Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о прямом использовании геотермального тепла. Для производства электроэнергии см. Геотермальная энергия .
Часть серии о
Устойчивая энергия
Ветряные турбины возле Вендсисселя, Дания (2004 г.)
Обзор
Энергосбережение
Возобновляемая энергия
Экологичный транспорт

Геотермальное отопление - это прямое использование геотермальной энергии для некоторых отопительных целей. Так люди использовали геотермальное тепло с эпохи палеолита. Примерно семьдесят стран напрямую использовали в общей сложности 270 ПДж геотермального отопления в 2004 году. По состоянию на 2007 год во всем мире установлено 28 ГВт геотермальных тепловых мощностей, что обеспечивает 0,07% мирового потребления первичной энергии. [1] Тепловой КПД высокий, поскольку преобразование энергии не требуется, но коэффициенты мощности, как правило, низкие (около 20%), поскольку тепло в основном требуется зимой.

Геотермальная энергия возникает из тепла, удерживаемого внутри Земли с момента первоначального образования планеты, из-за радиоактивного распада минералов и из солнечной энергии, поглощенной на поверхности. [2] Наибольшее количество высокотемпературного геотермального тепла собирается в регионах, близких к границам тектонических плит, где вулканическая активность повышается близко к поверхности Земли. В этих областях грунтовые и грунтовые воды могут быть обнаружены с температурами выше, чем целевая температура применения. Однако даже холодная земля содержит тепло, ниже 6 метров (20 футов) ненарушенная температура грунта постоянно соответствует Среднегодовой температуре воздуха [3], и ее можно извлечь с помощью теплового насоса..

Приложения [ править ]

Страны, в которых больше всего геотермального тепла использовалось в 2005 г. [4]
СтранаПроизводство
ПДж / год		Мощность
ГВт
Коэффициент мощности		Доминирующие
приложения
Китай45,383,6939%купание
Швеция43,24.233%тепловые насосы
Соединенные Штаты Америки31,247,8213%тепловые насосы
индюк24,841.553%районное отопление
Исландия24,51,8442%районное отопление
Япония10,30,8240%купание ( онсенс )
Венгрия7,940,6936%курорты / теплицы
Италия7,550,6139%спа / отопление помещений
Новая Зеландия7.090,3173%промышленное использование
63 другие716,8
Общий27328 год31%отопление помещений
Прямое использование геотермального тепла по категориям в 2015 г. по материалам Джона В. Лунда [5]
КатегорияГВтч / год
Геотермальные тепловые насосы90 293
Купание и плавание33 164
Отопление помещений24 508
Тепличное отопление7 407
Обогрев пруда для аквакультуры3 322
Промышленное использование2 904
Охлаждение / таяние снега722
Сушка для сельского хозяйства564
Другие403
Общий163 287

Существует множество применений дешевого геотермального тепла, включая отопление домов, теплиц, купание и плавание, а также промышленное использование. В большинстве приложений геотермальная энергия используется в виде горячих жидкостей при температуре от 50 ° C (122 ° F) до 150 ° C (302 ° F). Подходящая температура варьируется для разных приложений. Для прямого использования геотермального тепла диапазон температур для сельскохозяйственного сектора составляет от 25 ° C (77 ° F) до 90 ° C (194 ° F), для отопления помещений - от 50 ° C (122 ° F) до 100 °. С (212 ° F). [4] Тепловые трубки расширяют температурный диапазон до 5 ° C (41 ° F), поскольку они отводят и «усиливают» тепло. Геотермальное тепло, превышающее 150 ° C (302 ° F), обычно используется для производства геотермальной энергии . [6]

В 2004 году более половины прямого геотермального тепла использовалось для отопления помещений, а треть - для курортов. [1] Остальная часть использовалась для различных промышленных процессов, опреснения, горячего водоснабжения и сельского хозяйства. Города Рейкьявик и Акюрейри направляют горячую воду от геотермальных электростанций под дороги и тротуары для таяния снега. Было продемонстрировано геотермальное опреснение .

