1. Физические особенности геотермальной энергетики. Характеристики термальных вод

Геотермальная энергетика – направление энергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергии на геотермальных станциях за счет тепловой энергии, содержащейся в недрах земли. Источниками тепловой энергии Земли являются процессы, протекающие в ее недрах, и энергия Солнца.

К внутренним источникам тепла относят радиогенное тепло, которое создается благодаря распаду рассеянных в горных породах изотопов урана, тория, калия и иных радиоактивных элементов, и тепло, обусловленное различными процессами, протекающими в Земле (гравитационной дифференциацией, плавлением, химическими реакциями с выделением или поглощением тепла, деформацией за счет приливов под действием Луны и Солнца и некоторыми другими).

В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла. Жидкая вода существует только до глубин 10–15 км, ниже при температуре около 700 °С вода находится исключительно в газообразном состоянии. Температура вглубь земли возрастает на 1 °C каждые 36 метров. На глубине 50–60 км при давлениях около 3 · 10³ МПа исчезает граница фазовости, т. е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода (рис. 1).

Рис. 1. Термограмма земной коры

В любой точке земной поверхности на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород, содержащие термальные воды (гидротермы). В связи с этим в земной коре следует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальной оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару только на разной глубине.

В районах современного вулканизма гидротермальная оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не только горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с температурой 180–200 °С и выше (рис. 1а).

Рис. 1а. Выход гидротермальной оболочки на поверхность земли в виде гейзеров и грифонов

Геотермальные воды классифицируются по следующим характеристикам.

По температуре:

• слаботермальные до 40 °C;
• термальные 40–60 °C;
• высокотермальные 60–100 °C;
• перегретые более 100 °C.

По минерализации (сухой остаток):

• ультрапресные до 0,1 г/л;
• пресные 0,1–1,0 г/л;
• слабосолоноватые 1,0–3,0 г/л;
• сильносолоноватые 3,0–10,0 г/л;
• соленые 10,0–35,0 г/л;
• рассольные более 35,0 г/л.

По общей жесткости:

• очень мягкие до 1,2 мг-экв/л;
• мягкие, средние, жесткие;
• очень жесткие более 11,7 мг-экв/л.

По кислотности, рН:

• сильнокислые до 3,5;
• кислые, слабокислые, нейтральные;
• слабощелочные 7,2–8,5;
• щелочные более 8,5.

По газовому составу:

• сероводородные, сероводородно-углекислые,
• углекислые, азотно-углекислые, метановые,
• азотно-метановые, азотные.

По газонасыщенности:

• слабая до 100 мг/л;
• средняя 100–1000 мг/л;
• высокая более 1000 мг/л.

К областям распространения месторождений термальных вод относятся: вулканическое кольцо бассейна Тихого океана, Альпийский складчатый пояс, рифтовые долины континентов, срединноокеанические хребты, платформенные погружения и предгорные краевые прогибы (рис. 2).

Рис. 2. Мировые запасы геотермальных вод

По своему происхождению месторождения термальных вод можно подразделить на два типа, различающиеся способом переноса тепловой энергии: конвекционный и кондукционный. Первый тип образуют геотермальные системы конвекционного происхождения, отличающиеся высокой температурой вод, разгружающихся на поверхность земли. Это районы расположения современных или недавно потухших вулканов, где на поверхность выходят не только горячие воды, но и пароводяная смесь с температурой до 200 °С и более.

На сегодняшний день все крупные геотермальные электростанции работают в районах современного вулканизма.

Второй тип геотермальных месторождений образуется при преобладающем кондуктивном прогреве подземных вод, сосредоточенных в глубоких платформенных впадинах и предгорных прогибах. Они располагаются в невулканических районах и характеризуются нормальным геотермическим градиентом – 30–33 °С/км.

Бурением скважин на нефть и газ, а частично и на воду были обнаружены сотни подземных артезианских бассейнов термальных вод, занимающих площади в несколько миллионов квадратных километров. Как правило, артезианские бассейны, расположенные в равнинных областях и предгорных прогибах, содержат воду с температурой 100–150° С на глубине 3–4 км.

Мощность теплового потока, исходящего из центра Земли, приблизительно в четыре тысячи раз уступает мощности солнечной радиации, доходящей до поверхности планеты. Но в то же время геотермальный потенциал в двадцать раз превышает потенциал всех мировых электростанций. Это относится только к десяти километрам земной коры, бόльшие глубины технически пока не доступны.

