обычно холоднее) и, следовательно, требует больше энергии. GSHP циркулируют теплоноситель (обычно смесь воды и небольшого количества антифриза) по замкнутым трубопроводным контурам, закопанным в земле. Для отдельных домов могут использоваться системы с "вертикальным коллектором", с буровыми скважинами глубиной до м, или, при наличии достаточной площади для прокладки разветвленной сети траншей, системы с "горизонтальным коллектором", устанавливаемые на глубине около полутора метров. По мере циркуляции под землей теплоноситель поглощает тепло из грунта, а по возвращении нагретая жидкость проходит через тепловой насос, который с помощью электричества извлекает из нее тепло. Охлажденная жидкость возвращается в грунт, поддерживая цикл. Извлеченное тепло и тепло, выделяемое тепловым насосом в качестве побочного продукта, используются для отопления дома. Включение грунтового контура в энергетический баланс означает, что в здание может быть передано значительно больше тепла, чем при использовании только электричества для непосредственного отопления. Изменив направление потока тепла, та же система может использоваться для циркуляции охлажденной воды по дому для охлаждения в летние месяцы. Тепло отводится в относительно прохладный грунт (или грунтовые воды), а не в горячий наружный воздух, как это делает кондиционер. В результате тепло перекачивается через больший перепад температур, что повышает эффективность и снижает энергопотребление. Самый старый известный термальный комплекс – каменный бассейн на горе Ли в Китае, построенный в династии Цинь в III веке до н.э., на том же месте, где позже был возведен дворец Хуацин-Чи. Геотермальная энергия обеспечивала централизованное отопление бань и домов в Помпеях примерно в 0 году н.э. В I веке н.э. римляне завоевали Аквае Сулис в Англии и использовали горячие источники для общественных бань и системы подогрева полов. Плата за посещение этих бань, вероятно, представляет собой первое коммерческое использование геотермальной энергии. В Исландии обнаружена горячая ванна возрастом 1000 лет, построенная одним из первых поселенцев острова. Старейшая в мире действующая система геотермального централизованного отопления в городе Шодес-Айгу, Франция, функционирует с XIV века. Чарли Либ разработал первый теплообменник для нагрева своего дома в 1930 году. Паром и горячей водой из гейзеров начали отапливать дома в Исландии в 1943 году. К этому времени лорд Кельвин уже изобрел тепловой насос в 1852 году, а Генрих Целли запатентовал идею использования его для извлечения тепла из земли в 1912 году. Однако только в конце 1940-х годов геотермальный тепловой насос был успешно внедрен. Вероятно, самым ранним примером была самодельная система прямого обмена мощностью 2,2 кВт, созданная Робертом С. Уэббером, хотя точные сроки его изобретения вызывают споры. Профессор Карл Нильсен из Университета штата Огайо построил первую жилую систему с открытым циклом в своем доме в 1948 году. Эта технология стала популярной в Швеции в результате нефтяного кризиса 1973 года и с тех пор постепенно набирает популярность во всем мире. Разработка в 1979 году полибутиленовых труб значительно повысила экономическую целесообразность тепловых насосов. С 2000 года значительные исследовательские усилия были направлены на подтверждение преимуществ и эффективности использования CO2 в качестве альтернативы воде в качестве теплоносителя для извлечения геотермальной энергии из улучшенных геотермальных систем (EGS), где проницаемость подземного источника повышается с помощью гидроразрыва. По состоянию на 2004 год во всем мире было установлено более миллиона геотермальных тепловых насосов, обеспечивающих 12 ГВт тепловой мощности. Ежегодно в США устанавливается около 80 000 единиц, а в Швеции – 27 000. Геотермальные системы также позволяют экономить деньги благодаря меньшему объему необходимого технического обслуживания. Помимо высокой надежности, они рассчитаны на десятилетия службы. Некоторые коммунальные предприятия, такие как Kansas City Power and Light, предлагают специальные, более низкие тарифы на электроэнергию зимой для геотермальных потребителей, что обеспечивает еще большую экономию. В центре города наблюдается постепенный подъем, который наносит значительный ущерб зданиям, в том числе многочисленным историческим домам, включая мэрию. Предполагается, что бурение перфорировало слой ангидрита, в результате чего грунтовые воды высокого давления вступили в контакт с ангидритом, который затем начал расширяться. В настоящее время не видно никаких признаков прекращения процесса подъема. Данные радиолокационного спутника TerraSAR X, полученные до и после изменений, подтвердили локализованный характер ситуации.

Геохимический процесс, называемый набуханием ангидрита, был подтвержден как причина этих поднятий. Это преобразование минерала ангидрита (безводного сульфата кальция) в гипс (гидратированный сульфат кальция). Условием для этого преобразования является контакт ангидрита с водой, которая затем удерживается в его кристаллической структуре. Существуют и другие потенциальные источники риска, например: увеличение размеров пещер или ухудшение устойчивости, ухудшение качества или количества ресурсов грунтовых вод, усиление специфических опасностей в районах, подверженных оползням, ухудшение механических характеристик горных пород, загрязнение почвы и воды (например, из-за антифризных добавок или загрязняющих конструкционных и буровых материалов). Проектирование, основанное на конкретных геологических, гидрогеологических и экологических данных, предотвращает все эти потенциальные риски.