Геотермальные системы, как правило, выигрывают от эффекта масштаба, поэтому мощность обогрева помещений часто распределяется между несколькими зданиями, а иногда и целыми сообществами. Эта техника давно практикуется во всем мире в таких местах, как Рейкьявик , Исландия ; [7] Бойсе , Айдахо ; [8] и Кламат-Фоллс , штат Орегон ; [9] известен как центральное отопление . [10]

По данным Европейского совета по геотермальной энергии (EGEC), только в Европе в 2016 году работало 280 геотермальных станций централизованного теплоснабжения с общей мощностью около 4,9 ГВтт. [11]

Извлечение [ править ]

Основная статья: Теплообменник с заземлением

В некоторых частях мира, включая значительную часть западной части США, имеются относительно неглубокие геотермальные ресурсы. [12] Подобные условия существуют в Исландии, некоторых частях Японии и других геотермальных горячих точках по всему миру. В этих местах вода или пар могут собираться из природных горячих источников и направляться непосредственно в радиаторы или теплообменники . В качестве альтернативы, тепло может поступать от отходящего тепла, поставляемого когенерацией.от геотермальной электростанции или из глубоких скважин в горячие водоносные горизонты. Прямое геотермальное отопление намного более эффективно, чем геотермальное электричество, и требует менее жестких температурных требований, поэтому оно жизнеспособно в большом географическом диапазоне. Если неглубокий грунт горячий, но сухой, воздух или вода могут циркулировать через заземляющие трубы или скважинные теплообменники, которые действуют как теплообменники с землей.

Пар под давлением из глубоких геотермальных ресурсов также используется для выработки электроэнергии из геотермальной энергии. В рамках проекта по глубокому бурению в Исландии обнаружен залежь магмы на высоте 2100 метров. В скважине был сооружен цементированный стальной корпус с перфорацией на дне рядом с магмой. Высокие температуры и давление магматического пара использовались для выработки 36 МВт электроэнергии, что сделало IDDP-1 первой в мире геотермальной системой, усиленной магмой. [13]

В местах, где неглубокий грунт слишком холодный, чтобы обеспечить непосредственный комфорт, он по-прежнему теплее зимнего воздуха. Тепловая инерция из мелкой земли сохраняет солнечную энергию , накопленную в летнее время , и сезонные колебания температуры грунта исчезает полностью ниже 10 м глубины. Это тепло может быть извлечено геотермальным тепловым насосом более эффективно, чем оно может быть произведено обычными печами. [10] Геотермальные тепловые насосы экономически выгодны практически в любой точке мира.

Теоретически геотермальная энергия (обычно охлаждение) также может быть извлечена из существующей инфраструктуры, такой как муниципальные водопроводные трубы. [14]

Земляные тепловые насосы [ править ]

Основная статья: Геотермальный тепловой насос

В регионах, где нет высокотемпературных геотермальных ресурсов, геотермальный тепловой насос (GSHP) может обеспечивать обогрев и охлаждение помещений. Подобно холодильнику или кондиционеру, эти системы используют тепловой насос для принудительной передачи тепла от земли к зданию. Тепло можно извлечь из любого источника, каким бы холодным он ни был, но более теплый источник обеспечивает более высокую эффективность. Тепловой насос с грунтовым источником использует неглубокий грунт или грунтовые воды (обычно начиная с 10–12 ° C или 50–54 ° F) в качестве источника тепла, что позволяет использовать его умеренные сезонные температуры. [15] Напротив, тепловой насос с воздушным источником забирает тепло из воздуха (более холодный наружный воздух) и, следовательно, требует больше энергии.