2. Геотермальные электростанции (ГеоТЭС). Состояние и перспективы развития

Геотерма́льная электроста́нция (ГеоЭС или ГеоТЭС) – вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников. Содержимое геотермальных электростанций изображено на рис. 3, 4.

В настоящее время применяется прямая и бинарная схемы построения ГеоТЭС.

При использовании прямой схемы (рис. 5), непосредственно пар из скважины или пар, получаемый в сепараторе из горячих подземных вод, направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами.

Рис. 3. Структура ГеоТЭС: 1 – резервуар; 2 – насосная станция; 3 – теплообменник; 4 – турбинный зал; 5 – эксплуатационная скважина; 6 – нагнетательная скважина; 7 – горячая вода для отопления; 8 – пористая осадочная порода; 9 – наблюдательная скважина; 10 – кристаллическая коренная порода

Рис. 4. Общий вид и схема оборудования ГеоТЭС

Рис. 5. ГеоТЭС с прямой схемой построения

В бинарной схеме ТЭС в качестве рабочего тела используется не термальная вода или пар, а другая жидкость, имеющая низкую температуру кипения (рис. 6). Термальная вода пропускается через теплообменник, где образуется пар другой жидкости (углеводородизобутан), используемый для вращения турбины.

Рис. 6. Бинарная схема ТЭС

Как видно из рис. 7 оборудование бинарного блока ГеоТЭС включает различные емкости, трубопроводы, насосы, теплообменники и т. п.

Геотермальные ТЭС могут эффективно использоваться, как для отопления, так и для производства электроэнергии (рис. 8).

Как видно из рис. 9 наиболее широкое применение геотермальные электростанции получили в США, Филиппинах и Индонезии (например, в США установленная мощность ГеоТЭС составляет более 3,5 ГВт (рис. 9)).

Рис. 7. Общий вид оборудования бинарного блока ГеоТЭС

Рис. 8. Схема использования блочной бинарной ГеоТЭС для выработки тепловой и электрической энергии

Первая геотермальная станция создана в нашей стране в Бресте (парниковый комплекс «Берестье», 1520 м, 40 °C, 1,0 мВт) (рис. 10). Недостаток геотермальных вод в Беларуси – большое содержание солевых примесей, что требует их очистки перед применением, соответственно, приводит к увеличению стоимости.

Рис. 9. Мировые лидеры в использовании геотермальной энергии

Рис. 10. Общий вид ГеоТЭС (парниковый комплекс «Берестье»)

3. Тепловые насосы. Принцип работы, конструкции

Одним из направлений геотермальной энергетики является использование низкопотенциальной энергии земли, особенностью которой является низкая температура источников (3–30 °С) (рис. 11). Эту энергию невозможно напрямую использовать в системах энергоснабжения. Утилизировать такую энергию позволяют устройства, называемые тепловыми насосами.

Рис. 11. Источники низкопотенциальной энергии для тепловых насосов

Тепловой насос – устройство для преобразования и переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной энергии к потребителю с повышением ее температуры.

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные.

Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива). В рамках дисциплины будут более глубоко рассмотрены компрессионные тепловые насосы, широко применяемые в системах отопления.

Исходя из источников тепла, первичный контур компрессионного теплового насоса практически создается в виде двух скважин или горизонтальной укладки контура (обычно пластиковая труба) ниже глубины промерзания грунта. Он может укладываться также в озеро или протекающую реку. Используются также воздушные тепловые насосы (кондиционеры с функцией нагрева).

В зависимости от источника ввода и вывода энергии тепловые насосы классифицируются (рис. 12):

• воздух-воздух (air-to-air);
• воздух-вода (air-to-water);
• грунт-вода (ground-to-water);
• грунт-воздух (ground-to-air);
• вода-вода (water-to-water);
• вода-воздух (water-to-air).

 

Рис. 12. Классификация тепловых насосов в зависимости от источника ввода и вывода энергии

Эта классификация достаточно условная. Во многих случаях источники низкопотенциальной энергии конкретизируются, исходя из конструктивного решения способа подачи энергии (например, «рассол-вода», рассол может подаваться с помощью тепловых труб, специальных теплоотборных погружных устройств и др.), как это показано на рис. 13.