GSHP циркулируют жидкость-носитель (обычно смесь воды и небольшого количества антифриза) через замкнутые контуры труб, заглубленные в землю. Системы с одним домом могут быть системами «вертикальной петли» с отверстиями глубиной 50–400 футов (15–120 м) или [16]если имеется подходящая земля для обширных траншей, «поле с горизонтальной петлей» устанавливается примерно на шесть футов под поверхностью. По мере того, как жидкость циркулирует под землей, она поглощает тепло от земли, а по возвращении нагретая жидкость проходит через тепловой насос, который использует электричество для извлечения тепла из жидкости. Повторно охлажденная жидкость отправляется обратно в землю, таким образом продолжая цикл. Тепло, отбираемое и генерируемое тепловым насосом в качестве побочного продукта, используется для обогрева дома. Добавление контура обогрева грунта в уравнение энергии означает, что в здание может быть передано значительно больше тепла, чем если бы только электричество использовалось непосредственно для отопления.

Изменяя направление теплового потока, эта же система может использоваться для циркуляции охлажденной воды по дому для охлаждения в летние месяцы. Тепло отводится к относительно более прохладной земле (или грунтовым водам), а не доставляется в горячий наружный воздух, как это делает кондиционер. В результате тепло перекачивается через большую разницу температур, что приводит к более высокому КПД и меньшему потреблению энергии. [15]

Эта технология делает наземное отопление экономически выгодным в любом географическом месте. В 2004 году около миллиона геотермальных тепловых насосов общей мощностью 15 ГВт извлекли 88 ПДж тепловой энергии для отопления помещений. Мировая мощность наземных тепловых насосов растет на 10% ежегодно. [1]

История [ править ]

Самый старый известный бассейн с горячим источником, построенный при династии Цинь в 3 веке до нашей эры.

Горячие источники использовались для купания, по крайней мере, со времен палеолита. [17] Самый старый известный курорт является каменный бассейн на Китай «s горе Ли построен в династии Цинь в 3 веке до н.э., в том же месте , где Huaqing Chi дворец был построен позже. Поставляемая геотермальная энергия направляется на центральное отопление для бань и домов в Помпеях около 0 года нашей эры. [18] В первом веке нашей эры римляне завоевали Аква-Сулис в Англии и использовали горячие источники для питания общественных бань и полов с подогревом . [19]Плата за вход в эти бани, вероятно, представляет собой первое коммерческое использование геотермальной энергии. 1000-летняя гидромассажная ванна была расположена в Исландии , где она была построена одним из первых поселенцев острова. [20] Самая старая в мире действующая геотермальная система централизованного теплоснабжения в Шод-Эг , Франция, работает с 14 века. [4] Самая ранняя промышленная эксплуатация началась в 1827 году с использования гейзерного пара для извлечения борной кислоты из вулканической грязи в Лардерелло , Италия.

В 1892 году первая в Америке система централизованного теплоснабжения в Бойсе, штат Айдахо , питалась напрямую от геотермальной энергии, и вскоре была скопирована в Кламат-Фоллс, штат Орегон, в 1900 году. Глубокая геотермальная скважина использовалась для обогрева теплиц в Бойсе в 1926 году и использовались гейзеры для одновременного обогрева теплиц в Исландии и Тоскане. [21] Чарли Либ разработал первый внутрискважинный теплообменник в 1930 году для обогрева своего дома. Пар и горячая вода из гейзеров начали использоваться для отопления домов в Исландии в 1943 году.

К этому времени лорд Кельвин уже изобрел тепловой насос в 1852 году, а Генрих Золли запатентовал идею использования его для извлечения тепла из земли в 1912 году. [22] Но только в конце 1940-х годов геотермальный тепловой насос был был успешно реализован. Самой ранней из них, вероятно, была самодельная система прямого обмена мощностью 2,2 кВт Роберта К. Уэббера, но источники расходятся во мнениях относительно точных сроков изобретения. [22] Дж. Дональд Крукер разработал первый коммерческий геотермальный тепловой насос для обогрева здания Содружества (Портленд, Орегон) и продемонстрировал его в 1946 году. [23] [24] Профессор Карл Нильсен из Университета штата Огайо.построил первую версию с открытым контуром для жилых помещений в своем доме в 1948 году. [25] Эта технология стала популярной в Швеции в результате нефтяного кризиса 1973 года , и с тех пор ее признание во всем мире медленно растет. Разработка в 1979 году полибутиленовых труб значительно увеличила экономическую эффективность теплового насоса. [23] По состоянию на 2004 год во всем мире установлено более миллиона геотермальных тепловых насосов, обеспечивающих тепловую мощность 12 ГВт. [26] Каждый год около 80 000 единиц устанавливается в США и 27 000 в Швеции. [26]