Принцип работы теплового насоса (рис. 14) строится на том, что в испаритель (первичный теплообменник) подается среда низкопотенциального источника тепла (наружный воздух, незамерзающая жидкость, нагреваемый в грунте или грунтовыми водами рассол) и происходит нагрев и испарение хладагента во внутреннем контуре теплового насоса (процесс 1–3) (в качестве хладагента, как правило, выступают хладоны R407C или R410A). Хладагент в паровой фазе поступает в компрессор, где происходит его сжатие и повышение параметров (процесс 3–4). Далее, хладагент с давлением до 4,2 МПа и температурой до 50–130 °С (max) поступает в конденсатор, где происходит нагрев теплоносителя системы отопления и конденсация хладагента. Последующее расширение в дроссельном клапане снижает параметры хладагента до первоначального уровня (давление 0,1–0,3 МПа, температуры от +4 до –30 °С (min, для воздушных ТН).

Рис. 13. Способы подачи низкопотенциальной энергии (конструктивное решение первичного контура теплового насоса)

Рис. 14. Диаграмма Р-h теплового насоса

Термодинамически аналогичен компрессионный тепловой насос холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту (рис. 15).

Рис. 15. Схема компрессионного теплового насоса

Тепловой насос характеризуется как минимум тремя показателями по мощности:

1. Q_т – тепловая мощность насоса, передаваемая к потребителю, кВт.
2. Q_х – холодопроизводительность или холодильная мощность, т. е. мощность собираемая от низкотемпературного контура тепла, кВт.
3. Q_е – потребляемая электрическая мощность, затрачиваемая на привод компрессора, автоматики, циркуляционного насоса, кВт.

Следует отметить, что тепловые насосы имеют высокую эффективность использования энергии. Эффективность тепловых насосов принято характеризовать величиной безразмерного коэффициента трансформации энергии К_тр или COP (Coefficient of Performance), т. е. отношения полученной полезной тепловой энергии и затраченной для работы теплового насоса электрической энергии (компрессор) (рис. 16, 17).

Рис. 16. Трансформация энергии в тепловых насосах

Рис. 17. Упрощенная энергетическая схема теплового насоса

Типичной величиной для тепловых насосов на данный момент является значение К_тр = 4. В современных тепловых насосах, предлагаемых компанией Viessmann, коэффициент трансформации может достигать величин порядка 7, таким образом, на 1 кВт подведенной для работы теплового насоса электроэнергии обеспечить выработку до 7 кВт тепловой. Однако в реальном оборудовании такая эффективность достигается редко.

Следует иметь в виду, что К_тр не является постоянной величиной. Он будет зависеть от разности температур источника низкопотенциального тепла и требуемой температуры подачи, т. е. от времени года (рис. 18). Это относится, прежде всего, к воздушным тепловым насосам.

Рис. 18. Зависимость К_тр теплового насоса от разности температур источника низкопотенциального тепла и требуемой температуры подачи

Земляные коллекторы. Змеевики из полиэтиленовых труб укладываются под поверхностью земли на глубине 20–30 см ниже глубины промерзания в регионе установки (~ 1,5 м, РБ) и шагом 50–70 см в зависимости от диаметра трубопроводов (рис. 19). Контур заполняется незамерзающей жидкостью (углекислота, аммиак, фреоны).

Рис. 19. Схема теплового насоса и укладка земляного коллектора

Главной задачей при эксплуатации системы с земляными коллекторами не допустить замораживания змеевиков из-за сверхнормативного отбора тела с поверхности земли, т. к. единственным источником первичной энергии в поверхностном слое является Солнце.

В зависимости от теплопроводности грунта и климатических условий в месте установки закладывается цифра удельного отбора мощности для грунта q_е (табл. 1). Исходя q_е можно определить площадь участка, под которым необходимо проложить коллектор для обеспечения теплого насоса достаточным количеством первичной энергии (для Р = 10 кВт, S = 400 м²).

Таблица 1. Величина удельного отбора мощности для различных грунтов

Сухая песчаная почва	qе = 10–15 Вт/м2
Влажная песчаная почва	qе = 15–20 Вт/м2
Сухая глинистая почва	qе = 20–25 Вт/м2
Влажная глинистая почва	qе = 25–30 Вт/м2
Почва с грунтовыми водами	qе = 30–35 Вт/м2

Геотермальные зонды. Зонды, в отличие от коллекторов, используют геотермальное тепло коры планеты, что обеспечивает высокую стабильность поступления низкопотенциальной энергии. Производится бурение скважины (или нескольких на расстоянии 5–6 м друг от друга) на глубину до 100–150 м, в скважину с помощью груза укладывается петля трубопроводов, представляющая собой два U-образных зонда из полиэтилена со специальным «наконечником» (рис. 20). В качестве теплоносителя также используется незамерзающая жидкость с температурой замерзания не выше – 15 °С.

Рис. 20. Бурение скважин под геотермальные зонды

Нормативные показатели по отдельным видам пород, без климатической привязки к региону установки, показаны в табл. 2. При использовании земляных зондов в качестве источника низкопотенциального тепла для теплового насоса мощностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 200 м или 2 по 100 м.

Таблица 2. Нормативные характеристики грунтов

Грунт	Удельный средний отбор мощности qе, Вт/м
Общие нормативные показатели: Плохой грунт (сухая осадочная порода) (λ < 1,5 Вт/(м·К))	20
Нормальная твердая каменная порода и насыщенная водой осадочная порода (1,5 ≤ λ ≤ 3,0 Вт/(м·К)) Твердая каменная порода с высокой теплопроводностью (λ > 3,0 Вт/(м·К))	50 70
Отдельные породы:
Галька, песок (сухой)	< 20
Галька, песок (влажный)	55–65
Суглинок, глина (влажная)	30–40
Известняк (массивный)	45–60
Песчаник	55–65

По сравнению с земляными коллекторами, зонды требуют больших капитальных вложений, но имеют целый ряд преимуществ:

1. Минимальная занимаемая полезная площадь, вплоть до размещения скважин непосредственно под постройкой.
2. Стабильность получения тепла, в средних широтах на глубинах уже более 7–10 м поддерживается стабильная в течение года температура 5–10 °С.
3. Высочайшая надежность и срок службы (до 70 лет).

Использование тепла грунтовых вод (подземные и поверхностные). В этом случае создаются две или более скважины (или погружной контур) для забора и сброса грунтовых вод, из заборной скважины вода с температурой 3–12 °С в зависимости от региона подается в теплообменник, необходимый для защиты испарителя теплового насоса от загрязнения, и нагревает незамерзающую жидкость, циркулирующую в первичном контуре установки (рис. 21).

Рис. 21. Тепловые насосы на основе использования тепла грунтовых вод

Воздушные тепловые насосы. Воздух из окружающей среды подается непосредственно в испаритель теплового насоса, отдавая тепло хладагенту внутреннего контура, и удаляется наружу. Этот вид установок позволяет свести к минимуму капитальные затраты на обустройство низкотемпературного контура, но ограничивающим фактором становятся климатические условия установки, в зависимости от модели, воздушные тепловые насосы имеют минимальную рабочую температуру –15/–20 °С (рис. 22). Однако уже разработаны и применяются хладагенты с температурой испарения до –20 °С и ниже. Примером простейших воздушных тепловых насосов являются кондиционеры, работающие в реверсивном режиме (сплиттеры).

а                                                                                                                                             б

Рис. 22. Схема и общий вид воздушного теплового насоса

Тепловые насосы, использующие сбросовое тепло (вторичные источники энергии) (рис. 23). Источником первичной энергии для теплового насоса можно использовать энергию, выбрасываемую в атмосферу:

1. канализационными коллекторами;
2. системой охлаждения;
3. теплом, выделяемым технологическими процессами;
4. другие виды.

Наиболее технологичным является монтаж внешнего контура теплового насоса вместе с прокладкой, специально изготовленных для этих целей канализации труб и выводом точек подключения тепловых насосов (недалеко от потребителей тепловой энергии).

Особенности конструкции тепловых насосов. Как следует из рис. 24, 25 основными конструктивными элементами тепловых насосов являются компрессор, различного вида насосы для перекачки рассола во внешнем контуре и теплоносителя внутреннего контура, теплообменник, система управления. Часто в состав теплового насоса включается накопительный резервуар для нагретой воды (см. рис. 25). Он может быть установлен и отдельно.