Экономика [ править ]

Геотермальная буровая машина

Геотермальная энергия - это вид возобновляемой энергии, который способствует сохранению природных ресурсов. По данным Агентства по охране окружающей среды США , геообменные системы экономят домовладельцев на 30–70 процентов затрат на отопление и на 20–50 процентов на расходах на охлаждение по сравнению с традиционными системами. [27] Системы геообмена также экономят деньги, поскольку требуют гораздо меньшего обслуживания. Помимо того, что они очень надежны, они рассчитаны на десятилетия.

Некоторые коммунальные предприятия, такие как Kansas City Power и Light , предлагают специальные более низкие зимние тарифы для потребителей геотермальной энергии , предлагая еще большую экономию. [15]

Риски геотермального бурения [ править ]

Трещины в исторической ратуше Штауфен-им-Брайсгау предположительно из-за повреждений в результате геотермального бурения

В проектах геотермального отопления в подземелье проходят траншеи или буровые скважины. Как и все подземные работы, проекты могут вызвать проблемы, если геология местности плохо изучена.

Весной 2007 года было проведено разведочное геотермальное бурение, чтобы обеспечить геотермальным теплом ратушу Штауфен-им-Брайсгау . После того, как первоначально опускаясь на несколько миллиметров, процесс называется опадение , [28] центр города начал постепенно расти [29] наносит значительный ущерб зданиям в центре города, затрагивая множество исторических зданий , включая ратушу. Предполагается, что бурение пробило слой ангидрита, в результате чего грунтовые воды высокого давления вступили в контакт с ангидритом, который затем начал расширяться. В настоящее время не видно конца восходящему процессу. [30] [31] [32]Данные радиолокационного спутника TerraSAR-X до и после изменений подтвердили локализованный характер ситуации:

Было подтверждено, что причиной этих поднятий является геохимический процесс, называемый набуханием ангидрита . Это превращение минерального ангидрита (безводного сульфата кальция) в гипс (водный сульфат кальция). Предварительным условием для этого превращения является контакт ангидрита с водой, которая затем сохраняется в своей кристаллической структуре. [33] Существуют и другие источники потенциальных рисков, например: расширение пещеры или ухудшение условий устойчивости, качественная или количественная деградация ресурсов подземных вод, усиление специфической опасности в случае участков, подверженных оползням, ухудшение механических характеристик скальных пород, почвы и воды. загрязнение (например, из-за добавок антифриза или загрязняющих конструкционных и расточных материалов).[34] Проект, определенный на основе геологических, гидрогеологических и экологических знаний для конкретных участков, предотвращает все эти потенциальные риски.

См. Также [ править ]

  • Годовая геотермальная солнечная энергия
  • Районное отопление
  • Геотермальный градиент глубоко в земле
  • Геотермальный (геология)
  • Геотермальная энергия
  • Геотермальный тепловой насос
  • Теорема Карно (термодинамика)

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Фридлейфссон, Ингвар Б .; Бертани, Руджеро; Хуэнгес, Эрнст; Лунд, Джон В .; Рагнарссон, Арни; Рыбач, Ладислав (11 февраля 2008 г.). «Возможная роль и вклад геотермальной энергии в смягчение последствий изменения климата» (PDF) . У О. Хохмейера; Т. Триттин (ред.). Материалы совещания МГЭИК по оценке возобновляемых источников энергии . Любек, Германия. С. 59–80. Архивировано из оригинального (PDF) 08.08.2017.
  2. ^ Тепловые насосы, Справочник по управлению и энергосбережению, 2008 , стр. 9–3
  3. ^ Средняя годовая температура воздуха
  4. ^ a b c Лунд, Джон В. (июнь 2007 г.), «Характеристики, разработка и использование геотермальных ресурсов» (PDF) , Ежеквартальный бюллетень Geo-Heat Center , Кламат-Фоллс, Орегон: Технологический институт Орегона, 28 (2), стр. 1-9, ISSN 0276-1084 , извлекаться 2009-04-16  
  5. ^ Лунд, Джон В. (2015-06-05). «Геотермальные ресурсы во всем мире, прямое использование тепла» . Энциклопедия устойчивого развития и технологий : 1–29. DOI : 10.1007 / 978-1-4939-2493-6_305-3 . ISBN 978-1-4939-2493-6.
  6. ^ Ханания, Иордания; Sheardown, Эшли; Стенхаус, Кайлин; Донев, Ясон. «Геотермальное централизованное теплоснабжение» . Энергетическое образование, проведенное профессором Джейсоном Доневым и студентами Университета Калгари . Проверено 18 сентября 2020 .
  7. ^ «История использования геотермальных источников энергии в Исландии» . Рочестерский университет . Архивировано из оригинала на 2012-02-06.
  8. ^ "Системы централизованного теплоснабжения в Айдахо" . Департамент водных ресурсов Айдахо . Архивировано из оригинала на 2007-01-21.
  9. ^ Браун, Брайан. Klamath Falls Геотермальная District Heating Systems архивации 2008-01-19 в Wayback Machine
  10. ^ a b «Обзор основ геотермальной энергетики» . Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. Архивировано из оригинала на 2008-10-04 . Проверено 1 октября 2008 .
  11. ^ «Основные результаты отчета EGEC по геотермальному рынку за 2016 г. (шестое издание, май 2017 г.)» (PDF) . www.egec.org . EGEC - Европейский совет по геотермальной энергии. 2017-12-13. п. 9.
  12. ^ Что такое геотермальная энергия? Архивировано 5 октября 2013 года в Wayback Machine.
  13. ^ Уилфред Allan Старейшины, Гудмундур Omar Friðleifsson и Bjarni Пальссон (2014). Журнал Геотермия, Том. 49 (январь 2014 г.) . Elsevier Ltd.
  14. ^ Тадайон, Саид; Тадайон, Биджан; Мартин, Дэвид (2012-10-11). «Патент US20120255706 - Теплообмен с использованием подземных водопроводных систем» .
  15. ^ a b c Госвами, Йоги Д. , Крейт, Фрэнк , Джонсон, Кэтрин (2008), стр. 9-4.
  16. ^ "Геотермальные системы отопления и охлаждения" . Хорошо менеджмент. Министерство здравоохранения Миннесоты . Архивировано из оригинала на 2014-02-03 . Проверено 25 августа 2012 .
  17. ^ Катальди, Раффаэль (август 1993). «Обзор историографических аспектов геотермальной энергии в Средиземноморье и Мезоамерике до Нового времени» (PDF) . Ежеквартальный вестник Гео-Теплового центра . 15 (1): 13–16. ISSN 0276-1084 . Проверено 1 ноября 2009 .  
  18. ^ Блумквист, Р. Гордон (2001). Анализ, проектирование и разработка энергосистем геотермального района (PDF) . Международная летняя школа. Международная геотермальная ассоциация. п. 213 (1) . Проверено 28 ноября 2015 года . Краткое содержание - Стэнфордский университет . Во времена Римской империи теплая вода циркулировала через открытые траншеи для обогрева зданий и бань в Помпеях.
  19. ^ "История геотермальной энергии в Соединенных Штатах" . Министерство энергетики США, Программа геотермальных технологий. Архивировано из оригинала на 2007-09-04 . Проверено 10 сентября 2007 .