Рис. 23. Тепловые насосы, использующие сбросовое тепло сточных вод

Рис. 24. Типовая конструкция теплового насоса

Рис. 25. Конструкция теплового насоса со встроенным баком-аккумулятором для горячей воды: 1 – встроенный реверсивный клапан с фазовым переключателем горячей воды; 2 – звукоизолирующие гибкие трубы; 3 – двухсторонний нержавеющий резервуар для горячей воды; 4 – электрический патрон с трехступенчатым регулированием; 5 – циркулирующий насос со стороны теплового агента; 6 – высокопроизводительный бесшумный компрессор; 7 – электрические и гидравлические соединения на крышке; 8 – контрольная панель с четырьмя линиями для текста; 9 – встроенная электрическая панель; 10 – REGO637. Управляющий контроллер, предназначенный для автоматизации и мониторинга теплового насоса

Отличительной особенностью воздушного теплового насоса является наличие в конструкции вентилятора и испарителя в виде радиатора (рис. 26). В других конструктивных решениях блок вентилятора с испарителем размещается снаружи здания, а блок конденсатора с компрессором и другими элементами располагается внутри здания.

Рис. 26. Конструкция воздушного теплового насоса: 1 – испаритель; 2 – вентилятор; 3 – фильтр-осушитель; 4 – электрический щит; 5 – реле оттаивания; 6 – конденсатор; 7 – дросселирующий вентиль; 8 – компрессор

В настоящее время выпускается широкая линейка тепловых насосов, которые отличаются мощностью, дизайном, но, чаще всего, их внутренняя конструкция примерно одинаковая. Она может отличаться степенью автоматизации его работы, применяемыми комплектующими устройствами, величиной коэффициента преобразования.

Применение тепловых насосов в системах теплоснабжения. В системах теплоснабжения чаще всего используются грунтовые тепловые насосы, хотя в последнее время все более широкое применение находят воздушные тепловые насосы (рис. 27, 28). Это объясняется появлением конструктивных решений, которые работают эффективно в зимних условиях.

Как видно из рис. 27 воздушный тепловой насос размещается снаружи здания и может непосредственно подключаться к системе отопления.

а                                                                                                                   б

Рис. 27. Общий вид (а) и схема (б) размещения воздушного теплового насоса

Для использования теплового насоса в системе отопления и горячего водоснабжения в его конструкцию включаются накопительные емкости с двумя спиральными водонагревателями. Для горячего водоснабжения используется вода, находящаяся в накопительном баке (рис. 28).

Рис. 28. Подключение теплового насоса к системе отопления и горячего водоснабжения

Грунтовые тепловые насосы чаще всего имеют бόльший состав оборудования и для его размещения требуется специальное помещение (тепловой пункт) (рис. 29, 30).

Рис. 29. Размещение оборудования грунтового теплового насоса в тепловом пункте здания

Рис. 30. Состав оборудования грунтового теплового насоса

За рубежом тепловые насосы получают все более широкое применения в системах отопления жилищного хозяйства. В США и Канаде тепловые насосы составляют 45 % на рынке систем теплоснабжения (рис. 31). Евросоюз планирует в ближайшие годы обеспечить более 50 % теплоснабжения за счет тепловых насосов.

Рис. 31. Доля тепловых насосов на рынке систем теплоснабжения в Северной Америке

В нашей стране это направление также получило развитие. Общее количество эксплуатируемых тепловых насосов в Беларуси на 01.01.2016 г. по информации Департамента по энергоэффективности составляло 161 ед. с суммарной тепловой мощностью 9 МВт (табл. 3). Сдерживающим фактором развития этого направления является отсутствие относительно дешевого отечественного оборудования.

Таблица 3. Количество эксплуатируемых тепловых насосов в Республике Беларусь

Наименование	Количество	Тепловая мощность, кВт
Брестская область	6	1436,4
Витебская область	22	312
Гомельская область	2	285
Гродненская область	12	523,4
Минская область	13	657,1
Могилевская область	10	602
г. Минск	93	5215,5
Всего	161	9031,4

Для установки теплового насоса необходимы первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет 300–1200 $ на 1 кВт необходимой мощности отопления. Время их окупаемости составляет 4–9 лет, при сроке службы по 20–30 лет до капитального ремонта (компрессор, 15 % стоимости ТН).

На дом площадью 100–120 м² будет необходим компрессор мощностью до 1,7 кВт; на дом 200 м² – компрессор мощностью до 3,4 кВт (эксплуатационные затраты на оплату электроэнергии).