  20. ^ http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=iceland-geothermal-power
  21. ^ Диксон, Мэри Х .; Фанелли, Марио (февраль 2004 г.). "Что такое геотермальная энергия?" . Пиза, Италия: Istituto di Geoscienze e Georisorse. Архивировано из оригинала на 2009-10-09 . Проверено 13 октября 2009 .
  22. ^ a b Зогг, М. (20–22 мая 2008 г.). История тепловых насосов: вклад Швейцарии и международные вехи (PDF) . Цюрих, Швейцария: 9-я Международная конференция МЭА по тепловым насосам.
  23. ^ a b Блумквист, Р. Гордон (декабрь 1999 г.). «Геотермальные тепловые насосы, плюс четыре десятилетия опыта» (PDF) . Ежеквартальный вестник Гео-Теплового центра . 20 (4): 13–18. ISSN 0276-1084 . Проверено 21 марта 2009 .  
  24. ^ Крукер, Дж. Дональд; Чунинг, Рэй К. (февраль 1948 г.). «Тепловой насос в офисном здании». Транзакции ASHVE . 54 : 221–238.
  25. ↑ Гэннон, Роберт (февраль 1978 г.). «Тепловые насосы грунтовых вод - Отопление и охлаждение дома из собственной скважины» . Популярная наука . 212 (2): 78–82. ISSN 0161-7370 . Проверено 1 ноября 2009 . 
  26. ^ a b Lund, J .; Sanner, B .; Рыбач, Л .; Curtis, R .; Хеллстрём, Г. (сентябрь 2004 г.). «Геотермальные (наземные) тепловые насосы, мировой обзор» (PDF) . Ежеквартальный вестник Гео-Теплового центра . 25 (3): 1–10. ISSN 0276-1084 . Проверено 21 марта 2009 .  
  27. ^ "Консорциум геотермальных тепловых насосов, Inc." . Проверено 27 апреля 2008 .
  28. ↑ The Telegraph: Геотермальный зонд тонет в немецком городе (31 марта 2008 г.)
  29. ^ Lubbadeh, Jens (15 ноября 2008). "Eine Stadt zerreißt" [Город разрывается]. Spiegel Wissenschaft (на немецком языке). Частичный перевод .
  30. ^ Сасс, Инго; Бурбаум, Ульрих (2010). «Ущерб историческому городу Штауфен (Германия), вызванный геотермальным бурением через ангидритсодержащие образования» (PDF) . Acta Carsologica . 39 (2): 233. DOI : 10,3986 / ac.v39i2.96 . Архивировано из оригинального (PDF) 13 августа 2012 года.
  31. ^ Бутшер, Кристоф; Хуггенбергер, Питер; Окенталер, Адриан; Беннингер, Доминик (2010). "Risikoorientierte Bewilligung von Erdwärmesonden" (PDF) . Грундвассер . 16 : 13–24. Bibcode : 2011Grund..16 ... 13B . DOI : 10.1007 / s00767-010-0154-5 .
  32. ^ Goldscheider, Нико; Бехтель, Тимоти Д. (2009). «Сообщение редакции: жилищный кризис из-за подполья - повреждение исторического города из-за геотермальных бурений в ангидрите, Штауфен, Германия» . Гидрогеологический журнал . 17 (3): 491–493. Bibcode : 2009HydJ ... 17..491G . DOI : 10.1007 / s10040-009-0458-7 .
  33. ^ "Изображение месяца TerraSAR-X: поднятие земли под Старым городом Штауфена" . www.spacemart.com . SpaceDaily. 2009-10-22 . Проверено 23 октября 2009 .
  34. ^ Де Джорджио, Джорджио; Чиеко, Микеле; Лимони, Пьер Паоло; Дзуффиано, Ливия Эмануэла; Драгоне, Виттория; Романацци, Аннарита; Пальяруло, Росселла; Musicco, Джузеппе; Полемио, Маурицио (2020-10-19). «Улучшение регулирования и роль знаний о природных рисках в продвижении устойчивого низкоэнтальпийного использования геотермальной энергии» . Вода . 12 (10): 2925 , DOI : 10,3390 / w12102925 . ISSN 2073-4441 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии (EERE) - Программа геотермальных технологий
  • Национальная лаборатория Айдахо - Геотермальная энергия
  • Технологический институт штата Орегон - Центр геотеплоты
  • Южный методистский университет - геотермальная лаборатория
    • Программа геотермальных технологий в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США
  • Канадская коалиция GeoExchange